KVL方程獨立性

2022-10-10 04:12:03 字數 1132 閱讀 7224

摘要:利用數學歸納法確定電路網孔數公式,再用分析共享網孔和外沿網孔確定網孔的kvl方程,證明kvl方程的獨立性。

關鍵詞:數學歸納法,網孔數公式,網孔方程,外沿網孔。

節點電壓法和迴路電流法是兩種基本的電路分析法,可用於大規模電路分析。對很多電路這兩種方法都適用,但是由於電路組成和結構不同,往往一種方法比另一種方法更有明顯的優勢。這兩種方法的數學思想是選適合的電壓或電流為未知量,通過列方程、解方程來求解電壓、電流。

列方程依據兩類約束:①元件或支路的電壓---電流關係。②電路連線的約束方程:

基爾霍夫電流、電壓定律(kcl、kvl)。既然要列方程,涉及的乙個數學問題是:如何選取未知數量,如何保證所列方程為獨立方程且方程數目最少。

下面我們就來證明kvl方程的獨立性:

我們先給乙個平面電路,該電路有b-(n-1) 個網孔。平面電路的網孔數m= b-(n-1) ,可以用數學歸納法證明。當m=1時,b=n無疑這一關係是正確的。

下一步再證明:若對乙個具有m個網孔的電路,該式正確,則當電路改為(m+1)個網孔時,該式仍然正確。如圖所示,可以在現存的節點之間加上一條支路使網孔增加乙個,也可以加上k條串聯支路,這些支路經過(k-1)個節點與原來的電路相連,也能使網孔增加乙個。

若令新電路的網孔數為p,支路數為q,節點數為h,則顯然有:p=m+1,q=b+k,h=n+(k-1)。

由於m=b-(n-1),因而p=m+1=b-(n-1)+1=q-k-h+k+1=q-(h-1),故可知網孔數的公式依然正確。

對b-(n-1)個網孔所列的kvl方程是獨立的,其論證與kcl方程獨立性問題論證相似。在平面電路中,每一支路要麼為兩網孔所共有,要麼只屬於電路的邊界。如果把邊界也看成乙個包圍外部「空間」的網孔,稱為外沿網孔,則所有支路都將為兩個網孔所共有。

設電路的網孔數為m,則包括外沿網孔在內的(m+1)個網孔的kvl方程之和為

[(+u)+(-u)]=0

其和恒為零,這是因為在列網孔的kvl方程時,每一支路電壓出現兩次,一次為正一次為負,互相抵消。因此(m+1)個kvl網孔方程是非獨立的。但是若去掉乙個網孔方程(外沿網孔)其餘m個網孔方程是獨立的,因為去掉乙個網孔方程,則這方程中支路電壓在其他網孔方程中就只可能出現一次,因而若把其餘的b-(n-1)個網孔方程相加,這些支路電壓就不可能與其他支路電壓相消,相加結果不可能為零,即這b-(n-1)個方程是獨立的。

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