Bài giảng Cơ sở kỹ thuật điện 2 - Chương 2: Chế độ xác lập hằng trong mạch phi tuyến - Nguyễn Việt Sơn

Cơ sở kỹ thuật điện 2 1 CƠ SỞ KỸ THUẬT ĐIỆN 2 Chương 2: Chế độ xác lập hằng trong mạch phi tuyến. I. Khái niệm chung. II. Phương pháp đồ thị. III. Phương pháp dò. IV. Phương pháp lặp Bài tập: 1, 4, 5, 6, 8, 9, 10, 17, 18 + bài thêm Cơ sở kỹ thuật điện 2 2 CƠ SỞ KỸ THUẬT ĐIỆN 2 Chương 2: Chế độ xác lập hằng trong mạch phi tuyến. I. Khái niệm chung. II. Phương pháp đồ thị. III.Phương pháp dò. IV. Phương pháp lặp Cơ sở kỹ thuật điện 2 Chương 2: Chế độ xác lập hằng trong mạch phi tuyến I. Khái niệm chung 3  Xét mạch phi tuyến có kích thích hằng, vậy đáp ứng trong mạch có 2 trạng thái:  Dao động chu kỳ (tự dao động phi tuyến).  Không xét  Trạng thái hằng (dừng).             ),,...,( ... ),,...,( ),,...,( 21 . 212 . 2 211 . 1 txxxfx txxxfx txxxfx nnn n n           0),...,( ... 0),...,( 0),...,( 21 212 211 nn n n xxxf xxxf xxxf Chế độ dừng 0,0  dt d t Hệ phương trình vi tích phân phi tuyến Hệ phương trình đại số phi tuyến  Mạch phi tuyến ở chế độ xác lập hằng là mạch phi tuyến thuần trở.  Phương pháp giải: Phương pháp đồ thị, phương pháp dò, phương pháp lặp. Cơ sở kỹ thuật điện 2 4 CƠ SỞ KỸ THUẬT ĐIỆN 2 Chương 2: Chế độ xác lập hằng trong mạch phi tuyến. I. Khái niệm chung. II. Phương pháp đồ thị. III.Phương pháp dò. IV. Phương pháp lặp Cơ sở kỹ thuật điện 2 Chương 2: Chế độ xác lập hằng trong mạch phi tuyến II. Phương pháp đồ thị 5  Sử dụng các phép đồ thị để giải hệ phương trình đại số phi tuyến.  Nội dung:  Biểu diễn các quan hệ hàm dưới dạng đồ thị  Thực hiện các phép đại số (cộng, trừ) các quan hệ hàm.  Thực hiện phép cân bằng các quan hệ hàm.  Ưu, nhược điểm:  Cho kết quả nhanh.  Sai số nghiệm lớn.  Chỉ thực hiện đối với các bài toán đơn giản. Cơ sở kỹ thuật điện 2 Chương 2: Chế độ xác lập hằng trong mạch phi tuyến II. Phương pháp đồ thị 6 Ví dụ 2.1: Cho mạch phi tuyến ở chế độ xác lập hằng. Đặc tính phi tuyến của điện trở phi tuyến cho như hình vẽ. Tìm dòng điện, điện áp trên các phần tử. R=10Ω E=30V U(I) V A 4 3 2 1 0 40 30 20 10 Giải: Lập phương trình mạch: E = UR + U(I) = R.I + U(I) Phương pháp trừ đồ thị: 1. E - R.I = U(I)  30 - 10I = U(I) M %667,1%100. 30 305.29 % *      E EE  2. Điểm cắt: M(0.85A ; 21V) 3. Sai số: E* = 0.85.10 + 21 = 29.5(V) Cơ sở kỹ thuật điện 2 Chương 2: Chế độ xác lập hằng trong mạch phi tuyến II. Phương pháp đồ thị 7 R=10Ω E=30V U(I) V A 4 3 2 1 0 40 30 20 10 Giải: Lập phương trình mạch: E = UR + U(I) = R.I + U(I) Phương pháp cộng đồ thị: N  Nhận xét: Trong trường hợp này, phương pháp trừ đồ thị cho kết quả chính xác hơn phương pháp cộng đồ thị. 1. E = R.I + U(I)  30 = 10.I + U(I) 2. Điểm cắt: N(0.85A ; 30V) Ví dụ 2.1: Cho mạch phi tuyến ở chế độ xác lập hằng. Đặc tính phi tuyến của điện trở phi tuyến cho như hình vẽ. Tìm dòng điện, điện áp trên các phần tử. Cơ sở kỹ thuật điện 2 Chương 2: Chế độ xác lập hằng trong mạch phi tuyến II. Phương pháp đồ thị 8 A V 80 60 40 20 0 2 1.5 1 0.5  Lập phương trình mạch:         ab ab UUU EUU III 32 1 321  Cộng dòng: )()()( 321 ababab UIUIUI   Cộng áp: )()( 111 IUIUE ab  Đọc kết quả: 1 1 1.15( ) 61( ) 17( ) ab I A U V U V      2 3 0.9( ) 0.25( ) I A I A     E=80V U1(I1) U 2 (I 2 ) U 3 (I 3 ) B A Giải: Phương pháp cộng đồ thị Ví dụ 2.2: Cho mạch phi tuyến ở chế độ xác lập hằng. Đặc tính phi tuyến của các điện trở phi tuyến cho như hình vẽ. Tìm dòng điện, điện áp trên các phần tử. Cơ sở kỹ thuật điện 2 Chương 2: Chế độ xác lập hằng trong mạch phi tuyến II. Phương pháp đồ thị 9 A V 12 9 6 3 0 4 3 2 1 Giải: U2(I2) U3(I3)  Lập phương trình mạch: 1 2 3 1 AB I I I E RI U       Cộng dòng: )()()( 321 ababab UIUIUI   Trừ áp: 1 1 1( ) 12 3abU I E RI I     Đọc kết quả: 1 2,5( ) 4,2( )ab I A U V    2 3 2,1( ) 0.25( ) I A I A     Ví dụ 2.3: Cho mạch điện như hình vẽ biết đặc tính phi tuyến của điện trở phi tuyến R2 và R3 cho như hình vẽ. Tính dòng điện các nhánh theo phương pháp đồ thị E=12V U 2 (I 2 ) U 3 (I 3 ) B A 1 3R   UAB(I1) 12 - 3I1 Cơ sở kỹ thuật điện 2 10 CƠ SỞ KỸ THUẬT ĐIỆN 2 Chương 2: Chế độ xác lập hằng trong mạch phi tuyến. I. Khái niệm chung. II. Phương pháp đồ thị. III.Phương pháp dò. IV. Phương pháp lặp Cơ sở kỹ thuật điện 2 1 1 1 ( ). k k k k k n n n n k k x x x x f f f f         Chương 2: Chế độ xác lập hằng trong mạch phi tuyến III. Phương pháp dò 11  Thuật toán:  Ưu, nhược điểm:  Phù hợp với mạch phức tạp nối dạng xâu chuỗi.  Tính nhanh, cho phép tính đến sai số nhỏ tùy ý.  Có thể sử dụng máy tính để tính nghiệm (sử dụng hệ “chuyên gia”). cy k f ff .   Cho xkn Tính kích thích fk Nghiệm Đúng Sai Cơ sở kỹ thuật điện 2 Chương 2: Chế độ xác lập hằng trong mạch phi tuyến III. Phương pháp dò 12 Các bước dò: E=12V U 2 (I 2 ) U 3 (I 3 ) B A  31R A V 12 9 6 3 0 4 3 2 1 U3(I3) 15 Tra U3(I3) Kết quả dò: n Uab I2 I3 I1 Etính = R1.I1 + Uab Sai số: 11,85 12 % 100% 1,25% 12     Ví dụ 2.4: Cho mạch điện biết đặc tính phi tuyến của điện trở phi tuyến R2 và R3 cho như hình vẽ. Tính dòng điện các nhánh theo dò  Cho Uab  Tính I1 = I2 + I3 ; Etính = R1.I1 + Uab  So sánh Etính và Echo= 12V I3 I2 3V 1 1.95A 9.45V 2.15A 0.2A 4.5V 3 2.2A 11.85V 2.45A 0.25A 6V 2 2.45A 14.85V 2.95A 0.5A Cơ sở kỹ thuật điện 2 Chương 2: Chế độ xác lập hằng trong mạch phi tuyến III. Phương pháp dò 13 Ví dụ 2.5: Cho mạch điện: R1 = R2 = 4Ω, R3 = 8Ω, R4 = 10Ω, E = 15V. Tính dòng I5 theo phương pháp dò. A V 4 3 2 1 0 0.8 0.6 0.4 0.2 U5(I5) Tra U5(I5) n I5 U5 I4 I3 U3 UAC I2 I1 Etính 1 0.4 3 0.3 0.7 5.6 8.6 2.15 2.85 20V > 15V 2 0.2 2.5 0.25 0.45 3.6 6.1 1.53 1.98 14V < 15V 3 0.25 2.6 0.26 0.51 4.08 6.68 1.67 2.18 15.4V E B A R1 R5 R2 R3 R4 Cách 1: Dò trực tiếp từ sơ đồ mạch C Cho I5 U5 5 4 4 U I R  3 4 5I I I  3 3 3U I R 3 5ACU U U  2 2 ACUI R  1 2 3I I I  1 1tÝnh ACE R I U  Sai số: 15.4 15% 100% 2,67% 15     I1 I4 I5 I2 I3 Cơ sở kỹ thuật điện 2 Chương 2: Chế độ xác lập hằng trong mạch phi tuyến III. Phương pháp dò 14 Ví dụ 2.5: Cho mạch điện: R1 = R2 = 4Ω, R3 = 8Ω, R4 = 10Ω, E = 15V. Tính dòng I5 theo phương pháp dò. A V 4 3 2 1 0 0.8 0.6 0.4 0.2 U5(I5)  Kết quả dò: n I5 U5 Etính 1 0.4A 3V 5V > 3.75V 2 0.2A 2.5V 3.5V < 3.75V 3 0.25A 2.6V 3.85V > 3.75V Ehở Rv R5 Cách 2:  4 1 2 3/ / / /vR R R R R    5vR   4 3 4 3.75hë AE R V R R      1 2 3 4 1 1 1 1 6.75A A E V R R R R R              Lập phương trình: 5 5( )hë vE R I U I  Tra U5(I5) Cho I5 U5 5 5 5( )tÝnh vE R I U I   Biến đổi mạch theo sơ đồ Thevenil:  Sai số: 3.85 3.75 % 100% 2,67% 3.75     Cơ sở kỹ thuật điện 2 Chương 2: Chế độ xác lập hằng trong mạch phi tuyến III. Phương pháp dò 15 Ví dụ 2.6: Cho mạch điện biết J = 12A (1 chiều), E = 20V (1 chiều), R = 30Ω. Mạng 2 cửa thuần trở có bộ số: A11 = 1.1 ; A12 = 20 ; A21 = 0.5 ; A22 = 10. Phần tử phi tuyến có đặc tính cho theo bảng: Giải: J A I1A U1A I2A U2A R E U(I) I(A) 0 0.5 1 1.5 2 2.2 U(V) 0 7 10 14 20 25 Tính dòng chảy qua điện trở phi tuyến.  Biến đổi mạng 2 cửa + nguồn dòng  sơ đồ Thevenil 1 2 22 2 210 10 20 0.5 A vao A I U A R I A        2 1 1 2 21 210 12 24( ) 0.5 th ho I I J E U V A A       Eth R E U(I) Rvao 24 20 20 30 22,4( ) 1 1 1 1 20 30 th vao TD vao E E R R E V R R        . 20.30 12 20 30 th TD th R R R R R       Cơ sở kỹ thuật điện 2 Chương 2: Chế độ xác lập hằng trong mạch phi tuyến III. Phương pháp dò 16  Phương trình dò: Eth R E U(I) Rvao . ( )TD TDE R I U I  I(A) 0 0.5 1 1.5 2 2.2 U(V) 0 7 10 14 20 25 I(A) RTD.I Etính = RTD.I + U(I) 0.5 6 13V < 22.4V 1 12 22 < 22.4V 1.5 18 32 > 22.4V 22,4( )TDE V 12TDR    Áp dụng công thức nội suy tuyến tính: 1.5 1 1.5 (22.4 32). 1.02( ) 32 22 I A        Vậy dòng điện chảy qua điện trở phi tuyến là: I = 1.02(A) Cơ sở kỹ thuật điện 2 17 CƠ SỞ KỸ THUẬT ĐIỆN 2 Chương 2: Chế độ xác lập hằng trong mạch phi tuyến. I. Khái niệm chung. II. Phương pháp đồ thị. III.Phương pháp dò. IV. Phương pháp lặp. Cơ sở kỹ thuật điện 2 Chương 2: Chế độ xác lập hằng trong mạch phi tuyến III. Phương pháp lặp 18  Nội dung phương pháp: Biểu diễn quá trình mạch Kirhoff theo phương trình phi tuyến dạng: x = φ(x) Cho một giá trị của x0  tính giá trị x1 = φ(x0) Thay giá trị x1 để tính giá trị x2 = φ(x1) Quá trình tính lặp dừng khi xn- xn-1 nhỏ hơn sai số cho trước. Cơ sở kỹ thuật điện 2 Chương 2: Chế độ xác lập hằng trong mạch phi tuyến III. Phương pháp lặp 19  Nội dung phương pháp: y x 0 y x 0 y x 0 y = φ(x) y x 0 y = φ(x) x = φ(x) Nghiệm là hoành độ giao điểm:  Đường thẳng y = x  Đường cong y = φ(x) Điều kiện hội tụ : Trong miền các giá trị lặp xk, trị tuyệt đối độ dốc đường y = φ(x) nhỏ hơn độ dốc đường y = x. |φ’(x)| < 1 Cơ sở kỹ thuật điện 2 Chương 2: Chế độ xác lập hằng trong mạch phi tuyến III. Phương pháp lặp 20  Thuật toán:  Ưu, nhược điểm:  Cần kiểm tra điều kiện hội tụ của phép lặp.  Tính nhanh, cho phép tính đến sai số nhỏ tùy ý.  Có thể lập trình cho máy tính để tính nghiệm tự động. Cho xk Tính xk+1 = φ(xk) Nghiệm x = xk+1 Đúng Sai 1 . ( ) ( ) ( ) k k y ck x x x          xk = xk+1 Cơ sở kỹ thuật điện 2 Chương 2: Chế độ xác lập hằng trong mạch phi tuyến III. Phương pháp lặp 21 Ví dụ 2.7: Cho mạch điện gồm điện dẫn tuyến tính g = 0.2(Si) mắc nối tiếp với phần tử phi tuyến có đặc tính u(i) = 2i2. Nguồn cung cấp một chiều E = 10V. Dùng phương pháp lặp để tính các giá trị dòng áp trong mạch.  Chọn biến lặp i: u = Ri + 2i2  10 = 5i + 2i2  i = - 0.4i2 + 2 Giải: Lập phương trình mạch: u = u(i) + ug  Kết quả lặp: k ik ik+1 = 2 – 0,4.ik 2 |∆ik| = |ik+1 - ik| 0 1(A) 1,6(A) 0,6(A) 1 1,6(A) 0,976(A) 0,624(A) 2 0,976(A) 1,619(A) 0,643(A) 3 1,619(A) 0,952(A) 0,667(A) 4 0,952(A) Không hội tụ  Điều kiện hội tụ: 0,8 1 d i dx     0 1,25i   Cơ sở kỹ thuật điện 2 Chương 2: Chế độ xác lập hằng trong mạch phi tuyến III. Phương pháp lặp 22 Ví dụ 2.7: Cho mạch điện gồm điện dẫn tuyến tính g = 0.2(Si) mắc nối tiếp với phần tử phi tuyến có đặc tính u(i) = 2i2. Nguồn cung cấp một chiều E = 10V. Dùng phương pháp lặp để tính các giá trị dòng áp trong mạch.  Chọn biến lặp u1: u = u1 + 2i 2  10 = u1 + 2(u1 / R) 2  u1 = 10 – 0,08. u1 2 Giải: Lập phương trình mạch: u = u(i) + ug  Kết quả lặp: k uk uk+1 = 10 – 0,08.uk 2 |∆uk| = |uk+1 - uk| 0 6(V) 7,12(V) 1,12(V) 1 7,12(V) 5,945(V) 1,176(V) 2 5,945(V) 7,173(V) 1,228(V) 3 7,173(V) 5,884(V) 1,289(V) 4 5,884(V) Không hội tụ  Điều kiện hội tụ: 1 ( ) 0,16 1 d x u dx     10 6,25u   Cơ sở kỹ thuật điện 2 Chương 2: Chế độ xác lập hằng trong mạch phi tuyến III. Phương pháp lặp 23  Chọn biến lặp u: Giải: Lập phương trình mạch: u = u(i) + ug  Kết quả lặp: Hội tụ 2 ( ) 2 2 u Ri u i u u i i         10 5 10 5 2 2 u u u u      k uk uk+1 = 10 – 5.sqrt(uk/2) |∆uk| = |uk+1 - uk| 0 3,2(V) 3,67(V) 0,47(V) 1 3,67(V) 3,23(V) 0,44(V) 2 3,23(V) 3,65(V) 0,42(V) 3 3,65(V) 3,24(V) 0,41(V) 4 3,24(V) 3,64(V) 0,40(V) 5 3,64(V) 3,25(V) 0,39(V) 6 3,25(V) 3,63(V) 0,38(V) 7 3,63(V) 3,26(V) 0,37(V)