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电气系统课程知识框架.md

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电气系统课程知识框架

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1. 基本电路英语

  • voltage 电压
  • current 电流
  • passive sign convention 关联参考方向
  • negitivte sign convention 非关联参考方向
  • VCR: voltage-current relationship 电流电压关系
  • resister 电阻
  • conductor 电导
  • in series 串联
  • In parallel 并联
  • node 节点
  • loop 回路
  • mesh 网孔
  • branch 枝干
  • Kirchhoff laws 基尔霍夫定律
  • KCL/KVL 基尔霍夫电流/电压定律
  • Th�evenin & Norton's theorem 戴维南-诺顿定理
  • inductor 电导
  • capacitor 电容
  • reactance 电抗
  • susceptance 电纳
  • inpedance 阻抗
  • admittance 导纳
  • instantanous power 瞬时功率
  • apparent power 视在功率
  • active power 有功功率
  • reactive power 无功功率
  • natural response 完全相应
  • step response 阶跃响应

2.电路模型和定律

2.1电压电流及参考方向

2.1.1 假定参考方向

假定流经某个元器件的电流和其两端电压的方向,

箭头(电流)和正负号(电压)表示假定的方向,

求解出真实的电流电压,如果为正则说明假定方向和真实的方向相同,为负则相反。

一旦参考方向给定,则不要更改。

2.1.2 欧姆定律、功率与关联参考方向

如果某个元件电压电流的参考方向一致,则称为关联参考方向,不一致称为非关联参考方向

如果是非关联参考方向,计算欧姆定律和功率时要加负号

截屏2020-02-2823.14.37

2.2 电源与电源的等效变换

关联参考方向下,$ P = UI$ 计算的是吸收功率,处理电源问题时切记!

2.4.1 激励/独立源

  • 独立电流源

  • 独立电压源

用圆形表示,画箭头表示电流源,正负号表示电压源

输出电流与电压,仅由电源本身决定,与电路中其他元件无关

2.4.2 受控源

根据控制量和输出量分为四种受控源

  • 电流控制的电流源
  • 电流控制的电压源
  • 电压控制的电流源
  • 电压控制的电流源

受控源的输出由控制量决定

受控源不能作为激励

2.4.3电源的等效变换

电源之间的等效变换

  • 电流源与电压源并联:等效为电压源
  • 电流源与电压源串联:等效为电流源
  • 不相等的电流源串联或不相等的电压源并联:禁止

电源加电阻的等效变换

电流源与电阻并联 = 电压源串联一个电阻 $$ R_i = R_v \ V_s = i_sR $$ 等效后电阻不变,电压源等于电流源乘电阻

2.3 等效变换

2.3.1 简单电阻等效:串并联

串联 $$ R_{eq} = \Sigma R_j $$ 并联 $$ \frac{1}{R_{eq}} = \Sigma \frac{1}{R_j} $$

2.3.2 复杂电阻的等效:节点等势法

复杂电阻电路等效

  1. 在原图中标结点。注意等电势的点标成同一个结点
  2. 画等效电路图先结点后元件。一般把接外电路的点画在最外边,其他画中间。看每个元件在原图里跨接在哪两个结点之间,在等效电路图里画出来。(最好画一个元件,在原图中做一个记号,以免丢失)
  3. 根据基本的串并联关系或者马上要学的星三角变换计算等效电阻

2.3.3 星三角变换

  1. 找对外链接的节点
  2. 根据星三角变换画新图,星要加一个中间节点,三角要删掉节点
  3. 计算新阻值,外大内小

星->三角 $$ R_a = \frac{R_1R_2 + R_2R_3 + R_3R_1}{R_1} $$ 三角对边电阻值等于星形电路阻值两两相乘的和除以对应节点的电阻

三角->星 $$ R_1 = \frac{R_bR_c}{R_a + R_b +R_c} $$ 星的节点电阻值等于三角两邻边阻值相乘除以三角全部电阻之和

2.4 基尔霍夫定律

2.4.1 基本概念

node:节点,两个或者多个原件相遇的地方,相同电压的节点视为一个节点。重要节点:两个以上元件相连的地方

path:路径

branch:支路,两个节点中的路径,重要支路(两个重要节点之间的路径)间有相同的电流。

loop:回路,闭合的路径

mesh:网孔,自然形成的回路

没有特殊说明,所说节点支路回路均为重要essential的。

使用基尔霍夫定律时使用的电压电流均为参考方向,不是实际方向。

2.4.2 KCL

最好规定流入/流出的正负,并且在一道题目内保持相同

KCL:节点流入电流=流出电流 $$ \Sigma \text{Current entering a node} = \Sigma \text{Current leaving a node} $$ 广义节点:一整个区域,如果有电流流入流出,也可视为一个节点计算KCL

如图示电路,不考虑$i_{4,5,6}$的情况下可以直接将黄色区域视为一个节点

截屏2020-03-0815.49.49

2.4.3 KVL

KVL:回路降低电压=升高电压 $$ \Sigma \text{voltages drop} = \Sigma \text{voltages rise} $$ 使用欧姆定律计算元件两端电压时,注意元件的电压电流最好符合关联参考方向

2.4.4 基尔霍夫独立方程数

2b法:KCL(n-1)+KVL(b-(n-1))+VCR(b) = 2b

2.4.5 节点电压法

选取一个假设接地的节点,其他节点画圈编号①②③,相对于该节点的电压设为$v_{n1},v_{n2} \cdots$

利用各个节点上的KCL,列出n-1个等式,流出为正,流入为负。

整理方程,得到方程有这样的形式:

自阻 = 直接和该节点相连的电阻值倒数和

互阻 = 相邻节点相连的电阻值倒数

截屏2020-03-1611.29.45

  1. $+$自阻 * 该节点电压值
  2. $-$互阻 * 相邻节点电压值
  3. 等式右边电流源流出为负,流入为正(移植右边)
  4. 电压源和电阻串联 一律先等效为 电流源和电阻并联
  5. 电压源直接相连两个节点(无伴电压源),直接写出当前节点和其他节点的电压关系,==设出流过电压源的电流==,放到等式右端。
  6. 如果有受控源,视为独立源处理,之后加一个VCR方程

2.4.6 回路电流法

类似于节点电压法,+自阻 * 该回路电流 - 互阻 * 相邻回路电流 + 关联参考方向电压源 = 0

3.电路定理

3.1 叠加定理

系统中独立电压源和独立电流源置零:独立电流源开路,独立电压源短路

让电路中的电流源和电压源单独作用

电阻的电压和电流等于元件单独作用时的代数和

受控源不置零

注意参考方向不变

电阻功率不能叠加!

3.2 戴维宁-诺顿定理

将二端口的电路简化为电阻和独立电压源串联

其中:

电压$V_{\rm{TH}}$等于二端口两端电压

电阻$R_{\rm{TH}}$等于 将所有独立源置零后的 等效电阻

如果:

没有受控源:直接将所有独立源置零求等效电阻

有受控源

  1. 开路短路法:先求出端口开路电压,再将端口短路求出流经端口的电流,做比值求出$R_{\rm{TH}}$(不置零)
  2. 测试电源法:求出开路电压后将所有内电路的独立源置零,在端口处设一电源,求出流经电源电流和两端电压关系

求电压和电流时可以结合节点电压法

诺顿定理将电压源串电阻等效为电流源并电阻

3.3 最大功率计算

当$R_\rm L = R_{\rm{TH}}$时,外电路取最大功率,为 $$ P_{\max}=\frac{v_{\mathrm{TH}}^{2}}{4 R_{\mathrm{L}}} $$

4. 相量法

4.1 相量的公式表达和实际意义

4.2电路的相量形式

5.正弦稳态电路分析

5.1阻抗与导纳

5.2正弦稳态电路分析

5.3正弦稳态电路功率

5.4无功补偿

5.5谐振

6.耦合电感

6.1自感与互感

6.2变压器

三相电路

一阶电路响应