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2.7 網(wǎng)孔法

2.7 網(wǎng)孔法

網(wǎng)孔法是求解平面電路的一種方法。它以網(wǎng)孔電流作為電路的獨(dú)立變量,對每一個(gè)網(wǎng)孔列寫KVL方程;解得網(wǎng)孔電流后,由網(wǎng)孔電流求得電路中各支路電流和其他變量。所謂網(wǎng)孔電流,是平面電路中一個(gè)假想的在網(wǎng)孔中循環(huán)流動(dòng)的電流。實(shí)際上,并不存在以網(wǎng)孔作為循環(huán)路徑的網(wǎng)孔電流。為了分析計(jì)算,假想每一個(gè)網(wǎng)孔中都有一個(gè)循環(huán)的網(wǎng)孔電流,并把各支路電流認(rèn)為是相應(yīng)網(wǎng)孔電流疊加的結(jié)果。由于平面電路的全部網(wǎng)孔就是一組獨(dú)立回路,因此采用網(wǎng)孔法列寫的KVL方程必然是獨(dú)立的。

如圖2-18所示電路,設(shè)網(wǎng)孔電流為im1im2,其繞行方向如圖中所示。支路電流i1、i2、i3可以用網(wǎng)孔電流表示為

圖2-18 網(wǎng)孔電路

對于網(wǎng)孔1和網(wǎng)孔2,按網(wǎng)孔電流的繞行方向列寫KVL方程,有

將式(2-14)代入式(2-15),整理后可得

式(2-16)就是以網(wǎng)孔電流為變量的網(wǎng)孔電流方程。

如果令R11=R1+R2R12=R21=-R2,R22=R2+R3us11=us1-us2us22=us2-us3,則式(2-16)改寫成如下一般形式:

上述方程中,R11im1項(xiàng)代表網(wǎng)孔電流im1在網(wǎng)孔1內(nèi)各電阻上引起的電壓值和,R22im2項(xiàng)代表網(wǎng)孔電流im2在網(wǎng)孔2內(nèi)各電阻上引起的電壓值和。R11R22分別等于網(wǎng)孔1和網(wǎng)孔2中的所有電阻之和,它們分別稱為網(wǎng)孔1和網(wǎng)孔2的自電阻。由于網(wǎng)孔繞行方向和網(wǎng)孔電流參考方向一致,故R11R22總為正值。R12im2項(xiàng)代表網(wǎng)孔電流im2在網(wǎng)孔1中引起的電壓,R21im1項(xiàng)代表網(wǎng)孔電流im1在網(wǎng)孔2中引起的電壓。R12R21的數(shù)值等于網(wǎng)孔1和網(wǎng)孔2的公共支路上的電阻,分別稱為網(wǎng)孔1和網(wǎng)孔2的互電阻。當(dāng)兩個(gè)網(wǎng)孔電流在共有電阻上的參考方向相同時(shí),表明一個(gè)網(wǎng)孔電流在共有電阻上引起的電壓與另一個(gè)網(wǎng)孔的繞行方向一致,應(yīng)取“+”號,反之取“-”號。us11us22項(xiàng)分別代表網(wǎng)孔1和網(wǎng)孔2中的總電壓源電壓,分別等于網(wǎng)孔1和網(wǎng)孔2中所有電壓源電壓的代數(shù)和。當(dāng)電壓源電壓參考方向與網(wǎng)孔繞行方向一致時(shí)取“-”號,反之取“+”號。

對于具有m個(gè)網(wǎng)孔的平面電路,網(wǎng)孔電流方程的一般形式可由式(2-17)推廣得到,即

式中,

Rkk稱為回路k的自電阻,它是網(wǎng)孔k的各支路電阻之和。由于網(wǎng)孔繞行方向和網(wǎng)孔電流方向一致,因此,自電阻總是正值。

Rijij)稱為網(wǎng)孔i和網(wǎng)孔j之間的互電阻,它等于網(wǎng)孔i和網(wǎng)孔j公共支路的電阻之和。當(dāng)兩個(gè)網(wǎng)孔電流在公共電阻上參考方向一致時(shí)為正,相反則為負(fù)。當(dāng)網(wǎng)孔i和網(wǎng)孔j之間沒有公共支路,或有公共支路但其電阻為零時(shí),互電阻Rij=0。在電路中不含受控源的情況下,方程左邊的系數(shù)具有對稱性,即Rij=Rjiij)。如果網(wǎng)孔的繞行方向全部一致,由于鄰近的兩個(gè)網(wǎng)孔電流在通過共有電阻時(shí)方向總是相反的,故互電阻總是負(fù)值。

uskk為網(wǎng)孔k的總電壓源電壓,它等于網(wǎng)孔k中所有電壓源電壓的代數(shù)和。其中,電源電壓方向與網(wǎng)孔k的繞行方向一致時(shí)為正,反之為負(fù)。

用網(wǎng)孔法分析平面電路的步驟歸納如下:

(1)設(shè)定網(wǎng)孔電流和支路電流的參考方向,表示于圖中。

(2)以網(wǎng)孔電流方向?yàn)槔@行方向,按式(2-18)的形式列寫網(wǎng)孔方程。

(3)解方程,求出各網(wǎng)孔電流。

(4)根據(jù)網(wǎng)孔電流與支路電流的關(guān)系,求出支路電流,進(jìn)一步求得其他待求變量。

【例2-7】電路如圖2-19所示,用網(wǎng)孔法求解各支路電流。

圖2-19 例2-7的圖

解:設(shè)各網(wǎng)孔電流和支路電流如圖2-19所示,對于網(wǎng)孔1、2、3,按式(2-18)列出網(wǎng)孔方程為

解方程,求得網(wǎng)孔電流為

im1=5.5(A),im2=1.5(A),im3=3.5(A)

按照支路電流與網(wǎng)孔電流的關(guān)系,求得各支路電流為

在應(yīng)用網(wǎng)孔法的時(shí)候,如果電路中含有電流源與電阻的并聯(lián)組合,可將其等效變換為電壓源與電阻的串聯(lián)組合,再按式(2-18)列寫網(wǎng)孔方程。對于含有無伴電流源的電路,可以設(shè)電流源的電壓為未知量,同時(shí)增加一個(gè)電流源電流對網(wǎng)孔電流的約束方程,仍然可以保證獨(dú)立方程數(shù)等于未知變量數(shù)。

【例2-8】電路如圖2-20所示,用網(wǎng)孔法求解各支路電流。

圖2-20 例2-8的圖

解:設(shè)網(wǎng)孔電流和各支路電流如圖2-20所示。由于含有無伴電流源支路,故設(shè)電流源的電壓為us,列寫網(wǎng)孔方程如下:

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