- •1 Электрические и магнитные цепи
- •1.1 Общие сведения об электрических цепях
- •1.1.1 Параметры цепи. Идеализированные пассивные элементы
- •1.1.2 Идеализированные активные элементы цепи
- •1.2 Законы Кирхгофа
- •1.2.1 Преобразование электрических схем
- •1.2.2 Принцип наложения
- •1.3 Метод контурных токов
- •1.3.1 Метод узловых напряжений
- •1.3.2 Метод эквивалентного генератора
- •1.4 Принцип дуальности
- •1.4.1 Баланс мощности
- •1.5 Представление гармонических колебаний
- •1.6 Гармонические колебания в пассивных rlc–цепях
- •1.7 Символический метод расчёта при гармоническом воздействии
- •1.7.1 Мощность в цепях при гармонических воздействиях
- •1.8 Простые колебательные контуры
- •1.8.1 Последовательный колебательный контур и резонанс напряжений
- •1.8.2 Параллельный колебательный контур и резонанс токов
- •1.9 Электрические фильтры
- •1.10 Переходные процессы в цепи rc
- •1.10.1 Операторный метод расчета переходных процессов
- •1.10.2 Расчет переходных процессов операторным методом
- •2 Нелинейные цепи и аппроксимация характеристик нелинейных элементов
- •2.1 Аппроксимация характеристик нелинейных элементов
- •2.1.2 Воздействие гармонического колебания на цепь с нелинейным элементом
- •2.1.3 Воздействие суммы гармонических колебаний
- •Используя тригонометрические формулы, получим:
- •2.2 Явление взаимной индукции
- •2.2.1 Последовательное соединение индуктивно связанных элементов
- •2.2.2 Параллельное соединение индуктивно связанных элементов
- •2.2.3 Методы расчета индуктивно связанных цепей
- •2.3 Трансформатор
- •2.3.1 Трехфазная система. Соединение генератора и нагрузки
- •2.4 Электромагнитные устройства и электрические машины
- •2.4.1 Магнитные усилители
- •2.4.2 Устройство электрических машин постоянного тока
- •2.4.2.1 Принцип работы машины постоянного тока
- •2.4.3 Вращающееся магнитное поле. Принцип работы асинхронного двигателя
- •2.4.4 Синхронный генератор
- •Частота индуцированной эдс (напряжения, тока) синхронного генератора:
- •2.4.5 Синхронный двигатель
- •3 Электронные компоненты
- •3.1 Электропроводность полупроводников
- •3.2 Полупроводниковые диоды и их характеристики
- •3.3 Биполярные транзисторы и их характеристики
- •3.3.1 Принцип действия биполярного транзистора
- •3.3.1.1 Схемы включения бпт и их свойства
- •3.4 Униполярные транзисторы и их характеристики
- •3.4.1 Пт с p-n–переходом
- •3.4.2 Полевые транзисторы мдп (моп)
- •3.4.3 Включение пт
- •3.5 Источники питания
- •3.5.1 Однофазный мостовой выпрямитель
- •3.5.2 Параметрические стабилизаторы напряжения
- •3.5.3 Компенсационные стабилизаторы постоянного напряжения
- •Библиографический список
2.1.2 Воздействие гармонического колебания на цепь с нелинейным элементом
Пусть на нелинейный элемент с вольт-амперной характеристикой i = F(u) подаются гармоническое напряжение сигнала u(t) = Umcoswt и постоянное напряжение смещения U0, которое определяет положение рабочей точки на характеристике, рисунок 2.4. На этом же рисунке показана форма тока в цепи с нелинейным элементом i(t). Из-за нелинейности вольт-амперной характеристики формы напряжения и тока оказываются различными.
Рисунок 2.4 – Воздействие гармонического сигнала на нелинейный элемент
Ток i(t) имеет несинусоидальную форму, т. е. не является гармоническим колебанием. В нелинейном элементе возникают новые частоты колебаний и поэтому состав спектра тока i(t) = F(U0 + Umcoswt) отличается от состава спектра напряжения u(t). Так как функция i(t) является периодической с периодом T = 2p¤w, она может быть представлена рядом Фурье:
. (2.11)
Это значит, что ток в нелинейном элементе складывается из постоянной составляющей и бесконечного числа гармоник с частотами w, 2w, 3w, …
Спектральный состав тока при степенной аппроксимации. Для определения амплитуд гармоник тока подставим выражение для напряжения, приложенного к нелинейному элементу u(t) = U0 + Umcoswt, в формулу полинома, используемого для степенной аппроксимации в окрестности рабочей точки U0:
(2.12)
В результате получим:
(2.13)
Воспользовавшись известными тригонометрическими формулами, запишем выражение для тока, сгруппировав отдельно все постоянные составляющие, все члены с косинусами, все члены с косинусами удвоенного аргумента и т. п. в следующей форме:
(2.14)
где значения амплитуд спектральных составляющих I0, Im1, Im2, ... определяются выражениями, заключенными в формуле (2.4) в скобки.
Спектральный состав тока при кусочно-линейной аппроксимации имеет особенности. На рисунке 2.5 показана форма тока в цепи с нелинейным элементом при кусочно-линейной аппроксимации его характеристики функцией
(2.15)
когда на вход подается напряжение u = U0 + Umcoswt.
Рисунок 2.5 – Воздействие гармонического сигнала большой амплитуды на нелинейный элемент
График тока имеет характерный вид косинусоидальных импульсов с отсечкой. Половина той части периода, в течение которой протекает ток, называется углом отсечки и обозначается J. Измеряется угол отсечки в радианах или градусах.
При . (2.16)
Последнее равенство позволяет определить угол отсечки:
, откуда . (2.17)
Ток на интервале –J £ wt £ J отличен от нуля и определяется из формулы (2.15) подстановкой напряжения u(t) = U0 + Umcoswt и напряжения Uотс = U0 + UmcosJ. В результате получаем:
(2.18)
Периодическую последовательность импульсов тока можно разложить в ряд Фурье. Поскольку эта последовательность является четной функцией переменной wt, ряд Фурье будет содержать помимо постоянной составляющей только косинусоидальные гармонические составляющие:
(2.19)
Постоянная составляющая и амплитуды гармоник ряда находятся как коэффициенты ряда Фурье. В общем, амплитуды спектральных составляющих тока рассчитывают:
(2.20)
где gk(J) – функция Берга – справочные данные для расчёта Imk.
Чтобы получить максимальные амплитуды гармоник, выбирают J = 180/k, так как при таких углах отсечки интегральные выражения принимают максимальные значения.