電工學(xué)(第七版)上冊(cè)秦曾煌第三章

3.2儲(chǔ)能元件和換路定則3.3RC電路的響應(yīng)3.4一階線性電路暫態(tài)分析的三要素法3.6RL電路的響應(yīng)3.5微分電路和積分電路3.1電阻元件、電感元件、電容元件第3章電路的暫態(tài)分析1.了解電阻元件、電感元件與電容元件的特征;2.理解電路的暫態(tài)和穩(wěn)態(tài)、零輸入響應(yīng)、零狀態(tài)響應(yīng)、全響應(yīng)的概念，以及時(shí)間常數(shù)的物理意義;3.掌握換路定則及初始值的求法;4.掌握一階線性電路分析的三要素法。第3章電路的暫態(tài)分析：本章要求穩(wěn)定狀態(tài)：

在指定條件下電路中電壓、電流已達(dá)到穩(wěn)定值。

暫態(tài)過程：

電路從一種穩(wěn)態(tài)變化到另一種穩(wěn)態(tài)的過渡過程。第3章電路的暫態(tài)分析

1.利用電路暫態(tài)過程產(chǎn)生特定波形的電信號(hào)

如鋸齒波、三角波、尖脈沖等，應(yīng)用于電子電路。研究暫態(tài)過程的實(shí)際意義2.控制、預(yù)防可能產(chǎn)生的危害

暫態(tài)過程開始的瞬間可能產(chǎn)生過電壓、過電流使電氣設(shè)備或元件損壞。3.1.1電阻元件描述消耗電能的性質(zhì)根據(jù)歐姆定律:即電阻元件上的電壓與通過的電流成線性關(guān)系線性電阻

金屬導(dǎo)體的電阻與導(dǎo)體的尺寸及導(dǎo)體材料的電性能有關(guān)，表達(dá)式為：表明電能全部消耗在電阻上，轉(zhuǎn)換為熱能散發(fā)。電阻的能量3.1電阻元件、電感元件與電容元件電阻元件

描述線圈通有電流時(shí)產(chǎn)生磁場(chǎng)、儲(chǔ)存磁場(chǎng)能量的性質(zhì)。1.物理意義電感:(H)線性電感:L為常數(shù);非線性電感:L不為常數(shù)3.1.2電感元件電流通過N匝線圈產(chǎn)生(磁鏈)電流通過一匝線圈產(chǎn)生(磁通)2.自感電動(dòng)勢(shì)：電感元件3.電感元件儲(chǔ)能根據(jù)基爾霍夫定律可得：將上式兩邊同乘上

i

，并積分，則得：即電感將電能轉(zhuǎn)換為磁場(chǎng)能儲(chǔ)存在線圈中，當(dāng)電流增大時(shí),磁場(chǎng)能增大,電感元件從電源取用電能；當(dāng)電流減小時(shí)，磁場(chǎng)能減小，電感元件向電源放還能量。磁場(chǎng)能3.1.3電容元件描述電容兩端加電源后，其兩個(gè)極板上分別聚集起等量異號(hào)的電荷，在介質(zhì)中建立起電場(chǎng),并儲(chǔ)存電場(chǎng)能量的性質(zhì)。電容：當(dāng)電壓u變化時(shí)，在電路中產(chǎn)生電流:電容元件儲(chǔ)能將上式兩邊同乘上u，并積分，則得：即電容將電能轉(zhuǎn)換為電場(chǎng)能儲(chǔ)存在電容中，當(dāng)電壓增大時(shí),電場(chǎng)能增大,電容元件從電源取用電能；當(dāng)電壓減小時(shí)，電場(chǎng)能減小，電容元件向電源放還能量。電場(chǎng)能電容元件儲(chǔ)能本節(jié)所講的均為線性元件，即R、L、C都是常數(shù)。3.2儲(chǔ)能元件和換路定則1.電路中產(chǎn)生暫態(tài)過程的原因電流

i隨電壓u比例變化。合S后：所以電阻電路不存在暫態(tài)過程(R耗能元件)。圖(a)：

合S前：例：3.2儲(chǔ)能元件和換路定則圖(b)

合S后：

由零逐漸增加到U所以電容電路存在暫態(tài)過程(C儲(chǔ)能元件)合S前:U暫態(tài)穩(wěn)態(tài)Ot產(chǎn)生暫態(tài)過程的必要條件：∵

L儲(chǔ)能：換路:

電路狀態(tài)的改變。如：電路接通、切斷、短路、電壓改變或參數(shù)改變不能突變Cu\∵C儲(chǔ)能：產(chǎn)生暫態(tài)過程的原因：

由于物體所具有的能量不能躍變而造成在換路瞬間儲(chǔ)能元件的能量也不能躍變(1)電路中含有儲(chǔ)能元件(內(nèi)因)(2)電路發(fā)生換路(外因)電容電路：注：換路定則僅用于換路瞬間來確定暫態(tài)過程中

uC、iL初始值。設(shè)：t=0—表示換路瞬間(定為計(jì)時(shí)起點(diǎn))

t=0-—表示換路前的終了瞬間

t=0+—表示換路后的初始瞬間（初始值）2.換路定則電感電路：3.初始值的確定求解要點(diǎn)：(2)其它電量初始值的求法。初始值：電路中各u、i在t=0+

時(shí)的數(shù)值。(1)uC(0+)、iL(0+)的求法。1)先由t=0-的電路求出uC(

0–)

、iL(

0–)；

2)根據(jù)換路定律求出uC(0+)、iL(0+)。由t=0+的等效電路求其它電量的初始值；暫態(tài)過程初始值的確定例1．解：(1)由換路前電路求由已知條件知根據(jù)換路定則得：已知：換路前電路處穩(wěn)態(tài)，C、L均未儲(chǔ)能。

試求：電路中各電壓和電流的初始值。暫態(tài)過程初始值的確定例1:,換路瞬間，電容元件可視為短路。,換路瞬間，電感元件可視為開路。iC、uL

產(chǎn)生突變(2)由t=0+電路，求其余各電流、電壓的初始值例2：換路前電路處于穩(wěn)態(tài)。試求圖示電路中各個(gè)電壓和電流的初始值。解：(1)由t=0-電路求uC(0–)、iL(0–)換路前電路已處于穩(wěn)態(tài)：電容元件視為開路；電感元件視為短路。由t=0-電路可求得：例2：換路前電路處于穩(wěn)態(tài)。試求圖示電路中各個(gè)電壓和電流的初始值。解：由換路定則：例2：換路前電路處穩(wěn)態(tài)。試求圖示電路中各個(gè)電壓和電流的初始值。解：(2)由t=0+電路求iC(0+)、uL(0+)由圖可列出帶入數(shù)據(jù)iL(0+)uc(0+)例2：換路前電路處穩(wěn)態(tài)。試求圖示電路中各個(gè)電壓和電流的初始值。解：解之得并可求出計(jì)算結(jié)果：電量換路瞬間，不能躍變，但可以躍變。小結(jié)1.換路瞬間，不能突變。其它電量均可能突變，變不變由計(jì)算結(jié)果決定；3.換路瞬間，電感相當(dāng)于恒流源，其值等于，電感相當(dāng)于斷路。2.換路瞬間，電容相當(dāng)于恒壓源，其值等于電容相當(dāng)于短路；3.3

RC電路的響應(yīng)用經(jīng)典法分析電路的暫態(tài)過程，就是根據(jù)激勵(lì)(電源電壓或電流)，通過求解電路的微分方程得出電路的響應(yīng)(電壓和電流)。

零輸入響應(yīng):

無電源激勵(lì),輸入信號(hào)為零,僅由電容元件的初始狀態(tài)所產(chǎn)生的電路的響應(yīng)。實(shí)質(zhì)：RC電路的放電過程3.3.1RC電路的零輸入響應(yīng)代入上式得換路前電路已處穩(wěn)態(tài)電容C經(jīng)電阻R放電t=0時(shí)，開關(guān)一階線性常系數(shù)齊次微分方程(1)列

KVL方程1.電容電壓uC的變化規(guī)律(t0)圖示電路3.3.1RC電路的零輸入響應(yīng)(2)解方程：特征方程由初始值確定積分常數(shù)A齊次微分方程的通解：電容電壓uC從初始值按指數(shù)規(guī)律衰減，衰減的快慢由RC決定。(3)電容電壓uC的變化規(guī)律電阻電壓：放電電流

電容電壓2.電流及電阻電壓的變化規(guī)律tO3.、、變化曲線4.時(shí)間常數(shù)(2)物理意義令:單位:S(1)量綱當(dāng)

時(shí)時(shí)間常數(shù)

決定電路暫態(tài)過程變化的快慢時(shí)間常數(shù)等于電壓衰減到初始值U0

的所需的時(shí)間。0.368U越大，曲線變化越慢，達(dá)到穩(wěn)態(tài)所需要的時(shí)間越長(zhǎng)。時(shí)間常數(shù)的物理意義UtOuc當(dāng)

t=5

時(shí)，過渡過程基本結(jié)束，uC達(dá)到穩(wěn)態(tài)值。(3)暫態(tài)時(shí)間理論上認(rèn)為、電路達(dá)穩(wěn)態(tài)工程上認(rèn)為~、電容放電基本結(jié)束。t0.368U0.135U0.050U0.018U0.007U0.002U隨時(shí)間而衰減3.3.2

RC電路的零狀態(tài)響應(yīng)零狀態(tài)響應(yīng):

儲(chǔ)能元件的初始能量為零，僅由電源激勵(lì)所產(chǎn)生的電路的響應(yīng)。實(shí)質(zhì)：RC電路的充電過程分析：在t=0時(shí)，合上開關(guān)S，此時(shí),電路實(shí)為輸入一個(gè)階躍電壓u，如圖。與恒定電壓不同，其電壓u表達(dá)式Utu階躍電壓O一階線性常系數(shù)非齊次微分方程方程的通解=方程的特解+對(duì)應(yīng)齊次方程的通解1.uC的變化規(guī)律(1)列

KVL方程3.3.2

RC電路的零狀態(tài)響應(yīng)(2)解方程求特解

：方程的通解:求對(duì)應(yīng)齊次微分方程的通解通解即：的解微分方程的通解為求特解----（方法二）確定積分常數(shù)A根據(jù)換路定則在t=0+時(shí)，tO(3)電容電壓uC的變化規(guī)律暫態(tài)分量穩(wěn)態(tài)分量-U+U僅存在于暫態(tài)過程中

63.2%U-36.8%U電路達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)的電壓3.、變化曲線當(dāng)t=

時(shí)

表示電容電壓uC從初始值上升到穩(wěn)態(tài)值的63.2%

時(shí)所需的時(shí)間。2.電流

iC的變化規(guī)律4.時(shí)間常數(shù)

的物理意義為什么在t=0時(shí)電流最大？

Utuc,ic3.3.3RC電路的全響應(yīng)1.uC的變化規(guī)律

全響應(yīng):

電源激勵(lì)、電容元件的初始狀態(tài)均不為零時(shí)電路的響應(yīng)。根據(jù)疊加定理

全響應(yīng)=零輸入響應(yīng)+零狀態(tài)響應(yīng)穩(wěn)態(tài)分量零輸入響應(yīng)零狀態(tài)響應(yīng)暫態(tài)分量結(jié)論2：全響應(yīng)=穩(wěn)態(tài)分量+暫態(tài)分量全響應(yīng)結(jié)論1：全響應(yīng)=零輸入響應(yīng)+零狀態(tài)響應(yīng)穩(wěn)態(tài)值初始值U0.632U

越大，曲線變化越慢，達(dá)到穩(wěn)態(tài)時(shí)間越長(zhǎng)。結(jié)論：當(dāng)t=5時(shí),暫態(tài)基本結(jié)束,uC達(dá)到穩(wěn)態(tài)值。0.998Ut000.632U0.865U0.950U0.982U0.993UtO穩(wěn)態(tài)解初始值3.4一階線性電路暫態(tài)分析的三要素法僅含一個(gè)儲(chǔ)能元件或可等效為一個(gè)儲(chǔ)能元件的線性電路，無論簡(jiǎn)繁，它的微分方程都是一階常系數(shù)線性微分方程

據(jù)經(jīng)典法推導(dǎo)結(jié)果全響應(yīng)：代表一階電路中任一電壓、電流函數(shù)式中,初始值--（三要素）

穩(wěn)態(tài)值--時(shí)間常數(shù)

--在直流電源激勵(lì)的情況下，一階線性電路微分方程解的通用表達(dá)式：

利用求三要素的方法求解暫態(tài)過程，稱為三要素法。一階電路都可以應(yīng)用三要素法求解，在求得、和

的基礎(chǔ)上,可直接寫出電路的響應(yīng)(電壓或電流)。電路響應(yīng)的變化曲線tOtOtOtO三要素法求解暫態(tài)過程的要點(diǎn)起點(diǎn)(1)求初始值、穩(wěn)態(tài)值、時(shí)間常數(shù)；(3)畫出暫態(tài)電路電壓、電流隨時(shí)間變化的曲線。(2)將求得的三要素結(jié)果代入暫態(tài)過程通用表達(dá)式；tf(t)O

終點(diǎn)

求換路后電路中的電壓和電流,其中電容C視為開路,電感L視為短路,即求解直流電阻性電路中的電壓和電流。 (1)穩(wěn)態(tài)值的計(jì)算響應(yīng)中“三要素”的確定例：1)由t=0-電路求2)根據(jù)換路定則求出3)由t=0+時(shí)等效電路，求所需其它各量的或在換路瞬間t=(0+)的等效電路中電容元件視為短路。其值等于(1)若電容元件用恒壓源代替，其值等于I0,,電感元件視為開路。(2)若,電感元件用恒流源代替，注意：(2)初始值的計(jì)算

1)對(duì)于簡(jiǎn)單的一階電路，R0=R;2)對(duì)于較復(fù)雜的一階電路，R0為換路后的電路除去電源和儲(chǔ)能元件后，在儲(chǔ)能元件兩端所求得的無源二端網(wǎng)絡(luò)的等效電阻。(3)時(shí)間常數(shù)

的計(jì)算對(duì)于一階RC電路對(duì)于一階RL電路注意：R0的計(jì)算類似于應(yīng)用戴維寧定理解題時(shí)計(jì)算電路等效電阻的方法。即從儲(chǔ)能元件兩端看進(jìn)去的等效電阻，如圖所示。例1：用三要素法求解解：電路如圖，t=0時(shí)合上開關(guān)S，合S前電路已處于穩(wěn)態(tài)。試求電容電壓

和電流、。(1)確定初始值由t=0-電路可求得由換路定則應(yīng)用舉例(2)確定穩(wěn)態(tài)值由換路后電路求穩(wěn)態(tài)值(3)由換路后電路求時(shí)間常數(shù)

三要素uC的變化曲線如圖18V54VuC變化曲線tO用三要素法求例2：由t=0-時(shí)電路電路如圖，開關(guān)S