电工基础:换路定律与初始值的计算(40)

时间:2023-06-27作者:佚名

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  我们学过的大多数电路分析,都是定性分析和定量计算,而电容元件和电感元件都是动态元件(储能元件),因为电感元件和电容元件的电压和电流的约束关系是通过导数(或微分)表达的,如下图40-1所示。而电阻元件是耗能元件,其上电流随电压按比例关系变化,所以电阻元件不是动态元件。本次技成培训网杨思慧老师,就给大家分享换路定律与初始值的计算!


图40-1

  含有动态元件的电路称为动态电路。而电路的动态过程,简单来说,就是当电路的结构或元件的参数发生变化时,电路由原来的稳定状态过渡到另一个稳定状态。又称电路的暂态过程、瞬态过程。所谓稳定状态,是指在指定条件下电路中的电压和电流已达到稳定值。


  例如下图40-2的电路,该电路为直流电路,在开关K闭合之前,电容元件的初始储能为零,两极板上的电荷为零,电路处于原来的稳定状态,电路中没有电流流过(电流为零),即电阻和电容两端的电压为零。


  当开关K闭合后,电容元件开始充电进行储能,两极板上逐渐充满电荷,由于电荷的移动,也就是说此时电路中是有电流的,根据欧姆定律,电阻两端也就存在电压。当电容元件储能完毕,极板上的电荷处于饱和状态,电路中的电荷又不再移动,电路电流再次为零,这时候电阻两端的电压为零,而电容元件两端的电压等于电源电压,后,电路达到一个新的稳定状态。我们这次的学习也是围绕直流电路来讲的。


图40-2


  从能量方面来说,存在动态元件的电路存在过渡过程,也是因为能量的存储和释放需要一个过程。也就是说,电感元件和电容元件的储能和释能需要时间。上文提到的“电路的结构或元件的参数发生变化”引起的电路变化统称为“换路”,例如电路中电源(开关的开合)的断开或接入,并认为换路是在t=0时刻进行的。在学习换路定律之前,我们要理解几个时间的概念。


  t=0 :表示换路瞬间,定为计时起点;

  t=0- :表示换路前的终时刻;

  t=0 :表示换路后的初时刻(初始值)。


  按上述的几个时间的概念,可以理解为,换路是在t=0时刻进行的,经历的时间为t=0- 到t=0 。知道了几个时间的概念后,我们就可以接着学习换路定律了,所谓换路定律是指:在换路瞬间,电容上的电压、电感中的电流不能突变。即在电容电路中,uC(0 )=uC(0-),电感电路中,iL(0 )=iL(0-)。在这里要提醒的一点是,换路定律仅用于在换路瞬间确定暂态过程中的电容电压(uC)、电感电流(iL)初始值,且电感电压和电容电流为有限值。


  从能量方面来讲,因为自然界物体所具有的能量不能突变,能量的积累或释放需要一定的时间,而(线性)电容和(线性)电感作为储能元件,其能量公式如下图40-3所示,


图40-3


  根据换路定律所言:换路前后瞬间电容电压和电感电流不能突变,我们就可以很方便的计算出电路的初始值,也就是t=0 时刻的值。初始值的求解要点主要有几下几点:


  (1)uC(0 )和iL(0 )的求法

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