Преходни процеси в електрическата верига

Преходни процеси не са необичайни и са характерни не само за електрическите вериги. Могат да се посочат редица примери от различни области на физиката и технологиите, където се случват такива явления.

Например, гореща вода, излята в съд, постепенно се охлажда и температурата му се променя от първоначална стойност до равновесна стойност, равна на температурата на околната среда. Махалото, изведено от състояние на покой, извършва затихващи трептения и в крайна сметка се връща в първоначалното си неподвижно неподвижно състояние. Когато е свързано електрическо измервателно устройство, стрелката му, преди да спре на съответното деление на скалата, прави няколко трептения около тази точка на скалата.

Стационарен и преходен режим на електрическата верига

При анализиране на процесите в електрически вериги трябва да се срещнете с два режима на работа: установено (неподвижен) и преходно.

Стационарният режим на електрическа верига, свързан към източник на постоянно напрежение (ток), е режим, при който токовете и напреженията в отделните клонове на веригата са постоянни във времето.

В електрическа верига, свързана към източник на променлив ток, стационарното състояние се характеризира с периодично повтаряне на моментните стойности на токове и напрежения в клоните… Във всички случаи на работа на вериги в стационарни режими, които теоретично могат да продължат безкрайно, се приема, че параметрите на действащия сигнал (напрежение или ток), както и структурата на веригата и параметрите на нейните елементи, не се променят.

Токовете и напреженията в стационарен режим зависят от вида на външното влияние и от параметрите на електрическата мишена.

Преходен режим (или преходен процес) се нарича режим, който възниква в електрическата верига по време на прехода от едно неподвижно състояние в друго, което по някакъв начин е различно от предишното, и напреженията и токовете, придружаващи този режим — преходни напрежения и токове… Промяна в стационарния режим на верига може да възникне в резултат на промяна на външни сигнали, включително включване или изключване на източник на външно влияние, или може да бъде причинена от превключване в самата верига.

Всяка промяна в електрическата верига, която води до възникване на преходен процес, се нарича комутация.

Комутация на електрическа верига — процесът на превключване на електрическите връзки на елементите на електрическата верига, изключване на полупроводниково устройство (ГОСТ 18311-80).

В повечето случаи е теоретично допустимо да се приеме, че превключването става мигновено, т.е. различни превключвания във веригата се извършват без да отнема много време. Процесът на превключване в диаграмите обикновено се показва със стрелка близо до превключвателя.

Преходните процеси в реални вериги са бързи… Тяхната продължителност е десети, стотни и често милионни от секундата. Сравнително рядко продължителността на тези процеси достига няколко секунди.

Естествено възниква въпросът дали като цяло е необходимо да се вземат предвид преходните режими с такава кратка продължителност. Отговорът може да бъде даден само за всеки конкретен случай, тъй като при различни условия тяхната роля не е еднаква. Тяхното значение е особено голямо в устройства, предназначени за усилване, формиране и преобразуване на импулсни сигнали, когато продължителността на сигналите, действащи върху електрическата верига, е съизмерима с продължителността на преходните режими.

Преходните процеси причиняват изкривяване на формата на импулсите, когато преминават през линейни вериги. Изчисляването и анализът на устройства за автоматизация, където има непрекъсната промяна в състоянието на електрическите вериги, е немислимо, без да се вземат предвид преходните режими.

В редица устройства възникването на преходни процеси по принцип е нежелателно и опасно.Изчисляването на преходни режими в тези случаи дава възможност да се определят възможните пренапрежения и увеличения на токове, които могат да бъдат многократно по -високи от напреженията и токовете на стационарния режим. Това е особено важно за схеми със значителна индуктивност или висок капацитет.

Причините за преходния процес

Нека разгледаме явленията, които възникват в електрическите вериги по време на прехода от един стационарен режим към друг.

Включваме лампата с нажежаема жичка в последователна верига, съдържаща резистор R1, превключвател В и източник на постоянно напрежение Е. След като ключът е затворен, лампата веднага ще светне, тъй като нагряването на нажежаемата жичка и увеличаването на яркостта на нейното сияние са невидими за окото. Условно може да се приеме, че в такава верига стационарният ток е равен на Азo =E / (R1 + Rl), се инсталира почти незабавно, където Rl — активно съпротивление на нажежаемата жичка на лампата.

В линейни вериги, състоящи се от енергийни източници и резистори, преходните процеси, свързани с промяна в съхранената енергия, изобщо не се случват.

Ориз. 1. Схеми за илюстриране на преходни процеси: а — верига без реактивни елементи, б — верига с индуктор, в — верига с кондензатор.

Сменете резистора с намотка L, чиято индуктивност е достатъчно голяма. След затваряне на превключвателя можете да забележите, че увеличаването на яркостта на сиянието на лампата става постепенно. Това показва, че поради наличието на намотка, токът във веригата постепенно достига стационарната си стойност. Аз’около =E / (rДа се+ Rл), къде rk — активно съпротивление на намотката на бобината.

Следващият експеримент ще се проведе с верига, състояща се от източник на постоянно напрежение, резистори и кондензатор, паралелно с който свързваме волтметър (фиг. 1, в). Ако капацитетът на кондензатора е достатъчно голям (няколко десетки микрофарада) и съпротивлението на всеки от резисторите R1 и R2 няколкостотин кило-ома, след което след затваряне на превключвателя, иглата на волтметъра започва плавно да се отклонява и едва след няколко секунди се настройва на подходящото разделение на скалата.

Следователно напрежението в кондензатора, както и токът във веригата, се установяват за относително дълъг период от време (инерцията на самото измервателно устройство в този случай може да се пренебрегне).

Какво пречи на моменталното установяване на стационарен режим във веригите на фиг. 1, b, c и причината за процеса на преход?

Причината за това са елементите на електрическите вериги, способни да съхраняват енергия (така наречените реактивни елементи): индуктор (Фиг. 1, б) и кондензатор (Фиг. 1, в).

Появата на преходни процеси е свързана с особеностите на промените в енергийните запаси в реактивните елементи на веригата… Количеството енергия, съхранено в магнитното поле на индуктора L, в която протича токът iL, се изразява с формулата: WL = 1/2 (LiL2)

Енергията, натрупана в електрическото поле на кондензатор с капацитет C, заредена до напрежение ти° С, е равно на: W° С = 1/2 (Cu° С2)

Тъй като доставката на магнитна енергия WL определя се от тока в бобината iLи електрическа енергия W° С — напрежение в кондензатора ти° С, след това във всички електрически вериги, всякакви три комутации се спазват две основни разпоредби: токът на бобината и напрежението на кондензатора не могат да се променят рязко… Понякога тези разпоредби се формулират по различен начин, а именно: връзката на потока на бобината и заряда на кондензатора могат да се променят само плавно, без скокове.

Физически преходните режими са процеси на преход на енергийното състояние на веригата от режим преди комутация към режим след комутация. Всяко неподвижно състояние на верига с реактивни елементи съответства на определено количество енергия на електрически и магнитни полета. Преходът към нов стационарен режим е свързан с увеличаване или намаляване на енергията на тези полета и е придружен от появата на преходен процес, който приключва веднага щом промяната в доставката на енергия спре. Ако по време на превключване енергийното състояние на веригата не се промени, тогава не възникват преходни процеси.

Преходни процеси се наблюдават по време на превключване, когато стационарният режим на електрическа верига се променя, който има елементи, способни да съхраняват енергия. Преходните процеси протичат по време на следните операции:

а) включване и изключване на веригата,

б) късо съединение отделни клонове или елементи от веригата,

в) изключване или свързване на клони или елементи на веригата и др.

Освен това възникват преходни процеси, когато импулсните сигнали се подават към електрическите вериги.