1.5.2 支路电流法

支路电流法是分析电路的基本方法之一,它以各支路上的电流为未知量,依据基尔霍夫定律和欧姆定律,用这些电流列节点电流方程和回路电压方程,然后解方程,求出各支路的电流。这种从电流入手分析电路的方法,称为支路电流法。

求出电流后,可以根据欧姆定律或基尔霍夫电压定律确定各元件两端的电压。知道电流和电压后,就可以根据需要算出各元件的功率了。

采用支路电流法分析电路的步骤如下:

1)准确判断电路中支路的条数,如果支路上电流未知,就给该支路标一个电流,并标好电流的参考方向。这些电流就是待求解的未知量,有多少个未知电流,就需要列多少个独立的方程。

2)准确判断电路中节点的个数,假设节点个数为n,则可以选其中的n-1个节点,根据基尔霍夫电流定律,列n-1个节点电流方程。需要注意的是,n个节点,只能列n-1个独立的方程。

3)通过选取合适的回路,根据基尔霍夫电压定律列回路电压方程,方程中的电压全部用电流来表达。还需要几个方程,就选取几个回路。选取回路时,一般是优先选电路中的网孔,除非网孔中含有电流源,才选非网孔类的回路。总之,用来列电压方程的所选回路不能含有电流源。

4)联合节点电流方程和回路电压方程求解,得到未知电流的值。

支路电流法的关键在于,要保证所列节点电流方程和回路电压方程的总数,与待求电流的个数相等,并且保证所有的方程是相互独立的。关于方程相互独立的判断,可以参考线性代数中线性方程的求解。这就要求,对节点电流方程,其数量总是比节点总数少一个,对回路电压方程,其数量一般不大于电路网孔的总个数,具体的数量由待求电流的个数与节点电流方程的个数决定。

下面举例说明支路电流法分析电路的全过程。

【例题1.6】在图1.26所示电路中,已知US1=56V,US2=32V,R1=12Ω,R2=6Ω,R3=4Ω。试用支路电流法求电路中各支路的电路。

图1.26 支路电流法电路分析示例之一

解答

1)判断该电路有3条支路,且支路上的电流都未知,于是在电路图中分别标上电流I1I2I3。可知,一共要列3个关于电流的方程。

2)判断该电路有两个节点,分别记为点a和点b。可以列一个独立的节点电流方程,选节点a,有

3)还差两个方程,所以要选两个回路列回路电压方程。该电路有两个网孔,且网孔上都不含电流源,可以选这两个网孔作为回路列方程,有

4)联立方程(1.25)和方程(1.26),将已知条件代入,求得I1=3A,I2=2A,I3=5A。

下面一个例子,网孔中含有电流源,还运用支路电流法分析,看如何选择回路。

【例题1.7】在图1.27所示电路中,各支路电流已经标在支路上,试用支路电流法求解各支路电流I1I2I3

图1.27 支路电流法电路分析示例之二

解答

1)判断该电路有2个节点,4条支路,3个待求电流。各支路上电流已经标好。

2)共两个节点,可以列一个独立的节点电流方程,选节点a有

3)有3个待求电流,即要列3个独立的方程,已经有了一个节点电流方程,还需要选两个回路,列两个回路电压方程。该电路共有3个网孔,最左边的网孔不含电流源,可以选为列电压方程的回路。剩下两个网孔都含有电流源IS,所以都不能选为列电压方程的回路,但可以将这两个网孔合起来形成的大回路,作为列电压方程的回路。于是有

4)联合方程(1.27)和方程(1.28),刚好是3个未知数3个方程,求解得I1=2A,I2=-3A,I3=6A。