支路电流法、回路电流法、节点电流法

如题所述

支路电流法和回路电流法都是基于基尔霍夫定律的应用。

面对复杂的电路或众多待求变量,等效化简变得复杂且有限,因此我们依赖于列写方程组来解决问题。

假设线性直流电路包含b条支路和n个节点,独立电源、受控电源和电阻的参数均已知,需要求解各支路电流和电压。

方程组有不同的形式,以下将介绍三种方法。

支路电流法(Branch Current Analysis):

以b条未知的支路电流为待求量,对n-1个节点列出独立的KCL方程,再对b-(n-1)个回路列出独立的KVL方程。

在列写独立的KVL方程时,可以选择b-(n-1)个网孔,或每选取一个回路时至少包含一条新的支路,确保新方程包含新支路电压,保持独立性。

支路电流法的一般步骤如下:

(公式)

以下是一个实例:

对节点1、2、3,可以列出以下方程组:

(公式)

对回路,可以列出以下方程组:

(公式)

联立以上方程,即可解出全部支路电流。

(可能注意到,少设了一个支路电流,因为存在一个电流源。相应地,将电流源两端的电压[公式]作为变量列入方程中。)

在支路电流法中,待求量数目为b(即未知的支路电流数),所需方程较多。因此,介绍另外两种方法。

回路电流法:

假设在每个独立回路中存在一个闭合流动的电流,称为回路电流。

支路电流可以看作是经过这条支路的回路电流的叠加。

例如,上图中,支路电流和回路电流的关系为:

(公式)

回路电流在回路中是闭合的,对每个相关节点均流进一次,流出一次,因此KCL自动满足。

只需列出KVL方程。

例如上图中,可以列出以下方程组:

回路上的电阻之和,称为回路的自阻,记为。

两个相邻回路公共支路上的电阻,称为两回路的互阻,记为。

对于有m个独立回路的电路,其回路电流方程的普遍形式为:

其中称为回路电流向量,称为回路电阻向量。方程的系数称为回路电阻矩阵。

节点电压法:

在集中参数电路中,任选一节点作为参考点,其他各节点与参考系间的电压称为该节点的节点电压。

两点间的电压可以表示为两个节点的电压差。

用节点电压表示支路电压,就等价于KVL方程。因此,只需列写KCL方程。

与节点直接相连的支路上的电导之和,称为节点的自导,记为。

两个相邻节点之间的电导,称为两节点的互导,记为。

与节点相连的电流源电流代数和记为,电压源与串联电导的乘积的代数和记为。

对于有n个节点的电路,其节点电压方程的普遍形式为:

(公式)
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