Application of the finite difference method to calculation of dynamic processes in long electrical lines

Abstract

The electrical circuit structure includes components with concentrated and distributed parameters. This creates difficulties in analyzing the dynamic processes, which are described by differential equations, including those with partial derivations. This paper deals with the process of applying equations with partial derivatives (telegraph equations) for the analysis of transient processes using the numerical method of uninterrupted computation. The initial and limit conditions needed to obtain numerical solutions of the transient processes in circuits with the complex variable load have been formulated. The original calculation procedure of the nonstationary regime has been proposed using the finite difference method. The calculation method uses the Riemann invariants. The electrical circuit with lumped parameters includes active resistance, inductance and capacitance. The relative units system was used for the analysis and the procedure of transformation the dimensional parameters among the nondimensional parameters into the relative units system was proposed. The continuous energy storage regime in the ideal inductance in the moving wave regime at the connection of the line end with distributed parameters at the ideal inductance (without losses) with lumped parameters was found.

Structura circuitului electric include atât porţiuni cu parametri concentraţi, cât și cu parametri distribuiţi. Aceasta creează dificultăţi la analiza proceselor dinamice, care sunt descrise de ecuaţii diferenţiale, inclusiv, cu derivate parţiale. În prezenta lucrare se examinează procedeul de aplicare a ecuaţiilor cu derivate parţiale (ecuaţiile telegrafice) pentru analiza proceselor tranzitorii cu metoda numerică de calcul neîntrerupt. S-au formulat condiţiile iniţiale și de limită necesare pentru obţinerea soluţiilor numerice ale proceselor tranzitorii în circuite cu sarcină variabilă complexă. S-a propus procedeul unic de formare ale modelor matematice de calcul ale regimului nestaţionar cu utilizarea metodei diferenţei finite. Metoda de calcul utilizează invariantele Riemann. Se prezintă rezultatele simulărilor numerice ale regimurilor din porţiunea cu parametri distribuiţi (linie lungă) și cu parametri concentraţi, formată din rezistenţa activă, inductivitate și capacitate. Pentru analiză s-a utilizat sistemul de unităţi relative, s-a propus procedeul de transformare a parametrilor dimensionaţi în parametri în sistemul de unităţi relative. S-a depistat regimul de stocare continuă a energiei în inductivitatea ideală conectată la linia lungă în regimul undelor în mișcare în porţiunea cu parametri distribuiţi.