Расчет нелинейных цепей методом эквивалентного генератора

Расчет нелинейных цепей методом эквивалентного генератора. Аналитические и итерационные методы расчета цепей постоянного тока

Если в сложной электрической цепи имеется одна ветвь с нелинейным резистором, то определение тока в ней можно проводить на основе теоремы об активном двухполюснике (методом эквивалентного генератора). Вот идеи решения: Ветвь, содержащая нелинейное сопротивление, отделена от исходной схемы, остальная часть уже является линейной, и схема выглядит как активная биполярная сеть (АД). Согласно теореме об АД схему линейного АД по отношению к зажимам 1-2 выделенной ветви (см. рис. 1,а) можно представить эквивалентным генератором (см. рис. 1,6) с ЭДС, равной напряжению Расчет нелинейных цепей методом эквивалентного генератора на зажимах 1-2 при разомкнутой ветви с нелинейным резистором, и внутренним сопротивлением, равным входному сопротивлению линейного двухполюсника.
Последняя схема рассчитывается, например, графическим методом как цепь с последовательным соединением элементов.

Расчет нелинейных цепей методом эквивалентного генератора
Если необходимо также найти токи в линейной части исходной цепи, то после расчета нелинейной схемы на рис. 1,6 в соответствии с теоремой о компенсации нелинейный резистор заменяется источником ЭДС или тока, после чего проводится анализ полученной линейной цепи любым известным методом.

По этой ссылке вы найдёте полный курс лекций по теоретическим основам электротехники (ТОЭ):

Основы электротехники: формулы и лекции и примеры заданий с решением

Аналитические методы расчета

Исследования общих свойств нелинейных цепей удобно осуществлять на основе математического анализа, базирующегося на аналитическом выражении характеристик нелинейных элементов, т.е. их аппроксимации. На выбор аналитического метода влияют условия поставленной задачи, а также характер возможного перемещения рабочей точки по характеристике нелинейного элемента: по всей характеристике или в ее относительно небольшой области.

К аналитическим методам относятся:

  • • метод аналитической аппроксимации;
  • • метод кусочно-линейной аппроксимации;
  • • метод линеаризации.

Метод аналитической аппроксимации основан на замене характеристики (или ее участка) нелинейного элемента общим аналитическим выражением. Применяются следующие виды аналитической аппроксимации:

  • • степенным многочленом (см. рис. 2,а);
  • • трансцендентными (экспоненциальными, гиперболическими и др.) функциями (см. рис. 2,6).

Выбор коэффициентов (а,Ь,с,...) осуществляется исходя из наибольшего соответствия аналитического выражения рабочему участку нелинейной характеристики. При этом

Расчет нелинейных цепей методом эквивалентного генератора

выбираются наиболее характерные точки, через которые должна пройти аналитическая кривая. Число точек равно числу коэффициентов в аналитическом выражении, что позволяет однозначно определить последнее.

Возможно вам будут полезны данные страницы:

Интеграл Дюамеля. Метод переменных состояния

Нелинейные цепи постоянного тока. Графические методы расчета

Нелинейные магнитные цепи при постоянных потоках

Общая характеристика задач и методов расчета магнитных цепей

Необходимо помнить, что при получении нескольких корней нелинейного уравнения они должны быть проверены на удовлетворение задаче. Пусть, например, в цепи, состоящей из последовательно соединенных линейного R и нелинейного резисторов, ВАХ последнего может быть аппроксимирована выражением Расчет нелинейных цепей методом эквивалентного генератора. Определить ток в цепи, если источник ЭДС Е обеспечивает режим работы цепи в первом квадранте.

В соответствии со вторым законом Кирхгофа для данной цепи имеет место уравнение

Расчет нелинейных цепей методом эквивалентного генератора

или

Расчет нелинейных цепей методом эквивалентного генератора
Корни уравнения

Расчет нелинейных цепей методом эквивалентного генератора
Решением задачи является Расчет нелинейных цепей методом эквивалентного генератора, поскольку второе решение Расчет нелинейных цепей методом эквивалентного генератора не удовлетворяет условиям исходя из физических соображений.

Метод кусочно-линейной аппроксимации основан на представлении характеристики нелинейного элемента отрезками прямых линий (см. рис. 3), в результате чего нелинейная цепь может быть описана линейными уравнениями с постоянными (в пределах каждого отрезка) коэффициентами.

Расчет нелинейных цепей методом эквивалентного генератора
При наличии в цепи двух и более нелинейных резисторов реализация метода затруднена, так как в общем случае изначально неизвестно, на каких участках ломаных кривых находятся рабочие точки.

Кусочно-линейная аппроксимация может быть реализована методом секционных кусочно-линейных функций, позволяющим описать ломаную кривую общим аналитическим выражением. Например, для кривой, представленной на рис. 4 и определяемой коэффициентами Расчет нелинейных цепей методом эквивалентного генератора, характеризующими наклон ее отдельных прямолинейных участков, и параметрами Расчет нелинейных цепей методом эквивалентного генератора характеризующими координаты точек, где значения функции изменяются скачками, данное выражение будет иметь вид

Расчет нелинейных цепей методом эквивалентного генератора
Здесь два первых слагаемых в правой части определяют первый наклонный участок аппроксимируемой кривой; три первых слагаемых - первый наклонный участок и участок первого скачка; четыре первых слагаемых - первый и второй наклонные участки с учетом участка первого скачка и т.д.

В общем случае аппроксимирующее выражение по методу секционных кусочно - линейных функций имеет вид

Расчет нелинейных цепей методом эквивалентного генератора
Метод линеаризации применим для анализа нелинейных цепей при малых отклонениях рабочей точки Р (см. рис. 5) от исходного состояния.

Расчет нелинейных цепей методом эквивалентного генератора
В окрестности рабочей точки р (см. рис. 5)

Расчет нелинейных цепей методом эквивалентного генератора

где Расчет нелинейных цепей методом эквивалентного генератора (закон Ома для малых приращений);

Расчет нелинейных цепей методом эквивалентного генератора -дифференциальное сопротивление.

v di' п “

Идея метода заключается в замене нелинейного резистора линейным с сопротивлением, равным дифференциальному в заданной (или предполагаемой) рабочей точке, и либо последовательно включенным с ним источником ЭДС, либо параллельно включенным источником тока. Таким образом, линеаризованной ВАХ (см. прямую на рис. 5) соответствует последовательная (рис. 6,а) или параллельная (рис. 6,6) схема замещения нелинейного резистора.

Если исходный режим определен и требуется рассчитать лишь приращения токов и (или) напряжений, обусловленные изменением напряжения или тока источника, целесообразно использовать эквивалентные схемы для приращений, получаемые на основании законов Кирхгофа для малых приращений:

-первый закон Кирхгофа: Расчет нелинейных цепей методом эквивалентного генератора;

-второй закон Кирхгофа: Расчет нелинейных цепей методом эквивалентного генератора

При составлении схемы для приращений:

1) все ЭДС и токи источников заменяются их приращениями;

2) нелинейные резисторы заменяются линейными с сопротивлениями, равными дифференциальным в рабочих точках.

Необходимо помнить, что полная величина какого-либо тока или напряжения в цепи равна алгебраической сумме исходного значения переменной и ее приращения, рассчитанного методом линеаризации.

Если исходный режим работы нелинейного резистора неизвестен, то следует задаться рабочей точкой на его ВАХ и, осуществив соответствующую линеаризацию, произвести расчет, по окончании которого необходимо проверить, соответствуют ли его результаты выбранной точке. В случае их несовпадения линеаризованный участок уточняется, расчет повторяется и так до получения требуемой сходимости

Итерационные методы расчета

Решение нелинейного уравнения (системы нелинейных уравнений), описывающего (описывающих) состояние электрической цепи, может быть реализовано приближенными численными методами. Решение находится следующим образом: на основе первой, достаточно грубой, оценки определяется начальное значение корня (корней), после чего производится уточнение по выбранному алгоритму до вхождения в область заданной погрешности.

Что такое теоретические основы электротехники (ТОЭ) вы узнаете по этой ссылке:

Наиболее широкое применение в электротехнике для численного расчета нелинейных резистивных цепей получили метод простой итерации и метод Ньютона-Рафсона, основные сведения о которых приведены в табл. 1.

Таблица 1. Итерационные методы расчета

Последовательность расчета

Метод простой итерации

1. Исходное нелинейное уравнение электрической цепи Расчет нелинейных цепей методом эквивалентного генератора, где х -искомая переменная, представляется ввиде Расчет нелинейных цепей методом эквивалентного генератора

2. Производится расчет по алгоритму Расчет нелинейных цепей методом эквивалентного генератора где Расчет нелинейных цепей методом эквивалентного генератора

- шаг итерации.

Геометрическая иллюстрация алгоритма
Расчет нелинейных цепей методом эквивалентного генератора Здесь Расчет нелинейных цепей методом эквивалентного генератора - заданная погрешность
Условие сходимости итерации

На интервале между приближенным и точным значениями корня должно выполняться неравенство

Расчет нелинейных цепей методом эквивалентного генератора
Примечание

1. Начальное приближение Расчет нелинейных цепей методом эквивалентного генератора обычно находится из уравнения Расчет нелинейных цепей методом эквивалентного генератора при пренебрежении в нем нелинейными членами.

2. Метод распространим на систему нелинейных уравнений n-го порядка. Например, при решении системы 2-го порядка

Расчет нелинейных цепей методом эквивалентного генератора
итерационные формулы имеют вид Расчет нелинейных цепей методом эквивалентного генератора

Расчет нелинейных цепей методом эквивалентного генератора

3. При решении системы уравнений сходимость обычно проверяется в процессе итерации.
Последовательность расчета

Метод Ньютона-Рафсона

1. На основании исходного нелинейного уравнения электрической цепи Расчет нелинейных цепей методом эквивалентного генератора, где х -искомая переменная,

записывается итерационная формула Расчет нелинейных цепей методом эквивалентного генератора, где Расчет нелинейных цепей методом эквивалентного генератора - шаг итерации.

2. По полученной формуле проводится итерационный расчет

Геометрическая иллюстрация алгоритма
Расчет нелинейных цепей методом эквивалентного генератора Здесь Расчет нелинейных цепей методом эквивалентного генератора - заданная погрешность
Условие сходимости итерации

На интервале между приближенным и точным значениями корня должны выполняться неравенства

Расчет нелинейных цепей методом эквивалентного генератора
Примечание

Примечания п. 1,2 и 3 к методу простой итерации распространимы на метод Ньютона-Рафсона. При этом при п fi^y)=o;

решении системы 2-го порядка Расчет нелинейных цепей методом эквивалентного генератора

итерационные формулы имеют вид

Расчет нелинейных цепей методом эквивалентного генератора
где

Расчет нелинейных цепей методом эквивалентного генератора