电路原理

第 1 章 电路基本元件和电路基本定律

元件电阻 R电感 L电容 C
单位欧姆 Ω亨利 H法拉 F
关系电导 G=1R磁链 ψL=Li电荷 q=Cu
单位电导: 西门子 (S)磁链: 韦伯 Wb电荷: 库仑 C
伏安关系u=iRi=Cdudtu=Ldidt
功率p=uip=Cududtp=Lididt
储能WR0WC(t)=Cu2(t)2WL(t)=Li2(t)2

 

 

 

第 2 章 直流电路分析方法

方法比较KCL 方程数KVL 方程数总数
支路电流法n1bn+1b
回路电流法0bn+1bn+1
节点电压法n10n1

 

 

 

第 3 章 电路定理

 

 

 

第 4 章 线性动态电路暂态过程的时域分析

4.1 暂态过程与初始条件

电源、电阻、电感、电容串联:

RCduCdt+LCd2uCdt2+uC=uS.uC(t)=uCp(t)+uCh(t).

其中 uCp(t) 为稳态解,uCh(t) 为暂态解.


暂态过程也称为过渡(动态)过程,此时的电路称为动态电路(网络).

时域分析法 (经典法),换路定律

q=Cu,q(0+)=q(0)ψ=Li,ψ(0+)=ψ(0)

4.2 一阶电路的零输入响应

RC 电路与 LC 电路

RCduCdt+uC=0uC(t)=U0etRCiC(t)=CduCdt=U0RetRCLdiLdt+RiL=0iL(t)=I0eRtLuL(t)=LdiLdt=I0ReRtL

4.3 一阶电路的零状态响应

RC 电路和 RL 电路

RCduCdt+uC=RISuC=RIS(1etRC)iC(t)=CduCdt=ISetRCLdiLdt+RiL=USiL=USR(1eRtL)uL=LdiLdt=USeRtL

4.4 全响应和三要素方法

对于一般的一阶电路微分方程:

df(t)dt+1τf(t)=v(t).

若求出初始值、稳态值和弛豫时间,则可直接得到:

f(t)=f()+[f(0+)f()|t=0+]etτ(一般的激励)=f()+[f(0+)f()]etτ(直流电源的激励)=f(0+)etτ+f()(1etτ)(叠加原理的形式)

4.5 一阶电路的阶跃响应

单位阶跃函数与延迟阶跃函数

1(t)={0,t<0,1,t>0.1(tt0)={0,t<t0,1,t>t0.

4.6 一阶电路的冲激响应

4.6.1 冲激响应

单位脉冲函数

f(t)=1a[1(t)1(ta)]={0,t<0,1a,0<t<a0,t>a

单位冲激函数

δ(t)=lima0+f(t)tδ(ξ)dξ=1(t)

筛选性 (采样性质)

g(t)δ(t)=g(0)δ(t)+g(t)δ(tt0)dt=g(t0)

单位冲激响应

h(t)=lima0+1a[s(t)s(ta)]=ds(t)dt0th(ξ)dξ=s(t)

单位阶跃响应的导数就是单位冲激响应.

函数符号函数符号函数符号
单位阶跃函数1(t)单位脉冲函数f(t)单位冲激函数δ(t)=d1(t)dt
单位阶跃响应s(t)  单位冲激响应h(t)=ds(t)dt

对于一般的冲激函数 Kδ(t), hK(t)=Kh(t).

4.6.2 电容电压和电感电压的跃变

若换路时电容和电感均为零状态, 则

电容: i=CUSδ(t).

电感: uL=LISδ(t).

加入并联电容: (电荷守恒)

uC1(0+)=uC2(0+)=C1C1+C2USiC1(0)=C1C2C1+C2USδ(t)=iC2(0)

加入串联电感: (磁链守恒)

i1(0+)=i2(0+)=L1US(L1+L2)R1uL1(0)=L1L2L1+L2USR1δ(t)=uL2(0)

电容串联: 1Cs=1C1+1C2++1Cn.

电容并联: Cp=C1+C2++Cn.

电感串联: Ls=L1+L2++Ln.

电感并联: 1Lp=1L1+1L2++1Ln.

4.7 线性动态网络对任意激励的响应

卷积分析法

将激励 e(t) 用一系列矩形窄脉冲表示, 则

r(t)=0te(λ)h(tλ)dλ=e(t)h(λ)=0te(tλ)h(λ)dλ=h(t)e(λ)

 

 

 

第 5 章 正弦稳态电路的分析

5.1 正弦稳态响应

正弦激励电路的微分方程

LCd2uCdt2+RCduCdt+uC=USmsin(ωt+ψS)

通解为

uC(t)=uCmsin(ωt+ψ)uCp(t)+K1es1t+K2es2tuCh(t).

正弦稳态 (交流) 电路, 正弦稳态 (交流) 响应.

5.2 正弦的相量表示

我国电网的正弦交流电流频率为 50 Hz, 称为 工频. 西方国家为 60 Hz.

正交, 反相, 超前 (落后). 其中正交不是几何意义上的, 而是积分意义上的.

i=Imsin(ωt+φi)=2Isin(ωt+φi).

旋转因子: eiθ.

用相量表示正弦量

u=Umsin(ωt+φu)=Im[Umej(ωt+φi)]=Im[U˙mejωt]=Im[2U˙ejωt].

U˙m=Umejφu=Umφu 称为振幅相量,

U˙=Uejφu=Uφu 称为有效值相量.

并且有 U˙m=2U˙,Um=2U.


同频率正弦量相加:

i=i1+i2=2I1sin(ωt+ψ1)+2I2sin(ωt+ψ2)=Im[2(I˙1+I˙2)ejωt]=2Isin(ωt+ψ).

其中 I˙=I˙1+I˙2,I=Im(I˙1+I˙2).

5.3 电阻、电感、电容元件的伏安关系的相量形式

另见时域复频域.

元件电阻电感电容
时域u=Riu=Ldidti=Cdudt
有效值U=RIU=ωLII=ωCU
相位φu=φiφu=φi+π2φi=φu+π2
频域U˙=RI˙U˙=jωLI˙I˙=jωCU˙
阻抗电阻 (抗) R感抗 XL=ωL容抗 XC=1ωC
导纳电导 (纳) G=1R感纳 BL=1ωL容纳 BC=ωC
瞬时功率 pp=UI(1cos2ωt)p=UIsin2ωtp=UIsin2ωt
平均功率 P
无功功率 Q
P=I2R=U2/RQL=I2XL=U2/XLQC=I2XC=U2/XC

5.4 基尔霍夫定律的相量形式及电路的相量模型

i=0,I˙=0,u=0,U˙=0.

5.5 复阻抗与复导纳及其等效变化

阻抗串联导纳并联U˙=U˙R+U˙L+U˙CI˙=I˙R+I˙L+I˙C=[R+j(ωL1ωC)]I˙=[G+j(ωC1ωL)]U˙=[R+j(XLXC)]I˙=[G+j(BCBL)]U˙=[R+jX]I˙=ZI˙=[G+jB]U˙=YU˙=UR+jUX=IR+jIBZ=U˙/I˙=zφY=I˙/U˙=yθ=yφz=U/I=R2+(XLXC)2y=I/U=G2+(BCBL)2φ=φz=φuφiθ=φiφu=φ=arctanXLXCR=arctanBCBLGU=zI=R2+X2II=yU=R2+B2U=UR2+UX2=UR2+UB2

复阻抗与复导纳的等效变换:

{Z=R+jX=1Y=GjBG2+B2Y=G+jB=1Z=RjXR2+X2
性质电抗电纳阻抗角相位关系
感性X=XLXC>0B=BCBL<0φ=φuφi>0电压超前电流
容性X=XLXC<0B=BLBC>0φ=φuφi<0电压落后电流
阻性X=XLXC=0B=BLBC=0φ=φuφi=0电压电流同相

5.6 正弦交流电路的功率

无源二端网络的功率

对于 Z=R+jX,

p=ui=UmImsin(ωt+φ)sin(ωt)=2UI[sin2(ωt)cosφ+sin(ωt)cos(ωt)cosφ]=UIcosφUIcos(2ωt+φ)()=UIcosφ(1cos2ωt)+UIsinφsin2ωt()P=1T0Tpdt=UIcosφ()=I2zcosφ=I2R=U2cos2φ/R(){S=P2+Q2φ=arctanQP()S~=U˙I˙=UIej(φuφi)=UIejφ()=UIcosφ+jUIsinφ=P+jQ

平均功率 P=UIcosφ=I2R.

功率因数 λ:=cosφ=PUI,φ=argZ.

视在功率 S:=UI, 单位为伏安 (VA) 或千伏安 (kVA).

无功功率 Q:=UIsinφ, 单位为 (var) 或千乏 (kvar).

特殊情况


功率因数的提高

欠补偿, 全补偿, 过补偿.

功率因数 cosφcosφ:

  1. 感性负载

    1. 并联电容: C=PU2ω(tanφtanφ).

    2. 串联电容: C=PU2ω1+tan2φtanφtanφ.

  2. 容性负载

    1. 并联电感: L=U2Pω1tanφtanφ.

    2. 串联电感: L=PU2ωtanφtanφcos2φ.

常用的方法是在感性负载两端并联电容, 一方面是并联不会影响到原电路, 另一方面是电容的参数容易调整.


最大传输功率

P=I2R=US2R(Ri+R)2+(Xi+X)2US2R(Ri+R)2US24Ri.

当且仅当为共轭复数 Z=Zi 时取等.

5.7 正弦稳态电路的计算

5.8 谐振电路

一般调整电容使电路达到谐振.

5.8.1 RLC 串联谐振电路

LC 串联电路发生 串联谐振.

阻抗 Z=R+j(ωL1ωC).

谐振角频率 (固有角频率) ω0=1LC.

谐振频率 (固有频率) f0=12πLC.

发生谐振时阻抗 Z=R 最小, 电流 I˙0=U˙R 最大.

串联谐振电路的 品质因数

Q=XLR=XCR=1RLC=QLP=QCP=UCU=ULC

各元件电压为

U˙R=RI˙=U˙U˙L=jω0LI˙=jQU˙U˙C=I˙jω0C=jQU˙

电容和电感的电压抵消, 故又称 电压谐振.

串联谐振对频率具有选择性 (滤波性质), 当电源频率偏离电路的谐振频率是, 电容电压和电感电压都会显著下降.

I=UR2+(ωL1ωC)2=I01+Q2(η1η)2I0(η:=ωω0)UL=ωLI=QU1η2+Q2(11η2)2QU114Q2>QU(ω=ω02Q212Q2<ω0)UC=IωC=QUη2+Q2(η21)2QU114Q2>QU(ω=ω02Q22Q21>ω0)

串联谐振电路的通用谐振曲线 (Q 越大, 电路的选择性越好)

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5.8.2 RLC 并联谐振电路

LC 并联电路发生 并联谐振.

导纳 Y=G+j(ωC1ωL).

谐振 (角) 频率固有 (角) 频率 与串联谐振电路相同, 即 ω0=1LC,f0=12πLC.

发生谐振时导纳 Y=G 最小, 电压 U0=ISG 最大.

并联谐振电路的 品质因数 为串联谐振电路的品质因数的倒数, 即为

Q=BLG=BCG=RCL=PQL=PQC=ISIL=ISIC

各元件电流为

I˙R=GU˙=I˙SI˙L=U˙0jω0L=jQI˙SI˙C=jω0CU˙0=jQI˙S

电容和电感的电流代数和为零, 故并联谐振又称 电流谐振.

U=ISG2+(ωC1ωL)2=U01+Q2(η1η)2(η:=ωω0)

5.8.3 实际并联谐振电路

即 RL 串联后与 C 并联.

复导纳 Y=RR2+(ωL)2+j[ωCωLR2+(ωL)2].

并联谐振的条件C=LR2+(ωL)2.

谐振角频率 ω0=1LCR2L2.

可以等效为 RLC 并联谐振电路, 此时等效参数值为

等效电导 Ge=RR2+(ωL)2.

等效感纳 BL=1ωLe=ωLR2+(ωL)2.

谐振阻抗 R0=1Ge=R2+(ω0L)2R=LRC.

品质因数 Q=BLGe=ω0LR=ω0CR0.

: RL 串联后与 C 并联的电路, 既可如上发生并联谐振, 也可以发生串联谐振.

 

 

 

第 6 章 耦合电感电路

6.1 互感现象与互感电压

线圈中变化的电流产生变化的磁通, 并在自身线圈中产生 自感电压; 若与其它线圈 交链, 则会产生 互感电压. 互感又称 耦合电感.

自身线圈各匝中 自感磁通 φ11 之和称为 自感磁链 ψ11. 互感线圈各匝中 互感磁通 φ21 之和称为 互感磁链 ψ21. (2 由 1)

线性媒质 即线圈周围没有铁磁物质, 此时有 自感系数 L1=±ψ11i1互感系数 M21=±ψ21i1=±ψ12i2=M12=M, 单位为亨利 (H).

互感电压 u21=±dψ21dt=±Mdi1dt.

6.2 耦合电感电路的计算

同名端标记法

互感消去法

6.3 空心变压器

原线圈 (初级线圈), 副线圈 (次级线圈).

空心变压器: 线圈绕在非铁磁材料上.

设空心变压器原副线圈的电压电流方向为关联方向, 初级回路总阻抗Z11, 负载阻抗为 Z, 次级回路总阻抗Z22 (包括负载, 不考虑互感).

以同名端为例

{U˙1=Z11I˙1+jωMI˙20=jωMI˙1+Z22I˙2

得到

{U˙1=(Z11+ω2M2Z22)I˙1=(Z11+Z1r)I˙1I˙2=jωMU˙1Z11Z22+ω2M2Z11=jωMU˙1Z11Z22+Z2r

其中

{Z1r=ω2M2Z22,()Z2r=ω2M2Z11,()Ue=jωMU˙1Z11,()

去互感效应法 即设出公共接地端后, 使用耦合线圈并联的互感消去法.

注意:

  1. 如果以电源正极对应的同名端的电流流入方向为参考方向, 则互感电压的正极和电源正极对应同名端同侧, 与电流参考方向相反.

  2. 变压器的去互感效应法在一个电路中只能使用一次.

  3. 折合阻抗时, 都只考虑自感, 不考虑互感.

6.4 理想变压器

理想变压器不耗能也不储能, 只变换信号、传输电能.

理想化条件

  1. 变压器不消耗能量. (无铜损)

  2. 是全耦合变压器. (无磁损)

    1. K=M/L1L2=1.

    2. 此时 φ21=φ11,φ12=φ22.

  3. 两个自感无穷大, 但比值为常数.

理想化措施

  1. 用具有高磁导率的铁磁材料做铁心.

  2. 增加初级次级线圈的匝数.

  3. 使线圈紧密耦合.

L1L2=N1φ11i1N2φ22i2=N1N2M21N2N1M12=N12N22=n2
{u1=L1di1dt+Mdi2dtu2=Mdi1dt+L2di2dtM=L1L2L1,L2+{U˙1U˙2=u1u2=nI˙1I˙2=i1i2=1nZin=U˙1I˙1=n2Z2

备注:

  1. 等效的电压、电流、阻抗也可以由空心变压器的公式得到.

  2. 若仅为全耦合变压器, 自感有限大, 则只能得出 n=L1L2=U˙1U˙2.

  3. 输入阻抗直接取代初级线圈.

  4. 注意电流方向相反.

6.5 总结

 

 

第 7 章 三相电路

对称三相电路的功率

功率的测量

 

 

 

第 8 章 非正弦周期激励作用下稳态电路的分析

f(t)=a0+k=1(ancos(nωt)+bnsin(nωt))=A0+k=1Akmsin(kωt+ψk)
{a0=1T0Tf(t)dt=A0,ak=2T0Tf(t)cos(kωt)dt=Akmsinψk,bk=2T0Tf(t)sin(kωt)dt=Akmcosψk.
{Akm=ak2+bk2,tanψk=akbk.
波形图像或函数傅里叶展开f(x)={1,x[π,0),0,x[0,π).122π(sinx+sin3x3+sin5x5++sin(2k+1)x2k+1+).齿f(x)={x,πx<0,x,0x<π.π24π(cosx+cos3x32+cos5x52++cos(2k+1)x(2k+1)2+).f(x)=x(π<xπ)2(sinxsin2x2+sin3x3+(1))n+1sinnxn+).f(t)=A2(sint+|sint|)Aπ+A2sinx2Aπk=1cos2kx4k21.f(t)=A|sint|2Aπ4Aπk=1cos2kx4k21.

 

 

 

第 9 章 线性动态网络复频域分析

本章主要有两种分析方法, 即时域方程 Laplace 变换复频域分析, 并侧重后者的应用.

 

 

 

第 10 章 双口网路分析


PDF 版用不了下面这个功能, 可以直接打开双口网络的参数变换链接.

注: 目前功能还很不完善, 有一些 bug, 比如不能正确处理计算阻抗和功率时分母为零的情况.

 

 

第 11 章 非线性电阻电路的分析