第五章电路的瞬态分析【引言】①直流电路:电压、电流为某一稳定值稳定状态(简称稳态)交流电路:电压、电流为某一稳定的时间函数○2当电路发生接通、断开、联接方式改变及电路参数突然变化时,电路将从一种稳态变换到另一种稳态,这一变换过程时间一般很短,称为瞬态过程或简称瞬态(也称暂态过程或过渡过程)。
防止出现过电压或过电流现象,确保电气设备安全运行。
○3瞬态分析的目的掌握瞬态过程规律,获得各种波形的电压和电流。
学习目的和要求1、了解产生瞬态过程的原因和研究瞬态过程的意义。
2、掌握分析一阶电路的三要素法。
理解初始值、稳态值、时间常数的概念。
3、理解RC电路和RL电路瞬态过程的特点。
4、了解微分电路和积分电路本章重点:分析一阶电路的三要素法,RC电路的充放电过程。
本章难点:初始值的确定。
5-1瞬态过程的基本知识一、电路中的瞬态过程【演示】用根据图5-1-1 制作的示教板。
观察开关S 合上瞬间各灯泡点亮的情况。
SI C I L I R+C L RU S-HL 1HL2HL3图 5-1-1【讲授】开关 S HL 1突然闪亮了一HL 2由暗逐HL 3立刻变合上瞬间下,然后逐渐暗下渐变亮,最亮,亮度稳去,直到完全熄灭后稳定发光定不变有瞬态过程无瞬态过程外因——电路的状态发生变化(换路)电路发生瞬态过程的原因内因 —— 电路中含有储能元件(电容或电感)二、换路定律【讲授】①换路定律是表述换路时电容电压和电感电流的变化规律的,即换路瞬间电容上的电压和电感中的电流不能突变。
②设以换路瞬间作为计时起点,令此时t =0,换路前终了瞬间以 t =0 —表示,换路后初始瞬间以 t=0 +表示。
则换路定律可表示为:u C (0 +) = u C (0 — )换路瞬间电容上的电压不能突变 i L (0 +) = i L (0 — )换路瞬间电感中的电流不能突变换路后 换路前初始瞬间终了瞬间【说明】①换路定律实质上反映了储能元件所储存的能量不能突变。
因为W C = 1Cu C 2、W L = 1Li L 2,p=dw趋于无穷大,这是不可能的。
2 2u C 和 i L 的突变意味着能量发生突变,功率dt②当电路从一种稳定状态换路到另一种稳定状态的过程中,u C 和 i L 必然是连续变化的,不能突变。
这种电流和电压的连续变化过程就是电路的瞬态过程。
③电阻是耗能元件,并不储存能量,它的电流、电压发生突变并不伴随着能量的突变。
因此由纯电阻构成的电路是没有瞬态过程的。
④虽然 u C 和 i L 不能突变,但电容电流和电感电压是可以突变的,电阻的电压和电流也是可以突变的。
这些变量是否突变,需视具体电路而定。
三、分析一阶电路瞬态过程的三要素法【讲授】①一阶电路是指只包含一个储能元件,或用串、并联方法化简后只包含一个储能元件的电路经典法 (通过微分方程求解)②分析一阶电路瞬态过程的方法三要素法 (简便方法,本书只介绍此法的应用)③在直流电源作用下的任何一阶电路中的电压和电流,只要求得初始值、稳态值和时间常数这三个要素,就可完全确定其在瞬态过程中随时间变化的规律。
——三要素法:瞬态过程中换路后瞬间 u 的 u 或 i或 i 的初始值f ( t )= f ( ∞ ) + [ f (0 + ) - f (∞ ) ] e t /u 或 i 的时间常数稳态值【推导】我们通过图5-1-2 所示的 RC 串联电路与直流电源接通,推导出三要素法的一般公式,并说明它适用于任意复杂的一阶电路。
推导过程虽不够严密,但较简单,供教师参考。
在 t=0 瞬时,将开关 S 闭合,则电容 C 通过电阻 R与直流电压 U 接通。
现讨论此后发生的过程:根据基尔霍夫电压定律,开关S闭合后,显然有u R +u C =U 即 Ri + u C =U将 i =Cdu C代入得图 5-1-2dtRCdu C+u C =Udt上式是一阶常系数非齐次线性微分方程,由高等数学可知,其通解u C 由两部分组成,即一个特解u C '和一个它所对应的齐次方程RCdu C+u C = 0 的通解 u C " 。
故dtu C =u C '+u C "它的特解 u C ' 可由 t =∞(即过渡过程已经结束)时的值u C (∞)来确定,即u C '=u C (∞)它所对应的齐次方程的通解u C "是一个时间的指数函数,可表示为u C " =Ae pt现将其代入该齐次方程,并消去公因子Aept,便可得出该齐次方程的特征方程是RC+ 1= 0由上式有P=- 1 =-1R C式中 τ =RC于是u C =u C ( ∞) + Ae-t/RC= u C (∞)+ Ae-t/ τ-t/ τ由此可见,充电过程中的电容电压u C 可视为稳态分量u C ( ∞)与暂态分量 Ae 的叠加。
所谓暂态分量,是指仅存于过渡过程中的分量,它总是随时间逐渐衰减的,当t→∞时,暂态分量衰减为零。
所谓稳态分量,是指过渡过程结束,暂态分量为零,电路处于稳态时的分量。
当然,实质上仅存在一个电压(或电流),将其分解为两个分量只是为了便于分析而已。
上式中尚有积分常数A待定,这可根据换路瞬时(t=0 )的初始条件u C (0+) =u C (0-)来确定:u C (0+) = u C ( ∞ )+A或A = u C (0+) — u C ( ∞)将此式代入上式中,有u C=u C(∞)+ 〔 u C (0+) —u C ( ∞)〕e-t/τ由此还可得电容的充电电流i=C du C=C d u C u C 0u C e-t/τdt dt=i (∞) +[ i ( 0+)- i(∞) ] e-t/τ电阻上的端电压u R=Ri =R i(∞) + R [ i( 0+)- i(∞)] e-t/τ=u R(∞)+ 〔 u R (0+) —u R ( ∞)〕e-t/τ以上三式有其共同的规律,可用数学式统一表示为f ( t )= f ( ∞ ) + [ f (0 + )- f ( ∞ ) ]e t /这就是分析一阶电路瞬态过程中任意变量的一般公式,即三要素法。
RL 电路也可这样推导,得出同样结果,只是时间常数τ=L/R【说明】①用三要素法分析一阶电路的是本章的重点内容。
只要求得三要素就可知瞬态过程中电压和电流的变化规律,省去了求微分方程的麻烦。
初始值 f (0 + ) ——瞬态过程开始时的值。
可根据换路定律求得。
稳态值 f ( ∞ )——瞬态过程经历t→∞时的值。
可根据电路基本定律求得。
时间常数τRC 电路中,τ=RCRL 电路中,τ=L/R②三要素中初始值较难确定,主要根据换路定律来求。
四、根据换路定律确定瞬态过程的初始值【讲授】一般分三步进行:1.按换路前的电路求出u (0—)和 i (0—);C L 2.由换路定律确定u C(0+)、 i L(0+);3.在换路后的一瞬间,将电容看作理想电压源(若电压为零,则相当于短路),将电感看作理想电流源(若电流为零,则相当于开路),再按换路后的电路求出其它电流和电压的初始值。
[例 5-1-1]图5-1-3所示的电路,原为稳定状态,电容上未储能,已知U S=4V , R=2Ω,试求开关S 闭合后瞬间电感、电容、电阻上的电流。
[解 ] 1. 先求换路前的电容电压和电感电流。
因为开关S 未闭合时,电路原为稳定状态,电容上未储能,电感相当于短路,故u C (0- ) =0i L(0-) =U S=4A=2AR 22.由换路定律可得u C (0+ ) = u C (0- ) =0图 5-1-3i L(0 +)= i L(0- ) =2A3.开关 S 闭合后瞬间电容两端的电压不变,可看作电动势为零的电压源,相当于短路;电感中的电流不变,相当于2A 的电流源,故电感、电容、电阻上的电流分别为i L(0+ )=2Ai C (0+) = i L(0+ )=2Ai R (0+) = 0【讲授】对于一个任意的一阶电路,无论怎么复杂,总可以把储能元件支路单独划分出来,使电路的其余部分成为一个电阻性的有源二端网络,如图5-1-4( a)所示。
用戴维宁定理将这个有源二端网络等效为一个电压源,于是原来的复杂电路就变换成一个简单的RC(或 LR)电路,如图5-1-4 ( b)所示。
这样就可以用三要素法来分析这个电路的瞬态过程了。
有源电R阻性CC二+端U S网-络(a)(b)图 5-1-4【小结】①含有储能元件(L、C)的电路,从一种稳定状态变换到另一种稳定状态必定需要一段时间,这个变换过程就是电路的瞬态过程。
换路是引起瞬态过程的外部原因,而电路中含有储能元件电容或电感则是内部原因。
② RC电路和RL电路都只含有一个储能元件,系一阶电路,其瞬态过程的电压和电流可用三要素法求解。
三要素是指初始值、稳态值和时间常数,求得这三要素的值,电压或电流的变化规律就可以用公式表示为f ( t )= f ( ∞ ) + [f (0 + )- f ( ∞ ) ] e - t /τ式中 f ( t )为待求量(电压或电流), f ( ∞)为稳态值, f (0 + ) 为初始值,τ为电路的时间常数。
③储能元件的初始值可根据换路定律uC (0+) = uC(0-),i L(0+) = i L(0-)求得,电路中其他电压、电流的初始值再根据电路的分析方法求出。
【提问】思考题5-1-1 、5-1-2 。
【练习】思考题5-1-3 。
【作业】习题5-1、5-2、5-3。
思考题解答5-1-1是否任何电路发生换路时都会产生瞬态过程?[ 答 ]不对,只有存在储能元件 (电容或电感 ) 的电路发生换路时才会产生过渡过程。
5-1-2用三要素法求一阶电路的电压、电流时,其初始值用 f (0- )可不可以?[ 答]根据换路定律,只有求电容的电压u C和电感的电流 i L时,其初始值可用 f (0- )。
5-1-3电路如图 5-1-5 所示,在 t= 0 时合上开关,已知u C(0-)i L ii ii=0,i L(0-)=0 ,求 u C(0+)、i L (0 +)、 u L (0+)、 u R(0+)。
[ 答]根据换路定律: u C(0 +) = u C(0-) =0 ,; i L (0+)=i L(0-)=0 。
在开关合上的一瞬间,电容相当于短路,电感相当于开路,故u L(0 +)=U S;u R(0+)=0 。
图 5-1-5【引出】RC电路和RL电路都只含有一个储能元件,系一阶电路,其瞬态过程的电压和电流可用三要素法求解。
下面用三要素法分别对RC 电路和 RL 电路进行分析5-2 RC 电路的瞬态过程一、 RC 电路的充电过程【讲授】图5-2-1 是 RC 串联电路。