线性电路分析——支路法详析

发布于:2007/2/1 11:40:57 | 923 次阅读

电路的基石是支路。支路电流与支路电压是电路分析与求解的基本对象。当支路电流与支路电压求得后,支路功率(吸收的或发出的)也就可迎刃而解。
支路法的内容有三:
    一.支路电流-支路电压法(简称2b法)
     1.定义:设电路有n个节点b条支路。直接以b个支路电流和b个支路电压作为待求变量,依据KCL、KVL和支路的伏安关系,对电路列写出独立的KCL方程、KVL方程和支路伏安方程而进行求解的一种方法。
     2.电路独立方程的列写:由于电路有b个支路,需要求出b个支路电流和b个支路电压,因而就需要列出2b个独立方程。我们以图3-2-1电路为例来说明2b个独立方程的列写原则和方法。该电路共有六条支路(将电流源is2与电阻R2的并联组合视为一条支路),四个节点,三个网孔,七个回路。设六条支路电流的大小和参考方向如图中所示(支路电压的参考极性均设定为与支路电流的参考方向关联)。根据KCL,对四个节点可列写出四个KCL约束方程:
    

 


 

 

显然着这三个方程是相互独立的,因为其中的任一个都不能从其余两个相加而得到。同理,对节点d可列出:

   i4-i5+i6=0
显然这个方程是不独立的,因为将式(3-2-1)中的三个方程相加既得到它。故可得到结论:对具有四个节点的电路,只能列写出三个独立的KCL约束方程。我们把能列写出独立的KCL约束方程的节点成为独立节点。可见,具有色个节点的电路,只能有且一定有三个独立节点。推广之,具有n个节点的电路,只能有且一定有(n-1)个独立节点,余下的一个节点即为非独立节点。至于选哪些节点作为独立节点,原则上是任意的。例如在图3-2-1电路中,若选节点a,b,c为独立节点,则是(3-2-1)即为三个独立的KCL约束方程。

    

     图3-2-1  复杂电路举例

 

 

   图3-2-1共有七个回路,故可列出七个回路KVL约束方程。例如对三个网孔,若选它们的循行方向均为顺时针方向,如图中所示,则可列出KVL约束方程为:
  网孔回路Ⅰ:  u1+u4+u5=0
  网孔回路Ⅱ:  -u2-u5-u6=0  (3-2-2)       

  网孔回路Ⅲ:  u3-u4+u6=0
显然,这三个方程是互相独立的,因为其中任一个都不能从其余两个相加得。但若再对其余四个回路中的任一个,譬如外网孔(循行方向也取为顺时针)列KVL约束方程,则有:

  u1-u2+u3=0
    显然,这个方程是不独立的。因为将式(3-2-2)中的三式相加即得此方程。同理,若再取别的一个回路,则所列出的方程也一定是不独立的。故可得到结论:对平面的电路列出的KVL约束方程,其独立方程的个数正好等于网孔的个数。我们把能列出独立KVL约束方程的回路称为独立回路。平面电路中的网孔即为一组独立回路。式(3-2-2)即为图3-2-1电路三个独立KVL约束方程。
    现在的问题是,选什么样的回路才能保证是独立回路,我们在此给出两个结论:(1).若每选取一个回路,至少包含有一条别的已选过的回路中所没有的支路,则此回路必是独立回路;(2).平面电路中的网孔必是独立回路。通常为了简便,就直接选取网孔作为独立回路。一个电路有几个网孔,则就有几个独立回路。
图3-2-1的支路伏安方程为:

                 

    该电路共有12个待求变量(6个支路电流和6个支路电压)。现在由式(3-2-1)、(3-2-2)、(3-2-3a)或式(3-2-3b),共得12个独立方程,联立求解即得全部的支路电流和支路电压。
    推广之,对于一个具有b条支路、n个节点的电路,根据KCL可列出(n-1)个独立的KCL约束方程,根据KVL可列出[b-(n-1)]个独立的KVL约束方程,根据支路的伏安关系可列出b个独立的支路伏安方程,这样共可列出[(n-1)+b-(n-1)+b]=2b个独立方程,而待求的变量也是2b个(b个支路电流和b个支路电压),故又称这种方法为2b方程法,简称2b法。联立求解2b个独立方程,即可求得全部的支路电流和支路电压。

需要指出,2b个方程是独立的,2b个变量是完备的,但2b个变量并不是独立的,因为b个支路电流之间要受KCL的约束,b个支路电压之间要受KVL的约束,支路电流和支路电压之间要受支路伏安方程的约束。

二. 支路电流法
    因为支路电压与支流电流之间要受伏安方程的约束,所以若将支路电压变量直接用支路电流变量表示,即可减少b个方程。直接以b个支路电流作为待求变量,依据KCLKVL列方程,而对电路进行分析的方法,称为支路电流法。
    例如对图3-2-1电路,将式(3-2-3a)代入式(3-2-2)即有:

  此式即为用支路电流表示的网孔KVL约束方程。其物理意义是:在每一个回路中,支路电流在支路电阻上产生的电压的代数和,等于该回路中所有电压源电压升高的代数和(R2is2即为由R2is2组成的电流源的等效电压源的电压)。式(3-2-4)可直观写出:凡支路电流参考方向与网孔的循行方向一致者,等号左端的项前面取"+"号,否则取"-"号;凡电压源的级性从"-""+"与网孔的循行方向一致者,等号右端的项前面取"+"号,否则取"-"号。
    联立求解式(3-2-1)和式(3-2-4),即可得b个支路电流。然后再将所求得的b个支路电流代入式(3-2-3a),即得b个支路电压。
    同样要指出,b个支路电流变量是完备的,但不是独立的,因为b个支路电流之间要受KCL的约束。
    支路电流法的步骤如下:
   (1).画出电路图;
   (2).设定各支路电流的大小和参考方向;
   (3).选取(n-1)个独立节点,列写出(n-1)个KCL约束方程;
   (4).选网孔为独立回路,并设定网孔的循行方向,列写出网孔的KVL约束方程;
   (5).联立求解所列出的b个独立方程,即得b个支路电流
   (6).将所求地的支路电流代入式(3-2-3a),即得b个支路电压;
   (7).若有必要,可进一步从以求得的支路电流和支路电压求得支路功率(吸收的或发出的)。至此,求解的工作即告完毕。
三. 支路电压法
   直接以b个支路电压作为待求变量,依据KVL和KCL列方程,而对电路进行分析的方法,称为支路电压法。
   例如对图3-2-1电路,将式(3-2-3b)代入(3-2-1)即有:
  

  
此式即为用支路电压表示的KCL约束方程。其物理意义是:在每一个节点上,支路电压在支路电阻中产生的电流的代数和,等于该节点上所有电源产生的电流的代数和。式(3-2-5)可直观写出:凡支路电压参考极性从"+""-"指向节点者,等号左端的项前面取"-"号,否则取"+"号;凡电压源的级性从"-""+"(或电流源的电流方向)指向节点者,等号右端的项前面取"+"号,否则取"-"号。
    联立求解式(3-2-2)和(3-2-5),即可得b个支路电压,然后再将所求得的b个支路电压代入是(3-2-3b),即得b个支路电流。

同样要指出,b个支路电压变量是完备的,但不是独立的,因为b个支路电压之间要受KVL的约束。

支路电压法的步骤与支路电流法的步骤大体相同,不再重复。
四. 对支路法应用的评述
1.在电路分析中,由于支路法需要求解的方程数太多,不宜于用手工计算,大适宜于用计算机计算,故应用仍很广泛。
2.当电路中的电源全为电压源时,宜于应用支路电流法;当电路中的电源全为电流源时,宜于应用支路电压法;支路电流-支路电压法则不受这些条件的限制。
3.支路法也适用于含受控源的电路,这只要在写支路的伏安方程时对受控源的特点予以注意并写出必要的辅助方程(将控制量用待求变量表示)即可。

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