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3 电路分析方程

  用基尔霍夫定律,方程多,变量也多。所以考虑使用结点方程网孔方程

结点方程

  结点方程,其实是在 KCL 方程组中,用结点电势 $u _ \mathrm n$ 消去支路电流$i$得到的。先标记结点 $u _ {\mathrm n0}$ 的电势为 $0$,其他结点分别记为 $u _ {\mathrm n1\cdots\mathrm na}$。快速列写为方程 $(3.1)$ 所示: $$\begin{bmatrix}G _ {11}&\cdots& G _ {1a}\\ \vdots&\ddots&\vdots\\ G _ {a1}&\cdots&G _ {aa}\end{bmatrix}\begin{bmatrix}u _ {\mathrm n1}\\ \vdots\\u _ {\mathrm na} \end{bmatrix}=\begin{bmatrix}i _ {\mathrm{Sn}1}\\ \vdots\\ i _ {\mathrm{Sn}a}\end{bmatrix}\tag{3.1}$$

  $G _ {kk}$ 是与结点 $k$ 相连所有支路的电导之和,称为结点 $k$ 的自电导。$G _ {kj}(k\neq j)$ 是结点 $k,j$ 之间支路电导的相反数,称为 $k,j$ 结点的互电导。$i _ {\mathrm{Sn}k}$ 是由电流源流入结点 $k$ 的电流代数和。
  由此就可以解出结点 $k$ 的电势 $u _ {\mathrm nk}$。
  使用节点方程前,要注意以下两种情况:

  • 先简化电源支路,以免干扰电导矩阵的列写。
  • 戴维南支路应全部转化为诺顿支路。

关于简化电源支路

  所谓简化电源支路,指的是以下两种情况:电流源串联了一个电阻,或者电压源并联了一个电阻。根据电源支路的等效变换,我们应直接把电阻给删了,以免后面出现不必要的麻烦。
  但是,如果要求电路中相应电源的功率的话,在解完结点方程后,还应把电路还原。

  使用节点方程的时候,对于电源支路的处理:

  • 支路上只有电流源,不参与电导矩阵的列写。
  • 支路上只有电压源。
    • 如果支路连接到结点 $\mathrm n _0$,直接得出支路另一个结点的电势,其它结点正常列写方程,合计方程个数仍为 $a$ 个。
    • 支路不连接到 $\mathrm n _ 0$,应该把电压源支路的两个端头结点合并成一个广义结点,再弥补一个电压方程:比如电压源 $u _ s$ 的升压方向为结点 $j\rightarrow k$,把 $j,k$ 看作广义节点,再弥补一个方程 $u _ {\mathrm nk}-u _ {\mathrm nj}=u _ s$,合计方程个数仍为 $a$ 个。

网孔方程

  网孔方程,其实是在 KVL 方程组中,用网孔电流 $i _m$ 消去各元件的电压 $u$ 得到的。假设网孔电流设为 $i _ {\mathrm m1\cdots\mathrm mb}$。快速列写为方程 $(3.2)$ 所示: $$\begin{bmatrix}R _ {11}&\cdots&R _ {1b}\\ \vdots&\ddots&\vdots\\ R _ {b1}&\cdots&R _ {bb}\end{bmatrix}\begin{bmatrix}i _ {\mathrm m1}\\ \vdots\\ i _ {\mathrm mb} \end{bmatrix}=\begin{bmatrix} u _ {\mathrm{Sm}1}\\ \vdots\\ u _ {\mathrm{Sm}b} \end{bmatrix}\tag{3.2}$$

  $R _ {kk}$ 是网孔 $k$ 内所有支路的电阻之和,称为网孔 $k$ 的自电阻。$R _ {kj}(k\neq j)$ 是网孔 $k,j$ 的公共支路电阻的相反数,称为网孔 $k,j$ 的互电阻。$u _ {\mathrm{Sn}k}$ 是沿着网孔$k$的电流方向电压源升压代数和。
  由此就可以解出网孔$k$的电流$i _ {\mathrm mk}$。

关于网孔电流的参考方向

  教材上,默认了所有网孔电流的参考方向都是顺时针方向。其实每个网孔电流的方向都可以随意规定,只要列写方程时满足 $u _ \mathrm{Sn}$ 的书写规则(沿网孔电流方向升压),解出来的 $i _ \mathrm m$ 就是当前参考方向的网孔电流值。

  使用网孔方程前,要注意以下两种情况:

  • 先简化电路,同结点方程列写时的处理。
  • 诺顿支路应全部转化为戴维南支路。

  使用节点方程的时候,对于电源支路的处理:

  • 支路上只有电压源,不参与电阻矩阵的列写。
  • 支路上只有电流源。
    • 如果支路在电路边缘(只有一个网孔电流经过它),直接得出该网孔的电流,其它网孔正常列写方程,合计方程个数仍为 $b$ 个。
    • 支路不在网孔边缘,应该把电流源支路两边的网孔合并成一个广义网孔,再弥补一个电流方程:比如电流源 $i _s$ 支路被网孔 $j,k$ 的电流经过,网孔 $j$ 的电流与电流源是关联方向,网孔 $k$ 的电流与电流源是非关联方向,把 $j,k$ 看作广义网孔,再弥补一个方程 $i _ {\mathrm mj}-i _ {\mathrm mk}=i _s$,合计方程个数仍为 $b$ 个。

  网孔法无法应用于非平面电路