割集矩阵与节点电流定律

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割集电压法分析电路问题可以看作是节点法的一种推广。第一章已介绍过割集的定义、基本概念和初步应用。割集与支路之间的联系可以用一个矩阵割集矩阵与节点电流定律来描述。矩阵的行号对应着割集号,矩阵的列号对应于支路,矩阵中的元素割集矩阵与节点电流定律作如下定义:

割集矩阵与节点电流定律1

这样建立的矩阵割集矩阵与节点电流定律称为割集矩阵。通常对于一定的电路,可以选择许多不同的割集。但在用割集电压法解题时,只有一组独立的割集电压方程才有意义。因此,与选择独立回路相类似,实际应用中往往选择单树支割集作为一组独立的割集。当选用单树支割集时,这样建立的割集矩阵称为基本割集矩阵,记作割集矩阵与节点电流定律割集矩阵与节点电流定律割集矩阵与节点电流定律阶矩阵。

对于图1所示的网络,若选择123支路为树,单树支割集及方向如图示,可写出其基本割集矩阵为:

割集矩阵与节点电流定律

上式右半部分为一单位矩阵。一般当支路编号严格按照先树支后连支编号且顺次列写,割集方向取树支方向时,割集矩阵与节点电流定律中对应树支元素的子矩阵必是一个割集矩阵与节点电流定律阶单位矩阵,割集矩阵与节点电流定律可表示为:

割集矩阵与节点电流定律 2

式中割集矩阵与节点电流定律表示由连支元素组成的割集子矩阵。

割集矩阵与节点电流定律

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割集可以看成是一个广义的节点。由割集矩阵中元素的定义可知,割集矩阵的每一行元素反映了穿过该割集表面的所有支路及其方向。若用割集矩阵与节点电流定律左乘支路电流列向量割集矩阵与节点电流定律,则其乘积的每一行之和恰为穿过该割集表面的支路电流的代数和。由基尔霍夫定律可知,任一广义节点(割集包围的部分)的电流代数和恒为零,因此割集矩阵与节点电流定律与支路电流列向量割集矩阵与节点电流定律之积为零向量,即有:

割集矩阵与节点电流定律 3 割集矩阵与节点电流定律4

上式是广义节点的基尔霍夫电流定律的矩阵形式。

对于图1所示的网络,其支路电流列向量为割集矩阵与节点电流定律,前面已写出其基本割集矩阵割集矩阵与节点电流定律。用割集矩阵与节点电流定律左乘割集矩阵与节点电流定律,可得:

割集矩阵与节点电流定律

在用割集电压法分析网络问题时,割集电压作为一组独立变量。若选择单树支割集为基本割集,则割集电压即为树支电压,即有割集矩阵与节点电流定律。类似于节点电位与支路电压之间的关系,若用割集矩阵的转置矩阵割集矩阵与节点电流定律左乘割集电压列向量割集矩阵与节点电流定律,其乘积为支路电压列向量u,即有:

割集矩阵与节点电流定律 5

此式反映了割集电压与支路电压之间的关系。例如对于图7-4-1所示的网络,选单树支割集为基本割集,则割集电压列向量即为树支电压:

割集矩阵与节点电流定律

割集矩阵与节点电流定律左乘割集矩阵与节点电流定律,可得:

割集矩阵与节点电流定律

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