ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 11.04.2024
Просмотров: 160
Скачиваний: 4
Учитывая постоянный з а р я д Q0 , м о ж е м написать:
U |
= |
£/о + и = (Q0 + |
|
(d0 + *)/(С0 dQ) |
|
|
|
|
|
||
или |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
СГ0 |
+ |
и « і (і й С о ) - 1 + |
(*70 /i © d„) v + г/0 , |
|
|
|
(3.17) |
||||
З д е с ь пренебрежено величинами |
второго |
порядка |
малости |
по |
|||||||
сравнению с q/Qo и x/cfo, а переменные |
величины |
в ы р а ж е н ы |
через |
||||||||
скорость v и ток / вместо |
х и V- Д л я |
переменных |
н а п р я ж е н и й |
по |
|||||||
лучим |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
и = {Uо/і со d0 ) ^ + (і © С 0 ) — 1 г. |
|
|
|
|
|
(3.18) |
|||||
Если переменное н а п р я ж е н и е и подается |
к конденсатору |
через |
|||||||||
внешнее сопротивление Za, то в правой части |
(3.18) |
следует |
учесть |
||||||||
падение |
н а п р я ж е н и я на |
нем zBi. |
Обозначив |
(mCQ)~l |
|
= zo, получим: |
|||||
и = |
(Uо/і со dg) v -J- (z0 |
+ |
zH ) і. |
|
|
|
|
|
(3.19) |
Итак, для электростатического преобразователя система у р а в нений, аналогичная (3.10), имеет вид:
и = M\V |
|
|
(3.20) |
+ |
z3i\ |
|
|
Здесь z3=z0+z„, |
|
Mi = |
U0(md0)-i. |
В уравнениях |
(3.20) |
все знаки перед членами в правых частях |
одинаковы. Очевидно, что при этом дл я полного электрического со
противления |
получим |
в ы р а ж е н и е : |
|
|
|
||
|
г = гэ-МуЬ- |
|
|
|
|
(3-21) |
|
В |
отличие |
от (3.11) з н а к перед кинетическим |
сопротивлением |
||||
здесь |
отрицателен. Однако, если принять во внимание, что Mi — |
||||||
число |
мнимое, |
то, введя М — t7o(cudo)_ 1 , |
мы снова |
получим |
форму |
||
лу, полностью |
с о в п а д а ю щ у ю с (3.11). |
|
|
|
|||
Т а к и м образом, если определить коэффициент |
электромехани |
||||||
ческой связи ка к абсолютную величину; |
|
|
|
||||
|
\Fli]u=o |
= |
\ Ф \ І = О |
== М, |
|
(3.22) |
|
то формулы |
д л я z и § |
д л я обоих типов |
преобразователей |
(элект |
родинамического и электростатического) совпадают . Такое фор мальное заключение не вносит полной ясности в вопрос о том, ка
кую систему уравнений п р е о б р а з о в а т е л я — |
(3.10) или (3.20) |
— н а |
|
д о принять в том или ином случае. Б о л е е |
того, остается |
неизвест |
|
ным, насколько общим может считаться соотношение (3.22) |
и как |
||
поступить в случае преобразователей других типов. |
|
|
|
Ж е л а т е л ь н о , конечно, найти какие-то общие правила, |
которые |
||
лозволили бы в любом случае составить систему уравнений |
преоб |
||
разователя, не о б р а щ а я с ь к длинным выводам и проверяя |
себя с |
помощью «физических» соображений . Это м о ж н о сделать, исполь зуя общую теорию электромеханического преобразователя .
55
3.3.ОБЩАЯ ТЕОРИЯ ОБРАТИМОГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ
О б щ а я |
теория |
обратимого электромеханического преобразова |
теля м о ж е т |
быть |
построена на основании энергетических соотно |
шений в динамической системе с многими степенями свободы. Эти
соотношения определяются |
функцией |
Л а г р а н ж а , |
которая пред |
||
с т а в л я е т собой разность кинетической |
и |
потенциальной |
энергии |
||
системы. К а ж д а я степень |
свободы характеризуется |
обобщенными |
|||
скоростью и перемещением . Обобщенные |
перемещения в |
частном |
случае могут быть линейным отклонением от положения равнове сия, углом поворота в механической системе или электрическим за рядом в электрической цепи и т. п. Кинетическая и потенциальная
энергии системы |
будут квадратичными |
функциями |
обобщенных |
||||||||
скоростей |
(х) |
и перемещений |
(х). |
|
|
|
|
|
|
||
Кинетическая энергия одной изолированной 1-й степени |
свободы |
||||||||||
составит |
1/2 |
/щх2., |
а потенциальной — 1/2 Stxf |
, |
где /я,- и |
5,- — инер- |
|||||
циальный |
и позиционный коэффициенты |
(масса и упругость) |
дан |
||||||||
ной степени свободы. Если система состоит из п связанных |
м е ж д у |
||||||||||
собой степеней свободы, |
то д о б а в л я ю т с я |
энергии связей: |
инерци- |
||||||||
а л ь н ы х — 1 / 2 |
niikXiXh и |
п о з и ц и о н н ы х — 1 / 2 |
SikXiXh- |
|
|
|
|||||
К р о м е |
этого, м о ж н о |
представить себе, |
что |
среди квадратичных |
|||||||
форм д л я |
энергии существуют и члены вида |
|
\!2gihXiXhl |
з а в и с я щ и е |
|||||||
от произведения перемещения в одной степени |
свободы |
на скорость |
|||||||||
в другой . Это т а к |
называемые |
гироскопические члены. |
Они |
возни |
к а ю т при наличии в |
р а щ а ю щ и х с я масс в механических системах или |
магнитных полей — |
в электрических. |
Рмс. З.й. Иллюстрация |
связи: |
|
а — гуігцруїгой; б — м н е р ц и а л ы г о й ; в — |
гараакатгичесжой |
|
Инерциальные, |
позиционные |
и гироскопические связи м о ж н о |
проследить на примере механических колебательных систем с маят никами . Н а рис. 3.5а два маятника в виде жестких стержней с мас с а м и на концах с в я з а н ы около точек качания пружиной, создающей позиционную связь. Н а рис. 3.56 д в а таких ж е маятника, укреплен -
56
пых на массивной опоре, которая м о ж е т свободно скользить по ос нованию, связаны инерциальной связью.
Н а рис. 3.5е изображен такой ж е маятник, который может ка чаться в двух направлениях: в плоскости чертежа и перпендику
лярно |
ей. Это т о ж е один из |
видов систем с двумя степенями |
сво |
боды. |
Гироскопическая связь |
в такой системе осуществляется, |
ес |
ли массивному шару маятника сообщить момент количества дви жения Jo, направленный вдоль стержня маятника . В силу закона сохранения момента количества движения, при отклонении маятни
ка в плоскости чертежа возникнет гироскопический эффект: |
маят |
ник станет двигаться т а к ж е и в плоскости, перпендикулярной |
чер |
тежу . Это объясняется появлением компенсирующего момента ко
личества д в и ж е н и я J і такого, что в сумме |
с моментом / отклонен |
|
ного маятника первоначально з а д а н н ы й |
вдоль вертикали |
момент |
Jo сохраняется. Характерно, что в первых |
двух случаях связи осу |
|
ществляются по общей линии движения, а в третьем — по |
в з а и м н о |
перпендикулярным линиям . С л о ж и в кинетические энергии всех сте пеней свободы системы, включая и энергии связи, получим ПОЛНУЮ
КИНеТИЧеСКуЮ ЭНерГИЮ СИСТемЫ К= |
V V |
(mihXiXh+gihXiXh) |
и п'о- |
2 |
ft I |
і |
|
1 ( л )
теициальную Т=—JJ^J
2ft т 1
Из подробного рассмотрения связи м е ж д у направлениями ком
пенсирующих моментов количества д в и ж е н и я и поворотов |
маятни |
||||||||||||||||
ка |
в его |
двух |
плоскостях |
качания |
вытекает, |
что |
коэффициенты |
||||||||||
gik |
и ghi |
равны по |
абсолютной |
величине и противоположны |
по зна |
||||||||||||
ку-' gik=—gki- |
|
В то ж е время |
очевидно, |
что если инерциальные и |
|||||||||||||
позиционные |
|
связи |
отличны |
от нуля, |
то |
суммы |
коэффициентов |
||||||||||
mik + гпы |
и s^+Ski |
д о л ж н ы |
быть отличны |
от нуля, |
т а к |
к а к |
в |
выра |
|||||||||
ж е н и я х |
д л я |
К |
и Т члены, вида |
maXiXk |
и тмХрХі |
всегда |
встречаются |
||||||||||
в |
паре |
друг |
с другом . Н о |
тогда соответствующим |
выбором |
всегда |
|||||||||||
м о ж н о |
сделать тш = Шм |
и Sik = Shi. Эти свойства симметрии |
коэф |
||||||||||||||
фициентов ты |
и Sih и антисимметрии gik |
являются |
основными д л я |
||||||||||||||
теории |
преобразователя . М о ж н о всегда |
перенормировать величины |
|||||||||||||||
этих коэффициентов, чтобы не было необходимости |
писать |
м н о ж и |
|||||||||||||||
тель 1/2 |
перед двойными |
суммами . |
Тогда окончательно |
функция |
|||||||||||||
Л а г р а н ж а запишется так: |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
(я) |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
L |
= |
K — |
T=Y£ |
(mtkxt |
k |
+ gikXtxk |
- |
saxixk). |
|
|
|
(3.23) |
іk
Если в системе имеется |
рассеяние энергии, |
то д л я описания ее, |
кроме функции L , следует |
использовать еще |
функцию рассеяния: |
(л) |
|
|
D = 2 £ r , ' * * £ X f e ' |
|
( 3 - 2 4 ) |
і k |
|
|
57
о п р е д е л я ю щ у ю убыль полного з а п а с а энергии системы в единицу времени! Наконец, если на систему действуют внешние силы, то д л я полного описания системы необходимо присоединить условие
равенства внешних сил силам реакции |
со стороны системы. |
Н а й д я |
частные производные по координатам |
xt от потенциальных |
членов, |
м о ж н о найти позиционные реакции, а определив скорость измене
ния (d/dt) |
импульсов |
(т. е. частных |
производных |
инерциальных |
|||||
членов по скоростям ХІ) с обратными |
знаками, — реакции ускоре |
||||||||
ния. Все эти действия |
могут быть записаны с помощью одного |
д и ф |
|||||||
ференциального |
оператора |
[d2,/(dtdxi)—d/dxi]L. |
|
|
|
||||
Полученная |
система сил |
реакций |
д о л ж н а уравновешиваться |
||||||
внешними |
силами |
Если в системе |
имеется |
рассеяние |
энергии, то |
||||
частично внешние силы работают против сил, обусловленных |
рас |
||||||||
сеянием. Эти последние находят при |
помощи |
D дифференцирова |
|||||||
нием по скорости ХІ. В результате известные |
уравнения |
Л а г р а н ж а |
|||||||
записываются: |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
[д2Цд! |
д xt) — dldxt] |
L = Ft |
— (д/д xt) |
D. |
|
|
(3.25) |
||
Эти уравнения остаются ф о р м а л ь н о правильными |
|
не только, |
|||||||
когда введенные величины хи |
Fu піц,, |
Su„ пь |
имеют |
размерности |
механических перемещений сил, масс, упругостей и коэффициентов
линейного трения, но и во всех случаях, когда |
L имеет |
размерность |
|||||||||||
энергии, D — мощности, a Ft |
и ХІ описывают |
соответственно |
внеш |
||||||||||
ние |
воздействия и положения |
некоторых избранных |
независимых |
||||||||||
величин, характеризующих систему. Поэтому |
и Х\ |
носят |
назва |
||||||||||
ние «обобщенных» сил и координат соответственно. |
|
|
|||||||||||
|
Подставив |
(3.23) |
и (3.24) в |
(3.25), получим |
|
|
|
||||||
|
|
(л) |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
%hkXk |
|
= Fi, |
|
|
|
|
|
(3.26) |
|||
|
|
ft |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
где |
|
l i k |
= |
mik d2 /5/2 + |
(glk + rik) |
діді + sik. |
|
(3.27) |
|||||
|
Ограничиваясь случаем периодического синусоидального движе |
||||||||||||
ния и полагая Хк~Xmuexp{Ш}, |
|
имеем: Wfe=A';t = icox,{. Тогда из |
(3.27) |
||||||||||
получим п уравнений |
вида: |
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
(п) |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Y,zikvk |
|
= |
Pu |
|
|
|
' |
|
(3.28) |
||
|
|
ft |
і со |
|
|
|
+ (і со) |
|
|
|
|
||
где |
zik |
= |
mlk |
+ (glk |
+ rik) |
- 1 sik. |
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
Коэффициенты Zik р а с п а д а ю т с я на суммы |
симметричных сла |
||||||||||||
гаемых: |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
ге1к |
= |
і со тш + г а |
+ (і со)- 1 |
sik, |
|
|
|
(3.29а) |
|||
а антисимметричных: |
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
Zaift |
= |
gtk- |
|
|
|
|
|
(3.296) |
|
58
Д и н а м и ч е с к а я система может быть |
весьма сложной — о б л а д а т ь |
||||||||||||||||
большим |
числом |
степеней |
свободы. |
Однако |
при |
рассмотрении |
|||||||||||
свойств преобразователя |
нас, как правило, |
интересуют |
только дв е |
||||||||||||||
из всех независимых степеней свободы |
системы: это те, к |
которым |
|||||||||||||||
прикладываются |
внешние |
воздействия |
|
или реакции |
других |
систем. |
|||||||||||
Все остальные степени свободы преобразователя |
являются |
внут |
|||||||||||||||
ренними |
—• к |
ним не прикладываются |
воздействия извне. |
Тогда |
|||||||||||||
вся |
система п |
уравнений |
|
будет |
состоять |
из |
(п—2) |
однородных |
|||||||||
уравнений |
(для которых Fi — О) и двух уравнений с правой |
частью: |
|||||||||||||||
|
2 / 1 * |
vk |
= |
Fi |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
к |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
= |
F2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
k |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
(3.30) |
|
|
|
= |
0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
к |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
= |
0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Путем |
исключения |
(n—2) из |
интересующих |
нас |
скоростей |
||||||||||||
(vs, |
vi„..., |
v„) система (3.30) может быть |
сведена |
к системе |
двух |
||||||||||||
уравнений: |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
! |
|
' |
|
P |
• |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
( з . з і ) |
|
|
z2lvx |
+ z22v*_ = F2 |
J |
|
|
|
|
|
|
|
|
4 |
|
|
|||
Новые |
коэффициенты |
z'ik |
в ы р а ж а ю т с я через Zik |
системы |
(3.30). |
||||||||||||
П р и |
этом |
можно |
показать, |
|
что в силу |
соотношений |
(3.29) дл я z '.k |
||||||||||
сохраняется |
аналогичное |
свойство: |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
zik |
2 ' |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
(3.32) |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
' « ~~' "ct'ft |
Sift |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
В |
дальнейшем |
будем |
интересоваться |
только |
системой |
(3.31), |
|||||||||||
поэтому дл я удобства записи опустим штрихи у |
коэффициентов |
||||||||||||||||
этой новой системы. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
Система |
ур-ний (3.31) |
содержит |
основные соотношения, |
на ко |
торых базируется теория двустороннего линейного обратимого пре образователя . Она показывает, что обобщенная сила, п р и л о ж е н н а я к одной из сторон преобразователя, линейно связана с обобщенны
ми |
скоростями |
на обеих сторонах его. З н а я коэффициенты |
z i i t z1 2 , |
||
2гь |
222, м о ж н о |
определить, |
какие силы F\ и F2 |
д о л ж н ы действовать |
|
на |
преобразователь, чтобы |
получить ж е л а е м ы е |
обобщенные |
скоро |
|
сти |
НІ И 02- |
|
|
|
|
59