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戴维宁定理(Thevenin's Theorem)求解正弦稳态电路中电流 ​

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这是一道利用戴维宁定理(Thevenin's Theorem)求解正弦稳态电路中电流 iLi_L 的题目。以下是详细的解题步骤:

戴维宁定理求解正弦稳态电路电流 ​

首先,根据给定的时间函数 uS(t)=202cos⁡106t (V)u_S(t) = 20\sqrt{2} \cos 10^6 t \, (V),确定电路的角频率和各元件的阻抗。

  • 角频率:ω=106 rad/s\omega = 10^6 \, \text{rad/s}
  • 电压源相量(使用最大值/峰值相量):U˙S=202∠0∘ V\dot{U}_S = 20\sqrt{2} \angle 0^\circ \, V
  • 电阻:R1=1 ΩR_1 = 1 \, \Omega, R2=1 ΩR_2 = 1 \, \Omega
  • 电容阻抗:ZC=1jωC=1j(106)(1×10−6)=1j=−j ΩZ_C = \frac{1}{j\omega C} = \frac{1}{j(10^6)(1 \times 10^{-6})} = \frac{1}{j} = -j \, \Omega
  • 电感阻抗:ZL=jωL=j(106)(1.5×10−6)=j1.5 ΩZ_L = j\omega L = j(10^6)(1.5 \times 10^{-6}) = j1.5 \, \Omega

题目要求计算的 iLi_L 是流过右侧支路(1Ω1\Omega 电阻和 1.5μH1.5\mu H 电感串联)的电流。根据戴维宁定理,我们将该支路视为负载,先将其断开,求出端口的等效电路。

2. 计算开路电压 U˙oc\dot{U}_{oc} ​

断开右侧负载支路(即断开图中并联电容右侧的支路)。

  • 电路分析:当负载支路断开时,该支路电流 iLi_L 变为 0。
  • 受控源变化:由于电路中的受控电流源为 2iL2i_L,且 iL=0i_L = 0,所以受控源电流为 0,相当于开路。
  • 简化电路:此时电路仅剩下电压源 U˙S\dot{U}_S、左侧 1Ω1\Omega 电阻和电容 ZCZ_C 构成的串联回路。我们需要求电容两端的电压,即开路电压 U˙oc\dot{U}_{oc}。
  • 计算:利用分压公式:

    U˙oc=U˙S×ZCR1+ZC \dot{U}_{oc} = \dot{U}_S \times \frac{Z_C}{R_1 + Z_C}

    U˙oc=202×−j1−j \dot{U}_{oc} = 20\sqrt{2} \times \frac{-j}{1 - j}

    将分母有理化:

    −j1−j=−j(1+j)12+12=−j−j22=1−j2 \frac{-j}{1-j} = \frac{-j(1+j)}{1^2 + 1^2} = \frac{-j - j^2}{2} = \frac{1-j}{2}

    U˙oc=202×(0.5−0.5j)=102−j102 V \dot{U}_{oc} = 20\sqrt{2} \times (0.5 - 0.5j) = 10\sqrt{2} - j10\sqrt{2} \, V

    或者写成极坐标形式:

    U˙oc=20∠−45∘ V \dot{U}_{oc} = 20 \angle -45^\circ \, V

3. 计算戴维宁等效阻抗 ZeqZ_{eq} ​

我们需要求从负载断开处看进去的等效阻抗。由于电路含有受控源,通常使用 U˙ocI˙sc\frac{\dot{U}_{oc}}{\dot{I}_{sc}} 方法或者外加测试源法。这里使用短路电流法(计算 I˙sc\dot{I}_{sc})。

  • 短路分析:将负载端口短路。此时端口电压为 0,电容 ZCZ_C 被短路(不起作用)。

  • 注意:短路后,流过短路线的电流即为此时的 iLi_L(记为 I˙sc\dot{I}_{sc})。因此,受控源 2iL2i_L 变为 2I˙sc2\dot{I}_{sc},不能忽略。

  • 节点 KCL 方程:设短路节点为 A(上)和 B(下)。

    • 左侧支路电流(流入 A):U˙S1=202\frac{\dot{U}_S}{1} = 20\sqrt{2}
    • 受控源电流(流入 A):2I˙sc2\dot{I}_{sc}
    • 短路线电流(流出 A):I˙sc\dot{I}_{sc}(因为原图 iLi_L 方向向下)
    • 根据 KCL(流入 = 流出):

      202+2I˙sc=I˙sc 20\sqrt{2} + 2\dot{I}_{sc} = \dot{I}_{sc}

      I˙sc=−202 A \dot{I}_{sc} = -20\sqrt{2} \, A

  • 计算 ZeqZ_{eq}:

    Zeq=U˙ocI˙sc=102(1−j)−202 Z_{eq} = \frac{\dot{U}_{oc}}{\dot{I}_{sc}} = \frac{10\sqrt{2}(1-j)}{-20\sqrt{2}}

    Zeq=1−j−2=−0.5+0.5j Ω Z_{eq} = \frac{1-j}{-2} = -0.5 + 0.5j \, \Omega

4. 计算负载电流 iLi_L ​

现在将负载支路重新接回戴维宁等效电路中。

  • 等效电路:电压源 U˙oc=102(1−j) V\dot{U}_{oc} = 10\sqrt{2}(1-j) \, V,串联阻抗 Zeq=−0.5+0.5j ΩZ_{eq} = -0.5 + 0.5j \, \Omega。

  • 负载阻抗:Zload=R2+ZL=1+j1.5 ΩZ_{load} = R_2 + Z_L = 1 + j1.5 \, \Omega。

  • 总阻抗:

    Ztotal=Zeq+Zload=(−0.5+0.5j)+(1+1.5j)=0.5+2j Ω Z_{total} = Z_{eq} + Z_{load} = (-0.5 + 0.5j) + (1 + 1.5j) = 0.5 + 2j \, \Omega

  • 计算电流相量 I˙L\dot{I}_L:

    I˙L=U˙ocZtotal=102(1−j)0.5+2j \dot{I}_L = \frac{\dot{U}_{oc}}{Z_{total}} = \frac{10\sqrt{2}(1-j)}{0.5 + 2j}

    分子分母同乘分母的共轭 (0.5−2j)(0.5 - 2j),或者处理复数运算:

    I˙L=202(1−j)1+4j(分子分母同乘2) \dot{I}_L = \frac{20\sqrt{2}(1-j)}{1 + 4j} \quad (\text{分子分母同乘2})

    I˙L=202(1−j)(1−4j)12+42=202(1−4j−j+4j2)17 \dot{I}_L = \frac{20\sqrt{2}(1-j)(1-4j)}{1^2 + 4^2} = \frac{20\sqrt{2}(1 - 4j - j + 4j^2)}{17}

    I˙L=202(1−5j−4)17=202(−3−5j)17 \dot{I}_L = \frac{20\sqrt{2}(1 - 5j - 4)}{17} = \frac{20\sqrt{2}(-3 - 5j)}{17}

    I˙L=−60217−j100217 \dot{I}_L = -\frac{60\sqrt{2}}{17} - j\frac{100\sqrt{2}}{17}

  • 转换为极坐标形式:

    • 模值:∣I˙L∣=20217(−3)2+(−5)2=2021734=206817=401717≈9.70|\dot{I}_L| = \frac{20\sqrt{2}}{17} \sqrt{(-3)^2 + (-5)^2} = \frac{20\sqrt{2}}{17} \sqrt{34} = \frac{20\sqrt{68}}{17} = \frac{40\sqrt{17}}{17} \approx 9.70
    • 相角:由于实部和虚部均为负,角度在第三象限。

      ϕ=arctan⁡(−5−3)−180∘≈59.0∘−180∘=−121.0∘ \phi = \arctan\left(\frac{-5}{-3}\right) - 180^\circ \approx 59.0^\circ - 180^\circ = -121.0^\circ

5. 最终结果 ​

将相量转换回时域形式:

iL(t)=401717cos⁡(106t−121∘) (A) i_L(t) = \frac{40\sqrt{17}}{17} \cos(10^6 t - 121^\circ) \, (A)

或者保留小数形式:

iL(t)≈9.70cos⁡(106t−121∘) (A)i_L(t) \approx 9.70 \cos(10^6 t - 121^\circ) \, (A)

(注:如果题目中的 20220\sqrt{2} 为有效值,则最终幅值需相应调整。但通常写成 A2cos⁡...A\sqrt{2}\cos... 形式时,AA 为有效值,A2A\sqrt{2} 为峰值。此处计算采用峰值相量。)