第3章电路的暂态分析精选PPT.ppt
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1、第第3章电路的暂态分章电路的暂态分析析第1页,本讲稿共61页 理解电路的暂态与稳态、零输入响应、零状态响理解电路的暂态与稳态、零输入响应、零状态响应、全响应的概念,以及电路时间常数的物理意义;应、全响应的概念,以及电路时间常数的物理意义;掌握换路定则及初始值的求法;掌握一阶线性电路分掌握换路定则及初始值的求法;掌握一阶线性电路分析的三要素法。析的三要素法。换路定则、电流初值的确定,一阶线性电路暂态换路定则、电流初值的确定,一阶线性电路暂态分析的三要素法。分析的三要素法。第2页,本讲稿共61页 电流初值的确定,一阶线性电路暂态分析的三电流初值的确定,一阶线性电路暂态分析的三要素法。要素法。讲课讲
2、课4 4学时,习题学时,习题1 1学时。学时。第3页,本讲稿共61页研究暂态过程的目的:研究暂态过程的目的:认识和掌握这种客观存在的物理现象的规律,既认识和掌握这种客观存在的物理现象的规律,既要充分利用暂态过程的特性,同时也必须预防它所产要充分利用暂态过程的特性,同时也必须预防它所产生的危害。生的危害。1.1.讨论暂态过程中电压与电流随时间变化的规律。讨论暂态过程中电压与电流随时间变化的规律。2.2.影响暂态过程快慢的电路时间常数。影响暂态过程快慢的电路时间常数。暂态过程:暂态过程:电路从一种稳态变化到另一种稳态的电路从一种稳态变化到另一种稳态的过渡过程。过渡过程。电路暂态分析的内容:电路暂态
3、分析的内容:第4页,本讲稿共61页3.1.1 电阻元件电阻元件 电压与电流的关系:电压与电流的关系:电阻对电流起阻碍作用。电阻对电流起阻碍作用。上式表明电能全部消耗在电阻元件上,转换为上式表明电能全部消耗在电阻元件上,转换为热能,电阻元件是热能,电阻元件是耗能元件耗能元件。电阻能量:电阻能量:参数意义:参数意义:3.1 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Rui+-第5页,本讲稿共61页 参数意义参数意义电感单位:电感单位:亨亨(H)、毫亨、毫亨(mH)3.1.2 电感元件电感元件单位:韦单位:韦(Wb)线圈的匝数线圈的匝数N愈多,其电感愈大;线圈中单位电愈多,其电感愈大;
4、线圈中单位电流产生的磁通愈大,电感也愈大。流产生的磁通愈大,电感也愈大。3.1 3.1 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感元件电感元件Lui+-+-eLu+-ieL磁通:磁通链:第6页,本讲稿共61页 电压与电流的关系电压与电流的关系 电流电流 i 与磁通与磁通、感应电动势、感应电动势 eL与磁通与磁通的参的参考考方向之间均符合方向之间均符合右螺旋定则右螺旋定则。感应电动势感应电动势eL:具有阻碍电流变化的性质。:具有阻碍电流变化的性质。当电流变化率为零,即线圈通过恒定电流时,当电流变化率为零,即线圈通过恒定电流时,电感端电压为零,故电感端电压为零,故电感元件对直流电
5、路视作短路电感元件对直流电路视作短路。3.1 3.1 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Lui+-+-eL第7页,本讲稿共61页 当电感元件中的电流增大时,磁场能量增大,当电感元件中的电流增大时,磁场能量增大,电能转换为磁能,即电感元件从电源取用能量。电能转换为磁能,即电感元件从电源取用能量。磁场能量:磁场能量:电感元件能量电感元件能量 当电流减小时,磁场能量减小,磁能转换为电当电流减小时,磁场能量减小,磁能转换为电能,即电感元件向电源放还能量。能,即电感元件向电源放还能量。电感元件是储能元件,不是耗能元件电感元件是储能元件,不是耗能元件3.1 3.1 电阻元件、电感元件
6、与电容元件电阻元件、电感元件与电容元件将 两边乘以 i,并积分之,得第8页,本讲稿共61页 参数意义:参数意义:电容单位:法法(F),微法,微法(F),皮法,皮法(pF)电压与电流的关系电压与电流的关系 当电压变化率为零时,即电压为恒定电压时,当电压变化率为零时,即电压为恒定电压时,流过电容电流为零,故流过电容电流为零,故电容对直流电路视作开路电容对直流电路视作开路。3.1.3 电容元件电容元件3.1 3.1 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容元件Cui+-第9页,本讲稿共61页 当电容元件上的电压增高时,电场能量增大,当电容元件上的电压增高时,电场能量增大,电容元件
7、从电源取用能量(充电)。电容元件从电源取用能量(充电)。电容元件能量电容元件能量 当电压降低时,电场能量减小,电容元件向电当电压降低时,电场能量减小,电容元件向电源放还能量(放电)。源放还能量(放电)。3.1 3.1 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场能量:电场能量:将 两边乘以 u,并积分之,得电容元件是储能元件,不是耗能元件电容元件是储能元件,不是耗能元件第10页,本讲稿共61页3.2 储能元件和换路定则储能元件和换路定则3.2.1 电路中产生暂态过程的条件与原因电路中产生暂态过程的条件与原因 产生暂态过程的条件产生暂态过程的条件 换路:换路:电路的接通、断开、短
8、路、电压改变或电路的接通、断开、短路、电压改变或参数改变等,使电路中的能量发生变化。参数改变等,使电路中的能量发生变化。电路中含有储能元件;电路中含有储能元件;产生暂态过程的原因产生暂态过程的原因换路瞬间由于储能元件的能量不能跃变而产生。换路瞬间由于储能元件的能量不能跃变而产生。电路发生换路。电路发生换路。第11页,本讲稿共61页3.2 3.2 储能元件和换路定则储能元件和换路定则 电感元件中储有的磁能 不能跃变,因此iL不能跃变。电容元件中储有的电能 不能跃变,因此uC不能跃变。3.2.2 换路定则换路定则换路定则:换路定则:电路换路瞬间,电感元件中的电流和电容电路换路瞬间,电感元件中的电流
9、和电容元件上的电压不能跃变。元件上的电压不能跃变。设设 t=0 为为换路瞬间,则换路瞬间,则 t=0-表示换路前的终了瞬间表示换路前的终了瞬间 t=0+表示换路后的初始瞬间表示换路后的初始瞬间(初始值)(初始值)第12页,本讲稿共61页 换路定则仅适用于换路瞬间,用来确定换路定则仅适用于换路瞬间,用来确定t=0+时时电路中电压和电流之值,即暂态过程的初始值。电路中电压和电流之值,即暂态过程的初始值。换路定则换路定则3.2 3.2 储能元件和换路定则储能元件和换路定则第13页,本讲稿共61页 换路前,若储能元件储有能量,则在换路前,若储能元件储有能量,则在t=0-的等的等效电路中:效电路中:根据
10、换路定则求出根据换路定则求出uC(0+)、iL(0+)。电容元件视作开路,电容元件视作开路,即求开路电压即求开路电压uC(0)。电感元件视作短路,电感元件视作短路,即求短路电流即求短路电流iL(0)。3.2 3.2 储能元件和换路定则储能元件和换路定则3.2.3 初始值的确定初始值的确定 独立初始条件独立初始条件uC(0+)与与iL(0+)的确定的确定由由t=0-的等效电路求出的等效电路求出uC(0)、iL(0)。第14页,本讲稿共61页换路前,如果储能元件换路前,如果储能元件储有能量储有能量,则在,则在t=0+的等效的等效电路中:电路中:换路前,如果储能元件换路前,如果储能元件无储能无储能,
11、则在,则在t=0+的等效电的等效电路中,路中,电容元件视作短路电容元件视作短路,电感元件视作开路电感元件视作开路。电容元件用理想电压源代替电容元件用理想电压源代替,其电压值为,其电压值为uC(0+);电感元件用理想电流源代替电感元件用理想电流源代替,其电流值为,其电流值为iL(0+)。3.2 3.2 储能元件和换路定则储能元件和换路定则根据根据t=0+等效电路求非独立初始值。等效电路求非独立初始值。画出画出t=0+时的等效电路:时的等效电路:换路瞬间,除电容电压换路瞬间,除电容电压uC与电感电流与电感电流iL不能跃变不能跃变外,其它电量均可以跃变。外,其它电量均可以跃变。非独立初始条件非独立初
12、始条件(其它电压和电流的初始值其它电压和电流的初始值)的确定的确定第15页,本讲稿共61页例:例:换路前电路处于稳态,试求图示电路中元件电压换路前电路处于稳态,试求图示电路中元件电压和电流的初始值。和电流的初始值。解:解:由由t=0-等效电路求等效电路求 uC(0)、iL(0)3.2 3.2 储能元件和换路定则储能元件和换路定则624Vt=0iSiCuCuLiL12i16i2+-+-+-t=0-等效电路 624VuC(0-)126+-+-iL(0-)第16页,本讲稿共61页由由t=0+等效电路求非独立初始值等效电路求非独立初始值3.2 3.2 储能元件和换路定则储能元件和换路定则t=0+等效电
13、路 624VuC(0+)126+-+-iL(0+)i1(0+)i2(0+)iS(0+)iC(0+)uL(0+)+-第17页,本讲稿共61页3.3 RC 电路的响应电路的响应 实质:分析实质:分析RC电路的放电路的放电过程。电过程。3.3.1 RC电路的零输入响应电路的零输入响应经典法:经典法:根据激励根据激励(电源电压或电流电源电压或电流),通过求解电路,通过求解电路的微分方程得出电路的响应的微分方程得出电路的响应(电压和电流电压和电流)。Ut=0C+-+-RuRuCiRC放电电路零输入响应:零输入响应:无电源激励,无电源激励,输入信号为零,仅由电容元输入信号为零,仅由电容元件的初始状态件的初
14、始状态 uC(0+)所产所产生的电路的响应。生的电路的响应。第18页,本讲稿共61页一阶线性常系数齐次微分方程 电容电压电容电压 uC 的变化规律的变化规律(t 0)t=0 时开关时开关S由由1切换到切换到2令方程通解为:令方程通解为:特征方程:特征方程:3.3 RC3.3 RC电路的响应电路的响应Ut=0C+-+-RuRuCiRC放电电路将其带入方程得将其带入方程得第19页,本讲稿共61页由初始值确定由初始值确定积分常数积分常数A方程通解为:方程通解为:电容电压电容电压uC按指数规律从初始值按指数规律从初始值U衰减而趋于衰减而趋于零,衰减的快慢由电路的零,衰减的快慢由电路的时间常数时间常数决
15、定。决定。根据换路定则:根据换路定则:t=0+时,则时,则 A=U3.3 RC3.3 RC电路的响应电路的响应电容电压电容电压 uC 的变化规律(的变化规律(t 0)为)为第20页,本讲稿共61页 i、uR的变化规律的变化规律 uC、i、uR的变化曲线的变化曲线U-U3.3 RC3.3 RC电路的响应电路的响应Ut=0C+-+-RuRuCiRC放电电路tOuC,i,uR第21页,本讲稿共61页物理意义物理意义令:单位单位:秒(秒(S)时间常数时间常数 决定电路暂态过程变化的快慢。决定电路暂态过程变化的快慢。当 时,时间常数时间常数等于电压等于电压uC衰减到衰减到初始值初始值U的的36.8%所需
16、的时间。所需的时间。时间常数时间常数3.3 RC3.3 RC电路的响应电路的响应tOuCU36.8%U第22页,本讲稿共61页经过经过 t=5 的时间,就足可认为电路达到稳态。的时间,就足可认为电路达到稳态。理论上理论上 t 电路才能达到稳态。电路才能达到稳态。工程上认为 电路就可认为达到稳态。3.3 RC3.3 RC电路的响应电路的响应几何意义:几何意义:指数曲线上任意点指数曲线上任意点的次切距的长度都等于的次切距的长度都等于 。暂态时间暂态时间tOuCU36.8%U0.368U 0.135U 0.050U 0.018U 0.007U 0.002U随时间而衰减第23页,本讲稿共61页 3.3
17、.2 RC电路的零状态响应电路的零状态响应零状态响应:零状态响应:换路前电容无初换路前电容无初始储能,换路后仅由电源激励始储能,换路后仅由电源激励所产生的电路的响应。所产生的电路的响应。实质:分析实质:分析RC电路的充电电路的充电过程。过程。在在t=0时合上开关时合上开关S,此时电,此时电路实为输入一阶跃电压路实为输入一阶跃电压 u,如图,如图,Utu阶跃电压O与恒定电压不同,其表示式为与恒定电压不同,其表示式为3.3 RC3.3 RC电路的响应电路的响应Ut=0C+-+-RuRuCiRC充电电路+-u第24页,本讲稿共61页一阶线性常系数非齐次微分方程方程的通解方程的通解=特解特解+补函数补
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