第五电路的暂态分析剖析课件.ppt
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- 第五 电路 分析 剖析 课件
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1、1第5章电路的暂态分析2USKR+_CuCi 开关闭合瞬间,电路将从一个状态变化成另一个开关闭合瞬间,电路将从一个状态变化成另一个状态的过程叫过渡过程。状态的过程叫过渡过程。简介简介UStCuti03开关闭合瞬间,电路将从一个状态变化成开关闭合瞬间,电路将从一个状态变化成另一个状态的过程叫过渡过程。另一个状态的过程叫过渡过程。简介简介KRUS+_eiL 含有电容元件或电感元件的电路从一个状含有电容元件或电感元件的电路从一个状态变化到另一个状态需要经过一段短暂的时间态变化到另一个状态需要经过一段短暂的时间,这个过程称为过渡过程。,这个过程称为过渡过程。tLi4 研究过渡过程的意义:研究过渡过程的
2、意义:过渡过程是一种自然过渡过程是一种自然现象现象,对它的研究很重要。过渡过程的存在有利有对它的研究很重要。过渡过程的存在有利有弊。有利的方面,如电子技术中常用它来产生各种弊。有利的方面,如电子技术中常用它来产生各种波形;不利的方面,如在暂态过程发生的瞬间,可波形;不利的方面,如在暂态过程发生的瞬间,可能出现过压或过流,致使设备损坏,必须采取防范能出现过压或过流,致使设备损坏,必须采取防范措施。措施。5 主要分析主要分析RC和和RL一阶线性电路一阶线性电路(只有一个储能元件只有一个储能元件)的过渡过程。的过渡过程。说明说明:5.1 5.1 换路定则及初始值的计算暂态过程中电压和电流随时间而变化
3、的规律暂态过程中电压和电流随时间而变化的规律。影响暂态过程快慢的电路的时间常数。影响暂态过程快慢的电路的时间常数。讨论重点:讨论重点:6“稳态稳态”与与“暂态暂态”的概念的概念:tUSCu新稳态新稳态暂态暂态旧稳态旧稳态 新稳态新稳态 过渡过程过渡过程 :C电路处于旧稳态电路处于旧稳态KRUS+_Cu开关开关K闭合闭合电路处于新稳态电路处于新稳态RUS+_Cu一、概述一、概述7 产生过渡过程的电路及原因产生过渡过程的电路及原因?无过渡过程无过渡过程I电阻电路电阻电路t=0USR+_IK电阻是耗能元件,其上电流随电压比例变化,电阻是耗能元件,其上电流随电压比例变化,不存在过渡过程。不存在过渡过程
4、。8UStCu 电容为储能元件,它储存的能量为电场能量电容为储能元件,它储存的能量为电场能量 ,其大小,其大小为:为:电容电路电容电路储能元件储能元件 因为能量的存储和释放需要一个过程,所以有因为能量的存储和释放需要一个过程,所以有电电容的电路存在过渡过程。容的电路存在过渡过程。USKR+_CuC2021cuidtuWtC9tLi储能元件储能元件电感电路电感电路 电感为储能元件,它储存的能量为磁场能量,其大电感为储能元件,它储存的能量为磁场能量,其大小为小为:2021LidtuiWtL 同样因为能量的存储和释放需要一个过程,所以同样因为能量的存储和释放需要一个过程,所以有有电感的电路也存在过渡
5、过程。电感的电路也存在过渡过程。KRUS+_t=0iL10结论结论 有储能元件(有储能元件(L、C)的电路在电路状态发生变)的电路在电路状态发生变化时(如:电路接入电源、从电源断开、电路参化时(如:电路接入电源、从电源断开、电路参数改变等)存在过渡过程;含有储能元件的电路数改变等)存在过渡过程;含有储能元件的电路称动态电路称动态电路.没有储能作用的电阻(没有储能作用的电阻(R)电路,不存在过渡)电路,不存在过渡过程。过程。动态电路动态电路 在过渡过程期间,从在过渡过程期间,从“旧稳态旧稳态”进入进入“新稳态新稳态”,此时,此时u、i 都处于暂时的不稳都处于暂时的不稳定状态,所以定状态,所以过渡
6、过程过渡过程又称为电路的又称为电路的暂态过程暂态过程。111.1.换路定理换路定理:在换路瞬间,电容上的电压、电感在换路瞬间,电容上的电压、电感中的电流不能突变。中的电流不能突变。设:设:t=0 时换路时换路00-换路前瞬间换路前瞬间-换路后瞬间换路后瞬间)0()0(CCuu)0()0(LLii则则:二、二、换路定理换路定理和和初始条件初始条件12 换路瞬间,电容上的电压、电感中的电流换路瞬间,电容上的电压、电感中的电流不能突变的原因解释如下:不能突变的原因解释如下:自然界物体所具有的能量不能突变,能量的积累或自然界物体所具有的能量不能突变,能量的积累或 释放需要一定的时间。释放需要一定的时间
7、。*CW不能突变不能突变Cu不能突变不能突变电容电容C C存储的电场能量存储的电场能量)(221CuWc 所以所以电感电感L储存的磁场能量储存的磁场能量)(221LLLiW LW不能突变不能突变Li不能突变不能突变所以所以132.2.初始值的确定初始值的确定求解要点求解要点:1.)0()0()0()0(LLCCiiuu2.根据电路的基本定律和换路后的等效根据电路的基本定律和换路后的等效电路,确定其它电量的初始值。电路,确定其它电量的初始值。初始值初始值:指指 t=0+时时电路中电路中 u、i 的值。的值。14例例1 1求求 :)0(),0(LLui换路后瞬间换路后瞬间 t=0+时电压方程时电压
8、方程:)0()0(LuRiU不能突变不能突变Li 发生了突跳发生了突跳Lu根据换路定理根据换路定理)(0)0()0(AiiLL解解:VuL20020)0(已知已知:R=1K,L=1H,U=20 V、A 0Li设设 时开关闭合时开关闭合0t开关闭合前开关闭合前iLUKt=0uLuR15已知已知:电压表内阻电压表内阻hLKRVU1,1,20,500 KRV设开关设开关K在在 t=0 时打开。时打开。求求:K打开的瞬间打开的瞬间,电压表两端电压表两端 的电压的电压 解解:换路前换路前mARUiL20100020)0(大小大小,方向都不变方向都不变)换路瞬间换路瞬间mAiiLL20)0()0(例例2
9、2K.ULVRiL16t=0+时的等时的等效电路效电路mAiiLL20)0()0(VV1000010500102033mAiILS20)0(注意注意:实际使用中要加保护措施实际使用中要加保护措施KULVRiLSIRVVSRIV )0(17已知已知:K 在在“1”处停留已久,在处停留已久,在t=0时合向时合向“2”求求:LCuuiii、21的初始值,即的初始值,即 t=(0+)时刻的值。时刻的值。例例3 3 iE1K2K+_RK12R2R11i2iCuLu6V2K18解:解:iE1K2K+_RK12R2R11i2iCuLu6V2K换路前的等效电路换路前的等效电路ER1+_RCuR21imARRE
10、iiL5.1)0(11)0(VRiuC3)0(11)0(19)0(LimAiiL5.1)0()0(1解:解:iE1K2K+_RK12R2R11i2iCuLu6V2K换路后瞬间的等效电路换路后瞬间的等效电路E1K2K+_R2R1i1i2i3V1.5mA+-Lu)(0CuVuC3)0()0(uC换路后的瞬间换路后的瞬间20t=0+时的等效电路时的等效电路mAiiiLL5.1)0()0()0(1mARuEiC3)0()0(22mAiii5.4)0()0()0(21VRiEuL3)0()0(11)(0Cu)0(LiE1K2K+_R2R1i1i2i3V1.5mA+-Lu21计算结果计算结果电量电量iLi
11、i 12iCuLu0t0tmA5.1mA5.4mA5.1mA5.10mA3V3V3V30iE1K2K+_RK12R2R11i2iCuLu6V2K22计算结果计算结果电量电量iLii 12iCuLu0t0tmA5.1mA5.4mA5.1mA5.10mA3V3V3V30小结小结 1.换路瞬间换路瞬间(t=0+),LCiu、不能突变。其它电量均可不能突变。其它电量均可能突变,变不变由计算结果决定;能突变,变不变由计算结果决定;0U2.换路瞬间,换路瞬间,0)0(0UuC电容相当于恒压源,电容相当于恒压源,其值等于其值等于,0)0(Cu电容相当于短路;电容相当于短路;23计算结果计算结果电量电量iLi
12、i 12iCuLu0t0tmA5.1mA5.4mA5.1mA5.10mA3V3V3V30小结小结 0)0(0IiL3.换路瞬间,换路瞬间,电感相当于恒流源,电感相当于恒流源,;0I其值等于其值等于0)0(Li,电感相当于断路。电感相当于断路。24iUC2+_Rt=0R3R11iCuLu8V4 R24+_4+_LiCiL例例:求电路中各支路电流及求电路中各支路电流及电感电压的初始值电感电压的初始值,设换路设换路前电路处于稳态。前电路处于稳态。解解:0t等效电路等效电路:4 iU2+_Rt=0R3R11iCu8V4 R24+_iCiL A24/428/031 RRRUi A12*44400311L
13、 iRRRi A12*444003131 iRRRi V44*1003LC Riu根据换路定理根据换路定理:A100LL ii V400CC uu25iUC2+_Rt=0R3R11iCuLu8V4 R24+_4+_LiCiLiU2+_RR3R11i8V4 R24 4 iCiL+_4V1A+_Lu 0t等效电路等效电路:84002C RiRi 000LCiii A10L i解得解得:A340 i A310C i V33.11*4431*4 0000L3CC2L iRuiRu265.2 5.2 一阶电路的零输入响应一阶电路的零输入响应零状态、非零状态:零状态、非零状态:换路前电路中的储能元件换路前
14、电路中的储能元件均未贮存能量,称为零状态均未贮存能量,称为零状态 ;反之为非零状反之为非零状态。态。电电路路状状态态零输入、非零输入:零输入、非零输入:电路中无电源激励(即输入信号为零)电路中无电源激励(即输入信号为零)时,为零输入;反之为非零输入。时,为零输入;反之为非零输入。响应:响应:换路后电路中的电流、电压随时间变化的换路后电路中的电流、电压随时间变化的情况。情况。一阶:一阶:换路后的等效电路中只含一个储能元件。换路后的等效电路中只含一个储能元件。只讨论直流电源激励只讨论直流电源激励27电路的响应电路的响应 在零输入的条件下,由非零初始态在零输入的条件下,由非零初始态 引起的响应,为零
15、输入响应;此时引起的响应,为零输入响应;此时 ,被视为一种输入信号。,被视为一种输入信号。)0(cu)0(Li或或)0(cu)0(Li或或 零输入响应:零输入响应:RC 电路的零输入电路的零输入1U0+-K2RCCu28电路的响应电路的响应 零状态响应零状态响应:在零状态在零状态 的条件下的条件下,由激励信号产生的响应为零状态响应。,由激励信号产生的响应为零状态响应。0)0(0)0(LC iu或或即即KRU+_CCui RC 电路的零状态电路的零状态29电路的响应电路的响应储能元件上的储能和电源激励均不为零时的储能元件上的储能和电源激励均不为零时的响应,为全响应。响应,为全响应。全响应全响应:
16、RC 电路的电路的非零输入非零状态非零输入非零状态1K2RCCuUs+-U0+-+-R305.2.1 5.2.1 RC 电路的零输入响应(放电)电路的零输入响应(放电)换路后换路后0 cuRidtdu-Cic 换路时换路时 时的电路微分方程时的电路微分方程 0t0 ccudtduRC1US+-S2Rt=0CCu+-iRS SCCUuu 00RCui+-31K为积分常数为积分常数p为特征方程式的根为特征方程式的根其中其中:0 ccudtduRC一阶常系数线性一阶常系数线性齐次齐次微分方程微分方程1US+-S2Rt=0CCu+-iRS其通解形式为指数。设其通解形式为指数。设:ptcKeu 32求求
17、P P 值值:得特征方程:得特征方程:01 RCP将将代入齐次方程代入齐次方程:RCP1故:故:0CCudtduRC微分方程的解微分方程的解:RCtKeucptKeu c33求求K:根据换路定则,在根据换路定则,在t t=0=0+时,时,RCtKeucRC 叫做电路的时间常数叫做电路的时间常数式中式中:解为解为:tRCteUeUuSScSC0Uu代入通解代入通解公式可得公式可得SUK RC一阶电路的零输入响应的一般形式一阶电路的零输入响应的一般形式:0 0 teftft 34tCeUu0t023456CuUO0.368UO0.135UO0.050UO0.018UO0.007UO0.002UO从
18、任意从任意时刻时刻t0起,每经过时间起,每经过时间,uC都减少为原值的都减少为原值的36.8%。tUO0.368UO当当 后,后,t5 0CU36801.e 35关于时间常数的讨论关于时间常数的讨论RC具有时间的量纲具有时间的量纲 =R C=欧欧 =欧欧 =秒秒库库伏伏安安秒秒伏伏 的大小取决于的大小取决于换路后换路后电路结构和元件参数,与激励无关。电路结构和元件参数,与激励无关。的物理意义的物理意义:决定电路过渡过程变化的快慢决定电路过渡过程变化的快慢 36 越大越大,过渡过程曲线变化越慢,过渡过程曲线变化越慢,ucuc达到达到 稳态所需要的时间越长。稳态所需要的时间越长。结论结论:tUO0
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