电工技术电路的瞬态分析优秀PPT.ppt

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1、电工技术电路的瞬态分析现在学习的是第1页，共44页第第6 6章章 电路的瞬态分析电路的瞬态分析l重点重点 (1)(1)掌握换路定律掌握换路定律(2)(2)掌握掌握RCRC和和RLRL的响应的响应(3)(3)电路的时域分析的三要素法电路的时域分析的三要素法 （4 4）了解）了解RLCRLC电路的零响应电路的零响应现在学习的是第2页，共44页 求得求得换路前电路稳态时的状态值换路前电路稳态时的状态值 即即uC(0)、iL(0 )，由换路定律可得电路的，由换路定律可得电路的初始状态值初始状态值uC(0+)，iL(0+)在在t=0+时，将时，将电容看作电容看作值为值为uC(0+)的的电压源电压源，电感

2、看作电感看作值值为的为的电流源，独立源取电流源，独立源取t=0+的值的值，从而建立，从而建立t=0+的电路模的电路模型，求得电路的各个电气量的型，求得电路的各个电气量的初始值即初始条件。初始值即初始条件。初始值的确定：初始值的确定：现在学习的是第3页，共44页二、换路定律二、换路定律画出画出t=0-的电路图，求开关打开前的电路图，求开关打开前 uC(0-),iL(0-)例：图示电路例：图示电路现在学习的是第4页，共44页由换路定理，画出由换路定理，画出t=0+的电路图，的电路图，进一步可求各阶导数的初始值进一步可求各阶导数的初始值现在学习的是第5页，共44页 动态电路的响应由两种激励动态电路的

3、响应由两种激励(excitation)产生：产生：独立电独立电源的输入（源的输入（input)（外施激励源）（外施激励源）动态元件储能的释放即初动态元件储能的释放即初始状态（始状态（state）（内部激励源）。外施激励源为零，由初始）（内部激励源）。外施激励源为零，由初始状态引起的响应称为零输入响应（状态引起的响应称为零输入响应（zero-input response）;初始初始状态为零，由外施激励源引起的响应称为零状态响应（状态为零，由外施激励源引起的响应称为零状态响应（zero-state response）。外施激励源和初始状态共同引起的响应称）。外施激励源和初始状态共同引起的响应称为全

4、响应（为全响应（complete response）动态电路的响应动态电路的响应:现在学习的是第6页，共44页第二节第二节 一阶电路的零输入响应一阶电路的零输入响应 一阶电路的定义：一阶电路的定义：换路后换路后，电路中仅含，电路中仅含一个一个或者可以等效为或者可以等效为一个储能元件的线性电路，其电路方程是一阶常系数微分方程，一个储能元件的线性电路，其电路方程是一阶常系数微分方程，称为称为一阶电路（一阶电路（first order circuit）。）。一、一阶一、一阶RC电路的零输入响应：电路的零输入响应：电路换路前电路已达稳态，电容器电路换路前电路已达稳态，电容器充电至电源电压：充电至电源电

5、压：在在t=0时，开关突然由时，开关突然由a打向打向b，电容通过电阻，电容通过电阻R形成回路放形成回路放电，此时电路已没有外施激励源，响应由电容的初始状态电，此时电路已没有外施激励源，响应由电容的初始状态引起，即引起，即零输入响应。零输入响应。a b现在学习的是第7页，共44页由由KVL得：得：是是uc的一阶齐次微分方程，用分离变量法解之的一阶齐次微分方程，用分离变量法解之两边取积分：两边取积分：方程变形为：方程变形为：a b现在学习的是第8页，共44页RC电路电路任意一阶任意一阶RC电路的零输入响应为电路的零输入响应为：现在学习的是第9页，共44页一阶一阶RC电路的零输入响应有以下特点：电路

6、的零输入响应有以下特点：换路瞬间电容电压保持不变换路瞬间电容电压保持不变，电流发生突变形成放电过程电流发生突变形成放电过程。换路后，所有的响应都是是按相同的指数规律衰减。换路后，所有的响应都是是按相同的指数规律衰减。衰减的指数规律仅由电路的结构和参数决定衰减的指数规律仅由电路的结构和参数决定与变量的选与变量的选择无关择无关。衰减的速度取决于衰减的速度取决于1/RC（衰减系数）（衰减系数）。现在学习的是第10页，共44页响应与其初始值成正比响应与其初始值成正比。初始值增大几倍，响应增大。初始值增大几倍，响应增大几倍。几倍。一阶一阶RC电路的零输入响应是靠电容中储存的电场能的释放电路的零输入响应是

7、靠电容中储存的电场能的释放维持，释放的能量同时被电阻消耗，暂态过程最后以能量的维持，释放的能量同时被电阻消耗，暂态过程最后以能量的耗尽而告终。此为一阶耗尽而告终。此为一阶RC电路的零输入响应的电路的零输入响应的 实质。实质。WR=WC现在学习的是第11页，共44页一阶一阶RC电路的零输入响应的求解步骤：电路的零输入响应的求解步骤：求解电路换路前的状态；求解电路换路前的状态；求时间常数：求时间常数：求解电路换路后初始值；（第一节）求解电路换路后初始值；（第一节）代入（代入（*）式）式现在学习的是第12页，共44页二、一阶二、一阶RL电路的零输入响应电路的零输入响应：电路换路前电路已达稳态：电路换

8、路前电路已达稳态：在在t=0时，开关突然合上，电感通过电阻时，开关突然合上，电感通过电阻R形成回路，此时电路形成回路，此时电路已没有外施激励源，电路中的响应由电感的初始状态引起，已没有外施激励源，电路中的响应由电感的初始状态引起，即为即为零输入响应零输入响应。由由KVL得得：现在学习的是第13页，共44页是关于是关于iL的一阶齐次微分方程，用分离变量法解之的一阶齐次微分方程，用分离变量法解之两边取积分：两边取积分：方程变形为：方程变形为：现在学习的是第14页，共44页一阶一阶RL电路的零输入响应有以下特点：电路的零输入响应有以下特点：换路瞬间电感电流保持不变，电压发生突变释放磁场能。换路瞬间电

9、感电流保持不变，电压发生突变释放磁场能。换路后，所有的响应都是是换路后，所有的响应都是是按相同的指数规律按相同的指数规律衰减。衰减。衰减的衰减的指数规律指数规律仅由仅由RL电路的结构和参数决定电路的结构和参数决定与变量与变量的选择无关的选择无关。衰减的速度取决于衰减的速度取决于R/L（衰减系数）。（衰减系数）。现在学习的是第15页，共44页响应与其初始值成正比。初始值增大几倍，响应增大几响应与其初始值成正比。初始值增大几倍，响应增大几倍。倍。一阶一阶RL电路的零输入响应是靠电感中电路的零输入响应是靠电感中储存的磁场能的释储存的磁场能的释放维持放维持，释放的能量同时被电阻消耗，暂态过程最后以能，

10、释放的能量同时被电阻消耗，暂态过程最后以能量的耗尽而告终。此为一阶量的耗尽而告终。此为一阶RL电路的零输入响应的电路的零输入响应的 实质。实质。WR=WL现在学习的是第16页，共44页一阶一阶RL电路的零输入响应的求解步骤：电路的零输入响应的求解步骤：求解电路换路前的状态；求解电路换路前的状态；求时间常数求时间常数：求解电路换路后初始值；（第一节）求解电路换路后初始值；（第一节）代入代入（*）式。式。线性一阶电路的零输入响应的要点：线性一阶电路的零输入响应的要点：一阶电路的零输入响应与其换路后的初始值成正比响应模一阶电路的零输入响应与其换路后的初始值成正比响应模式为式为（*）：时间常数决定于电

11、路的结构和参数。时间常数决定于电路的结构和参数。现在学习的是第17页，共44页第三节第三节 一阶电路的零状态响应一阶电路的零状态响应一、一阶一、一阶RC电路的零状态响应：电路的零状态响应：开关闭合前电容器未充电即处于零状态：开关闭合前电容器未充电即处于零状态：开关闭合后，电源通过开关闭合后，电源通过R、C形成回路，给形成回路，给电容充电。电路的初始状态为零，响应由电容充电。电路的初始状态为零，响应由外施激励源引起，为零状态响应外施激励源引起，为零状态响应。此为一阶常系数非齐次微分方程其解由两部分组成：此为一阶常系数非齐次微分方程其解由两部分组成：现在学习的是第18页，共44页一阶一阶RC电路的

12、零状态响应：电路的零状态响应：通解通解(general solution):特解特解(particular solution)：一般与微分方程常数项（外：一般与微分方程常数项（外施激励源）的形式相同，是满足原非齐次微分方程的一个施激励源）的形式相同，是满足原非齐次微分方程的一个解。解。由由电路知电路知US是换路后电路重新达到是换路后电路重新达到稳态即稳态即t=+时电容电压时电容电压。现在学习的是第19页，共44页一阶一阶RC电路的零状态响应：电路的零状态响应：从上述过程可以看出：从上述过程可以看出：现在学习的是第20页，共44页一阶一阶RC电路的零状态响应有以下特点：电路的零状态响应有以下特点

13、：电容上的电压（状态）由两部分组成：电容上的电压（状态）由两部分组成：方程的特解即方程的特解即电路达到稳态时的稳态值电路达到稳态时的稳态值。它受外施激励源制约，也称为它受外施激励源制约，也称为强制分量强制分量(forced component)方程的通解其变化规律与零输入响应相同按指数规律衰方程的通解其变化规律与零输入响应相同按指数规律衰减为零，只在暂态过程中出现故称暂态分量。其形式与外减为零，只在暂态过程中出现故称暂态分量。其形式与外施激励源无关也称为自由分量施激励源无关也称为自由分量(force-free component)。起。起始值与外施激励源有关。始值与外施激励源有关。a:稳态分量

14、稳态分量(steady stat component)：b:暂态分量暂态分量(transient component)：现在学习的是第21页，共44页电流在换路瞬间发生突变，其值为电流在换路瞬间发生突变，其值为US/R即换路后的初始值，即换路后的初始值，电路以此值开始给电容充电，随着极板上的电荷增多电容电电路以此值开始给电容充电，随着极板上的电荷增多电容电压的增大，压的增大，i=(US-uC)/R减小，最后为零，电容电压为减小，最后为零，电容电压为US。一阶一阶RC电路的零状态响应实质是电路储存电场能的过程。电路的零状态响应实质是电路储存电场能的过程。电源在充电过程中提供的能量，一部分转化电源

15、在充电过程中提供的能量，一部分转化成电场能成电场能储存在电容中，一部分被电路中的电阻消耗。且有储存在电容中，一部分被电路中的电阻消耗。且有 WC=WR电源提供的能量只有一半储存在电容中。充电效率电源提供的能量只有一半储存在电容中。充电效率50，与电阻电容数值无关。，与电阻电容数值无关。现在学习的是第22页，共44页二、二、RL电路的零状态响应：电路的零状态响应：开关闭合前电感中无电流电即处于零状态：开关闭合前电感中无电流电即处于零状态：开关闭合后电源通过开关闭合后电源通过R、L形成回路，此时形成回路，此时电路的初始状态为零，响应由外施激励电路的初始状态为零，响应由外施激励源引起，为零状态响应。

16、源引起，为零状态响应。现在学习的是第23页，共44页现在学习的是第24页，共44页一阶一阶RL电路的零状态响应有以下特点：电路的零状态响应有以下特点：电感上的电流（状态）从初始值开始逐渐增加，最后达到电感上的电流（状态）从初始值开始逐渐增加，最后达到新的稳态值。其暂态分量和稳态分量的意义与新的稳态值。其暂态分量和稳态分量的意义与RC电路相同。电路相同。电压在换路瞬间发生突变，其值为电压在换路瞬间发生突变，其值为US即换路后的初始值，即换路后的初始值，电路以此值开始在线圈中储存磁场能。电路以此值开始在线圈中储存磁场能。一阶一阶RL电路的零状态响应实质是电路储存磁场能的过程。电路的零状态响应实质是

17、电路储存磁场能的过程。电源提供的能量，一部分转化成磁场能储存在电感中，一电源提供的能量，一部分转化成磁场能储存在电感中，一部分被电路中的电阻消耗。且有部分被电路中的电阻消耗。且有 WL=WR电源提供的能量电源提供的能量只有一半储存在电感中。储能效率只有一半储存在电感中。储能效率50，与电阻电感数值，与电阻电感数值无关。无关。现在学习的是第25页，共44页第四节第四节 一阶电路的全响应一阶电路的全响应 三要素法三要素法 全响应为零输入响应和零状态响应之和。全响应为零输入响应和零状态响应之和。现在学习的是第26页，共44页三要素三要素零状态响应零状态响应零输入响应零输入响应稳态分量稳态分量暂态分量

18、暂态分量任意一个全响应任意一个全响应现在学习的是第27页，共44页三要素法求解一阶电路的全响应的步骤三要素法求解一阶电路的全响应的步骤画出换路前稳态电路，求状态值画出换路前稳态电路，求状态值uc(0-)，iL(0-)。据换路定律画出换路瞬间（据换路定律画出换路瞬间（0）时刻的暂态电路求初始值）时刻的暂态电路求初始值f(0+).画出换路后电路重新达到稳态时电路，求画出换路后电路重新达到稳态时电路，求f()，注意正弦，注意正弦稳态需用相量法。稳态需用相量法。求动态元件以外的除源等效电阻，进一步求出时间常数求动态元件以外的除源等效电阻，进一步求出时间常数，RC,=L/R代入三要素模式代入三要素模式现

19、在学习的是第28页，共44页例：图示电路原已处于稳态。若例：图示电路原已处于稳态。若t=0时将开关时将开关S闭合，试求换闭合，试求换路后路后2电阻中的电流及电感电流，并绘出其波形电阻中的电流及电感电流，并绘出其波形。解：解：（1）换路前稳态电路）换路前稳态电路（2）换路后）换路后0暂态电路暂态电路现在学习的是第29页，共44页（3）换路后稳态电路）换路后稳态电路（4）三要素）三要素现在学习的是第30页，共44页第五节第五节 一阶电路的阶跃响应和冲激响应一阶电路的阶跃响应和冲激响应一、单位阶跃函数（一、单位阶跃函数（unit step function）：）：t=0时换路的过程可表示时换路的过程

20、可表示具有具有“裁剪裁剪”的作用，称其为的作用，称其为闸门函数闸门函数。现在学习的是第31页，共44页将分段函数写成封闭形式将分段函数写成封闭形式二、单位冲激函数（二、单位冲激函数（unit impule function）现在学习的是第32页，共44页三、单位冲激函数与单位阶跃函数的关系三、单位冲激函数与单位阶跃函数的关系采样性或筛分性：采样性或筛分性：现在学习的是第33页，共44页四、一阶电路的阶跃响应：四、一阶电路的阶跃响应：阶跃响应：阶跃响应：零初始状态零初始状态电路，在电路，在单位单位阶跃电压（电流）阶跃电压（电流）的激励下所引起的响应。的激励下所引起的响应。任意零状态响应是单位阶跃

21、响应的任意零状态响应是单位阶跃响应的线性函数线性函数现在学习的是第34页，共44页五、一阶电路的冲激响应：零初始状态电路在五、一阶电路的冲激响应：零初始状态电路在单位冲激函数单位冲激函数激激励下所引起的响应。励下所引起的响应。当电容有冲激电流通过时，电容电压将发生跃变：当电容有冲激电流通过时，电容电压将发生跃变：现在学习的是第35页，共44页在冲激激励下在冲激激励下,电容电压发生跃变电容电压发生跃变,即在换路瞬间即在换路瞬间,电容短电容短路路，电压跃变到，电压跃变到1/C,t0以后电路的输入为零以后电路的输入为零,所以所以电路的电路的冲激响应相当于冲激响应相当于uc(0+)=1/C所引起的零输

22、入响应。所引起的零输入响应。单位冲激函数是单位阶跃函数的一阶导数，据线性电路单位冲激函数是单位阶跃函数的一阶导数，据线性电路的特性则的特性则单位冲激响应是单位阶跃响应的一阶导数。单位冲激响应是单位阶跃响应的一阶导数。现在学习的是第36页，共44页例例1200V200V30300.1H0.1H1010-uC+1000F1000FiL+-(2)(2)画运算电路画运算电路解解(1)(1)计算初值计算初值200/sV200/sV30300.1s0.1s0.5 V0.5 V10101000/s1000/s100/s V100/s VI IL L(s)(s)I I2 2(s)(s)-+-现在学习的是第37

23、页，共44页200/sV200/sV30300.1s0.1s0.5 V0.5 V10101000/s1000/s100/s V100/s VI IL L(s)(s)I I2 2(s)(s)-+-现在学习的是第38页，共44页200/sV200/sV30300.1s0.1s0.5 V0.5 V10101000/s1000/s100/s V100/s VI IL L(s)(s)I I2 2(s)(s)-+-UL(s)注意注意现在学习的是第39页，共44页tic+-UskR1L1L2R2i1i20.3H0.1H10V2233t=0时打开开关时打开开关k,求电流求电流 i1,i2。已知：已知：tuc(

24、V)0例例3现在学习的是第40页，共44页ti1523.750解解10/s V10/s V2 20.3s0.3s1.5V 1.5V 3 30.1s0.1sI I1 1(s)(s)+-注意注意现在学习的是第41页，共44页UL1(s)10/s V10/s V2 20.3s0.3s1.5V 1.5V 3 30.1s0.1sI I1 1(s)(s)+-现在学习的是第42页，共44页uL1-6.56t-0.375(t)0.375(t)uL2t-2.19ti1523.750现在学习的是第43页，共44页小结：小结：1 1、运算法直接求得全响应、运算法直接求得全响应3 3、运算法分析动态电路的步骤：、运算法分析动态电路的步骤：2 2、用、用0-初始条件，跃变情况自动包含在响应中初始条件，跃变情况自动包含在响应中1).1).由由.换路前电路计算换路前电路计算uc(0-),iL(0-)。2).2).画运算电路图画运算电路图3).3).应用电路分析方法求象函数应用电路分析方法求象函数。4).4).反变换求原函数。反变换求原函数。磁链守恒：磁链守恒：现在学习的是第44页，共44页