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文檔簡(jiǎn)介
§8-1
LC電路的正弦振蕩
i
=–C——duCdtuL=uC
=
L——didt設(shè)uC(0)=U0
iL(0)=0∵
uL=uC
=
U0≠0
uC
=
U0
iL
=
0didt——≠0∴電流開(kāi)始上升i↑,電容開(kāi)始放電uC↓Ⅰ.初始時(shí)刻C+uC=U0i=0L–C+uCiL+uL––電流最大
i=ImⅡ.當(dāng)uC
=
0
,uL
=
0時(shí),didt——=
0電容儲(chǔ)存的電場(chǎng)能量全部轉(zhuǎn)化為電感儲(chǔ)存的磁場(chǎng)能量因?yàn)殡姼须娏鞑荒苘S變電感開(kāi)始輸出能量i↓,電容開(kāi)始反向充電|uC
|↑Ⅲ.當(dāng)i
=
0
時(shí)
,uC
=–
U0磁場(chǎng)能量全部轉(zhuǎn)成電場(chǎng)能量因?yàn)閡C不能躍變,電容放電|uC
|↓,|
i
|↑C+uC=
0i=
ImL––+uL=
0duCdt——≠0∴i
=–C——duCdtC+uC=–U0i=
0L–+–uLⅣ.當(dāng)uC
=
0時(shí),i
=
–
I電場(chǎng)能量全部轉(zhuǎn)成磁場(chǎng)能量|uC
|↑,|
i
|↓Ⅴ.當(dāng)uC
=
U0
時(shí)
,i
=
0磁場(chǎng)能量全部轉(zhuǎn)為電場(chǎng)能量,電路回到初始時(shí)刻的狀態(tài)C+uC=
0i=
–
IL–C+uC=
U0i=
0L–§8-2
RLC串聯(lián)電路的零輸入響應(yīng)求零輸入響應(yīng)
uS=0
LiR+uS-C+uC-uL
+
uR+uC
=
uSdidt
L+Ri
+
uC
=
uS
+
RCd2uCdt2
LCduCdt+
uC
=
uS+
RCd2uCdt2
LCduCdt+
uC
=
0uC(0)
=?兩個(gè)初始條件i
=CduCdtuL
=
LdidtduCdtt=0
=i(t)Ct=0
=i(0)C
=?R,L,C
取值不同,根號(hào)里的值有四種不同情況。
設(shè)解為
uC(t)=Kest
代入微分方程LCs2Kest
+
RCsKest+
Kest
=0(LCs2+RCs+1)Kest
=0特征方程的根(固有頻率)s1、2=RC±(RC)2
-
4LC2LC2L
R=
-±2L
R()2LC1--+
RCd2uCdt2
LCduCdt+
uC
=
0特征方程LCs2+RCs+1=0R,L,C
取值不同,根號(hào)里的值有四種不同情況。
特征方程的根(固有頻率)s1,s2為兩個(gè)不相等的負(fù)實(shí)數(shù)。2L
R1.()2LC1>s1,s2為兩個(gè)相等的負(fù)實(shí)數(shù)。2L
R2.()2LC1=s1,s2為共軛復(fù)數(shù)。2L
R3.()2LC1<4.R
=
0s1,s2為共軛虛數(shù)。s12=RC±(RC)2
-
4LC2LC2L
R=
-±2L
R()2LC1--
即R>2LC
即R=2LC
即R<2LC
阻尼電阻
Rd=2LC為過(guò)阻尼情況。為臨界阻尼情況。為欠阻尼情況。為無(wú)阻尼情況。響應(yīng)是非振蕩性的衰減,為過(guò)阻尼情況。
s1
=
-2L
R=
-a1+2L
R()2LC1-s2
=
-2L
R=
-a2-2L
R()2LC1-a2
>
a1uC(t)
=
K1es1t+
K2es2t=
K1e-a1t+
K2e-a2t通解的形式K1+
K2
=
uC(0)-
a1K1
-
a2K2
=CiC(0)解出K1
,
K2uC(t)
=K1e–
1t+
K2e–
2t
即R>2LC為過(guò)阻尼情況s1,s2為兩個(gè)不相等的負(fù)實(shí)數(shù)。2L
R1.()2LC1>由初始條件確定系數(shù)——=–
1K1e–
1t–
2K2e–
2tduCdtduCdtt=0
=i(0)C解:(1)若以u(píng)C(t)為求解變量LiR+uS-C+uC-例.已知圖示電路中t≥0時(shí)uS
=
0R
=
3
L
=12HC
=14F
uC(0)
=
2ViL(0)
=
1A求uC(t)及iL(t)
t≥0+
RCd2uCdt2
LCduCdt+
uC
=
0+d2uCdt2duCdt+
uC
=
01834+
6d2uCdt2duCdt+8
uC
=
0s2
+
6s
+
8
=
0s1,2
=-6±36
-
3222-6±2=s1
=
-2
s2
=
-4過(guò)阻尼情況
阻尼電阻
Rd=2=
2.828
LCR>
Rd+d2idt2didt+
i
=
01834+
6d2idt2didt+
8i
=
0s2
+
6s
+
8
=
0s1
=
-2
s2
=
-4iL(t)
=
K1e-2t
+
K2e-4t(2)
若以iL(t)為求解變量
uR
+
uL
+
uC
=
0
Ri
+
Ldidt+
uC(0)
+1C∫idt
=
00t兩邊微分
+
RCd2idt2
LCdidt+
i
=
0例.已知圖示電路中t≥0時(shí)uS
=
0R
=
3
L
=12HC
=14F
uC(0)
=
2ViL(0)
=
1A求uC(t)及iL(t)
t≥0解:過(guò)阻尼情況LiR+uS-C+uC-iL(t)
=
K1e-2t
+
K2e-4t+2V-1A+uL(0)
-3
t
=
0時(shí)電路iL(0)
=
K1
+
K2
=
1didt|t=0
=
-2K1
-
4K2
=LuL(0)uL(0)
=
-31-2
=
-5V例.已知圖示電路中t≥0時(shí)uS
=
0R
=
3
L
=12HC
=14F
uC(0)
=
2ViL(0)
=
1A求uC(t)及iL(t)
t≥0解:-2K1
-
4K2
=
-10得K1
=
-3,K2
=
4iL(t)
=
-3e-2t
-
4e-4tAt≥0uC(t)
=
uC(0)
+1C∫idt0t=
2
+
4(32e-2t
-
e-4t)|0t=
2
+
4(32e-2t
-
e-4t
-12)=
6e-2t
-
4e-4tVt≥0LiR+uS-C+uC-s1,2
=
-2L
R±2L
R()2LC
1-=
-3±9-8=
-3±1s1
=
-2
s2
=
-4uC(t)
=
K1e-2t
+
K2e-4t=
6e-2t
-
4e-4tVt≥0iL(t)
=
CduCdt=
-3e-2t
+
4e-4tAt≥0例.已知圖示電路中t≥0時(shí)uS
=
0R
=
3
L
=12HC
=14F
uC(0)
=
2ViL(0)
=
1A求uC(t)及iL(t)
t≥0解:(3)不列微分方程
過(guò)阻尼情況
阻尼電阻
Rd=2=
2.828
LCR>
RdLiR+uS-C+uC-無(wú)振蕩衰減,臨界阻尼
s1
=
s2
=
-2L
R=
-a解的形式uC(t)
=
K1e-at
+
K2te-at=
(K1
+
K2t
)e-at
K1
=
uC(0)
duCdt|t=0
=
[K2e-at
–
a(K1
+
K2t)e-at]|t=0
=
K2
–
aK1
=CiC(0)iC(0)
=
iL(0)K2
–
aK1
=CiL(0)K2
=CiL(0)+
auC(0)CiL(0)+
auC(0)]te-atuC(t)
=
uC(0)e-at
+
[CiL(0)+
auC(0)]t}e-at={uC(0)
+
[s1,s2為兩個(gè)相等的負(fù)實(shí)數(shù)。2L
R2.()2LC1=
即R=2LC為臨界阻尼情況。s1
=
-2L
R=
-a
+
jwd+j2L
R()2LC12L
R(-s2
=
-2L
R=
-a
-
jwd-j2L
R()2LC12L
R(-解的形式uC(t)
=
e-at[K1coswdt
+
K2sinwdt]uC(0)
=
K1
CiL(0)=
-aK1
+
wdK2
=duCdt|t=0
=
[-ae-at(K1coswdt
+
K2sinwdt)+e-at(–
wdK1sinwdt
+
wdK2coswdt)]|t=0auC(0)K2
=wdCiL(0)+wds1,s2為共軛復(fù)數(shù)。3.(2L
R)2LC1<
即R<2LC為欠阻尼情況。uC(t)
=
e-at[K1coswdt
+
K2sinwdt]K1=
K12
+
K22e-at[
K12
+
K22coswdt
+K2
K12
+
K22sinwdt
]
K12
+
K22K2K1K2
K12
+
K22sinq
=K1
K12
+
K22cosq
=q
=
arctgK1K2利用公式cos(a
–b)
=
cosacosb
+
sinasinbuC(t)
=
K12
+
K22e-at[cosqcoswdt
+
sinqsinwdt]=
K12
+
K22e-atcos(wdt
-q
)=
Ke-atcos(wdt
+f)K
=
K12
+
K22
f
=
-arctg
K1K2[例]RLC串聯(lián)電路的零輸入響應(yīng)為uC(t)=5e–2tcos
3tV,已知R=4
,求L和C。–解:由零輸入響應(yīng)的形式可知,此題應(yīng)為欠阻尼情況。零輸入響應(yīng)的一般形式為uC(t)
=
e-at[K1coswdt
+
K2sinwdt]s1、2
=–—±j
——–(—)2=–
±jd2L
RLC12L
R
=——=22LR
d=
——–(—)2=
3LC12L
R–解得:L=1H,C=—F71固有頻率4.
R
=
0
無(wú)阻尼特征根s1,s2為共軛虛數(shù)s1
=
j=
jw0LC1s2
=
-j=
-jw0LC1解形式uC(t)
=
K1cosw0t
+
K2sinw0tK1
=
uC(0)uC(t)
=
Kcos(w0t
+f)K
=
K12
+
K22
f
=
-arctg
K1K2無(wú)衰減等幅振蕩Cw0iL(0)K2
=CL(0)duCdt|t=0
=
w0K2
=iuC(t)
=
K1coswO
t
+
K2sinwO
tK1=
K12
+
K22
[
K12
+
K22coswOt
+K2
K12
+
K22sinwOt
]
K12
+
K22K2K1K1
K12
+
K22cosq
=K2
K12
+
K22sinq
=q
=
arctgK1K2利用公式cos(a
–b)
=
cosacosb
+
sinasinbuC(t)
=
K12
+
K22[cosqcoswOt
+
sinqsinwOt]=
K12
+
K22cos(wOt
-q
)=
K
cos(wOt
+f)K
=
K12
+
K22
f
=
-arctg
K1K2§8-3
RLC串聯(lián)電路的全響應(yīng)+
RCd2uCdt2
LCduCdt+
uC
=
USuC(0)
=?duCdt|t=0
=?uC(t)
=
uch
+
ucp+
RCd2uchdt2
LCduchdt+
uch
=
0s1
=
-a1
s2
=
-a2如果電路為過(guò)阻尼uch(t)
=
K1e-a1t+
K2e-a2tuC(t)
=
K1e-a1t+
K2e-a2t+
US設(shè)ucp(t)=Q
與激勵(lì)形式一樣若為直流激勵(lì),則Q
=
USK1,K2由初始條件確定根據(jù)特征根的四種不同情況,寫(xiě)出齊次方程解的形式USLiR+-C+uC-1Hi1
+US
=
2V-1F+uC-t≥0例.求圖示電路中uC(t)t≥0已知uC(0)
=
0iL(0)
=
0+
RCd2uCdt2
LCduCdt+
uC
=
US+d2uCdt2duCdt+
uC
=
2設(shè)ucp(t)
=
Q
代入原方程
Q
=
2s2
+
s
+
1
=
0s1,2
=-1±1-42=
-12±
j2
3uch(t)
=
e[K1cos-12t2
3t
+
K2sint
]2
3+
K2sint
]
+
22
3uC(t)
=
e[K1cos-12t2
3tuC(0)
=
K1
+
2
=
0解:為欠阻尼情況CiL(0)duCdt|t=0
=
-12K1
+2
3K2
=23K1
=
-2K2
=
-
3uC(t)
=
e[-2cos-12t2
3t
-t
]
+
22
323
3
sin=
-2.3ecos(-12t2
3t
-
30°)
+
2Vt≥0§8-4
GCL并聯(lián)電路的分析iC+iG+iL
=
iSCduCdt+
GuC
+
iL
=
iS+
GLd2iLdt2LCdiLdt+
iL
=
iS如果是零輸入響應(yīng)iS
=
0+
GLd2iLdt2LCdiLdt+
iL
=
0iL(0)
=?diLdt|t=0
=?LCs2
+
GLs
+
1
=
0s1,2
=-GL±(GL)2
-
4LC2LC2C
G=
-±2C
G()2LC1-根據(jù)固有頻率四種情況寫(xiě)出解的形式阻尼電導(dǎo)Gd
=2
—LC–—iS+uC-iCiGiLCGL+
GLd2iLdt2LCdiLdt+
iL
=
ISGCL并聯(lián)2C
Gs1,2
=
-±2C
G()2LC1-RLC串聯(lián)s1,2
=
-2L
R±2L
R()2LC1-+
RCd2uCdt2
LCduCdt+
uC
=
US阻尼電導(dǎo)Gd
=2
—LC–—阻尼電阻Rd=2
—CL–—[例]圖示電路中,欲使電路產(chǎn)生臨界阻尼響應(yīng),則C應(yīng)為何值?iSC1
2H解:Gd
=2
—LC–—阻尼電導(dǎo)欲使電路產(chǎn)生臨界阻尼響應(yīng),應(yīng)滿足G=Gd
因:G=1S
2
—=1LC–—故:得:C=0.5F解:例:RLC并聯(lián)電路的零輸入響應(yīng)為uc(t)
=
100e-600tcos400t,若電容初始貯能是130J,求R,L,C以及電感的初始電流。uC(0)
=
100V130wC(0)
=130CuC2(0+)
=12C
=230uC2(0+)=230100=
6.67μF由零輸入響應(yīng)的形式可知,此題應(yīng)為欠阻尼情況。零輸入響應(yīng)的一般形式為uC(t)
=
e-at[K1coswdt
+
K2sinwdt]=
-a
±
jwd2C
Gs1,2
=
-±2C
G()2LC1-K1=100,K2=0,a=600,wd=400+uC-iCiRiLCRL=
-a
±
jwd2C
Gs1,2
=
-±2C
G()2LC1-a
=2C
G=
600G
=
60026.6710-6
=
80.0410-4R
=G1=
124.9
wd
=
400
=LC1-a2LC1=
4002
+
6002
L
=
0.288HiL(0+)
=
-iR(0+)
-
iC(0+)=
-uC(0+)
R-
CduCdt|t=0=
-100124.9-
6.6710-6
dtd(100e-600tcos400t)|t=0=
-0.8
+
0.4
=
-0.4A+uC-iCiRiLCRL二階電路分析方法總結(jié)
a0dXdtd2Xdt2+
a1+
a2
=
AX(0)
=?dXdt|t=0
=?X(t)
=
Xh(t
)
+
Xp(t
)Xh(t)
=
Kest
代入齊次方程a0s2
+
a1s
+
a2
=
0特征方程s1,2
=-a1±a12
-
4a0a12a0固有頻率RLC串聯(lián)2L2LLCs1,2
=
-
R±
R()21-GCL并聯(lián)2C
Gs1,2
=
-±2C
G()2LC1-列出非齊次二階微分方程給定初始條件解的形式s1,s2為兩個(gè)不相等的負(fù)實(shí)數(shù)s1
=
-a1
s2
=
-a2
無(wú)振蕩衰減Xh(t)
=
K1e-a1t+
K2e-a2t過(guò)阻尼s1,s2為兩個(gè)相等的負(fù)實(shí)數(shù)s1
=
s2
=
-a
臨界阻尼Xh(t)
=
(K1
+
K2t)e-at
無(wú)振蕩衰減a
–衰減因子wd
–衰減振蕩角
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