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戴維南定理和諾頓定理,最大功率傳輸定理

作者:佚名    文章來源:本站原創    點擊數:    更新時間:2018/9/22
  在電路的求解過程中, 如果不要求計算全部支路的電壓、電流,而只計算某支路的 電壓、電流或功率時,應用回路(網孔)電流法和結點電壓法列寫方程進行求解將十分繁瑣,而采用一端口網絡定理即戴維南/諾頓定理求解則較簡便。
  戴維南定理指出:任何線性含源一端口網絡對于外部性能來說,可以用一個電壓源等效代替。其電壓源的電壓等于原一端口網絡的開路電壓Uoc,其內阻等于原一端口網絡變為無源一端口網絡后的入端電阻Req。應用戴維南定理的關鍵是求開路電壓和入端電阻。
  諾頓定理指出:任何線性含源一端口網絡對于外部性能來說,可以用一個電流源等效代替。電流源的電流等于原一端口網絡的短路電流Isc,其內電導Geq(或電阻Req)等于原一端口網絡變為無源一端口網絡后的入端電導Geq(或電阻Req)。應用諾頓定理的關鍵是求短路電流Isc和入端電導Geq。

1、戴維南定理

  圖1.14(a)中,電路結構和參數已給定,應用戴維南定理求電流I=?(圖中電阻的單位為歐姆)。

  分析:應用戴維南定理的關鍵是求出a,b兩端的開路電壓Uoc和入端電阻ReqUoc等于ab兩端將負載開路后的電壓;Req等于將ab左邊的含源二端網絡變為無源二端網絡時的入端電阻。 求開路電壓的等效電路如圖(b)所示,方法不限。本題用結點電壓法。入端電阻的等效電路如(c)所示;利用圖(d)求出待求量。

 方程式及結果如下:
 將負載開路,如(b)。(b)中求ab兩端的開路電壓Uoc:
 [(1/R1)+(1/R2)]Uoc=(Us1/R1)+IS 代入數據, 解得 Uoc=32V
 為求入端電阻,在(b)中,將獨立源置零,(c)。ab兩端的入端電阻: Req=4+5//20=8Ω
 則
戴維南等效電路如圖(d)。電流 I=32/(8+2)=3.2A 
 

2、諾頓定理

  圖1.15(a)中,電路結構和參數已給定,用諾頓定理求電流I=?(圖中電阻的單位為歐姆)。

  分析:應用諾頓定理的關鍵是求出a,b兩端的短路電流Isc和入端電阻Req(或電導Geq),Isc等于ab兩端將負載短路時的電流如圖(b)所示;Req(或電導Geq)等于將ab左邊的含源二端網絡變為無源二端網絡時的入端電阻(或電導), 其等效電路如 (c)所示;最后利用圖(d)求得待求量。

 方程式及結果如下:

 將負載短路如(b)。在(b)中求短路電流Isc,采用結點電壓法:
 Unc=[(25/5)+3]/[(1/5)+(1/20)+(1/4)]=16V
 代入數據,解得Isc=16/4=4A
 為求入端電阻,在(b)中,將獨立源置零,(c)。ab兩端的入端電阻: Req=4+5//20=8Ω
 則諾頓等效電路
如圖(d)。電流 I=4*[8/(8+2)]=3.2A

3、含有受控源的戴維南定理

  圖1.16(a)中,電路結構和參數已給定,求:電流I=?(電阻的單位為歐姆)。

  分析:該電路中含有CCCS,為了求開路電壓Uoc,仍須將ab支路斷開如圖(b)所示,用任意方法求開路電壓,根據電路特點用結點電壓法。當電路中有受控源時求入端電阻的方法與無受控源時不太一樣。有兩種方法可采用,一是除獨立源后,加壓求電流,入端電阻Req=u/i,如(c)所示,可用任意方法求出u/i,本題采用基爾霍夫定律。最后利用圖(d)求出待求量。

 方程式及結果如下:

 將負載開路,如(b)在(b)中用結點電壓法求開路電壓Uoc,方程如下: 
 [(1/7)+(1/15)]Un=2I0+(8/7) 
 (5+10)I0=Un  代入數據,解得 UOC=(10/15)Un=10V
 為求入端電阻,在(b)中,將獨立源置零,在a,b間加電壓u,如(c)。方程如下:
 U=10I0
 U=5(i-I0)+7(i-I0+2I0) 代入數據,聯立解得 Req=U/i=8Ω
 則
戴維南等效電路如圖(d)。 =(Uoc-US2)/(Req+R4)]=0.5A

4、戴維南定理綜合題目

  圖1.17(a)中,參數已給定,求R中的電流I=?

  分析:該電路中含有CCCS,解題思路與上一題類似,為了求開路電壓Uoc仍須將ab支路斷開如圖(b)所示,用任意方法求開路電壓。本題用網孔電流法,網孔電流如(b)紅線所示。在含有受控源的電路中,求入端電阻除了采用除獨立源加壓求電流外,還可以用開路電壓除以短路電流,即Req=Uoc/ISC求入端電阻。首先將負載短路,(c),其中短路電流ISC,可用任意方法求短路電流ISC。最后得到戴維南等效電路(d),即可求I。

 方程式及結果如下:

  將負載開路,如(b)。求開路電壓Uoc可直接利用KCL:I2=I1+0.75I1=1.75I1
在左邊的網孔中:5000I1+20000I2=40 代入數據,解得 UOC=20000I2=35V
在(c)中將負載短路,求短路電流ISC:I1=40/5k=8mA 則ISC=I1+0.75I1=14mA
 Req=UOC/ISC=2.5KΩ
 圖(d)中 I=35/(2.5+1)*1000=10mA

5、最大功率傳輸定理

  圖1.18(a)電路中,求R為何值時,負載 R 可獲得最大功率,并求出Pmax。(圖中未標電阻的單位為歐姆)。

  分析:根據最大功率的傳輸定理,當負載電阻等于電壓源的內阻時,負載可獲得最大有功功率。因此本題的關鍵是求出該電路的戴維南等效電路。即Uoc如圖(b)Req如圖(c)所示。具體計算過程和以上題目類似,計算過程中用到電阻的三角形與星形之間的轉換。

 方程式及結果如下:

 首先將三個Ω電阻等效轉換成Y型連接RY=1Ω, 網孔電流 I=8/4=2A
 則:Uoc=2I=4V
 在(c)中求ab兩端的入端電阻:Req=1+2//2=2歐,
 因此根據最大功率傳輸定理:當R=2Ω時R可獲得最大有功功率

 Pmax=( Uoc*Uoc)/4*Req=2w

Tags:戴維南定理,諾頓定理,最大功率傳輸定理  
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