一阶RL电路的暂态过程

一阶RL电路也是以种常用的电路,一阶RL电路暂态过程的分析方法和一阶RC电路一样可用经典法和三要素法。

1、经典法

图3-16所示电路,t=0时开关S闭合,产生过渡过程。根据KVL,得回路电压方程为

而:

从而得微分方程:

此微分方程的通解为两个部分:一个是特解,一个是齐次方程式的解,即

特解可以是满足方程式的任何一个解,取t=时电路的稳定分量,即=。

微分方程的齐次方程式为:

令其通解为,代入齐次微分方程式可得特征方程式是:

所以,特征方程式的根为:

式中,其量纲为(秒),称为电路暂态过程的时间常数。

因此微分方程的通解

=+

积分常数A需用初始条件来确定。在t=0时

=+=+A

由此可得:A=-

因此+

上述利用微分方程进行求解分析一阶RL电路的暂态过程的方法称为经典法,经典法的分析步骤为:

(1)用基尔霍夫定律列出换路后电路的微分方程式。

(2) 解微分方程。

2、三要素法

通过经典分析法我们得到图3-16所示电路,暂态过程中电感电流为:

+

上述结果可归纳为 “三要素法”,式中只要知道稳态值,初始值和时间常数,这“三要素”,则便被唯一确定。它适合于任何含一个一阶RL电路在阶跃(或直流)信号激励下的过程分析。

要注意一阶RL电路时间常数为,一阶RL电路仅有一个电感元件,L即为电感元件的电感量,而R为换路后的电路中除去电感后所得无源二端口网络的等效电阻。

RL电路的零状态响应

当动态电路的初始储能为零(即初始状态为零)时,仅由外加激励产生的响应称作零状态响应。图3-17的一阶RL电路,设在开关S闭合前(t<0),电感L无初始储能,当t=0时,开关S闭合。下面用“三要素法”分析电路的响应。

电感L无初始储能,即电感的初始电流=0。根据换路定律,电压的初始值==0。故电路为零状态响应

t=时,稳态值为换路后将电感看成短路的电流,因此

=

时间常数,根据“三要素法”

+

=

的变化曲线如图3-18(a)所示。按指数规律随时间增长而趋于稳态值。

=

的变化曲线如图3-18(b)所示。图中电感电压是正值,这是电流上升产生的反电势。

 

例3-8

电路如图3-19所示,换路前

已处于稳态,时开关闭合,试求换路后()的。

解:时已处于稳态,

即电感的初始电流为换路前电感电流

==0

t→时,稳态值为换路后将电感看成短路的电流,因此

时间常数,而R为换路后的电路从电感看无源二端网络的等值电阻。

+

=15(1-)mA

RL电路的零输入响应

一阶RL电路中,如果在换路的瞬间电感元件已储存有能量,那么即使电路中无外加激励,换路后,电路中的电感元件将通过电路释放储能,在电路中产生响应,即零输入响应。

电路如图3-20所示,开关S原来断开,电路已经稳定。t=0开关S闭合,使电路产生过渡过程。此时,电感的初始电流为换路前电感的短路电流

=

根据换路定律,电感电流的初始值

==。

t→时,稳态值为换路后电感储能耗尽后的电流,因此=0

根据三要素法,得换路后电感的电流为:

时间常数

+

=

=-

及的波形如图3-21所示。图上电感的端电压为负值,这是由电流衰减产生的反电势。

例3-9

电路如图3-22所示,换路前已处于稳态,时开关断开,试求换路后()的。

解:时已处于稳态,

即电感的初始电流为换路前电感的短路电流

根据换路定律,电感电流的初始值==3A。

t→时,稳态值为换路后电感储能耗尽后的电流,因此

=0

时间常数,而R为换路后的电路从电感端看无源二端网络的等值电阻。

+=3A

–3A

RL电路的全响应

电路如图3-23所示,在换路前电路为稳定状态,t=0时闭合开关S。

时已处于稳态,即电感的初始电流为换路前电感的短路电流

根据换路定律,电感电流的初始值

=

t→时,稳态值为换路后电感的短路电流,因此

时间常数,而R为换路后的电路从电感看无源二端网络等的值电阻。

++-

 

例3-10

电路如图3-24所示,

换路前已处于稳态,时开关闭合,试求换路后()的及。

 

解:开关S闭合前电感L中的电流

开关S闭合后各电流初始值

开关S闭合后电感电流的稳态值

求电路时间常数

于是

=6V

,

一阶RL电路也是以种常用的电路,一阶RL电路暂态过程的分析方法和一阶RC电路一样可用经典法和三要素法。

1、经典法

图3-16所示电路,t=0时开关S闭合,产生过渡过程。根据KVL,得回路电压方程为

而:

从而得微分方程:

此微分方程的通解为两个部分:一个是特解,一个是齐次方程式的解,即

特解可以是满足方程式的任何一个解,取t=时电路的稳定分量,即=。

微分方程的齐次方程式为:

令其通解为,代入齐次微分方程式可得特征方程式是:

所以,特征方程式的根为:

式中,其量纲为(秒),称为电路暂态过程的时间常数。

因此微分方程的通解

=+

积分常数A需用初始条件来确定。在t=0时

=+=+A

由此可得:A=-

因此+

上述利用微分方程进行求解分析一阶RL电路的暂态过程的方法称为经典法,经典法的分析步骤为:

(1)用基尔霍夫定律列出换路后电路的微分方程式。

(2) 解微分方程。

2、三要素法

通过经典分析法我们得到图3-16所示电路,暂态过程中电感电流为:

+

上述结果可归纳为 “三要素法”,式中只要知道稳态值,初始值和时间常数,这“三要素”,则便被唯一确定。它适合于任何含一个一阶RL电路在阶跃(或直流)信号激励下的过程分析。

要注意一阶RL电路时间常数为,一阶RL电路仅有一个电感元件,L即为电感元件的电感量,而R为换路后的电路中除去电感后所得无源二端口网络的等效电阻。

RL电路的零状态响应

当动态电路的初始储能为零(即初始状态为零)时,仅由外加激励产生的响应称作零状态响应。图3-17的一阶RL电路,设在开关S闭合前(t<0),电感L无初始储能,当t=0时,开关S闭合。下面用“三要素法”分析电路的响应。

电感L无初始储能,即电感的初始电流=0。根据换路定律,电压的初始值==0。故电路为零状态响应

t=时,稳态值为换路后将电感看成短路的电流,因此

=

时间常数,根据“三要素法”

+

=

的变化曲线如图3-18(a)所示。按指数规律随时间增长而趋于稳态值。

=

的变化曲线如图3-18(b)所示。图中电感电压是正值,这是电流上升产生的反电势。

 

例3-8

电路如图3-19所示,换路前

已处于稳态,时开关闭合,试求换路后()的。

解:时已处于稳态,

即电感的初始电流为换路前电感电流

==0

t→时,稳态值为换路后将电感看成短路的电流,因此

时间常数,而R为换路后的电路从电感看无源二端网络的等值电阻。

+

=15(1-)mA

RL电路的零输入响应

一阶RL电路中,如果在换路的瞬间电感元件已储存有能量,那么即使电路中无外加激励,换路后,电路中的电感元件将通过电路释放储能,在电路中产生响应,即零输入响应。

电路如图3-20所示,开关S原来断开,电路已经稳定。t=0开关S闭合,使电路产生过渡过程。此时,电感的初始电流为换路前电感的短路电流

=

根据换路定律,电感电流的初始值

==。

t→时,稳态值为换路后电感储能耗尽后的电流,因此=0

根据三要素法,得换路后电感的电流为:

时间常数

+

=

=-

及的波形如图3-21所示。图上电感的端电压为负值,这是由电流衰减产生的反电势。

例3-9

电路如图3-22所示,换路前已处于稳态,时开关断开,试求换路后()的。

解:时已处于稳态,

即电感的初始电流为换路前电感的短路电流

根据换路定律,电感电流的初始值==3A。

t→时,稳态值为换路后电感储能耗尽后的电流,因此

=0

时间常数,而R为换路后的电路从电感端看无源二端网络的等值电阻。

+=3A

–3A

RL电路的全响应

电路如图3-23所示,在换路前电路为稳定状态,t=0时闭合开关S。

时已处于稳态,即电感的初始电流为换路前电感的短路电流

根据换路定律,电感电流的初始值

=

t→时,稳态值为换路后电感的短路电流,因此

时间常数,而R为换路后的电路从电感看无源二端网络等的值电阻。

++-

 

例3-10

电路如图3-24所示,

换路前已处于稳态,时开关闭合,试求换路后()的及。

 

解:开关S闭合前电感L中的电流

开关S闭合后各电流初始值

开关S闭合后电感电流的稳态值

求电路时间常数

于是

=6V

一阶RL电路的暂态过程

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