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21.2 : 电气系统

在电气工程中,对由无源线性元件(电阻器 (R)、电容器 (C) 和电感器 (L))组成的网络进行分析是基础。这些元件被组织成电路,可以使用传递函数分析输入和输出之间的关系。RLC 电路的传递函数(将电容器两端的电压与输入电压联系起来)可以使用基尔霍夫定律推导出来。

要推导传递函数,请考虑将元件串联连接的 RLC 电路。基尔霍夫电压定律 (KVL) 指出,闭环周围所有电压的总和为零。对于 RLC 电路,这可转换为以下积分微分方程,假设初始条件为零:

Equation1

此处,V(t) 为输入电压,VR(t)=i(t)R 为电阻两端的电压,VC(t) = q(t)/C 为电容两端的电压,其中 q(t) 为电容上的电荷,VL(t) = L(di(t)/dt) 为电感两端的电压。

电流 i(t) 与电荷 q(t) 的关系为 i(t)=dq(t)/dt 。将这些关系代入 KVL 方程可得出:

Equation2

将方程写成电压形式,对两边进行拉普拉斯变换,假设所有初始条件均为零,可得到以下方程:

Equation3

重新排列项以求解传递函数:

Equation4

此传递函数表示响应频域中的输入电压而跨电容器的电压。阻抗类似于电阻,但适用于电容器和电感器,在定义传递函数方面起着关键作用。此外,基尔霍夫电流定律 (KCL) 也可用于通过节点分析得出传递函数。该定律指出,进入节点的电流总和必须等于离开节点的电流总和。在 RLC 电路中,总电流是通过电容器的电流与通过电阻器和电感器的串联组合的电流之和。通过应用 KCL 并进行简化,可以实现相同的传递函数。

KVL 和 KCL 是电路分析中的强大工具,可以推导出简洁地描述频域中电气网络动态行为的传递函数。这些方法对于各种应用中复杂电路的设计和分析至关重要。

Tags

Electrical EngineeringRLC CircuitTransfer FunctionKirchhoff s LawsVoltage Law KVLCurrent Law KCLPassive Linear ComponentsImpedanceFrequency DomainCircuit AnalysisDynamic BehaviorNodal Analysis

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