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1、第3章 电路的暂态分析,研究暂态过程的意义,在由电阻元件构成的电路中，接通或断开电源的瞬间，电路立即处于稳定状态(稳态)。但是，当电路中含有电感或电容等储能元件时，由于它们的储能特性，使电路需要经过一定的短暂时间才能到达稳态。例如：RC 串联电路接入直流电源的瞬间，由于电容的端电压为零而电路中有电流通过并且达到最大，随着电容的端电压逐渐上升，电路中的电流逐渐减小，当电容的端电压上升到与电源电压相同的值时，电路中的电流减小到零并可长时间维持不变。也就是说，电容的端电压是逐渐增长到稳定值的，而电路中的充电电流是逐渐衰减到零的。这就是暂态过程(暂态)。研究暂态过程的目的是:认识和掌握这种客观存在的物
2、理现象的规律。使之既要充分利用暂态过程的特性，同时也必须预防它所产生的危害。例如，在电子技术中常利用电路中的暂态过程现象来改善波形和产生特定波形;但某些电路在与电源接通或断开的暂态过程中，会产生过电压或过电流，从而使电气设备或器件遭受损坏。,3.1.1 电阻元件,描述消耗电能的性质,根据欧姆定律:,即电阻元件上的电压与通过的电流成线性关系,线性电阻,表明电能全部消耗在电阻上，转换为热能散发。,电阻的能量,3.1 电阻元件、电感元件与电容元件,描述线圈通有电流时产生磁场、储存磁场能量的性质。,1.物理意义,3.1.2 电感元件,2.自感电动势：,3.电感元件储能,根据基尔霍夫定律可得：,将上式两
3、边同乘上 i，并积分，则得：,即电感将电能转换为磁场能储存在线圈中，当电流增大时，磁场能增大，电感元件从电源取用电能；当电流减小时，磁场能减小，电感元件向电源放还能量。,磁场能,3.1.3 电容元件,描述电容两端加电源后，其两个极板上分别聚集起等量异号的电荷，在介质中建立起电场，并储存电场能量的性质。,电容：,当电压u变化时，在电路中产生电流:,电容元件储能,将上式两边同乘上 u，并积分，则得：,即电容将电能转换为电场能储存在电容中，当电压增大时，电场能增大，电容元件从电源取用电能；当电压减小时，电场能减小，电容元件向电源放还能量。,电场能,电容元件储能,本节所讲的均为线性元件，即R、L、C都
4、是常数。,3.2 储能元件和换路定则,1.电路中产生暂态过程的原因,电流 i 随电压 u 比例变化。,合S后：,所以电阻电路不存在暂态过程(R耗能元件)。,图(a)：合S前：,例：,i,3.2 储能元件和换路定则,图(b),所以电容电路存在暂态过程(C储能元件),合S前:,暂态,稳态,产生暂态过程的必要条件：,L储能：,换路:电路状态的改变。如：,电路接通、切断、短路、电压改变或参数改变,C 储能：,产生暂态过程的原因：由于物体所具有的能量不能跃变而造成,在换路瞬间储能元件的能量也不能跃变,(1)电路中含有储能元件(内因)(2)电路发生换路(外因),电容电路：,注：换路定则仅用于换路瞬间来确定
5、暂态过程中 uC、iL初始值。,2.换路定则,电感电路：,3.初始值的确定,求解要点：,(2)其它电量初始值的求法。,初始值：电路中各 u、i 在 t=0+时的数值。,(1)uC(0+)、iL(0+)的求法。,1)先由t=0-的电路求出 uC(0)、iL(0)；,2)根据换路定律求出 uC(0+)、iL(0+)。,1)由t=0+的电路求其它电量的初始值；,2)在 t=0+时的电压方程中 uC=uC(0+)、t=0+时的电流方程中 iL=iL(0+)。,暂态过程初始值的确定,例1,由已知条件知,根据换路定则得：,已知：换路前电路处稳态，C、L 均未储能。试求：电路中各电压和电流的初始值。,暂态过
6、程初始值的确定,例1:,iC、uL 产生突变,(2)由t=0+电路，求其余各电流、电压的初始值,例2：,换路前电路处于稳态。试求图示电路中各个电压和电流的初始值。,换路前电路已处于稳态：电容元件视为开路；电感元件视为短路。,由t=0-电路可求得：,例2：,换路前电路处于稳态。试求图示电路中各个电压和电流的初始值。,解：,由换路定则：,例2：,换路前电路处稳态。试求图示电路中各个电压和电流的初始值。,解：(2)由t=0+电路求 iC(0+)、uL(0+),由图可列出,代入数据,iL(0+),uc(0+),例2：,换路前电路处稳态。试求图示电路中各个电压和电流的初始值。,解：解之得,并可求出,计算
7、结果：,电量,结论,1.换路瞬间，uC、iL 不能跃变,但其它电量均可以跃 变。,3.换路前,若uC(0-)0,换路瞬间(t=0+等效电路中),电容元件可用一理想电压源替代,其电压为uc(0+);换路前,若iL(0-)0,在t=0+等效电路中,电感元件 可用一理想电流源替代，其电流为iL(0+)。,2.换路前,若储能元件没有储能,换路瞬间(t=0+的等 效电路中)，可视电容元件短路，电感元件开路。,3.3 RC电路的响应,一阶电路暂态过程的求解方法,1.经典法:根据激励(电源电压或电流)，通过求解电路的微分方程得出电路的响应(电压和电流)。,2.三要素法,仅含一个储能元件或可等效为一个储能元件
8、的线性电路,且由一阶微分方程描述，称为一阶线性电路。,一阶电路,求解方法,代入上式得,换路前电路已处稳态,(1)列 KVL方程,1.电容电压 uC 的变化规律(t 0),零输入响应:无电源激励,输入信号为零,仅由电容元件的初始储能所产生的电路的响应。,图示电路,实质：RC电路的放电过程,3.3.1 RC电路的零输入响应,(2)解方程：,即电容两端的电压 uC 从初始值按指数规律衰减，衰减的快慢由RC 决定。,(3)电容两端的电压 uc为：,得,电阻电压：,放电电流,电容电压,电流及电阻电压的变化规律,3.时间常数,物理意义：,令:,单位:s(秒),当 时,时间常数 决定电路暂态过程变化的快慢,
9、越大，曲线变化越慢，达到稳态所需要的时间越长。,时间常数 的物理意义,U,当 t=5 时，过渡过程基本结束，uC达到稳态值。,(4)暂态时间,理论上认为、电路达稳态,工程上认为、电容放电基本结束。,随时间而衰减,3.3.2 RC电路的零状态响应,零状态响应:储能元件的初始能量为零，仅由电源激励所产生的电路的响应。,实质：RC电路的充电过程,分析：在t=0时，合上开关S，此时,电路实为输入一 个阶跃电压u，如图。与恒定电压不同，其,电压u表达式,R,i,一阶线性常系数非齐次微分方程,方程的通解=方程的特解+对应齐次方程的通解,1.uC的变化规律,(1)列 KVL方程,3.3.2 RC电路的零状态
10、响应,(2)解方程,(3)电容电压 uC 的变化规律,暂态分量,稳态分量,电路达到稳定状态时的电压,仅存在于暂态过程中,3.、变化曲线,当 t=时,表示电容电压 uC 从初始值上升到 稳态值的63.2%时所需的时间。,2.电流 iC 的变化规律,4.时间常数 的物理意义,当 t=5 时,暂态基本结束,uC 达到稳态值。,3.3.3 RC电路的全响应,1.uC 的变化规律,全响应:电源激励、储能元件的初始能量均不为零时，电路中的响应。,根据叠加定理 全响应=零输入响应+零状态响应,稳态分量,零输入响应,零状态响应,暂态分量,结论2：全响应=稳态分量+暂态分量,全响应,结论1：全响应=零输入响应+
11、零状态响应,稳态值,初始值,稳态解,初始值,3.4 一阶线性电路暂态分析的三要素法,仅含一个储能元件或可等效为一个储能元件的线性电路,且由一阶微分方程描述，称为一阶线性电路。,据经典法推导结果,全响应,：代表一阶电路中任一电压、电流函数,式中,在直流电源激励的情况下，一阶线性电路微分方程解的通用表达式：,利用求三要素的方法求解暂态过程，称为三要素法。一阶电路都可以应用三要素法求解，在求得、和 的基础上,可直接写出电路的响应(电压或电流)。,三要素法求解暂态过程的要点,(1)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。,(2)将求得的三要素结果代入暂态过程通用表达
12、式；,求换路后电路中的电压和电流，其中电容 C 视为开路,电感L视为短路，即求解直流电阻性电路中的电压和电流。,(1)稳态值 的计算,响应中“三要素”的确定,例：,1)由t=0-电路求,在换路瞬间 t=(0+)的等效电路中,注意：,(2)初始值 的计算,1)对于简单的一阶电路，R0=R;,2)对于较复杂的一阶电路，R0为换路后的电路除去电源和储能元件后，在储能元件两端所求得的无源二端网络的等效电阻。,(3)时间常数 的计算,对于一阶RC电路,对于一阶RL电路,注意：,R0的计算类似于应用戴维宁定理解题时计算电路等效电阻的方法。即从储能元件两端看进去的等效电阻，如图所示。,例1：,电路如图，t=0时合上开关S，合S前电路已处于稳态。试求电容电压 和电流、。,(1)确定初始值,由t=0-电路可求得,由换路定则,应用举例,(2)确定稳态值,由换路后电路求稳态值,(3)由换路后电路求 时间常数,uC 的变化曲线如图,用三要素法求,S,9mA,6k,2F,3k,t=0,+,-,C,R,例2：,由t=0-时电路,电路如图，开关S闭合前电路已处于稳态。t=0时S闭合，试求：t 0时电容电压uC和电流iC、i1和i2。,求初始值,求时间常数,由右图电路可求得,求稳态值,(、关联),作业,6-1 6-3(用三要素法求解),
