物理电路的暂态分析电工学习教案.pptx
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1、会计学1物理电路的暂态分析物理电路的暂态分析(fnx)电工电工第一页,共72页。3.2 3.2 储能元件储能元件(yunjin)(yunjin)和换路和换路定则定则3.3 RC3.3 RC电路电路(dinl)(dinl)的响应的响应3.4 3.4 一阶线性电路暂态分析一阶线性电路暂态分析(fnx)(fnx)的三要素的三要素法法3.6 3.6 RLRL电路的响应电路的响应3.5 3.5 微分电路和积分电路微分电路和积分电路3.1 3.1 电阻元件、电感元件、电容元件电阻元件、电感元件、电容元件第第第第3章章章章 电路的暂态分析电路的暂态分析电路的暂态分析电路的暂态分析概述第1页/共72页第二页,
2、共72页。1.1.了解电阻元件、电感元件与电容元件的特征了解电阻元件、电感元件与电容元件的特征;2.2.理解电路的暂态和稳态、零输入响应、零状理解电路的暂态和稳态、零输入响应、零状 态响应、全响应的概念,以及时间常数的物态响应、全响应的概念,以及时间常数的物 理意义理意义;3.3.掌握换路定则掌握换路定则(dn z)(dn z)及初始值的求法及初始值的求法;4.4.掌握一阶线性电路分析的三要素法。掌握一阶线性电路分析的三要素法。第3章 电路(dinl)的暂态分析:本章本章本章本章(bn(bn zhnzhn)要求要求要求要求第2页/共72页第三页,共72页。稳定状态:在指定(zhdng)条件下电
3、路中电压、电流已达到稳定值。暂态过程:电路(dinl)从一种稳态变化到另一种稳态的过渡过程。第3章 电路(dinl)的暂态分析 1.1.利用电路暂态过程产生特定波形的电信号利用电路暂态过程产生特定波形的电信号 如锯齿波、三角波、尖脉冲等,应用于电子电路。如锯齿波、三角波、尖脉冲等,应用于电子电路。研究暂态过程的实际意义研究暂态过程的实际意义 2.2.控制、预防可能产生的危害控制、预防可能产生的危害 暂态过程开始的瞬间可能产生过电压、过电流使暂态过程开始的瞬间可能产生过电压、过电流使 电气设备或元件损坏。电气设备或元件损坏。第3页/共72页第四页,共72页。电路(dinl)处于稳态 T=0时刻,
4、开关(kigun)合上(电路换路)。换路前:i=0换路后:i=U/(R0+R1)换路前后(qinhu),电路处于暂态。第4页/共72页第五页,共72页。换路前:u 1=0换路后:u 1=U 换路前后,电路处于暂态。当电路中含有储能元件(yunjin)(电容、电感)的时候,由于能量的储存和释放需要过程,暂态过程较长。第5页/共72页第六页,共72页。产生产生(chnshng)(chnshng)暂态过程的必暂态过程的必要条件:要条件:换路:电路状态的改变(gibin)。如:电路电路(dinl)(dinl)接通、切断、接通、切断、短路、电压改变或参数改短路、电压改变或参数改变变产生暂态过程的原因:产
5、生暂态过程的原因:由于物体所具有的能量不能跃变而造成在换路瞬间储能元件的能量也不能跃变在换路瞬间储能元件的能量也不能跃变(1)(1)电路中含有储能元件电路中含有储能元件 (内因内因)(2)(2)电路发生换路电路发生换路 (外因外因)第6页/共72页第七页,共72页。3.1.1 3.1.1 电阻电阻(dinz)(dinz)元件元件描述(mio sh)消耗电能的性质根据欧姆定律:线性电阻线性电阻(dinz)(dinz)金属导体的电阻与导体的尺寸及导体材料的导电性能有关,表达式为:表明电能全部消耗在电阻上,转换为热能散发。表明电能全部消耗在电阻上,转换为热能散发。电阻的能量Ru+_3.13.1 电阻
6、元件、电感元件与电容元件电阻元件、电感元件与电容元件电阻元件、电感元件与电容元件电阻元件、电感元件与电容元件3.23.2 储能元件和换路定则储能元件和换路定则第7页/共72页第八页,共72页。1.1.物理物理(wl)(wl)意义意义电感:(H)线性电感线性电感:L L为常数为常数;非线性电感非线性电感:L L不为常数不为常数3.1.2 3.1.2 电感电感(din n)(din n)元件元件电流通过N匝线圈产生(磁链)电流通过一匝线圈产生(磁通)u+-2.2.自感电动势:自感电动势:第8页/共72页第九页,共72页。3.3.电感电感(din n)(din n)元件元件储能储能根据基尔霍夫定律可
7、得:将上式两边(lingbin)同乘上 i,并积分,则得:磁场磁场(cchng)(cchng)能能第9页/共72页第十页,共72页。即电感(din n)将电能转换为磁场能储存在线圈中,当电流增大时,磁场能增大,电感(din n)元件从电源取用电能;当电流减小时,磁场能减小,电感(din n)元件向电源放还能量。能量不可(bk)突变!换路前后瞬间,电感两端(lin dun)电流不能突变。即:i L(0+)=i L(0-)第10页/共72页第十一页,共72页。4.电感(din n)元件的串、并联L=L1+L21/L=1/L1+1/L2第11页/共72页第十二页,共72页。3.1.3 3.1.3 电
8、容电容电容电容(dinrng)(dinrng)元件元件元件元件电容:uiC+_电容元件电容元件 当电压(diny)u变化时,在电路中产生电流:电容元件(yunjin)储能将上式两边同乘上 u,并积分,则得:第12页/共72页第十三页,共72页。能量(nngling)不可突变!即电容将电能即电容将电能(dinnng)(dinnng)转换为电场能储存在电容中,当电转换为电场能储存在电容中,当电压增大时,电场能增大,电容元件从电源取用电能压增大时,电场能增大,电容元件从电源取用电能(dinnng)(dinnng);当电压减小时,电场能减小,电容元件向电源;当电压减小时,电场能减小,电容元件向电源放还
9、能量。放还能量。电场电场(din chng)(din chng)能能1 1:电容元件储能:电容元件储能换路前后瞬间,电容两端电压不能突变。即:第13页/共72页第十四页,共72页。1 1:电容元件:电容元件(yunjin)(yunjin)的串、的串、并联连接并联连接1/C=1/C1+1/C2C=C1+C2第14页/共72页第十五页,共72页。电容电路电容电路:注:换路定则仅用于换路瞬间(shn jin)来确定暂态过程中 uC、iL初始值。设:t=0 表示换路瞬间(定为计时起点)t=0-表示换路前的终了瞬间 t=0+表示换路后的初始瞬间(初始值)3.2 换路定换路定则则(dn z)电感(din
10、n)电路:iL(0+)=iL(0)第15页/共72页第十六页,共72页。3.3.初始值的确定初始值的确定(qudng)(qudng)求解求解(qi ji)(qi ji)要要点:点:初始值:电路初始值:电路(dinl)(dinl)中各中各 u u、i i 在在 t=0+t=0+时的数时的数值。值。1)1)先由先由t t=0=0-的电路的电路(如果处于稳态如果处于稳态,则视电容开则视电容开 路路,电电感短路感短路)求出求出 u uC C(0 0 )、i iL L(0 0 );2)2)根据换路定律求出根据换路定律求出 u uC C(0(0+)、i iL L(0(0+)。3)3)由由t t=0=0+的
11、电路求其它电量的初始值;的电路求其它电量的初始值;在在 t t=0=0+时的电压方程中时的电压方程中 u uC C=u uC C(0(0+)、t t=0=0+时的电流方程中时的电流方程中 i iL L=i iL L(0(0+)。第16页/共72页第十七页,共72页。暂态过程初始值的确定暂态过程初始值的确定暂态过程初始值的确定暂态过程初始值的确定(qudng)(qudng)例例例例1 1解:解:(1)(1)由换路前电路由换路前电路求求由已知条件知由已知条件知已知:换路前电路处稳态,已知:换路前电路处稳态,C C、L L 均未储能均未储能(ch nn)(ch nn)。试求:电路中各电压和电流试求:
12、电路中各电压和电流的初始值。的初始值。C CR R2 2S S(a(a)U R R1 1t t=0=0+-L L第17页/共72页第十八页,共72页。暂态过程初始值的确定暂态过程初始值的确定暂态过程初始值的确定暂态过程初始值的确定(qudng)(qudng)例例例例1:1:iC、uL 产生(chnshng)突变(2)由t=0+电路,求其余各电流(dinli)、电压的初始值C CR R2 2S S(a(a)U R R1 1t t=0=0+-L L(b)(b)t=0+等效电路iL(0+)iC(0+)uC(0+)uL(0+)_u2(0+)u1(0+)i1(0+)+_+第18页/共72页第十九页,共7
13、2页。例例例例2 2:换路前电路处于稳态。换路前电路处于稳态。试求图示电路中各个电压试求图示电路中各个电压(diny)(diny)和电流的初始和电流的初始值。值。解:(1)由t=0-电路求 uC(0)、iL(0)换路前电路(dinl)已处于稳态:电容元件视为开路;电感元件视为短路。由t=0-电路(dinl)可求得:2 2+_R RR R2 2R R1 1U U8V8Vt t=0=0+4 4i i1 14 4i iC C_u uC C_u uL Li iL LR R3 34 44 42 2+_R RR R2 2R R1 1U U8V8V+4 4i i1 14 4i iC C_u uC C_u u
14、L Li iL LR R3 3L LC Ct=0-等效电路第19页/共72页第二十页,共72页。例例例例2 2:换路前电路处于换路前电路处于(chy)(chy)稳态。稳态。试求图示电路中各个电压和电流的初始值。试求图示电路中各个电压和电流的初始值。解:由换路定则(dn z):2 2+_R RR R2 2R R1 1U U8V8Vt t=0=0+4 4i i1 14 4i iC C_u uC C_u uL Li iL LR R3 34 44 42 2+_R RR R2 2R R1 1U U8V8V+4 4i i1 14 4i iC C_u uC C_u uL Li iL LR R3 3L LC
15、Ct=0-等效电路第20页/共72页第二十一页,共72页。例例例例2 2:换路前电路换路前电路(dinl)(dinl)处稳态。处稳态。试求图示电路试求图示电路(dinl)(dinl)中各个电压和电流的初始值。中各个电压和电流的初始值。解:(2)由t=0+电路(dinl)求 iC(0+)、uL(0+)由图可列出带入数据t=0+时等效电路i iL L(0(0+)u uc c(0(0+)2 2+_R RR R2 2R R1 1U U8V8Vt t=0=0+4 4i i1 14 4i iC C_u uC C_u uL Li iL LR R3 34 44V1A4 42 2+_R RR R2 2R R1
16、1U U8V8V+4 4i iC C_i iL LR R3 3i i第21页/共72页第二十二页,共72页。例例例例2 2:换路前电路换路前电路(dinl)(dinl)处稳态。处稳态。试求图示电路试求图示电路(dinl)(dinl)中各个电压和电流的初始中各个电压和电流的初始值。值。解:解之得 并可求出2 2+_R RR R2 2R R1 1U U8V8Vt t=0=0+4 4i i1 14 4i iC C_u uC C_u uL Li iL LR R3 34 4t=0+时等效电路4V1A4 42 2+_R RR R2 2R R1 1U U8V8V+4 4i iC C_i iL LR R3 3
17、i i第22页/共72页第二十三页,共72页。计算结果:计算结果:电量(dinling)换路瞬间,换路瞬间,不能跃变,但不能跃变,但可以跃变。可以跃变。2 2+_R RR R2 2R R1 1U U8V8Vt t=0=0+4 4i i1 14 4i iC C_u uC C_u uL Li iL LR R3 34 4第23页/共72页第二十四页,共72页。结论结论(jiln)(jiln)1.1.换路瞬间,换路瞬间,uCuC、iL iL 不能跃变不能跃变,但其它电量但其它电量(dinling)(dinling)均可以跃均可以跃 变。变。3.3.换路后一瞬间换路后一瞬间(0+(0+时刻时刻),),电
18、容元件上电压为电容元件上电压为uc(0+),uc(0+),电感元件上电流为电感元件上电流为iL(0+),iL(0+),为已知值。和电路为已知值。和电路(dinl)(dinl)中中的其它变量无关,可根据这两个已知值求其它变量。的其它变量无关,可根据这两个已知值求其它变量。2.2.换路前一瞬间换路前一瞬间(0-(0-时刻时刻),),若电路处于稳态,可视电容元若电路处于稳态,可视电容元件短路,电感元件开路。件短路,电感元件开路。第24页/共72页第二十五页,共72页。3.3 RC3.3 RC电路电路电路电路(dinl)(dinl)的响应的响应的响应的响应响应(xingyng):根据激励(电源电压或电
19、流(dinli),通过分析电路的暂态过程得出电路的响应(电压和电流(dinli)。响应的分类:零输入响应:无电源激励,输入信号为零,仅由储能元件的初始储能所产生的电路的响应。零状态响应:储能元件的初始能量为零,仅由电源激励所产生的电路的响应。全响应:电源激励、储能元件的初始能量均不为零时,电路中的响应。第25页/共72页第二十六页,共72页。换路前电路已处稳态 t=0时开关,电容C 经电阻R 放电1.电容(dinrng)电压 uC 的变化规律(t 0)图示电路(dinl)实质实质(shzh)(shzh):RCRC电路的放电路的放电过程电过程3.3.1 3.3.1 RCRC电路的零输入响应电路的
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