含有电感或电容的动态电路的一个重要特征是当电路的结构、元件的参数或电源发生变化时,可能使电路改变原来的工作状态,进而转变到另一个工作状态,这种转变往往需要经历一个过程,即过渡过程。
从3.1节和3.2节中讨论的电容元件和电感元件可知,这两种元件的伏安关系是关于时间的微分或积分关系。因此,在分析动态电路的过渡过程时,根据KCL和KVL以及元件的VAR建立的电路方程是以电流和电压为变量的微分方程。也就是说,动态电路的数学模型是微分方程,分析动态电路的过渡过程实际上就是求解微分方程,求解微分方程必须知道初始条件,否则无法求解出微分方程的解。由于动态电路中的变量是电压或电流,因此,动态电路的初始条件就是待求电压或电流的初始值。确定电压、电流的初始值是对动态电路进行暂态分析的一个重要环节。为了求解初始条件,我们引入了换路定律(switching law)。
分析电路的过渡过程时,为了研究方便,一般认为换路是在t=0时刻进行的。用t=0-表示换路前瞬间,t=0+表示换路后瞬间,换路所经历的时间为t=0-到t=0+。换路时,电路中电容元件储存的电场能和电感元件储存的磁场能不能突变,由此可知电容电压和电感电流不能突变,即在换路时,电容上电压和电感电流在换路前瞬间和换路后瞬间的值相等。因此,换路定律可表示为
换路定律
图3-12 例3.5 电路(www.daowen.com)
例3.5 电路如图3-12所示,当开关闭合时,分析电路中的三个灯的变化过程。
解:①当开关闭合后,由于电阻元件不是储能元件,该支路不存在过渡过程,换路后立即进入新的稳态。所以,灯泡会立即发亮,而且亮度不变化。
② 当开关闭合后,由于电感元件的储能特性,该支路存在过渡过程,换路时电感电流不能突变,换路后,电感电流逐渐增大,最后进入新的稳态,电流不变。所以,电感支路的灯泡开始由暗渐渐变亮,最后亮度不变。
③当开关闭合后,由于电容元件的储能特性,该支路存在过渡过程,换路时电容电压不能突变,换路后瞬时电容电压仍为零,电灯两边电压为US,电源通过电灯对电容充电,电容电压开始增大,电灯上的电流逐渐减小,直到电容电压等于US,进入新的稳态,电流为零。所以,电容支路的灯泡开始由亮渐渐变暗,最后熄灭。
由例3.5也可以得出过渡过程出现的条件是:
①电路中存在储能元件电容或电感。
② 电路发生换路。
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