电源外析原理建模方法与流程

本发明涉及一种电源外析原理建模方法，特别是采用电源外析原理且可应用于复电路的建模方法，属于电路物理建模方法。

背景技术：

随着社会与技术的发展，电路的应用日益普遍，但同时电路也变得日益复杂，从简单的对联电路、串并联变换电路、三岔形三角形变换电路到超级复杂的电路，从单端口电路网络、双端口电路网络到多端口电路网络，从单相电路、两相电路、三相电路到多相电路，从静态电路、稳态电路到暂态电路，从普联电路、互耦电路到控制电路或传输电路，电路正在飞速发展，但同时带来电路分析计算与设计上的巨大困难，如何分析电路、简化电路并降低电路设计的难度、降低电路的复杂度、降低电路的成本其研究具有重大的意义。

为得到简单且等效的电路网络，戴维宁已指出可以将复杂的单端口有激电路网络等效为一个实际电压源、诺顿已指出可以将复杂的单端口有激电路网络等效为一个实际电流源，这就是著名的戴维宁定理和诺顿定理，戴-诺定理指出复杂的单端口有激电路网络可以等效为一个实际电源，大大降低电路的复杂度，使电路的分析计算与设计变得更为简单、容易，但戴一诺定理只适用于单端口电路网络，不适用于双端口电路网络，更不适用于三端口及三个端口以上的电路网络。

双端口电路网络、三端口及三端口以上的多端口电路网络相比单端口电路网络要复杂得多，研究其等效规律、构建一种简单有效的建模方法一直是个难题。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是：

1、适用于单端口电路网络、双端口电路网络、三端口及三端口以上电路网络的等效建模方法；

2、该等效建模方法不仅适用于单相实电路，还适用于两相复电路。

本发明提供了一种电源外析原理建模方法。

本发明所要解决的技术问题是通过下述技术方案实现的。

一种常规电源外析原理建模方法，适用于单端口、双端口、三端口和三个以上端口的有激电路网络，不仅适用于实电路有激电路网络、也适用于复电路有激电路网络；

第一步：使有激电路网络处于正常的工作状态；

第二步：测量有激电路网络所有端口的工作电压和工作电流；

第三步：将有激电路网络内部的理想独立电源置零，得到同构无激电路网络；

第四步：在同构无激电路网络的每个端口上先并接一个电流等于该端口工作电流的理想独立电流源、再串接一个电压等于该端口工作电压的理想独立电压源或者先串接一个电压等于该端口工作电压的理想独立电压源、再并接一个电流等于该端口工作电流的理想独立电流源，且理想独立电流源的方向须满足在端口上产生的电流方向与工作电流的方向一致、理想独立电压源的方向须满足在端口上产生的电压方向与工作电压的方向一致，从而构成与原有激电路网络等效的有激电路网络模型。

一种综合电源外析原理建模方法，适用于单端口、双端口、三端口和三个以上端口的有激电路网络，不仅适用于实电路有激电路网络、也适用于复电路有激电路网络；

第一步：有激电路网络的端口外接两端电路网络或者开路或短路；

第二步：测量有激电路网络所有端口的状态电压和状态电流；

第三步：将有激电路网络内部的理想独立电源置零，得到同构无激电路网络；

第四步：在同构无激电路网络的每个端口上先并接一个电流等于该端口状态电流的理想独立电流源、再串接一个电压等于该端口状态电压的理想独立电压源或者先串接一个电压等于该端口状态电压的理想独立电压源、再并接一个电流等于该端口状态电流的理想独立电流源，且理想独立电流源的方向须满足在端口上产生的电流方向与状态电流的方向一致、理想独立电压源的方向须满足在端口上产生的电压方向与状态电压的方向一致，从而构成与原有激电路网络等效的有激电路网络模型。

一种简约电源外析原理建模方法，适用于单端口、双端口、三端口和三个以上端口的有激电路网络，不仅适用于实电路有激电路网络、也适用于复电路有激电路网络；

第一步：将有激电路网络所有的端口开路或短路，使有激电路网络处于空载状态；

第二步：测量有激电路网络所有开路端口的空载开路电压和所有短路端口的空载短路电流；

第三步：将有激电路网络内部的理想独立电源置零，得到同构无激电路网络；

第四步：在同构无激电路网络的每个开路端口上串接一个电压等于该端口空载开路电压的理想独立电压源、在同构无激电路网络的每个短路端口上并接一个电流等于该端口空载短路电流的理想独立电流源，且理想独立电压源的方向须满足在端口上产生的开路电压方向与空载开路电压的方向一致、理想独立电流源的方向须满足在端口上产生的短路电流方向与空载短路电流的方向一致，从而构成与原有激电路网络等效的有激电路网络模型。

构建电路网络需要用到电路元件和组件，电路常用元件和组件理想电压表、理想电流表、电阻元件或电导元件、电抗或电纳、阻抗或导纳的图形符号如图1a、1b、1c、1d、1e所示，其中阻抗或导纳由电阻或电导元件与电抗或电纳构成。电路常用元件和组件理想独立电压源、理想独立电流源、实际电压源、实际电流源、实际电源的图形符号如图2a、2b、2c、2d、2e所示，其中实际电压源参数采用开路输出电压和电阻或阻抗描述，实际电流源参数采用短路输出电流和电导或导纳描述，实际电源的参数采用开路输出电压和短路输出电流描述，实际电源的开路输出电压和短路输出电流则可以通过实际电压源的参数或实际电流源的参数经过计算得到。

单相直流实电路：直流理想独立实电压源和直流理想独立实电流源与电阻或电导构成的实际直流实电压源、实际直流实电流源、实际直流实电源模型如图3a所示。

两相直流复电路：直流理想独立复电压源和直流理想独立复电流源与电阻或电导构成的实际直流复电压源、实际直流复电流源、实际直流复电源模型如图3b所示。

单相正弦实电路：理想独立正弦实电压源和理想独立正弦实电流源与阻抗或导纳构成的实际正弦实电压源、实际正弦实电流源、实际正弦实电源模型如图4a所示。

两相周旋复电路：理想独立周旋复电压源和理想独立周旋复电流源与阻抗或导纳构成的实际周旋复电压源、实际周旋复电流源、实际周旋复电源模型如图4b所示。

单相普通实电路：理想独立普通实电压源和理想独立普通实电流源与电阻或电导构成的实际普通实电压源、实际普通实电流源、实际普通实电源模型如图5a所示。

两相普通复电路：理想独立普通复电压源和理想独立普通复电流源与电阻或电导构成的实际普通复电压源、实际普通复电流源、实际普通复电源模型如图5b所示。

两相复电路是指在空间上视为垂直正交的具有完全相同电路结构和参数的两组电路构成的复式电路。由于电路结构和参数完全相同，两相复电路采用单相电路的形式表示；但两相复电路对应的两相电压或电流不同，两相电压或两相电流采用将其合成为复数的形式表示。两相复电路的直流量电压表示为直流量电流表示为两相复电路的周旋量电压表示为周旋量电流表示为而两相复电路的普通电压表示为普通电流表示为其中：为虚数单位，即有：j²＝-1、j³＝-j、j⁴＝1。两相复电路的形成如图6所示。

电源外析原理建模方法应用于有激复电路网络时，每个复端口的两个分端口的电压和或电流各自单独测量，有激电路网络内部的理想独立电源置零得到两相完全相同的无激复电路网络，无激复电路网络端口串接的两个理想独立分电压源构成理想独立复电压源、无激复电路网络端口并接的两个理想独立分电流源构成理想独立复电流源，有激复电路网络通过内部电源置零和外接理想独立复电压源和或理想独立复电流源等效。

有激电路网络是内含独立电源的端口电路网络，同构无激电路网络是将有激电路网络所含独立电源置零即激励置零得到，即通过将有激电路网络内含的理想独立电压源用短路代替、理想独立电流源用开路代替得到。理想独立电压源的电压和理想独立电流源的电流称为电路的激励，将电源置零也就是将激励置零，这个过程称为去激。

电源外析原理：有激电路网络等效为在其同构无激电路网络的端口上并接电流等于端口电流的理想独立电流源、串接电压等于端口电压的理想独立电压源构成的有激电路网络。

电源外析原理建模就是通过测量端口电压或端口电流并将有激电路网络内含的理想独立电源外移至电路网络端口上的方法。电源外析原理建模过程示意图如图7a、7b和图8所示。

电源外析原理建模方法将复杂的有激电路网络简化为仅在端口上带有少量理想独立电源的电路网络，适用于单端口电路网络、双端口电路网络和多端口电路网络，大大降低电路的复杂度，使电路的分析计算与设计变得更为简单、容易。

同时电源外析原理建模方法不仅适用于单相实电路、也适用于两相复电路，不仅适用于直流、正弦交流两种基本形态的变量、还适用于任意形态的变量。

电源外析原理建模方法极大地简化了电路、降低电路的复杂度、降低电路分析与设计的难度、降低电路产品的成本，必将得到广泛地应用。

附图说明

图1a、1b、1c、1d、1e理想电压表、理想电流表、电阻或电导元件、电抗或电纳、阻抗或导纳的图形符号。

图2a、2b、2c、2d、2e理想独立电压源、理想独立电流源、实际电压源、实际电流源、实际电源的图形符号。

图3a、3b单相实际直流实电压源和直流实电流源与直流实电源模型的构成、两相实际直流复电压源和直流复电流源与直流复电源模型的构成。

图4a、4b单相实际正弦实电压源和正弦实电流源与正弦实电源模型的构成、两相实际周旋复电压源和周旋复电流源与周旋复电源模型的构成。

图5a、5b单相实际普通实电压源和普通实电流源与普通实电源模型的构成、两相实际普通复电压源和普通复电流源与普通复电源模型的构成。

图6两相复电路的形成示意图。

图7a、7b常规电源外析原理、综合电源外析原理建模过程示意图。

图8简约电源外析原理建模过程示意图。

图9常规型双端口有激静态电路网络去激得到同构双端口无激静态电路网络。

图10a、10b、10c、10d常规型双端口有激静态电路网络电源外析原理建模的四种方式。

图11a、11b简约型双端口直流量两相有激静态电路网络电源外析原理建模过程。

图12a、12b常规型双端口周旋量两相有激稳态电路网络电源外析原理建模过程。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行详细描述。

实施例1

常规型双端口有激电路网络的电源外析原理的建模

常规型双端口有激电路网络由六个实际电源s1、s2、s3、s4、s5和s6构成，经过去激得到常规型同构双端口无激电路网络，常规型同构双端口无激电路网络由六个电阻元件r1、r2、r3、r4、r5和r6构成，结构参数不变，如图9所示。

将常规型双端口有激电路网络的a端口开路、b端口开路，分别接理想电压表测量a端口的开路电压ua和b端口的开路电压ub，在常规型同构双端口无激电路网络的a端口串接电压为ua的理想独立电压源usa，在常规型同构双端口无激电路网络的b端口串接电压为ub的理想独立电压源usb，得到与原常规型双端口有激电路网络等效的简化常规型双端口有激电路网络。建模过程如图10a所示。

将常规型双端口有激电路网络的a端口短路、b端口短路，分别接理想电流表测量a端口的短路电流ia和b端口的短路电流ib，在常规型同构双端口无激电路网络的a端口并接电流为ia的理想独立电流源isa，在常规型同构双端口无激电路网络的b端口并接电流为ib的理想独立电流源isb，得到与原常规型双端口有激电路网络等效的简化常规型双端口有激电路网络。建模过程如图10b所示。

将常规型双端口有激电路网络的a端口开路、b端口短路，分别接理想电压表测量a端口的开路电压ua、接理想电流表测量b端口的短路电流ib，在常规型同构双端口无激电路网络的a端口串接电压为ua的理想独立电压源usa，在常规型同构双端口无激电路网络的b端口并接电流为ib的理想独立电流源isb，得到与原常规型双端口有激电路网络等效的简化常规型双端口有激电路网络。建模过程如图10c所示。

将常规型双端口有激电路网络的a端口短路、b端口开路，分别接理想电流表测量a端口的短路电流ia、接理想电压表测量b端口的开路电压ub，在常规型同构双端口无激电路网络的a端口并接电流为ia的理想独立电流源isa，在常规型同构双端口无激电路网络的b端口串接电压为ub的理想独立电压源usb，得到与原常规型双端口有激电路网络等效的简化常规型双端口有激电路网络。建模过程如图10d所示。

可见，同一个有激电路网络的电源外析原理所建的模型是可以不同的，但彼此等效。

实施例2

简约型双端口直流量静态两相有激电路网络电源外析原理的建模

电路图采用分置表示的两相电路网络：两相简约型双端口有激电路网络x相由六个实际电源sx1、sx2、sx3、sx4、sx5和sx6构成、y相由六个实际电源sy1、sy2、sy3、sy4、sy5和sy6构成，经过去激分别得到简约型同构双端口无激电路网络，简约型同构双端口无激电路网络x相与y相均由六个电阻元件r1、r2、r3、r4、r5和r6构成，结构参数相同。分别将x相与y相的简约型双端口有激电路网络的a端口开路、b端口短路，接理想电压表测量a端口的开路电压uxa与uya、接理想电流表测量b端口的短路电流ixb与iyb，在简约型同构双端口无激电路网络的a端口分别串接电压为uxa与uya的理想独立电压源usxa与usya，在简约型同构双端口无激电路网络的b端口分别并接电流为ixb与iyb的理想独立电流源isxb与isyb，得到与原简约型双端口有激电路网络等效的简化简约型双端口有激电路网络。建模过程如图11a所示。

电路图采用合成表示的两相电路网络：两相简约型双端口有激电路网络由六个复合实际电源和构成，经过去激得到简约型同构双端口无激电路网络，简约型同构双端口无激电路网络由六个复合电阻元件r1、r2、r3、r4、r5和r6构成，且结构参数不变。将简约型双端口有激电路网络的a端口开路、b端口短路，接复合理想电压表测量a端口的开路电压接复合理想电流表测量b端口的短路电流在简约型同构双端口无激电路网络的a端口串接电压为的复合理想独立电压源在简约型同构双端口无激电路网络的b端口并接电流为的复合理想独立电流源得到与原简约型双端口有激电路网络等效的简化简约型双端口有激电路网络。建模过程如图11b所示。

可见，采用合成表示的两相电路网络时分析推导与表述更简洁方便。

实施例3

常规型双端口周旋量稳态两相有激电路网络电源外析原理的建模

电路图采用分置表示的两相电路网络：两相常规型双端口有激电路网络x相由六个实际电源sx1、sx2、sx3、sx4、sx5和sx6构成、y相由六个实际电源sy1、sy2、sy3、sy4、sy5和sy6构成，经过去激分别得到常规型同构双端口无激电路网络，常规型同构双端口无激电路网络x相与y相均由六个阻抗组件z1、z2、z3、z4、z5和z6构成，结构参数相同。分别将x相与y相的常规型双端口有激电路网络的a端口开路、b端口短路，接理想电压表测量a端口的开路电压与接理想电流表测量b端口的短路电流与在常规型同构双端口无激电路网络的a端口分别串接电压为与的理想独立电压源与在常规型同构双端口无激电路网络的b端口分别并接电流为与的理想独立电流源与得到与原常规型双端口有激电路网络等效的简化常规型双端口有激电路网络。建模过程如图12a所示。

电路图采用合成表示的两相电路网络：两相常规型双端口有激电路网络由六个复合实际电源和构成，经过去激得到常规型同构双端口无激电路网络，常规型同构双端口无激电路网络由六个复合阻抗组件z1、z2、z3、z4、z5和z6构成，结构参数不变。将常规型双端口有激电路网络的a端口开路、b端口短路，接复合理想电压表测量a端口的开路电压接复合理想电流表测量b端口的短路电流在常规型同构双端口无激电路网络的a端口串接电压为的复合理想独立电压源在常规型同构双端口无激电路网络的b端口并接电流为的复合理想独立电流源得到与原常规型双端口有激电路网络等效的简化常规型双端口有激电路网络。建模过程如图12b所示。

可见，正弦交流电路与直流电路的电源外析原理建模过程是完全一样的。