直流电路的动态分析范文

直流电路的动态分析篇1

关键词：变流器；短路电流；计算方法；继电保护

中图分类号：TM744 文献标志码：A 文章编号：0253-987X（2015）04-0024-08

通过对电力元件的控制，实现电能生产环节的自动化、智能化是电网运行者不变的追求。要想实现这一目标，必须对电力元件进行调节和控制。随着现代科学技术的不断发展和提高，为实现电力元件的可控性，电力电子器件在发电、输电、配电以及用电环节广泛使用。电力电子器件在电力系统中的应用主要有以下几个方面。

（1）新能源与分布式发电。随着化石能源的枯竭，新能源发电的重要性越来越突出，当前大规模并网运行的主要是风力发电和光伏发电，这两者均无法直接并网，需要经过变流器变换后方可馈入交流电网。

（2）直流以及交直流混合输电。无论高压直流输电、柔性直流输电还是交直流混合输电，都是通过变流器实现电能的交直与直交变换。研究变流器的动态特性，有助于提高输电线路保护的可靠性。

（3）柔流输电。输电网的柔流输电与配电网的柔流输电都大量采用电力电子器件，研究电力电子器件的调节特性，可以更好地实现对电力系统的调节与控制。

新能源发电以及直流输电、交直流混合输电是目前电力系统发展的重要方向，风机、光伏电源、换流器等作为一类含变流器的电力元件是其重要的组成部分，而变流器是该类电力元件中应用最广泛的电力电子设备。变流器是一类由电力电子器件及其控制驱动电路组成的电力设备，可以实现对电能的变换、调节和控制，在智能电网中具有重要应用。智能电网要更好地发展，必须对含变流器电力元件的特性进行研究分析。

继电保护是电网安全运行的第一道防线，对快速切除故障、迅速恢复供电、提高供电连续性、减少设备损坏等具有重要作用。故障特征分析是继电保护研究的前提和基础，其关键问题在于研究电源输出短路电流的暂态变化特性。传统电力系统是由同步机和输电线路构成的线性网络，电源的响应特性较明确，短路电流易于计算分析。随着新能源发电以及直流输电技术的发展，电力电子器件大量应用于电力系统，电网不再只含单一类型的电源。含变流器电力元件作为一种新的电源形式被引人系统，受变流器特性影响，其输出特性明显不同于同步机，使得系统表现出许多异于传统电网的故障特征。为了更好地分析含变流器系统的故障特征，给今后新型电力系统继电保护整定计算提供依据，有必要研究含变流器电力元件故障过程中输出短路电流的理论分析与计算方法。

由于频带宽度的限制，互感器对一次系统中的高次谐波具有一定的滤波作用，电网的二次侧一般只能获取系统电流的低频分量。虽然目前已经提出许多基于暂态量的保护新原理，但当前现场广泛应用的继电保护原理仍旧主要关注系统故障过程中工频电气量的变化规律。因此，从理论上分析含变流器电力元件输出的工频响应特性，得到其短路电流中工频分量在故障暂态的变化规律，对电力系统继电保护分析及整定计算意义重大。

目前，关于含变流器电力元件的研究主要集中在简化建模、控制策略、谐波分析等方面，关注其故障暂态输出特性的较少，且基本上基于仿真结果分析。文献对逆变型电源故障特征进行了简要分析，但对其故障电流暂态特性的研究不够深入；文献分析了三相电压对称跌落时直驱风机的响应特性，但其主要利用仿真结果进行分析；文献对光伏发电故障暂态特性进行了详细分析，但没有对继电保护关注的故障电流变化规律进行详细理论推导，且其主要结论均是基于仿真结果得到的；文献对直驱风机仿真模型进行了简化，提高了直驱风电系统仿真速度，但仍未给出变流器故障响应的解析表达式。

直流电路的动态分析篇2

【关键词】异步发电机；整流负载；谐波

【中图分类号】F407.61【文献标识码】A【文章编号】1005-1074(2009)05-0230-01

1异步发电机带线性负载稳态研究方法

步发电机的稳态研究主要是利用异步发电的一相等值电路，然后针对等值电路利用回路阻抗法或者节点导纳法列写电路方程，通过求解方程获得异步发电机的各种待求参数。

图1中各量均折算到定子侧，并将实际参数折算到额定频率下的标么值。其中f1为实际频率与额定频率(50Hz)之比，n为实际转速与额定转速之比，发电机通常带电阻、电感静态负载或者带电动机等动态负载，图1为直接带电阻负载电路，由电路可以得出两种主要的分析方法：①回路阻抗法 ；②点导纳法。异步发电机稳态运行时，公式①、②中回路电流I1和机端电压U1不能为零，那么只有使得回路阻抗或者节点导纳为零。无论是回路导纳方程零还是节点导纳方程为零，经过化简后都是一个含有实部和虚部的复数方程，这里取实部和虚部分别为零，得到一个以激磁电抗Xm，定子电流频率f1为变量的高阶非线性方程组。于方程次数高达七阶，采用一般的微分降阶方法无法求取合理的方程解，常用的求解方法有“Newton-Raphson”法和优化计算方法。“Newton-Raphson”法虽然具有较高的精度与较快收敛速度，但求解过程受初值选择限制，可以选择优化算法作为分析方法，优化算法具有收敛速度快，计算精度高等优点，非常适合求解高次方程。

2异步发电机带线性负载暂态研究方法

异步发电机暂态研究主要为了确定异步发电机建压过程中电容值大小选取或电机参数及负载变化时电路中的电压和电流变化情况，为了解异步发电机暂态过程中各物理量变化情况并为电机的设计提供理论基础，相关的研究方法经常采用特征值分析法。特征值主要是用来分析异步发电机在小扰动下的电机建压的临界问题，也可以用来确定最小建压激磁电容值，在电机模型的线性化过程之后，基于模型的稳定性的参考坐标系，系统方程式可以用矩阵的形式表现如下：③px＝Ax＋Bu。当特征根中的任何一个的实部大于零时，异步发电机将会自激建压，在异步发电机空载建压的状态矩阵A中，在保证电机参数不变的情况下，只有一个变量，即自激电容C，它可以人为的确定，它影响了系统特征根的分布，在异步发电机存在剩磁的条件下，只有激磁电容满足一定的数值时，才能使系统的特征根中有一个实部为正的，异步发电机能够自激建压。这里选取的坐标系是定子静止坐标系，由文献[14]可知在此坐标系下，异步发电机定子上的电量是随时间变化的正弦量，因此在异步发电机建压稳定后，应该能够维持正弦变化的电压，也就是系统处于等幅震荡状态，这时系统应存在实部为零的特征根，而不能存在实部大于零的特征根，否则系统将难以稳定。另外，还可以利用PARK变换转换为d-q轴等效电路进行相关求解。

3异步发电机带整流负载外特性研究方法

异步发电机带非线性负载外特性分析主要用来研究异步发电机带整流负载后整流桥直流侧交流侧电压电流的变化情况，交流侧的研究也包含了电机木身内部参数的变化对直一交侧的影响，通常为了稳定直流侧的电压，需要改变交流侧的激磁电容或者电机转速，由于带整流桥后整个电路的运行要受非线性整流桥导通关断的约束，无法直接得到整个电路系统的稳态等值电路，目前国内外的研究主要包含异步带可控整流系统和不可控整流系统的分析研究，其研究方法主要有以下几种：①电路分析法，电路分析法是分析异步发电机及整流系统的主要方法。②回路电流法，基于电路拓扑理论的回路电流法是一种分析异步发电机带较为复杂负载电路的有效方法，具体的思路是首先选择所有的独立回路并给出回路的正方向，根据回路与支路是否关联以及相互间的正方向是否一致写出基本回路矩阵，然后将每个回路中所包含的支路电感、电容、电阻元件分别根据自身电压通过其电流大小利用向后Euler法数值公式处理为微分方程式，进而得到用于暂态分析的电阻、电感、电容元件的瞬时等值电路，从而得到了元件上电压和电流的任意时刻关系方程，使得元件具有时变性，最后利用基尔霍夫电压定律列写每个回路方程，利用MATLAB语言对回路矩阵方程电流求解，得到支路瞬时电流和支路瞬时电压。③场路祸合法，其是一种直接把电磁场方程与电路方程联立求解的分析方法，电路分析法中磁链一般写成电感与电流相乘的形式，用电路中的电感参数反映电机的电磁关系场路藕合分析法中的磁链直接用磁通密度或者向量磁位等场量表示，而这些场量常常通过离散电磁场方程并用有限元法获取。④利用工具软件仿真法，工具软件仿真法是一种方便简捷的分析方法，主要分为两类一类是利用电路系统的数学模型建模仿真，这类仿真一般借助Matlab中的Simulink。

4异步发电机带整流负载谐波分析

正弦电压施加在线性无源元件电阻、电感和电容上，其电流和电压分别为比例、积分和微分关系，仍为同频率的正弦波。但当正弦波施加在非线性电路上时，电流就会变为非正弦波，非正弦波电路在电路阻抗中产生压降，使电压波形也变为非正弦波。异步发电机带整流负载后，整个电路就会变为非线性电路，异步发电机输出的电压电流将发生畸变，整流桥直流的电压波形也将变为周期脉波，其大小取一个周期内的平均值。

5结语

本文介绍了异步发电机带线性负载稳态和暂态的研究方法，同时也讨论了异步发电机带整流负载外特性研究方法。最后，对于异步发电机带整流负载谐波进行相关分析。通过本文分析，希望能够对于带整流负载的异步发电机有着更为深刻的认识，从而使其得以更好应用。

参考文献

[1]李向荣,林莉,成涛.异步发电机与同步发电机的静态稳定性比较[J].电工技术,1999,03

直流电路的动态分析篇3

关键词: 变流技术 电力电子 大功率元件 电位平移

中图分类号: TM1 文献标识码: A文章编号: 1007-3973 (2010) 04-030-02

“电位平移”电路分析方法,即在电路的电位计算和电量随时间变化曲线的分析中,判断开关元件的工作状态,运用从已知电位通过计算推导“平移”至被测电量的规律分析过程。

变流技术又称电力电子技术,是对电能(电压、电流和频率)进行变幻的技术,根据变幻结果可分为:整流、逆变、调压、斩波等技术。变流电路对其变流前后的电量随时间变化的波形分析是变流电路中必不可少的分析过程,只有对比变流前后电量随时间的大小、方向变化情况,才能确定变幻过程是否达到生产负载要求,但变流电路中元件类型众多,电量随时间和元件状态有着多种复杂的变化,因此分析过程往往较繁琐和易混淆。用“电位平移”的分析方法,从电位和电位差的基本概念入手,巧妙运用从已知点电位向未知点“平移”推导的方法,可以使分析过程明朗化和清晰化,减少错误的机率。而且变流技术多用于电源、输/配电、工业控制等强电领域,采用的变流元件也多为大功率电子器件,如大功率二极管、晶闸管、GTO等,这类大功率元件的典型特点是在通/断的理想情况下,可忽略元件本身的管压降和漏电流,视为完全导通(内阻为零)和完全关断(电流为零),这样的电路特点也为实施“电位平移”提供了方便。“平移”并不是真正意义上的同水平相同移动,在移动过程中要考虑到电位差进行对应的“升降”移动,就如人走路一样,有平地,也有上坡下坎。

1 “电位平移”分析法的基础概念

要熟练掌握“电位平移”分析方法,对电路中电位、电压和电动势的这几个最普遍的基本概念,不能仅限于能运用公式定律计算就行,对它们的含义、方向和关系必须理解透彻,才能在各类强弱电的复杂电路中灵活运用“电位平移”分析方法。

电位:电路中单位正电荷从某点A移动到零电位点(参考点)电场力所做的功,记为UA。零电位(参考点)位置可以任意选择,但只能确定一个,零电位(参考点)选取不同,电位值不同。

电压(电位降): 电路中单位正电荷从A点移动到B点电场力所做的功。随着做功的进行必然做功本领不断降低,故电压的参考正向是电位下降的方向,即UA>UB,否则值为负。对比电位定义,可见电压即起始点A到结束点B的电位差,即UAB=UA-UB,其大小与零电位选取无关。

电动势(电位升):电路中单位正电荷从B点搬移到A点非电场力所做的功。非电场力做功与电场力做功方向刚好相反,故电动势的参考正向是电位上升的方向,即UA

2 “电位平移”分析法的一般步骤

2.1 确定电路工作状态

一般电路有三种工作状态:通路、断路、和短路,短路是不正常状态,不予分析;断路和通路是变流技术中最常见的情况,这两种状态“电位平移”分析的过程有很大差别,故分析前必须判断电路此时的工作状态。

2.2 指定电量参考方向

电路中所有的公式计算和电量分析都是以规定了参考方向为前提,没有电量的参考方向,所有的结论都是不确定的事物。参考方向可以任意规定,一般推荐规定关联参考方向。

2.3 分析已知和待求电量,运算电路中各元件的电压或电动势

在电路“电位平移”过程中所经过的“上坡下坎”即电位升降,就是通过加减电压或电动势来实现的,电压相当于“下坡”,为正应该“加”;电动势相当于“上坎”,为负应该“减”。

2.4 选定电位“平移”分析路径

确定从起点到终点的路径,只要起始点不变,任选一条路径进行“电位平移”分析,都能得出一致的结果。复杂电路中选择这条路径至关重要,好的选择可以大大减少分析的难度及减少错误率。选定一般经验是:(1)元件和分支少的路径。(2)有开关元件的路径。这里的开关元件指广义的具有通、断特性的元件如:二/三极管、晶闸管等,因为大功率变流开关元件在变流电路的分析可视为理想情况,即通态无管压降,断态无电流。(3)存在线性元件多的路径。线性元件可根据欧姆定律简化“平移”运算过程。

2.5 实施“电位平移”分析过程

在变流电路的“电位平移”具体分析过程中,一定要设定分析时间段,每一时间段元件工作状态相互关联,不能与其它时间段混淆,一个周期即一次完整的分析过程。

3 “电位平移”分析法在变流电路中的应用技巧与实例

3.1 单个变流元件电路的分析方法

图示晶闸管的单向半波可控整流带直流电动机负载,当直流电动机匀速稳定运行时,会在电枢两边感应产生恒定的直流电动势E,这个电动势与整流电路的直流输出电压方向相反,故称为反电动势负载。下面就运用“电位平移”分移法来分析这个电路的直流输出电压Ud和直流输出电流Id及晶闸管电压UT的波形曲线。

3.1.1 变流元件断态时

首先要根据变流元件的种类,确定其是否满足关断条件;当判定它处于断态时,最直接的影响是所处的回路电流为零i=0,根据这个影响进一步判断该回路其它元件的工作情况。

图示电路第一个周期中的0～wt1时间段:晶闸管VT的门极无触发脉冲,根据晶闸管的开通条件(阳极正向电压和门极正向触发同时满足),此时VT不能导通,则电流Id=0;

电流为0的第一影响是电阻,因为线性电阻元件Rd满足欧姆定律,则UR=IdRd=0,即电阻两端电位相等,电位可以实现“平移”即P点电位平移至N点,可见此时输出电压Ud=UMN=UMP=E,最后结论是Ud= E。

晶闸管两端电压UT =UaM,可从a点到M点实施“电位平移”。先从a平移至b时,同方向有U2的电压(相当于“下坡”,加U2),再从b点平移至M点(b、N是同一等电位点),反向有刚刚推导出的Ud的电压(相当于“上坎”,减Ud)。故就有UT = U2 -Ud=U2-E。

3.1.2 变流元件在通态时

由于在大功率电路中变流元件处于通态时的管压降对电路影响极小,通常看作零,即UT=0,根据这个影响进一步判断该回路其它元件的工作情况。

图示电路第一个周期的wt1时刻:从UT曲线看出此时晶闸管阳极电压已为正,门极施加一个正向脉冲,则满足晶闸管的导通条件,VT从断态转为通态。立即有UT =0。

由于UT =0,即a点和M点电位相等,则a点电位可以平移至M点,b和N是同一等电位点,故输出电压Ud =UMN =Uab =U2 。

线性电阻元件电压UR=UPN,可从P点到N点实施“电位平移”。先从P移到M时,同方向有E的电动势(相当于“上坎”,减E),再从M点平移至a点(UT=0),最后从a点平移至b即N点时,同方向有U2的电压(相当于“下坡”,加U2)。故有UR=U2 -E,因此根据线性电阻的欧姆定律得出输出电流Id= (U2 -E)/ Rd 。根据晶闸管的关断条件:阳级电流小于等于维持电流(视为0)可知,本电路中晶闸管导通后的关断点在Id= (U2 -E)/ Rd =0时,即U2波形递减段与E的交点,由图可见晶闸管会在U2过零变负即∏点前面关断。

3.2多个变流元件电路的分析方法

多个变流元件接不同的电源电压时,“电位平移”分析法尤其重要,主要表现在某个变流元件导通时,电位发生平移,必然影响到其它未导通的变流元件通断状态。

如图示电路两个整流元件,晶闸管VT接U相交流电源,二极管VD接V相交流电源,整流后输出给负载Rd,从图中整流输出电压Ud的波形可以看出晶闸管VT并没有导通至U相电源过零变负点,而是在与V相的交点处关断,改由二极管导通,这就是它们相互影响的结果,用“电位平移”的方法可以很清晰的分析出其中原因:

晶闸管VT在门极触发脉冲Ud的作用下导通,则U点电位平移至阴极a点,故输出电压Ud= UaN =UU ,同时二极管VD承受电压为UVU0,二极管承受正向电压而导通。同时由于二极管的导通,V点电位“平移”至a点,输出电压Ud= UaN =UV ,晶闸管VT承受电压变为UUV

综上所述,“电位平移”分析方法是电路中电位、电压等基本概念,欧姆定理、元件导通特性等基本定理的综合总结,它们均是电路中最基础的知识,却能使复杂的变流电路分析过程简单、清晰,准确,充分体现了基础知识的重要性,而且“电位平移”法可以推广至信息、电子等更多复杂电路的分析过程中,学会熟练运用“电位平移”的方法,可以分时间段的将电路基础化、明朗化,电路分析不再晦涩难懂。

参考文献:

[1] 刘克旺等.电路基础[M]. 北京:国防工业出版社, 2006.

直流电路的动态分析篇4

（南京邮电大学电子科学与工程学院，江苏 南京 210003）

【摘要】一阶电路的分析方法是《电路分析基础》课程中的重点和难点。本文通过介绍一阶电路的分析方法：三要素法，揭示了一阶电路分析方法对该课程学习的重要性，并详细阐述了三要素法具体的求解步骤。通过培养学生养成画等效电路图的习惯，提高学生的分析、解决问题的能力，激发学生的学习兴趣，改善电路分析基础的教学质量。

关键词 一阶电路；三要素法；等效电路图

作者简介：王德波（1983—），男，山东新泰人，东南大学博士生，南京邮电大学，讲师，曾获学院授课竞赛二等奖。

0引言

电路分析基础是电子类专业的技术基础课程，其教学任务是通过本课程的学习使学生掌握电路的基本概念、基本理论和电路分析的基本方法，为后续课程的学习提供必要的理论基础知识。由于该课程与后续专业课程如“模拟电子技术”“数字电子技术”等课程密切相关，具有基础课和专业课之间的桥梁作用，因此其教学有着十分重要的地位。

而一阶电路分析对于该课程的学习具有承前启后的作用，它是该课程由静态电路向动态电路学习的过渡。静态电路（电阻电路）的激励与响应的VCR关系为代数方程，响应仅由激励引起；动态电路（电容或电感电路）的激励与响应的VCR关系为微分方程，响应与激励的全部历史有关。因此，一阶电路分析方法的学习对于该课程的学习具有至关重要的地位。

1一阶电路分析方法

通常，基本的一阶电路有两种：RC串联电路（图1）和GL并联电路（图2）。无论是求零输入响应、零状态响应还是全响应，总是以电容电压或是电感电流为主要分析对象建立其微分方程（式1和式2）求解。

但实际上一阶电路千差万别，响应也各不相同。仅计算电容电压或是电感电流显然是不够的，而且是繁琐的。因此寻求一种能直接计算一阶电路任意响应的简便方法是十分有必要的，而三要素法正适合于求解恒定激励下一阶电路的响应。在恒定激励下，采用三要素法得到响应的一般表达式为：

其中，r(∞)为稳定值， r(0+)为初始值，为时间常数。

三要素法求直流激励下响应的一般步骤：

1）初始值r(0+)的计算（换路前电路已稳定）

（1）画t=0-图，求初始状态：电容电压uC(0-)或电感电流iL(0-)。

（2）由换路定则，确定电容电压或电感电流初始值，即uC(0+)=uC(0-)和iL(0+)=iL(0-)。

（3）画0+图，求其它初始值——用数值为uC(0+)的电压源替代电容或用iL(0+)的电流源替代电感，得电阻电路再计算。

2）稳态值r(∞)的计算(画稳定图)

根据t>0电路达到新的稳态，将电容用开路或电感用短路代替，得一个直流电阻电路，再从稳态图求稳态值r(∞)。

3）时间常数τ的计算(开关已动作)

根据输出电阻的等效电路图，先计算与电容或电感连接的电阻单口网络的输出电阻Ro，然后用公式τ=RoC 或τ=L/Ro计算出时间常数。

4）将r（∞），r（0+）和代入三要素公式得到响应的一般表达式。

基于以上的分析，不难得出结论，由三要素法求解一阶电路响应需要画4张等效电路图。其中画t=0-图与画稳定图类似，画0+图和画输出电阻的等效电路图是重点和难点。

2对本科教学的意义

在《电路分析基础》教学中，如果教师能够使学生对一阶电路的分析方法理解深刻，并能熟练的画出四张等效电路图。学生就可以既能回顾静态电路的基础知识，又可以加深对动态电路的理解。对后面的正弦稳态电路和耦合电路的学习具有积极有效的意义。

参考文献

［1］沈元隆，刘陈.电路分析基础[M].3版．北京：人民邮电出版社，2008．

［2］成谢锋，周井泉.电路与模拟电子技术基础[M].北京：科学出版社，2012．

直流电路的动态分析篇5

关键词：二阶电路 暂态过程 状态轨迹

中图分类号：TM133 文献标识码：A 文章编号：1007-3973（2013）008-037-02

1 引言

暂态过程是指存在电感或电容的电路在接通或断开电源的短暂时间内，电路从一个稳定状态转变到另一个稳定状态，这个过程称为暂态过程。暂态过程一般很短，但出现在这过程中的某些现象却非常重要。例如，某些暂态过程中出现比稳态时大数倍及数十倍的电压或电流。暂态过程的出现有利有弊，有时他能对设备和人身安全构成危险，有时又会在电路设计中发挥巨大作用。例如日光灯中的镇流器。因此，在物理学和工程技术中暂态过程的研究是很重要的。

因为二阶电路的过渡过程是瞬间消失的过程，所以必须使过渡过程重复出现才能进行观察，故在实验中用信号发生器发生的方波代替直流电源的接通与断开，在方波的每一周期内，前半周期给电路输入脉冲信号，相当于电路与直流电源接通；后半周期对电路输入信号为零，相当于直流电源短路。只要方波半周期大于过渡过程实际的持续持续时间，则在方波的每个半个周期内出现一次过渡过程。前半周期为零状态响应，后半周期为零输入响应，于是可以观测到重复出现的零状态响应和零输入响应。

2 二阶电路在方波激励下的暂态过程

2.1 实验原理

2.2 实验分析

2.3 实验总结

在本实验中，由于电路参数的不同，加之RLC电路中的两种不同的储能装置，其能量过度过程便不简单，可能是能量累积和释放，也可能是电容、电感间能量互相传递。接下来的分析我们分为两种情况讨论：电阻（电感线圈电阻和回路中其余电阻之和）较小和电阻较大的情况。前者能量消耗较小，所以主要能量改变过程是L和C之间的能量转换。后者能量消耗较大，所以大部分能量在第一、二次交换中就消耗掉了，只发生单向传递，即非震荡过程。

在电路发生振荡过程时，其振荡的性质大致可以分为三种情况：

（1）衰减振荡：电路中电压或电流的振荡副度按指数规律减小，直至衰减到零。

（2）等幅振荡：电路中电压或电流的振荡副度保持不变，相当于电路中电阻为零，振荡过程中不消耗能量。

（3）增幅振荡：电路中电压或电流的振荡副度指数规律增加，相当于电路中存在负电阻，振荡过程中逐点得到能量补充。所以，RLC二阶电路瞬态响应的各种形式与条件可以归结如下：

3 二阶电路在方波激励下的状态轨迹

3.1 实验原理

（1）相平面法。

用绘制在直角平面坐标上的表征变量及其变化速率间关系的轨迹来研究二阶自治系统的一种图解方法。这种方法可用来分析一大类非线性系统的运动。

（2）双踪示波器的使用。

3.2 状态轨迹的测量结果

3.3 实验总结

试验中，笔者分别在试验状态下测量了RLC串联电路中，欠阻尼、临界阻尼和过阻尼这三种状态下的状态轨迹。我们可利用状态轨迹确定电路动态过程的性质以及状态变量间的关系。这个实验是对分析二阶电路暂态过程的扩展，对二阶电路的过渡过程有了更深刻的理解。

参考文献：

[1] 王植恒.大学物理实验[M].北京：高等教育出版社，2008.

[2] M.Vidyasagar，Nonlinear Systems Analysis，Prentice-Hall，Inc.，EnglewoodCliffs，N.J.，1978.

直流电路的动态分析篇6

本文通过对断路器的几种试验方法的分析，让现场试验人员可以更加方便、正确的判断断路器的状态，为断路器的状态检修提供依据。

【关键词】断路器;合闸分闸;最低动作电压

1、引言

此课题为正确的通过预防性试验数据分析判断高压断路器状态，通过简便、安全、有效的测试方法为断路器的状态检修提供依据。

下面就介绍几种常用的预防性试验分析方法，以便于对断路器的绝缘特性、机械特性和触头的磨损情况做出判断。

2、导电回路电阻的测量

导电回路电阻试验是断路器判断触头接触是否良好的一种常见试验，也是断路器预防性试验的主要项目。测量方法是在断路器合闸状态下加入一个大于100A的电流，通过测量两端的电压得出电阻。随着封闭母线及GIS的使用，使得试验人员很难在断路器就近测量，常常要带上很长的母线或通过接地刀闸。加之不同试验人员可能采用不同的地方测量电压，这就使得试验数据常常无法反映设备状态。试验人员在做导电回路电阻试验前要先期了解上次试验测量电压的位置，通过接地刀闸测量的要确保接地刀闸接触良好。在得出试验数据时，要记录好测量时的温度，将试验数据换算到75度下的标准电阻。只有这样所测量的数据才能与以前的数据进行比较，更加有效的判断触头接触是否良好。当数值相差超过规定值是就应该分析原因或安排检修消除设备隐患。

3、断路器分合闸时间参数的测量

断路器分合闸时间参量是断路器操作性能的首要指标。不同厂家型号的断路器，其分、合闸时间都不尽相同，但都要求动作迅速。时间参数包括合闸时间、分闸试验和不同期时间组成，其中断路器的分闸时间包括固有分闸时间和熄弧时间两部分，故也称为全分闸时间。为了保证取得的数据能够可靠地用于分析判断，应确保试验所加电压为标准电源，动作回路与上次试验相同，试验时储能机构处于同一水平。数据分析时要结合前几次试验数据判断时间参数的变化趋势。通过试验数据的分析可以有效判断出断路器机械结构有无松动、变形和磨损，储能机构是否正常，储能弹簧是否发生应力变形等缺陷。

特别指出的是在现场进行三相联动高压断路器的分合闸时间测量时，试验接线应接至继电保护分合闸操作的连接端子处，避免直接在断路器的分合闸线圈处接线进行测试，否则难以发现分合闸时间超标问题，从而导致现场应用中对电网安全稳定运行产生影响。当用于同期装置的导前时间测量时，合闸电压也应加于监控系统合闸继电器端子处，这样才能保证测量时间准确可靠。

4、断路器分、合闸电磁铁的动作电压的测量

断路器操动机构动作动作电压的测量作为断路器特性测试的一个重要的内容，除了验证断路器线圈是否灵敏和可靠，还可以测试整个操作机构在非额定动作电压下的性能。按照规程要求操当操动机构的电压应该保持在80%～110%的额定电压范围之内时，断路器应能可靠的合闸。当操动机构的电压应该保持在65%～120%的额定电压范围之内时，断路器应能可靠的分闸。当线圈电压低于30%的额定电压时断路器应可靠拒动。

断路器的动作主要依靠分合闸线圈的动作完成。当二次直流系统绝缘不良，高阻接地时，断路器分合闸线圈两端会产生感应的低压直流电压，且断路器在强电的环境下工作，很容易造成强电磁的干扰，如果线圈动作电压过低，断路器就会发生误分闸，所以规程规定在低于30%的额定电压时断路器不得动作。而在电力系统发生事故时，为了保证断路器可以可靠动作，不至于因为断路器失灵而使电力系统失去保护，故规定当操动机构的电压应该保持在65%～120%的额定电压范围之内时，断路器应能可靠的分闸。

通过断路器动作电压测试，我们可以发现直流电磁铁铁心卡涩、直流电磁铁工作间隙太大、线圈匝间短路等问题。特别注意的是目前很多断路器在直接测量分、合闸电磁铁的动作电压时的数值常常比规定的电压值低很多，这是因为设备厂家在配置电磁铁时在回路上采用了分压电阻，所以这种情况时不能直接测量分、合闸电磁铁的动作电压，而应该将分压电阻一并测量，这样才能保证试验数据的准确。

5、动态电阻试验

断路器触头由主触头和弧触头组成。合闸时，弧触头先闭合消弧后主触头再闭合;分闸时主触头首先分开触头消弧后再分开。断路器分、合闸过程中，主回路电阻是变化的，弧触头主要保护主触头不被电弧烧蚀和磨损。为了检查弧触头的磨损程度我们通过动态电阻测试分闸过程中的电阻变化，因为合闸时电阻从无穷到弧触头电阻的突变很难测量，且弧触头刚合时的瞬间直流会产生有害噪声，不利用测量。

断路器分闸时，主触头分开后主触头上电流转移到弧触头上，以此时间为节点，到弧触头分开的这段时间定义为“弧触头接触时间”。弧触头接触时间与弧触头的烧蚀和磨损程度是对应的，随着磨损程度的加剧，弧触头越来越短，弧触头接触时间也就响应缩短。如果弧触头磨损过大，主触头分开后，电流无法有效转移到弧触头上，产生的电弧将直接烧蚀主触头，导致主触头损坏故障甚至事故。由此看出，动态电阻测试即是通过测量导电回路电阻的变化来获得弧触头接触时间，评估弧触头的烧蚀和磨损程度。

对于经常切断大电流回路的断路器，特别是抽水蓄能机组出口断路器，弧触头的烧蚀和磨损程度是主要的状态检修判断依据，建议对其测量每年进行一次。

6、合闸电阻试验

合闸电阻是为力抑制高电压等级断路器重合闸时产生的操作过电压而设计安装的。断路器接到合闸令时，合闸电阻先期投入，回路导通。约10ms，断路器主触头闭合，合闸电阻分开退出使用，断路器合闸完毕。如果合闸电阻损坏，将使断路器主触头直接闭合，这将在断路器重合闸时产生的操作过电压，对设备运行安全照成损害。

目前常用的测量方法是在断路器两端加一个电压源和电阻，通过录波器记录合闸过程中的测量电压变化情况，经过数据分析软件直接计算得出合闸电阻的阻值，以此来判断短路器合闸电阻的运行状态，检测合闸电阻阻值及投入时间是否符合设计要求。

7、结论

通过以上方法的综合判断，可以为我们更加有效的开展断路器的状态检修提供依据，保证电力系统设备的安全可靠运行。

参考文献

[1]徐国政，张节容，钱家骊.高压断路器原理和应用[M].北京：清华大学出版社，2000.

[2]郭贤珊，李仲夫.断路器“偷跳”分析及改造[J].高电压技术.2000，（1）：57-58.

作者简介

直流电路的动态分析篇7

关键词：实验 实训 要求 培养

直流电阻电路故障的检查是电工基础教材（全国中等职业技术学校电工类专业通用教材第四版）第二章中安排的实验与实训中的一个教学内容。其实验目的是：运用第一章学习的测电位、测电压和测电阻等方法检查与判断直流电阻电路的故障。每组实验所需的实验设备有：直流稳压电源1个、直流电压表（0―15―30V）1只、万用表1只、电阻元件6个、导线若干、开关一个（另加上）。

实验的内容要求有三项：一是用直流电压表检查电阻串联电路；二是用直流电压表检查电阻混联电路；三是按要求用万能表分别测量总电阻和各段电阻。

直流电阻电路故障的检查实验，所使用的实验器材、实验过程中所需构建的电路结构、实验原理以及实验过程中的实际操作都不算复杂。但是笔者认为，指导学生在这个实验过程中，严格按照操作规程，细致认真地做好实验很有必要。这是学生进入技校学习电工基础课程亲自动手去操作实验的第一次实验，对培养学生务实地操作演练、认真观察分析、推敲问题、得出实验结论的严谨态度很重要。同时这个实验也是一个很重要的基础实验，体现在以下几个方面。

一、培养学生亲自动手的能力和让学生体验成就感

这个实验是学生学习了电路的串联、并联的内容知识以及万用电表的使用后，亲自动手连接电路，使用仪器、仪表进行测试操作。笔者在教学过程中，在原实验要求的基础上多加了一个开关。学生要将实验中三项内容的实验电路连接好，是学生将学到的理论知识转化到实际操作的体现。在此过程中，教师要多巡查，如发现有学生未能按实验要求接好电路，要提醒学生，不要直接指出，应留给学生思考的空间，发展学生的能力。不要小看这一点，笔者见过很多高中毕业的学生回到家中甚至不会安装一支光管，也不会使用万用表。学生从简单的基础实验过程中，可以体会到实验成功的喜悦。教师可以从实验成功的体会中培养学生敢于动手、学会自己动手以及爱动手的习惯和自信心。

二、培养学生严谨的实验态度

无论是做什么实验，都有需要注意的问题。这是学生第一次使用仪表对实际电路进行测量。教师要先指出实验中所需要注意的问题，让学生在实验过程别留意。比如连接电路时要注意接触点的接触情况，使用直流电压表测电位、电压时要注意量程与正负极，使用万用电表测量时要回想一下需要注意的问题等。实验操作的指引中没有提出这些问题，为了学生的实验操作能顺利完成，教师要事先将这些指出。这样对培养学生在实验操作过程中的良好习惯形成有好处。

不管实验过程是简单的还是复杂的，都应该要求学生严格按实验操作步骤去操作，每一个细节都要以认真的态度去对待，在每个环节中要认真对待需要注意的问题。就算要多用一些时间，也要按实验要求完整地完成操作，同时也使学生明白，如果在实验过程中坚持认真的态度，自己是有能力做好实验的。此过程可以增强学生对实验操作的自信心和兴趣，培养学生严谨的实验态度。

三、培养学生的观察能力和分析能力

任何一个实验，不是只机械式地按实验步骤操作一遍就完成，更重要的是细心地观察每个环节发生的现象和问题。有些实验是通过观察在实验过程中所发生的变化或一些特殊的现象，有些实验是通过测量记录表现某种特征的数据，根据数据的变化情况，分析实验发生的现象与问题的原因。

在直流电阻电路故障的检查的实验中，用直流电压表检查电阻串联电路和用直流电压表检查电阻混联电路时，在电路状态为正常、断开故障和短路故障中对参考点测电位值与分段电压等的操作过程中，可以通过观察记录的数据与对应电路状态正常、断开故障、短路故障的数据变化，学会对相应电路故障问题的分析。

第三项实验操作的要点是用万用表分别测量总电阻和分段电阻，对应的电路状态有：正常状态、短路状态和某处短路状态。在这一步中，主要是检查对万用表的使用以及判断故障现象的方法。在做这个实验的过程中，也可以加入用万用表测电路的电压和电流。通过测量记录的数据，分析对应具体电路的状态，掌握不同电路状态下，相应电路及分段电路电阻阻值的测量。这个实验的三个步骤的操作，是一个电工工作者经常用来判断电路的状态的方法，所以笔者在教学过程中很重视这个实验的教学。

四、让学生明确实验的目的，提高学生实验操作能力

无论干什么事情，如果明确了目标和方向，那么完成任务的胜算就会更大。做实验也是一样，学生明确了实验的目的，就能更好地端正自己的实验态度，提高对实验的兴趣和热情，才会更认真地对待实验，才能更有效地训练自己的实操能力。可以先用一定的时间，让学生了解实验的内容，了解实验的目的和相关的操作要求，联系学习的相关知识内容；让学生知道实验中操作要求和相关数据体现的结果，以及对实验要求分析的内容是什么等。这样学生在实验的训练过程中就不会马虎对待了。比如在本实验中，用直流电压表检查串联电路的测量操作中，让学生明白，这样的测量操作，是让我们学会掌握串联电路处于正常状态、断路状态或是短路状态的判别方法；要让学生明白，用直流电压表检查电阻混联电路的测量操作，是让我们学会检查混联电路故障的主要方法；用万用表分别测量电路总电阻和各段电路的电阻的测量操作，是要求学生一定要掌握检查电路故障的方法。学生明白了这些要求，在实验中就能认真操作，每个环节、每个数据的测量都会很细心，因为他们知道了这是培养自己今后工作的能力，所以才会在实验的操作训练中对自己提出更高的要求，而不是教师强迫的要求。只有这样才能提高学生实验操作的实效性。

五、实验操作与实际情况的联想与思考

通过本次实验的操作训练，应让学生联想一下，回到家里，自己是否可以安装一盏电灯、一支光管或安装一台吊扇等；或者是家里的电灯、光管都不亮了，自己应该怎样做？学生如果在实验后能这样思考一下，或者在实际中真正体验一下，会有很好的效果，因为现实的情况与实验中设定的情况是有差别的。只有通过实际的操作训练，才能消除学生在实际情况中不敢动手的惧怕心理，同时也能引发学生对实际遇到问题的思考。只有对问题进行思考，才可能想到解决问题的方法，才能不断提高自我工作能力。

这个实验课主要的教学目的是通过这次实验与训练，让学生知道在今后的实验训练中应该怎样对待实验、怎样操作实验。通过这次实验，学生深刻体会到了做好实验对自己的好处，同时也体会到实验的成功乐趣，增强了自信心，激发了自觉学习的热情。

直流电路的动态分析篇8

技术基础》课教学过程中发现,含有二极管电路的分析计算问题是一个让多数学生感到头痛的问题,即使是学习好的学生,有时也会感到无从下手、束手无策。究其原因,是因为没有掌握这类电路的分析计算要领。下面,笔者试通过一个典型例子的剖析,总结出这类电路的分析计算要领。

例一:在图1所示电路中,若在B、D两点之间接入一个硅二极管(设二极管的正向压降为0.7v,反向电阻为无穷大),试计算下面两种不同接法通过二极管的电流。

(1)二极管的正极接电路B点,二极管负极接电路D点。

(2)二极管的正极接电路D点,二极管负极接电路B点。

图1

为了便于分析问题,我们把上述两种接法的电路都画出,如图2所示。

(a)

(b)

图2

第一种接法的计算:如图2(a)所示,这是一个含二极管的复杂直流电路。但二极管不同于线性电阻,不能像线性电阻和直流电源那样,写出各段电压,若直接用支路电流法去列方程组,将无法求解。

如图2(a)可用支路电流法列出如下方程组:

I1-I2-I3=0

I1R1+UBD-E1=0

I2R2-E2-UBD=0

但因不知UBD的值计算举例,仍然不能求得通过二极管的电流I3。

那么,解决问题的关键在哪里?关键在于先确定二极管接入电路后是处于导通状态还是处于截止状态。为此,我们先要分析图1电路中B、D两点电位的高低。显然,用“分段法”求电压的方法不难求出图1中UBD的大小,即

10+5

UBD=UBA+UAD=-I1R1+E1= - ———— *4+10=-2V

4+1

也就是说,B点电位比D点电位低2V。这样,在图2(a)电路中,二极管V正极接低电位端(B点),负极接高电位端(D点),二极管加反向电压处于截止状态,二极管上无电流通过。二极管接入后对原电路工作状态不产生影响。所以,第一种接法通过二极管V的电流I3为零。

第二种接法的计算:如图2(b)所示,这同样是一个含二极管的复杂直流电路。由上述分析可知,按图2(b)连接时,二极管V加正向电压,处于导通状态。根据二极管的伏安特性曲线可知,二极管导通后正向压降(一般硅二极管的导通压降为0.7V,锗二极管的导通压降为0.3V)基本稳定,几乎不随流过的电流大小而变化。由题设条件可知,硅二极管的正向压降为0.7V,因此,图2(b)电路中B、D两点间的电压不再等于-2V,而是被已导通的二极管V限定在0.7V,即UBD=-0.7V。二极管接入后对原电路工作状态产生影响,各支路电流将重新分配。图2(b)和图2(a)电路结构相似,为两个网孔的复杂电路,可进一步求解如下。

设各支路电流参考方向及回路绕行方向如图2(b)所示,根据KCL和KVL可列方程组如下:

I1+I3-I2=0

I1R1+UBD-E1=0

I2R2-E2-UBD=0

代入UBD =-0.7V及其它已知数据得

I1+I3-I2=0

4I1-0.7-10=0

I2-5+0.7=0

解方程组后得:I1=2.7mA I2=4.3mA I3=1.6mA

因此,第二种接法通过二极管的电流I3为1.6mA。

综上所述,含二极管的电路分析计算时,可抓住以下几点要领:

(1)首先,分析确定电路中的二极管是处于导通状态,还是处于截止状态。

(2)其次,分析电路的已知条件,如搞清楚二极管是硅管、锗管或是理想二极管等情况。

(3)第三,分析电路的结构及求解目的,找出快捷的求解方法。

二、含二极管的电路分析计算举例

例二:图3所示电路中,设V 1 和V 2 均为理想二极管,则V 0 = V。 图3 解题思路分析:初看本图是个含两个二极管的复杂电路,似乎求解不易。其实不然,我们就用上述这类电路的分析要领对它进行分析计算。首先,由图3可知,6V直流电源的正极通过电阻R加到二极管V 1

的正极上,二极管V1负极则接在电源的负极上,显然,二极管V1加正向电压,处于导通状态。其次计算举例,由题意知,二极管V1为理想二极管(即正向电阻为0,反向电阻为无穷大),其正向压降(导通压降)为0V,即UV1=0V。最后,分析电路结构可以看出,输出电压V0取自二极管V1的两端,即V0=UV1=0V。可见,解此题不需要列出复杂的方程组及进行复杂的计算。

顺便提一下,本图电路中,由于V1导通,二极管V2正极对地电位被限定在0V,而V2负极对地电位为3V,故二极管V2截止。

例三:图4电路中,V为理想二极管,图示电压V0为( )。

(A)10V(B)13V

(C)7V(D)-3V

图4

解题思路分析:本图是一个简单电路,两个直流电源顺向连接,二极管V加正向电压,处于导通状态,且V为理想二极管,其导通压降为0V,那么,

V0=UV+10V=0V+10V=10V

故正确答案应选(A)。

例四:图5电路中V1和V2为理想二极管,输出V0的波形为( )。

(A)①(B)②

(C)③(D)④

图5

解题分析:(1)当ui<0V时,二极管V1截止,二极管V2导通,则V0=UV2=0V。

(2)当0V≤ui≤3V时,二极管V1和V2都截止,电阻R上无电流

通过,VR=i﹡R=0V,则V0=VR+ui=0+ui=ui

(3)当ui>3V时,V1导通,V2截止,UV1=0V,则V0=UV1+3V=0V+3V=3V

综上分析,只有图5中②的波形与上述分析结果一致,故正确答案应选择(B)。

例五:图6(a)所示电路中,UCC=5V,二极管为理想二极管,已知输入正弦波的峰值为10V,试分析两个二极管的工作情况,并画出端电压的波形。

图6

解题分析:上图示为限幅电路。(1)当输入电压-5V≤ui≤5V时,V1和V2两二极管都截止,u0=ui;(2)当输入电压ui<-5V时,V1截止,V2导通,u0=UV2-UCC=0-UCC=-5V;(3)当ui>5V时,V1导通,V2截止,u0=UV1+UCC=0+UCC=5V。综上分析计算举例,可画出端电压u0的波形如图6(b)所示,为近似梯形波。

通过上述几个含二极管的典型电路(常称电子电路)研究讨论,我们可以看出,电子电路的分析计算方法有别于一般的电工电路,是因为在电子电路中使用了半导体器件(如二极管等),各种电子电路的工作原理和不同功能与电路中半导体器件的类型、性能及工作状态直接有关。所以,在进行电子电路的分析计算时,一定要先弄清楚电路中半导体器件的工作状态、类型等,这是学习和分析电子电路的关键所在。但是,初学电子技术的技校生,往往不明白这一道理,造成学习和应用上的困难。鉴于此,在《电子技术基础》课教学中,我着重给学生介绍了上述分析要领。实践证明:学生掌握了上述分析要领以后,解题的盲目性减少了,解题的正确率 提高了。

总之,如何指导学生学习,是教师们关心的一个问题,值得研究。相信,只要我们潜心研究,善于发现,勇于探索,就一定能够找到指导学生学习电子技术的门径,从而为成功的教学奠定基础。

参考文献

1、《电子技术基础》(第二版),中国劳动出版社。

2、《电子技术基础习题册》(第二版),中国劳动出版社。