Моделирование электрической цепи. 
Схемы замещения реальных электротехнических устройств

В основе ТЭЦ лежит принцип моделирования, в соответствии с которым реальные ЭЦ заменяют некоторой идеализированной моделью, состоящей из взаимосвязанных идеализированных элементов — простых моделей, используемых для аппроксимации свойств простых физических элементов или явлений.

В элементах реальных электротехнических устройств (электрических цепях) происходят достаточно сложные процессы протекания токов проводимости, токов смещения, выделения тепловой энергии, наведения ЭДС, накопления и перераспределения энергии электрического и магнитного полей и т. п. Для того, чтобы можно было математически описать эти процессы, в теории цепей пользуются расчетными схемами (схемами замещения), вводя в них резистивные, индуктивные и емкостные элементы. С помощью резистивного элемента учитывают выделение теплоты в реальном элементе; с помощью индуктивного элемента — наведение ЭДС и накопление энергии в магнитном поле; с помощью емкостного элемента — протекание токов смещения и накопление энергии в электрическом поле.

Каждый элемент реальной электрической цепи на схеме замещения можно представить той или иной совокупностью идеализированных схемных элементов. Так, резистор для низких частот можно представить одним резистивным элементом R (рис. 1.1, а). Для высоких частот тот же резистор должен быть представлен уже иной схемой (рис. 1.1, б). В ней малая (паразитная) индуктивность учитывает магнитный поток, сцепленный с резистором, а малая паразитная емкость учитывает протекание тока смещения между зажимами резистора. Конденсатор на низких частотах замещают одним емкостным элементом (рис. 1.1, в), а на высоких частотах конденсатор представляют схемой (рис. 1.1, г). В этой схеме резистор учитывает потери в неидеальном диэлектрике конденсатора, a — паразитная индуктивность подводящих контактов.

Индуктивную катушку в первом приближении можно представить одним индуктивным элементом L (рис. 1.1, д). Более полно она может быть представлена схемой (рис. 1.1, е). В ней R учитывает тепловые потери в сопротивлении обмотки и в сердечнике, на котором она намотана, а паразитная емкость учитывает токи смещения между витками катушки.

Рис. 1.1.

Обобщенно можно сказать, что при составлении схемы замещения реальных элементов цепи и цепи в целом в нее входят те идеализированные схемные элементы, с помощью которых описываются основные процессы в реальных элементах цепи, а процессами, являющимися относительно второстепенными в этих элементах для рассматриваемой полосы частот и амплитуд воздействий, обычно пренебрегают. Реальную электрическую цепь, представленную в виде совокупности идеализированных схемных элементов, в дальнейшем будем называть схемой замещения электрической цепи или, короче, схемой электрической цепи.

Если можно считать, что напряжение и ток на всех элементах реальной цепи не зависят от пространственных координат, то такую цепь называют цепью с сосредоточенными параметрами, если зависят — цепью с распределенными параметрами. Процессы в цепи с сосредоточенными параметрами описывают алгебраическими или обыкновенными дифференциальными уравнениями; процессы в цепях с распределенными параметрами описывают уравнениями в частных производных. Соответствие расчетной модели реальной электрической цепи проверяют путем сопоставления расчета с экспериментом. Если расчетные данные недостаточно сходятся с экспериментом, модель уточняют.

Графическое изображение электрической цепи называется схемой. Различают несколько способов изображения цепи: натурное (эскизное); в виде принципиальной схемы (каждое электротехническое устройство заменено его условным изображением по ГОСТу), которая показывает назначение электротехнических устройств и их взаимодействие, но неудобна при расчетах режима работы цепи; и схемы замещения (реальные электротехнические устройства представлены в виде идеализированных элементов), которая облегчает расчет цепи.

Схема замещения электрической цепи состоит из совокупности различных идеализированных элементов, выбранных так, чтобы можно было с заданным или необходимым приближением описать процессы, происходящие в цепи.

Электрические цепи классифицируют в зависимости:

от рода тока на цепи постоянного и переменного (синусоидального и несинусоидального) тока;

по числу фаз источника и приемника на однои трехфазные;

по виду вольт-амперных характеристик входящих в цепь элементов на линейные и нелинейные;

по способу соединения их элементов на разветвленные и неразветвленные.