В электронике и электротехнике существует большое количество понятий и определений, которые постоянно требуются в практической работе. Сюда же можно включить и переходные процессы в электрических цепях, представляющие собой нестационарные рабочие режимы динамического характера. Этим они отличаются от стационарных режимов при наличии постоянных токов, неизменных во времени, и переменном токе с периодической временной функцией.
Понятие переходного процесса
В установленном режиме стационара параметры цепи остаются неизменными и находятся под влиянием одного лишь источника энергии. Поэтому посредством источников постоянного тока, в цепи создается аналогичный постоянный ток, а источники переменного напряжения производят переменный ток с частотой, равной частоте этого источника.
Переходные процессы в электрических цепях наступают в связи со многими вариантами изменений установленного режима этих цепей. В первую очередь, это коммутационные процессы, связанные с подачей и выключением питания. Другим фактором являются аварийные ситуации в виде коротких замыканий, перегрузок, оборванного проводника и других.
Во всех случаях происходят разного рода переключения, происходящие в той или иной форме. С физической точки зрения все переходные процессы считаются преобразованиями из одного энергетического вида в другой, то есть из режима до коммутации в режим после коммутации.
Переходные процессы отличаются быстродействием. Для их совершения достаточно десятых, сотых или даже миллионных долей секунды. Более продолжительное время требуется значительно реже. Несмотря на кратковременность действия, эти процессы тщательно изучаются. Полученная информация позволяет узнать степень деформации сигнала по параметрам амплитуды и форме, наличие опасных скачков напряжения вверх на некоторых отрезках, представляющих опасность для изоляции. Одновременно отслеживаются и другие потенциально опасные явления.
На практике переходные процессы используются в различных электротехнических устройствах. На производстве слишком большое или, наоборот, слишком малое количество тока в одной и той же установке дают совершенно разные результаты, как положительные, так и отрицательные.
Отчего начинаются переходные процессы
В целом возникновение переходных процессов в линейных электрических цепях становится вероятным при наличии в них индуктивных и емкостных составляющих. В процессе работы они соответственно собирают или отдают назад энергию магнитных или электрических полей. Когда наступает коммутационный момент и начало переходного процесса, энергия начинает перераспределяться между данными элементами и подключенными к цепи источниками энергии. Как следствие, происходит безвозвратное преобразование электричества в тепловую и другие виды энергий.
Обновленный режим вводится в действие по завершении переходного процесса и зависит лишь от энергетических источников, подключенных снаружи.
Если внешние источники отключаются, создание переходного процесса обычно наступает под действием электромагнитного поля, энергия которого заранее накапливается в индуктивных и емкостных устройствах. Энергия магнитных и электрических полей не может быть изменена в одно мгновение, поэтому для всех процессов, происходящих в момент совершения коммутации, требуется определенное время. В противном случае понадобилась бы бесконечно высокая мощность, которая в реальной обстановке абсолютно невозможна.
Невозможность мгновенного течения переходных процессов связано с невозможностью мгновенно изменить энергию, накопленную в электромагнитном поле электрической цепи. В теории для этого требуется период времени, равный t&rarr,&infin,, а на практике процессы протекают очень быстро, в течение долей секунды. Таким образом, ток в катушке индуктивности и напряжение в емкости конденсатора не могут быть мгновенно изменены. Данное положение служит основой для всех законов коммутации.
Исследование и методы анализа
Основной задачей такого изучения является установление конкретной закономерности и временного промежутка, на протяжении которого токи и напряжения будут реально отклоняться в отдельных участках цепи от своих первоначальных значений. В конечном итоге, следует определить момент времени, когда наступит окончание переходного процесса.
Во время исследований по умолчанию используются следующие исходные данные:
- Включение и выключение рубильников осуществляется мгновенно, электрическая дуга при этом не образуется.
- Сам переходный процесс теоретически проходит в течение бесконечно длительного времени. В этот период наступает постепенное слияние переходного режима с обновленным рабочим режимом. Временные рамки, заданные условно, ограничиваются продолжительностью переходных процессов.
- Порядок работы, установленный после выполнения коммутации, рассчитывается исходя из теоретической выкладки t&rarr,&infin,, что означает бесконечно длительное время, прошедшее после коммутации.
Расчет режима, установленного до коммутации, выполняется исходя из предположения об окончании в цепи предыдущего переходного процесса. В некоторых случаях анализ приходится выполнять в условиях продолжающегося переходного помежутка, вызванного действиями предыдущих коммутаций. Для анализа применяются дифференциальные уравнения, подобранные для конкретной электрической цепи и соответствующие законам Кирхгофа и методам контурных токов.
Выполнение расчетов стандартным способом
Перед тем как выполнять расчет переходных процессов, нужно максимально уменьшить количество накопителей энергии. С этой целью исключаются любые виды параллельных и последовательных соединений реактивных элементов одного типа.
Используемое дифференциальное уравнение будет зависеть от количества реактивных элементов в расчетной схеме. На практике, при выполнении анализа, рекомендуется выполнять все действия в следующем алгоритме:
- Расчет установившегося режима при условии t&rarr,&infin, вместе с установленными токами и напряжениями.
- Расчет режима, предшествующего коммутации. Токи и напряжения в момент коммутации будут использоваться в качестве независимых первоначальных условий.
- Составление дифференциальных уравнений для свободного процесса.
- Поместить в уравнения полученные предварительные данные, найти постоянные интегрирования и на их основе вычислить изменения анализируемых токов и напряжений.