前几节中介绍的分析电路的方法是利用等效变换,将电路化简成单回路电路后求出待定支路的电流或电压。但是对于复杂电路(例如多回路多节点电路)往往不能很方便地化简为单回路电路,也不能用简单的串、并联方法计算其等效电阻,因此需考虑采用其他分析电路的方法。本节介绍其中最基本、最直观的一种方法——支路电流法(branch current method)。
支路电流法是以各支路电流为未知量,利用各元件上的VAR、电路中各节点的KCL和回路的KVL约束关系,列出数目足够且相互独立的方程组,求解出各支路电流,然后根据电路的基本关系求出其他未知量。下面以图2-23为例来说明支路电流法的分析过程。
设图2-23中各电压源电压和电阻阻值均已知,求各支路电流。从图中可看出支路数b=3,节点数n=2,各支路电流的参考方向如图所示。未知量为三个,因此需列出三个方程来求解。
图2-23 支路电流法举例
首先,根据电流的参考方向对节点列KCL方程:
可以看出,式(2.25)、式(2.26)完全相同,故只有一个方程是独立的。这一结果可以推广到一般电路:具有n个节点的电路,只能列出n-1个独立的KCL方程。所以,n个节点中,只有n-1个节点是独立的,称为独立节点。
其次,对回路列KVL方程,图2-23中有三个回路,绕行方向均选择顺时针方向。
将式(2.27)与式(2.28)相加正好得到式(2.29),可见在这三个回路方程中独立的方程为任意两个,这个数目正好与网孔个数相等。由此可以推论:若电路有n个节点,b条支路,m个网孔,可列出[b-(n-1)]个独立的KVL方程,且[b-(n-1)]=m。通常情况下,可选取网孔作为回路列KVL方程,因为每个网孔都是一个独立回路(包含一条在已选回路中未出现过的新支路),对独立回路列KVL方程能保证方程的独立性。值得注意的是,网孔是独立回路,但独立回路不一定是网孔。
通过以上实例可得出,以支路电流为未知量的线性电路,应用KCL和KVL一共可列出(n-1) +[b-(n-1)]=b个独立方程,可以解出b个支路电流。
综上所述,归纳支路电流法的计算步骤如下:
①选定各支路电流的参考方向。
② 选择(n-1)个独立节点列KCL方程。
③选取[b-(n-1)]个独立回路,设定各独立回路的绕行方向,对其列KVL方程。(www.daowen.com)
④ 联立求解上述b个独立方程,得出待求的各支路电流。
例2.6 在图2-23电路中,已知R1=6 Ω,R2=R3=5 Ω,US2=80 V,US3=90 V,试求各支路电流。
解:设各支路电流的参考方向如图2-23所示,并指定网孔的绕行方向为顺时针方向,应用KCL和KVL列出式(2.25)、式(2.27)及式(2.28)的方程组,并将数据代入,可得
解得
计算得出的结果可以采用以下两种方法进行验算:
①将计算结果代入求解时未用过的回路方程中,得
表明计算正确。
② 利用电路中功率平衡关系进行验算:
电源的功率为US2I2+US3I3=[80×(-4)+90×(-6)] W=-860W<0W 即产生功率860W。
电阻上的功率为
即吸收功率860 W。
吸收的功率等于产生的功率,即功率平衡,表明计算正确。
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