Демирчян К.С., Нейман Л.Р., Коровкин Н.В., Чечурин В.Л. Теоретические основы электротехники. Том 1

Подождите немного. Документ загружается.

è, ñîîòâåòñòâåííî, ê ïîÿâëåíèþ ïåðåíàïðÿæåíèé íà îòäåëüíûõ ó÷àñòêàõ öåïè,

ê íåæåëàòåëüíîìó âëèÿíèþ ãàðìîíèê çâóêîâîé ÷àñòîòû íà ðàäèî- è òåëåôîííóþ

ñâÿçü, ê âîçíèêíîâåíèþ â òðåõôàçíûõ äâèãàòåëÿõ ìàãíèòíûõ ïîëåé, âðàùàþ

ùèõñÿ ïðîòèâ íàïðàâëåíèÿ âðàùåíèÿ ðîòîðà (íàïðèìåð, ïðè k = 5, 11, . . .) è, ñëå

äîâàòåëüíî, âûçûâàþùèõ òîðìîæåíèå ðîòîðà è äîáàâî÷íûå ïîòåðè â äâèãàòåëÿõ.

Îäíàêî îòñþäà íå ñëåäóåò, ÷òî âî âñåõ áåç èñêëþ÷åíèÿ óñòðîéñòâàõ âñåãäà íå

îáõîäèìî ñòðåìèòüñÿ ê ïîëó÷åíèþ ñèíóñîèäàëüíûõ òîêîâ è íàïðÿæåíèé. Ýòî,

áåçóñëîâíî, îòíîñèòñÿ ê ìîùíûì ýëåêòðîýíåðãåòè÷åñêèì óñòðîéñòâàì. Îäíàêî

â ìàëîìîùíûõ óñòðîéñòâàõ àâòîìàòè÷åñêîãî óïðàâëåíèÿ è ðåãóëèðîâàíèÿ, à òàê

æå â ðÿäå ñïåöèàëüíûõ ðàäèîòåõíè÷åñêèõ, ýëåêòðîèçìåðèòåëüíûõ è ðàçëè÷íûõ

ýëåêòðîííûõ óñòðîéñòâ îêàçûâàåòñÿ íåîáõîäèìûì êàê ðàç ïîëó÷èòü ôîðìû êðè

âûõ íàïðÿæåíèÿ è òîêà, îòëè÷àþùèåñÿ îò ñèíóñîèäàëüíûõ, ò. å. ñîäåðæàùèå

âûñøèå ãàðìîíèêè. Íåêîòîðûå èç òàêèõ óñòðîéñòâ áóäóò ðàññìîòðåíû â ãëàâàõ

î íåëèíåéíûõ ýëåêòðè÷åñêèõ öåïÿõ.

8.5. Îñîáåííîñòè ïîâåäåíèÿ âûñøèõ ãàðìîíèê

â òðåõôàçíûõ öåïÿõ

Ïðåäïîëîæèì, ÷òî ôàçíûå ÝÄÑ ñèììåòðè÷íî óñòðîåííîãî òðåõôàçíîãî ãåíåðà-

òîðà ñîäåðæàò âûñøèå ãàðìîíèêè. Êðèâûå ÝÄÑ âî âñåõ ôàçàõ ïî ôîðìå îäèíà-

êîâû è ñäâèíóòû â êàæäîé ïîñëåäóþùåé ôàçå îòíîñèòåëüíî ïðåäûäóùåé íà

óãîë 2p/3, ãäå 2p — ïåðèîä âñåé êðèâîé ÝÄÑ, ðàâíûé ïåðèîäó ïåðâîé ãàðìîíè-

êè. Òàê êàê ïåðèîä k-é ãàðìîíèêè â k ðàç ìåíüøå ïåðèîäà ïåðâîé ãàðìîíèêè, òî

óãîë ñäâèãà k-é ãàðìîíèêè â ïîñëåäóþùåé ôàçå ïî îòíîøåíèþ ê ïðåäûäóùåé

ôàçå ðàâåí k2p/3. Òàêèì îáðàçîì, âñå ãàðìîíèêè, ïîðÿäîê êîòîðûõ êðàòåí ÷èñëó

ôàç, ò. å. êðàòåí òðåì (k = 3, 6, 9, 12, 15, . ..), ñäâèíóòû äðóã îòíîñèòåëüíî äðóãà íà

óãîë, ðàâíûé 2p, óìíîæåííûé íà öåëîå ÷èñëî, ò. å. ýòè ãàðìîíèêè íàõîäÿòñÿ â

ôàçå äðóã ñ äðóãîì è îáðàçóþò ñèììåòðè÷íûå ñèñòåìû íóëåâîé ïîñëåäîâàòåëü

íîñòè.

Ãàðìîíèêè, äëÿ êîòîðûõ k – 1 äåëèòñÿ íà òðè (k = 4, 7, 10, 13, . ..), îáðàçóþò,

êàê íåòðóäíî óáåäèòüñÿ, ñèììåòðè÷íûå ñèñòåìû ïðÿìîé ïîñëåäîâàòåëüíîñòè.

Ãàðìîíèêè, äëÿ êîòîðûõ k + 1 äåëèòñÿ íà òðè (k = 2, 5, 8, 11, . . .), îáðàçóþò ñèì

ìåòðè÷íûå ñèñòåìû îáðàòíîé ïîñëåäîâàòåëüíîñòè.

Èç ýòèõ ñâîéñòâ âûòåêàåò ðÿä îñîáåííîñòåé ïîâåäåíèÿ âûñøèõ ãàðìîíèê â

òðåõôàçíûõ öåïÿõ.

Ïðåäïîëîæèì, ÷òî îáìîòêè ãåíåðàòîðà ñîåäèíåíû òðåóãîëüíèêîì. Ñóììà

ïåðâûõ ãàðìîíèê ôàçíûõ ÝÄÑ â êîíòóðå òðåóãîëüíèêà ðàâíà íóëþ. Ýòî èìååò

ìåñòî òàêæå äëÿ âñåõ âûñøèõ ãàðìîíèê, ïîðÿäîê êîòîðûõ íå êðàòåí òðåì. Ãàðìî

íèêè æå, ïîðÿäîê êîòîðûõ êðàòåí òðåì, ñîâïàäàþò ïî ôàçå âî âñåõ ôàçíûõ îá

ìîòêàõ, è èõ ñóììà íå ðàâíà íóëþ. Ýòà ñóììàðíàÿ ÝÄÑ âûçûâàåò â êîíòóðå òðå

óãîëüíèêà òîê äàæå ïðè îòñóòñòâèè íàãðóçêè ãåíåðàòîðà. Ïàäåíèÿ íàïðÿæåíèÿ â

îáìîòêàõ âñëåäñòâèå ïðîòåêàíèÿ ýòîãî òîêà êîìïåíñèðóþò âûçûâàþùèå òîê

ÝÄÑ. Ïîýòîìó íàïðÿæåíèÿ íà çàæèìàõ îáìîòêè íå ñîäåðæàò ãàðìîíèê, ïîðÿäîê

êîòîðûõ êðàòåí òðåì.

Òî æå ñàìîå èìååò ìåñòî ïðè ñîåäèíåíèè îáìîòîê òðàíñôîðìàòîðà òðåóãîëü

íèêîì, åñëè ôàçíûå ÝÄÑ â îáìîòêàõ òðàíñôîðìàòîðà ñèììåòðè÷íû. Îáû÷íî,

Ãëàâà 8. Ðàñ÷åò ýëåêòðè÷åñêèõ öåïåé ïðè íåñèíóñîèäàëüíûõ òîêàõ 343

èñïîëüçóÿ ýòî ñâîéñòâî, ñòðåìÿòñÿ ñîåäèíèòü ëèáî îáìîòêó ãåíåðàòîðà, ëèáî

îäíó èç îáìîòîê òðàíñôîðìàòîðà â òðåóãîëüíèê ñ öåëüþ ïîãàñèòü ãàðìîíèêè,

èìåþùèå ïîðÿäîê, êðàòíûé òðåì, âíóòðè ýòîé îáìîòêè è íå äàòü èì âûõîäà â îñ

òàëüíóþ öåïü. Â ÝÄÑ ñèììåòðè÷íî óñòðîåííîãî ãåíåðàòîðà îòñóòñòâóþò ÷åòíûå

ãàðìîíèêè, òàê êàê êðèâûå, ñèììåòðè÷íûå îòíîñèòåëüíî îñè àáñöèññ, íå ñîäåð

æàò ÷åòíûõ ãàðìîíèê, ÷òî áóäåò ïîêàçàíî â ñëåäóþùåì ïàðàãðàôå. Ïîýòîìó ïðè

ñîåäèíåíèè òðåóãîëüíèêîì íà âûõîäíûõ çàæèìàõ, êðîìå ïåðâûõ, ìîãóò áûòü

âûñøèå ãàðìîíèêè ïîðÿäêîâ k = 5, 7, 11, 13, 17, 19, 23, 25, . . .

Åñëè îáìîòêè ãåíåðàòîðà èëè òðàíñôîðìàòîðà ñîåäèíåíû çâåçäîé, òî ïðè ñèì

ìåòðèè ôàçíûõ ÝÄÑ â ëèíåéíûõ íàïðÿæåíèÿõ òàêæå îòñóòñòâóþò ãàðìîíèêè,

ïîðÿäîê êîòîðûõ êðàòåí òðåì, õîòÿ â ôàçíûõ íàïðÿæåíèÿõ ýòè ãàðìîíèêè ñîäåð

æàòñÿ. Ýòî ÿâëÿåòñÿ ñëåäñòâèåì òîãî, ÷òî ëèíåéíûå íàïðÿæåíèÿ ðàâíû ðàçíî

ñòÿì ôàçíûõ íàïðÿæåíèé. Ïîýòîìó îòíîøåíèå äåéñòâóþùèõ ëèíåéíîãî è ôàç

íîãî íàïðÿæåíèé â ýòîì ñëó÷àå ìåíüøå

. Ïîêàæåì ýòî. Îáîçíà÷èì ÷åðåç U

, U

, ... äåéñòâóþùèå çíà÷åíèÿ ãàðìîíèê ôàçíîãî íàïðÿæåíèÿ. Èìåÿ â âèäó, ÷òî

ëèíåéíûå íàïðÿæåíèÿ äëÿ ãàðìîíèê, ïîðÿäîê êîòîðûõ íå êðàòåí òðåì, â

áîëüøå ôàçíûõ, ïîëó÷àåì

UUUU

UUUUUU

+++++

30 0

< .

Ïðè îòñóòñòâèè íåéòðàëüíîãî ïðîâîäà â ëèíåéíûõ òîêàõ è òîêàõ ïðèåìíèêà

íåò ãàðìîíèê ñ ïîðÿäêîì, êðàòíûì òðåì, òàê êàê ýòèõ ãàðìîíèê íåò â ëèíåéíûõ

íàïðÿæåíèÿõ. Ñîîòâåòñòâåííî, íåò ýòèõ ãàðìîíèê è â ôàçíûõ íàïðÿæåíèÿõ ïðè-

åìíèêà, äàæå åñëè îí ñîåäèíåí çâåçäîé. Â ïîñëåäíåì ñëó÷àå ìåæäó íåéòðàëüíû-

ìè òî÷êàìè ãåíåðàòîðà è ïðèåìíèêà ïîÿâëÿåòñÿ íàïðÿæåíèå òðîéíîé ÷àñòîòû,

êîòîðîå ìîæåò äîñòèãàòü îïàñíûõ äëÿ æèçíè çíà÷åíèé. Ïðè íàëè÷èè íåéòðàëü

íîãî ïðîâîäà ïî íåìó è, ñîîòâåòñòâåííî, ïî ëèíåéíûì ïðîâîäàì çàìêíóòñÿ òîêè

òðîéíîé ÷àñòîòû.

Âñå ýòè íåæåëàòåëüíûå ÿâëåíèÿ èñ÷åçàþò, åñëè ãàðìîíèêè ñ ïîðÿäêîì, êðàò

íûì òðåì, ïîãàøåíû â îäíîé èç îáìîòîê ãåíåðàòîðà èëè òðàíñôîðìàòîðà, ñîåäè

íåííûõ òðåóãîëüíèêîì. Èíîãäà â òðàíñôîðìàòîðå äëÿ ýòîé öåëè ñîçäàþò íå

èìåþùóþ âûâîäîâ ñïåöèàëüíóþ îáìîòêó, ñîåäèíåííóþ â òðåóãîëüíèê.

Ïðè ðàññìîòðåíèè âîïðîñà î ïîëó÷åíèè âðàùàþùåãîñÿ ïîëÿ â òðåõôàçíîì

äâèãàòåëå ìû îãðàíè÷èëèñü ó÷åòîì ïåðâûõ ãàðìîíèê òîêîâ â îáìîòêàõ. Ãàðìî

íèêè, äëÿ êîòîðûõ ÷èñëî (k – 1) äåëèòñÿ íà òðè, èìåþò òó æå ïîñëåäîâàòåëü

íîñòü, ÷òî è ïåðâàÿ ãàðìîíèêà. Îíè ñîçäàþò ïîëå, âðàùàþùååñÿ â òîì æå íà

ïðàâëåíèè, ÷òî è ïîëå îñíîâíîé âîëíû, íî ñ áîëüøåé ñêîðîñòüþ. Ãàðìîíèêè, äëÿ

êîòîðûõ ÷èñëî (k + 1) äåëèòñÿ íà òðè, ñîçäàþò ïîëÿ, âðàùàþùèåñÿ â îáðàòíîì

íàïðàâëåíèè.

8.6. Î ñîñòàâå âûñøèõ ãàðìîíèê ïðè íàëè÷èè ñèììåòðèè

ôîðì êðèâûõ òîêà èëè íàïðÿæåíèÿ

Ïðè íàëè÷èè òîãî èëè èíîãî âèäà ñèììåòðèè â êðèâûõ òîêà èëè íàïðÿæåíèÿ íå

êîòîðûå êîýôôèöèåíòû â ðàçëîæåíèè â ðÿä Ôóðüå îáðàùàþòñÿ â íóëü.

344 ×àñòü 2. Òåîðèÿ ëèíåéíûõ ýëåêòðè÷åñêèõ öåïåé

Âàæíûì ñëó÷àåì ÿâëÿåòñÿ ñèììåòðèÿ êðèâûõ îòíîñèòåëüíî îñè àáñöèññ

(ðèñ. 8.6), ïðè êîòîðîé âûïîëíÿåòñÿ óñëîâèå

ft ft T() ( ),=- + 2

ò. å. îòðèöàòåëüíàÿ ïîëóâîëíà ÿâëÿåòñÿ çåðêàëüíûì èçîáðàæåíèåì ñäâèíóòîé íà

ïîëîâèíó ïåðèîäà ïîëîæèòåëüíîé ïîëóâîëíû.

Åñëè êðèâàÿ ñèììåòðè÷íà îòíîñèòåëüíî îñè àáñöèññ, ðÿä Ôóðüå íå ñîäåðæèò

ïîñòîÿííîé ñîñòàâëÿþùåé è ÷åòíûõ ãàðìîíèê, òàê êàê äëÿ íèõ íå óäîâëåòâîðÿ-

åòñÿ ïðèâåäåííîå ðàíåå óñëîâèå ñèììåòðèè. Äåéñòâèòåëüíî, ñäâèãó ôóíêöèè,

à ñëåäîâàòåëüíî, è ïåðâîé ãàðìîíèêè íà T/2 ñîîòâåòñòâóåò ñäâèã ÷åòíûõ ãàðìî-

íèê íà öåëîå ÷èñëî ïîëíûõ ïåðèîäîâ, è çíà÷åíèÿ ýòèõ ãàðìîíèê íå ìåíÿþò ñâî-

åãî çíàêà. Òàêèì îáðàçîì, ëþáàÿ ñèììåòðè÷íàÿ îòíîñèòåëüíî îñè àáñöèññ êðè-

âàÿ ñîäåðæèò òîëüêî íå÷åòíûå ãàðìîíèêè.

Ýòî ïîëîæåíèå èìååò èñêëþ÷èòåëüíî áîëüøîå çíà÷åíèå. Îñíîâûâàÿñü íà íåì,

ìîæíî óòâåðæäàòü, ÷òî ïðè ñèììåòðè÷íîì óñòðîéñòâå âðàùàþùèõñÿ ãåíåðàòî-

ðîâ ÝÄÑ â èõ îáìîòêàõ íå ñîäåðæàò ÷åòíûõ ãàðìîíèê, à òàêæå åñëè óñëîâèÿ ïðî-

õîæäåíèÿ òîêà ïî öåïè îäèíàêîâû â îáîèõ íàïðàâëåíèÿõ, òî ïðè ñèììåòðè÷íîé

ÝÄÑ è òîê íå áóäåò ñîäåðæàòü ÷åòíûõ ãàðìîíèê. Â ëèíåéíûõ ýëåêòðè÷åñêèõ öå-

ïÿõ ñ ïîñòîÿííûìè ïàðàìåòðàìè óñëîâèÿ ïðîõîæäåíèÿ òîêà â îáîèõ íàïðàâ

ëåíèÿõ âñåãäà îäèíàêîâû. Ýòè óñëîâèÿ ìîãóò áûòü íåîäèíàêîâû â öåïÿõ ñ èç

ìåíÿþùèìèñÿ ïàðàìåòðàìè, íàïðèìåð â íåëèíåéíûõ öåïÿõ ñ âûïðÿìèòåëÿìè.

Â ïîñëåäíåì ñëó÷àå ïîÿâëÿþòñÿ ïîñòîÿííàÿ ñîñòàâëÿþùàÿ è ÷åòíûå ãàðìîíèêè

â êðèâîé òîêà.

Ïðèìåðîì ñèììåòðè÷íîé îòíîñèòåëüíî îñè àáñöèññ êðèâîé ÿâëÿåòñÿ êðèâàÿ

òðàïåöåèäàëüíîé ôîðìû, ïðèâåäåííàÿ íà ðèñ. 8.7. Ðàçëîæåíèå åå â ðÿä Ôóðüå

èìååò âèä

tt( ) sin sin sin sin sin sin=++

222

wt w wt w wt 5wt +

K ,

÷òî ëåãêî ïîëó÷àåòñÿ, åñëè âîñïîëüçîâàòüñÿ ïðèâåäåííûìè ðàíåå ôîðìóëàìè

äëÿ B

è C

. Ïðè t=T/4 ïîëó÷àåì ðàâíîáåäðåííûé òðåóãîëüíèê, è ðàçëîæåíèå

ïðèíèìàåò âèä

ttt( ) sin sin sin .=-+-

222

wwwK

Ïðè t=0 ïîëó÷àåì ïðÿìîóãîëüíóþ êðèâóþ, äëÿ êîòîðîé

Ãëàâà 8. Ðàñ÷åò ýëåêòðè÷åñêèõ öåïåé ïðè íåñèíóñîèäàëüíûõ òîêàõ 345

Ðèñ. 8.6

Ðèñ. 8.7

ttt( ) sin sin sin .=+++

wwwK

Èç ýòèõ ðàçëîæåíèé âèäíî, ÷òî â íèõ îòñóòñòâóþò ïîñòîÿííûå ñîñòàâëÿþùèå

è ÷åòíûå ãàðìîíèêè.

Ìîæåò áûòü ñèììåòðèÿ êðèâûõ äðóãîãî õàðàêòåðà. Íà ðèñ. 8.8 èçîáðàæåíà

êðèâàÿ, ñèììåòðè÷íàÿ îòíîñèòåëüíî îñè îðäèíàò. Èçîáðàæàåìàÿ åþ ôóíêöèÿ

óäîâëåòâîðÿåò óñëîâèþ f(t) = f(–t). Íåòðóäíî óáåäèòüñÿ, ÷òî ïðè ýòîì

BB B B

k12 3

0======KK

è ðàçëîæåíèå â ðÿä Ôóðüå èìååò âèä

ft A C tC tC t C kt

( ) cos cos cos cos=+ + + ++ +

01 2 3

23www wKK

Åñëè êðèâàÿ ñèììåòðè÷íà îòíîñèòåëüíî íà÷àëà êîîðäèíàò (ðèñ. 8.9), òî

f(t) = –f(–t). Â ýòîì ñëó÷àå

ACCC C

k012 3

0=======KK

è ðÿä Ôóðüå èìååò âèä

ftBtBtBtBkt

( ) sin sin sin sin=+++++

12 3

23www wKK

Ïîä÷åðêíåì, ÷òî óñëîâèå ñèììåòðèè îòíîñèòåëüíî îñè àáñöèññ íå çàâèñèò îò

âûáîðà íà÷àëà îòñ÷åòà âðåìåíè, ò. å. ÿâëÿåòñÿ ñâîéñòâîì ñàìèõ êðèâûõ, òîãäà êàê

ðàññìîòðåííûå îñòàëüíûå âèäû ñèììåòðèè ñâÿçàíû ñ âûáîðîì íà÷àëà îòñ÷åòà

âðåìåíè.

8.7. Ïðåäñòàâëåíèå ðÿäà Ôóðüå â êîìïëåêñíîé ôîðìå

Â ðÿäå ñëó÷àåâ öåëåñîîáðàçíî ïðåäñòàâèòü ðÿä Ôóðüå â êîìïëåêñíîé ôîðìå.

Ýòî îñîáåííî ïîëåçíî áóäåò ïðè ðàññìîòðåíèè â ãë. 11 ÷àñòîòíîãî ìåòîäà àíàëè

çà ïðîöåññîâ â ýëåêòðè÷åñêèõ öåïÿõ. Ðàíåå ðÿä Ôóðüå áûë ïðåäñòàâëåí â âèäå

ft A B kt C kt

() ( sin cos ).=+ +

=¥

Â âûðàæåíèÿõ äëÿ A

, B

è C

íàì áóäåò óäîáíåå âçÿòü ïðåäåëû èíòåãðèðîâà

íèÿ íå îò 0 äî T,àîò—T/2 äî +T/2. Áóäåì èìåòü

ftdt B

ft ktdt C

12 2

== =

òò

() ; ()sin ;w ()cos ,tktdt

ïðè÷åì w=2p/T — óãëîâàÿ ÷àñòîòà ïåðâîé ãàðìîíèêè.

346 ×àñòü 2. Òåîðèÿ ëèíåéíûõ ýëåêòðè÷åñêèõ öåïåé

Ðèñ. 8.9

Ðèñ. 8.8

Ïîëüçóÿñü âûðàæåíèÿìè

sin ( ) cos ( ),aa

aa aa

=-+ = +

je e e e

jj jj

ìîæåì íàïèñàòü

B ktC kt C jBe C jBe

kk kk

jk t

sin cos ( ) ( )ww

+=-++

Èç ôîðìóë äëÿ B

è C

èìååì

CjB

fte dt C jB

fte dt

jk t

-= +=

() ; ()

Ñëåäîâàòåëüíî,

(sin cos ) ()BktC kt

efte

jk t jk

=¥

åå

jk t jk t

eftedt

=¥

()

jq t jq t

jq t

eftedt

eft

=¥

=-¥

ww w

() ()edt

jq t

Çäåñü ïðîèçâåäåíà çàìåíà â ïåðâîé ñóììå k íà q, à âî âòîðîé ñóììå k íà (– q)ñ

öåëüþ ïîëó÷åíèÿ îäèíàêîâûõ âûðàæåíèé ïîä çíàêàìè îáåèõ ñóìì. Åñòåñòâåííî,

÷òîáû âòîðàÿ ñóììà ïðè ýòîì íå èçìåíèëàñü, ñóììèðîâàíèå â íåé íåîáõîäèìî

ïðîèçâåñòè ïî çíà÷åíèÿì q îò –¥ äî –1, ÷òî ñîîòâåòñòâóåò ñóììèðîâàíèþ ïî

çíà÷åíèÿì k îò +1 äî +¥.

Ó÷èòûâàÿ, ÷òî

ftdt

eftedt

jq t jq t

òò

() ()

=q 0

ìîæåì ïðåäñòàâèòü f(t) â âèäå

ãäå

eFjq

Fjq fte dt

jq t

() ( ,

(()

=-¥

=+¥

T 2

(*)

Ïîëó÷åííîå âûðàæåíèå äëÿ f(t) ïðåäñòàâëÿåò ñîáîé ðÿä Ôóðüå â êîìïëåêñ

íîé ôîðìå. Â ýòîì âûðàæåíèè êàæäîé k-é ãàðìîíèêå îòâå÷àåò ñóììà äâóõ ñî

ïðÿæåííûõ ÷ëåíîâ (ïðè q = +k è ïðè q = –k), ðàâíàÿ óäâîåííîé âåùåñòâåííîé

÷àñòè êàæäîãî èç ýòèõ ÷ëåíîâ:

11 2

eFjk

Fjk e

jk t jk t jk tww w

w) w) w)((Re(+-=

Îáîçíà÷èâ F(jkw) = F(kw)

, èìååì

Ãëàâà 8. Ðàñ÷åò ýëåêòðè÷åñêèõ öåïåé ïðè íåñèíóñîèäàëüíûõ òîêàõ 347

Re ( ( cos( ) ( si

22 2

Fjk e

Fk k t

jk t

w) w) w a w)

=+=n( ),kt

wy+

ãäå y

=p/2 + a

Òàêèì îáðàçîì, âåëè÷èíà

222

Fk e j

Fjk

(((w) w) w)

ïðåäñòàâëÿåò ñîáîé êîìïëåêñíóþ àìïëèòóäó k-é ãàðìîíèêè

,AAe

ãäå

(.w)

Ñîâîêóïíîñòü êîìïëåêñíûõ àìïëèòóä âñåõ ãàðìîíèê äàííîé ôóíêöèè ìîæåò

ðàññìàòðèâàòüñÿ êàê äèñêðåòíûé ñïåêòð ýòîé ôóíêöèè. Åãî ìîæíî ïðåäñòàâèòü

íà ãðàôèêå â âèäå ñïåêòðà çíà÷åíèé àìïëèòóä è

ñïåêòðà çíà÷åíèé ôàç. Ïî îñè àáñöèññ îòêëàäûâà-

åì ÷àñòîòó, êîòîðàÿ èìååò äèñêðåòíûå çíà÷åíèÿ,

ðàâíûå ÷àñòîòàì ãàðìîíèê. Äëÿ êàæäîé ÷àñòîòû

ãàðìîíèê îòêëàäûâàåì îò îñè àáñöèññ ïàðàëëåëüíî

îñè îðäèíàò îòðåçêè, äëèíû êîòîðûõ ðàâíû àìïëè-

òóäàì A

èëè íà÷àëüíûì ôàçàì y

ãàðìîíèê. Ïðè

ýòîì A

> 0, à y

ìîæåò áûòü êàê ïîëîæèòåëüíûì,

òàê è îòðèöàòåëüíûì. Òàêèå õàðàêòåðèñòèêè íîñÿò

íàçâàíèå äèñêðåòíûõ ñïåêòðîâ èëè äèñ-

êðåòíûõ ÷àñòîòíûõ õàðàêòåðèñòèê —

ñîîòâåòñòâåííî, àìïëèòóäíî-÷àñòîòíîé è ôàçî-÷àñòîòíîé õà

ðàêòåðèñòèê.

Íà ðèñ. 8.10 èçîáðàæåíà äèñêðåòíàÿ àìïëèòóäíî-÷àñòîòíàÿ õàðàêòåðèñòèêà

äëÿ ôóíêöèè âðåìåíè, ïîêàçàííîé íà ðèñ. 8.7, ïðè t=0.

8.8. Áèåíèÿ êîëåáàíèé

Íà ïðàêòèêå èñïîëüçóþòñÿ íåñèíóñîèäàëüíûå òîêè è íàïðÿæåíèÿ, êîòîðûå íå

ìîãóò áûòü ïðåäñòàâëåíû â âèäå ðÿäà Ôóðüå, ñîäåðæàùåãî ñîñòàâëÿþùèå ñ ÷àñ

òîòàìè, êðàòíûìè îñíîâíîé ÷àñòîòå, è âìåñòå ñ òåì îáëàäàþò â èçâåñòíîì îòíî

øåíèè ïåðèîäè÷íîñòüþ ñâîèõ èçìåíåíèé. Ñþäà îòíîñÿòñÿ íåñèíóñîèäàëüíûå

òîêè è íàïðÿæåíèÿ, èçîáðàæàåìûå êðèâûìè ñ ïåðèîäè÷åñêîé îãèáàþùåé. Ê íèì

ïðèíàäëåæàò òàê íàçûâàåìûå áèåíèÿ êîëåáàíèé è ìîäóëÿöèÿ êîëå

áàíèé.

Ðàññìîòðèì ñëó÷àé áèåíèÿ êîëåáàíèé. Ïóñòü â íåêîòîðîé öåïè íàëàãàþòñÿ

äâà ñèíóñîèäàëüíûõ òîêà: i

= I

sin w

t è i

= I

sin w

t, èìåþùèå îäèíàêîâûå àì

ïëèòóäû, íî ðàçíûå ÷àñòîòû, ïðè÷åì ÷àñòîòû w

è w

áëèçêè äðóã ê äðóãó, òàê ÷òî

ðàçíîñòü èõ çíà÷èòåëüíî ìåíüøå êàæäîé èç íèõ:

ww w ww w

12 1 12 2

-< -<è

348 ×àñòü 2. Òåîðèÿ ëèíåéíûõ ýëåêòðè÷åñêèõ öåïåé

Ðèñ. 8.10

Ðåçóëüòèðóþùèé äåéñòâèòåëüíûé òîê â öåïè ïðè ýòîì ðàâåí

ii i I t t I t t

=+ = + =

12 1 2

12 12

(sin sin ) cos sin .ww

ww ww

Òàê êàê

ww ww

12 12

, òî êðèâóþ òîêà i ìîæíî ðàññìàòðèâàòü êàê ñèíóñîèäó

ñ óãëîâîé ÷àñòîòîé

, àìïëèòóäà êîòîðîé èçìåíÿåòñÿ ñðàâíèòåëüíî ìåä

ëåííî ïî çàêîíó 2I

cos

Òàê êàê àìïëèòóäà åñòü âåëè÷èíà ñóùåñòâåííî ïîëîæèòåëüíàÿ, à âåëè÷èíà

cos

ìåíÿåò çíàê â ìîìåíòû ïåðåõîäà åå ÷åðåç íóëü, òî ýòî ðàâíîñèëüíî

ñêà÷êîîáðàçíîìó èçìåíåíèþ â ýòè ìîìåíòû âðåìåíè ôàçû ñèíóñîèäàëüíûõ êî

ëåáàíèé ñ ÷àñòîòîé

íà óãîë p.

Íà ðèñ. 8.11 èçîáðàæåíû áèåíèÿ êîëåáàíèé äëÿ ñëó÷àÿ

= 26/3, ò. å.

äëÿ ñëó÷àÿ w

= 29/23 èëè w

= 23/29.

×àñòîòîé áèåíèé f

ïðèíÿòî íàçûâàòü

÷àñòîòó, îïðåäåëÿåìóþ ÷èñëîì ìàêñèìóìîâ

îãèáàþùåé êðèâîé â åäèíèöó âðåìåíè. Ñî-

îòâåòñòâåííî, âåëè÷èíó T

= 1/f

(ðèñ. 8.11)

íàçûâàþò ïåðèîäîì áèåíèé. Òàêèì îáðà-

çîì, ïåðèîä áèåíèé ðàâåí ïîëîâèíå ïåðèî

äà ôóíêöèè

cos

Ëåãêî óñìîòðåòü èç ðèñóíêà, ÷òî õàðàê

òåð ðåçóëüòèðóþùåé êðèâîé íå ïîâòîðÿåòñÿ

â äâóõ ñîñåäíèõ ïåðèîäàõ áèåíèé. Â ðàñ

ñìîòðåííîì ïðèìåðå õàðàêòåð ðåçóëüòè

ðóþùåé êðèâîé áóäåò ïîâòîðÿòüñÿ òîëüêî ÷åðåç òðè ïåðèîäà ôóíêöèè

cos

, ò. å. ÷åðåç 6T

, òàê êàê â ýòîì èíòåðâàëå âðåìåíè óêëàäûâàåòñÿ öåëîå

÷èñëî ïåðèîäîâ ôóíêöèè

sin

, è ÷èñëî ñêà÷êîîáðàçíûõ èçìåíåíèé åå

ôàçû íà óãîë p ÿâëÿåòñÿ ÷åòíûì ÷èñëîì 6.

Òàêèì îáðàçîì, ïåðèîä ðåçóëüòèðóþùåé êðèâîé áîëüøå ïåðèîäà áèåíèé.

Åñëè îòíîøåíèå w

ÿâëÿåòñÿ èððàöèîíàëüíûì ÷èñëîì, òî ïåðèîä ðåçóëüòè

ðóþùåé êðèâîé îáðàùàåòñÿ â áåñêîíå÷íîñòü è, ñëåäîâàòåëüíî, ýòà êðèâàÿ íå ÿâ

ëÿåòñÿ ïåðèîäè÷åñêîé. Òåì íå ìåíåå, ïîíÿòèå î ïåðèîäå áèåíèé T

ñîõðàíÿåò

îïðåäåëåííûé ñìûñë.

Ãëàâà 8. Ðàñ÷åò ýëåêòðè÷åñêèõ öåïåé ïðè íåñèíóñîèäàëüíûõ òîêàõ 349

Ðèñ. 8.11

ßâëåíèå áèåíèé êîëåáàíèé ñ óñïåõîì èñïîëüçóåòñÿ äëÿ óñòàíîâëåíèÿ îòêëî

íåíèÿ ÷àñòîòû w

êîëåáàíèé â îäíîé ñèñòåìå îò ÷àñòîòû w

êîëåáàíèé â äðóãîé

ñèñòåìå. Èçìåðÿÿ ÷àñòîòó áèåíèé, ïîëó÷àåì âîçìîæíîñòü íàáëþäàòü âåñüìà ìà

ëûå îòêëîíåíèÿ Dw=w

– w

ïî ñðàâíåíèþ ñ ñàìèìè âåëè÷èíàìè w

è w

Òàê êàê ðåçóëüòèðóþùàÿ êðèâàÿ i = f(t) â îáùåì ñëó÷àå íå ÿâëÿåòñÿ ïåðèîäè

÷åñêîé, òî äëÿ âû÷èñëåíèÿ äåéñòâóþùåãî òîêà i = f(t), ñòðîãî ãîâîðÿ, ìû íå ìî

æåì ïîëüçîâàòüñÿ ìåòîäàìè, óñòàíîâëåííûìè â § 8.3.

Îäíàêî åñëè óñëîâèòüñÿ ïîä äåéñòâóþùèì çíà÷åíèåì I ïîíèìàòü ñðåäíåå

êâàäðàòè÷åñêîå çíà÷åíèå òîêà i = f(t) çà äîñòàòî÷íî áîëüøîé ïðîìåæóòîê âðåìå

íè t >> T

, òî ñ áîëüøîé òî÷íîñòüþ ìîæíî âû÷èñëèòü çíà÷åíèå I êàê êîðåíü

êâàäðàòíûé èç ñóììû êâàäðàòîâ äåéñòâóþùèõ çíà÷åíèé ñîñòàâëÿþùèõ, èìåþ

ùèõ ÷àñòîòû w

è w

. Òàê, â ðàññìîòðåííîì ïðèìåðå ïðè îäèíàêîâûõ àìïëèòóäàõ

ýòèõ ñîñòàâëÿþùèõ èìååì

Iitdt

=»

() ,

ò. å. â ýòîì ñëó÷àå çíà÷åíèå äåéñòâóþùåãî òîêà, êîòîðîå ïîêàæåò îáû÷íûé ïðè-

áîð ïåðåìåííîãî òîêà, ðàâíî ïîëîâèíå ìàêñèìóìà îãèáàþùåé êðèâîé.

8.9. Ìîäóëèðîâàííûå êîëåáàíèÿ

Äðóãèì âèäîì íåñèíóñîèäàëüíûõ òîêîâ, èçîáðàæàåìûõ êðèâîé ñ ïåðèîäè÷åñêîé

îãèáàþùåé, ÿâëÿþòñÿ ìîäóëèðîâàííûå òîêè. Â ñëó÷àå òàê íàçûâàåìîé àìïëè-

òóäíîé ìîäóëÿöèè îíèîïèñûâàþòñÿ óðàâíåíèåì

iI tI m t t

==+sin ( sin )sin ,ww

1 W

ïðè÷åì W —÷àñòîòà ìîäóëÿöèè —ìíîãî ìåíüøå ÷àñòîòû w, íàçûâàåìîé

íåñóùåé ÷àñòîòîé.Êîýôôèöèåíò m, ëåæàùèé â ïðåäåëàõ 0 < m < 1, íàçû

âàþò êîýôôèöèåíòîì ìîäóëÿöèè. Òàêèì îáðàçîì, ìîäóëèðîâàííûé

òîê ìîæíî ðàññìàòðèâàòü êàê òîê ÷àñòîòû w, àìïëèòóäà êîòîðîãî èçìåíÿåòñÿ ïå

ðèîäè÷åñêè ñ ÷àñòîòîé W (ðèñ. 8.12).

Ìîäóëÿöèÿ ïðèìåíÿåòñÿ â ïðîâîäíîé è ðàäèî

ñâÿçè. Â ïåðåäàþùåì óñòðîéñòâå íà êîëåáàíèÿ ñ

îñíîâíîé íåñóùåé ÷àñòîòîé w âîçäåéñòâóþò ñî

çâóêîâîé ÷àñòîòîé W, ñîçäàâàÿ òàêèì îáðàçîì ìî

äóëèðîâàííûå êîëåáàíèÿ. Ìîäóëÿöèÿ îñóùåñòâ

ëÿåòñÿ îáû÷íî ñ ïîìîùüþ íåëèíåéíûõ ýëåìåíòîâ

ýëåêòðè÷åñêîé öåïè, íàïðèìåð ïóòåì ïîäà÷è êîëå

áàíèé íåñóùåé è çâóêîâîé ÷àñòîò íà ñåòêó ýëåê

òðîííîé ëàìïû è ïîäáîðà óñëîâèé ðàáîòû ëàìïû

íà íåëèíåéíîì ó÷àñòêå åå õàðàêòåðèñòèêè.

Ïåðåïèñàâ âûðàæåíèå äëÿ ìîäóëèðîâàííîãî òîêà â ôîðìå

iI t mI t mI t=+ -- +

00 0

sin cos( cos( ,ww wW) W)

350 ×àñòü 2. Òåîðèÿ ëèíåéíûõ ýëåêòðè÷åñêèõ öåïåé

Ðèñ. 8.12

âèäèì, ÷òî åãî ìîæíî ðàññìàòðèâàòü êàê ñóììó òðåõ ñèíóñîèäàëüíûõ òîêîâ.

Ïåðâûé èç íèõ èìååò íåñóùóþ ÷àñòîòó w, à äâà äðóãèõ èçìåíÿþòñÿ ñ ÷àñòîòàìè

w – W è w + W, êîòîðûå íàçûâàþò áîêîâûìè ÷àñòîòàìè. Òàê êàê

W<<w

òî áîêîâûå ÷àñòîòû áëèçêè ê íåñóùåé. Ïåðåäà÷à ñèãíàëà ïî ïðîâîäàì èëè ïî ðà

äèî ïðîèçâîäèòñÿ íà íåñóùåé è áîêîâûõ ÷àñòîòàõ. Â ïðèåìíîì óñòðîéñòâå âíîâü

âûäåëÿþòñÿ êîëåáàíèÿ ñî çâóêîâîé ÷àñòîòîé ñ ïîìîùüþ ïðîöåññà äåòåêòèðî

âàíèÿ.

Î äåéñòâóþùåì ìîäóëèðîâàííîì òîêå ìîæíî ïðèâåñòè òå æå ñîîáðàæåíèÿ,

÷òî è â ñëó÷àå áèåíèé. Ïîëüçóÿñü ïîñëåäíèì âûðàæåíèåì äëÿ ìîäóëèðîâàííîãî

òîêà è âûáèðàÿ t >> 2p/W, ïîëó÷àåì

Iidt

=»

Ïðè m = 0, ò. å. ïðè îòñóòñòâèè ìîäóëÿöèè, I = I

, òàê êàê ïðè ýòîì òîê i èç

ìåíÿåòñÿ ïî ñèíóñîèäàëüíîìó çàêîíó. Ïðè m = 1, ò. å. ïðè ñòîïðîöåíòíîé ìîäó-

ëÿöèè, I =

15,

Ïîìèìî ðàññìîòðåííîé âûøå àìïëèòóäíîé ìîäóëÿöèè, îñóùåñòâëÿþò òàêæå

÷àñòîòíóþ è ôàçîâóþ ìîäóëÿöèè, âîçäåéñòâóÿ îò ìîäóëèðóþùåãî

óñòðîéñòâà èëè íà ÷àñòîòó w, èëè íà íà÷àëüíóþ ôàçó y òîêà i. ×àñòîòíàÿ ìîäóëÿ-

öèÿ ïðè ðàäèîïåðåäà÷å èìååò áîëüøîå äîñòîèíñòâî â òîì, ÷òî ïðè íåé ëåã÷å èç-

áàâëÿòüñÿ îò ìåøàþùèõ âëèÿíèé, âûçûâàþùèõ øóìû â ïðèåìíèêå.

Ãëàâà 8. Ðàñ÷åò ýëåêòðè÷åñêèõ öåïåé ïðè íåñèíóñîèäàëüíûõ òîêàõ 351

Âîïðîñû, çàäà÷è è óïðàæíåíèÿ ê ãëàâàì 6,7è8

6.1. Ðåçîíàíñ ïðè ïîñëåäîâàòåëüíîì ñîåäèíåíèè

ýëåìåíòîâ r, L, C

ÂÎÏÐÎÑÛ

1. Ìîæíî ëè äîñòè÷ü ðåçîíàíñà â èçîáðàæåííîé íà ðèc. Â6.1 öåïè èçìåíÿÿ:

à) åìêîñòü êîíäåíñàòîðà; á) ïðèëîæåííîå ê öåïè íàïðÿæåíèå; â) ñîïðîòèâëåíèå

ðåçèñòîðà; ã) èíäóêòèâíîñòü êàòóøêè; ä) ÷àñòîòó ïðèëîæåííîãî ê öåïè íàïðÿæå

íèÿ?

2. ×åìó ðàâíî íàïðÿæåíèå U

íà ó÷àñòêå LC ïðè ðåçîíàíñå?

3. ×åìó ðàâíà ðåàêòèâíàÿ ìîùíîñòü â öåïè ïðè ðåçîíàíñå?

4. Íà êàêèõ ó÷àñòêàõ öåïè ñëåäóåò èçìåðèòü íàïðÿæåíèå äëÿ îïðåäåëåíèÿ äîá

ðîòíîñòè?

5. (Î) Óâåëè÷èòñÿ èëè óìåíüøèòñÿ ïîëîñà ïðîïóñêàíèÿ

öåïè (ðèc. Â6.1), åñëè, ñîõðàíÿÿ íåèçìåííîé ðåçîíàíñíóþ

÷àñòîòó, à) óâåëè÷èòü èíäóêòèâíîñòü; á) óâåëè÷èòü åì-

êîñòü; â) óâåëè÷èòü äîáðîòíîñòü êîíòóðà; ã) óâåëè÷èòü åì-

êîñòü è îäíîâðåìåííî óìåíüøèòü ñîïðîòèâëåíèå r ðåçè-

ñòîðà; ä) óâåëè÷èòü ñîïðîòèâëåíèå r ðåçèñòîðà?

6. (Î) Ñëåäóåò ëè ñ öåëüþ óìåíüøåíèÿ ïîëîñû ïðîïóñêà-

íèÿ öåïè (ðèc. Â6.1) ïðè ñîõðàíåíèè åå ðåçîíàíñíîé ÷àñòî-

òû: à) óâåëè÷èâàòü âîëíîâîå ñîïðîòèâëåíèå è óìåíüøàòü

àêòèâíîå ñîïðîòèâëåíèå; á) óìåíüøàòü èíäóêòèâíîñòü,

óâåëè÷èâàÿ àêòèâíîå ñîïðîòèâëåíèå?

7. Êàêîå çíà÷åíèå (íàèìåíüøåå èëè íàèáîëüøåå) ïðèíèìàåò ïðè ðåçîíàíñå íà

ïðÿæåíèå íà çàæèìàõ öåïè (ðèñ. Â6.1) ïðè ïèòàíèè åå îò èñòî÷íèêà òîêà?

ÓÏÐÀÆÍÅÍÈß

1. Îïðåäåëèòå, êàê èçìåíÿòñÿ äîáðîòíîñòü êîíòóðà, òîê ïðè ðåçîíàíñå è ðå

çîíàíñíàÿ ÷àñòîòà (ðèc. Â6.1) ïðè ñîõðàíåíèè íåèçìåííûìè âñåõ ïàðàìåòðîâ

è óâåëè÷åíèè: à) ñîïðîòèâëåíèÿ r â 1,5 ðàçà; á) èíäóêòèâíîñòè L â 2 ðàçà; â)åì

êîñòè C â 3 ðàçà; ã) íàïðÿæåíèÿ íà âõîäå â 2 ðàçà?

2. (Ð) Â êàêîì äèàïàçîíå ÷àñòîò âõîäíîãî íàïðÿæåíèÿ U = 220 B â êîíòóðå, èìå

þùåì ðåçîíàíñíóþ ÷àñòîòó w

, ñ äîáðîòíîñòüþ Q = 20 è âîëíîâûì ñîïðîòèâëå

íèåì r=100 Îì òîê áóäåò ïðåâûøàòü çíà÷åíèå 31 À?

3. (Ð) Íàïðÿæåíèå U

íà êîíäåíñàòîðå äîñòèãàåò ïðè ðåçîíàíñå çíà÷åíèÿ 1000 Â,

÷òî íåäîïóñòèìî. Âî ñêîëüêî ðàç ñëåäóåò èçìåíèòü åìêîñòü êîíäåíñàòîðà, ÷òîáû

íàïðÿæåíèå íà íåì ñíèçèëîñü íà 10% ïðè ñîõðàíåíèè íåèçìåííîé ðåçîíàíñíîé

÷àñòîòû?

4. (Ð) Ïîëó÷èòå ñîîòíîøåíèå ìåæäó ÷àñòîòàìè w

è w

èçìåíåíèÿ òîêà â öåïè

(ðèc. Â6.1), ïðè êîòîðûõ åå ðåàêòèâíûå ñîïðîòèâëåíèÿ ðàâíû ïî àáñîëþòíîìó

çíà÷åíèþ, íî ïðîòèâîïîëîæíû ïî çíàêó.

Ðèc. Â6.1