电路课件电路03电阻电路的一般分析.ppt
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1、电路,第三章电阻电路的一般分析3-1-3-6,第三章 电阻电路的一般分析,本章重点,第三章 电阻电路的一般分析,内容提要 本章介绍线性电阻电路方程的建立方法。内容包括:电路图论的初步概念 支路电流法 网孔法 回路法 结点法通过本章学习,要求会用手写法列出电路方程。,3-1 电路的图,本章介绍解电路一般方法,不改变电路结构。先选一组合适的电路变量(电流和/或电压),根据KCL和KVL及元件电压电流关系(VCR)建立独立方程组,即电路方程,然后从方程中解出电路变量。线性电阻电路:电路方程是线性代数方程组。计算机建立电路方程系统化方法第15章介绍。可推广到交流电路、非线性电路,时域、频域分析。,网络
2、图论(网络拓扑),以图论为数学工具,选择独立变量,列独立方程。为利用计算机分析、计算、设计大规模电路奠定基础。本节介绍图论初步知识。“图(Graph)”由点和连接边构成,用图论方法研究电路连接性质。一个图G是结点和支路的一个集合,支路端点是结点,允许有孤立结点存在。,3-1 电路的图,电路图例,图3-1a6个电阻和2个电源。每个元件构成一条支路,图b是“图”,5结点8支路。可把串联组合作一条支路。图b电压源us1和电阻R1串联组合作一条支路,图c4结点7支路。可把元件并联组合作一条支路,电流源is2和电阻R2并联。图d,4结点6支路。用不同元件结构定义电路一条支路,电路及它的图结点数和支路数随
3、之不同。,3-1 电路的图,“有向图”和“无向图”,通常指定每条支路电流参考方向,电压取关联参考方向。图的每条支路指定方向,即该支路电流(和电压)参考方向。赋予支路方向的图称“有向图”,未赋予支路方向的图称“无向图”。图3-1b、c无向图,d有向图。KCL和KVL与支路元件性质无关,可用电路的图讨论列KCL和KVL方程,并讨论其独立性。,3-1 电路的图,3-2 KCL和KVL的独立方程数,图3-2,给出支路电流和电压参考方向。对结点、分别列KCL方程:i1-i4-i60-i1-i2+i30 i2+i5+i60-i3+i4-i50所有KCL方程中,每支路电流出现2次,一为正,一为负。4个方程相
4、加,等号两边为零。即4个方程不是相互独立,但任意3个独立。可证明,对n结点电路,在任意(n-1)个结点上可得出(n-1)个独立KCL方程。相应(n-1)个结点称独立结点。,独立回路概念(1),讨论KVL独立方程数时要用到独立回路。回路和独立回路概念与支路方向无关,可用无向图概念。从图G某结点出发,沿一些支路移动,到另一结点(或回原出发点),一系列支路构成图G一条路径。一条支路也算路径。当G任意两结点间至少存在一条路径时,G称连通图。,3-2 KCL和KVL的独立方程数,例:如一条路径起点和终点重合,经过其他结点相异,构成G一个回路。图3-3图G,支路(1,5,8),(2,5,6),(1,2,3
5、,4),(1,2,6,8)是回路;还有(4,7,8),(3,6,7),(1,5,7,4),(3,4,8,6),(2,3,7,5),(1,2,6,7,4),(1,2,3,7,8),(2,3,4,8,5),(1,5,6,3,4)构成9个回路;共13个不同回路。但独立回路数远少于总回路数。,独立回路概念(2),每个回路可用KVL列支路电压KVL方程。例:图3-3,按(1,5,8)和(2,5,6)2回路列2个KVL方程,支路5电压在2个方程出现,因该支路是共有支路。2个方程相加或相减可把支路5电压消去,得到支路电压是按支路(1,2,6,8)回路KVL方程。可见这3个回路方程相互不独立,任一个方程可由其
6、他2个方程导出。3个回路中只有2个独立回路。,3-2 KCL和KVL的独立方程数,“树”的概念,一个图回路数很多,确定独立回路不容易。用“树”寻找独立回路组,得独立KVL方程组。树的定义:包含图G的全部结点且不包含任何回路的连通子图。图3-3图G,符合定义树很多,图a、b、c其中3个。图d、e不是树,d含回路;e非连通。,3-2 KCL和KVL的独立方程数,树中支路称该树树支,其他支路称连支。如图3-4a树T1,树支(5,6,7,8);连支(1,2,3,4)。对图b树T2,树支(1,3,5,6);连支(2,4,7,8)。树支和连支一起构成图G的全部的支路。,3-2 KCL和KVL的独立方程数,
7、树支数,图3-3图G有5个结点,图3-4a、b、c每个树4条支路;图3-4d有5条支路,不是树,图3-4e只3条支路,也不是树。该图G有许多不同的树,但不论是哪一个树,树支数总是4。任一个具有n个结点的连通图,它的任何一个树的树支数为(n-1)。,3-2 KCL和KVL的独立方程数,基本回路组,图G任意一个树,加一个连支形成一个回路,除加连支均由树支组成,称单连支回路或基本回路。图3-5a图G,取(1,4,5)为树,图b,连支(2,3,6)。该树基本回路(1,3,5),(1,2,4,5)和(4,5,6)。每个基本回路仅含一个连支,且不出现在其他基本回路中。全部连支形成基本回路构成基本回路组。基
8、本回路组独立。根据基本回路列KVL方程是独立方程。,3-2 KCL和KVL的独立方程数,对一结点数为n,支路数为b的连通图,其独立回路数:l(b-n+1)其他回路均可由基本回路相加,去掉公共支路而得,不再有新独立回路。选择不同的树,可得不同的基本回路组。图3-5(c)、(d)、(e)是以支路(1,4,5)为树相对应的基本回路组。,3-2 KCL和KVL的独立方程数,网孔及独立回路数,如一个图在平面上,其各条支路除连接结点外不交叉,称平面图,否则称非平面图。图3-6a平面图,图b典型非平面图。对平面图,引入网孔概念。平面图的一个网孔是一个自然“孔”,限定区域内不再有支路。,3-2 KCL和KVL
9、的独立方程数,图3-6a平面图,支路(1,3,5),(2,3,7),(4,5,6),(4,7,8),(6,8,9)是网孔;支路(1,2,8,6),(2,3,4,8)不是网孔。平面图全部网孔是一组独立回路,平面图网孔数是独立回路数。图3-6a平面图5结点,9支路,独立回路数l(b-n+1)5,网孔数正好是5个。,3-2 KCL和KVL的独立方程数,基本回路的KVL方程,KVL独立方程数等于其独立回路数。图3-7a,如取(1,4,5)为树,3个基本回路图b。按参考方向及回路绕行方向,计及编号,列KVL方程:回路1 u1+u3+u50 回路2 u1-u2+u4+u5=0 回路3-u4-u5+u60
10、这是一组独立方程。,3-2 KCL和KVL的独立方程数,3-3 支路电流法,对有b条支路和n个结点电路,以支路电压和支路电流为变量列写方程,计2b个未知量。根据KCL列(n-1)个独立方程、根据KVL可列(b-n+1)个独立方程,根据元件VCR又可列出b个方程。总计方程数为2b,与未知量数相等。可由2b个方程解出2b个支路电压和支路电流,称2b法。为减少求解方程数,用元件VCR将支路电压以支路电流表示,代入KVL方程,得以b个支路电流为未知量的b个KCL和KVL方程。方程数从2b减少至b,称支路电流法。,支路电流法(例)-1,图3-8a,us1和R1串联作一支路;is5和R5并联作一支路,结点
11、数n4,支路数b6。求i1-i6。用元件VCR,将支路电压以支路电流表示。u1-us1+R1i1 u2R2i2 u3=R3i3(3-1)u4=R4i4 u5R5i5+R5is5 u6R6i6图b列KVL方程 u1+u2+u30-u3+u4+u50-u2-u4+u60(3-2),3-3 支路电流法,支路电流法(例)-2,将式(3-1)代入式(3-2),得:-us1+R1i1+R2i2+R3i30-R3i3+R4i4+R5i5+R5is50(3-3)-R2i2-R4i4+R6i60上式uS1和R5iS5移到方程右边,与KCL方程列-i1+i2+i60 R1i1+R2i2+R3i3us1-i2+i3
12、+i4O-R3i3+R4i4+R5i5-R5iS5(3-4)-i4+i5-i60-R2i2-R4i4+R6i60 支路电流法方程全部方程。,3-3 支路电流法,支路电流法(例)-3,式(3-4)可归纳为 Rkikusk(3-5)Rkik为回路第k支路电阻电压,ik方向与回路方向一致取“+”;不一致取“-”;usk为回路第k支路电源,包括电压源和电流源引起电压。如支路5无电压源,等效变换为电压源与电阻串联,等效电压源为R5is5,串联电阻R5。取代数和时,usk与回路方向一致取“-”(因移在等号另一侧),usk与回路方向不一致取“+”。实际是KVL另一种表达,即任一回路中,电阻电压代数和等于电压
13、源电压代数和。,3-3 支路电流法,列支路电流法电路方程步骤:(1)选定各支路电流参考方向;(2)根据KCL对(n-1)个独立结点列方程;(3)选(b-n+1)个独立回路,指定回路绕行方向,按式(3-5)列KVL方程。支路电流法要求b个支路电压均能以支路电流表示,即存在式(3-1)形式的关系。当一条支路仅含电流源不存在与之并联电阻,无法将支路电压以支路电流表示。这种无并联电阻电流源称无伴电流源。存在这类支路时,必须处理后才能用支路电流法。处理方法见3-5。如将支路电流用支路电压表示,代入KCL方程,连同支路电压KVL方程,可得以支路电压为变量的b个方程。就是支路电压法。,3-3 支路电流法,习
14、 题,P75 题 3-1 3-2P76 3-7,3-4网孔电流法,网孔电流法以网孔电流作独立变量,仅适用于平面电路。通过图3-9a说明。图b3条支路。结点KCL有-i1+i2+i30 或 i2i1-i3 i2不独立,由i1、i3定。假想两电流im1(=i1)和im2(=i3)分别沿两网孔流动。支路1只有im1,支路电流仍为i1;支路3只有im2,支路电流仍等于i3;但支路2有2个网孔电流同时流过,即i2im1-im2i1-i3。假想电流im1和im2称网孔电流。,由于把各支路电流当作有关网孔电流的代数和,自动满足KCL。用网孔电流作为电路变量时,只需按KVL列出电路方程。以网孔电流为未知量,根
15、据KVL对全部网孔列出方程,由于全部网孔是一组独立回路,这组方程是独立的。这种方法称网孔电流法。,3-4 网孔电流法,网孔电流方程-1,图3-9a网孔1和2列KVL方程。网孔1从出发 R2(im1-im2)+us2-us1+R1im1=0网孔2:R3im2+us3-us2+R2(im2-im1)=0整理后有(R1+R2)im1-R2im2us1-us2-R2im1+(R2+R3)im2us2-us3(3-6)式3-6即是以网孔电流为求解对象的网孔电流方程。,3-4 网孔电流法,网孔电流方程-2,用R11和R22代表网孔1和2自阻,网孔1和2所有电阻之和,即R11R1+R2,R22R2+R3用R
16、12和R21代表网孔1和网孔2互阻,即两个网孔共有电阻,本例R12R21-R2。上式改写为 R11im1+R12im2us11 R21im1+R22im2us22(3-7)方程理解:R11im1代表im1在网孔1各电阻电压和,R22im2代表im2在网孔2各电阻电压和。由于网孔方向和网孔电流一致,故R11和R22总为正。R12im2代表im2在网孔1引起的电压,而R21im1代表im1在网孔2中引起的电压。,3-4 网孔电流法,网孔电流方程-3,当两个网孔电流在共有电阻上的参考方向相同时,im2(im1)引起的电压与网孔1(2)的绕行方向一致,应当为正;反之为负。为了使方程形式整齐,把这类电压
17、前的“+”或“-”号包括在有关的互阻中。当通过网孔1和网孔2的共有电阻上的两个网孔电流的参考方向相同时,互阻(R12、R21)取正;反之则取负。故在本例中R12R21-R2。,3-4 网孔电流法,网孔电流方程的一般形式,对具有m个网孔的平面电路,网孔电流方程一般形式可由式3-7推广而得,即 R11im1+R12im2+R13im3+R1mimmus11 R21im1+R22im2+R23im3+R2mimmus22(3-8)Rm1im1+Rm2im2+Rm3im3+Rmmimmusmm式中具有相同下标电阻R11、R22、R33等是各网孔自阻;有不同下标电阻R12、R13、R23等是网孔间互阻。
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