电工基础课件第八章线性电路的过渡过程.pptx
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1、第8章 线性电路的过渡过程 8.1 换路定律与初始条件换路定律与初始条件第8章 线性电路的过渡过程目的与要求目的与要求理解换路定律会计算初始值第8章 线性电路的过渡过程重点与难点重点与难点重点重点:电感电路的换路定律电容电路的换路定律 难点:难点:电感电路的换路定律电容电路的换路定律第8章 线性电路的过渡过程1、过度过程:从一种稳定状态转变到另一种稳定状态的中间过程。8.1.1 过渡过程的概念(一)过渡过程的概念(一)图8.1过渡过程演示电路图第8章 线性电路的过渡过程2现象:L1立即发亮亮度不变L2由暗亮最后定L3由亮暗直到熄灭外因:电路状态的改变内因:有储能元件3换路:电路状态的改变通电、
2、断电、短路、电信号突变、电路参数的变化8.1.1 过渡过程的概念(二)过渡过程的概念(二)第8章 线性电路的过渡过程一、具有电感的电路 开关接通前i=0闭合后,i从零逐渐增至Us/R结论:RL串联电路接通电源瞬间,电流不能跃变。8.1.2 换路定律(一)换路定律(一)第8章 线性电路的过渡过程2、约定换路时刻为计时起点,即t=0换路前最后时刻记为t=0-换路前初始时刻记为t=0换路后的一瞬间,电感中的电流应保持换路前的原有值而不能跃变。8.1.2 换路定律(二)换路定律(二)第8章 线性电路的过渡过程二、具有电容的电路1R、C与电源Vs接通前、Uc=0闭合后若电源电流为有限值,电源两端电压不能
3、改变换路瞬间推理:对于一个原来未充电的电容,在换路的瞬间,Uc(0+)=Uc(0-)电容相当于短路。8.1.2 换路定律(三)换路定律(三)第8章 线性电路的过渡过程换路后的最初一瞬间(即t=0+时刻)的电流、电压值,统称为初始值。为了便于求得初始条件,在求得Uc(0+)和iL(0+)后,将电容元件代之以电压为Uc(0+)的电压源,将电感元件代之以电流为iL(0+)的电流源8.1.3 初始值的计算初始值的计算第8章 线性电路的过渡过程图8.2(a)所示电路中,已知Us=12V,R1=4k,R2=8k,C=1F,开关S原来处于断开状态,电容上电压uC(0-)=0。求开关S闭合后,t=0+时,各电
4、流及电容电压的数值。图8.2例8.1电路图(a)电原理图;(b)t=0+时的等效电路例例8.1(一)(一)第8章 线性电路的过渡过程解解 选定有关参考方向如图所示。(1)由已知条件可知:uC(0-)=0。(2)由换路定律可知:uC(0+)=uC(0-)=0。(3)求其它各电流、电压的初始值。画出t=0+时刻的等效电路,如图8.1(b)所示。由于uC(0+)=0,所以在等效电路中电容相当于短路。故有由KCL有iC(0+)=i1(0+)-i2(0+)=3-0=3mA。例例8.1(二)(二)第8章 线性电路的过渡过程如图8.3(a)所示电路,已知Us=10V,R1=6,R2=4,L=2mH,开关S原
5、处于断开状态。求开关S闭合后t=0+时,各电流及电感电压uL的数值。图8.3例8.2电路图(a)电原理图;(b)t=0+时的等效电路例例8.2(一)(一)第8章 线性电路的过渡过程解解选定有关参考方向如图所示。(1)求t=0-时电感电流iL(0-)。由原电路已知条件得(2)求t=0+时iL(0+)。由换路定律知例例8.2(二)(二)第8章 线性电路的过渡过程(3)求其它各电压、电流的初始值。画出t=0+时的等效电路如图8.3(b)所示。由于S闭合,R2被短路,则R2两端电压为零,故i2(0+)=0。由KCL有由KVL有例例8.2(三)(三)第8章 线性电路的过渡过程如图8.4(a)所示电路,已
6、知Us=12V,R1=4,R2=8,R3=4,uC(0-)=0,iL(0-)=0,当t=0时开关S闭合。求当开关S闭合后,各支路电流的初始值和电感上电压的初始值。图8.4例8.3电路图(a)电原理图;(b)t=0+时的等效电路例例8.3(一)(一)第8章 线性电路的过渡过程解解(1)由已知条件可得由已知条件可得(2)求求t=0+时时,uC(0+)和和iL(0+)的值。)的值。由换路定律知(3)求其它各电压电流的初始值。求其它各电压电流的初始值。例例8.3(二)(二)第8章 线性电路的过渡过程教学方法教学方法通过演示实验让学生先对过渡过程有一个感性认识,而后再进行理论分析第8章 线性电路的过渡过
7、程思考题(一)思考题(一)1、由换路定律知,在换路瞬间电感上的电流、电容上的电压不能越变,那么对其余各物理量,如电容上的电流、电感上的电压及电子上的电压、电流是否也遵循换路定律?第8章 线性电路的过渡过程思考题(二)思考题(二)2、图8.5所示电路中,已知1=6,R2=4。开关闭合前电路已处于稳态,求换路后瞬间各支路电流。图8.5思考题2图第8章 线性电路的过渡过程图8.6思考题3图3、图8.6所示电路中,开关闭合前已达稳态,已知R1=4,R2=6,求换路后瞬间各元件上的电压和通过的电流。思考题(三)思考题(三)第8章 线性电路的过渡过程 8.2 一阶电路的零输入响应一阶电路的零输入响应第8章
8、 线性电路的过渡过程目的与要求目的与要求会分析一阶电路的零输入响应。第8章 线性电路的过渡过程重点与难点重点与难点 重点:重点:RC、RL串联电路的零输入响应。难点:难点:RC、RL串联电路的零输入响应。第8章 线性电路的过渡过程图8.7一阶RC电路的零输入响应(a)电路图;(b)换路瞬间等效电路8.2.1 RC串联电路的零输入响应(一)串联电路的零输入响应(一)只含有一个储能元件的电路称为一阶电路。零输入响应:动态电路在设有独立源作用的情况下由初始储能激励而产生的响应。t=0+uc(0+)=U0第8章 线性电路的过渡过程8.2.1 RC串联电路的零输入响应(二)串联电路的零输入响应(二)根据
9、KVL,uR=uC=Ri,而i=-C(duC/dt)(式中负号表明iC与uC的参考方向相反)。将i=-C(duC/dt)代入uC=Ri得第8章 线性电路的过渡过程由换路定律知:uC(0+)=uC(0-)=U0,即将A=U0代入式(8.6),得的数值大小反映了电路过渡过程的快慢,故把叫RC电路的时间常数。理论上t=时过渡过程结束。8.2.1 RC串联电路的零输入响应(三)串联电路的零输入响应(三)第8章 线性电路的过渡过程图8.8一阶RC电路的零输入响应波形(a)uC波形;(b)i波形=RCS时间常数t=(35)时认为过渡过程基本结束。8.2.1 RC串联电路的零输入响应(四)串联电路的零输入响
10、应(四)第8章 线性电路的过渡过程ti0e0=1234500表表8.1 电容电压及电流随时间变化的规律电容电压及电流随时间变化的规律第8章 线性电路的过渡过程供电局向某一企业供电电压为kV,在切断电源瞬间,电网上遗留有的电压。已知送电线路长L=30km,电网对地绝缘电阻为500M,电网的分布每千米电容为C0=0.008F/km,求(1)拉闸后1分钟,电网对地的残余电压为多少?(2)拉闸后10分钟,电网对地的残余电压为多少?例例8.4(一)(一)第8章 线性电路的过渡过程例例8.4(二)(二)解解电网拉闸后,储存在电网电容上的电能逐渐通过对地绝缘电阻放电,这是一个RC串联电路的零输入响应问题。由
11、题意知,长30km的电网总电容量为放电电阻为第8章 线性电路的过渡过程时间常数为电容上初始电压为在电容放电过程中,电容电压(即电网电压)的变化规律为故例例8.4(三)(三)第8章 线性电路的过渡过程图8.9一阶RL电路的零输入响应8.2.2 串联电路的零输入响应(一)串联电路的零输入响应(一)由KVL得第8章 线性电路的过渡过程而uR=iLR,uL=L(diL/dt)。故或8.2.2 串联电路的零输入响应(二)串联电路的零输入响应(二)第8章 线性电路的过渡过程图8.10一阶RL电路的零输入响应波形8.2.2 串联电路的零输入响应(三)串联电路的零输入响应(三)第8章 线性电路的过渡过程越大,
12、电感电流变化越慢t=0-时iL=I0uR=IRuL=0t=0+时iL=I0uR=I0RuL=-I0R换路瞬间iL不跃变,uL跃变零输入响应电路特点:(1)一阶电路的零输入响应都是按指数规律随时间变化而衰减到零的。(2)零输入响应取决于电路的初始状态和电路的时间常数。8.2.2 串联电路的零输入响应(四)串联电路的零输入响应(四)第8章 线性电路的过渡过程教学方法教学方法结合实验讲解本节。第8章 线性电路的过渡过程思考题(一)思考题(一)1、有一40F的高压电容器从电路中断开,断开时电容器的电压为3.5KV,断开后电容器经本身的漏电阻放电,如漏电阻R=100M,经过30分钟后,电容上的电压为多少
13、?若从高压电路上断开后,马上要接触它,应如何处理?2、图8.11所示电路中,已知R1=10,则电路中开关S打开瞬间电压表所承受的电压(设电压表内阻为1M)为多少?断开开关时,若在电压表两端并联1的电阻,此时电压所承受的电压又是多少?第8章 线性电路的过渡过程图8.11思考题2图思考题(二)思考题(二)第8章 线性电路的过渡过程 8.3 一阶电路的零状态响应一阶电路的零状态响应第8章 线性电路的过渡过程目的与要求目的与要求会分析一阶电路的零状态响应。第8章 线性电路的过渡过程重点与难点重点与难点重点:重点:RC、RL串联电路的零状态响应。难点:难点:RC、RL串联电路的零状态响应。第8章 线性电
14、路的过渡过程8.3.1 RC串联电路的零状态响应(一)串联电路的零状态响应(一)若在一阶电路中,换路前储能元件没有储能,即uC(0-),iL(0-)都为零,此情况下由外加激励而引起的响应叫做零状态响应。图8.12RC电路的零状态响应第8章 线性电路的过渡过程8.3.1 RC串联电路的零状态响应(二)串联电路的零状态响应(二)由KVL有将各元件的伏安关系uR=iR和代入式(8.11)得(8.11)第8章 线性电路的过渡过程(8.12)(8.13)(8.14)(8.15)上式中=RC。8.3.1 RC串联电路的零状态响应(三)串联电路的零状态响应(三)第8章 线性电路的过渡过程将式(8.14)、(
15、8.15)代入式(8.13),得于是式中,Us为电容充电电压的最大值,称为稳态分量或强迫分量。8.3.1 RC串联电路的零状态响应(四)串联电路的零状态响应(四)第8章 线性电路的过渡过程是随时间按指数规律衰减的分量,称为暂态分量或自由分量。8.3.1 RC串联电路的零状态响应(五)串联电路的零状态响应(五)第8章 线性电路的过渡过程图8.13RC电路的零状态响应曲线8.3.1 RC串联电路的零状态响应(六)串联电路的零状态响应(六)第8章 线性电路的过渡过程如图8.14(a)所示电路,已知Us=220V,R=200,C=1F,电容事先未充电,在t=0时合上开关S。求(1)时间常数;(2)最大
16、充电电流;(3)uC,uR和i的表达式;(4)作uC,uR和i随时间的变化曲线;(5)开关合上后1ms时的uC,uR和i的值例例8.5(一)(一)第8章 线性电路的过渡过程解解(1)时间常数(2)最大充电电流例例8.5(二)(二)第8章 线性电路的过渡过程例例8.5(三)(三)(3)uC,uR,i的表达式为第8章 线性电路的过渡过程(4)画出uC,uR,i的曲线如图8.14(b)所示。图8.14例8.5图例例8.5(四)(四)第8章 线性电路的过渡过程(5)当时例例8.5(五)(五)第8章 线性电路的过渡过程图8.15一阶RL电路零状态响应电路8.3.2 RL串联电路的零状态响应(一)串联电路
17、的零状态响应(一)第8章 线性电路的过渡过程由KVL有:uR+uL=Us。根据元件的伏安关系得即8.3.2 RL串联电路的零状态响应(二)串联电路的零状态响应(二)第8章 线性电路的过渡过程8.3.2 RL串联电路的零状态响应(三)串联电路的零状态响应(三)(8.22)即将A=-Us/R代入式(8.22),得第8章 线性电路的过渡过程式中,I=Us/R。求得电感上电压为8.3.2 RL串联电路的零状态响应(四)串联电路的零状态响应(四)第8章 线性电路的过渡过程图8.16一阶RL电路零状态响应波形8.3.2 RL串联电路的零状态响应(五)串联电路的零状态响应(五)第8章 线性电路的过渡过程图8
18、.17所示电路为一直流发电机电路简图,已知励磁电阻R=20,励磁电感L=20H,外加电压为Us=200V,试求(1)当S闭合后,励磁电流的变化规律和达到稳态值所需的时间;(2)如果将电源电压提高到250V,求励磁电流达到额定值的时间。例例8.6(一)(一)第8章 线性电路的过渡过程图8.17例8.6图例例8.6(二)(二)第8章 线性电路的过渡过程解解(1)这是一个RL零状态响应的问题,由RL串联电路的分析知:式中Us=200V,R=20,=L/R=20/20=1s,所以一般认为当t=(35)时过渡过程基本结束,取t=5,则合上开关S后,电流达到稳态所需的时间为5秒。例例8.6(三)(三)第8
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