直流电路的动态分析范文1
关键词：电工学；思维方法；教学引导
作者简介：吴显金（1971-），男，苗族，湖南凤凰人，中南大学信息科学与工程学院，讲师。（湖南 长沙 410083）
中图分类号：G642.0 文献标识码：A 文章编号：1007-0079（2014）14-0073-02
“电工学”是一门非电类专业的技术基础课程，它包含了电路分析、电器控制、模拟电子技术和数字电子技术四部分，有着内容多、知识面广、理论抽象等特点。[1]正因如此，学生在学习“电工学”课程时常常感觉知识点多，不容易理解，前后知识不能融会贯通，学习时缺乏激情与兴趣，考试后很快忘记，达不到教学培养的目标，更谈不上应用所学知识去解决生活中所碰到电学问题。出现这种现象的原因一方面是由于教学过程中往往只注重理论知识本身的分析与讲解，缺少实际应用与实践，从而使学生认为学无所用，缺乏学习激情；而更主要的原因则是在教学过程中教师往往只注重对定理、方法的讲解，忽视了对定理、定律产生背景的分析，更没有从方法论的角度去引导学生寻找一般规律。因此，学生在整个学习过程中容易感觉所学知识点前后孤立而无法将所学知识有机地联系在一起，只能为了应付考试而机械地背记知识内容，达不到对知识的深刻理解与掌握。
实际上，“电工学”课程内容中允满了许多科学的思维方法。非线性特性的线性化、分解与叠加、动态化为静态、对偶及等效变换是最常用的思维方法。如果教师在教学过程中能够对不同的思维方法进行概括和总结，并引导学生将这些思维方法贯穿于整个学习过程，则可以帮助学生理解所学理论的本质，使得学生能够自行归纳和总结知识点之间的内在联系与规律，从而增强对所学知识的记忆，将知识融会贯通，形成自己独有的认知结构。此外，思维方法的引导还可以进一步让学生掌握化复杂为简单的一般方法，从而能够创造性地利用已学方法去解决未知问题。
一、非线性特性的线性化方法
含有非线性元件的电路是非线性电路，对于非线性元件或非线性电路的分析都较为困难。而非线性特性的线性化方法是在某些特定条件下可以将非线性元件转化为线性元件，将非线性电路转化为线性电路，从而采用线性化的理论与方法来进行分析和计算。如二极管、双极型晶体管都是非线性元件，因此含有二极管和双极型晶体管的电路都是非线性电路。但在小信号条件下，由于小信号引起的二极管导通压降的变化量和流过电流的变化量的伏安关系可以看成是一小段直线，因此此时的二极管就可以看成是线性元件。同样，在小信号条件下，双极型晶体管可以用一个由电阻和受控电流源所组成的小信号模型来等效，此时双极型晶体管就变成了线性元件，含有双极型晶体管的基本放大电路也就变成了线性电路，因此可以用线性电路的分析方法对放大电路做静态分析和动态分析。动态分析中的微变等效电路法实质上就是小信号条件下非线性电路线性化后的一种动态分析方法。
二、分解与叠加的方法
分解与叠加的方法本质上是把复杂事物分解成简单事物的一种简化方法，其最典型的应用就是叠加定理。叠加定理对含有多个电源的复杂电路分解成单个电源或分组电源的简单电路，则求多个电源共同作用下复杂电路的响应就可转化为求单个电源或分组电源的简单电路响应，最后再将求得的量相加。
除此之外，分解与叠加的方法还分别运用在非正弦周期信号电路、动态电路、基本放大电路、运算放大电路等电路的分析中。[2]在非正弦周期信号电路中，先需要进行谐波分析，求出非正弦周期信号电源的直流分量和各次谐波分量，然后再求出直流分量和各次谐波分量分别单独作用时所产生的电压和电流，最后将属于同一支路的分量进行叠加得到实际的电压和电流。在一阶动态电路的分析中电路的全响应可以分解成零输入响应和零状态响应之和。基本放大电路则可以分解成直流通路和交流通路，电路中的电压或电流瞬时量则是直流分量与交流变化量之和。信号加法和减法等运算放大电路的分析与计算也可以看成是多个信号单独作用时电路输出相加的结果。
三、动态化为静态的方法
在电路分析与计算中对于随着时间变化而变化的物理量如何描述和计算是困难的。如果直接采用瞬时值来描述，由于其值不固定，因此通常没有任何意义；而采用变化量的瞬时值表达式，则计算时将会很麻烦。动态化为静态的方法是采用固定不变的恒定量来表示变化量，并用该恒定量的计算来代替变化量的计算。
动态化为静态的方法应用之一就是用有效值来描述交流电的大小，用相量来表示正弦量。对交流电有效值的定义的目的就是用一直流电的数值去计量交流电的大小。而对于按正弦规律变化的正弦量来说由于其三要素中的角频率在线性电路中基本不变，可以不用考虑，因此在表示正弦量时只需要幅度和初相位即可。如果一个复数的模等于某一正弦量的幅度并且复数的辐角等于该正弦量的初相位，则这个固定的复数就可以表示该变化的正弦量。
动态化为静态的方法应用之二就是交流电路的分析。相对于直流电路，交流电路的分析与计算是学生最难理解和最难掌握的内容之一。除了概念多外，对于交流电路分析方法难以掌握的主要原因还包括：一是电路中的电压和电流不仅是变化量，而且通常还存在相位差；二是电路中不仅有电阻，还有电感和电容，元件类型多，且具有不同的伏安关系。采用动态化为静态的方法则可以将交流电路的分析和计算转化为直流电路来进行。对于一个给定的交流电路，只要将电路中的正弦量用相量表示，电阻、电容和电感统一用阻抗来表示，则阻抗具有类似于直流电路中电阻的性质，得到交流电路的相量模型。对相量模型的分析和计算完全可以用直流电路学过的基尔霍夫定律、支路电流法、节点电压法、叠加定理、戴维宁定律等进行，并且分析、计算步骤完全与直流电路的分析与计算步骤相同，唯一不同的是此时的计算是相量和阻抗间的复数计算。
动态化为静态的方法另一个应用是一阶电路的暂态分析。对于一阶电路的暂态分析采用三要素法。三要素法的实质就是求初始值、稳态值和时间常数。对于电容电压和电感电流的初始值是根据换路定律用换路前一瞬间的电路求出，而其他响应的初始值则是用0+等效法用换路后一瞬间的电路求出。无论是换路前一瞬间的电路还是换路后一瞬间的电路实际都是电路处在稳态，因此求初始值的方法实际是直流电路的分析与计算方法。稳态值和时间常数则是电路换路后到达新的稳态时求出的值，其求法也仍然是直流电路的分析与计算方法。
四、对偶方法
非严格意义上的对偶是指两类变量在性质或结构上具有类似的形式。
电工学中许多变量、电路和定律都具有对偶的性质，[3]如短路与开路、电阻与电导、电感与电容、理想电流源与理想电压源、受控电流源与受控电压源、电阻串联与并联、基尔霍夫电流定律与基尔霍夫电压定律、支路电流法与结点电压法、戴维宁定理与诺顿定理、串联谐振与并联谐振、感性电路与容性电路、有功功率与无功功率、三相电源的星形接法与三角形接法、星形负载与三角形负载、零输入响应与零状态响应、NPN型晶体管与PNP型晶体管、数字电路中的数字逻辑公式等等。可见，利用对偶性可以帮助学生掌握记忆规律，减少记忆量。
五、等效方法
电工学中的等效方法是基于伏安特性的等效。现有电路1和电路2，如果这两个电路都能够向电路3提供相同的工作电压和工作电流，则对于电路3来说，电路1等效于电路2。
等效方法是电工学中电路分析的一种重要方法，其典型的应用是戴维宁定理。利用戴维宁定理可以将含有一个或多个电源的有源二端网络等效为一个电压源和一个电阻作串联，从而将复杂电路转化为简单电路，以便于计算和分析。而且戴维宁定理特别适合于工程上的应用，在实际应用时只需用万用表测量出二端网络的开路电压和无源时的等效电阻，就可以得到戴维宁的等效电源模型。
在电路分析时，还可以利用等效方法化简电路。如将戴维宁电源模型与诺顿电源模型相互转换，以便将电压源串联或电流源并联；对于电压源与其他元件的并联则可等效为电压源本身；电流原与其他元件串联可等效为电流源本身。
除此之外，还可以在三相电路分析中利用等效的方法在已知电路中添加外部电路以使电路看起来更加完整、清晰和明白。例如，在学习对称三相电路中对称三相负载性质时，要求出负载的线电压和相电压、线电流和相电流的关系。对于初次学习的同学来说，往往对只画出三相负载的电路看不习惯，而更习惯于看包含有三相电源的完整电路，因此经常纠缠于与三相负载所连接的三相电源究竟是星形连接还是三角形连接。事实上，从等效的概念可知，三相电源无论是星形连接还是三角形都可以，只要能够向三相负载提供相同的线电压就不会影响到分析结果。因此，如果三相负载为星形接法，则可以外补一个星形连接的三相电源；而三相负载为三角形接法则可以外补一个三角形连接的三相电源，以构成一个完整的电路，这样构成的电路十分便于选择合适的回路进行分析和计算。
六、结论
“电工学”教学中，教师不仅要讲解知识点本身，还应该对知识点所牵涉到的思维方法进行概括、总结和引导，使学生在理解定理、定律及方法本质的基础上能够自行归纳总结，掌握基本的分析规律与方法，对所学知识融会贯通，真正做到学得“活”，记得“牢”。
参考文献：
[1]唐介.电工学[M].北京:高等教育出版社,2005.
[2]焦阳,高玲.贯穿于电工学之中的叠加原理[J].现代教育科学,
直流电路的动态分析范文2
关键词：交直流混合电网；电磁暂态仿真；模型构建
中图分类号：TM743 文献标识码：A 文章编号：1009-2374（2013）26-0107-04
1 概述
我国的能源需求在地理分布上并不均匀，因此建设特高压以及超高压的骨干网架，是电力系统发展的大趋势。当前，随着电力建设进程的发展，高压直流输电已经逐步被引入到跨区域的输电系统之中，交直流混合电网项目也逐步在全国各地上马动工。然而应该看到的是：这种输电的模式一方面能够为国家经济与电网企业带来明显的效益，另一方面也使得电网结构日趋复杂化，并为其在技术上的发展与管理上的模式带来了新的挑战。在交直流混合电网中，直流系统与交流系统最大的区别就在于其特殊的运行特性，例如基于直流的输电模式，其控制系统的响应时间普遍短于交流系统，直流输电往往能够在毫秒级别的时间之内完成响应，因此在交流系统的交织下，可以把直流输电模式看作一个典型的大负荷。正是由于直流输电具备与众不同的运行特点，并且能够传输相对较大的功率，因此在交直流混合电网中由于交流和直流的互相作用，便可能面临各类难以解决的技术难点。包括：如果处于直流输电网络范围之内的交流部分出现故障或者障碍时，便有可能导致直流输电系统中换流器无法实现正常换相。在换相的过程里，涉及到复杂度比较高的电气量变化，会在很大程度上影响其附近的继保设备，甚至使之误动。因此，如何提高大规模交直流电网的可靠性和经济性，是一个亟待解决的问题。本文以山东电网为例，分析其在纳入直流输电模式之后，一旦电网中的直流系统发生故障，有可能为交流带来何种影响。并以含国家电网公司达标投产的重点工程，也是全国第一条±660千伏电压等级的输电工程――宁东至山东±660千伏的交直流混合电网为例，对其电磁暂态仿真模型进行构建与分析，首先进行交流系统电磁暂态仿真模型分析，包括数据的转换与录入以及电磁暂态仿真模型的搭建，然后对直流系统电磁暂态仿真模型进行分析，包括直流系统基本概况的介绍以及各类设备参数的选择，最后在此基础上阐述了电网混合系统潮流、短路电流的调节的思路。本文的成果可以给交直流混合输电网络中的故障瞬态特征分析提供比较好的理论支持与实践借鉴。
2 交流系统电磁暂态仿真模型分析
对交直流混合电网进行仿真，首先应进行数据源格式的统一化，然后搭建电磁暂态仿真模型。本研究是基于PSCAD/EMTDC环境的，因此所有的数据均应能符合该环境之下的要求。本部分关注的是电网中一旦发生直流输电系统的障碍或者故障，以其瞬态特征为研究对象，评估当直流换相不成功的时候会为交流保护带来怎样的影响，为其构建仿真模型。所以，首先应该把基于PSASP的所有数据进行转换，使之成为基于PSCAD的数据，从而便于在电力系统仿真分析软件的环境中进行电磁暂态仿真模型的搭建。此类模型的搭建目前的研究成果和实践案例并不多，因此结合山东电网的特点以及交直流混合输电的具体方案，本文通过以下的思路进行电磁暂态仿真模型的构建：第一步：进行数据格式的转换，把基于电力系统分析综合程序的数据映射为基于电力仿真软件PSCAD的数据。第二步：结合电网的具体情况，以典型的电网方案为基准，构建交流仿真模型。在进行不同环境之下格式转换的时候，需要考虑的电器参数包括网内的电源、变压设备以及无功补偿设备等。第三步：对程序进行调试，使所构建的仿真模型开始运行，同时对于电网中潮流和短路电流分布进行调整，使数据转换前后的电气环境保持一致。
2.1 数据的转换与录入
2.1.1 变压设备的数据转换过程。在PSCAD环境中，涉及到变压器设备电磁暂态环境的数据，需要转换的有：变压器的容量、变压器工作频率、变压器绕组方式等等。采用的具体方法为：
（1）对于基于电力系统分析综合程序的变压设备所有绕组的短路电压参数，可以将其直接转换为基于PSCAD环境的中漏电抗。
（2）对于变压设备由磁滞损耗和涡流损耗组成铁耗与铜耗，应通过转换，将有名值映射到标幺值。举例来讲，电力系统分析综合程序中，若铁耗值为24725kW，便能够映射为PSCAD环境中的标幺值01003495p.u.。如果是将PSASP电力系统分析综合程序中的铜耗映射到基于PSCAD的环境，方法是首先将三组短路损耗进行求和并除二，获取其有名值，然后将此有名值映射为标幺值。
2.1.2 输电线路的数据转换过程：
（1）确定输电线路模型。由于本研究主要针对的是输电线路在动态方面的属性，所以确定以分布参数的模型来描述输电线路。由于是研究电磁暂态下的属性，因此经过综合比较，Phase模型适用于频率变化范围较大的环境，因此本研究以Phase模型作为线路模型的描述与仿真方式。
（2）确定输电线路参数。在基于PSCAD的分析模式下，我国大部分地区的超高压及以上电网均为水平排列方式；在Phase环境里涉及到的输电线路数据包括：输电杆塔的高度、电力线路以及接地线，这些数据均应进行转换。对输电数据进行格式转换的方法是：第一步：对输电线路的物理参数进行确定，并对所有数据进行合理的修正，保证电力系统分析综合程序中所获取的输电线路参数和基于PSCAD环境的参数保持一致。第二步：对于接地线涉及的土壤电阻率，则首先选定其缺省值，然后结合具体情况作出必要的调整。在做好以上步骤之后，PSCAD支持通过物理参数获取所对应的电气参数。
2.1.3 无功补偿数据转换过程。在对混合电网的无功补偿进行数据转换时，必须了解的数据包括无功补偿装置的一些主要参数，例如电容值以及电抗值等等。所以必须把电力系统仿真分析软件之下的此类参数的标幺值进行转换，使之成为电容值以及电抗值。一般情况下，高压输电采用的接线方法均为星形接线。因此本研究也将星形接线方式作为无功补偿装置电容、电抗数据转换的接线方式。具体思路为：根据阻抗值计算式以及阻抗基准计算式，最终经过推导，得到无功补偿的电容值计算式为：
电抗值计算式为：
2.2 电磁暂态仿真模型的搭建
2.2.1 确定电源的主接线。对于电网内的大型发电厂而言，其接线方式均选用了安全性相对较高的单元接线。考虑到该地区电网之内的发电厂绝大部分的单机容量超过了300MW，因此其电源的主接线全部是单元接线。
2.2.2 确定变电站的主接线。结合（原）水利电力部西北电力设计院《电力工程电气设计手册电气一次部分》的规定，根据电网的变电站实际情况进行接线方式的设置，500kV变电站和220kV变电站接线方式有所不同，前者采取的是规定中的第三类接线方式，后者则为第一类接线方式。如图1所示：
2.2.3 确定无功补偿接线方式。在电网建设的工程实践中，以星形接线作为电力电容器组接线方式的最优选择。所以，本研究中，对无功补偿装置选择了单星形方式。
2.2.4 低电压电网的等值。为使研究结论更加明晰，主要将电网里500kV中的直流系统落点以及和直流关系较大的交流纳入等值计算，而其他低等级交流适当简化。对于和直流关系较大的交流，则精确地纳入其网架结构、重要负荷等内容。简化的前提是不对电网的重要电气特性造成较大的影响，简化之后的结果能够进一步降低仿真的工作量，并在很大程度上增强仿真效率。本研究结合文献中成熟的等值法，把电压级别较低的电网等值为一个独立负荷，如下图2所示：
等值之后，一方面能够降低电网的复杂度，另一方面还能突出网络动态特性。
2.2.5 电网结构的确定。在电网网架的确定中，首先将全部500kV等级的变电站以及主力电厂纳入，通过等值处理，把220kV电网等值为电压源，从而构建出暂态仿真模型所需的电网网架结构。
3 直流系统电磁暂态仿真模型分析
3.1 系统概况
在基于PSCAD的软件下，下图3所示为本研究所涉及的直流输电系统。系统中的主要部件，包括变压器、直流线路等全部为详细暂态模型。
3.2 系统参数的确定
3.2.1 换流变压器参数。系统以单相双绕组作为两侧换流变压器，两侧分别有十二台主变压器。结合工程实践中直流输电系统换流站主回路中换流变压器短路阻抗的参数选择原则及方法，将阻抗百分比定位于18%。
3.2.2 平波电抗器参数。结合电网建设工程实践中的高压直流经验，对于平波电抗器参数的计算并无公式可循，需要经过一个逐步逼近最佳值的过程值。本研究所关注的是远距离高压直流输电，结合相关文献以及工程经验，一般将平波电抗器参数工频电抗标幺值设置在0.2～0.7的区间之中。本研究取280mH。
3.2.3 直流线路参数的确定。由于存在电晕的约束，本文所研究电压等级的直流线路为避免电晕，必须选择6分裂导线；为了电磁环境达标以及可听噪声符合相关行业和环保标准，本文所研究电压等级的直流线路导线截面应高于500mm2，综合考虑所有因素之后，导线参数选择6×500mm2。
3.2.4 控制系统参数的确定。本研究在确定控制系统参数时，结合我国目前比较成熟的高压直流输电系统，其在控制系统的配置方面，一般由3个层次组成，分别是：极控制层、换流器层以及单独控制层。其中，极控制层的功能是分析并转译由电力调度部门传输来的直流功率相关指令，对这些指令进行必要的分析之后，向换流器控制层传输指令；换流器层的主要功能是将来自极控制层的指令进行分析和译码，使之成为触发角指令的格式，并进一步传送至所有的阀组控制部件；单独控制层的功能是控制换流器的分接头以及无功补偿等等。只有来自高层的指令能够被下面的层次准确译码并执行，电网才能协调准确地安全运行，为了实现此目标，就应该注意到这些场次在响应时间上存在着很大区别，随着层次变高，其在响应时间方面也会变长。举例来讲，对于处于较高层次的极控制层而言，其功率阶跃响应的时间量级往往是0.1秒，而处于较低层次的换流器层的响应时间一般在4毫秒以内。
（1）极控制层参数分析。在本研究的建模过程中，极控制层所需的电流指令是系统预先给定的，因此在这种情况下不必对电网调度部门的功率进行数值模拟。因此在本研究中不必对这一层的参数进行分析。
（2）换流器层参数的确定。在本研究所设计的输电系统里，换流器控制一方面属于断网的基础控制功能，另一方面也是技术的核心，其控制过程是将触发脉冲作为指令，实现对电网传输功率的配置。
（3）单独控制层参数的确定。单独控制层的主要功能是对变压器分接头以及无功补偿等进行控制。其中，对分接头进行控制，具体内容是对分接头的位置进行自动调整，从而精确地将逆变器的关断角控制在安全范围以内，在实现此功能时，应和换流器本身的控制过程进行配合，具体来看，变压器的分接头通常有两种控制模式，分为角度模式与电压模式。前者的优势在于可以让换流器在许多类别的运行条件中能够拥有比较理想的功率因数。如果电网输送的直流功率相同，则被换流器所消纳的无功一般并不多，则分接头调节的空间变得比较大；而其不足之处在于分接头的动作过多，因此电网的检修次数也增多，耗费了人力物力。此外，目前比较成熟的换流器，其开关依旧为机械原理，对其进行调节的耗时往往多于5秒钟，可见其响应时间并不理想。通常只将角度模式作为电网的备用调节方法。综上所述，考虑到单独控制层缺点是响应时间不理想，因此在进行建模的时候并不纳入此种功能。
4 混合系统潮流的调节
结合以上的分析，本研究给出交直流混合输电系统潮流调节的步骤：
（1）遵循事先拟定的交直流电网运行模式，在电力仿真软件的支持环境下获取这种运行方式的具体潮流情况。
（2）然后，基于PSCAD的环境，以第（1）步里完全一样的交直流混合电网运行方式，不断对电源出力进行调节，并调节等值负荷，目的是使电力仿真软件的支持环境下与PSCAD环境下潮流达到一致。
在PSCAD环境中设置负荷模型时，关键的步骤是选定一些参数，包括dV/dP、dV/dQ、dF/dP、dF/dQ等，并将其取值区间设定为[-5，5]。具体到本研究，将PSCAD环境中dV/dP、dV/dQ、dF/dP、dF/dQ均设置为0，含义是恒功率负荷。同时，对于有功无功的功率均应集合具体的潮流进行适当的调节，从而使潮流分布能够保持一致。
5 混合系统短路电流的调节
在电力仿真软件的支持环境下以及在PSCAD中潮流分布大体相同的条件下，对交直流混合电网的短路电流进行调节。具体的过程为：
（1）在电力仿真软件的支持下，为混合电网设定特定运行模式，并基于这种模式来获取三相短路故障的时候全网的短路电流实际分布情况。
（2）进入PSCAD的环境，并设置单位故障与电力仿真软件相同，通过对次暂态电抗的值进行渐进性的调整，使电力仿真软件的支持环境下与PSCAD环境下短路电流分布达到一致。两种方式之下的短路电流实际分布及误差比较如下表1所示，可见误差在工程误差允许的范围内。
6 结语
本研究在电力仿真软件的支持环境下，研究交直流混合输电系统的电磁暂态仿真模型，以宁东至山东±660千伏的交直流混合电网为例，在PSCAD环境下搭建了含直流馈入的电网仿真模型。在仿真模型里对电网所涉及的各类主要设备进行了模拟，包括火力发电厂、变压设备、电力线路等；然后对电网涉及到的电源、电气接线以及无功补偿等设计了其接线。在电力系统仿真分析软件的支持下，进行电网混合系统潮流、短路电流的调节。本文的成果有助于提升对于交直流系统的特性分析水平，具有比较好的理论价值与实践意义。
参考文献
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直流电路的动态分析范文3
关键词：直流电动机；电气制动；对比法；解析几何法；归纳法
中图分类号：G712 文献标识码：A 文章编号：1672-5727（2014）08-0103-03
“电机及拖动基础”是电气类专业一门主要的、必需的专业基础课程，既是一门理论性很强的技术基础课，又具有专业课的性质，对于电气类专业的其他课程具有承上启下的作用。
电气制动作为电动机的主要拖动性能之一，无疑是该课程的一个重点。因为该内容涉及电路连接转换、电磁关系变化、机械特性分析及相关计算等诸多方面，显然又是一个典型的难点。
笔者以他励直流电动机的电气制动为例，结合多年的教学经验，探讨了对比法、解析几何法及归纳法在该内容教学中的具体应用，使多变而抽象的问题变得具体而规范，大大改善了教学效果。
对比法
对比即比较，亦即抓住事物的本质、要点，增大反差，使学生在对比之中弄清一些模糊、难懂的问题，进而理解事物的本质特点，把握其基本概念和基本理论。一般认为，电动机有电动和制动两种工作状态，区别这两种状态的直接依据就是其电磁转矩T的方向与转速n的方向的关系：如果两者方向相同，即工作在电动状态；如果方向相反，即工作在制动状态。与此同时，制动状态往往是建立在电动状态的基础上。脱离电动状态阐述制动的工作原理，往往使学生无所适从，难以理解；反之，若以电动状态为基础，注意两者之间的对比，问题则迎刃而解。
下面以他励直流电动机的能耗制动为例进行介绍。其电路图如图1所示。
电动状态：开关S向上闭合，电枢绕组接通直流电源，此时电动机的外加电压U与电枢回路感应电势Ea的实际方向相反，但因为U>Ea，所以电枢电流Ia的方向与电压U的方向一致，T=CTΦIa，磁通Φ的方向不变，T的方向取决于Ia的方向，T与转速n的方向相同，电动机工作在电动状态。
制动状态：开关S向下闭合，电动机断开直流电源，电枢绕组通过串加电阻RB形成回路，此时，U=0，因为惯性，转速n不能突变，Ea=CeΦn不能突变，电枢回路只剩下感应电势Ea，无疑电枢电流IaB的方向取决于Ea的方向，而电枢回路感应电势Ea实际方向与电动机的外加电压U的方向相反，故此时电枢电流IaB的方向与电动状态时电枢电流Ia的方向相反，TB=CTΦIaB，则TB的方向与电动状态下T的方向相反，即TB与转速n的方向相反，电动机工作在制动状态，此即直流电动机能耗制动的工作原理。
经过前面教学环节对他励直流电动机的工作原理、工作特性和拖动特性的介绍，学生对电动状态的电磁关系印象往往比较深，而对制动的电磁关系则难以把握。运用上述比较，可使学生通过对两种工作状态下各电磁量的鲜明对比产生一个清晰的认识。
解析几何法
一般认为，直流电动机的电气制动分为能耗制动、反接制动和回馈制动三种。机械特性方程及其所对应的曲线是分析和计算各类制动的基本依据，而各类制动所对应的机械特性各不相同，学生往往因为其过于抽象而难以琢磨，混淆不清。如果借助解析几何法进行阐述，则问题可变得具体而规范。
（一）用解析几何法区分电动与制动状态
（二）用解析几何法把握机械特性方程
机械特性方程是求解电气制动问题的直接依据，而各类制动所对应的方程形式各不相同，单独理解往往单调而抽象，极容易混淆。如果利用解析几何法与坐标中的曲线联系起来，则问题就简单多了。由机械特性方程的一般式：
直线、方程与其所对应的解析几何知识相结合，使得原本抽象、多变的理论知识变得形象而直观，加上对各类制动工作原理的理解，学生就能很熟练地写出各类制动所对应的机械特性方程，而方程是求解具体问题的直接依据，实际问题的解决也就变得直观而容易把握了。
归纳法
前面关于制动的阐述虽然解决了难以理解和掌握、抽象及多变的问题，但仍然有些松散，不利于对各类制动特点及其适应场合的把握，如果再对其进行归纳、综合，则可以给学生一个全面而具体的直观印象，具体如图4所示。
从图4中，可以很直观地得到：（1）从第二象限的特性可以看出，电源反接制动与能耗制动都能用于制动停车，并且可直观地比较两种制动的制动转矩大小（横坐标所对应的绝对值）。显然前者的制动转矩比后者要大，而且因为能耗制动的特性曲线经过原点，不难理解在转速较低的时候其制动效果不理想的特点。（2）通过第四象限的特性比较可知：能耗制动和倒拉反接制动适应于低速匀速下放重物（位能性恒转矩负载），而回馈制动适应于高速匀速下放重物；在第四象限，n0，而在倒拉反接制动时n
应用举例
例如，一台他励直流电动机拖动某起重机提升机构，电动机的数据为PN=30kW，UN=220V，IN=158A，nN=1000r/min，Ra=0.069 Ω。忽略空载损耗。（1）电动机以转速600r/min提升重物时，负载转矩TL=0.8 TN，此时电动机运行在什么状态？求电枢回路应串入的电阻值；（2）电动机以转速600r/min 下放重物时，负载转矩TL=0.8TN，此时电动机可能运行在哪几种制动状态？求出各种制动状态下电枢回路应串入的电阻值；（3）电动机以1200r/min下放重物时，负载转矩TL=0.8TN，此时电动机运行在什么状态？求电枢回路应串入的电阻值。
结合位能性恒转矩负载的机械特性，对照图4，可以直观地判断出问题（1）中的电动机运行在电动状态；问题（2）中可能运行的制动状态为能耗制动和倒拉反接制动（转速反向的反接制动）；问题（3）中的电动机运行在回馈制动状态总结
电气制动是所有拖动性能中的一个典型难点，学生通过对该内容的把握，可以在一定程度上恢复对该课程的学习信心，激发学习兴趣。事实上，对比法在“电机及拖动基础”的教学中还可以广泛地用于直流电机与交流电机、变压器与交流电机的运行分析、电动机与发电机等许多方面，甚至可贯穿该课程教学的始终；解析几何法等数学方法亦可在起动、调速等其他拖动性能的分析、交流电动机的拖动性能分析等环节中推广。笔者多年的教学实践表明：该类方法能帮助学生把握抽象、模糊的概念和相关理论，实现有的放矢地分析问题。
参考文献：
[1]马爱芳.“电机及拖动”课程教学中现场环境的创设[J].中国电力教育，2010（6）：139-140.
[2]张乐平.对比、图解法在《电机及电力拖动基础》教学中的应用探讨[J].通化师范学院学报，2009（4）：98-100.
直流电路的动态分析范文4
关键词： 电路课程；电路教学改革；探讨
中图分类号：G642 文献标识码：A文章编号：1006-4311（2012）07-0158-02
0引言
电路课程是我校电子系与光电系“电气工程及其自动化”，“电子信息工程”，“光电信息工程”，“计算机科学与技术”及“通信工程”五个专业的主要专业基础课，也是一门主干课。该课程理论严密、 逻辑性强、有广阔的工程背景，既为学生学习后续课程打下良好的基础，也是许多高校电气信息类研究生入学考试的一门考试课程。该课程的学习，对培养学生的科学思维能力和提高学生分析问题和解决问题的能力都有重要的作用。电路是电类基础课的第一步，走好这一步，相当于为后续课程的学习打下坚实的基础。在充分重视素质教育的今天，提高教学水平和教学质量，挖掘学生的潜能，激发学生的主动性和创造性，培养具有综合素质的人才具有重大的意义。
1教学改革的主导—教师
在教育改革的诸多因素中，教育主体—教师是影响教育改革效果的关键因素。那么，作为教师如何才能使学生在“谈笑间”掌握科学知识，这是教师教改的直接目的。
1.1 电路课程教学内容的改革教师在讲课过程中应做到知识的系统化，通俗易懂，而且要内容丰富，也就是体现一个“广”且“广”中有“精”，即“全面撒网，重点捕鱼”。一改过去那种“一概论”，什么都讲，所有的都重要。而应该根据后续课程和社会实际所需，来完成授课。以“够用”为度，有所侧重，而不是把它们都作为重点和非重点，进而既增加学生的负担又推卸了教师的责任。我们应该根据培养实用型人才的要求和不同专业改变教学内容。
同时教师要注意知识体系的宏观把握。一门课程的内容往往很多，但必须掌握一些最基本的部分，通过各部分知识点的连接，从而对课程内容有一个总体的把握。电路分析课程主要讲述了电路分析的基本理论、方法和定理，内容包括电阻电路、动态电路与正弦稳态电路三部分。电路分析是在两种约束的基础上展开的，就是拓扑（结构）约束和特性（元件）约束。其中，拓扑约束包括基尔霍夫电流定律（KCL）和基尔霍夫电压定律（KVL），这种约束与元件特性没有关系，仅仅与元件的联结方式有关，这是电路分析的理论基础。而特性约束是指元件两端的电压电流关系，即伏安特性（VCR），它是和元件性质相关的一种约束。电路分析的主要方法包括：等效变换法、列方程法（支路法、回路法、节点法）、电路定理法（替代定理、叠加定理、戴维南定理、特勒根定理、互易定理）、动态电路的三要素法、正弦稳态电路的相量法等。
讲解概念时，教师要注意应用的特点。例如：用三要素法求解一阶电路全响应问题时，必须先求出相关动态元件的初值、稳态值和时间常数，最后由三要素公式求出支路电流i（t）或电压u（t）。这里有两个稳态，利用了直流激励下动态元件的稳态特点，即电感相当于短路，电容相当于开路，使得电路分析的问题简单方便。求解初值时，是求0_时iL或uC的值，由换路定律，得到0+时相应的值。虽然求的是0_时的值，用的是0_时的等值电路，但这是一个0_及其以前状态的稳态电路；在求解稳态值时，用的是换路后的稳态。在求时间常数τ时，电阻用的是动态元件两端口对应的等效电阻。例如：电阻电路主要是直流电路，直流电路和正弦稳态电路的分析有相似之处，因为直流电路分析里的一些定律及方法对于正弦稳态电路也适用，只是它们的形式发生了变化，因此只要画出正弦稳态电路的相量模型，那么解题方法和纯电阻电路很相似。这里要引导学生注意其中的异同处，直流电路里用的是代数方程正弦稳态电路里用的是复数形式的代数方程；直流电路里元件特性反映的是数值关系，正弦稳态电路里元件特性既有数值关系，还有相位关系；直流电路里的功率主要是元件上消耗的功率，正弦稳态电路里除了有功功率外，还有无功功率和视在功率。应该说，直流电路是正弦稳态电路里频率为0的的特例。以上是针对电路分析这门课的教学内容的改进做详细介绍。
1.2 电路课程教学方法的改革电路课程传统的教学方式其特点为依赖于黑板、粉笔、教师讲稿和授课水平等，学生获取知识信息的途径主要通过看板书和听教师的讲解。这种教学方式有较多的宝贵的课堂时间花费在板书上，使学生在一定时间内获取更多的知识受到了限制。同时，教学内容使用板书呈现在黑板，信息的呈现方式平面化、单一化，对学生而言容易产生单调乏味的感觉。这种授课方式，教师的授课水平对课程的教学效果影响很大。要提高教学效果，必须改进传统的教学方式，采用新的教学手段—多媒体。
直流电路的动态分析范文5
关键词：飞轮储能；无刷直流电机；DSP；PWM；MATLAB
中图分类号：U262.46 文献标识码：A
随着世界各国经济的快速发展和科技水平的不断进步，人们对能源的需要和消耗也表现出前所未有的迫切和增加，传统的能源表现出日益匮乏的态势。由于能量的利用往往是先转化为电能，伴随着新型能源的利用，必须由相应的先进的储能装置与之配合，否则，难以实现新能源的产业化发展和有效的利用。大容量储能不但能够提高能源的利用率，还有更重要的功效。这种方法无能量损耗，效果理想，对电网系统而言可以说是投资少而效益高，具有其他方式无法与之相比的优越性。
目前化学蓄能在蓄能市场中得到了广泛的应用，常用的蓄电池具有能耗量低、需要长时间充电、使用周期短、对环境污染大等缺点。本文设计了一项新颖的电能存储方法，突破了传统的化学能储能方式，将电能用机械能的方式蓄存起来，即飞轮储能。
飞轮储能包括三部分，分别是电能输入、存储和电能输出。系统基本的工作原理具体来说是，充电过程中，飞轮被电机驱动，在电机的带动下高速旋转，将电能以机械能的形式储存。放电过程中，已经在高速旋转的飞轮提供原动力，作用相当于原动机，旋转过程中带动发电机，发电机产生的电能经过电力电子变换器的调整，最后输出稳定的、可以供负载直接使用的电压、电流飞轮是真正的储能元件，也是整个储能系统的核心，系统储能的多少由飞轮直接决定，飞轮储能过程中做的是高速的旋转运动。
飞轮储能系统工作过程包括充电模式，此时电能转换为动能；保持模式，此时电能已经被转化为机械能，由高速旋转的飞轮负责储存这些能量。放电模式，即系统将机械能转化为电能，供负载使用。充电模式，外部电源通过电子变换器驱动电机旋转，飞轮在电动机的带动下高速旋转，电机工作在电动状态，电能由此被储存在飞轮中，此过程中消耗了外部电能，增加了飞轮的机械能，进而实现能量的转换、存储。保持模式，飞轮系统依靠交流电输入，飞轮保持在最高工作转速运行，能量基本保持恒定，系统损耗最低。此时，可以控制系统进入低压模式，使飞轮以额定能量运转，负载所需能量由电源直接提供。放电工作模式。高速旋转的飞轮将自身的动能转换成电能传递给负载，电机工作在发电状态。机械能被消耗，输出连续的电能。
本文研究的飞轮储能控制系统主要是对直流无刷直流电机的控制。即当系统工作在对飞轮充能状态下时，通过DSP控制电力电子器件，实现直流无刷电机带动飞轮高迅速旋转；当系统工作在飞轮释能状态时，飞轮带动电机转动，使其工作在发电状态。本章就针对无刷直流电机构建数学模型，并对其进行分析，运用特定的计算公式，以便确定各项参数。
本系统硬件结构主要包括MCU控制电路、电压电流检测电路、隔离驱动电路、系统电源和辅助电路等4个部分。控制电路是主要是指以MCU为控制核心的最小系统电路，它是整个飞轮储能系统的控制核心，采集电压、电流等反馈信号，经过分析处理后，按照程序预设输出多路PWM控制信号并负责发出声光报警信号，确保飞轮储能控制系统能正常、稳定、可靠地工作。
本文选用TMS320LF240x系列来做控制电路的核心器件。TMS320LF240x系列DSP采用高性能静态CMOS集成电路制造技术，具有先进的哈佛结构，流水线技术，片内模块，片内存贮器和高度专业化指令系统。该控制器具有低成本、高性能处理的DSP内核和几种最适合电机控制的先进设备结合在一起。
TMS320系列DSP控制器集强大的实时信号处理能力和众多控制器外设功能于一身，其这种体系结构是专门针对实时信号处理功能而设计，是高速信号处理的一种专用芯片，强大的处理速度功能是其它控制芯片无法相比的。
本文充电回路逆变器选用的是富士公司的PM30F070。该IPM内置了保护电路，与普通IGBT驱动电路设计相比，本次设计中只需要设计隔离电路即可。隔离电路的作用就是将IPM模块与控制电路的信号进行可靠的分离，即驱动IPM的PWM信号和IPM自保护产生的故障信号之间要隔离。
本文选用了IR公司的IR2103集成芯片作为功率驱动芯片，栅极驱动芯片IR2103是一种高压高速的功率MOSFET驱动器。它有两个独立的高端和低端输出通道，一个芯片可以驱动两个MOSFET管。此芯片电路基于自举驱动方法，直接驱动功率MOS-FET，其输出的浮置通道可用来驱动高端接于最大供电电压为600V的N沟道MOS-FET。
直流回路电压过大会造成功率管损坏，欠压则会使得逆变后的交流压值下降。霍尔位置检测电路在这主要有两个作用：一是检测电机定、转子的相对位置并提供驱动换相信号；二是通过检测某一路脉冲信号的个数，经软件计算后转换为速度信号，构成速度的反馈环节。
本文设计的飞轮储能控制系统在正常工作的时候，需要的电源有+24V、±15V、+5V等。控制系统中驱动、隔离、保护、检测等都需要不同的电压，所以，对电压需要特定的电路保障。根据飞轮储能系统的不同工作模式，能量转换系统在储能运行时对电动机力矩电流进行调整，确保飞轮运转的平稳、安全、可靠；而在飞轮系统释能运行时，需要对输出设备的母线电压进行调整。我们建立了飞轮储能系统的仿真模型，并进行仿真分析，确定了仿真参数。
系统主要软件分析设计要根据功能需要而设计，充电部分主要是DSP芯片TMS320F2407通过控制电力电子器件完成对无刷直流电机的控制。在软件设计和开发上，也采取了程序的模块化设计理念并且根据DSP芯片的硬件资源丰富的优点，完成充电部分控制系统的各项指标。电流环的输出换算成PWM的占空比。所以在本文的软件设计中DSP会根据电流环的输出来改变PWM占空比寄存器中输入，从而完成电流环的调节。速度的反馈量是依据转子位置信号变化的时间间隔计算得出的，它与给定转速形成的偏差，经过PID调节算法来控制无刷直流电机的转速，使其具有稳态性能好、响应速度快和抗干扰能力强等特点。放电部分程序主要分为两大部分，一是当飞轮在带动直流无刷电机旋转时，经三相全桥整流后，直流母线电压会随飞轮转速的下降而降低，这个时候就要调节BOOST升压电路将直流母线电压稳定在310V左右，第二就是对MOSFET逆变电路控制使控制系统输出220 V的工频交流电。A/D转换及调理模块选用的是DSP 2407自带的10位转换模块。
本文主要是对基于DSP芯片控制的飞轮电池储能系统的分析研究，使整个飞轮电池储能控制系统能量高效率的转换和使用，采用模块化设计理念，提出一些新方法，并结合MATLAB软件进行了仿真试验。提出了一种采用电力电子器件的飞轮电池储能控制系统：并进行了理论分析和仿真建模，论文主要分析了充电和放电部分，对整体设计做出指导。
参考文献
[1]靳国栋，姜维，马小梅，高飞.轴承对动量论飞轮体结构设计的影响分析[J].轴承研究所，2008(6):30.32
直流电路的动态分析范文6
关键词：直流电路；正弦稳态电路；动态电路；Matlab
中图分类号：TM13文献标识码：A文章编号：1009-3044(2011)23-5782-02
Aided Analysis of the Electrotechnical Circuits Using Matlab
ZHANG Xue-ke, LAN Hai-jiang, LI Jue-xuan
(Department of Physics and Information Science, Liuzhou Teachers College, Liuzhou 545004, China)
Abstract: The circuit is the foundation in electrical technology. The actual circuit is generally very complex, and using the mathematical method to analyze is often trivial and time-consuming. Using Matlab software as aided tools, the direct-current circuit, sinusoidal steady-state circuit and dynamic circuit were analyzed specifically. The results show that, using Matlab software to aided analysis of the electrotechnical circuits can make the logic clear, the program brief and the results accurate. Therefore, the Matlab software is an effective tool for electrotechnical circuit analysis.
Key words: direct-current circuit; sinusoidal steady-state circuit; dynamic circuit; Matlab
Matlab是一个包含众多工程计算和仿真功能的系统，是目前最流行的计算机软件之一。Matlab的应用非常广泛，比如，其在电路分析[1-3]及计算机仿真[4-6]等方面的应用，目前仍然是人们研究的热点。电路是电工技术和电子技术的基础，也是生活、生产设备的重要组成部分。电工电路一般都比较复杂，其计算过程烦琐而费时，而引入Matlab软件是化解这一难题的有效方法。
本文通过实例论述利用Matlab软件辅助分析直流电路、正弦稳态电路及动态电路方法，期待起到抛砖引玉的作用。
1 利用Matlab辅助分析电工直流电路
例1：直流电路如图1所示。已知，R1=4Ω，R2=2Ω，R3=7Ω，R4=3Ω，IS=1A，α=0.5，β=4Ω。 求I1和I2。
建立数学模型。依据基尔霍夫电流定律，得
(1)
(2)
由欧姆定律可知，I1=(U1-U2)/R2，I2=U2/R4。于是得到矩阵[7]
(3)
利用数学方法求解的矩阵方程(3)比较困难，而利用Matlab辅助求解，则方便快捷。利用Matlab编写的求解程序如下：
%求解直流电路程序program1.m
%输入已知参数
R1=4; R2=2; R3=7; R4=3; Is=1; alpha=0.5; beta=4;
%设置矩阵
z11=1/R1+1/R2; z12=-1/R2; z13=0; z14=-alpha; z21=-1/R2; z22=1/R2+1/R3+1/R4; z23=-beta/R3;z24=alpha;
z31=1/R2; z32=-1/R2; z33=-1; z34=0; z41=0; z42=1/R4; z43=0; z44=-1;
Z=[z11,z12,z13,z14;z21,z22,z23,z24;z31,z32,z33,z34;z41,z42,z43,z44]; Y=[Is;0;0;0];
%计算并输出结果
X=Z\Y;
I1=X(3)
I2=X(4)
运行程序program1.m的结果如下
I1 =0.5870 I2 =0.4783
整理后，即得到所求的电流 I1 =0.5870A，I2 =0.4783A。
2 利用Matlab辅助分析电工正弦稳态电路
例2：正弦稳态电路如图2所示。已知，us=10sin(500t+2π/3) V，is=5sin(500t+π/6) A，R1=2.5Ω，R2=2Ω，R3=1Ω，R4=3Ω，L=0.50mH及 C=2000μF。求各支路的电流。
建立数学模型。依据基尔霍夫电流定律，得
依据基尔霍夫电压定律，得
(5)
式(4)、(5)的矩阵形式为[3]
(6)
式中，Z2=R2+jXL。
利用数学方法求解矩阵方程(6)比较困难。利用Matlab辅助求解则方便快捷、结果精确。程序如下：
%分析正弦稳态电路程序program2.m
%输入已知参数
R1=2.5; R2=2; R3=1; R4=3; L=0.5e-3; w=500; C=2000e-6; XL=w*L; XC=1/(w*C);
IS=5/sqrt(2)*(cos(pi/6)+j*sin(pi/6)); US=10/sqrt(2)*(cos(2*pi/3)+j*sin(2*pi/3));
%设置矩阵;
Z2=R2+j*XL;
A=[-1,0,0,-1,0,-1;0,-1,-1,1,0,0;0,0,1,0,-1,1;R1,Z2,0,-R4,0,0;0,-Z2,R3,0,0,0;0,0,-R3,-R4,0,-j*XC];
B=[IS;0;-IS;0;US;0];
%计算并输出结果
I=A\B; Ir=real(I); Ii=imag(I); Ia=angle(I); Iq=sqrt(Ir.^2+Ii.^2) .*sqrt(2);
strcat('i=',num2str(Iq),'sin(',num2str(w),'t','+ ',num2str(Ia),')')
运行程序program2.m的结果如下
