ТЕОРИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ЦЕПЕЙ

Истоками теории электрических цепей в качестве раздела ТЭ в значительной мере являются технические задачи передачи и распространения энергии и анализ режимов в электрических цепях. В этом разделе теории наиболее остро встали проблемы создания математических моделей реальных устройств. Для относительно простых электрических цепей постоянного тока топология цепей и их эквивалентных схем совпадали и, таким образом, математические модели цепей

и эквивалентные им идеальные цепи, представленные в виде электрических схем, были тождественны. Но даже в этих простых моделях и эквивалентных им схемах нашли отражение принципы перехода от ЭМП с распределенными в пространстве и во времени векторами напряженностей электрического Е и магнитного Н полей к идеализированным цепям с сосредоточенными параметрами (R, L, С) и интегральными величинами (токи, напряжения, заряды и потоко‑сцепления). Именно при расчете параметров эквивалентных схем наиболее полно выявилась неразрывная связь между задачами теории ЭМП и физическими и математическими проблемами создания математических моделей. Например, практика передачи сигналов при помощи азбуки Морзе показала существенное влияние длины линии связи на уровень сигнала. Особенно остро эта проблема встала при попытке осуществить трансатлантическую телеграфную связь в середине XIX в. Решению этой проблемы способствовало понимание физической природы этого явления, связанного с особенностями временных и пространственных изменений токов и напряжений линии, на основе которого и были сформулированы уравнения в частных производных, названные телеграфными или волновыми. Несмотря на то обстоятельство, что теория электрических цепей с распределенными параметрами в середине XIX в. родилась для решения специфических задач линий связи, понятия бегущих, отраженных, преломленных волн и волнового сопротивления в середине XX столетия вошли также в теорию четыреполюсников, электрических фильтров, цепных схем, формирующих формы сигналов цепей и др. Решение ряда задач, для которых была характерна необходимость более детального описания ЭМП в реальных устройствах, также было связано с формированием математических моделей в форме телеграфных уравнений. Методы решения таких уравнений были использованы для расчета волновых процессов в электрических машинах, трансформаторах, ЛЭП. Разработанный в ТЭ математический аппарат, методы и понятия для расчета распространения электромагнитной волны в цепях с распределенными параметрами дали возможность практически с одних и тех же позиций исследовать процессы и в миниатюрных слаботочных интегральных схемах и в охватывающей всю страну сильноточной ЕЭС.

Важным в теории электрических цепей является раздел, относящийся к расчету и анализу установившихся и переходных процессов в линейных цепях (ЛЦ) с сосредоточенными параметрами. Математические модели реальных устройств, как правило, являются упрощенными, идеализированными образами исходных физических процессов. Степень соответствия этих образов исходным зависит от уровня понимания физических процессов и возможности математически строго и достаточно полно учитывать характерные особенности процессов и свойств сред. Математические модели физических процессов в реальных системах в основном характеризуются нелинейными уравнениями. Одной из основных задач ТЭ в течение первой половины XX в. являлась разработка методов создания математических моделей. Для этого необходимо было правильное понимание картины протекания физических процессов. По этой причине в ТЭ большое место занял раздел под названием «Физические основы электротехники». В развитии этого раздела большой вклад внесла отечественная школа теоретических основ электротехники, созданная В.Ф. Миткевичем, К.А. Кругом, Л.Р. Нейманом, П.Л. Калантаровым, К.М. Поливановым, А.В. Нетушилом и их учениками. Были выработаны критерии, позволяющие для большого количества реальных устройств и режимов их работы выделить такие математические модели, которые в первом приближении допускают линеаризацию и описываются системой дифференциальных уравнений с постоянными коэффициентами. Сочетание методов решения таких уравнений и метода последовательных приближений применительно к линеаризованным моделям дало возможность отыскать более точные решения нелинейных задач для устройств, математические модели которых описывались нелинейными уравнениями.

Развитие методов расчета ЛЦ происходило в течение всего XX в., первоначально преимущественно для цепей с периодическими токами и напряжениями и простых цепей при ЭДС, несинусоидальной формы кривой. Предложенный Ч.П. Штейнмецем метод использования комплексных чисел для расчета установившихся процессов в цепях с синусоидальными токами и напряжениями в сочетании с разложением периодических несинусоидальных функций в ряд Фурье стал основным инструментом для расчета ЛЦ. В России и СССР основными пропагандистами этих методов стали К.А. Круг, В.Ф. Миткевич, Г.Е. Евреинов, А.И. Берг и др. Применение комплексного метода позволяло алгебраизировать интегродифференциальные уравнения и производить расчеты сложных электрических цепей. В связи со скромными возможностями используемых до середины 50‑х годов технических средств вычислений (логарифмические линейки, механические счетные устройства) большое значение приобрели методы, позволяющие снизить порядок уравнений. Наряду с предложенным еще Д.К. Максвеллом методом контурных токов и узловых напряжений в практику расчетов были введены методы эквивалентного генератора, симметричных составляющих, эквивалентных преобразований и др. Существенное развитие теории линейных систем и электрических цепей связано с описанием динамических процессов в них при помощи метода переменных состояния (Т. Башков, Л. Заде, Ч. Дезоер, Ю.В. Ракитский, К.С. Демирчян, В.Г. Миронов, П.Н. Матха‑нов, П.А. Бутырин и др.), позволившего более продуктивно использовать классические математические формы описания системы дифференциальных уравнений (уравнения Коши) и возможности ЭВМ. По мере усложнения конфигурации электрических цепей для расчета установившихся процессов в сложных электрических цепях были предложены методы расщепления цепей на четырехполюсные и многополюсные подцепи (Э.В. Зелях, 1931 г.; Г.Е. Пухов, 1949 г.; Р.А. Воронов, 1951 г.; В.П. Сигорский, 1954 г.; Г.Т. Адонц, 1951 г. и др.) с привлечением новых разделов тензорного анализа (Г. Крон), диакоптики (Г. Крон, А.З. Гамм, Л.А. Крумм, И.А. Шер, М.А. Шакиров, О.Т. Гераскин, В.А. Строев и др.) и матричной алгебры (В.П. Сигорский, А.И. Петренко, В.Г. Миронов и др.). Специфика расчета электрических цепей, особенно ЕЭС, породила новое направление в теории матриц, связанное с использованием особенностей слабозаполненных матриц для упрощения процедуры их обращения (Н. Сато и К. Тинней, 1963 г.). Методы обращения слабозаполненных матриц, разработанные в ТЭ с учетом возможностей ЭВМ, легли в основу специального раздела прикладной математики и оказались продуктивными и для других областей техники. Тождественность математических моделей и идеализированных электрических цепей позволила отыскать физические аналоги для различных математических процедур. Например, физически наглядно можно представить прямой и обратный ходы Гаусса, а также тензорный метод Крона с его элементарными контурами через процедуру сворачивания схемы электрической цепи при помощи представления влияния тока в одной ветви на напряжение другой через индуктивную связь (М.А. Шакиров). В электроэнергетике нашел широкое применение метод симметричных составляющих не только для расчета цепей, но также для создания аппаратуры с целью улучшения качества преобразования электрической энергии и создания теории и методов измерения мощности и электрической энергии (А.Н. Милях, А.К. Шидловский, И.М. Чиженко, Г.М. Торбенков, Ф.А. Крогерис и др.).

Для ТЭ характерно стремление разработать такие теоретические методы, которые обеспечивают возможность произвести качественный и количественный анализ результатов решения конкретной задачи. С этой точки зрения использование матричных методов без применения современных ЭВМ вплоть до 70‑х годов носило больше методический, чем прикладной характер. Именно стремление довести решение задачи до аналитических выражений для выяснения общих свойств решаемой задачи помимо получения численных результатов в 50‑х годах породило методы: матрично‑топологичёские (Л.Д. Кудрявцев, Э.А. Меерович, Э.В. Зелях, В.А. Тафт, В.П. Сигорский и др.), алгебраические (К.Т. Ванг, С. Беллерт, Г. Возняцки, Я.К. Трохименко, П.Ф. Хасанов) и сигнальных графов (С. Мэзон, Г. Циммерман П.А. Ионкин, и др.). Однако для цепей с большим количеством узлов и контуров расчеты, произведенные по этим методам для вычисления определителя матрицы и ее алгебраических дополнений, оказались громоздкими. На практике эти методы оказываются малопродуктивными для анализа электрических цепей, поскольку выражение для определителя цепи даже с шестью узлами при взаимном соединении всех узлов будет содержать 6 4 = 1296 слагаемых. Не намного более продуктивным оказался и метод сигнальных графов по тем же причинам. Однако эти методы сыграли важную методическую роль и позволили по‑иному формировать математические модели для многочисленных прикладных задач с уравнениями низкого порядка.

Важным новым направлением развития теории электрических цепей стала диагностика их параметров и состояния. Задачи, связанные с диагностикой, приобрели определяющее значение при управлении процессами в электрических цепях и системах. Особенно острыми они стали при организации диспетчерской службы ЕЭС страны для принятия оперативных решений по управлению эффективным распределением потоков электромагнитной энергии в ней.

Для решения этой задачи требуется знание текущего состояния системы т.е. ее структуры и параметров элементов системы, для чего и необходимо провести диагностику системы: определить путем измерений и расчетов параметры, необходимые для управления состоянием системы (или электрической цепи), и организовать проверку достоверности результатов диагностики. В решение этой проблемы заметный вклад внесли Н.В. Киншт, П.А. Бутырин, А.З. Гамм и др.

В теории линейных цепей особое положение занимают цепи с переменными во времени параметрами. Математический аппарат, пригодный для представления решения уравнений процессов в аналитической форме, существенно менее развит, чем таковой для линейных цепей, и в этом основная причина сложности создания пригодной для практики теории расчета процессов в таких цепях. Общие решения и анализ их свойств содержится во многих работах (в частности, Л. Заде и Ч. Дезоер «Теория линейных систем», К.С. Демирчян и П.А. Бутырин «Моделирование и машинный расчет электрических цепей», В.А. Тафт «Электрические цепи с переменными параметрами»). Исследованию специфических свойств таких цепей, в частности случаю периодичности изменения параметров цепей, посвящены многие работы. В таких цепях при помощи нахождения соответствующих преобразований иногда оказывается возможным свести их к цепям с постоянными параметрами. Этот случай характерен для описания процессов в электрических машинах (А.А. Горев).

Условные обозначения основных величин
Предисловие
Часть первая. Линейные электрические цепи
Глава 1. Основные свойства и преобразования электрических цепей
§ 1.1. Топология (геометрия) электрической цепи
§ 1.2. Эквивалентные схемы источников электрической энергии
§ 1.3. Эквивалентные преобразования источников электрической энергии
§ 1.4. Преобразование схем с двумя узлами, содержащих источники
§ 1.5. Основные свойства и теоремы линейных электрических цепей
§ 1.6. Дуальные элементы и схемы
§ 1.7. Алгоритм графического построения дуальной планарной схемы
§ 1.8. Электростатические схемы
§ 1.9. Методы расчета электростатических схем
§ 1.10. Основные величины, характеризующие гармонический ток
§ 1.11. Комплексный метод
§ 1.12. Алгоритм расчета комплексным методом
§ 1.13. Комплексные числа
§ 1.14. Основные комплексные величины и законы, характеризующие гармоническое напряжение (ток)
§ 1.15. Пассивные элементы в схеме гармонического тока
§ 1.16. Соединения и преобразования пассивных элементов
§ 1.17. Примеры эквивалентных преобразований
§ 1.18. Последовательное соединение элементов
§ 1.19. Параллельное соединение элементов
§ 1.20. Резонансы в линейных электрических цепях
§ 1.21. Двухполюсники
§ 1.22. Мощности цепи гармонического тока
§ 1.23. Векторные диаграммы простейших схем
§ 1.24. Круговая диаграмма для токов четырехполюсника
§ 1.25. Топографическая диаграмма
§ 1.26. Цепи с взаимной индуктивностью
§ 1.27. Согласное последовательное соединение индуктивно связанных катушек
§ 1.28. Встречное последовательное соединение индуктивно связанных катушек
§ 1.29. Параллельное соединение индуктивно связанных катушек. 46
§ 1.30. Опытное определение взаимной индуктивности
§ 1.31. Трансформатор без ферромагнитного сердечника (воздушный трансформатор)
§ 1.32. Расчет разветвленных цепей с взаимной индукцией
Глава 2. Негармонические токи
§ 2.1. Ряд Фурье для некоторых периодических негармонических функций
§ 2.2. Негармонические кривые с периодической огибающей
§ 2.3. Основные величины и коэффициенты негармонического тока
§ 2.4. Расчет цепей при периодических негармонических токах
§ 2.5. Измерение негармонических токов и напряжений
Глава 3. Цепи трехфазного тока
§ 3.1. Трехфазный генератор
§ 3.2. Симметричный режим в трехфазных цепях
§ 3.3. Напряжение смещения нейтрали при соединении неравномерной нагрузки звездой
§ 3.4. Определение токов в трехфазной цепи
§ 3.5. Преобразование трехфазной цепи со смешанной нагрузкой
§ 3.6. Метод симметричных составляющих
§ 3.7. Фазный множитель
§ 3.8. Сопротивления симметричной трехфазной цепи токам различных последовательностей
§ 3.9. Продольная и поперечная несимметрии трехфазной цепи
§ 3.10. Продольная несимметрия трехфазной цепи
§ 3.11. Виды продольной несимметрии
§ 3.12. Поперечная несимметрия трехфазной цепи
§ 3.13. Виды поперечной несимметрии
§ 3.14. Алгоритм расчета несимметричной трехфазной цепи
Глава 4. Методы расчета электрических схем
§ 4.1. Расчет схем по закону Ома
§ 4.2. Расчет схем по уравнениям Кирхгофа
§ 4.3. Матричная форма записи уравнений Кирхгофа
§ 4.4. Метод контурных токов
§ 4.5. Матричная форма записи уравнений методом контурных токов
§ 4.6. Метод узловых потенциалов
§ 4.7. Матричная форма записи уравнений методом узловых потенциалов
§ 4.8. Метод двух узлов
§ 4.9. Метод наложения
§ 4.10. Метод эквивалентного источника
§ 4.11. Метод компенсации
Глава 5. Топологические методы расчета электрических схем
§ 5.1. Основные понятия и определения
§ 5.2. Топологические матрицы графа
§ 5.3. Составление уравнений электрической схемы в матричной форме
§ 5.4. Нахождение определителя схемы по топологическим формулам
§ 5.5. Сигнальные графы
§ 5.6. Алгоритм построения сигнального графа по системе линейных уравнений
§ 5.7. Составление системы уравнений по сигнальному графу
§ 5.8. Преобразование сигнальных графов
§ 5.9. Топологическое правило определения передачи графа (формула Мэзона)
§ 5.10. Сигнальные графы уравнений четырехполюсников
§ 5.11. Сигнальные графы соединений четырехполюсников
Глава 6. Четырехполюсники
§ 6.1. Основные определения
§ 6.2. Уравнения пассивного четырехполюсника
§ 6.3. Уравнения четырехполюсника в А-форме (основные уравнения)
§ 6.4. Эквивалентные схемы и параметры пассивных четырехполюсников
§ 6.5. Соединения четырехполюсников
§ 6.6. Характеристические параметры четырехполюсников
§ 6.7. Передаточная функция (коэффициент передачи или амплитудно-фазовая характеристика) четырехполюсника
§ 6.8. Единицы измерения постоянной ослабления
Глава 7. Электрические фильтры
§ 7.1. Классификация
§ 7.2. Электрические реактивные цепные фильтры
§ 7.3. Реактивные фильтры типа k
§ 7.4. Реактивные фильтры типа т
§ 7.5. Безындукционные фильтры (RС-фильтры)
Глава 8. Переходные процессы в линейных электрических цепях
§ 8.1. Методы расчета
§ 8.2. Законы коммутации
§ 8.3. Классический метод
§ 8.4. Характер свободного процесса в зависимости от корней характеристического уравнения
§ 8.5. Составление характеристического уравнения
§ 8.6. Определение степени характеристического уравнения
§ 8.7. Начальные условия (начальные значения токов и напряжений при t=0
§ 8.8. Определение зависимых начальных условий
§ 8.9. Определение начальных условий для свободных составляющих токов и напряжений
§ 8.10. Алгоритм расчета переходных процессов классическим методом
§ 8.11. Переходные процессы в простейших схемах
§ 8.12. Операторный метод
§ 8.13. Эквивалентные операторные схемы для элементов цепи с ненулевыми начальными условиями
§ 8.14. Закон Ома и законы Кирхгофа в операторной форме. Эквивалентные операторные схемы
§ 8.15. Нахождение оригинала по изображению
§ 8.16. Таблица оригиналов и изображений по Лапласу
§ 8.17. Основные операторные преобразования по Лапласу
§ 8.18. Алгоритм расчета переходных процессов операторным методом
§ 8.19. Расчет свободных составляющих операторным методом
§ 8.20. Расчет переходных процессов методом интеграла Дюамеля
§ 8.21. Единичные и переходные функции
§ 8.22. Действие единичных ступенчатых и единичных импульсных источников на индуктивный и емкостный элементы
§ 8.23. Алгоритм расчета переходных процессов методом интеграла Дюамеля
§ 8.24. Приведение схемы к нулевым начальным условиям
§ 8.25. Частотный метод
§ 8.26. Основные свойства одностороннего преобразования Фурье
§ 8.27. Спектральные характеристики некоторых функций
§ 8.28. Ряд и интеграл Фурье
§ 8.29. Алгоритм расчета переходных процессов частотным методом
§ 8.30. Метод переменных состояния
§ 8.31. Матричная форма записи уравнений методом переменных состояния
§ 8.32. Составление дифференциальных уравнений состояния с помощью уравнений Кирхгофа
§ 8.33. Составление дифференциальных уравнений состояния методом наложения
Глава 9. Установившиеся процессы в длинных линиях (цепях с распределенными постоянными)
§ 9.1. Общие сведения
§ 9.2. Параметры длинной линии 157
§ 9.3. Зависимость от геометрических размеров простейших линий
§ 9.4. Уравнения однородной длинной линии с потерями
§ 9.5. Входное сопротивление длинной линии с потерями
§ 9.6. Длинная линия без потерь
§ 9.7. Входное сопротивление длинной линии без потерь
§ 9.8. Стоячие волны
§ 9.9. Свойства распределения действующих значений напряжения и тока вдоль линии без потерь при
§ 9.10. Линия без искажений
§ 9.11. Линия, согласованная с нагрузкой
§ 9.12. Согласование линии без потерь с нагрузкой
§ 9.13. Измерительная линия
§ 9.14. Искусственная линия
§ 9.15. Длинная линия с переменными по длине параметрами
Глава 10. Переходные процессы в длинных линиях без потерь
§ 10.1. Падающая и отраженная волны
§ 10.2. Отражение волны от конца линии
§ 10.3. Многократное отражение волн при подключении источника постоянного напряжения к линии
§ 10.4. Эквивалентная схема для определения токов и напряжений в узлах линии
§ 10.5. Распределение напряжения и тока вдоль линий, соединенных через L или С
§ 10.6. Волны при включении и отключении ветвей
Глава 11. Синтез линейных электрических цепей
§ 11.1. Общие сведения
§ 11.2. Определение, свойства и признаки положительной вещественной функции
§ 11.3. Признаки положительности и вещественности рациональной функции
§ 11.4. Положительные вещественные функции Z(p) и Y(p) простейших двухполюсников
§ 11.5. Реализация реактивных двухполюсников разложением входной функции на простые дроби (реализация двухполюсников по Фостеру)
§ 11.6. Разложение по Фостеру мнимой входной функции Z (р)
§ 11.7. Разложение по Фостеру мнимой входной функции Y (р)
§ 11.8. Реализация вещественных положительных входных функций, имеющих полюсы и нули на мнимой оси и вещественной положительной полуоси
§ 11.9. Разложение входной функции в непрерывную дробь (реализация двухполюсников по Кауэру)
§ 11.10. Синтез четырехполюсников
§ 11.11. Передаточные функции четырехполюсника
§ 11.12. Реализация LC- и RС-четырехполюсников мостовой схемой
§ 11.13. Необходимые свойства параметров пассивного четырехполюсника при его синтезе
§ 11.14. Особенности передаточной функции напряжения четырехполюсников Ни
§ 11.15. Реализация LC- и RС-четырехполюсников цепной схемой
Часть вторая. Нелинейные электрические цепи
Глава 12. Нелинейные элементы
§ 12.1. Общие сведения
§ 12.2. Резистивные элементы
§ 12.3. Двухполюсные резистивные элементы
§ 12.4. Управляемые двухполюсные резистивные элементы
§ 12.5. Управляемые трехполюсные резистивные элементы
§ 12.6. Расчет нелинейных цепей постоянного тока
§ 12.7. Метод двух узлов
§ 12.8. Статическое и дифференциальное сопротивления
§ 12.9. Эквивалентная замена нелинейного резистивного элемента линейным резистивным элементом и источником э. д. с.
§ 12.10. Расчет разветвленной схемы с нелинейными элементами
Глава 13. Нелинейные индуктивные и емкостные элементы
§ 13.1. Нелинейные индуктивные элементы
§ 13.2. Кривые намагничивания В(H) ферромагнитных материалов
§ 13.3. Потери в реальном индуктивном элементе
§ 13.4. Основные величины и зависимости, характеризующие магнитное поле
§ 13.5. Формальная аналогия между электрической и магнитной цепями постоянного тока
§ 13.6. Расчет магнитной цепи при постоянном токе. Прямая задача
§ 13.7. Расчет магнитной цепи при постоянном токе. Обратная задача
§ 13.8. Неразветвленная магнитная цепь постоянного магнита
§ 13.9. Катушка с ферромагнитным сердечником
§ 13.10. Нелинейные цепи с управляемым индуктивным элементом
§ 13.11. Магнитный усилитель мощности
§ 13.12. Трансформатор с ферромагнитным сердечником
§ 13.13. Пик-трансформатор
§ 13.14. Нелинейные емкостные элементы
§ 13.15. Резонансные явления в нелинейных цепях
Глава 14. Аппроксимация нелинейных характеристик
§ 14.1. Аппроксимирующие функции
§ 14.2. Аппроксимация характеристик нелинейных элементов
§ 14.3. Кусочно-линейная аппроксимация вольт-амперных характеристик
§ 14.4. Схемы замещения идеальных элементов с кусочно-линейными характеристиками
§ 14.5. Выпрямление переменного тока
§ 14.6. Определение коэффициентов аппроксимирующей функции
Глава 15. Аналитические методы анализа периодических процессов в нелинейных цепях
§ 15.1. Общие сведения
§ 15.2. Метод гармонической линеаризации (частотный метод)
§ 15.3. Метод гармонического баланса
§ 15.4. Метод медленно меняющихся амплитуд
§ 15.5. Метод кусочно-линейной аппроксимации
§ 15.6. Метод аналитической аппроксимации
Глава 16. Графические методы анализа периодических процессов в нелинейных цепях
§ 16.1. Расчет по характеристике для мгновенных значений
§ 16.2. Расчет по характеристике для первой гармоники
§ 16.3. Расчет по характеристике для действующих значений
Глава 17. Методы расчета переходных процессов в нелинейных цепях
§ 17.1. Методы расчета переходных процессов в схемах с одним нелинейным реактивным элементом
§ 17.2. Метод линейной аппроксимации
§ 17.3. Метод кусочно-линейной аппроксимации
§ 17.4. Метод аналитической аппроксимации
§ 17.5. Метод последовательных интервалов
§ 17.6. Метод графического интегрирования
§ 17.7. Метод фазовой плоскости
Глава 18. Автоколебания
§ 18.1. Общие сведения
§ 18.2. Релаксационные колебания
§ 18.3. Почти гармонические колебания
§ 18.4. Устойчивость состояния равновесия
§ 18.5. Устойчивость в малом
§ 18.6. Алгоритм получения линеаризованных уравнений для исследуемой величины
§ 18.7. Теорема А. М. Ляпунова об установлении устойчивости в малом автономных нелинейных систем
§ 18.8. Критерий устойчивости Гурвица
Глава 19. Электрические цепи с переменными параметрами
§ 19.1. Общие сведения
§ 19.2. Элементы с переменными параметрами
§ 19.3. Цепь с резистивным элементом
§ 19.4. Цепь с индуктивным элементом
§ 19.5. Цепь с емкостным элементом
§ 19.6. Анализ цепей с переменными параметрами
§ 19.7. Параметрические колебания
Список рекомендуемой литературы
Предметный указатель

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Красноярский государственный технический университет

В.И.Вепринцев

ОСНОВЫ ТЕОРИИ ЦЕПЕЙ

Конспект лекций для студентов радиотехнических специальностей дистанционной формы обучения

Красноярск 2003

В.И.Вепринцев. Основы теории цепей.

Конспект лекций для студентов радиотехнических специальностей.Ч. 1. КГТУ,- Красноярск. 2003

Введение

Среди дисциплин, составляющих основу базовой подготовки специалистов, связанных с разработкой и эксплуатацией современной радиоэлектронной аппаратуры, важное место отводится курсу «Основы теории цепей» (ОТЦ). Содержание этой дисциплины составляют задачи анализа и синтеза электрических цепей, изучение, как с качественной, так и с количественной стороны установившихся и переходных процессов в различных радиоэлектронных устройствах. Курс ОТЦ базируется на курсах физики и высшей математики и содержит инженерные методы расчета и анализа, применимые к широкому классу современных электротехнических и радиоэлектронных цепей.

Электрическая цепь

Электрической цепью называется совокупность устройств, предназначенных для прохождения электрического тока и описываемых с помощью понятий напряжения и тока. Электрическая цепь состоит изисточников (генераторов) и потребителей электромагнитной энергии -приемников илинагруз-

ки.

Источником называют устройство, создающее (генерирующее) токи и напряжения. В качестве источников могут выступать устройства (аккумуляторы, гальванические элементы, термоэлементы, пьезодатчики, различные генераторы и т. д.), преобразующие различные виды энергии (химической, тепловой, механической, световой, молекулярно-кинетической и др.) в электрическую. К источникам относятся и приемные антенны, в которых не происходит изменение вида энергии.

Приемником называют устройство, потребляющее (запасающее) или преобразующее электрическую энергию в другие виды энергии (тепловую, механическую, световую и т. д.). К нагрузкам относятся и передающие антенны, излучающие электромагнитную энергию в пространство.

В основе теории электрических цепей лежит принцип моделирования . При этом, реальные электрических цепи заменяются некоторой идеализированной моделью, состоящей из взаимосвязанныхидеализированных элементов. Подэлементами подразумеваются идеализированные модели различных устройств, которым приписываются определенные электрические и магнитные свойства так, что они с заданной точностью отображают явления, происходящие в реальных устройствах. Таким образом, каждому элементу цепи соответствуют определенные соотношения между множеством токов и напряжений.

В теории цепей различают активные ипассивные элементы.Активными элементами считаются источники электрической энергии: источники напряжения и источники тока. Кпассивным элементам относятся сопротивления, индуктивности и ёмкости. Цепи, содержащие активные элементы, называются активными, состоящие только из пассивных элементов− пассивными.

Электрическому току приписывается направление, совпадающее с направлением перемещения положительных зарядов. Количественная характеристика − мгновенное значение тока (значение его в данный момент времени)

где dq − заряд, прошедший за времяdt через поперечное сечение проводника. В системе СИ ток измеряется в амперах (А).

Для переноса элементарного заряда dq через какой-либо пассивный участок цепи, необходимо затратить энергию

dw = u dq.

Здесь u − мгновенное значение напряжения (разности потенциалов) на зажимах пассивного участка цепи. Разность потенциалов− скалярная величина, которая определяется работой сил электрического поля при переносе единичного положительного заряда через заданный пассивный участок. В системе СИ напряжение измеряется в вольтах (В).

В общем случае ток и напряжение являются функциями времени и могут иметь разные величины и знак в различные моменты времени.

В теории цепей направление тока характеризуется знаком. Положительный или отрицательный ток имеют смысл только при сравнении направления то-

ка по отношению к произвольно выбранному положительному направлению,

которое обычно указывается стрелкой (рис.1).

Положительное направление напряжения не связано с положительным направлением тока. Но, выбрав положительное направление напряжения от точки а к точкеб , условно считаем, что потенциал точкиа выше потенциала точкиб. Обычно в задачах по расчету электрических цепей считают положительное направление тока в ветви совпадающим с положительным направлением напряжения между узлами этой ветви.

Если под воздействием приложенного напряжения U через участок цепи проходит электрический зарядq , то совершаемая при этом элементарная работа или поступающая в приемник энергия равна:

dw = u dq= ui dt.

Энергия, определяемая данной формулой, доставляется источником и расходуется в приемнике, т. е. превращается в другой вид энергии, например в тепло некоторая часть её запасается в электрическом и магнитном полях элементов цепи.

Мгновенное значение скорости изменения энергии, поступающей в цепь,

p = dw dt = udq dt = ui,

называется мгновенной мощностью.

Энергия, поступившая в приемник за промежуток времени от t 1 доt 2 , вы-

ражается интегралом

W = ∫ p dt.

В системе СИ работа и энергия измеряются в джоулях (дж ), мощность в ваттах (вт).

Элементы электрической цепи

1. Пассивные элементы.

а . Сопротивление

Сопротивлением называется идеализированный элемент цепи, характеризующий преобразование электромагнитной энергии в любой другой вид энергии (тепловую− нагрев, механическую, излучение электромагнитной энергии и др.), т. е. обладающий только свойством необратимого рассеяния энергии. Условное обозначение сопротивления показано на рис.2.

Математическая модель, описывающая свойства сопротивления, определя-

ется законом Ома:

u = Riили i= Gu.

Здесь R иG − параметры участка цепи называются соответственносо-

противлением ипроводимостью, G =1/R . Сопротивление измеряется в омах (Ом), а проводимость− в сименсах (Сим).

Мгновенная мощность, поступающая в сопротивление

PR = ui= Ri2 = Gu2 .

Электрическая энергия, поступившая в сопротивление и превращенная в тепло за промежуток времени от t 1 доt 2 , равна:

= ∫ Gu2 dt.

Уравнение, выражающее закон Ома, определяет зависимость напряжения от тока и называется вольт − амперной характеристикой (ВАХ) сопротивления. ЕслиR постоянно, то ВАХ линейна (рис.3,а ). Если жеR зависит от протекающего через него тока или приложенного к нему напряжения, то ВАХ становится нелинейной (рис.3,б ) и соответствует нелинейному сопротивлению.

Реальный элемент, приближающийся по своим свойствам к сопротивлению, называется резистором.

б . Индуктивность

Индуктивностью называется идеализированный элемент электрической цепи, характеризующий запасаемую в цепи энергию магнитного поля. Условное обозначение индуктивности показано на рис.4.

Если рассмотреть участок цепи (рис.5, а ), представляющий собой виток, охватывающий площадьS, через который проходит токi , то виток пронизывает магнитный поток

Ф ′ = ∫ B ds.

Ф ′ − поток вектора магнитной индукцииB через площадьS . Магнитный поток измеряется в веберах (Вб), а магнитная индукция− в тесла.

Индуктивностью витка называется отношение магнитного потока к току:

т. е. индуктивность представляет собой магнитный поток, отнесенный к единице связанного с ним тока. В системе СИ индуктивность измеряется в генри

Если катушка содержит n одинаковых витков (рис.5,б ), то полный магнитный поток (потокосцепление)

Ф = n Ф′ ,

где Ф ′ − поток, пронизывающий каждый из витков. Индуктивность катушки в этом случае

L = n Ф i ′ .

В общем случае зависимость потокосцепления от тока нелинейная (рис.6, а), следовательно, индуктивность также является нелинейной.

Связь между током и напряжением на индуктивности определяется на основании закона электромагнитной индукции, согласно которому изменение потокосцепления вызывает э.д.с. самоиндукции

е L = −d dt Ф

численно равную и противоположную по знаку скорости изменения полного магнитного потока.

Если индуктивность не зависит от тока, то величина

u L = −е L =L dt di

называется напряжением (или падением напряжения) на индуктивности. Из последнего выражения следует, что ток в индуктивности

iL (t) = L − ∫ ∞ uL dt,

т.е. определяется площадью, ограниченной кривой напряжения u L (рис.7).

Мгновенная мощность имеет смысл скорости изменения запасенной в магнитном поле энергии:

pL = uL i= Lidt di .

Энергия, запасенная в магнитном поле индуктивности в произвольный момент времени t определяется по формуле

Здесь учтено, что при − ∞ ≤ t ≤ 0 ток в индуктивности был равен нулю. Если часть магнитного потока, связанного с катушкойL 1 , связана одно-

временно и с катушкой L 2 , то эти катушки обладают параметромМ , назы-

ваемым взаимной индуктивностью . Взаимная индуктивность определяется как отношение потокосцепления взаимной индукции одной катушки к току в другой

M = Ф 12= Ф 21.

i 2i 1

В первой и второй катушках наводятся э. д. с. взаимной индукции равные

e 1 M = −dФ dt 12 = −M di dt 2 ; e 2 M = −dФ dt 21 = −M di dt 1 .

Последние выражения справедливы при условии, что М не зависит от токов, протекающих в обеих катушках.

Взаимная индуктивность измеряется также в генри (Гн).

в. Емкость

Емкостью называется идеализированный элемент электрической цепи, характеризующий запасаемую в цепи энергию электрического поля. Условное обозначение индуктивности показано на рис.8.

При подведении к двум электродам (рис.9, а ) напряжения, на них накапливаются равные по величине и разные по знаку заряды+ q и в окружающем пространстве создается электрическое поле.

Согласно теореме Гаусса− Остроградского потокФ Е вектора электрического смещенияD

ФЕ = ∫ Dds= q.

Определение 1

Теорией электрических цепей считается комплекс наиболее общих закономерностей, что используется с целью описания процессов в электрических цепях.

Теория электроцепей основывается на двух постулатах:

• исходном предположении теории электрических цепей (подразумевает, что в любых электротехнических устройствах все процессы можно описать такими понятиями, как «напряжение» и «ток»);
• исходное допущение теории электроцепей (предполагает, что сила тока в какой-либо точке сечения проводника будет одной и той же, при этом напряжение между двумя взятыми точками пространства будет изменяться, согласно линейному закону).

Основные понятия в теории электрических цепей

Электрическая цепь состоит из:

• источников тока (генераторов);
• потребителей электромагнитной энергии (приемников).

Замечание 1

Источником считается устройство, создающее токи и напряжения. В качестве такового могут выступать устройства, как аккумуляторы, генераторы, ориентированные на преобразование разных видов энергии (химической, тепловой и др.) в электрическую.

В основе теории электроцепей положен принцип моделирования. При этом, реальные электрических цепи заменяют некоторой идеализированной моделью, которая складывается из взаимосвязанных элементов.

Определение 2

Под элементами при этом понимают идеализированные модели разных устройств, которым приписывают определенные электрические свойства с отображением с заданной точностью явлений, происходящих в реальных устройствах.

Пассивные элементы в теории электрической цепи

К пассивным элементам в теории электроцепи относят сопротивление, представляющее ее идеализированный элемент, который будет характеризовать преобразование электромагнитной энергии в какой-либо иной вид энергии, что подразумевает его обладание исключительно свойством необратимого рассеяния энергии. Модель, математически описывающая свойства сопротивления, определяется законом Ома:

Здесь $R$ и $G$− это параметры участка цепи, которые называются сопротивление и проводимость соответственно.

Мгновенная мощность, которая поступает в сопротивление:

Определение 3

Реальный элемент, по своим свойствам приближающийся к сопротивлению, называют резистором.

Индуктивностью считается идеализированный элемент электроцепи, характеризующий энергию магнитного поля, запасенную в сети. Емкостью считается идеализированный элемент электроцепи, характеризующий энергию электрического поля.

Активные элементы в теории электрической цепи

К активным элементам в теории электроцепи относят источник ЭДС. В качестве идеализированного источника тока, или генератора тока, выступает источник энергии, ток которого не будет зависимым от напряжения на его зажимах.

В случае неограниченного увеличения сопротивления цепи, подсоединенной к идеальному источнику электротока, развиваемая им мощность и соответственно, напряжение на его зажимах также будут неограниченно возрастать. Источник тока конечной мощности изображают в формате идеального источника с параллельным подключением внутреннего сопротивления.

Важное значение имеет то, что входные зажимы источников, которые управляются напряжением, разомкнуты, а у источников, управляемых током, соединенные накоротко.

Различают 4 вида зависимых источников:

• источник напряжения, который управляется напряжением (ИНУН);
• источник напряжения, который управляется током (ИНУТ);
• источник тока, управляемый напряжением (ИТУН);
• источник тока, который управляется током (ИТУТ).

В ИНУН входное сопротивление будет бесконечно большим, а выходное напряжение связывают с входным равенством $U_2=HUU_1$, где $HU$−коэффициент передачи по напряжению. ИНУН считается идеальным усилителем напряжения.

В ИНУТ входным током управляет выходное напряжение $U_2$, входная проводимость при этом бесконечно велика:

Где $HZ$−передаточное сопротивление.

В ИТУН выходной ток $I_2$ управляется соответственно входным напряжением $U_1$, причем $I_1=0$ и ток $I_2$ связан с $U_1$ равенством $I_2=HYU_1$, где $HY$−передаточная проводимость.

В ИТУТ управляющим током выступает $I_1$, а управляемым $I_2$. $U_1=0$, $I_2=HiI_1$, где $Hi$−коэффициент передачи по току. ИТУТ представляет идеальный усилитель тока.

Содержание статьи

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ЦЕПИ, совокупности соединенных определенным образом элементов и устройств, образующих путь для прохождения электрического тока. Теория цепей – раздел теоретической электротехники, в котором рассматриваются математические методы вычисления электрических величин. Многие из этих электрических величин определяются параметрами компонентов, составляющих цепи, – сопротивлениями резисторов, емкостями конденсаторов, индуктивностями катушек индуктивности, токами и напряжениями источников электрической энергии. Электрические цепи подразделяются на цепи постоянного тока и цепи переменного тока.

ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ

Ток.

Сила электрического тока в проводе определяется как электрический заряд, проходящий через поперечное сечение провода за единицу времени. Заряд измеряется в кулонах; один кулон в секунду равен одному амперу.

Направлением тока далее будем считать направление, в котором двигались бы положительные заряды. На самом деле ток в большинстве случаев создается движением электронов, которые, будучи заряжены отрицательно, движутся в направлении, противоположном принятому за направление тока. Ток неизменяющейся силы обозначается через I , а мгновенное значение изменяющегося тока – через i .

Потенциал.

Если для перемещения заряда между двумя точками необходимо затратить энергию или если при перемещении заряда между двумя точками заряд приобретает энергию, то говорят, что в этих точках имеется разность потенциалов. Энергия необходима для перемещения заряда от более низкого потенциала к более высокому. На схемах рядом с точкой более высокого потенциала ставится знак +, а рядом с точкой более низкого – знак -.

Батарея или генератор электрического тока – это устройство, которое сообщает энергию зарядам. Источник тока перемещает положительные заряды от меньшего потенциала к большему за счет химической энергии. Неизменяющаяся разность потенциалов обозначается через V , а мгновенное значение изменяющейся разности потенциалов – через e .

Разность потенциалов на зажимах батареи или генератора называется электродвижущей силой (ЭДС) и обозначается через E g , если она не изменяется, и через e g , если она переменна. Разность потенциалов в двух точках a и b обозначается через V ab . Разность потенциалов и ЭДС измеряются в вольтах.

ТЕОРИЯ ЦЕПЕЙ

Цепь может представлять собой любую комбинацию батарей и генераторов, а также резистивных и реактивных элементов. Батареи и генераторы в теории цепей рассматриваются либо как источники напряжения (ЭДС) с определенным внутренним сопротивлением, либо как источники тока с определенной внутренней проводимостью. Цепь, не содержащая источников тока и напряжения, называется пассивной, а цепь с источниками тока или напряжения – активной. Целью анализа цепи является определение полного сопротивления (импеданса) между любыми двумя точками цепи и нахождение математического выражения для тока через любой элемент цепи или для напряжения на любом элементе цепи при любых заданных ЭДС источников напряжения и любых токах источников тока. Всякий замкнутый путь тока в цепи называется контуром. Узлом цепи называется всякая ее точка, в которой соединяются три или большее число ветвей цепи.

На рис. 1 представлена цепь с двумя контурами. Стрелками I 1 , I 2 и I 3 показано предполагаемое направление токов в импедансах этих контуров. От токов не требуется, чтобы они были в фазе; но в простейшем случае, когда импедансы – сопротивления, решение уравнений относительно любого тока I будет отрицательным, если принято неправильное направление тока. Поэтому предполагаемое направление токов может быть любым. Принятые положительные и отрицательные потенциалы, соответствующие ЭДС источников напряжения, указаны знаками + и -. Следует иметь в виду, что напряжение на импедансе понижается в направлении тока и повышается в противоположном направлении. Это тоже указано знаками + и -.

Законы Кирхгофа.

Зависимости между токами и напряжениями в электрической цепи устанавливаются на основании двух законов, сформулированных Г.Кирхгофом (1847): 1) алгебраическая сумма ЭДС источников напряжения и напряжений на элементах контура равна нулю и 2) алгебраическая сумма токов в каждом узле равна нулю.

В первом законе Кирхгофа находит выражение то очевидное обстоятельство, что при полном обходе контура мы возвращаемся в исходную точку с тем же самым потенциалом. Второй закон Кирхгофа есть констатация того, что в узловой точке ток не может ни исчезать, ни возникать. Ток к узлу считается положительным, а ток от узла – отрицательным.

Применив закон Кирхгофа для напряжений к двум контурам цепи, представленной на рис. 1 (и воспользовавшись законом Ома – выражением V Z = IZ для напряжения на импедансе Z , создаваемого током I ), мы получим для контура 1 уравнение

а для контура 2 – уравнение

Применив закон Кирхгофа для токов к любому из узлов, получаем

Если ЭДС (E g ) 1 и (E g ) 2 , а также импедансы известны, то из уравнений (1)–(3) можно вычислить все три тока.

Контурные токи.

В случае цепей с большим числом контуров метод контурных токов позволяет не записывать уравнения для токов, следующие из второго закона Кирхгофа. Для этого в той же цепи, что и раньше, представленной на рис. 2, принимают один ток для каждого контура. Как и прежде, направление токов выбирается произвольно. Закон Кирхгофа для напряжений дает для контура 1

В напряжение на импедансе Z 3 , рассматриваемом как элемент одного контура, входит напряжение, обусловленное током другого контура: в уравнении (4) имеется слагаемое (–Z 3 I 2), а в уравнении (5) – слагаемое (–Z 3 I 1). Уравнения (4) и (5) можно было бы получить из уравнений (1)–(3), подставив в первые два ток I 2 из третьего, но метод контурных токов приводит к тому же результату всего за два шага.

Принцип суперпозиции.

Предположим, что в активной цепи в разных ее точках имеется несколько источников напряжения или тока. Согласно принципу суперпозиции, ток, создаваемый любым источником в любом элементе цепи, не зависит от других источников. Следовательно, полный ток в любом элементе равен сумме токов, создаваемых всеми источниками по отдельности. При вычислении тока, создаваемого каждым из источников напряжения или тока, другие источники напряжения заменяются их внутренними импедансами, а другие источники тока – их внутренними проводимостями.

Теорема Тевенена.

Эта теорема, называемая также теоремой об эквивалентном источнике, утверждает, что любую активную цепь с двумя полюсами (зажимами) в установившемся режиме можно заменить источником напряжения с некоторым внутренним импедансом. ЭДС эквивалентного источника напряжения равна напряжению на полюсах ненагруженного заменяемого двухполюсника, а внутренний импеданс источника равен импедансу этого двухполюсника при ЭДС источников напряжения в нем, равных нулю.

Рассмотрим, например, цепь, представленную на рис. 3. Эта активная цепь заменяется источником напряжения, ЭДС E g ў и внутренний импеданс Z g ў которого таковы:

ЭДС E g ў есть напряжение на разомкнутых полюсах a и b , равное напряжению на Z 1 . Внутренний импеданс Z g ў равен импедансу между точками a и b исходного двухполюсника, т.е. импедансу последовательного соединения Z 2 с параллельно соединенными Z 1 и Z g . Для любого элемента, присоединенного к полюсам a и b обоих двухполюсников, токи и напряжения будут одинаковы.

Теорема Нортона.

Эта теорема, аналогичная теореме Тевенена, утверждает, что любой активный двухполюсник можно заменить эквивалентным источником тока с некоторой внутренней проводимостью. Ток эквивалентного источника равен току короткого замыкания между полюсами a и b исходного двухполюсника. Внутренняя проводимость эквивалентного источника тока определяется тем же, что и в теореме Тевенена, импедансом между полюсами двухполюсника, присоединенным параллельно источнику. На рис. 4

а импеданс Z g ў дается выражением (7). Если полюса a и b исходного двухполюсника замкнуть накоротко, то источник напряжения с ЭДС E g будет нагружен импедансом Z g и параллельным соединением импедансов Z 1 и Z 2 , откуда и следует выражение (8).

Преобразование Т-П.

Часто требуется заменить Т-образный четырехполюсник П-образным или наоборот. Чтобы два таких четырехполюсника (рис. 5) были эквивалентны, должны быть одинаковы токи и напряжения между их полюсами при прочих равных условиях за пределами полюсов. Параметры цепи для преобразования Т ® П таковы:

Формулы для преобразования П Т имеют вид

Переходные процессы.

Переходным называется процесс изменения электрических величин в цепи при ее переходе из одного установившегося режима в другой. При анализе переходных процессов ток, напряжение или заряд в некоторой точке цепи обычно представляют в виде функции времени.

Рассмотрим цепь с источником напряжения (батареей с ЭДС E g ), представленную на рис. 6. После замыкания ключа сумма мгновенных значений напряжения на резисторе и конденсаторе должна быть равна E g :

Поскольку i = dq /dt , уравнение (10) можно переписать в виде дифференциального уравнения

решение которого таково:

Соответствующий ток равен:

где e – основание натуральных логарифмов.

На рис. 7 представлены графики изменения заряда конденсатора q и тока i во времени. В начальный момент (t = 0), когда ключ только замкнут, заряд конденсатора равен нулю, а ток равен E g /R , как если бы конденсатора в цепи не было. Затем заряд конденсатора нарастает по экспоненте. Обусловленное зарядом напряжение на конденсаторе направлено навстречу ЭДС источника, и ток по экспоненте убывает до нуля. В момент замыкания ключа конденсатор эквивалентен короткому замыканию, а по истечении достаточно длительного времени (при t = Ґ) – разрыву цепи.

Постоянная времени RC -цепи определяется как время, за которое заряд достигает значения, на 1/e (36,8%) отличающегося от конечного значения. Она дается выражением

Аналогичные рассуждения можно провести для RL -цепи, представленной на рис. 8. Сумма мгновенных напряжений e R и e L должна быть равна E g . Это условие записывается в виде дифференциального уравнения

решение которого таково:

На рис. 9 решение (11) представлено в графической форме. Сразу же после замыкания ключа (при t = 0) ток начинает быстро увеличиваться, наводя большое напряжение на катушке индуктивности. Наведенное напряжение противодействует изменению тока. По мере того как нарастание тока замедляется, наведенное напряжение уменьшается. При t = Ґ ток не меняется, и наведенное напряжение равно нулю. Таким образом, в конце концов ток принимает значение, которое он имел бы, если бы в цепи не было катушки индуктивности. (При t = 0 катушка индуктивности эквивалентна разрыву цепи, а по истечении достаточно длительного времени – короткому замыканию.)

Постоянная времени RL -цепи определяется как время, за которое ток достигает значения, на 1/e отличающегося от конечного значения. Она дается выражением

ПРИМЕНЕНИЕ ТЕОРИИ ЦЕПЕЙ

Мост Уитстона.

Мост Уитстона – это схема электрической цепи для точного измерения сопротивлений на постоянном токе. Соответствующая принципиальная схема представлена на рис. 10, где измеряемое сопротивление обозначено через R x . Остальные сопротивления известны, и их можно изменять. Если известные сопротивления подобрать так, чтобы высокочувствительный амперметр A показывал отсутствие тока, это означало бы, что потенциал точек b и c одинаков. В таком случае, обозначив ток через резисторы R 1 и R 3 символом I 1 , а ток через R 2 и R x – символом I 2 , можно записать

Фильтры.

Фильтры – это электрические цепи, пропускающие лишь определенные частоты и задерживающие все остальные. Идеальный фильтр верхних частот имеет полосу пропускания выше заданной «частоты среза» и полосу задерживания для более низких частот. Полосовой фильтр имеет полосу пропускания, расположенную между двумя заданными частотами среза. Общая схема включения фильтра показана на рис. 11. В качестве примера на рис. 12,a представлен фильтр нижних частот, включенный между генератором и нагрузкой R . На низких частотах импеданс катушек индуктивности мал, а конденсатора – велик, и почти весь ток проходит через нагрузку R . На высоких частотах импеданс катушек индуктивности велик, из-за чего снижается ток, а импеданс конденсатора мал, так что он как бы замыкает накоротко цепь малого тока, проходящего через первую катушку индуктивности. Справа на рис. 12,a