Вариационный принцип экстремума для электрических линий и плоскостей

Доклады независимых авторов 2005 выпуск №1 213 Хмельник С.И. Вариационный принцип экстремума для электрических линий и плоскостей Аннотация Вариационный принцип оптимума для электромеханических систем распространяется на электрические линии и плоскости. Указывается основанный на этом принципе метод расчета электрических линий и плоскостей. При этом они могут быть некоднородными, а к любым их точкам могут быть подключены комплексные нагрузки и\или источники напряжения. Разработка расчетных программ может быть заказана автору по адресу [email protected] Оглавление 1. Уравнения непрерывной электрической линии 2. Уравнения дискретной электрической линии 3. Функционал для непрерывной электрической линии 4. Функционал для непрерывной электрической плоскости 1. Уравнения непрерывной электрической линии Как известно непрерывная электрическая линия (длинная линия) характеризуется следующими параметрами: GRCL ,,, - индуктивногсть, емкость, сопротивление и проводимость элемента длины линии, i - ток вдоль элемента длины линии, u - напряжение на элемента длины линии, t - время, z - координата линии. Здесь и далее штрихами обозначаются производные по времени. Как известно, эти параметры связаны соотношениями t u CGu z i      , (1) t i LRi z u      . (2) Электротехника 214 Из (1) следует                  z u C z i Gz u 2 2 1. (3) Наконец, совмещая (2, 3), находим: iLRi z u C z i G                2 2 1. (4) Таким образом, электрическая линия описывается уравнениями (1, 4), которые следуют из (1, 2). 2. Уравнения дискретной электрической линии L, R  m,r,c,e k q 1  1,1   k q k q 2  Рис. 1. Длинная линия. Будем называть электрическую линию, составленную из конечных элементов (в отличие от элементов, величина которых отнесена к элементу длины линии), дискретной электрической линией - см. также рис. 1, где RL, - индуктивность и сопротивление элемента длины линии, ercm ,,, - индуктивногсть, емкость, сопротивление и напряжение, включенные последовательно между элементом длины линии и нулевым потенциалом – “вертикальный” элемент линии,  1 - проводимость между элементом длины линии и нулевым потенциалом, 1 q  - ток вдоль элемента длины линии, 2 q  - ток вертикального элемента линии. Доклады независимых авторов 2005 выпуск №1 215 Для описания дискретной электрической линии будем использовать теорию, изложенную в [1]. В соответствии с этим электрическая цепь дискретной электрической линии может быть представлена безусловной электрической цепью [1, п. 9], состоящей из ветвей – элементов длины с параметрами RL, и «вертикальных» ветвей с параметрами ercSm ,,/1,  . Сопротивления  включены, как и в [1, п. 9], между узлами этой цепи и нулевым потенциалом. Рассмотрим n-мерные векторы n k k n k k q q q q q q q q q q ,2 1,2 ,2 1,2 2 ,1 1,1 ,1 1,1 1 ... ... , ... ...   и вектор 2 1 q q q. Тогда параметры электрической цепи могут быть представлены в соответствии с [1, (53)] следующим образом: S S0 00 , (1) m L M0 0 , (2) r R Rd0 0 , (3)   NNRR T d  , (4) e E0 , (5)   nk SSSS ......diag 1  ,   nk LLLL ......diag 1  ,   nk mmmm ......diag 1  ,   nk RRRR ......diag 1  ,   nk rrrr ......diag 1  ,   nk Teeee ...... 1 . Первый закон Кирхгофа имеет вид: 0 ,21,1,1       kkk qqq . (6) Поэтому матрица инциденций имеет вид: 12 DNN  , (7) где Электротехника 216 1 D - квадратная n*n диагональная единичная матрица, 2 N - ленточная квадратная n*n матрица вида 1...0000 .................. 0...1100 0...0110 0...0011 2   N (8) При этом следующее произведение является квадратной клеточной матрицей 12 21 DN NN NN T T   , (9) где 1 N - ленточная квадратная n*n матрица вида 21 121 121 ......... 121 121 12 1       N (10) Из (4) и (7) следует         1 2 21 DrN NNR RT     . (11) Рассмотрим теорему 1 в [1] и функционал [1, (60.1)]. В данном случае этот функционал принимает вид                   T TT TTT dt qEqLq qRqqmqSqq qF 0211 2222 )( , (12) или, с учетом (11),                                T TTT TTT TTT dt qEqqqNq qNqqrqqRq qLqqmqSqq qF 0 222122 1112211 112222 2 )(   , (13) Градиент [1, (60.1)] в данном случае принимает вид 2 1 p p p, где Доклады независимых авторов 2005 выпуск №1 217 2 211111 qNqNqRqLp          (14)   EqrqmSqqqNp T         2 2 2 2 1 2 2  (15) Обозначим символами  11 ,qq векторы, смещенные по линии вправо и влево соответственно относительно вектора 1 q: если n n q q q q q q ,1 1,1 3,1 2,1 1,1 1...  , то 0 ... , ... 0 1,1 4,1 3,1 2,1 1 1,1 4,1 3,1 2,1 1     n n q q q q q q q q q q. Рассматривая матрицы 1 Nи 2 N, замечаем, что           11111 2qqqqN , (16)         1112 qqqN , (17)         2222 qqqN . (18) 3. Функционал для непрерывной электрической линии Переходя от элементов дискретной электрической линии вновь к дифференциалам длины линии можно вектор-функцию q , где каждая компонента является функцией времени   tqq kk  , рассматривать как функцию координаты линии z и времени t , т.е.   tzqq ,  . Тогда   2 2),( 2 z tzq qqq          ,   z tzq qq       ),( и, учитывая (2.16-2.18), получаем 2 1 2 11 ),( z tzq qN      , (1) z tzq qN      ),( 2 22 , (2) Электротехника 218 . ),( 1 12 z tzq qNT       (3) При этом z q z q qRqLp            2 2 1 2 111  , (4) EqrqmSqq z q p               2222 1 2  . (5) Обозначим 12,qiSqu    . Тогда из (4, 5) при 0,0,0,0,0 21      ppErm следуют (1.4, 1.1) соответственно. Далее имеем:    z Tdz z q qqNq 2 1 2 1111 ,      z Tdz z q qqNq 1 2122 . При этом (2.13) принимает вид:                                                          T z T dtdz Eqqq z q q z q qqrqqRq qLqmSq qF 0 22 2 1 2 2 1 2 1 2 2 1 1 2 1 2 2 2 2 2 )(   , (6) Таким образом, аналогично теореме 1 в [1], для электрической линии имеет место Теорема 1. Движение в функционале (6) по направлению ([1], (60)), где градиент 2 1 p p p определен по (4, 5), заканчивается стационарным значением функции 2 1 q q q, а уравнение этого стационарного значения имеет вид (4, 5), где 0 0 2 1   p p. Таким образом, электрическая линия может быть расчитана по алгоритму 1 из [1]. При этом электрическая линия может быть неоднородной и к любым точкам этой линии могут быть подключены комплексные нагрузки и\или источники напряжения. Доклады независимых авторов 2005 выпуск №1 219 4. Функционал для непрерывной электрической плоскости Уравнения непрерывной электрической линии с координатой z естественным образом обобщаются на электрическую плоскость с координатами z, y. Можно показать, что для электрической плоскости градиент представляется уравнениями вида y q y q z q z q qRqLp                    2 2 1 2 2 2 1 2 111  , EqrqmSqq y q z q p                     2222 11 2  , а функционал принимает вид                                                                                                                                         T z y T dtdzdy Eqqq y q z q q y q z q q qrqqRq qLqmSq qF 0 22 2 11 2 2 1 2 2 1 2 1 2 2 1 1 2 1 2 2 2 2 2 )(    . Таким образом, и электрическая плоскость может быть расчитана по алгоритму 1 из [1]. При этом электрическая плоскость может быть неоднородной и к любым точкам этой плоскости могут быть подключены комплексные нагрузки и\или источники напряжения. Литература 1. Хмельник С.И. О вариационном принципе экстремума в электромеханических системах. Данный сборник.