三要素法暂态分析教学文稿.ppt
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1、 高高 等等 教教 育育 出出 版版 社社高等教育电子音像出版社高等教育电子音像出版社1.12电路电路(dinl)的暂态分析的暂态分析 前前面面讨讨论论的的是是电电阻阻性性电电路路(dinl)(dinl),当当接接通通电电源源或或断断开开电电源源时时电电路路(dinl)(dinl)立立即即进进入入稳稳定定状状态态(稳稳态态)。所所谓谓稳稳态态是是指指电电路路(dinl)(dinl)的的结结构构和和参参数数一一定定时时,电电路路(dinl)(dinl)中中电电压压、电电流流不变。不变。但但是是,当当电电路路中中含含有有储储能能元元件件(电电感感或或电电容容)时时,由由于于物物质质所所具具有有的的
2、能能量量不不能能跃跃变变,所所以以在在发发生生换换路路时时(指指电电路路接接通通、断断开开或或结结构构和和参参数数发发生生变变化化),电电路路从从一一个个稳稳定定状状态态(zhungti)(zhungti)变变化化到到另另一一个个稳稳定定状状态态(zhungti)(zhungti)一一般般需需要要经经过过 过过 渡渡 状状 态态(zhungti)(zhungti)才才 能能 到到 达达。由由 于于 过过 渡渡 状状 态态(zhungti)(zhungti)所经历的时间往往很短,故又称暂态过程。所经历的时间往往很短,故又称暂态过程。本本节节先先讨讨论论 R R、L L、C C 的的特特征征和和暂
3、暂态态过过程程产产生生的的原原因因,而而后讨论暂态过程中电压、电流随时间变化的规律。后讨论暂态过程中电压、电流随时间变化的规律。第一页,共36页。高高 等等 教教 育育 出出 版版 社社高等教育电子音像出版社高等教育电子音像出版社上式表明电阻将全部上式表明电阻将全部(qunb)电能消耗掉,转换成热能。电能消耗掉,转换成热能。(1)电阻电阻(dinz)元件元件iu+_R 图图中中参参考考电电压压和和电电流流(dinli)方方向向一一致,根据欧姆定律得出致,根据欧姆定律得出u=RiR=ui电阻元件的参数电阻元件的参数电阻对电流有阻碍作用电阻对电流有阻碍作用将将 u=Ri 两边同乘以两边同乘以 i,
4、并积分之,则得,并积分之,则得 R 是耗能元件是耗能元件1.12.1电阻元件、电感元件和电容元件电阻元件、电感元件和电容元件第二页,共36页。高高 等等 教教 育育 出出 版版 社社高等教育电子音像出版社高等教育电子音像出版社(安安)A韦伯韦伯(Wb)亨利亨利(hngl)(H)电感电感(din n)(2)电感电感(din n)元件元件L=iN 在图示在图示 u、i、e 假定参考方向的前提下,当通过线圈的磁假定参考方向的前提下,当通过线圈的磁通或通或 i 发生变化时,线圈中产生感应电动势为发生变化时,线圈中产生感应电动势为L 称为电感或自感。线圈的匝数越多,其电感越大;线称为电感或自感。线圈的匝
5、数越多,其电感越大;线圈单位电流中产生的磁通越大,电感也越大。圈单位电流中产生的磁通越大,电感也越大。L+uieL+描述线圈通有电流时产生磁场、储存磁场能量的性质。描述线圈通有电流时产生磁场、储存磁场能量的性质。描述线圈通有电流时产生磁场、储存磁场能量的性质。描述线圈通有电流时产生磁场、储存磁场能量的性质。iN+u 第三页,共36页。高高 等等 教教 育育 出出 版版 社社高等教育电子音像出版社高等教育电子音像出版社电压电流电压电流(dinli)关系关系L+uieL+根据根据(gnj)KVL 可写出可写出u+eL=0或或在直流稳态时,电感在直流稳态时,电感(din n)相当于短路。相当于短路。
6、瞬时功率瞬时功率p 0,L 把电能转换为磁场能,吸收功率。把电能转换为磁场能,吸收功率。p 0,L 把磁场能转换为电能,放出功率。把磁场能转换为电能,放出功率。储存的磁场能储存的磁场能 L 是储能元件是储能元件第四页,共36页。高高 等等 教教 育育 出出 版版 社社高等教育电子音像出版社高等教育电子音像出版社(伏伏)V库仑库仑(kln)(C)法拉法拉(fl)(F)(3)电容电容(dinrng)元件元件电容元件的参数电容元件的参数iu+C1 F=10 6 F1 pF=10 12 F当当通通过过电电容容的的电电荷荷量量或或电电压压发发生生变变化化时时,则则在在电电容容中引起电流中引起电流在直流稳
7、态时,在直流稳态时,I=0,电容隔直流。,电容隔直流。储存的电场能储存的电场能 C 是储能元件是储能元件第五页,共36页。高高 等等 教教 育育 出出 版版 社社高等教育电子音像出版社高等教育电子音像出版社1.12.2储能储能(ch nn)元件和换路定则元件和换路定则电路中含有储能元件电路中含有储能元件(yunjin)(电感或电容电感或电容),在换路瞬间,在换路瞬间储能元件储能元件(yunjin)的能量不能跃变,即的能量不能跃变,即换路引起电路工作状态变化的各种因素。如:电路接通、断开换路引起电路工作状态变化的各种因素。如:电路接通、断开或结构或结构(jigu)和参数发生变化等。和参数发生变化
8、等。电感元件的储能不能跃变电感元件的储能不能跃变电容元件的储能不能跃变电容元件的储能不能跃变iL(0+)=iL(0)uC(0+)=uC(0)设设 t=0 为换路瞬间,而以为换路瞬间,而以 t=0 表示换路前的终了瞬间,表示换路前的终了瞬间,t=0+表表示换路后的初始瞬间。示换路后的初始瞬间。换路定则用公式表示为:换路定则用公式表示为:否则将使功率达到无穷大否则将使功率达到无穷大第六页,共36页。高高 等等 教教 育育 出出 版版 社社高等教育电子音像出版社高等教育电子音像出版社例例 14 R3+U6 Vt=02 SR1R24 uCC+iCiL t=0-iLuL确确定定电电路路中中各各电电流流(
9、dinli)(dinli)与与电电压压的的初初始始值值。设设开开关关 S S 闭合前闭合前 L L 元件和元件和 C C 元件均未储能。元件均未储能。解解 由由 t=0 t=0 的电路的电路(dinl)(dinl)uC(0uC(0)=0)=0iL(0iL(0)=0)=0因此因此(ync)uC(0+)=0iL(0+)=0第七页,共36页。高高 等等 教教 育育 出出 版版 社社高等教育电子音像出版社高等教育电子音像出版社+UR1i+uLiLR2 R3uC+iCt=0+在在 t=0+的电路中的电路中电容元件短路,电容元件短路,电电感感(din n)元元件件开开路,路,求出各初始值求出各初始值uL(
10、0+)=R2iC(0+)=4 1 V=4 V第八页,共36页。高高 等等 教教 育育 出出 版版 社社高等教育电子音像出版社高等教育电子音像出版社结论结论(jiln)(1)换路瞬间换路瞬间(shn jin),uC、iL 不能跃变不能跃变,但其它电量但其它电量均可以跃均可以跃 变。变。(3)换路前换路前,若若uC(0-)0,换路瞬间换路瞬间(shn jin)(t=0+等效电等效电路中路中),电容元件可用一理想电压源替代电容元件可用一理想电压源替代,其电压为其电压为uc(0+);换路前换路前,若若iL(0-)0,在在t=0+等效电路中等效电路中,电感元件电感元件 可用一理想电流源替代,其电流为可用
11、一理想电流源替代,其电流为iL(0+)。(2)换路前换路前,若储能元件没有储能若储能元件没有储能,换路瞬间换路瞬间(t=0+的等效的等效 电路中电路中),可视电容元件短路,电感元件开路。,可视电容元件短路,电感元件开路。第九页,共36页。高高 等等 教教 育育 出出 版版 社社高等教育电子音像出版社高等教育电子音像出版社1.12.3RC 电路电路(dinl)的暂态分析的暂态分析(1)零零状状态态(zhungti)响应响应所所谓谓 RC 电电路路的的零零状状态态,是是指指换换路路前前电电容容(dinrng)元元件件未未储有能量,即储有能量,即 uC(0-)=0。在在此此条条件件下下,由由电电源源
12、激激励励所所产产生生的的电电路路的的响响应应,称称为为零零状状态态响响应。应。(2)零输入响应零输入响应所所谓谓 RC 电电路路的的零零输输入入,是是指指无无电电源源激激励励,输输入入信信号号为为零零。在在此此条条件件下下,由由电电容容元元件件的的初初始始状状态态 uC(0+)所所产产生生的的电电路路的的响响应应,称为零输入响应。称为零输入响应。(3)全响应全响应所所谓谓 RC 电电路路的的全全响响应应,是是指指电电源源激激励励和和电电容容元元件件的的初初始始状状态态 uC(0+)均均不不为为零零时时电电路路的的响响应应,也也就就是是零零状状态态响响应应与与零零输输入入响应两者的叠加。响应两者
13、的叠加。第十页,共36页。高高 等等 教教 育育 出出 版版 社社高等教育电子音像出版社高等教育电子音像出版社USCRt=0+12+uR+uCi在在 t=0 时时将将开开关关(kigun)S 合合到到 1 的的位位置置根据根据(gnj)KVL,t 0 时电路的微分方程为时电路的微分方程为 设:设:S 在在 2 位置时位置时 C 已放电已放电(fng din)完毕完毕(1)零状态响应零状态响应第十一页,共36页。高高 等等 教教 育育 出出 版版 社社高等教育电子音像出版社高等教育电子音像出版社上式的通解有两个部分,特解和补函数上式的通解有两个部分,特解和补函数特解取电路特解取电路(dinl)的
14、稳态值,的稳态值,即即补函数补函数(hnsh)是齐次微分方是齐次微分方程程的通解的通解(tngji),其,其形式为形式为代入上式,得特征方程代入上式,得特征方程第十二页,共36页。高高 等等 教教 育育 出出 版版 社社高等教育电子音像出版社高等教育电子音像出版社SCRt=0+U12+uR+uCi其根为其根为通通 解解(tngji)由由于于换换路路前前电电容容元元件件未未储储能能(ch nn),即即 uC(0+)=0,则,则 A=U,于是得于是得 uC 零状态响应表达式零状态响应表达式第十三页,共36页。高高 等等 教教 育育 出出 版版 社社高等教育电子音像出版社高等教育电子音像出版社时间常
15、数时间常数(sh jin(sh jin chn sh)chn sh)物理物理(wl)意义当意义当 t=时时令令:单位单位(dnwi):s时间常数时间常数 决定电路决定电路暂态过程变化的快慢暂态过程变化的快慢uC=U(1 e 1)=U(1 0.368)=0.632UtuCUOu0.632U 零状态响应曲线零状态响应曲线所所以以时时间间常常数数 等等于于电电压压 uC 增增长长到到稳稳态态值值 U 的的 63.2%所所需需的的时时间。间。第十四页,共36页。高高 等等 教教 育育 出出 版版 社社高等教育电子音像出版社高等教育电子音像出版社(2)零输入零输入(shr)响应响应+SRU21+代入上式
16、得代入上式得换路前电路换路前电路(dinl)已处于稳态已处于稳态 t=0 时开关时开关(kigun)S 1,电容,电容 C 经电阻经电阻 R 放电放电一阶线性常系数一阶线性常系数 齐次微分方程齐次微分方程列列 KVL方程方程实质:实质:RC 电路的放电过程电路的放电过程第十五页,共36页。高高 等等 教教 育育 出出 版版 社社高等教育电子音像出版社高等教育电子音像出版社特征方程特征方程RCp+1=0由初始值确定由初始值确定(qudng)积分常数积分常数 AuC(0+)=uC(0)=U uC()=0则则 A=U 零输入零输入(shr)响应表达式响应表达式t0第十六页,共36页。高高 等等 教教
17、 育育 出出 版版 社社高等教育电子音像出版社高等教育电子音像出版社uC零输入响应曲线零输入响应曲线OuUt时间常数时间常数(sh jin chn sh)=RC当当 t=时,时,uC=36.8%U电电容容电电压压 uC 从从初初始始值值按按指指数数规规律律衰衰减减(shui jin),衰衰减减(shui jin)的快慢由的快慢由 RC 决定。决定。越越大大,曲曲线线变变化化越越慢慢,uC 达达到到(d do)稳稳态态所所需需要要的的时时间间越越长长。第十七页,共36页。高高 等等 教教 育育 出出 版版 社社高等教育电子音像出版社高等教育电子音像出版社0.368UUtOuC设设 1 2 3第十
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