動態(tài)電路的初始條件

發(fā)布時間:2024-02-08
在動態(tài)電路中,電感電流和電容電壓分別與電感和電容的儲能直接相關,它們共同反映電路的能量狀態(tài),通常所說電路的狀態(tài),就是通過,來表達的。
動態(tài)電路的動力學過程,任一時刻都應毫無例外地遵循基爾霍夫定律和元件上的電壓電流關系,即電路方程;此時,這些方程將是微分方程。如果元件都是線性的,而且其參數(shù)r,l,c又都是常量,則電路方程將是線性常系數(shù)微分方程。本章研究動態(tài)電路的過渡過程是以時間為自變量,在時間域內進行的,故稱為時域分析。
為了求解微分方程,我們首先要關注電路狀態(tài)參變量電流與電壓的初始值。電路條件的突然變更,諸如開關動作、參數(shù)及電源的變動等都將使電路的狀態(tài)出現(xiàn)新的變動,稱之為電路發(fā)生換路。工程上常把出現(xiàn)這種新過程的瞬間稱為初始時刻,此刻電路的狀態(tài),就是初始狀態(tài)。從電路的微分方程來看,就是初始條件。
根據(jù)第二章的討論,在換路瞬間,當電路中電容的電流為有限值和電感兩端的電壓為有限值時,電容上的電壓和電感中的電流保持連續(xù),即不發(fā)生突變,這一規(guī)律稱為換路定則。
換路定則一般可表達為
(5.1.1a)
(5.1.1b)
由于磁通和電荷量,故上述條件也可改寫為
(5.1.2a)
(5.1.2b)
由此可見:電路中有幾個獨立的動態(tài)元件(即l、c),便可利用(5.1.1)式或(5.1.2)式決定幾個初始值,并且通過它們來確定電路微分方程通解中的積分常數(shù)。
(a) 穩(wěn)態(tài)時的l和c (b) 換路前有儲能的l和c (c) 換路前無儲能的l和c
圖5.1.1 電容與電感在穩(wěn)態(tài)和換路后的等效模型
動態(tài)電路中電流與電壓初始值的求法和步驟如下。
1. 求出時,電感電流與電容電壓的值
畫出換路前終了時刻的電路。對于直流電路,當電路已處穩(wěn)態(tài)(,時,根據(jù)圖5.1.1(a),則電容可用開路替代,電感用短路替代;獨立源、電阻、受控源保持不變,得到時刻的等效電路——特殊的電阻電路。由此電路求出和。對于正弦交流電路,則是用相量法求出換路前正弦穩(wěn)態(tài)電路的電容電壓相量和電感電流相量,然后把電容電壓相量和電感電壓相量還原成時間函數(shù)和,代入,求出和。
2. 求時,電感電流與電容電壓的值
由(5.1.1)的換路定則,求出電感電流與電容電壓在的值,即
,
3. 初始值的確定
(1)畫出換路后初始時刻的電路,電容用電壓為的電壓源替代;電感用電流的電流源替代;受控源和電阻不變;獨立電壓源和電流源的電壓和電流取其在時的值,電源性質不變。由此得到時刻的等效電路——特殊的電阻電路。
(2)在等效電路中,應用kcl,kvl和歐姆定律等電阻電路的求解方法,即可求出等物理量的初始值。
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