Dlouhé vedení - model přenosového vedení , jehož podélná velikost (délka) přesahuje vlnovou délku , která se v něm šíří (nebo je srovnatelná s vlnovou délkou), a příčné rozměry (například vzdálenost mezi vodiči tvořícími vedení) jsou mnohem větší. menší než vlnová délka.
Z hlediska teorie elektrických obvodů dlouhá čára označuje čtyřpóly . Charakteristickým znakem dlouhého vedení je projev interference dvou vln šířících se k sobě. Jedna z těchto vln je vytvářena generátorem elektromagnetických oscilací připojeným na vstup vedení a nazývá se dopadající . Druhá vlna se nazývá odražená a vzniká v důsledku částečného odrazu dopadající vlny od zátěže připojené k výstupu (opačný konec generátoru) vedení. Celá řada oscilačních a vlnových procesů probíhajících v dlouhé řadě je určena poměry amplitud a fází dopadajících a odražených vln. Analýza procesů se zjednoduší, pokud je dlouhá čára pravidelná , tedy taková, ve které se průřez a elektromagnetické vlastnosti (ε r , μ r , σ) plnícího média v podélném směru nemění [1] .
Z elektrodynamiky je známo, že přenosové vedení lze charakterizovat svými lineárními parametry :
Lineární odpor a vodivost G 1 závisí na vodivosti materiálu vodičů a kvalitě dielektrika obklopujícího tyto vodiče. Podle Joule - Lenzova zákona , čím nižší jsou tepelné ztráty v kovu drátů a v dielektriku, tím nižší je lineární odpor kovu R1 a tím nižší je lineární vodivost dielektrika G1 . (Pokles aktivních ztrát v dielektriku znamená zvýšení jeho odporu, protože aktivní ztráty v dielektriku jsou svodové proudy. Pro model je použita převrácená hodnota - na jednotku délky G 1 .)
Lineární indukčnost L 1 a kapacita C 1 jsou určeny tvarem a velikostí průřezu vodičů a také vzdáleností mezi nimi.
A a - lineární komplexní odpor a vodivost vedení v závislosti na frekvenci .
Vyberme z úsečky elementární úsek nekonečně malé délky dz a uvažujme jeho ekvivalentní obvod.
Hodnoty parametrů obvodu jsou určeny vztahy:
(jeden) |
Pomocí ekvivalentního obvodu zapíšeme výrazy pro přírůstky napětí a proudu:
Nahrazením hodnot parametrů obvodu z (1) získáme:
Z posledních vztahů najdeme diferenciální rovnice přímky. Tyto rovnice určují vztah mezi proudem a napětím v jakékoli části vedení a nazývají se telegrafní rovnice dlouhého vedení :
(2) |
Vyřešme telegrafní rovnice pro napětí a proud. Abychom to udělali, rozlišujeme je s ohledem na z :
(3) |
V tomto případě bereme v úvahu podmínku pravidelnosti linky:
(čtyři) |
Tyto poměry jsou matematickou definicí pravidelnosti dlouhé čáry. Význam vztahu (4) je invariance podél linie jeho lineárních parametrů.
Dosazením do (3) hodnot derivací napětí a proudu z (2) po transformacích získáme:
, | (5) |
kde je koeficient šíření vlny ve vedení.
Vztahy (5) se nazývají homogenní vlnové rovnice dlouhé čáry . Jejich řešení jsou známá a lze je zapsat jako:
, | (6) |
kde A U , B U a AI , BI jsou koeficienty mající jednotky napětí a proudu , jejichž význam bude zřejmý níže.
Řešení vlnových rovnic ve tvaru (6) mají velmi charakteristický tvar: první člen v těchto řešeních je odražená napěťová nebo proudová vlna šířící se od zátěže ke generátoru, druhý člen je dopadající vlna šířící se od generátoru. k nákladu. Koeficienty AU , AI jsou tedy komplexní amplitudy dopadajících napěťových a proudových vln, v daném pořadí, a koeficienty BU, BI jsou komplexní amplitudy odražených napěťových a proudových vln . Protože část výkonu přenášeného po vedení může být absorbována v zátěži, amplitudy odražených vln by neměly překročit amplitudy dopadajících vln:
Směr šíření vlny v (6) je určen znaménkem v exponentech: plus - vlna se šíří v záporném směru osy z ; mínus - v kladném směru osy z (viz obr. 1). Takže například pro dopadající vlny napětí a proudu můžeme napsat:
, | (7) |
Koeficient šíření vlny v přímce γ je v obecném případě komplexní veličina a může být reprezentována jako:
, | (osm) |
kde α je faktor útlumu vlny [2] v řádku; β je fázový faktor [3] . Pak lze vztah (7) přepsat jako:
. | (9) |
Protože když se dopadající vlna šíří na vlnovou délku v přímce λ L , změní se fáze vlny o 2 π , pak fázový koeficient lze vztáhnout k vlnové délce λ L vztahem
. | (deset) |
V tomto případě je fázová rychlost vlny v linii V Ф určena fázovým koeficientem:
. | (jedenáct) |
Určíme koeficienty A a B obsažené v řešeních (6) vlnových rovnic prostřednictvím hodnot napětí U Н a proudu I Н na zátěži. To je opodstatněné, protože napětí a proud na zátěži lze téměř vždy měřit pomocí měřicích přístrojů. Použijeme první telegrafní rovnici (2) a dosadíme do ní napětí a proud z (6). Pak dostaneme:
Porovnáním koeficientů u exponentů se stejnými exponenty dostaneme:
, |
(12) |
kde je impedance vedení [4] .
Přepišme (6) s ohledem na (12):
. |
(13) |
Pro určení koeficientů A a B v těchto rovnicích použijeme podmínky na začátku přímky z = 0 :
.Potom z (13) pro z = 0 najdeme
, |
(čtrnáct) |
Dosazením získaných hodnot koeficientů z (14) do (13) po transformacích získáme:
. |
(patnáct) |
Při odvozování (15) se berou v úvahu definice hyperbolického sinusu a kosinu [5] .
Vztahy pro napětí a proud (15) i (6) jsou řešením rovnic homogenních vln. Jejich rozdíl spočívá ve skutečnosti, že napětí a proud ve vedení ve vztahu (6) jsou určeny prostřednictvím amplitud dopadajících a odražených vln a v (15) - prostřednictvím napětí a proudu na zátěži.
Uvažujme nejjednodušší případ, kdy napětí a proud ve vedení jsou určeny pouze dopadající vlnou a žádná odražená vlna neexistuje [6] . Pak do (6) bychom měli dát B U = 0 , B I = 0 :
.Na obr.3. jsou uvedeny grafy změn amplitudy | U | a fázového φ U napětí podél vedení. Grafy změn amplitudy a fáze proudu mají stejný tvar. Z uvažování schémat vyplývá, že pokud nejsou ve vedení ztráty ( α [2] = 0 ), zůstává amplituda napětí v libovolném úseku vedení stejná. Pokud jsou ve vedení ztráty ( α [2] > 0 ), část přeneseného výkonu se přemění na teplo (ohřev vodičů vedení a dielektrika, které je obklopuje). Z tohoto důvodu se amplituda napětí dopadající vlny ve směru šíření exponenciálně zmenšuje.
Napěťová fáze dopadající vlny φ U = β z se mění lineárně a se vzdáleností od generátoru klesá.
Zvažte změnu amplitudy a fáze, například napětí v přítomnosti dopadajících a odražených vln. Pro jednoduchost předpokládáme, že ve vedení nejsou žádné ztráty, tedy α [2] = 0 . Potom může být napětí ve vedení reprezentováno jako:
, | (16) |
kde je komplexní koeficient odrazu napětí .
Charakterizuje stupeň koordinace přenosového vedení se zátěží. Modul koeficientu odrazu se pohybuje v rozmezí:
Vztah (16) je součet dopadajících a odražených vln.
Zobrazme napětí na komplexní rovině jako vektorový diagram, jehož každý z vektorů určuje dopadající, odražené vlnění a výsledné napětí (obr. 4). Z diagramu je vidět, že existují takové průřezy vedení, ve kterých se dopadající a odražené vlny sčítají ve fázi. Napětí v těchto úsecích dosahuje maxima, jehož hodnota je rovna součtu amplitud dopadajících a odražených vln:
.Kromě toho existují průřezy vedení, ve kterých se dopadající a odražené vlny sčítají v protifázi. V tomto případě napětí dosáhne minima:
.Je-li vedení zatíženo odporem, pro který | G | = 1 , to znamená, že amplitudy dopadajících a odražených vln jsou | B U | = | U | _ , pak v tomto případě U max = 2| U | _ a Umin = 0 .
Napětí v takovém vedení se mění od nuly do dvojnásobku amplitudy dopadající vlny. Na Obr. Obrázek 5 ukazuje diagramy změny amplitudy a fáze napětí podél vedení v přítomnosti odražené vlny.
Podle napěťového diagramu se posuzuje míra shody vedení se zátěží. K tomu jsou zavedeny pojmy koeficient postupné vlny - k BV a koeficient stojaté vlny k SW :
(17) | |
(osmnáct) |
Tyto koeficienty, soudě podle definice, se liší v rámci:
, | . |
V praxi se nejčastěji používá pojem součinitel stojaté vlny, neboť moderní měřicí přístroje (panoramatické měřiče k SW ) na indikačních zařízeních zobrazují změnu této hodnoty v určitém frekvenčním pásmu.
Vstupní impedance linky je důležitou charakteristikou, která je definována v každé sekci linky jako poměr napětí k proudu v této sekci:
(19) |
Protože se napětí a proud ve vedení mění úsek od úseku, mění se také vstupní odpor vedení vzhledem k jeho podélné souřadnici z . Zároveň hovoří o transformačních vlastnostech vedení a vedení samotné je považováno za odporový transformátor. Vlastnost vedení transformovat odpor bude podrobněji diskutována níže.
Linka má tři provozní režimy:
Režim postupné vlny je charakterizován přítomností pouze dopadající vlny šířící se od generátoru k zátěži. Odražená vlna chybí. Výkon přenášený dopadající vlnou je zcela rozptýlen v zátěži. V tomto režimu B U = 0 , | G | = 0, k sv = k bv = 1 [7] .
Režim stojaté vlny se vyznačuje tím, že amplituda odražené vlny je rovna amplitudě dopadající vlny B U = A U , to znamená, že energie dopadající vlny se zcela odrazí od zátěže a vrátí se zpět do generátor. V tomto režimu | G | = 1 , k sv = , k bv = 0 [7] .
V režimu smíšené vlny splňuje amplituda odražené vlny podmínku 0 < B U < A U , tj. část výkonu dopadající vlny se ztratí v zátěži a zbytek ve formě odražené vlny se vrátí do generátor. V tomto případě 0 < | G | < 1 , 1 < k sv < , 0 < k bv < 1
V bezeztrátovém vedení jsou lineární parametry R 1 = 0 a G 1 = 0 . Pro koeficient šíření γ a vlnový odpor W tedy získáme:
; . | (dvacet) |
Vezmeme-li v úvahu tento výraz pro napětí a proud (15), budou mít tvar:
(21) |
Při odvozování těchto vztahů se berou v úvahu vlastnosti [8] hyperbolických funkcí [5] .
Uvažujme konkrétní příklady provozu linky beze ztrát pro nejjednodušší zátěže.
V tomto případě je proud protékající zátěží nulový ( I H = 0) , takže výrazy pro napětí, proud a vstupní odpor ve vedení mají tvar:
(22) |
Obrázek 6 znázorňuje tyto závislosti graficky. Ze vztahů (22) a grafů vyplývá:
V tomto případě je napětí na zátěži nulové ( U H = 0) , takže napětí, proud a vstupní odpor ve vedení mají tvar:
(23) |
Obrázek 7 znázorňuje tyto závislosti graficky.
S využitím výsledků předchozí části není obtížné samostatně vyvodit závěry o transformačních vlastnostech zkratovaného vedení. Podotýkáme pouze, že režim stojatých vln je zaveden také v uzavřené linii. Úsek zkratovaného vedení o délce menší než λ L /4 má indukční povahu vstupního odporu a při délce λ L /4 má takové vedení nekonečně velký vstupní odpor při pracovní frekvenci [9 ] .
Jak vyplývá z analýzy provozu otevřeného vedení, každá kapacita C při dané frekvenci ω může být spojena s otevřeným úsekem vedení o délce menší než λ L /4 . Kapacita C má kapacitu . Přirovnejme hodnotu tohoto odporu ke vstupnímu odporu otevřeného vedení délky l < λ L /4 :
.Odtud najdeme délku vedení ekvivalentní vstupnímu odporu kapacity C :
.Když známe diagramy napětí, proudu a vstupního odporu otevřeného vedení, obnovíme je pro vedení pracující na kapacitě (obr. 8). Z diagramů vyplývá, že režim stojatého vlnění je nastaven v kapacitním vedení.
Když se kapacita změní, grafy se posunou podél osy z . Zejména s rostoucí kapacitou kapacita klesá, napětí na kapacitě klesá a všechny diagramy se posouvají doprava a přibližují se diagramům odpovídajícím zkratovanému vedení. Když se kapacita sníží, diagramy se posunou doleva a přiblíží se diagramům odpovídajícím otevřené čáře.
Jak vyplývá z analýzy činnosti uzavřeného vedení, každá indukčnost L při dané frekvenci ω může být spojena s úsekem uzavřeného vedení o délce menší než λ L /4 . Indukčnost L má indukční reaktanci iX L \ u003d iωL . Přirovnejme tento odpor ke vstupnímu odporu uzavřeného vedení délky λ L /4 :
.Odtud zjistíme délku vedení l , ekvivalentní z hlediska vstupního odporu indukčnosti L :
.Při znalosti diagramů napětí, proudu a vstupního odporu na konci uzavřeného vedení je obnovíme pro vedení pracující na indukčnosti (obr. 9). Z diagramů vyplývá, že ve vedení pracujícím na indukčnosti je nastolen i režim stojaté vlny. Změna indukčnosti vede k posunu grafů podél osy z . Navíc, s nárůstem L se diagramy posouvají doprava, přibližují se k diagramům naprázdno, a s poklesem L se posouvají doleva podél osy z , přičemž mají tendenci ke zkratovým diagramům.
V tomto případě jsou proud a napětí na zátěži R H ve vztahu U H = I H R H [10] . Výrazy pro napětí a proud ve vedení (21) mají tvar:
(23) |
Uvažujme provoz takové linky na příkladu analýzy napětí. Zjistěme z (23) amplitudu napětí v řádku:
(24) |
Z toho vyplývá, že existují tři případy:
V prvním případě to vyplývá z (24) | U | \ u003d U H , to znamená, že rozložení amplitudy napětí podél vedení zůstává konstantní, rovné amplitudě napětí při zátěži. To odpovídá režimu postupné vlny ve vedení.