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1 第三章线性电阻电路的一般分析方法 3. 1 支路电流法 3. 2 回路电流法 3. 3 节点电压法

2 目的 : 找出一般 ( 对任何线性电路均适用 ) 的求解线性网络的系统方法 ( 易于计算机编程序求解 ) 对象 : 含独立源 受控源的电阻网络的直流稳态解 应用 : 主要用于复杂的线性电路的求解 基础 : 电路性质 元件特性 ( 约束 ) ( 对电阻电路, 即欧姆定律 ) 结构 KCL,KVL 相互独立 复杂电路的分析法就是根据 KCL KVL 及元件电压和电 流关系列方程 解方程 根据列方程时所选变量的不同可分 为支路电流法 回路电流法和节点电压法

3 3. 1 支路电流法 1 出发点 : 以支路电流为电路变量 支路电流法 : 以各支路电流为未知量列写电路方程分析电路的方法 举例说明 : 2 R 2 R 3 R 4 i 2 i 3 i 4 对于有 n 个节点 b 条支路的电路, 要求解支路电流和电压, 未知量共有 2b 个 只要列出 2b 个独立的电路方程, 便可以求解这 3 2b 个变量 R 1 i R 5 i R 6 + u S i 6 b=6 n=4 独立方程数应为 2b=12 个

4 1 R 2 R 1 2 R 3 R 4 i 2 i 3 i 4 i R 5 i 支路电流法 3 (1) 标定各支路电流 电压的参考方向 u 1 =R 1 i 1, u 2 =R 2 i 2, u 3 =R 3 i 3, u 4 =R 4 i 4, u 5 =R 5 i 5, u 6 = u S +R 6 i 6 (1) (b=6,6 个方程, 关联参考方向 ) (2) 对节点, 根据 KCL 列方程 节点 1:i 1 + i 2 i 6 =0 R + 6 u S 式 (2) 中的 4 个方程相加, 将得到节点 2: i 2 + i 3 + i 4 =0 0=0 的结果, 即 4 个方程是不独立的, 节点 3: i 4 i 5 + i 6 =0 因每个支路电流总是从一个节点流节点 4: i 1 i 3 + i 5 =0 入, 而从另一个节点流出 但任取其中 3 个方程都是独立的, 所以, ( 出为正, 进为负 ) 独立方程数为 n 1=4 1=3 个 (2)

5 一般情况 : 3. 1 支路电流法 对有 n 个节点的电路, 就有 n 个 KCL 方程 每条支路对应于两个节点, 支路电流一个流进, 一个流出 如果将 n 个节点电流方程式相加必得 0=0, 所以独立节点数最多为 (n 1) 可以证明 : 此数目恰为 (n 1) 个 即 n 个方程中的任何一个方程都可以从其余 (n 1) 个方程推出来 独立节点 : 与独立方程对应的节点 任选 (n 1) 个节点即为独立节点 对上例, 尚缺 2b-b-(n-1)=b-(n-1)=6-(4-1)=3 个独立 方程 可由 KVL, 对回路列支路电压方程得到

6 1 R 2 R 1 2 R 3 R 4 i 2 i 3 i R 5 i 5 i i 6 R 6 + u S 3. 1 支路电流法 独立回路 : 独立方程所对应的回路 3 (3) 选定图示的 3 个回路, 由 KVL, 列写关于支路电压的方程 回路 1: u 1 + u 2 + u 3 = 0 回路 2: u 3 + u 4 u 5 = 0 回路 3: u 1 + u 5 + u 6 = 0 (3) 可以检验, 式 (3) 的 3 个方程是独立的, 即所选的回路是独立的

7 3. 1 支路电流法 综合式 (1) (2) 和 (3), 便得到所需的 6+3+3=6=2b 个独立方程 将式 (1) 的 6 个 R 2 R 4 支路方程代入式 (3), 消去 6 个支路电压, i 2 i 3 i 4 便得到关于支路电流的方程如下 : 1 1 R 3 2 i 1 + i 2 i 6 =0 i 2 + i 3 + i 4 =0 KCL i 4 i 5 + i 6 =0 R 1 i 1 + R 2 i 2 + R 3 i 3 = 0 R 3 i 3 + R 4 i 4 R 5 i 5 = 0 R 1 i 1 + R 5 i 5 + R 6 i 6 u S = 0 * 支路电压? KVL R 1 2 R 5 i 5 i i 6 R 6 + u S 3

8 独立回路的选取 : 3. 1 支路电流法 每增选一个回路使这个回路至少具有一条新支路 因这样所建立的方程不可能由原来方程导出, 所以, 肯定是独立的 ( 充分条件 ) 以后可以证明 : 用 KVL 只 能列出 b (n 1) 个独立回路电压方程 对平面电路,b (n 1) 个网孔即是一组独立回路 平面电路 b=12 n=8 KCL:7 KVL: 与一条新支路有矛盾 是充分条件非必要条件

9 3. 1 支路电流法 平面电路 : 可以画在平面上, 不出现支路交叉的电路 非平面电路 : 在平面上无论将电路怎样画, 总有支路相互交叉 是平面电路 总有支路相互交叉 是非平面电路

10 支路法的一般步骤 : (1) 标定各支路电流 电压的参考方向 ; (2) 选定 (n 1) 个节点, 列写其 KCL 方程 ; (3) 选定 b (n 1) 个独立回路, 列写其 KVL 方程 ; ( 元件特性代入 ) (4) 求解上述方程, 得到 b 个支路电流 ; (5) 其它分析 3. 1 支路电流法 支路法的特点 : 支路电流法是最基本的方法, 在方程数目不多的 情况下可以使用 由于支路法要同时列写 KCL 和 KVL 方程, 所以方程数较多, 且规律性不强 ( 相对于后面的 方法 ), 手工求解比较繁琐, 也不便于计算机编程求解

11 例 1. 解 U S1 U S1 =130V, U S2 =117V, R 1 =1, R 2 =0.6, R 3 =24. a I 1 I 2 I 3 求各支路电流及电压源 R 1 R 2 各自发出的功率 R 3 U S2 b (1) n 1=1 个 KCL 方程 : 节点 a: I 1 I 2 +I 3 = 支路电流法 (2) b ( n 1)=2 个 KVL 方程 : U=U S R 1 I 1 R 2 I 2 =U S1 U S2 I 1 0.6I 2 = =13 R 2 I 2 +R 3 I 3 = U S2 0.6I 2 +24I 3 = 117

12 (3) 联立求解 I 1 I 2 +I 3 =0 I 1 0.6I 2 = =13 0.6I 2 +24I 3 = 117 (4) 功率分析 3. 1 支路电流法 解之得 I 1 =10 A I 2 = 5 A I 3 = 5 A P U S1 发 =U S1 I 1 =13010=1300 W P U S2 发 =U S2 I 2 =130( 10)= 585 W P 发 =715 W 验证功率守恒 : P R 1 吸 =R 1 I 12 =100 W P R 2 吸 =R 2 I 22 =15 W P R 3 吸 =R 3 I 32 =600 W P 吸 =715 W P 发 = P 吸

13 例 2. 列写如图电路的支路电流方程 ( 含理想电流源支路 ) a R 3 i 3 b i 5 b=5, n=3 i 1 i 2 i 4 + 解 KCL 方程 : R 1 1R 2 2 R i S - i 1 - i 2 + i 3 = 0 (1) u - i 3 + i 4 - i 5 = 0 (2) KVL 方程 c : * 理想电流源的处理 : 由于 i 5 = R 1 i 1 -R 2 i 2 = u S (3) i S, 所以在选择独立回路时, R 2 i 2 +R 3 i 3 + R 4 i 4 = 0 (4) 可不选含此支路的回路 - R 4 i 4 +u = 0 (5) i 5 = i S (6) 对此例, 可不选回路 3, 即去掉方程 (5), 而只列 (1)~(4) 及 (6) u S 3. 1 支路电流法

14 3. 1 支路电流法 例 3. 列写下图所示含受控源电路的支路电流方程 R 4 u + 2 方程列写分两步 : i 4 3 (1) 先将受控源看作独立源 R 3 i a 3 i b 6 列方程 ; i 1 i 2 i 5 + (2) 将控制量用未知量表示, R + 1 u i 并代入 (1) 中所列的方程, 1R u 2 2 R 5 4 消去中间变量 c 解 KCL 方程 : -i 1 - i 2 + i 3 + i 4 =0 (1) u S -i 3 - i 4 + i 5 - i 4 =0 (2)

15 R 4 u + 2 i 4 3 R 3 i a 3 i b 6 i 1 i 2 i 5 + R + 1 u 1R + 2 u 2 2 R 5 4 u S 3. 1 支路电流法 i 1 KVL 方程 : R 1 i 1 - R 2 i 2 = u S (3) R 2 i 2 + R 3 i 3 +R 5 i 5 = 0 (4) R 3 i 3 - R 4 i 4 = µu 2 (5) R 5 i 5 = u (6) 补充方程 : i 6 = i 1 (7) u 2 = R 2 i 2 (8) 另一方法 : 去掉方程 (6)

16 3. 2 回路电流法 基本思想 : 为减少未知量 ( 方程 ) 的个数, 可以假想每个回路中有一个回路电流 若回路电流已求得, 则各支路电流可用回路电流线性组合表示 i 1 i 2 这样即可求得电路的解 a b=3, n=2 独立回路为 l=b- i 3 R 1 R (n-1)=2 选图示的两个独立 2 i + l1 + i l2 R 3 回路, 回路电流分别为 i l1 i l2 u S1 u S2 支路电流 i 1 = i l1,i 2 = i l2 - i l1, i 3 = i l2 b 回路电流是在独立回路中闭合的, 对每个相关节点均流 进一次, 流出一次, 所以 KCL 自动满足 若以回路电流为未知量列方程来求解电路, 只需对独立回路列写 KVL 方程

17 3. 2 回路电流法 回路电流法 : 以回路电流为未知量列写电路方程分析电路的方法 可见, 回路电流法的独立方程数为 b-(n-1) 与支路 电流法相比, 方程数可减少 n-1 个 回路 1:R 1 i l1 +R 2 (i l1 - i l2 )-u S1 +u S2 =0 a 回路 2:R 2 (i l2 - i l1 )+ R 3 i l2 -u S2 =0 i 1 i 2 R 1 R 2 i + l1 + i l2 R 3 u S1 u S2 电压与回路绕行方向一致时取 + ; 否则取 - 整理得, (R 1 + R 2 ) i l1 -R 2 i l2 =u S1 -u S2 - R 2 i l1 + (R 2 +R 3 ) i l2 =u S2

18 令 3. 2 回路电流法 R 11 =R 1 +R 2 回路 1 的自电阻 等于回路 1 中所有电阻之和 R 22 =R 2 +R 3 回路 2 的自电阻 等于回路 2 中所有电阻之和 自电阻总为正 R 12 = R 21 = R 2 回路 1 回路 2 之间的互电阻 当两个回路电流流过相关支路方向相同时, 互电阻 取正号 ; 否则为负号 u l1 = u S1 -u S2 回路 1 中所有电压源电压的代数和 u l2 = u S2 回路 2 中所有电压源电压的代数和 当电压源电压方向与该回路方向一致时, 取负号 ; 反之取正号

19 3. 2 回路电流法 由此得标准形式的方程 : R 11 i l1 +R 12 i l2 =u Sl1 R 12 i l1 +R 22 i l2 =u Sl2 一般情况, 对于具有 l=b-(n-1) 个回路的电路, 有 R 11 i l1 +R 12 i l1 + +R 1l i ll =u Sl1 R 21 i l1 +R 22 i l1 + +R 2l i ll =u Sl2 R l1 i l1 +R l2 i l1 + +R ll i ll =u Sll 其中 R kk : 自电阻 ( 为正 ),k=1,2,,l ( 绕行方向取参考方向 ) + : 流过互阻两个回路电流方向相同 R jk : 互电阻 - : 流过互阻两个回路电流方向相反 0 : 无关特例 : 不含受控源的线性网络 R jk =R kj, 系数矩阵为对称阵 ( 平面电路, R jk 均为负 ( 有条件 ))

20 3. 2 回路电流法 回路法的一般步骤 : (1) 选定 l=b-(n-1) 个独立回路, 并确定其绕行方向 ; (2) 对 l 个独立回路, 以回路电流为未知量, 列写其 KVL 方程 ; (3) 求解上述方程, 得到 l 个回路电流 ; (4) 求各支路电流 ( 用回路电流表示 ); (5) 其它分析 ( 如 : 功率分析 ) 网孔电流法 : 对平面电路, 若以网孔为独立回路, 此 时回路电流也称为网孔电流, 对应的分 析方法称为网孔电流法

21 3. 2 回路电流法 例 1. 用回路法求各支路电流 I 1 I 2 I 3 I 4 R 1 R I b R 3 I c + U S1 _ I a U S2 _ R 4 _ U S4 解 : (1) 设独立回路电流 ( 顺时针 ) (2) 列 KVL 方程 (R 1 +R 2 )I a -R 2 I b = U S1 - U S2 -R 2 I a + (R 2 +R 3 )I b - R 3 I c = U S2 -R 3 I b + (R 3 +R 4 )I c = -U S4 (3) 求解回路电流方程, 得 I a, I b, I c 对称阵, 且互电阻为负 (4) 求各支路电流 : I 1 =I a, I 2 =I b -I a, I 3 =I c -I b, I 4 =-I c (5) 校核 : 选一新回路

22 例 2. 用回路法求含有受控电压源电路的各支路电流 1 2 I 1 I + 2 I I 4 I V _ I 3 U a I + b I c 3U2 将 2 代入 1, 得 4I a -3I b =2 3-12I a +15I b -I c =0 9I a -10I b +3I c =0 各支路电流为 : 解得 1 将看 VCVS 作独立源建立方程 ; 2 找出控制量和回路电流关系 解 : I a =1.19A I b =0.92A I c =-0.51A I 1 = I a =1.19A, I 2 = I a - I b =0.27A, I 3 = I b =0.92A, I 4 = I b - I c =1.43A, I 5 = I c = 0.52A. 校核 : 1I 1 +2I 3 +2I 5 =2.01 ( U R 降 =E 升 ) * 由于含受控源, 方程的系数矩阵一般不对称 4I a -3I b =2 1-3I a +6I b -I c =-3U 2 -I b +3I c =3U 2 2 U 2 =3(I b -I a )

23 3. 2 回路电流法 例 3. 列写含有理想电流源支路的电路的回路电流方程 + U S1 _ R 1 _ 方法 1: 引入电流源电压为变量, 增加回路电流和电流源电流的关系方程 (R 1 +R 2 )I 1 -R 2 I 2 =U S1 +U S2 +U i -R 2 I 1 +(R 2 +R 4 +R 5 )I 2 -R 4 I 3 =-U S2 -R 4 I 2 +(R 3 +R 4 )I 3 =-U i I S =I 1 -I 3 U i + R 3 I 3 I S R 2 _ I I R U S2 + R 4

24 3. 2 回路电流法 方法 2: 选取独立回路时, 使理想电流源支路仅仅属于一个回路, 该回路电流即 I S R 3 + U S1 _ R 1 I 1 =I S _ U i + I S R 2 _ I 1 I R 2 5 U S2 + I 3 R 4 -R 2 I 1 +(R 2 +R 4 +R 5 )I 2 +R 5 I 3 =-U S2 R 1 I 1 +R 5 I 2 +(R 1 +R 3 +R 5 )I 3 =U S1

25 说明 : 3. 2 回路电流法 (1) 对含有并联电阻的电流源, 可做电源等效变换 : I I º + º I S 转换 RI _ S R R º º (2) 对含有受控电流源支路的电路, 可先按上述方法 列方程, 再将控制量用回路电流表示

26 3. 3 节点电压法 基本思想 ( 思考 ): 回路电流法自动满足 KCL 能否像回路电流法一样, 假定一组变量, 使之自动满足 KVL, 从而就不必列写 KVL 方程, 减少联立方程的个数? KVL 恰说明了电位的单值性 如果选节点电压为未知量, 则 KVL 自动满足, 就无需列写 KVL 方程 当以节点电压为未知量列电路方程 求出节点电压后, 便可方便地得到各支路电压 电流

27 3. 3 节点电压法 任意选择参考点 : 其它节点与参考点的电压差即是 节点电压 ( 位 ), 方向为从独立节点指向参考节点 u A u A -u B u B (u A -u B )+u B -u A =0 KVL 自动满足 节点电压法 : 以节点电压为未知量列写电路方程分析电路的方法 可见, 节点电压法的独立方程数为 (n-1) 个 与支路电流法相比, 方程数可减少 b-( n-1 个

28 i S1 举例说明 : R 1 i S2 u n1 i S3 R u n2 i 1 i 2 i 3 i 4 i 5 代入支路特性 : u R n1 1 u R 3. 3 节点电压法 n2 2 R 4 R 2 R 5 u n1 0 u R 3 n2 u n1 u R 4 n2 (1) 选定参考节点, 标明其余 n-1 个独立节点的电压 (2) 列 KCL 方程 : i S1 i R 出 = i S 入 i 1 +i 2 +i 3 +i 4 =i S1 -i S2 +i S3 -i 3 -i 4 +i 5 =-i S3 i S2 i S3 u n1 u R 3 n2 u n1 u R 4 n2 u R n2 5 i S3

29 整理, 得 ( ) un1 ( ) un2 is1 is2 i R R R R R R 节点电压法 ( ) un1 ( ) un2 i R R R R R 令 G k =1/R k,k=1, 2, 3, 4, 5 上式简记为 S3 S3 G 11 u n1 +G 12 u n2 = i Sn1 G 11 u n1 +G 12 u n2 = i Sn1 标准形式的节点电压方程

30 其中 G 11 =G 1 +G 2 +G 3 +G 4 节点 1 的自电导, 等于接在节点 1 上所有支路的电导之和 G 22 =G 3 +G 4 +G 5 节点 2 的自电导, 等于接在节点 2 上所有支路的电导之和 G 12 = G 节点电压法 =-(G 3 +G 4 ) 节点 1 与节点 2 之间的互电导, 等于接在节点 1 与节点 2 之间的所有支路的电导之和, 并冠以负号 * 自电导总为正, 互电导总为负 * 电流源支路电导为零 i Sn1 =i S1 -i S2 +i S3 流入节点 1 的电流源电流的代数和 i Sn2 =-i S3 流入节点 2 的电流源电流的代数和 * 流入节点取正号, 流出取负号

31 由节点电压方程求得各支路电压后, 各支路电流可用 节点电压表示 : un1 i1 R1 un2 i2 R2 un1 u i3 R3 un1 u i4 R4 un2 i5 R 3. 3 节点电压法 5 n2 n2 i S1 R i 1 S2 u n1 R u n2 i 1 i 2 i 3 i 4 i 5 R 4 R 2 R 5 0

32 若电路中含电压源与电阻串联的支路 : un1 u S1 un2 un1 u R1 R2 R3 un1 un2 un1 un2 R R 整理, 并记 G k =1/R k, 得 3. 3 节点电压法 3 i S1 R i 1 S2 4 n2 u u R n2 5 n1 4 i S3 u n1 u R n2 i S3 i (G 1 +G 2 +G 3 +G 4 )u n1 -(G 3 +G 4 ) u n2 = G 1 u S1 -i S2 +i S3 -(G 3 +G 4 ) u n1 + (G 1 +G 2 +G 3 +G 4 )u n2 = -i S3 S2 R i S3 等效电流源 u n2 i 1 i 2 i 3 i 4 i 5 R 4 R 2 R 5 0

33 3. 3 节点电压法 G 11 u n1 +G 12 u n2 + +G 1,n-1 u n,n-1 =i Sn1 一般情况 : G 21 u n1 +G 22 u n2 + +G 2,n-1 u n,n-1 =i Sn2 其中 G ii G n-1,1 u n1 +G n-1,2 u n2 + +G n-1,n u n,n-1 =i Sn,n-1 自电导, 等于接在节点 i 上所有支路的电导之 和 ( 包括电压源与电阻串联支路 ) 总为正 G ij = G ji 互电导, 等于接在节点 i 与节点 j 之间的所 支路的电导之和, 并冠以负号 i Sni 流入节点 i 的所有电流源电流的代数和 ( 包括 由电压源与电阻串联支路等效的电流源 ) * 当电路含受控源时, 系数矩阵一般不再为对称阵 且有些结论也将不再成立

34 3. 3 节点电压法 节点法的一般步骤 : (1) 选定参考节点, 标定 n-1 个独立节点 ; (2) 对 n-1 个独立节点, 以节点电压为未知量, 列写其 KCL 方程 ; (3) 求解上述方程, 得到 n-1 个节点电压 ; (4) 求各支路电流 ( 用节点电压表示 ); (5) 其它分析

35 例 1. 列写下图含 VCCS 电路的节点电压方程 g m u R2 i S 节点电压法 1 R 2 _ + u R2 R 3 R 1 解 : (1) 先把受控源当作独立源看列方程 ; (2) 用节点电压表示控制量 u u n1 u R n2 1 n2 u R2 = u n1 u R 1 n1 u R n1 2 i 2 S1 u R n2 3 g m u R i 2 s 1

36 3. 3 节点电压法 例 2. 用节点法求各支路电流 I 1 20k U A 10k U B 40k I 3-240V +120V I 4 I 2 I 5 40k 20k 解 : * 可先进行电源变换 (1) 列节点电压方程 : ( )U A -0.1U B = U A +( )U B = (2) 解方程, 得 : U A =21.8V, U B =-21.82V (3) 各支路电流 : I 1 =(120-U A )/20k= 4.91mA I 2 = (U A - U B )/10k= 4.36mA I 3 =(U B +240)/40k= 5.45mA I 4 = U B /40=0.546mA I 5 = U B /20=-1.09mA

37 例 3. 试列写下图含理想电压源电路的节点电压方程 方法 1: 以电压源电流为变量, 增加一个节点电压与电压源间的关系 I 1 (G 1 +G 2 )U 1 -G 1 U 2 +I =0 + Us _ 2 G 1 G 3 G 4 G 5 方法 2: 选择合适的参考点 3 G 2 -G 1 U 1 +(G 1 +G 3 + G 4 )U 2 -G 4 U 3 =0 -G 4 U 2 +(G 4 +G 5 )U 3 -I =0 U 1 -U 2 = U S + Us _ 1 G 1 G 3 G G 4 G 5 U 1 = U S -G 1 U 1 +(G 1 +G 3 +G 4 )U 2 - G 3 U 3 =0 -G 2 U 1 -G 3 U 2 +(G 2 +G 3 +G 5 )U 3 =0

38 支路法 回路法和节点法的比较 : (1) 方程数的比较 3. 3 节点电压法 支路法 KCL 方程 KVL 方程 n-1 b-(n-1) 方程总数 b 回路法 0 b-(n-1) b-(n-1) 节点法 n-1 0 n-1 (2) 对于非平面电路, 选独立回路不容易, 而独立节点较容易 (3) 回路法 节点法易于编程 目前用计算机分析网络 ( 电网, 集成电路设计等 ) 采用节点法较多

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