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從彌爾曼定理的公式中,我們可以看到,分子其實就是電流源的集合,其中的電壓源除以其串聯電阻就是我在之前所學的電源的等效變換,把電壓源等效變換成電流源與電阻并聯的模式,而分母是各并聯電阻的倒數之和,如下圖13-4所示。對于兩結點電路利用節點電壓法顯然很簡單,只需套用一般公式就可以了,而且是只有一個公式,求出獨立結點的電位,各支路的電流、各元件兩端的電壓就可以利用基爾霍夫定律或歐姆定律求解。
顯然,圖13-2中的一般方程只適用于有兩個結點的電路,該一般方程式正是彌爾曼定理的表達形式。其中分母是各支路電導之和,恒為正值;分子中各項可以為正,也可以為負。也就是說當支路上的電壓源uS和電流源iS與結點電壓的參考方向相反時取正號,相同時取負號;與流過該支路的電流的參考方向無關。如下圖13-3所示,電壓源uS1、uS2、iS、的方向均是從下指向上,與獨立結點a(從上指向下)的方向相反,取正值。
在知道了節點電位法是什么之后,我們再來結合圖例講解一下結點電壓法的具體內容。我們先來看只有兩個結點的電路。
如下圖的13-2所示為一簡單的有2個結點、4條支路的電路,其中以結點b為參考結點,那么a的結點電壓U就為未知量,也就是我們要求解的變量。
和網孔電流法一樣,我們先來推導一下兩結點電路的結點電壓法的一般公式,以便于以后可以直接利用一般公式對電路求解。
結點電壓:任選電路中某一結點為零電位參考點(用?表示),其他各結點為獨立結點,它們與參考結點之間的電壓,稱為結點電壓。例如圖13-1中的b點。結點電壓的參考方向是從該結點指向參考結點,如圖13-1中的a指向b。
節點電位法:以結點電位為未知量,列方程求解。如圖13-1中,以a結點為未知量。
在求出各結點電位后,再應用之前所學的基爾霍夫定律或歐姆定律求出各支路的電流或電壓。例如如13-1中,求出結點a的電位后,再利用歐姆定律求出電阻R1、R2、R3的電壓。
關于復雜電路的求解,前兩次所講的支路電流法和網孔電流法都是關于電流的,那么,有沒有利用電壓來列方程求解的呢?顯然是有的,那就是節點電位法,又稱結點電壓法。
在《電工基礎》課程中,曹老師依然是和之前一樣,花了兩個課時來講結點電位法這個知識點,根據曹老師的說法,結點電位法適用于結點較少、支路較多的電路,且以結點電壓為未知量。照這樣說,只有兩個結點的電路,豈不是只用列一個方程就能求解?Unbelieveable!
在電路分析中,疊加定理的應用是非常廣的。在《電工基礎》課程中,曹老師就以三極管的電路為例講了一下疊加定理的實際應用,在這里也不作贅述。
使用疊加定理時應注意以下幾點:
(1)疊加定理只使用于線性電路,不適用于非線性電路。
(2)在疊加的各分電路中,不作用的電壓源置零,在電壓源處用短路代替;不作用的電流源置零,在電流源處用開路代替。
(3)電路中所有電阻都不予更動。
(4)疊加時各分電路中的電壓和電流的參考方向可以取為與原電路中的相同。取代數和時,應注意各分量前的“ "、“-"號。
根據基爾霍夫定律(KCL、KVL),以i2為未知量來列方程,我們可以看到,原電路所得的方程與應用疊加定理求得的方程是一樣的。該電路圖中有兩個獨立電源,所以分為兩個分電路,即把支路電流i2分為兩個分量i2’與i2’’,分別算出兩個電流分量后再進行求和得出i2。
在圖例中,我是以電流來展開講解,大家在私底下可以嘗試用電壓來列一下方程以加深理解,在這里就不做贅述。
疊加定理除了要注意是線性電路外,我們還要注意一點:原電路的功率不等于按各分電路計算所得功率的疊加,這是因為功率是電壓與電流的乘積,它們不成線性關系。我們以圖14-3中的電路為例,利用功率P=I2R來證明,可以看到功率是不能直接用疊加定理求解的,如圖14-4所示。
如圖14-2中,直線的斜率就是電阻的值。關于疊加定理,我們可以簡單理解為日常的用水,兩根水管同時接到一個水龍頭,主管上的水流量就是兩根支管水流量疊加所得。我們只要知道兩根支管各自的水流量,主管的水流量就可以由兩根支管各自的水流量相加得出。同理,疊加定理就是某處電壓或電流都是電路中各個獨立電源單獨作用時,在該處分別產生的電壓或電流的疊加。西門子PLC CPU ET200模塊西門子PLC CPU ET200模塊