[工学]第3章电阻电路的一般分析方法.ppt
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1、工学工学第第3章章 电阻电路电阻电路的一般分析方法的一般分析方法3.1 电路的图电路的图求解电路的一般方法:不需要改变电路的结构。求解电路的一般方法:不需要改变电路的结构。 首先,选择一组合适的电路变量(电流和首先,选择一组合适的电路变量(电流和/或或电压),根据电压),根据KCL和和KVL及元件的电压电流关系及元件的电压电流关系(VCR)建立该组变量的独立方程组,即电路方程,)建立该组变量的独立方程组,即电路方程,然后从方程中解出电路变量。对于线性电阻电路,然后从方程中解出电路变量。对于线性电阻电路,电路方程是一组线性代数方程。电路方程是一组线性代数方程。 学习图论的初步知识,以便研究电路的
2、连接学习图论的初步知识,以便研究电路的连接性质并讨论应用图的方法选择电路方程的独立变性质并讨论应用图的方法选择电路方程的独立变量。量。 一图的基本概念一图的基本概念 电路的电路的“图图”:是指把电路中每一条支路画成抽象:是指把电路中每一条支路画成抽象的线段形成的一个结点和支路的集合。的线段形成的一个结点和支路的集合。每条支路的两端都连到相应的结点上。每条支路的两端都连到相应的结点上。支路用线段描述,结点用点描述。支路用线段描述,结点用点描述。注意:在图的定义中,结点和支路各自为一个整注意:在图的定义中,结点和支路各自为一个整体,但任意一条支路必须终止在结点上。体,但任意一条支路必须终止在结点上
3、。移去一条支路并不等于同时把它连接的结移去一条支路并不等于同时把它连接的结点也移去,所以允许有孤立结点存在。若点也移去,所以允许有孤立结点存在。若移去一个结点,则应当把与该结点连接的移去一个结点,则应当把与该结点连接的全部支路都同时移去。全部支路都同时移去。例例:有向图:赋予支路方向的图。电流、电压取关联参有向图:赋予支路方向的图。电流、电压取关联参考方向。考方向。无向图:未赋予支路方向的图。无向图:未赋予支路方向的图。3.2 KCL和和KVL的独立方程数的独立方程数 一一KCL的独立方程数的独立方程数 列列KCL方程:方程:123456123401641 i ii ii i:结结点点0232
4、1 i ii ii i:结结点点03652 i ii ii i:结结点点04543 i ii ii i:结点结点0=0 ?对所有结点都列写了对所有结点都列写了KCL方程,方程,而每一条支路与两个结点相联,而每一条支路与两个结点相联,并且每个支路电流必然从其中一并且每个支路电流必然从其中一个结点流出,流入另一结点。因个结点流出,流入另一结点。因此,在所有此,在所有KCL方程中,每个支方程中,每个支路电流必然出现两次,一次为正,路电流必然出现两次,一次为正,一次为负。上述一次为负。上述4个方程中任意个方程中任意3个为独立的。个为独立的。1234561234结论结论: 对于具有对于具有n个结点的电路
5、,任意选取个结点的电路,任意选取(n-1)个个结点,可以得出结点,可以得出(n-1)个独立的个独立的KCL方程。方程。相应的相应的(n-1)个结点称为独立结点。个结点称为独立结点。 二二KVL独立方程数独立方程数 路径:从一个图路径:从一个图G的某一结点出发,沿着一些支的某一结点出发,沿着一些支路移动,从而到达另一结点(或回到原出路移动,从而到达另一结点(或回到原出发点),这样的一系列支路构成图发点),这样的一系列支路构成图G的一的一条路径。条路径。连通图:当连通图:当G的任意两个结点之间至少存在一条的任意两个结点之间至少存在一条支路时,支路时,G为连通图。为连通图。回路:如果一条路径的起点和
6、终点重合,且经过的回路:如果一条路径的起点和终点重合,且经过的其它结点都相异,这条闭合的路径为其它结点都相异,这条闭合的路径为G的一的一个回路。个回路。 例:例: 有有13个不同的回路,但独立回路数要少个不同的回路,但独立回路数要少于于13个。对每个回路列个。对每个回路列KVL方程,含有非独方程,含有非独立方程。立方程。 回路回路1(1,5,8)回路回路2(2,6,5)回路回路3(1,2,6,8)0851 u uu uu u0562 u uu uu u08621 u uu uu uu u利用利用“树树”的概念寻找一个电路的独立回路组。的概念寻找一个电路的独立回路组。 12345867 树:一个
7、连通图树:一个连通图G的树的树T包含包含G的全部结点和部分的全部结点和部分支路,而树支路,而树T本身是连通的且又不包含回路。本身是连通的且又不包含回路。 例例:12345867 13586 5867 2457 3586 2586 树支:树中包含的支路为树支。树支:树中包含的支路为树支。连支:其它支路为对应于该树的连支。连支:其它支路为对应于该树的连支。树支与连支共同构成图树支与连支共同构成图G的全部的支路。的全部的支路。树支数:树支数:对于一个具有对于一个具有n个结点的连通图,它的个结点的连通图,它的任何一个树的树支数必为任何一个树的树支数必为(n-1)个。个。 连支数:连支数:对于一个具有对
8、于一个具有n个结点个结点b条支路的连通条支路的连通图,它的任何一个树的连支数必为图,它的任何一个树的连支数必为 (b-n+1)个。个。 由于连通图由于连通图G的树支连接所有结点又不形成的树支连接所有结点又不形成回路,因此,对于图回路,因此,对于图G的任意一个树,加入一个的任意一个树,加入一个连支后,形成一个回路,并且此回路除所加的连连支后,形成一个回路,并且此回路除所加的连支外均由树支组成。支外均由树支组成。 单连支回路:单连支回路:由树支和由树支和一条连支一条连支所形成的回路。所形成的回路。 单连支回路也称为基本回路单连支回路也称为基本回路 。 每一个基本回路仅含一个连支,且这一连支并不每一
9、个基本回路仅含一个连支,且这一连支并不出现在其他基本回路中。出现在其他基本回路中。独立回路数:对于一个结点数为独立回路数:对于一个结点数为n,支路数为,支路数为b的的连通图,其独立回路数为(连通图,其独立回路数为(b-n+1)。)。 基本回路组:基本回路组:由全部单连支形成的基本回路构成基本由全部单连支形成的基本回路构成基本回路组。回路组。 基本回路组是独立回路组。根据基本回路列出的基本回路组是独立回路组。根据基本回路列出的KVL方程组是独立方程。方程组是独立方程。平面图:平面图:如果把一个图画在平面上,能使它的各条如果把一个图画在平面上,能使它的各条支路除连接的结点外不再交叉,这样的支路除连
10、接的结点外不再交叉,这样的图为平面图。否则为非平面图。图为平面图。否则为非平面图。 平面图的全部网孔是一组独立回路,故平面图平面图的全部网孔是一组独立回路,故平面图的网孔数为其独立回路数。的网孔数为其独立回路数。 2b法:法:对一个具有对一个具有b条支路和条支路和n个结点的电路,当个结点的电路,当以以支路电压和支路电流支路电压和支路电流为电路变量列写方程为电路变量列写方程时,总计有时,总计有2b个未知量。根据个未知量。根据KCL可以列可以列出出(n-1)个独立方程、根据个独立方程、根据KVL可以列出可以列出(b-n+1)个独立方程,根据元件的个独立方程,根据元件的VCR又又可以列出可以列出b个
11、方程。总计方程数个方程。总计方程数2b,与未知,与未知数相等。数相等。 例例b=3 , n=2 , l=3变量:变量:I1 , I2 , I3a: - -I1- -I2+I3= 0b: I1+I2- -I3= 0KCL一个独立方程一个独立方程KVLI1R1-I2R2=E1-E2I2R2+I3R3= E2I1R1+I3R3= E1二个独立方程二个独立方程规律:规律: KCL: n - 1R1E1I1R2E2I2I3R3ba3.3 支路电流法支路电流法 (branch current method )支路电流法:支路电流法:以各支路电流为未知量列写电路方程。以各支路电流为未知量列写电路方程。KVL
12、: b - (n - 1)由上式可得由上式可得KVL方程的另一形式,即任一回路中,方程的另一形式,即任一回路中,电阻电压电阻电压的代数和等于的代数和等于电源电压电源电压的代数和,即:的代数和,即: s sk kk kk ku ui iR R式中式中Rkik为回路中第为回路中第k个支路电阻上的电压,和个支路电阻上的电压,和式遍及回路中的所有支路,且当式遍及回路中的所有支路,且当ik参考方向与回路方参考方向与回路方向一致时,前面取向一致时,前面取“+”号;不一致时,取号;不一致时,取“”号。号。右边右边usk为回路中第为回路中第k支路的电源电压(也包括支路的电源电压(也包括电流源引起的电压)。在取
13、代数和时,当电流源引起的电压)。在取代数和时,当usk与回与回路方向一致时前面取路方向一致时前面取“”号;当号;当usk与回路方向不与回路方向不一致时取一致时取“+”号;号;列出支路电流法的电路方程的步骤:列出支路电流法的电路方程的步骤:注意:电阻电压和电源电压表达式中符号注意:电阻电压和电源电压表达式中符号的选取。的选取。(1 1)选定各支路电流的参考方向;)选定各支路电流的参考方向;(2 2)根据)根据KCLKCL对(对(n-1n-1)个独立结点列出方程;)个独立结点列出方程;(3 3)选取()选取(b-n+1b-n+1)个独立回路,指定回路的绕)个独立回路,指定回路的绕行方向,列出用支路
14、电流表示的行方向,列出用支路电流表示的KVLKVL方程。方程。3. 5 回路电流法回路电流法 (loop current method)基本思想:基本思想:以以假想的假想的独立回路电流为独立变量。各支路电独立回路电流为独立变量。各支路电流可用回路电流线性组合表示。流可用回路电流线性组合表示。i1i3uS1uS2R1R2R3ba+i2il1il2支路电流可由回路电流求出支路电流可由回路电流求出回路电流分别为回路电流分别为il 1, il 2 列写列写KVL方程方程电阻压降电阻压降电源电压升电源电压升S UUR绕行方向绕行方向和和回路电流方向回路电流方向取为取为一致一致 0U i1= i l 1i
15、2= i l 2- - i l 1i3= i l 2回路电流法:回路电流法:以回路电流为未知变量列写电路方以回路电流为未知变量列写电路方程分析电路的方法。程分析电路的方法。回路回路1:R1 il1- -R2(il2 - - il1)- -uS1+uS2=0回路回路2:R2(il2- - il1)+ R3 il2 - -uS2=0得得(R1+ R2) il1- -R2il2=uS1- -uS2- - R2il1+ (R2 +R3) il2 =uS2支路电流支路电流i1i3uS1uS2R1R2R3ba+i2il1il2i1= i l 1i2= i l 2- - i l 1i3= i l 2R11=
16、R1+R2 代表回路代表回路1的总电阻(的总电阻(自电阻自电阻)令令R22=R2+R3 代表回路代表回路2总电阻(总电阻(自电阻自电阻)R12= - -R2 , R21= - -R2 代表回路代表回路1和回路和回路2的公共电阻(的公共电阻(互电阻互电阻)uSl1= uS1- -uS2 回路回路1中所有电压源电压升的代数和中所有电压源电压升的代数和uSl2= uS2 回路回路2中所有电压源电压升的代和中所有电压源电压升的代和(R1+ R2) il1- -R2il2=uS1- -uS2- - R2il1+ (R2 +R3) il2 =uS2i1i3uS1uS2R1R2R3ba+i2il1il2R1
17、1=R1+R2 自电阻自电阻R22=R2+R3 自电阻自电阻R12=- -R2 , R21=- -R2 互电阻互电阻R11 il 1+ +R12 il 2= uSl1R21 il1+ +R22 il2= uSl2推广到推广到 l 个回路个回路其中其中Rjk: 互电阻互电阻+ + : 流过互阻两个回路电流方向相同流过互阻两个回路电流方向相同- - : 流过互阻两个回路电流方向相反流过互阻两个回路电流方向相反0 : 无关无关R11il1+R12il2+ +R1l ill=uSl1 R21il1+R22il2+ +R2l ill=uSl2Rl1il1+Rl2il2+ +Rll ill=uSllRkk
18、: 自电阻自电阻(为正为正) ,k =1 , 2 , , l 网孔电流法网孔电流法:对平面电路,若以网孔为独立回路,此:对平面电路,若以网孔为独立回路,此时回路电流也称为网孔电流,对应的分时回路电流也称为网孔电流,对应的分析方法称为网孔电流法。析方法称为网孔电流法。例例1用回路法求各支路电流。用回路法求各支路电流。解解(1) 设独立回路电流设独立回路电流(顺时针顺时针)(2) 列列 KVL 方程方程(R1+R2)Ia - -R2Ib = US1- - US2- -R2Ia + (R2+R3)Ib - - R3Ic = US2 - -R3Ib + (R3+R4)Ic = - -US4对称阵,且对
19、称阵,且互电阻为负互电阻为负(3) 求解回路电流方程,得求解回路电流方程,得 Ia , Ib , Ic(4) 求各支路电流:求各支路电流: I1=IaIaIcIb+_US2+_US1I1I2I3R1R2R3+_ US4R4I4(5) 校核校核选一新回路选一新回路 U = E?, I2=Ib- -Ia, I3=Ic- -Ib, I4=- -Ic 将将VCVSVCVS看作独立源建立方程;看作独立源建立方程; 找出控制量和回路电流关系。找出控制量和回路电流关系。4Ia- -3Ib=2- -3Ia+6Ib- -Ic=- -3U2- -Ib+3Ic=3U2 4Ia - -3Ib = 2 - -12Ia+
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