下面以图2-27为例来说明网孔分析方法(Mesh Analysis Method)。假设沿着网孔边界都有流动着的假想电流,称该电流为网孔电流(Mesh Current),如图2-27中以虚线表示的电流im1,im2,im3。对于一个具有b条支路,n个节点的平面电路,有b-(n-1)个独立的网孔,因而有同数量的网孔电流。因为每一网孔电流沿着网孔流动,当它流经某一节点时,从该节点流入,又从该节点流出,在为该节点所列的KCL方程中彼此抵消,因此,就KCL而论,各网孔电流是线性无关的,这说明网孔电流可作为电路的一组独立电流变量。
图2-27 网孔分析法图例
从图2-27可知,R1,R2和R3支路分别只有im1,im2和im3流过,而im1,im2分别流过了R5支路,im1,im3分 别 流 过 了R4支 路,im2,im3分 别 流 过 了R6支路。根据支路电流和网孔电流的参考方向有
由式(2-41)可知,一旦求得网孔电流im1,im2和im3,所有支路电流就可根据KCL随之而确定,因此网孔电流也是完备的。因此,网孔电流是一组完备的独立电流变量,它可作电路的求解对象。
由于网孔电流不能用KCL相联系,所以,只能根据KVL及支路VAR来列写关于网孔电流的电路方程。对于图2-27所示电路,由KVL有
利用各支路的元件的VAR:u1=R1i1,u2=R2i2,u3=R3i3,u4=R4i4,u5=R5i5,u6=R6i6,代入式(2-42)中,并整理得
将式(2-41)代入式(2-43)中,并整理得
可见,若已知各电压源电压及电阻的值,由方程式(2-43)可求得网孔电流im1,im2和im3,根据式(2-41)即可求得各支路电流,利用元件的VAR即可求得各支路的电压,进而求得相应的功率。
分析式(2-44)可知,可将它概括为如下形式
式中,R11=R1+R4+R5,R22=R2+R5+R6,R33=R3+R4+R6分别为网孔1,网孔2和网孔3本身各自所有电阻的总和,称之为自电阻(Self Resistance);而R12=R21=R5为网孔1和网孔2两网孔的公有电阻,称之为互电阻(Mutual Resistance),此时,,以相同的方向流经公有电阻R5。R13=R31=-R4为网孔1和网孔3的互电阻,它是该两网孔公有电阻的负值,出现负值是因为,以相反的方向流过公有的电阻R4。同理,R23=R32=R6为网孔2和网孔3的互电阻。两网孔的互电阻有正、负之分,正、负值要视有关的网孔电流流过公有电阻时其相互方向关系来定:同向取正,异向取负。
=-,=,=+分别为网孔1、网孔2和网孔3中各电压源电压升的代数之和。
式(2-45)为3个网孔电路的网孔电流方程的一般形式。可将这一情况推广到具有n个网孔的电路,其网孔电流方程的一般形式为
式(2-46)为网孔方程的一般形式。这种以网孔电流为独立变量的分析方法称为网孔分析法(Mesh Analysis Method),它只适用于平面电路。
网孔电流分析法的一般步骤
(1)画出电路图,选网孔为独立回路,并确定其绕行方向;
(2)以网孔电流为待求量,列写其KVL方程;
(3)联立求解上述方程组,得到各个网孔电流;
(4)设定支路电流大小和参考方向,用网孔电流表示支路电流,从而求各支路电流;
(5)根据第(4)步所求得的结果,即可求出各支路电压和功率。
例2-9 利用网孔分析法求图2-28所示电路中各支路电流。假设电路中R1=1Ω,R2=2Ω,R3=1Ω,。
图2-28 例2-9图
解 该电路有两个网孔,假设在每一个网孔内有一个网孔电流im1,im2,2个网孔电流参考方向都按顺时针方向,如图2-28中虚线所示。根据网孔分析法有
网孔1
网孔2
将相应元件参数值代入上式得
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解得
所以有
与例2-4中用电源等效变换方法求得的结果一致。
例2-10 用网孔分析法求图2-29所示电路中3Ω电阻的功率。
解 图2-29所示电路中,含有独立电流源支路,其支路电流即为电流源的电流值。若我们选取网孔时,使理想电流源支路仅仅属于一个网孔,且所选方向与电流源的电流方向一致,则该网孔电流即为电流源的电流,如图中虚线所示。根据网孔分析法有
对网孔1有
对于网孔2有
联立上述两个方程得,所以,.6A,3Ω电阻的功率为
P=3×i2=3×1.62=7.68W
图2-29 例2-10图
图2-30 例2-11图
例2-11 用网孔分析法求图2-30所示电路中各支路电流及1A电流源的功率。
解 假设3个网孔电流分别为,,,绕行方向都按顺时针方向,如图中虚线所示。2A独立电流源出现在电路外围边界上,所以,成为已知量,此时不必列出此网孔的网孔方程,而1A独立电流源为网孔1和网孔2所共有,由于网孔方程本质是KVL方程,所以列方程时要把电流源电压考虑在内。为方便列方程,假设1A电流源两端电压为U,根据网孔分析法,对于网孔1和网孔2有方程
由于引入了一个未知量,所以要增补一个方程。由图可知,。将代入并整理得
解得
所以,各支路电流为
I1=4A, I2=3A, I3=2A
1A电流源的功率为:P=UI=18×1=18W,该电流源在此处消耗功率。
例2-12 用网孔分析法求图2-31所示电路中电流i2值。
图2-31 例2-12图
解 对含受控电源支路的电路,可先把受控源看作独立电源按上述方法列方程,再将控制量用网孔电流表示。假设3个网孔电流的大小和参考方向如图2-31中虚线所示。于是可列出KVL方程为
又有
以上5式联立求解得i2=0.75A
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