2.1-2.3电路暂态的概念及换路定则
第三章 电路的暂态分析1培训资料

第三章电路的暂态分析1培训资料电路的暂态分析是电路理论中的重要内容,它研究电路在初始状态或在切换瞬间的瞬态响应。
在本章中,我们将介绍电路暂态分析的基本概念、方法和应用。
一、电路暂态分析的基本概念电路暂态分析是指在电路切换瞬间或在初始状态下,电路中各元件的电流、电压和功率的瞬态变化情况。
电路暂态分析是电路理论中的基础知识,它对于理解电路的动态行为和瞬态响应具有重要意义。
二、电路暂态分析的方法1. 瞬态响应方程瞬态响应方程是描述电路在切换瞬间或初始状态下的电流、电压和功率变化的数学方程。
通过求解瞬态响应方程,可以得到电路在瞬态过程中的电流、电压和功率的变化规律。
2. 拉普拉斯变换法拉普拉斯变换法是求解电路暂态响应的一种常用方法。
通过将电路中的元件和信号用拉普拉斯变量表示,可以将电路暂态分析转化为求解代数方程的问题,从而得到电路的瞬态响应。
3. 数值模拟方法数值模拟方法是通过计算机仿真来求解电路暂态响应的一种方法。
通过建立电路的数学模型,并利用数值计算方法进行仿真计算,可以得到电路在瞬态过程中的电流、电压和功率的变化情况。
三、电路暂态分析的应用1. 电路开关过程的分析在电路中,开关的切换过程会引起电路中电流、电压和功率的瞬态变化。
通过电路暂态分析,可以研究开关过程中电路的动态行为,为电路设计和故障诊断提供依据。
2. 电源启动过程的分析电源启动过程是指电源从初始状态到正常工作状态的过程。
在电源启动过程中,电路中的电流、电压和功率会发生瞬态变化。
通过电路暂态分析,可以研究电源启动过程中电路的瞬态响应,为电源设计和调试提供参考。
3. 电路故障诊断在电路中,故障会引起电路中的电流、电压和功率的异常变化。
通过电路暂态分析,可以分析故障引起的瞬态响应,从而判断故障的位置和原因,为电路的修复和维护提供指导。
总结:电路暂态分析是电路理论中的重要内容,它研究电路在初始状态或在切换瞬间的瞬态响应。
电路暂态分析的方法包括瞬态响应方程、拉普拉斯变换法和数值模拟方法。
暂态分析的基本概念与换路定律

电容的电路存在过渡过程。
R-L电路
U
KR
+ t=0
_
iL
电感为储能元件,它储存的能量为磁场能量,其
大小为:
WL
t uidt 1 Li2
0
2
因为能量的存储和释放需要一个过程,所以有
电感的电路存在过渡过程。
产生暂态过程的原因:
内部因素:电路中存在储能元件(C、L)
外部因素:换路→电路状态的改变。如:
(1) 电路接通、断开电源 (2) 电路中电源的升高或降低 (3) 电路中元件参数的改变
…………..
三、换路定律
换路定理: 在换路瞬间,电容上的电压、电感中的电流 不能跃变。
设:t=0 时换路
0 --- 换路前瞬间
0 --- 换路后瞬间
uC (0+ ) = uC (0- )
iL (0+ ) = iL (0- )
+
uC(0+)
-
R2
uR2 (0+)
iC(0+ )= -iL(0+ )=-US/(R1+R2) uR2(0+ ) = iL(0+) ·R2= uC(0+ ) uL(0+ )= uC(0+ ) - uR2(0+ ) = 0
iL(0+)
返回
= 2mA uC(0- )= i2(0- ) ·R2= 6V
在S断开的瞬间,根据换路定律有:
uC(0- )= uC(0+ )= 6V,
而 i2(0+ ) = 0
i1(0+ )= iC(0+ ) = [US- uC(0+ )] /R1 =2mA
第2章 电路的暂态过程(陆)

2.1.4 换路定则
换路定则的数学表达式 理解此式有物理意义
uC (0 ) uC (0 ) iL (0 ) iL (0 )
注意:换路定则只适用于换路的瞬间。 例1 确定图示电路中各个电压和电流的初始值(设换路前电路 处于稳态)。已知 U=6V,R=3Ω ,L=10mH。 解:开关S闭合前 即 开关S闭合瞬间 电阻两端的电压 电感两端的电压
(2)作t≥0电路如图(c)所示,其等效电路如图(d)所示。 则等效电阻 63
故电路的时间常数
63 RC 2 0.5 1s uC 6e V
( t 0)
i1 R1 6 + R2 uC(0-) 3 - + uC - iC C 0.5 F R2 3 C + uC - R i2
2.1.3 产生暂态过程的原因 电感元件与电容元件是储存磁场能量和电场能量的理想电路元 件,由于它们所储存的能量不能突变,所以含有电感元件与电容元 件的电路在换路时必然会产生暂态过程。 p
从能量的角度分析,如果电感元件中的电流或电容元件两端的 电压能突变,则能量也必然随之突变,因而功率必然为无穷大,这 显然是不可能的。 可以得出如下两个重要结论:
2.1.2 储能元件 一、电容元件 电容器的电容量的定义: 由电流的定义
可得电容两端电压与电流的关系为
电容器中随时间变化的电压与电流的乘积称为瞬时功率
讨论此式 电容器贮能为
二、电感元件 线性电感的定义
由电磁感应定律,得自感电动势
理想电感元件的瞬时功率为
电感元件贮能为 讨论此式
讨论可得:理想电容(电感)元件不消耗电能,是一个储存电 场(磁场)能的元件。且能量的储存与释放是可逆的。
电路的暂态分析

电路的暂态分析电路的暂态分析是对电路从一个稳定状态变化到另一个稳定状态时中间经受的过渡状态的分析。
电路中产生暂态过程的缘由是由于电路的接通、断开、短路、电路参数转变等——即换路时,储能元件的能量不能跃变而产生的。
(1)换路定则与电压、电流初始值的确定换路定则用来确定暂态过程中电压、电流的初始值,其理论依据是能量不能跃变。
在换路瞬间储能元件的能量不能跃变,即电感元件的储能不能跃变电容元件的储能不能跃变否则将使功率达到无穷大设t=0为换路瞬间,而以t=0–表示换路前的终了瞬间,t=0+表示换路后的初始瞬间。
则换路定则用公式表示为:电压与电流初始值的确定* 作出t=0–的等效电路,在此电路中,求出和。
* 由换路定则得到和。
* 作出t=0+的等效电路换路前,若储能元件没有储能,则在t=0+的等效电路中,可将电容短路,而将电感元件开路;若储能元件储有能量,则在t=0+的等效电路中,电容可用电压为的抱负电压源代替,电感元件则可用电流为的抱负电流源代替。
*在t=0+的等效电路中,求出待求电压和电流的初始值。
(2)RC电路的响应在t=0时将开关S合到1的位置依据KVL,t≥0 时电路的微分方程为设换路前电容元件已有储能,即,解上述微分方程,得t=RC单位是秒,所以称它为RC电路的时间常数。
这种由外加激励和初始储能共同作用引起的响应,称为RC 电路的全响应。
若换路前电容元件没有储能,即,则初始储能为零,由外加电源产生的响应,称为RC电路的零状态响应。
uC随时间变化曲线时间常数t=RC,当t=t时,uC= 63.2%UuC由初始值零按指数规律向稳态值增长,电路中其他各量要详细分析才能确定。
若在t=0 时将开关S由1合到2的位置,如下图。
这时电路中外加激励为零,电路的响应由电容的初始储能引起的,故常称为RC 电路的零输入响应。
电容两端的电压uC由初始值U0向稳态值零衰减,这是电容的放电过程,其随时间变化表达式为在零输入响应电路中各电量均由初始值按指数规律向稳态值零衰减。
电工与电子技术第2章

+
−
i
t→∞结束暂态,进入新稳态
uR C
uC 变量值需标明时刻:
uC(0-)、uC(0+)、uC(∞)、uC (t)
例2:求uC(0+)、 iC(0+),设S动作前电路稳定
R2 4 = 12 × = 8V uC (0-) = U S 2+4 R1 + R 2
根据换路定则:uc ( 0 ) = uc ( 0 ) = 8 V
S V R uR
US = 0.5A i L( 0 + ) = i L( 0 − ) = R
uR ( 0 + ) = iL ( 0 + ) × R = 0.5 × 20 = 10V
u(0+ ) = − iL (0+ ) × R0 = 0.5 × 10 × 103 = −5000V
uL (0 + ) = u( 0 + ) − uR (0 + ) = −5000 − 10 = −5010V
RC电路的暂态响应
uC = U 0 e
−t / τ
τ=RC 越大, 暂态过程越长 一阶RC零输入电路的 暂态响应曲线 为RC放电过程
(t ≥ 0) (t>0) (t>0)
i C
U0
uR = −Βιβλιοθήκη 0e−t / τU 0 −t / τ i=− e R
t=0
R uR
0 i U0 uC − R − U 0
+
−
t=0-
换 路
t=0+
t
换路前后虽电路不同,但换路后 瞬间uC和iL保持不变。
0 暂态过程
换路定则只对uC和iL,其他电量都会发生突变
电路的暂态分析

从电路关系分析
S R i 若 c 发生突变,
+ _U
uC
C
u
duc 则 dt
S闭合后,列回路电压方程:
i
一般电路
不可能! duC U iR u C RC uC dt du 所以电容电压 (i C ) dt 不能突变
二 初始条件的计算 初始值:电路中的响应在换路后的最开始一瞬间(即 0+ 时)的值。
佛爱 +
普西 u
i
Φ (磁通)
ψ NΦ(磁链)
-
ψ NΦ 线圈电感: L i i
单位:
3
磁链单位:韦伯(Wb) 电流单位:安培(A) 电感单位:亨利(H)
6
1H 10 mH 10 μH
线性电感: L为常数;非线性电感:L不为常数
◆电感元件的电压电流关系
根据电磁感应定律,感应 电压的量值等于磁链的变化率,++ ue 即
② 电路的时间常数
开关S断开后,当t= 时
uC ( ) 100e
R2C (100 10 10 10 )s=1s
3 6
RC
100e1V=36.8V
当t=5 时
uC (5 ) 100e
5 RC
100e5V=0.7V
总结:电容充电后脱离电源,在一段时间内仍 具有一定的电压,即电容上的电压不能突变。
u 独立初始值: C (0 ) 和 iL (0 ) 。由换路前决定。
相关初始值:用独立初始值及KCL、KVL和欧姆定律来 确定的其它初始值。
例3.1.1 确定图所示电路中各个电压和电流的初始值(设 换路前电路处于稳态)。已知 U=6V,R=3Ω ,L=10mH 。
第三章 电路的暂态分析

2
动态电路的一个特征是当电路的结构或元 件的参数发生变化时,可能使电路 件的参数发生变化时,可能使电路改变原 来工作状态,转变到另一个工作状态, 来工作状态,转变到另一个工作状态,这 种转变往往需要经历一个过 个过程 种转变往往需要经历一个过程,在工程上 称为过渡过程 过渡过程。 称为过渡过程。 电路中经常会这样的变化, 电路中经常会这样的变化,如电源的合 分闸、电源幅值的突然变化、 闸、分闸、电源幅值的突然变化、电路元 件参数的突变以及负载的加入或去掉等, 件参数的突变以及负载的加入或去掉等, 这些统称为“换路” 并认为换路是在t 这些统称为“换路”。并认为换路是在 = 0时刻进行。 换路前的最终时刻记为 = 0-, 时刻进行。 时刻进行 换路前的最终时刻记为t , 换路后的最初时刻记为t 换路后的最初时刻记为 = 0+ 。换路经历 3 时间为0-到 。 时间为 到0+。
−∞ −∞ 0− 0− 0+ 0− 0+ 0+
当电容电流i 为有限值时: 当电容电流 c为有限值时: 1 0+ ∫0− ic dτ = 0 C
6
故有
uc(0+)= uc(0-) q(0+)= q(0-)
即电容元件在换路前后电荷不跳变 即电容元件在换路前后电荷不跳变 。 对于一个t 储存电荷为q(0- ),电压 对于一个 = 0—储存电荷为 , 为uc(0-) =Uo的电容,在换路瞬间不发生跃 的电容,在换路 变的情况下, 变的情况下,有uc(0+)= uc(0-)= Uo ,可见在 = 换路的瞬间。电容可视为一个电压值为Uo 换路的瞬间。电容可视为一个电压值为 电压源。同理,对于一个在t 不带电 的电压源。同理,对于一个在 = 0— 不带电 荷的电容 在换路瞬间不发生跃变的情况下, 荷的电容,在换路瞬间不发生跃变的情况下, 有uc(0+)= uc(0-) =0,在换路瞬间电容相当于 ,在换路瞬间电容相当于 短路。 短路。 7
第2章 电路的暂态分析

[例3] 求: 初始值 iL(0+), uL(0+)。 。
IS
3A
第2章 2.1 章
R3
30
R1
20
R3 t=0 a iL 30 S b + uL L R2
15
IS
3A
R1
20
uL(0-) iL(0-) t = 0-
–
解: (1) 画出t = 0- 的等效电路 L—短路 的等效电路, 短路 iL(0-)=1.2A, uL(0-)= 0 , (2) 画出t = 0+ 的等效电路 的等效电路,
t = 0+ 时的等效电路
u iC(0+) + C(0+) – + U – i1(0+) R1 u2(0+) – + + u1(0+) – R2 iL(0+) + uL(0+) –
第2章 2.1 章
电路中各电压电流的初始值为
i1(0+)= iC(0+) = U R1 u1(0+) = i1(0+)R1 = U u2(0+) = 0 iL(0+) = iL(0) = 0 uL(0+) = U
此例说明在换路瞬间只有电容的电压和电感中的 [例2] 下图所示电路中,已知:R1=R2=R4=R5=2, 例 下图所示电路中,已知: R3=2,IS= 4A, 闭合前电路已处于稳态 时 电流不能跃变,而电路中其它各电量均可能发生跃 电流不能跃变, S闭合前电路已处于稳态。若t=0时, , 闭合前电路已处于稳态。 打开, 初始值。 将S打开,求电容和电感的电压、电流初始值。 打开 求电容和电感的电压、电流初始值 包括通过电容的电流和电感元件两端的电压。 变,包括通过电容的电流和电感元件两端的电压。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性,平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益,请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间:9:00-18:30)。
(4)电感中电流电压的关系
理想电 感符号
电源电压
当u变化→ i变化→ Φ变化→ (自感电动势) 参考方向选择:u与i一致(指外电路),i与 自身产生的Φ符合右手螺旋定则, 与Φ也符合 右手螺旋定则。因此 与 i的参考方向一致。
因为
所以
di >0, dt di <0, 为正,即实际方向与参考方向相同。 dt
2.1.1电路的稳态与暂态
K
+ _
“稳态”与 “暂态”的概念:
R
+
R
E
uC
E _
C 电路处于新稳态
uC
电路处于旧稳态
过渡过程(暂态过程) : 旧稳态 新稳态
uC
E
暂态
稳态
t
2.1 .2储能元件
电容元件 电感元件
一、电容元件
1. 电容元件的基本性质
•电容器
接电源正极 法拉
(单位:F, F, pF)
…………..
换路定则: 在换路瞬间(t=0),电容上的电压、 电感中的电流都应保持原值。
设:t=0 时换路
0 0 0 --- 换路后瞬间 0
--- 换路前瞬间
换路瞬 间是不 花费时 间的
则:
uC (0 ) uC (0 ) 0 0
iL (0 ) iL (0 ) 0
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,必须采取防范措施。
2.1.4 换路定则
换路: 电路状态的改变。如:
1 . 电路接通、断开电源
2 . 电路中电源的升高或降低
3 . 电路中元件参数的改变
小结
1. 换路瞬间, 能突变,变不变由计算结果决定;
uC、iL 不能突变。其它电量均可
2. 在计算t=0 + 时电路的电压或电流初始值时,只 需计算t=0 - 的电容电压或电感电流 ,根据换路定 则得出其t=0+ 的值,然后求出其余电压和电流的 初始值。
例:求各电压、电流初始值
iK iR iC iL R2 UC R3 UL
uL
R1 2k R2 1k
换路前的等效电路 R R1 R2
+
_E
uC
i1 uC
E iL (0- ) i1 (0- ) 1.5 mA R R1
uC (0- ) i1 (0- ) R1 3 V
i
+ _ E
i2
t=0 +时的等效电路
+ R2 1k 3V
i1
1.5mA
di 当i减小时, 0 , p <0,电感释放功率 dt ,
把磁场能转变为电能。
设电感中初始电流i=0,若在(0~ t)时间 内, 电流增大到I,则电感吸收的电能为:
WL uidt
0
t
I
0
1 2 Lidi L I 2
di (u L ) dt
若在(0~ t)时间内, L中电流由I减小到0,则电 感释放的电能为:
单匝线圈中磁 通量变化率
当
增大时,
,e为负值。说明e的实际
方向与参考方向相反。 当 减小时, e为正值。 说明e的实际
方向与参考方向一致。
N匝线圈的感应电动势:
磁链
(3)电感 磁链与磁通量通常是由通过线圈的电流 i产生的。当线圈中无铁磁材料时,磁链 Ψ与电流i成正比,其比例系数为常数, 定义为线圈的电感。(与电容对照:q与u成正比)
变化率成正比。
当u
U (直流) 时,
du 0 dt
i0
所以,在直流电路中电容相当于断路.
• 电容器的储能
电容器是一种储能元件, 设C两端初始 电压u=0,若在(0~ t)时间内, C两 端电压上升到U,则电容器吸收(储存 )的电能为:
i
u
C
WC uidt
0
t
U 0
1 2 Cudu C U 2
K + E _ R t=0 I
I
无过渡过程
电阻是耗能元件,其上电流随电压按比例变化, 不存在过渡过程。
电容电路
K + _E R
储能元件
uC
E
C
uC
t
电容为储能元件,它储存的能量为电场能量 ,其 大小为:
1 2 WC uidt CU 0 2
t
因为能量的存储和释放需要一个过程,所以有电 容的电路存在过渡过程。
电感电路
K
R iL
储能元件
+ t=0 E _
iL
t
电感为储能元件,它储存的能量为磁场能量, 其大小为:
1 2 WL uidt LI 0 2
t
因为能量的存储和释放需要一个过程,所以有电 感的电路存在过渡过程。
结论
(1)电容两端的电压不能突变;
(2)电感中的电流不能突变。
* 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。所以
1 2 电容C存储的电场能量 Wc CU C ) ( 2 uC 不能突变 WC 不能突变 1 2 电感 L 储存的磁场能量 WL ( LI L ) 2
WL
不能突变
i L 不能突变
说明:
• 直流电路、交流电路都存在过渡过程。我们主 要介绍直流电路的过渡过程。
研究过渡过程的意义:过渡过程是一种自然现象,
初始值的确定
初始值(起始值):电路中 u、i 在 t=0 + 时 的大小。
求解要点: 1.
uC (0 ) uC ( 0 ) iL (0 ) iL (0 )
2. 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。
例1
K t=0 U
uR iL
解:
根据换路定则
uL
) 0( Li
2.2 RC电路的暂态分析
电能转换成 电场能,
dq du (i C , idt Cdu) dt dt
(见下页)
• 公式
1 a 1 x dx x C a 1
a
定积分则无常数C
U
0
1 2U 1 1 2 1 2 2 Cudu [ Cu ]0 CU C 0 CU 2 2 2 2
若在(0~ t)时间内, C两端电压由U下降到0, 则电容器释放的电能为:
1 2 WC uidt Cudu C U 0 U 2
t 0
1 电容器是一个储能元件,存储的能量为 Wc CU 2 2
因能量的存储需要时间,所以电容器两端的电压不 能突变。
2. 电容器的串、并联 (1)电容器的串联
左图:
右图:
1 Q C
2. 电容器的并联
二、电感元件
换路瞬间
iL (0 ) iL (0 ) 20mA
(大小,方向都不变)
K U
L
V R
iL
iL (0 ) iL (0 ) 20 mA
时的等 效电路
t=0+
uV (0 ) iL (0 ) RV
V 2010 50010
3 3
V
IS
10000V
注意:实际使用中要加保护措施
i
u
++ ++ +q
-- --
库仑
对某一个电容器 而言,极板间存 储的电荷量与电 压的比值是一个 常数,定义为电 容器的电容量C
-q
q C
u
+
接电源负极 电容符号
伏特
+
_
无极性电容 有极性电容
• 电容上电流、电压的关系
i u
C
q C
u
q Cu
dq du i C dt dt
du 称电压变化率。电容器中的电流与电容两端电压 dt
电流变 化率 为负,即实际方向与参考方向相反;
对于图b,由KVL
所以
eL
当
i I (直流) 时,
di 0 dt
u0
所以,在直流电路中电感相当于短路.
• 电感的功率存储储能
理想电感元件的瞬时功率为:
di p i u i L dt
上式表明,
把电能转变为磁场能;
di 当i增大时, 0 , p >0,电感吸收功率, dt
K
10mA
R1
提示:先画出 t=0- 时的等效电路
uC (0 - )、iL (0 - ) uC (0+ )、iL (0 +)
画出 t =0 +时的等效电路(注意
uC (0+ )、iL (0+ ) 的作用)
求t=0+ 各电压、电流值。
iK
iR
iC
iL R2 UC R3 UL
KHale Waihona Puke 10mAWL uidt
0
t
0
I
1 2 Lidi L I 2
小结
元件的特性 (u 与 i 的关系)
L
C
di uL dt
du iC dt
注意 L、C 在不同电路中的作用
R1 U L
R2
C
R1 U为直流电压时, 以上电路等效为
U
R2
2.1 .3产生暂态过程的原因
产生过渡过程的电路及原因? 电阻电路
uL (0+ ) E i1 (0+ ) R1 3 V