Сетевое издание
Международный студенческий научный вестник
ISSN 2409-529X

USING THE CLASSICAL METHOD WITH MATHEMATICAL CALCULATION OF TRANSIENTS

Gulay T.A. 1 Gataullina K.R. 1 Fursov D.I. 1
1 Stavropol State Agrarian University
2589 KB
The transition from one energy state of an electric circuit to another is called a transition process. The transition process is called switching, i.e., the instantaneous change of the circuit parameters, its schema, or parameters of the energy sources in the scheme. The transition from one state to another usually occurs within a certain time – the so-called time of transition. This explains the fact that each state of the chain corresponds to a certain amount of electromagnetic energy. The classic method is used to calculate transient processes in the time domain. This method is recommended for action in the scheme of constant or harmonic power sources for analysis of circuits, the processes that are described by differential equations not higher than third order.
transient
voltage
capacitance
characteristic equation
switching

Переходным процессом называется процесс перехода из одного энергетического состояния электрической цепи к другому [1].

Расчет переходных процессов начинается с указания на схеме положительного направления токов и напряжений стрелками.

Порядок расчета переходных процессов классическим методом:

1. Единственный этап, в котором используется схема до коммутации. Рассчитаем эту схему в установившемся режиме и определим начальные условия [2].

2. Далее все этапы расчета используем схему после коммутации. Составим для t ≥ 0 характеристическое уравнение и определим корни.

3. Запишем уравнение для определяемого тока или напряжения в виде y(t) = yвын(t) + yсв(t). Для упрощения нахождения постоянных интегрирования расчет тока в индуктивности или напряжения на емкости рекомендуется вычислять для тех у кого известны независимые начальные условия. Вид составляющей yсв(t) можно определить по виду корней характеристического уравнения [3].

4. Для схемы после коммутации запишем систему дифференциальных уравнений для мгновенных значений токов и напряжений. Благодаря данной системе можно определить вынужденные составляющие токов и напряжений, а также зависимые начальные условия [4].

5. С помощью предыдущего пункта при t = ∞ определим yвын(t) известными методами расчета установившихся режимов.

6. Подставим в систему уравнений из пункта 4, записанную для t = 0+, найденные в пункте 1 независимые начальные условия, можем определить зависимые начальные условия.

7. Получив начальные условия, найдем постоянные интегрирования.

8. Запишем выражениее y(t) в окончательном виде и построим график полученной временной функции.

9. При помощи системы уравнений из пункта 4 можем найти остальные токи и напряжения.

Напряжение на индуктивности:

gul01.wmf.

Ток в емкости:

gul02.wmf.

Определим переходные процессы классическим методом:

Для схемы 1.1 определим закон изменения напряжения на емкости. Условия для решения: E = 120 B; R1 = R2 = R0 = 10 Ом; L = 0,1 Гн; C = 100 мкФ.

gul1.tif

Схема

Из-за того что цепь подключена к источнику постоянного напряжения, то в установившемся режиме до коммутации емкость имеет бесконечно большое значение, а индуктивность имеет нулевое сопротивление

bos03a.wmf

gul04.wmf

gul05.wmf

gul06.wmf

В соответствии с законами коммутации:

gul07.wmf

gul08.wmf

Корни характеристического уравнения будут равны:

gul09a.wmf

gul10.wmf

При комплексно-сопряженных корнях характеристического уравнения решение ищем в виде:

gul11.wmf

Далее используя уравнения для схемы после коммутации, определяем требуемое для нахождения постоянных интегрирования значение производной gul12.wmf [5]

gul13.wmf

gul14.wmf

gul15.wmf

В установившемся режиме при t = ∞ вынужденная составляющая напряжения на емкости будет равна: gul16.wmf [6].

Определяем постоянные интегрирования, используя найденные начальные условия gul17.wmf. Для чего в систему уравнений:

gul18.wmf

gul19.wmf;

для t = 0+ подставляем найденные значения:

gul20.wmf;

gul21.wmf

Отсюда:

gul22.wmf

gul23.wmf

gul24.wmf

В настоящее время накоплен довольно богатый опыт использования вычислительной техники при решении дифференциальных уравнений и систем дифференциальных уравнений, накоплен и солидный пакет учебных и научных подпрограмм.

Компьютерный комплекс способен очень эффективно способствовать внедрению этих пакетов. Принцип состоит в том, что основное внимание уделяется именно практическим примерам применения таких пакетов.

Например, рассмотрев в электронном учебном пособии определенный раздел и разобрав несколько типовых примеров, можно прямо из текста пособия вызвать программу, которая реализует рассмотренный тип примеров в среде какого-либо интегрированного пакета.

Использование интегрированных пакетов стимулирует человека менять принцип подхода к решению задач. На первый план выходит комплексный подход к задаче – выработка принципа решения в общем, виде, т.е. главное – не только получение конкретного ответа на поставленный в задаче вопрос, но и нахождение общего алгоритма, что очень важно для современного специалиста-инженера.

Для того чтобы успешно использовать пакеты компьютерной математики, необходимо иметь представление об основных численных методах. Появление современных вычислительных систем значительно облегчает доступ к компьютеру непрофессионалов в области программирования, поддерживает интерес пользователя и стремление к освоению новых компьютерных технологий.

В нашем университете проводятся практические занятия с использованием компьютерной математической системы «Maple».

Данная система весьма популярна в научных кругах. Это очень надежный и устойчиво работающий Пакет, который кроме аналитических преобразований, в состоянии решать задачи численно. Особенностью данного Пакета является то, что ряд других программных продуктов используют интегрированный символический процессор Maple.

В качестве примера можно привести программу по теме «Решение системы линейных дифференциальных уравнений в компьютерной математической системе Maple».

Программа предназначена для отработки навыков решения системы линейных дифференциальных уравнений и представляет собой интерактивную электронную книгу, разделенную на секции и подсекции.

В секциях и подсекциях изложен порядок проведения практической работы, приведены примеры выполнения заданий.

В заключении, хочется отметить, что появление современных систем компьютерной математики позволяет качественно изменить подходы и методы изложения материала, сделать его наиболее доступным, наглядным, а значит и наиболее интересным и привлекательным, для основной массы студентов.