Переходные, установившиеся и свободные процессы

Рассмотрим общие вопросы расчета переходных процессов на простом примере – включение RLC – цепи к источнику ЭДС e, которая изменяется во времени непрерывно и задана каким-либо аналитическим выражением:

, (9.1)

где i – ток переходного процесса, который будем называть переходным током; – напряжение на конденсаторе.

Когда с переходным процессом можно не считаться, наступает принужденный режим. Принужденный режим, создаваемый источником произвольной периодически изменяющейся ЭДС (или током) называется установившимся.

В установившемся режиме

, (9.2)

где i_у, u_Cу – ток и напряжение установившегося режима (установившийся ток и установившееся напряжение).

Если вычесть из уравнения (9.1) уравнение (9.2) и обозначить , то

. (9.3)

Разности токов и напряжений переходного процесса и принужденного режима называются током и напряжением свободного процесса или просто свободным током и напряжением.

Процесс, происходящий в цепи, можно рассматривать состоящим из двух накладывающихся друг на друга процессов – установившегося, который как бы наступил сразу, и свободного, имеющего место только во время переходного процесса:

;

;

;

.

Конечно, физически существуют только переходные токи и напряжения, и разложение их на составляющие является удобным математическим приемом, облегчающим расчет переходных процессов.

Разложение переходных токов и напряжений соответствует правилу решения линейных неоднородных дифференциальных уравнений, согласно которому общее решение равно сумме частного решения неоднородного уравнения и общего решения однородного уравнения.

Свободный ток представляет собой общее решение однородного дифференциального уравнения (9.3), и в его выражении должны быть постоянные интегрирования, число которых равно порядку дифференциального уравнения.

Установившийся ток – частное решение неоднородного дифференциального уравнения (7.1), которое получается из общего решения неоднородного дифференциального уравнения при равных нулю постоянных интегрирования.

При интегрировании дифференциальных уравнений появляются постоянные интегрирования, которые определяют из начальных условий.

Начальные условия – значения переходных токов в индуктивных элементах и напряжений на емкостных элементах при t = 0, т.е. те значения, которые в момент коммутации не изменяются скачком. Это так называемые независимые начальные условия.

Начальные значения всех остальных токов и напряжений называются зависимыми начальными условиями. Их определяют по независимым начальным условиям при помощи уравнений, составленных по I и II законам Кирхгофа. Это является основной трудностью решения классическим методом.