[工学]第3章电路分析的一般方法马文蔚.ppt

第3章 电阻电路的一般分析方法, 重点：,熟练掌握电路方程的列写方法： 支路电流法 网孔电流法 节点电压法,线性电路的一般分析方法,普遍性：对任何线性电路都适用。,复杂电路的一般分析法就是根据KCL、KVL及元件电压和电流关系列方程、解方程。根据列方程时所选变量的不同可分为支路电流法、回路电流法和结点电压法。,元件的电压、电流关系特性。,电路的连接关系KCL，KVL定律。,方法的基础,系统性：计算方法有规律可循。,3.1 KCL和KVL的独立方程数,1.KCL的独立方程数,1,4,3,2,n个结点的电路, 独立的KCL方程为n-1个。,结论,2.KVL的独立方程数,1,3,2,对网孔列KVL方程：,可以证明通过对以上三个网孔方程进行加、减运算可以得到其他回路的KVL方程：,注意,KVL的独立方程数=基本回路数=b(n1),n个结点、b条支路的电路, 独立的KCL和KVL方程数为：,结论,设给定的线性直流电路具有b条支路、n个节点，那么支路电流法就是以b个 未知的支路电流作为待求量，对n-1个节点列出独立的KCL方程，再对b-(n-1)个 回路列出独立的KVL方程，这b个方程联立便可解得b个支路电流。,注：为列写独立的KVL方程，就要选取独立的回路，在平面电路中，对全部内网孔列出的KVL方程是一组独立方程。,列出图示电路的支路电流方程。,分析：图中 共有5个支路电流，参考方向已标在图中。需列出5个独立方程。现有2个独立节点，对应2个KCL方程；3个网孔，对应3个KVL方程。,基本要求：熟练掌握支路电流法的原理及方程组的列写规则。,3.2 支路电流法 (branch current method ),对n-1个节点列KCL方程：,对网孔列KVL方程，其中电阻电压用支路电流来表示：,网孔m1：,网孔m2：,网孔m3：,（1）支路电流法的一般步骤：,标定各支路电流（电压）的参考方向；,选定(n1)个结点，列写其KCL方程；,选定b(n1)个独立回路，指定回路绕行方 向，结合KVL和支路方程列写；,求解上述方程，得到b个支路电流；,进一步计算支路电压和进行其它分析。,小结,（2）支路电流法的特点：,支路法列写的是 KCL和KVL方程， 所以方程列写方便、直观，但方程数较多，宜于在支路数不多的情况下使用。,11I2+7I3= 6,7I111I2=70-6=64,用支路电流法求图中电流I1，I2，I3。,对节点列KCL方程,对网孔列KVL方程,网孔m1：,网孔m2：,补充受控源控制量方程，在支路电流方程中要用支路电流表示控制量。,解得,列写图示含电流源电路的支路电流方程。,电流源所在支路的电流是已知的， 列写KCL方程时，可将其直接列 入等号右端。,节点：,节点：,节点：,对包含电流源的回路列KVL方程，特别的对未知的电流源的两端电压，要作为变量列入到方程中。,网孔l1：,网孔l2：,网孔l3：,讨论：在列方程时能否避开电流源的两端电压？,一、网孔电流,假设在每个独立网孔中分别存在一个闭合流动的电流。,支路电流与网孔电流的关系,基本要求：掌握网孔电流的概念、网孔电流法的原理和列写规则，并能熟练的应用网孔电流法解决电路问题。,3.3 网孔分析法,二、 网孔电流方程的列写,选择b-(n-1)个独立网孔，以各网孔电流为待求量列写KVL方程，这种分析方法称为网孔电流法或网孔分析法。,用网孔电流代替支路电流，列写支路电流法方程：,列写网孔电流方程的一般规则,注：在只含独立电源和电阻的电路中，互阻RijRji,一般形式：,例1,用网孔分析法求各支路电流。,解,(1) 设网孔电流(顺时针),(2) 列 KVL 方程,(R1+R2)Im1 -R2Im2 = US1- US2,-R2Im1+ (R2+R3)Im2 - R3Im3 = US2,-R3Im2 + (R3+R4)Im3 = -US4,对称阵，且 互电阻为负,(3) 求解网孔电流方程，得 Im1 , Im2 , Im3,(4) 求各支路电流： I1=Im1,(5) 校核, I2=Im2-Im1, I3=Im3-Im2, I4=-Im3,电路如图所示。试列出网孔电流方程。,选网孔为独立回路，如图所示，列方程：,电路中含有受控源，而控制量在网孔方程中 通常体现为未知量，所以在网孔电流法中， 用网孔电流表示各受控源的控制量：即找出控制量和网孔电流关系方程。,对方程进行整理：,注：本例主要说明当电路中含有受控源时，网孔电流方程的列写规则。另外当电路中含受控源时，网孔方程中的互阻一般不再相等。,例2,例3,列写含有理想电流源支路的电路的网孔电流方程。,方法,(R1+R2)Im1-R2Im2=US1+US2+Ui,-R2Im1+(R2+R4+R5)Im2-R4Im3=-US2,-R4Im2+(R3+R4)Im3=-Ui,IS=Im1-Im3,1 引入电流源的端电压变量,2 增加网孔电流和电流源电流的关系方程,例4 求图示电路中各支路电流。,解：选取网孔电流如图所示,则网孔方程分别为：,由于电流源存在应补充方程：,由于受控源的存在应补充方程：,1、选择独立网孔，标注网孔电流的方向。,列写网孔电流方程的步骤：,2、按通式写出网孔电流方程。,注意：自阻为正，互阻可正可负，并注意方程右端为该回路所有电源电压升的代数和。,3、电路中含有受控源时应按独立源来处理，补充控制量与网孔电流的关系方程；含有独立电流源时，若该电流源网孔的边界支路上，电流源电流即为该网孔电流，可减少该网孔方程，而电流源在公共支路上，则应设定电流源端电压，并补充电流源电流与网孔电流的关系方程。,3.4 回路电流法,一.回路电流法,以基本回路中沿回路连续流动的假想电流为未知量列写电路方程分析电路的方法。它适用于平面和非平面电路。,回路电流法是对独立回路列写KVL方程，方程数为：,列写的方程,与支路电流法相比，方程数减少n-1个。,注意,2. 方程的列写,例,用回路电流法求解电流 i.,解,只让一个回路电流经过R5支路。,方程的标准形式：,对于具有 l=b-(n-1) 个回路的电路，有:,Rjk: 互电阻,+ : 流过互阻的两个回路电流方向相同；,- : 流过互阻的两个回路电流方向相反；,0 : 无关。,Rkk: 自电阻(总为正),注意,（1）回路法的一般步骤：,选定l=b-(n-1)个独立回路，并确定其绕行方向；,对l 个独立回路，以回路电流为未知量，列写其KVL方程；,求解上述方程，得到 l 个回路电流；,其它分析。,求各支路电流；,小结,（2）回路法的特点：,通过灵活的选取回路可以减少计算量；,互有电阻的识别难度加大，易遗漏互有电阻。,例1,列回路电流方程,解1,选网孔为独立回路,U2,U3,增补方程：,解2,回路2选大回路,增补方程：,例2,求电路中电压U，电流I和电压源产生的功率,解,3.5 结点电压法,选结点电压为未知量，则KVL自动满足，无需列写KVL 方程。各支路电流、电压可视为结点电压的线性组合，求出结点电压后，便可方便地得到各支路电压、电流。,基本思想：,1.结点电压法,以结点电压为未知量列写电路方程分析电路的方法。适用于结点较少的电路。,列写的方程,结点电压法列写的是结点上的KCL方程，独立方程数为：,(uA-uB)+uB-uA=0,KVL自动满足,注意,与支路电流法相比，方程数减少b-(n-1)个。,任意选择参考点：其它结点与参考点的电位差即为结点电压(位)，方向为从独立结点指向参考结点。,2、节点电压方程的列写规则：,*选取参考节点，对其他剩余节点列写KCL方程,以节点为参考点，节点、的KCL 方程为,*用节点电压表示各个支路电流,* 进行整理,推广之：,节点电导矩阵,节点电压向量,节点源电流向量,规则小结：,分别是与节点、直接相连的各支路电导之和，称为节点、的自导。,是直接联接在节点、之间的诸支路电导之和并带一负号，称为节点 、间的互导。,表示与节点、相连的电流源电流代数和，当电流流入节点时取“”号； 否则取“”号；,分别是与节点、相连的电压源与串联电导乘积的代数和，当电压源正极性端 指向节点时，取“”号；否则取“”号。,3、4分别称为节点、的注入电流或节点源电流。,Gii 自电导，总为正。,iSni 流入结点i的所有电流源电流的代数和。,Gij = Gji互电导，结点i与结点j之间所有支路电 导之和，总为负。,结点法标准形式的方程：,注意,电路不含受控源时，系数矩阵为对称阵。,结点法的一般步骤：,(1)选定参考结点，标定n-1个独立结点；,(2)对n-1个独立结点，以结点电压为未知量，列写其KCL方程；,(3)求解上述方程，得到n-1个结点电压；,(5)其它分析。,(4)通过结点电压求各支路电流；,总结,用节点法求各支路电流。,例1,I1=(120-Un1)/20k= 4.91mA,I2= (Un1- Un2)/10k= 4.36mA,I3=(Un2 +240)/40k= 5.46mA,I4= Un2 /40=0.546mA,各支路电流：,解：,I5= Un2 /20=-1.09mA,列出图示电路的节点电压方程。,分析：此电路特殊之处在于含受控源，列节点电压方程时，仍将受控源按独立源处理。,1 对节点、列出节点电压方程,2 把受控电源的控制量用节点电压来表示,3 对方程进行整理：,例2,列出图示电路对应不同参考点的节点电压方程， 并计算25电阻消耗的功率。,分析：图中存在一个仅含电压源的支路，即纯电压源支路。 该支路电阻为零，电压源的电流不能表达成其端电压的函数。,解决方法：将未知电流 I 设为变量列入KCL方程中。,节点：,节点：,节点：,需根据电压源特性列补充方程,说明：若电路中存在非二端电阻元件(如存在纯电压源支路)，则这种直路的电流不能用支路电导与相关节点电压之积来表示。为解决这类问题，须对节点电压法进行修正，建立所谓的改进节点电压法 。,例3,若选择电压源的一端为参考点，则另一端的节点电压 便是已知量，问题可以得到简化。,左图以节点为参考点，则节点的电压为30V，为已知量,若不求电流 I，此方程便可略去。,解得,25电阻两端电压及消耗功率分别为,利用节点分析法求解电路时，如果电路中含有无伴电压源（含无拌受控电压源）支路，则对联接此支路的两个节点不能直接套用公式列写方程。此时常用下列二种处理方法： 1. 选电压源的一端节点作为参考节点，则该电压源的另一端节点电压为已知，只须对其它节点列写节点方程即可； 2. 增设电压源的电流为未知变量，并将此电流当作电流源电流列写节点方程，再增加一个与电压源相联接节点的电压差等于电压源电压的补充方程；,例4,列写电路的结点电压方程,与电流源串接的电阻不参与列方程。,增补方程：,U = Un2,注意,解,支路法、网孔法和节点法的比较：,(2) 对于非平面电路，选独立回路不容易，而独立节点较容易。,(3) 网孔法、节点法易于编程。目前用计算机分析网络(电网，集成电路设计等)采用节点法较多。,(1) 方程数的比较,1、2b法,以各支路的电压和电流为求解变量。,KVL方程数,（ b n + 1）个,KCL方程数,（ n 1）个,VCR方程数,（ b ）个,（2 b ）个,2、支路电流法,以各支路的电流为求解变量。各支路电压用支路电流来表示。,KVL方程数,（ b n + 1）个,KCL方程数,（ n 1）个,（ b ）个,本章小结,列出支路电流法的电路方程的步骤：,（1）选定各支路电流的参考方向；,（2）根据KCL对（n-1）个独立节点列出方程；,（3）选取（b-n+1）个独立回路，指定回路的绕行方向，列出用支路电流表示的KVL方程。,（4）若某个支路含有无伴电流源时，该支路电压无法用支路电流来表示，可设该支路电压为解变量，由于该支路电流为已知，变量的总数没有变化。,3、网孔分析法,以假想的各网孔电流为求解变量。,KVL方程数,（ b n + 1）个,(1) 标注各网孔电流的方向。,列写网孔电流方程的步骤：,(2) 按通式写出回路电流方程。,注意：自阻为正，互阻可正可负，并注意方程右端为该回路所有电源电压升的代数和。,(3) 电路中含有受控源时应按独立源来处理，并补充控制量与网孔电流的关系方程。,电路中