《电路原理》第三章电阻电路的一般分析.ppt
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1、第第3 3章章 电阻电路的一般分析电阻电路的一般分析l重点重点 熟练掌握电路方程的列写方法:熟练掌握电路方程的列写方法:回路回路(网孔网孔)电流法电流法 结点电压法结点电压法主要内容 基本概念基本概念 KCLKCL和和KVLKVL的独立方程数的独立方程数 支路电流法支路电流法 回路电流法回路电流法 结点电压法结点电压法l 线性电路的一般分析方法线性电路的一般分析方法 (1)(1)普遍性:对任何线性电路都适用。普遍性:对任何线性电路都适用。选取合适的电路变量选取合适的电路变量(电流、电压电流、电压),根据,根据KCLKCL、KVLKVL及及元件的元件的VCRVCR列方程、解方程。列方程、解方程。
2、根据列方程时所选变量的不同可分为支路电流法、回根据列方程时所选变量的不同可分为支路电流法、回路路(网孔网孔)电流法和结点电压法。电流法和结点电压法。(2 2)元件的电压、电流关系特性。)元件的电压、电流关系特性。(1 1)电路的连接关系)电路的连接关系KCLKCL,KVLKVL定律。定律。l 方法的基础方法的基础(2)(2)系统性:计算方法有规律可循。系统性:计算方法有规律可循。l 复杂电路的一般分析法复杂电路的一般分析法l 网络图论网络图论DCBA哥尼斯堡七桥难题哥尼斯堡七桥难题图论是拓扑学的一个分支,是富有趣图论是拓扑学的一个分支,是富有趣味和应用极为广泛的一门学科。味和应用极为广泛的一门
3、学科。3.1 3.1 电路的图电路的图电路的图电路的图(Graph)是用以表示电路几何结构的图形是用以表示电路几何结构的图形R4R1R3R2R6uS+_i抛开元抛开元件性质件性质一个元件作一个元件作为一条支路为一条支路元件的串联及并联组合元件的串联及并联组合作为一条支路作为一条支路65432178543216有向图有向图R5几个名词几个名词电路中通过同一电流的分支电路中通过同一电流的分支三条或三条以上支路的连接点称为三条或三条以上支路的连接点称为节点。节点。(n)b=3an=2b+_R1uS1+_uS2R2R3支路支路 (branch)(branch):电路中每一个两端元件就叫一条支路电路中每
4、一个两端元件就叫一条支路i3i2i1节点节点(node)(node):b=5由支路组成的闭合路径。由支路组成的闭合路径。(l)对平面电路,其内部不含任何支路对平面电路,其内部不含任何支路的回路称网孔。的回路称网孔。l=3+_R1uS1+_uS2R2R3123 回路回路(loop)(loop):网孔网孔(mesh)(mesh):网孔是回路,但回路不一定是网孔网孔是回路,但回路不一定是网孔3-23-2 KCL和和KVL的独立方程数的独立方程数 KCL的独立方程数的独立方程数654321432114324123 0 结论:结论:此电路此电路,独立的独立的KCLKCL方程为方程为3 3个个对各结点列对
5、各结点列KCLKCL方程:方程:问题的提出:在用问题的提出:在用KCLKCL和和KVLKVL列方程时,究列方程时,究竟可以列出多少个独立的方程?竟可以列出多少个独立的方程?分析以下电路中可列写几个电流方程?几个电压方程?分析以下电路中可列写几个电流方程?几个电压方程?独立方程只有独立方程只有2个个独立方程只有独立方程只有1个个基尔霍夫电流方程基尔霍夫电流方程:基尔霍夫电压方程基尔霍夫电压方程:则:独立的则:独立的KCL方程方程有有n-1个(独立结点)个(独立结点)独立的独立的KVL方程方程有有b-(n-1)=b-n+1个个(独立回路)(独立回路)设:电路中有设:电路中有n n个结点、个结点、b
6、 b条支路条支路独立的独立的KCL和和KVL方程数总数为:方程数总数为:平面图的平面图的网孔数网孔数等于等于独立回路数独立回路数(或(或KVLKVL独立方程数)独立方程数)平面图平面图:若把一个图画在平面上,能使它的各条:若把一个图画在平面上,能使它的各条支路支路除了连接的结点外不再交叉除了连接的结点外不再交叉。否则称为非平面图。否则称为非平面图。3.3 支路电流法支路电流法 (branch current method)出发点出发点:以各支路电流为电路变量以各支路电流为电路变量 独立方程的列写独立方程的列写从电路的从电路的n n个结点中任意选择个结点中任意选择n-1n-1个结点列写个结点列写
7、KCLKCL方程方程 选择基本回路列写选择基本回路列写b-(n-1)个个KVLKVL方程方程解题思路解题思路:根据基尔霍夫定律,列独立的结点电流根据基尔霍夫定律,列独立的结点电流 和回路电压方程,然后联立求解。和回路电压方程,然后联立求解。支路电流法支路电流法:以:以各支路电流为未知量各支路电流为未知量列写电路方列写电路方程分析电路的方法。程分析电路的方法。(1)标定各支路标定各支路电流(电压)的参电流(电压)的参考方向考方向(关联关联);列支路约束方程;列支路约束方程(2)选定选定(n1)个节点,列个节点,列KCL方程;方程;(3)选定选定b(n1)个独立回路个独立回路(取网孔作独立取网孔作
8、独立回路回路),绕向为顺时针,列,绕向为顺时针,列KVL方程;方程;将支路约束方程代入将支路约束方程代入KVL方程,方程,消去支路电压,得到关于支路电消去支路电压,得到关于支路电流的方程如下:流的方程如下:总结支路电流法的一般步骤:总结支路电流法的一般步骤:(1)标定各支路电流(电压)的参考方向;标定各支路电流(电压)的参考方向;(2)选定选定(n1)个节点个节点,列写其列写其KCL方程;方程;(3)选定选定b(n1)个独立回路,列写其个独立回路,列写其KVL方程;方程;(元件特性代入元件特性代入)(4)求解上述方程,得到求解上述方程,得到b个支路电流;个支路电流;(5)进一步计算支路电压和进
9、行其它分析。进一步计算支路电压和进行其它分析。70V6V7 ba+I1I3I27 11 例例1.结点结点a:I1I2+I3=0(1)n1=1个个KCL方程:方程:求各支路电流及电压源各自发出的功率。求各支路电流及电压源各自发出的功率。解:解:(2)b(n1)=2个个KVL方程:方程:11I2+7I3=67I111I2=70-6=6412解得:解得:例例2.节点节点a:I1I2+I3=0(1)n1=1个个KCL方程:方程:列写支路电流方程列写支路电流方程.(电路中含有理想电流源电路中含有理想电流源)解解1.(2)b(n1)=2个个KVL方程:方程:11I2+7I3=U7I111I2=70-Ua1
10、270V6A7 b+I1I3I27 11 增补方程:增补方程:I2=6A+U_ _1解解2.70V6A7 b+I1I3I27 11 a由于由于I I2 2已知,故只列写两个方程已知,故只列写两个方程节点节点a:I1+I3=6避开电流源支路取回路:避开电流源支路取回路:7I17I3=70例例3.I1I2+I3=0列写支路电流方程列写支路电流方程.(电路中含有受控源电路中含有受控源)解解:11I2+7I3=5U7I111I2=70-5U增补方程:增补方程:U=7I3a1270V7 b+I1I3I27 11+5U_ _+U_有受控源的电路,方程列写分两步:有受控源的电路,方程列写分两步:(1)(1)
11、先将受控源看作独立源列方程;先将受控源看作独立源列方程;(2)(2)将将控控制制量量用用未未知知量量表表示示,并并代代入入(1)(1)中中所所列列的的方方程程,消消去去 中间变量。中间变量。支路电流法的特点:支路电流法的特点:支支路路法法列列写写的的是是 KCL和和KVL方方程程,所所以以方方程程列列写写方方便便、直直观观,但但方方程程数数较较多多,且且规规律性不强律性不强(相对于后面要介绍的方法相对于后面要介绍的方法)。手手工工求求解解比比较较繁繁琐琐,也也不不便便于于计计算算机机编编程求解,故宜于在支路数不多的情况下使用。程求解,故宜于在支路数不多的情况下使用。3.4 网孔电流法网孔电流法
12、(mesh current method)网孔电流网孔电流:沿着网孔流动的:沿着网孔流动的假想电流假想电流。图中有两个网孔,支路电流可表示为:图中有两个网孔,支路电流可表示为:基本思想:基本思想:为减少未知量为减少未知量(方程方程)的个数的个数KCLKCL自动满足自动满足一、一、什么是网孔电流法?什么是网孔电流法?网孔电流法网孔电流法:以网孔电流为独立未知以网孔电流为独立未知量,列写网孔的独立量,列写网孔的独立KVLKVL方程分析电路方程分析电路的方法。仅适用于平面电路。的方法。仅适用于平面电路。i1i3uS1uS2R1R2R3ba+i2im1im2网孔电流法是对网孔列写独立网孔电流法是对网孔
13、列写独立KVLKVL方程,方程数为:方程,方程数为:二、列方程二、列方程网孔网孔1 1:R1 im1+R2(im1-im2)-uS1+uS2=0网孔网孔2 2:R2(im2-im1)+R3 im2-uS2=0整理得:整理得:(R1+R2)im1-R2im2=uS1-uS2-R2im1+(R2+R3)im2=uS2i1i3uS1uS2R1R2R3ba+i2im1im2方程的列写方程的列写:与支路电流法相比,与支路电流法相比,方程数方程数减少减少n-1个个(R1+R2)im1-R2im2=uS1-uS2-R2im1+(R2+R3)im2=uS2i1i3uS1uS2R1R2R3ba+i2im1im2
14、令令R11=R1+R2R22=R2+R3 自阻总为正自阻总为正令令R12=R21=R2 网孔的网孔的互阻互阻:两个网孔公共支路上的电阻:两个网孔公共支路上的电阻网孔的网孔的自阻自阻:组成该网孔的所有电阻之和。组成该网孔的所有电阻之和。l 当两个网孔电流流过相关支路方向相同时,互阻取当两个网孔电流流过相关支路方向相同时,互阻取正正;否则取否则取负负。令令us11=uS1-uS2 ,us22=uS2 网孔中所有电压源的总电压网孔中所有电压源的总电压当电压源电压方向与该回路方向一致时,取当电压源电压方向与该回路方向一致时,取负负;反之取;反之取正正。R11im1+R12im2=uS11R21im1+
15、R22im2=uS22得标准形式的方程:得标准形式的方程:对于具有对于具有 l=b-(n-1)(n-1)个网孔的电路,有个网孔的电路,有:其中其中:R Rjkjk:互阻互阻+:+:流过互阻的两个网孔电流方向相同流过互阻的两个网孔电流方向相同-:-:流过互阻的两个网孔电流方向相反流过互阻的两个网孔电流方向相反0:0:无共有支路或共有支路只有电压源无共有支路或共有支路只有电压源R11im1+R12im2+R1m imm=uS11 R21im1+R22im2+R2m imm=uS22Rm1im1+Rm2im2+Rmm imm=uSmmR Rkkkk:自阻自阻(为为正正)网孔电流法的一般步骤:网孔电流
16、法的一般步骤:确定电路中各网孔的绕行方向;确定电路中各网孔的绕行方向;对对各各网网孔孔以以网网孔孔电电流流为为未未知知量量,列写其列写其KVLKVL方程;方程;求解上述方程,得到求解上述方程,得到l个网孔电流;个网孔电流;其它分析。其它分析。求各支路电流求各支路电流(用网孔电流表示用网孔电流表示);例例1.用网孔电流法求解电流用网孔电流法求解电流 i.解:解:电路有三个网孔如图所示:电路有三个网孔如图所示:i1i3i2 不含受控源的线性网络不含受控源的线性网络Rjk=Rkj,系数矩阵为对称阵系数矩阵为对称阵。当网孔电流均取顺(或逆)时当网孔电流均取顺(或逆)时针方向时,针方向时,Rjk均为负。
17、均为负。表明:表明:RSR5R4R3R1R2US+_i例例2.用网孔电流法求各支路电流用网孔电流法求各支路电流.例例3.用网孔电流法求下图所示各电源的功率用网孔电流法求下图所示各电源的功率解:解:校验:校验:求支路电流:求支路电流:注意:含受控源电路注意:含受控源电路将受控源看作独立源列方程,增将受控源看作独立源列方程,增加控制量与网孔电流关系式加控制量与网孔电流关系式例例4.增补方程增补方程列写含有无伴电流源电路的网孔电流方程列写含有无伴电流源电路的网孔电流方程注意:含有无伴电流源电路注意:含有无伴电流源电路引入电流源电压为变量,增加网引入电流源电压为变量,增加网孔电流和电流源电流的关系式。
18、孔电流和电流源电流的关系式。解:解:Im2=-is注意:含有无伴电流源电路注意:含有无伴电流源电路 只在一个网孔中,网孔电只在一个网孔中,网孔电流等于电流源电流(方向一流等于电流源电流(方向一致),有一个变量方程致),有一个变量方程.例例4 解法解法2:选取独立回路时,使理想电流源支路选取独立回路时,使理想电流源支路只在一个回路中,该回路电流即只在一个回路中,该回路电流即is.小小 结结l 1.网孔电流方程的列写网孔电流方程的列写指定指定网孔电流参考方向网孔电流参考方向按照下式列写规则对网孔列写按照下式列写规则对网孔列写KVL方程方程 其中:其中:Rkk为第为第K个网孔的个网孔的自阻自阻,Rk
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