第05章电路的暂态分析

1、下一页下一页总目录总目录 章目录章目录返回返回上一页上一页下一页下一页总目录总目录 章目录章目录返回返回上一页上一页 稳定状态：稳定状态： 在指定条件下电路中电压、电流已达到稳定值。在指定条件下电路中电压、电流已达到稳定值。 下一页下一页总目录总目录 章目录章目录返回返回上一页上一页 下一页下一页总目录总目录 章目录章目录返回返回上一页上一页电流电流 i 随电压随电压 u 比例变化。比例变化。合合S后：后： 所以电阻电路不存在所以电阻电路不存在过程过程 (R耗能元件耗能元件)。图图(a)： 合合S前：前：00322 RRRuuuiIO(a)S+-R3R22i+-下一页下一页总目录总目录 章目录

2、章目录返回返回上一页上一页 CuC(b)+-SR,0 Ci0 CuU暂态暂态稳态稳态otCu下一页下一页总目录总目录 章目录章目录返回返回上一页上一页 L储能：储能：221LLLiW 换路换路: : 不能突变不能突变Cu不不能能突突变变Li C 储能：储能：221CCCuW 由于物体所具有的能量不能跃变而造成由于物体所具有的能量不能跃变而造成若若cu发生突变，发生突变， dtduiCC不可能！不可能！一般电路一般电路则则下一页下一页总目录总目录 章目录章目录返回返回上一页上一页)0()0( CCuu注：换路定则仅用于换路瞬间来确定暂态过程中注：换路定则仅用于换路瞬间来确定暂态过程中 uC、 i

3、L初始值。初始值。 设：设：t=0 表示换路瞬间表示换路瞬间 (定为计时起点定为计时起点) 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（初始值）表示换路后的初始瞬间（初始值）)0()0( LL 下一页下一页总目录总目录 章目录章目录返回返回上一页上一页下一页下一页总目录总目录 章目录章目录返回返回上一页上一页)0(),0( LCiu0000)(,)(LCiu0)0()0( CCuu0)0()0( LL U +-下一页下一页总目录总目录 章目录章目录返回返回上一页上一页00)(Cu, 00)(L , RUC)()(001 )0)0( C 0)0(2 uUuu

4、L )0()0(1) 0)0( LuiC 、uL 产生突变产生突变(2) 由由t=0+电路，求其余各电流、电压的初始值电路，求其余各电流、电压的初始值U +-iL(0+ )U iC (0+ )uC (0+)uL(0+)_u2(0+)u1(0+)i1(0+ )R1+_+-t = 0+等效电路等效电路下一页下一页总目录总目录 章目录章目录返回返回上一页上一页解：解： (1) 由由t = 0-电路求电路求 uC(0)、iL (0) 换路前电路已处于稳态：换路前电路已处于稳态：电容元件视为开路；电容元件视为开路； 电感元件视为短路。电感元件视为短路。由由t = 0-电路可求得：电路可求得：A14444

5、2444)0(3131311 URRRRRURRRiL+_+_t = 0 -等效电路等效电路+_+_下一页下一页总目录总目录 章目录章目录返回返回上一页上一页V414)0()0(3 LCiRu解：解：A1)0()1( Li由换路定则：由换路定则：V4)0()0( CCuuA1)0()0( LLii+_+_下一页下一页总目录总目录 章目录章目录返回返回上一页上一页解：解：(2) 由由t = 0+电路求电路求 iC(0+)、uL (0+)由图可列出由图可列出)0()0()0(2 CCuiRiRU)0()0()0( LCiii带入数据带入数据4)0(4)0(28 Cii1)0()0( Cii+_+_

6、t = 0+时等效电路时等效电路4V1A+_+_下一页下一页总目录总目录 章目录章目录返回返回上一页上一页t = 0+时等效电路时等效电路4V1A+_+_解：解：解之得解之得 A31)0( Ci并可求出并可求出)0()0()0()0(32 LCCLiRuiRuV311144314 +_+_下一页下一页总目录总目录 章目录章目录返回返回上一页上一页电量电量A/LiA/CiV/CuV/Lu 0t 0t41103104311LCiu 、LCui 、+_+_下一页下一页总目录总目录 章目录章目录返回返回上一页上一页下一页下一页总目录总目录 章目录章目录返回返回上一页上一页1. 经典法经典法: 根据激励

7、根据激励(电源电压或电流电源电压或电流)，通过求解，通过求解电路的微分方程得出电路的响应电路的微分方程得出电路的响应(电压和电流电压和电流)。2. 三要素法三要素法初始值初始值稳态值稳态值时间常数时间常数求求（三要素）（三要素）下一页下一页总目录总目录 章目录章目录返回返回上一页上一页代入上式得代入上式得0dd CCutuRCtuCCCdd RuR 换路前电路已处稳态换路前电路已处稳态 UuC )0(t =0时开关时开关, 电容电容C 经电阻经电阻R 放电放电1S 一阶线性常系数一阶线性常系数 齐次微分方程齐次微分方程(1) 列列 KVL方程方程0 CRuu1. 电容电压电容电压 uC 的变化

8、规律的变化规律(t 0) 零输入响应零输入响应: 无电源激励无电源激励, 输输入信号为零入信号为零, 仅由电容元件的仅由电容元件的初始储能所产生的电路的响应。初始储能所产生的电路的响应。图示电路图示电路UuC )0(+-SRU21+ CiCu0 tRu+c下一页下一页总目录总目录 章目录章目录返回返回上一页上一页RCP1 0dd CCutuRC01 RCP特征方程特征方程RCtAuC e可可得得时时，根根据据换换路路定定则则 , )0()0(UutC UA RCtUuC e齐次微分方程的通解：齐次微分方程的通解：0 )0( e tCu tptAuCe: 通通解解下一页下一页总目录总目录 章目录

9、章目录返回返回上一页上一页电阻电压：电阻电压：RCtURiuCR eRCtRUtuCiCC edd放电电流放电电流RCtUuC e CuCiRu3. 、 、 RuCiCutO下一页下一页总目录总目录 章目录章目录返回返回上一页上一页(2) 物理意义物理意义RC 令令:(1) 量纲量纲sVAs UUuC008 .36e1 t当当 时时RCtUtuC e)(008 .36 时间常数时间常数等于电压等于电压Cu衰减到初始值衰减到初始值U0 的的所需的时间。所需的时间。下一页下一页总目录总目录 章目录章目录返回返回上一页上一页0.368U23Cu 1URC tRCtUUuC ee321 t0uc下一页

10、下一页总目录总目录 章目录章目录返回返回上一页上一页当当0Cu t0Cu )53( t Cu0.368U 0.135U 0.050U 0.018U 0.007U 0.002U 2 3 4 6 51e 2e 3e 4e 5e 6e t e t e下一页下一页总目录总目录 章目录章目录返回返回上一页上一页Li tLLLLiiii e)()0()()0( LiRUiiLL )0()0(0)( Li 2) 确定稳态值确定稳态值)( Li RL tLRtLRLRURUi ee )0(0RuLuU+-SRL21t=0Li+-+-下一页下一页总目录总目录 章目录章目录返回返回上一页上一页tLRUtiLuL

11、eddtLRURiuL eRLiOtRuOutLutLRRUiL eRU-UURU%8.36RuLuU+-SRL21t=0Li+-+-下一页下一页总目录总目录 章目录章目录返回返回上一页上一页 tiLeuLLddRUiL )0(0)0( LiRUiiLL )0()0(表表表表表表RRURiVL )0()0(RuLuU+-SRL21t=0Li+-+-RuLuU+-SRL21t=0Li+-+-V下一页下一页总目录总目录 章目录章目录返回返回上一页上一页R VDRuLuUSRL21t=0Li+-+-R RuLuUSRL21t=0Li+-+-下一页下一页总目录总目录 章目录章目录返回返回上一页上一页

12、图示电路中图示电路中, RL是发电机的励磁绕组，其电感是发电机的励磁绕组，其电感较大。较大。Rf是调节励磁电流用的。当将电源开关断开时，是调节励磁电流用的。当将电源开关断开时，为了不至由于励磁线圈所储的磁能消失过快而烧坏为了不至由于励磁线圈所储的磁能消失过快而烧坏开关触头，往往用一个泄放电阻开关触头，往往用一个泄放电阻R 与线圈联接。开与线圈联接。开关接通关接通R 同时将电源断开。经过一段时间后，再将同时将电源断开。经过一段时间后，再将开关扳到开关扳到 3的位置，此时电路完全断开。的位置，此时电路完全断开。 (1) R =1000 , 试求开关试求开关S由由1合合向向2瞬间线圈两端的电压瞬间线

13、圈两端的电压uRL。已已知知 30,80 H,10 ,V220fRRLU电路稳态时电路稳态时S由由1合向合向2。 (2) 在在(1)中中, 若使若使U不超过不超过220V, 则泄放电阻则泄放电阻R 应选多大？应选多大？ULRF+_RR 1S23i下一页下一页总目录总目录 章目录章目录返回返回上一页上一页A23080220F RRUIV20602)100030()()0(F IRRuRL (3) 根据根据(2)中所选用的电阻中所选用的电阻R , 试求开关接通试求开关接通R 后经后经过多长时间，线圈才能将所储的磁能放出过多长时间，线圈才能将所储的磁能放出95%？ (4) 写出写出(3) 中中uRL

14、随时间变化的表示式。随时间变化的表示式。2202)30( R即即 80R下一页下一页总目录总目录 章目录章目录返回返回上一页上一页2221)95. 01(21LILi 222102105. 01021 iA446. 0 i求所经过的求所经过的时间时间ttLRRRIei19e2F t19e2446. 0 s078. 0 t)(FRRiuRL 计计算算若若按按 80)4(RV19220e)8030(tiuRL 下一页下一页总目录总目录 章目录章目录返回返回上一页上一页零状态响应零状态响应: 储能元件的初储能元件的初始能量为零，始能量为零， 仅由电源激励仅由电源激励所产生的电路的响应。所产生的电路的

15、响应。 000tUtuuC (0 -) = 0sRU+_C+_i0 tuCUtu阶跃电压阶跃电压O下一页下一页总目录总目录 章目录章目录返回返回上一页上一页UutuRCCC dd一阶线性常系数一阶线性常系数非齐次微分方程非齐次微分方程UuuCR CCCuutu )(即即1. uC的变化规律的变化规律(1) 列列 KVL方程方程uC (0 -) = 0sRU+_C+_i0tuc求特解求特解 ：CuUutuRCCC ddUuUKC即即：解解得得： KdtdKRCUKuC , 代代入入方方程程设设：RCtCCCAeUuuu 下一页下一页总目录总目录 章目录章目录返回返回上一页上一页UutuCC)()

16、(Cu tAUuuuCCC e0dd CCutuRC通解即：通解即： 的解的解）（令令RC Cu求特解求特解 - RCtptAAuC ee其其解解：0)0( Cu根据换路定则在根据换路定则在 t=0+时，时，UA 则则下一页下一页总目录总目录 章目录章目录返回返回上一页上一页)0()() e1e1( ttRCtUUuC RCtCUUu e 暂态分量暂态分量稳态分量稳态分量电路达到电路达到稳定状态稳定状态时的电压时的电压-UCu Cu+UCu仅存在仅存在于暂态于暂态过程中过程中 63.2%U-36.8%UtCuo下一页下一页总目录总目录 章目录章目录返回返回上一页上一页CuCiCiCutCuCi

17、当当 t = 时时UeUuC%2 .63)1()(1 )e1(RCtUuC 0 edd tRUtuCitCC URU下一页下一页总目录总目录 章目录章目录返回返回上一页上一页5.3.2 RL电路的零状态响应电路的零状态响应 t=0iLLRS+US-+uL-S合上后,电路方程为 uL +RiL =US 0 tURidtdiLSLL tSLKeRUti )(方程的解为 0)1( teRUtS uC和iL零状态响应的通式为 )1)()( teftf 式中US/R为iL的稳态值 ) (t) tSCe(Uu 1RC电路的零状态响应为US为uC的稳态值下一页下一页总目录总目录 章目录章目录返回返回上一页上

18、一页例例2： 图示电路中，S闭合前电感中无电流，求t0时的uL、i和iL。 t=0100100100iiL+uL-+30V-3HiLRO+UOC-+uL-L 15010010010015100100100300RVUOC100100100+30V-+UOC-解解：对RL电路的零状态响应，先求iL较方便。为能直接套用公式，将S合上后的电路用戴维南定理等效为RL串联电路，分别求出UOC和R0 sRL02. 015030 ARUiOCL1 . 015015)(0 VeedtdiLtuAeeitittLLttLL50505015)50()1 . 0(3)(11 . 0)1()( Ae.e.eiuiLL

19、 t t t 5050500501010011010015100100 下一页下一页总目录总目录 章目录章目录返回返回上一页上一页uC 全响应全响应: 电源激励、储能元电源激励、储能元件的初始能量均不为零时，电件的初始能量均不为零时，电路中的响应。路中的响应。) 0()e1(e 0 tUUuRCtRCtCuC (0 -) = U0sRU+_C+_i0tuC下一页下一页总目录总目录 章目录章目录返回返回上一页上一页) 0()e1(e 0 tUUuRCtRCtC) 0( )e( 0 tUUURCt稳态分量稳态分量零输入响应零输入响应零状态响应零状态响应暂态分量暂态分量全响应全响应稳态值稳态值初始值

20、初始值下一页下一页总目录总目录 章目录章目录返回返回上一页上一页U0.632U1 2 3 321 Cu0Cu 2 6 4 5 3tCuO下一页下一页总目录总目录 章目录章目录返回返回上一页上一页UuC )(稳态解稳态解初始值初始值0)0()0(UuuCC tCUUUu e )(0RCtCCCCuuuu e)()0()(uC (0 -) = UosRU+_C+_i0tuc下一页下一页总目录总目录 章目录章目录返回返回上一页上一页)(tf-)( f稳态值稳态值-)0( f - tffftf e)()0()()( 利用求三要素的方法求解暂态过程，称为利用求三要素的方法求解暂态过程，称为三要素法三要素

21、法 )0( f)( f下一页下一页总目录总目录 章目录章目录返回返回上一页上一页)0( ft)(tfO)( f)0( f0)0()a( f0)0()b( f0)()c ( ft)(tfOt)(tfO)( f0)()d( ft)(tfO)0( f)( f下一页下一页总目录总目录 章目录章目录返回返回上一页上一页)(f)0 (f(1) 求初始值、稳态值、时间常数；求初始值、稳态值、时间常数；(3) 画出暂态电路电压、电流随时间变化的曲线。画出暂态电路电压、电流随时间变化的曲线。(2) 将求得的三要素结果代入暂态过程通用表达式；将求得的三要素结果代入暂态过程通用表达式；)0()0()( 6320 f

22、ff.tf(t)O下一页下一页总目录总目录 章目录章目录返回返回上一页上一页 电容电容 C 视视为开路为开路, 电感电感L视为短路，即求解直流电阻性电路视为短路，即求解直流电阻性电路中的电压和电流。中的电压和电流。V555510)( Cu6666)( LimA3 (1) 稳态值稳态值 的计算的计算)( fuC+-t=0C10V 1 FS例：例：5k +-Lit =03 6 6 6mAS下一页下一页总目录总目录 章目录章目录返回返回上一页上一页1) 由由t=0- 电路求电路求)0()0( LCiu、2) 根据换路定则求出根据换路定则求出)0()0()0()0( LLCCiiuu3) 由由t=0+

23、时时的电路，求所需其它各量的的电路，求所需其它各量的)0( i)0( u或或电容元件视为短路。电容元件视为短路。;0U其值等于其值等于，若若 0)0( Cu(1) 若若， 0)0(0 UuC电容元件用恒压源代替，电容元件用恒压源代替， 0 )0 (0 IiL0)0( Li若若其值等于其值等于I0 , , 电感元件视为开路。电感元件视为开路。(2) 若若 , 电感元件用恒流源代替电感元件用恒流源代替 ， 注意：注意：)0( f(2) 初始值初始值 的计算的计算 下一页下一页总目录总目录 章目录章目录返回返回上一页上一页CR0 0RL 注意：注意： 若不画若不画 t =(0+) 的等效电路，则在所

24、列的等效电路，则在所列 t =0+时时的方程中应有的方程中应有 uC = uC( 0+)、iL = iL ( 0+)。下一页下一页总目录总目录 章目录章目录返回返回上一页上一页R03210)/(RRRR U0+-CR0CR0 R1U+-t=0CR2R3SR1R2R3下一页下一页总目录总目录 章目录章目录返回返回上一页上一页解：解： teuuuuCCCC )()0()(cuCi2i电路如图，电路如图，t=0时合上开关时合上开关S，合，合S前电路已处于前电路已处于稳态。试求电容电压稳态。试求电容电压 和电流和电流 、 。)0( CuV54106109)0(33 CuV54)0()0( CCuut=0-等效电路等效电路)0( Cu9mA+-6k RS9mA6k 2 F3k t=0Ci2iCu+-C R下一页下一页总目录总目录 章目录章目录返回返回上一页上一页)( cu由换路后电路求稳态值由换路后电路求稳态值)( cu(33 Cus3630104102103636 CR )( Cut 电路电路9mA+-6k R 3k t=0-等效电路等效电路)0( Cu9mA+-