CƠ SỞ KỸ THUẬT ĐIỆN 2
.c
om
Chương 4: Quá trình quá độ trong mạch phi tuyến.
co
ng
I. Khái niệm chung.
th
an
II. Phương pháp tham số bé (nhiễu loạn).
du
o
ng
III. Phương pháp sai phân liên tiếp.
u
IV. Phương pháp biên pha biến thiên chậm (hệ số tích phân).
cu
V. Phương pháp tuyến tính hóa từng đoạn.
Bài tập: 2, 3, 7, 13 + bài thêm.
Cơ sở kỹ thuật điện 2
1
CuuDuongThanCong.com
/>
Chương 4 : Quá trình quá độ trong mạch phi tuyến
I. Khái niệm chung
.c
om
Mạch phi tuyến được mô tả bởi những hệ phương trình vi tích phân phi tuyến trong miền thời gian.
Luật
Mạch phi tuyến
K
co
t = t0:
Thay đổi kết cấu
thơng số của mạch
ng
(quy luật, tính chất)
Luật
du
o
ng
(Quy luật, tính chất mới)
th
Mạch phi tuyến mới
an
K
u
Q trình cũ
cu
Hệ phương trình vi tích
phân phi tuyến
-
Hệ phương trình vi tích
phân phi tuyến mới
Q trình mới
0 +Quá trình quá độ
Thời gian quá độ
t
Quá trình mới
xác lập
Động tác đóng mở kết thúc một q trình cũ và khởi đầu một quá trình quá độ hiện hành.
Quá trình quá độ của hệ thống nghiệm đúng hệ phương trình mới, khởi đầu từ thời điểm t = 0 +.
Cơ sở kỹ thuật điện 2
2
CuuDuongThanCong.com
/>
CƠ SỞ KỸ THUẬT ĐIỆN 2
co
ng
.c
om
Chương 4: Quá trình quá độ trong mạch phi tuyến.
an
I. Khái niệm chung.
ng
th
II. Phương pháp tham số bé (nhiễu loạn).
du
o
III. Phương pháp sai phân liên tiếp.
cu
u
IV. Phương pháp biên pha biến thiên chậm (hệ số tích phân).
V. Phương pháp tuyến tính hóa từng đoạn.
Cơ sở kỹ thuật điện 2
3
CuuDuongThanCong.com
/>
Chương 4 : Quá trình quá độ trong mạch phi tuyến
.c
om
II. Phương pháp tham số bé (nhiễu loạn).
Nội dung: Được sử dụng để giải các bài toán quá độ của mạch phi tuyến (tính phi tuyến
ng
ít) có phương trình mô tả dạng:
(*)
co
f(x, x’, x’’, …, t) = μ.φ(x, x’, …)
an
trong đó: f(x, x’, x’’, …) là những số hạng tuyến tính.
th
μ.φ(x, x’, …) là số hạng phi tuyến (ít đủ nhỏ so với số hạng tuyến tính).
du
o
ng
Phương pháp:
Tìm nghiệm của phương trình tuyến tính cốt yếu: f(x, x’, x’’, …, t) = 0 x0(t).
cu
u
Đặt nghiệm của phương trình (*) dưới dạng các hàm hiệu chỉnh (số hàm hiệu chỉnh
được đặt tùy theo độ chính xác yêu cầu):
x(t) = x0(t) + μ.x1(t) + μ2.x2(t) + …
Thay vào phương trình (*) và cân bằng theo bậc của μ để tìm các hàm hiệu chỉnh.
Cơ sở kỹ thuật điện 2
4
CuuDuongThanCong.com
/>
Chương 4 : Quá trình quá độ trong mạch phi tuyến
Ψ(i)
.c
om
II. Phương pháp tham số bé (nhiễu loạn).
Ví dụ 4.1: Dùng phương pháp nhiễu loạn tính dịng q độ với 1 hàm
hiệu chỉnh trong cuộn dây lõi thép đóng vào nguồn áp E = 24V, biết đặc
R=50Ω
co
ng
tính cuộn dây: ψ(i) = 2.i – 3,75.i3, R = 50Ω.
E = 24V
i
. 24 2.i ' 50.i 24 11, 25.i 2 .i ' (*) ( 11, 25)
i t
th
Lập phương trình mạch: 50.i
an
Giải:
du
o
ng
Đặt nghiệm gần đúng với 1 hàm hiệu chỉnh: i(t) = i0(t) + μ.i1(t)
Thay vào (*):
i ' i0' .i1'
i 2 i02 2 .i12 2..i0 .i1
u
2.i0' 2..i1' 50.i0 50..i1 24 .(i02 2 .i12 2..i0 .i1 )(i0' .i1' )
cu
(2.i0' 50.i0 24) .(2.i1' 50.i1 i02 .i0' ) 2 .(...) 3 .(...) 0
Cân bằng theo bậc của μ:
μ bậc 0 (phương trình tuyến tính suy biến)
Cơ sở kỹ thuật điện 2
2.i 50.i0 24 0
'
0
CuuDuongThanCong.com
μ bậc 1:
2.i1' 50.i1 i02 .i0' 0
/>
5
Chương 4 : Quá trình quá độ trong mạch phi tuyến
Ψ(i)
II. Phương pháp tham số bé (nhiễu loạn).
Xét phương trình tuyến tính suy biến: 2.i0 50.i0 24 0
.c
om
'
E = 24V
Sơ kiện: i(0) = 0; Nghiệm xác lập: i = 24/50 = 0,48(A)
ng
Phương trình đặc trưng: 2.p + 50 = 0 p = -25
co
Nghiệm là : i0(t) = 0,48.(1 – e-25.t) (A) = I0.(1 – e-α.t) (A)
Xét phương trình μ bậc 1:2.i 50.i1 i .i 0
2 '
0 0
an
'
1
R=50Ω
i02 I 02 .(1 2.e .t e2. .t )
i0' .I o .e .t
th
Thay vào ta có:2.i1' 50.i1 .I 03 .(e .t 2.e2. .t e3. .t )
ng
1
2
1
)
p p 2. p 3.
.I 03 1
2
1
I1 ( p)
.
2 ( p )2 ( p 2. ).( p ) ( p 3. ).( p )
cu
u
du
o
3
Chuyển sang miền ảnh Laplace: 2( p ).I1 ( p) .I 0 .(
Tra bảng Ảnh - Gốc (dùng công thức Hevixaide):
i1 (t ) 0,0555. (25.t 1,5).e25.t 2.e50.t 0,5.e75.t
Vậy nghiệm của bài toán là:
Cơ sở kỹ thuật điện 2
i(t ) 0, 48.(1 e25.t ) 0,625. (25.t 1,5).e25.t 2.e50.t 0,5.e75.t
CuuDuongThanCong.com
/>
6
Chương 4 : Quá trình quá độ trong mạch phi tuyến
.c
om
II. Phương pháp tham số bé (nhiễu loạn).
Ví dụ 4.2: Dùng phương pháp nhiễu với 1 hàm hiệu chỉnh tính q trình
điện tích khi 1 tụ phi tuyến phóng điện qua 1 điện trở R. Biết sơ kiện
C
R
co
ng
q(0) = Q và đặc tính phi tuyến của tụ uC(q) =q.1/C0 + αq3 (α>0)
Giải:
an
1
1
q q3 Rq ' 0 Rq ' q q3 q3 (*)
C0
C0
th
Lập phương trình: uC + uR = 0
du
o
ng
Đặt nghiệm với 1 hàm hiệu chỉnh: q(t) = q0(t) + μ.q1(t) q ' q0' .q1'
u
Thay vào (*): R q0' q1'
1
3
q0 q1 q0 q1
C0
cu
Cân bằng theo bậc của μ:
μ bậc 0 (phương trình tuyến tính suy biến): 2.q0'
μ bậc 1: R.q1
'
1
q1 q03
C0
1
.q0 0
C0
Cơ sở kỹ thuật điện 2
7
CuuDuongThanCong.com
/>
Chương 4 : Quá trình quá độ trong mạch phi tuyến
.c
om
II. Phương pháp tham số bé (nhiễu loạn).
Ví dụ 4.2: Dùng phương pháp nhiễu với 1 hàm hiệu chỉnh tính q trình
C
điện tích khi 1 tụ phi tuyến phóng điện qua 1 điện trở R. Biết sơ kiện
R
co
ng
q(0) = Q và đặc tính phi tuyến của tụ uC(q) =q.1/C0 + αq3 (α>0)
Giải:
du
o
ng
th
an
1
Xét phương trình tuyến tính suy biến: 2q
q0 0
C0
1
1
Phương trình đặc trưng: Rp
0 p
q0 td Ae t
C0
RC0
t
Sơ kiện
Nghiệm quá độ: q0 qd q0 xl q0 td Ae
q0 qd Q0 .e t
'
0
q(0) = Q0
cu
u
Q03 1
Q03 3 t Laplace
( p )Q1 ( p)
Xét phương trình μ bậc 1: q q1
e
R p 3
R
3
Q03
Hevixaide q (t ) Q0 e t e 3 t
Q1 ( p)
1
2
R
R( p 3 )( p )
3
3
C
Q
C
Q
0 0 t
0 0 t
q ' q0' .q1' Q0e t
e
e
8
Cơ sở kỹ thuật điện 2
2
2
CuuDuongThanCong.com
'
1
/>
CƠ SỞ KỸ THUẬT ĐIỆN 2
co
ng
.c
om
Chương 4: Quá trình quá độ trong mạch phi tuyến.
an
I. Khái niệm chung.
ng
th
II. Phương pháp tham số bé (nhiễu loạn).
du
o
III. Phương pháp sai phân liên tiếp.
cu
u
IV. Phương pháp biên pha biến thiên chậm (hệ số tích phân).
V. Phương pháp tuyến tính hóa từng đoạn.
Cơ sở kỹ thuật điện 2
9
CuuDuongThanCong.com
/>
Chương 4 : Quá trình quá độ trong mạch phi tuyến
.c
om
III. Phương pháp sai phân liên tiếp
Là phương pháp gần đúng tính bằng số dùng sai phân hóa để giải bài tốn vi tích phân thời
gian của các hệ thống phi tuyến và tuyến tính.
ng
Sai phân hóa là thay thế gần đúng những vi phân của biến thời gian t của ẩn x bằng những vi
co
phân của chúng.
an
Phương pháp sai phân liên tiếp chuyển hệ phương trình vi phân thành hệ sai phân gần đúng và
th
dùng phương pháp số để tìm dần từng bước nghiệm gần đúng:
ng
Δt
t
du
o
Chia trục thời gian t thành những bước h = Δt.
dx x xk 1 xk
dt t
h
cu
Sai phân hóa:
u
t0 = 0 ; t1 = Δt ; t2 = 2.Δt ; … ; tk = k.Δt
d 2 x xk 2 2.xk 1 xk
2
dt
h2
Sai phân hóa hệ phương trình mạch bằng những biểu thức sai phân thu được một hệ
sai phân liên hệ trị xk ở các bước thời gian liên tiếp biết xk tính được giá trị xk+1
Cơ sở kỹ thuật điện 2
10
CuuDuongThanCong.com
/>
Chương 4 : Quá trình quá độ trong mạch phi tuyến
Ψ(i)
IV. Phương pháp sai phân liên tiếp
.c
om
Ví dụ 4.3: Dùng phương pháp sai phân tính dịng q độ khi đóng nguồn
hằng E = 24V vào mạch gồm cuộn dây có đặc tính ψ(i) = 1,75i – 2,8.i3, mắc
R=60Ω
ng
nối tiếp với điện trở R = 60Ω.
E = 24V
i
. 24 60.i (1, 75 8, 4.i 2 ).i ' 24
i t
i i
Sai phân hóa phương trình mạch: 60.ik (1, 75 8, 4.ik2 ). k 1 k 24
h
(24 60.ik ).h
ik 1
ik
2
1, 75 8, 4.ik
du
o
ng
th
an
co
Lập phương trình mạch: 60.i
Tính bước sai phân: Xét phương trình tuyến tính suy biến:
cu
u
1, 75.i ' 60i 24 1, 75. p 60 0 p 34,3
Nghiệm xác lập: ixl
Bảng kết quả:
Cơ sở kỹ thuật điện 2
24
0, 4( A)
60
1
1
0, 03s h .3. 10ms
| p|
10
t(ms)
0
10
20
30
40
50
60
70
80
i(A)
0
0,14
0,24
0,32
0,37
0,4
0,4
0,4
0,4
11
CuuDuongThanCong.com
/>
Chương 4 : Quá trình quá độ trong mạch phi tuyến
IV. Phương pháp sai phân liên tiếp
.c
om
Ví dụ 4.4: Cho mạch điện, biết R1 = 30Ω, R2 = 40Ω, C = 100μF,
E = 40V, cuộn dây phi tuyến có đặc tính ψ(i) = 1,75i – 2,8.i3.
ng
Tính 10 giá trị đầu tiên của dòng quá độ trên tụ C (cho h = 10ms)
an
R1 R2
R12
17,14
R1 R2
th
Biến đổi mạch:
co
Giải:
uR12 uL uC E12
du
o
ng
Lập phương trình mạch:
u
di 1
di 1
. idt R12i 1, 75 8, 4i 2 idt E12
i dt C
dt C
cu
R12i
E
E12
R2 22,86V
R1 R2
Đạo hàm 2 vế của phương trình: R12i '16,8i(i ' ) (1,75 8,4i )i ' '
2
i
17,14i'16,8i(i' ) (1,75 8,4i )i' ' 4 0
10
2
Cơ sở kỹ thuật điện 2
2
CuuDuongThanCong.com
i
0
C
2
/>
12
Chương 4 : Quá trình quá độ trong mạch phi tuyến
IV. Phương pháp sai phân liên tiếp
.c
om
Ví dụ 4.4: Cho mạch điện, biết R1 = 30Ω, R2 = 40Ω, C = 100μF,
E = 40V, cuộn dây phi tuyến có đặc tính ψ(i) = 1,75i – 2,8.i3.
ng
Tính 10 giá trị đầu tiên của dòng quá độ trên tụ C (cho h = 10ms)
co
Giải:
an
Sai phân hóa:
ng
th
ik 1 ik
ik 1 ik 2
ik
2 ik 2 2ik 1 ik
17,14
16,8ik (
) (1,75 8,4ik )
4 0
2
h
h
h
10
du
o
cu
u
ik 2
h 2ik 17,14.104 h(ik 1 ik ) 16,8.104 ik (ik 1 ik ) 2
2ik 1 ik
104 (1,75 8,4ik2 )
Tính sơ kiện: i0 = i(0) = 0 ; uC(0) = 0
i' (0)
i1 i0 i1 i(0)
i1 i(0) hi' (0)
h
h
Phương trình mạch ở chế độ mới:
R12i 1,75 8, 4i 2 i '(t ) uC (t ) E12 17,14i(0) [1,75 8, 4i 2 (0)]i '(0) uC (0) 22,86
Cơ sở kỹ thuật điện 2
i '(0) 13,06( A / s) i1 i(0) hi '(0) 13.06h
CuuDuongThanCong.com
/>
13
Chương 4 : Quá trình quá độ trong mạch phi tuyến
IV. Phương pháp sai phân liên tiếp
.c
om
Ví dụ 4.4: Cho mạch điện, biết R1 = 30Ω, R2 = 40Ω, C = 100μF,
E = 40V, cuộn dây phi tuyến có đặc tính ψ(i) = 1,75i – 2,8.i3.
ng
Tính 10 giá trị đầu tiên của dòng quá độ trên tụ C (cho h = 10ms)
co
Giải:
th
an
Phương trình sai phân:
t(ms)
0
i(A)
0
1
cu
u
du
o
ng
h 2ik 17,14.104 h(ik 1 ik ) 16,8.104 ik (ik 1 ik ) 2
ik 2 2ik 1 ik
104 (1,75 8,4ik2 )
i0 0
Bảng kết quả: i 13.06h
1
2
3
4
5
6
7
8
9
0,0131 0,0260 0,0387 0,0513 0,0635 0,0754 0,0869 0,0979 0,1084
Cơ sở kỹ thuật điện 2
14
CuuDuongThanCong.com
/>
CƠ SỞ KỸ THUẬT ĐIỆN 2
co
ng
.c
om
Chương 4: Quá trình quá độ trong mạch phi tuyến.
an
I. Khái niệm chung.
ng
th
II. Phương pháp tham số bé (nhiễu loạn).
du
o
III. Phương pháp sai phân liên tiếp.
cu
u
IV. Phương pháp biên pha biến thiên chậm (hệ số tích phân).
V. Phương pháp tuyến tính hóa từng đoạn.
Cơ sở kỹ thuật điện 2
15
CuuDuongThanCong.com
/>
Chương 4 : Quá trình quá độ trong mạch phi tuyến
.c
om
V. Phương pháp biên pha biến thiên chậm
Nội dung:
ng
Phương pháp biên pha biến thiên chậm (phương pháp biến thiên hệ số tích phân)
động phi tuyến:
..
co
thường được dùng để xét bài toán mạch phi tuyến Kirhoff cấp 2 với chế độ tự dao
.
x .x . f ( x, x) 0
th
an
2
0
ng
Nghiệm của phương trình xét có tính dao động, nhưng do tính chất phi tuyến nên
du
o
dao động rất gần với điều hòa được biểu diễn tốn học bằng các hàm điều hịa có
biên độ và góc pha biến thiên.
cu
u
x(t ) A(t ).cos[0t (t )] B(t ).cos 0t C (t )sin 0t
Với những dao động gần với điều hòa, các cặp A(t), θ(t) hay B(t), C(t) sẽ biến thiên
chậm:
dA(t ) .
A(t )
dt
và
d (t ) .
(t )
dt
đủ nhỏ gia tốc và lũy thừa của tốc độ rất nhỏ, có
thể bỏ qua.
Cơ sở kỹ thuật điện 2
16
CuuDuongThanCong.com
/>
Chương 4 : Quá trình quá độ trong mạch phi tuyến
.c
om
V. Phương pháp biên pha biến thiên chậm
Nội dung:
ng
Do nghiệm của bài tốn rất gần với điều hịa có thể coi nghiệm x(t) chuyển dần từ
co
nghiệm dao động điều hịa x0(t) của phương trình dao động tuyến tính suy biến:
an
x0(t) = A0.cos(ω0t + θ0)
th
Nghiệm x(t) của bài tốn sẽ có dạng:
du
o
ng
t .
t .
x(t ) A0 A(t )dt .cos 0t 0 (t )dt A(t ).cos (t )
0
0
.
..
..
cu
.
u
Vậy ta có:
Bỏ qua những số
hạng nhỏ
.
x A.cos A.(0 ).sin
.
.
..
.
.
x 0 . A.sin
.
.
x A.cos A.(0 ).sin . A.sin (0 ). A.sin (0 ) 2 . A.cos
Bỏ qua những số
hạng nhỏ
..
.
.
x 2.0 . A.sin ( 2.0 . ). A.cos
2
0
Cơ sở kỹ thuật điện 2
17
CuuDuongThanCong.com
/>
Chương 4 : Quá trình quá độ trong mạch phi tuyến
V. Phương pháp biên pha biến thiên chậm
..
.
x x .(1 x ). x 0 (*)
.
Sơ kiện x(0) = X0 và x(0) 0
..
.
.c
om
Ví dụ 4.5: Cho phương trình Vanderpol
2
co
phi tuyến
th
x x 0 đa thức đặc trưng p2 + 1 = 0 p = ± j
ng
Xét phương trình tuyến tính:
an
tuyến tính
..
ng
x x .(1 x ). x 0
Phân tích phương trình:
2
du
o
Nghiệm: x0(t) = A0.cos(t + φ0) dx0/dt = -A0.sin(t + φ0)
cu
u
X 0 A0 .cos 0
x0(t) = X0.cos(t)
0 A0 .sin 0
Xét tại t = 0:
t .
t .
Nghiệm của phương trình (*) là: x(t ) X 0 Adt .cos t dt A(t ).cos (t )
0
0
Cơ sở kỹ thuật điện 2
18
CuuDuongThanCong.com
/>
Chương 4 : Quá trình quá độ trong mạch phi tuyến
.c
om
V. Phương pháp biên pha biến thiên chậm
Ví dụ 4.5:
Thay vào phương trình (*):
.
.
co
ng
2. A.sin (1 2. ). A.cos A.cos .(1 A2 .cos 2 ). A.sin 0
Biến đổi lượng giác:
.
.
4
sin
. A3
4
.sin 2
ng
Cân bằng các điều hòa cùng cấp:
th
an
2. A.sin 2. . A.cos . A.sin
. A3
Vậy nghiệm là:
cu
u
du
o
.
.
1 . A3
. A3
A
. A
. A
2. A
2 4
4
.
.
2. . A 0
0 do A 0
t
1 . A3
x(t ) X 0
. A dt cos t
2 4
0
Cơ sở kỹ thuật điện 2
19
CuuDuongThanCong.com
/>
CƠ SỞ KỸ THUẬT ĐIỆN 2
co
ng
.c
om
Chương 4: Quá trình quá độ trong mạch phi tuyến.
an
I. Khái niệm chung.
ng
th
II. Phương pháp tham số bé (nhiễu loạn).
du
o
III. Phương pháp sai phân liên tiếp.
cu
u
IV. Phương pháp biên pha biến thiên chậm (hệ số tích phân).
V. Phương pháp tuyến tính hóa từng đoạn.
Cơ sở kỹ thuật điện 2
20
CuuDuongThanCong.com
/>
Chương 4 : Quá trình quá độ trong mạch phi tuyến
.c
om
V. Phương pháp tuyến tính hóa từng đoạn
Phương pháp tuyến tính hóa từng đoạn là phương pháp tìm cách thay thế từng đoạn đặc
co
ng
tính làm việc của một phần tử phi tuyến bằng nhiều đoạn thẳng tuyến tính
an
Quá trình tuyến tính đoạn đặc tính làm việc phải đảm bảo sai số giữa đường cong phi
δk < γy.c
u(i)
du
o
ng
th
tuyến và đường thẳng tuyến tính ln nhỏ hơn sai số u cầu:
δk
cu
u
Sau khi tuyến tính hóa, trong mỗi khoảng tuyến tính hóa, mạch
phi tuyến được xét như một mạch tuyến tính.
i
0
i1 i2 i3 i4 i5
I
Cơ sở kỹ thuật điện 2
CuuDuongThanCong.com
/>
21
Chương 4 : Quá trình quá độ trong mạch phi tuyến
.c
om
V. Phương pháp tuyến tính hóa từng đoạn
Ví dụ 4.6: Cho mạch điện phi tuyến. Tại t = 0, khóa mở ra. Sử dụng
ng
phương pháp tuyến tính hóa từng đoạn, tính dịng qua cuộn dây phi
co
tuyến trong q trình q độ. Biết E1 = 12V (một chiều), R1 = 5Ω,
Giải:
Ψ(I)
0
2
3
I
0
1
3
du
o
ng
E
Sơ kiện: iL (0) 1 2, 4 A
R1
th
an
R2 = 8Ω, cuộn dây phi tuyến có đặc tính cho theo bảng.
u
Tại thời điểm bắt đầu quá độ, điểm làm việc của cuộn dây thuộc đoạn i ϵ [1, 3] cuộn
cu
dây có giá trị tương đương cuộn dây tuyến tính:
3 2
Ld
0,5H
I
3 1
Khi đó dòng điện trên cuộn dây phi tuyến là: iL3 (t ) iL3 (0).e
R
t
Ld
2, 4.e16t
Cơ sở kỹ thuật điện 2
CuuDuongThanCong.com
/>
I
22
Chương 4 : Quá trình quá độ trong mạch phi tuyến
.c
om
V. Phương pháp tuyến tính hóa từng đoạn
Ví dụ 4.6: Cho mạch điện phi tuyến. Tại t = 0, khóa mở ra. Sử dụng
ng
phương pháp tuyến tính hóa từng đoạn, tính dịng qua cuộn dây phi
co
tuyến trong q trình q độ. Biết E1 = 12V (một chiều), R1 = 5Ω,
an
R2 = 8Ω, cuộn dây phi tuyến có đặc tính cho theo bảng.
Giải:
ng
th
Thời điểm dòng điện cuộn dây giảm về I = 1(A): t1
ln(1/ 2, 4)
0, 0547( s)
16
du
o
Khi đó, điểm làm việc của cuộn dây thuộc đoạn i ϵ [0, 1] cuộn dây có giá trị tương
2
2H
R
I 1
( t 0,0547)
L
e4(t 0,0547)
Khi đó dịng điện trên cuộn dây phi tuyến là: iL3 (t ) iL3 (0).e d
Ld
cu
u
đương cuộn dây tuyến tính:
Tổng hợp nghiệm:
Cơ sở kỹ thuật điện 2
2, 4
iL3 (t ) 2, 4e16t
4 t 0,0547
e
CuuDuongThanCong.com
khi
t0
khi 0 t 0, 0547
khi
0, 0547 t
/>
23