电路的一般分析方法.ppt
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1、第2章 电路的一般分析方法,2.1等效电路分析电阻的串联、并联与等效二端网络电阻星形连接与三角形连接的等效变换电压源与电流源的串联、并联戴维南等效电路与诺顿等效电路2.2电路的基本分析方法支路电流法网孔分析法节点电压分析法,2.1 等效电路分析,2.1.1 电阻的串联、并联与等效二端网络1.电阻的串联若电路中有两个或更多个电阻一个接一个地首尾相接,并且在这些电阻中通过同一电流,则这样的连接法称为电阻的串联,如图2.1(a)所示。,图2.1 电阻的串联,2.1 等效电路分析,U表示a、b两端电压,I是通过串联电路的电流,R1,R2,Rn表示各个电阻,U1,U2,Un分别是各电阻两端的电压,由基尔
2、霍夫电压定律得出U=U1+U2+Un=I(R1+R2+Rn)=RI因此式中,R是串联电阻的等效电阻,如图2.1(b)所示。在电阻串联时,各电阻两端的电压UI为,2.1 等效电路分析,电阻串联时,其功率为上式表明,n个串联电阻吸收的功率等于等效电阻所吸收的功率。由图2.1(a)到图2.1(b)的电路变换称为等效变换电路。,2.1 等效电路分析,2.电阻的并联若电路中有两个或更多个电阻连接在两个公共节点之间,并且各电阻上的电压是相同的,则这样的连接方法称为电阻的并联,如图2.2(a)所示。,图2.2 电阻的并联,2.1 等效电路分析,用U表示a、b两端所加电压,I1,I2,In表示各电阻中流过的电
3、流,由基尔霍夫电流定律可知令,如图2.2(b)所示,将其代入上式可得出,2.1 等效电路分析,G称为并联电阻的电导或等效电导。在国际单位制(SI)中,电导单位是西门子(S)。电阻并联时,各电阻中的电流为可见,各个并联电阻中的电流与各自电导成正比,即总电流按各个并联电阻的电导进行分配。式(2-6)为电流分配公式。电阻并联,功率为上式表明,由几个并联电阻吸收的总功率等于等效电阻所吸收的功率。,2.1 等效电路分析,3.等效二端网络具有两个接线端的部分电路,进出接线端是同一电流,则称该部分电路为二端网络。二端网络分为无源二端网络和有源二端网络两种。,图2.3 二端网络的等效化简,2.1 等效电路分析
4、,图2.3(a)所示电路中,R3和R4串联后等效电阻R再与R2并联,其结果R再与R1串联。逐渐化简可得到图2.3(b)、图2.3(c)和图2.3(d)所示电路。其等效电阻为R=R1+R2(R3+R4)R2+R3+R4图2.3(d)与图2.3(a)端口的伏安关系相同,所以这两个二端网络是等效的。运用二端网络等效概念,在内部结构未知时,可以用实验方法求出二端网络端电压及电流值,即可求出其等效的电阻。,2.1 等效电路分析,【例2.1】如图2.4(a)所示,求a、b端等效电阻Rab。解:由图2.4(a)的a、b两端看去,首先缩短电路图中无电阻支路,为使其关系明确,可调换元件在电路中的位置,如图2.4
5、(b)所示。最后按串、并联关系逐步化简成图2.4(c),写出其等效电阻。Rab=3,图2.4 例2.1图,2.1 等效电路分析,【例2.2】如图2.5(a)所示电路,求Rab。解:求a、b端等效电阻,首先缩短图2.5(a)中无电阻支路,为使连接关系明确,可调换元件在电路中的位置,如图2.5(b)所示。然后按串、并联关系逐步化简成图2.5(c),写出其等效电阻。,图2.5 例2.2图,2.1 等效电路分析,电阻星形连接与三角形连接的等效变换1.电阻的星形连接与三角形连接将三个电阻的一端都接在一个公共节点上,另一端分别接到三个端钮上,构成电阻的星形(Y)连接,如图2.6(a)所示。将三个电阻分别连
6、接在三个节点上,从而组成一个闭合回路,如图2.6(b)所示,构成三角形()连接。,图2.6 电阻的星形连接与三角形连接,2.1 等效电路分析,2.电阻的星形(Y)与三角形()连接的等效变换星形连接和三角形连接都是通过三个端钮与外部相连的。它们之间的等效变换就是要求它们外部性能相同,即当它们对应端钮间的电压相等时,流入对应端钮间的电流也必须分别相等。,图2.7 电阻星形连接与三角形连接的等效互换,2.1 等效电路分析,图2.7(a)、图2.7(b)分别表示接到端钮1、端钮2、端钮3的星形连接和三角形连接的三个电阻。设在它们对应端钮之间有相同的电压U12、U23、U31,其电流参考方向也在图上标出
7、。如果它们彼此相等,即I1=I1I2=I2I3=I3 对于三角形连接的网络,各电阻中的电流分别为根据KCL,端钮处电流分别为,2.1 等效电路分析,对于星形连接的网络,要找出端钮处电流与端钮之间的电压关系稍复杂些,但根据下式可解出电流,2.1 等效电路分析,不论电压U12、U23、U31为何值,两个网络若要等效,流入对应端钮的电流就必须相等,所以式(28)与式(29)中电压U12、U23、U31前面的系数应该对应相等,解得,2.1 等效电路分析,上式从已知的星形网络电阻来确定等效三角形网络各电阻关系式。由式(2-10)可解出上式从三角形网络电阻确定等效星形网络各电阻关系式。式(2-10)用电导
8、表示,则写成,2.1 等效电路分析,【例2.3】电路如图2.8(a)所示,已知Uab=240V,Uac=120V,Ra=Rb=Rc=8,求Ia。解:先将图2.8(a)转换成图2.8(b)的三角形连接。Ra=Rb=Rc=RY代入式(2-10),得出Rab=Rbc=Rac=RR=3RY=38=24电阻Rab和Rac上电压为已知,根据欧姆定律可得出,图2.8 例2.3图,2.1 等效电路分析,2.1.3 电压源与电流源的串联、并联1.电压源的串联、并联现有三个电压源串联如图2.9(a)所示。根据基尔霍夫电压定律可得Uab=US1-US2+US3(2-13)US=Uab(2-14)图2.9(b)是图2
9、.9(a)的等效电路。其a、b端电压Uab为US1-US2+US3,即等效电压US。不论外电路如何变化,US不变。,图2.9 电压源串联电路,2.1 等效电路分析,当a、b两端有n个电压源串联时,其等效电压源为n个电压源的代数和,即2.电流源的串联、并联以三个电流源并联为例,如图2.10(a)所示。根据基尔霍夫电流定律得出I=IS=-IS1+IS2+IS3(2-16),图2.10 电流源并联电路,2.1 等效电路分析,图2.10(b)符合式(216)等效电路。不论a、b两端的电路如何变化,等效电流源IS不变。当a、b两端有n个电流源并联时,则,2.1 等效电路分析,3.电压源与电流源串联、并联
10、(1)电压源与电流源串联根据伏安关系相等原则,图2.11(a)所示电路等效成图2.11(b)所示电路。若电阻与电流源串联,如图2.12(a)所示,从a、b两端看去,其等效电路如图2.12(b)所示,电阻RS不加考虑。,图2.11 电压源与电流源串联及其等效电路,图2.12 电流源与电阻串联及其等效电路,2.1 等效电路分析,(2)电压源与电流源并联电压源与电流源并联电路如图2.13(a)所示。根据电压源特性,可以等效成图2.13(b)所示电路,图中的电流源不考虑。若电压源与电阻并联如图2.14(a)所示,并联电阻RS不予考虑,图2.14(b)是图2.14(a)的等效电路。,图2.13 电压源与
11、电流源并联及其等效电路,图2.14 电压源与电阻并联及其等效电路,2.1 等效电路分析,【例2.4】试求图2.15(a)所示电路的等效电路。解:在图2.15(a)所示电路中,将1A电流源与2V电压源串联支路化简成图2.15(b)所示电路,然后将其1A电流源与2V电压源并联电路化简为2V电压源,电路如图2.15(c)所示。最后等效成图2.15(d)所示电路。,图2.15 例2.4图,2.1 等效电路分析,2.1.4 戴维南等效电路与诺顿等效电路一个含源二端网络可以等效成电压源与电阻串联电路,或者电流源与电阻并联电路。前者称为戴维南等效电路,后者称为诺顿等效电路。图2.16(a)所示电路将含源串联
12、二端网络进行化简,可使其等效成如图2.16(b)所示电路,也可以转化成如图2.16(c)所示的等效电路。,图2.16 电压源串联及其等效电路,2.1 等效电路分析,图2.16(b)中US=US1+US2R=R1+R2图2.16(c)中R=R1+R2,2.1 等效电路分析,如图2.17(a)所示电路为含源并联二端网络,转换后变成图2.17(c)所示电路,也可以把图2.17(b)电路等效成图2.17(d)所示电压源与电阻串联等效电路。,图2.17 含源支路并联及其等效电路,2.1 等效电路分析,其中由图2.17(c)得出图2.17(d)中因此,含源支路串联或并联电阻组成的二端网络都可以简化成戴维南
13、等效电路或诺顿等效电路。,2.1 等效电路分析,【例2.5】求图2.18(a)所示电路中的电流I。解:利用电压源及电流源模型电路等效变换原理,依次将图2.18(a)电路逐步变换成图2.18(E)电路,从图中求出I为,图2.18 例2.5图,2.2 电路的基本分析方法,2.2.1 支路电流法1.独立方程概念若某电路有n个节点,b条支路,则可列出独立的KVL方程b-n+1个。对于平面网络而言,每个网孔列出的KVL方程一定是相互独立的。一个平面网络中的网孔数为b-n+1个。因此,一个共有n个节点,b条支路的电路,总可以通过列出n-1个独立的KCL方程及b-n+1个独立的KVL方程联立求解,以求出b条
14、支路电流和b条支路电压。,2.2 电路的基本分析方法,【例2.6】电路如图2.19所示,试求各支路的电压和电流。解:图2.19所示电路具有4个节点和6条支路,各支路电流及其参考方向如图所示。各支路电压采用与相应支路电流关联的参考方向。(1)列出KCL方程。首先选择节点4作为参考节点。节点1:I1-I2-I5=0节点2:I2-I3+I4=0节点3:-I1+I3+I6=0,图2.19 例2.6图,2.2 电路的基本分析方法,(2)列KVL方程。令网孔、绕行方向为顺时针,如图2.19所示。网孔:U1+U2+U3=0网孔:-U2+U4+U5=0网孔:-U3+U6-U4=0(3)列各支路方程。支路1:U
15、1=1+2I1支路2:U2=I2支路3:U3=I3支路4:U4=I4支路5:U5=2I5-4支路6:U6=2I6-9以上12个方程联立,解得I1=1I2=-1I3=-2I4=-1I5=2I6=3AU1=3VU2=-1VU3=-2VU4=-1VU5=0VU6=-3V,2.2 电路的基本分析方法,2.支路电流分析法为了减少求解电路的联立方程数,可以选择某些求解量作为首选量。支路电流就是这种求解量,只需要列写b个方程,即(n-1)个独立KCL方程和b-n+1个独立KVL方程。列写KVL方程时,要用到支路伏安关系。【例2.7】电路如图2.19所示,用支路电流分析法求解各支路电流和电压。,图2.19 例
16、2.6图,2.2 电路的基本分析方法,解:首先写出支路电流方程。(1)列出KCL方程。节点1:I1-I2-I5=0节点2:I2-I3+I4=0节点3:-I1+I3+I6=0(2)列出KVL方程。用支路电流表示。网孔:1+2I1+I3+I2=0网孔:-I2+I4+2I5-4=0网孔:-I3+2I6-9-I4=0以上6个方程都是用支路电流表示的,联立解得I1=1A;I2=-1A;I3=-2A;I4=-1A;I5=2A;I6=3A由以上6个支路电流,再根据各支路伏安关系,可求出各支路电压为U1=1+2I1=1+21=3VU2=I2=-1VU3=I3=-2VU4=I4=-1VU5=2I5=22-4=0
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