电子技术基础——电路与模拟电子(第4章).pptx

4.1 正弦信号的基本概念 正弦信号的三要素 正弦信号的大小与方向都是随时间作周期性变化的，信号在任一时刻的值，称为瞬时值。在指定的参考方向下，正弦电流、电压的瞬时值可表示为 i(t)=Imsin(t+i) (41) u(t)=Umsin (t+u) (42) 现以i(t)为例，说明正弦信号的三要素。 随时间按正弦规律变化的电流、电压称为正弦信号，或下弦交流电。 正弦交流电容易产生、便于控制和变换，能远距离传输。第1页/共105页 式(41)中，Im是正弦信号在整个变化过程中可能达到的最大幅值，称为振幅或最大值。(t+i)是正弦信号的相位，t=0时的相位i称为初相位，简称初相，单位是弧度(rad)或度()。通常规定初相在|i|范围内取值。一个正弦信号，若与时间轴原点间隔最近的正向(信号值由负到正)过零点位于原点左侧时，i0；否则，i0。=d(t+i)/dt称为角速度或角频率，单位是弧度/秒(rad/s),它表示正弦信号变化的快慢程度。图4.1 正弦电流的波形 第2页/共105页 式(41)表明，若知道了正弦信号的振幅、角频率和初相，就能完全确定它随时间变化的全过程，所以常称振幅、角频率和初相为正弦信号的三要素。 由于正弦信号变化一周，其相位变化2弧度，因此，角频率也可表示为22fT(43) 式中T为正弦信号的周期，单位是秒(s)。f为频率，单位是赫兹(Hz)。当频率很高时，常用千赫兹(kHz)或兆赫兹(MHz)作单位，其转换关系是 1MHz=103kHz=106Hz 正弦电流i(t)的波形图如图4.1所示。图4.1(a)中横坐标变量是时间t;图4.1(b)中横坐标变量是t。第3页/共105页 相位差 两个同频率正弦信号在任一时刻的相位之差称为相位差。假设同频率的正弦电流和电压为 i(t)=Imsin(t+i) u(t)=Umsin(t+u) 则其相位差 =(t+i)-(t+u)=i-u 如果=i-u0，如图4.2(a)所示，则表示随着t的增加，电流i要比电压u先到达最大值或最小值。这种关系称i超前于u或u滞后于i,其超前或滞后的角度都是；如果0,如图4.2(b)所示，则结论恰好与上面情况相反。第4页/共105页 图4.2 相位差 如果0,如图4.2(b)所示，则结论恰好与上面情况相反。 如果=0，则称i与u同相。如图4.2(c)所示，表示i与u同时达到最小值、零值与最大值。 如果=，则称i与u反相。此时，如图4.1(d)所示，当i达到最大值时，u却为最小值，反之亦然。第5页/共105页 例1 已知正弦电流i1、i2和正弦电压u3分别为 i1(t)=5sin(t+30)A i2(t)=-10sin(t+45)A U3(t)=15cos(t+60)V 试比较i1与i2、i1与u3间的相位关系。 解 比较两个正弦信号的相位关系时，除要求它们的频率或角频率相同外，还应注意信号的函数类型为正弦函数，以及瞬时表达式前面负号对相位的影响。由于 i2(t)=-10sin(t+45)=10sin (t-135) u3(t)=15cos(t+60)=15sin (t+150) 所以，i1与i2间的相位差为 12=30-(-135)=165 i1与u3间的相位差为 13=30-150=-120 第6页/共105页 有效值 设有两个相同的电阻，分别通以周期电流和直流电流。如果在一周期内，两个电阻消耗的能量相同，就称该直流电流值为周期电流的有效值。 当周期电流i通过电阻R时，一周期内电阻消耗的电能为200( )( )TTiWp t dtRit dt 式中T为周期信号的周期。 当直流电流I通过电阻R时，在相同时间T内，电阻消耗的电能为 WI=RI2T 然后，令Wi=WI,则有于是，周期电流i的有效值为 201( )TIit dtT(44) 第7页/共105页 因为正弦电流是周期电流，所以可直接应用式(44)求出它的有效值。设正弦电流 i(t)=Imsin(t+i) 将它代入式(44),得220201sin ()1cos2()20.7072TmiTmimmIItdtTItdtTII(45) 20.70722mmmUUUUU第8页/共105页 同样地，可求得正弦电压u=Umsin(t+u)的有效值表达式为( )2 sin()( )2sin()iui tItu tUt 在电工技术中，通常用有效值表示交流电的大小。例如交流电压220V、交流电流50A，其电流电压值都是有效值。各种交流电气设备铭牌上标出的额定值及交流仪表的指示值也都是有效值。第9页/共105页 例2 已知正弦电压源的频率为50Hz，初相为/6弧度，由交流电压表测得电源开路电压为220V。求该电源电压的振幅、角频率，并写出其瞬时值表达式。 解 因为 ,所以50,6fHzrad2250314/22220311mfrad sUUV电源电压瞬时值表达式为( )sin()311sin(314)6muu tUttV第10页/共105页4.2 正弦信号的相量表示 复数及其运算 在数学中，一个复数A可以表示成代数型、指数型或极型，即 A=a1+ja2 (代数型) =aej (指数型) =a (极型) (47)第11页/共105页 式中 为复数单位；a1和a2分别为复数A的实部和虚部；a和分别是A的模和辐角。复数A也可以表示为复平面上的一个点或由原点指向该点的有向线段(矢量)，如图4.3所示。由图可知，复数代数型与指数型(或极型)之间的转换关系为1j 221221arctanaaaaa(48) 和 12Re cos sinaAaaFm Aa(49) 第12页/共105页 两个复数相等时，其实部和虚部分别相等，或模和辐角分别相等。 两个复数相加(减)等于把它们的实部和虚部分别相加(减)。例如，若A=a1+ja2,B=b1+jb2,则 AB=(a1+ja2)(b1+jb2) =(a1b1)+j(a2b2) (410) 两个复数相乘(除)等于将它们的模相乘(除)、辐角相加(减)。例如，若 ,ABjjABAaeaBbeb()()ABABjABjABA BabeabAaaeBbb(411) 第13页/共105页 正弦信号的相量表示 我们知道，正弦信号由振幅、角频率和初相三个要素确定。由于在正弦稳态电路中，各处的电流和电压都是正弦信号，并且它们的角频率与正弦电源的角频率相同，因此，在进行正弦稳态电路分析时，对于正弦电流、电压的振幅和初相，是我们最为关心的两个要素。为了简化分析，现在以电流为例，介绍正弦信号的相量表示。 根据欧拉公式，可将复指数函数 表示为()ijtmI e()cos()sin()ijtmmimiI eItjIt第14页/共105页 注意上式中的虚部即为正弦电流的表达式，于是有()( )sin()iimijtjj tmmj ti tItfm I efm I eefm I e(412)式中ijmmmiII eI(413) 式(413)中复数 的模和辐角恰好分别对应正弦电流的振幅和初相。在此基础上，再考虑已知的角频率，就能完全表示一个正弦电流。像这样能用来表示正弦信号的特定复数称为相量，并在符号上方标记圆点“”，以与一般复数相区别。 称为电流相量，把它表示在复平面上，称为相量图，如图上所示。mImI第15页/共105页 同样地，正弦电压可表示为( )sin()umujmmmuu tUtUU eU称为电压相量。 分别称为电流、电压的有效值相量，相应地，将 和 分别称为电流和电压的振幅相量。显然，振幅相量是有效值相量的 倍。 相应的 iijijuIIeIUUeU(416)mImU2第16页/共105页 必须指出，正弦信号是代数量，并非矢量或复数量，所以，相量不等于正弦信号。但是，它们之间有相互对应关系，即sin()sin()iujmmimijmmummuiItI eIuUtUU eU(417) 或 2 sin()2sin()iujiijuuiItIIeIuUtUUeU(418) 第17页/共105页 例3 已知电压u1=4sin(t+60)V, u2=6sin(t+135)V和u3=8sin(t-60)V。 试写出各电压的振幅相量，并画出相量图。 解 设正弦电压u1、u2和u3的振幅相量分别为 123mmmUUU、,则 1234 606 135860omomomUVUVUV第18页/共105页 例4 部分电路如图4.7(a)所示，已知 125 2sin(36.9 ) ,10 2sin(53.1 )ooitAitA试求电流i=i1+i2。 解 由已知条件可得1122536.910 53.1ooiIAiIA12536.910 53.1(43)(68)10511.18 26.6oooIIIjjjA 因此，正弦电流i的表达式为11.18 2sin(26.6 )oitA第19页/共105页4.3 基本元件VAR和基尔霍夫定律的相量形式 基本元件VAR的相量形式 1.电阻元件 如图4.8(a)所示，设电阻R的端电压与电流采用关联参考方向。当正弦电流( )2 sin()ii tIt由欧姆定律可知电阻元件的端电压为 ( )( )2sin()2sin()iiu tRi tRItUt(424) 比较以上两式:U=RI或Um=Rim 可见：电阻元件的电流、电压是同频率的正弦量，而初相是相同的，即电流与电压同相位。第20页/共105页图4.8 电阻元件的i-u关系 设正弦电流i和电压U对应的有效值相量分别为 和 ，即 , ，则对应的相量表达式为IUiIuUURI(425) 该式表明了电阻R的电流、电压相量关系，称为电阻元件VAR的相量形式。第21页/共105页 按照复数相等定义，上式等号两边复数的模及幅角分别相等，即 uiURI(426) 它以相量形式的伏安关系描述电阻元件特性，故称为相量模型。电阻元件电流、电压相量图如图上所示。 第22页/共105页 2. 电感元件 设电感L的端电压与电流采用关联参考方向，如图4.10(a)所示。当正弦电流( )2 sin()ii tIt通过电感时，其端电压为 ( )( )2cos()2sin(90 )2sin()ioiudi tu tLLItdtLItUt(427) 第23页/共105页 式中U和u分别为电感电压的有效值和初相。由式(427)可知电感电压和电流是同频率的正弦量，其波形如图4.10(b)所示。 若设电感电流、电压与有效值相量的对应关系为Uj LI比较两表达式：U=LI或Um=LImu=i+90其相量表达式为：XL=L=2fL，叫感抗，表明电感受对交流电路的阻碍作用随频率改变。第24页/共105页图4.11 电感元件的 关系 I U由图可见，电压超前电流90第25页/共105页例4-10 已知一电感元件L=3H，接在的电源上，求（1）感抗的大小；（2）电感元件电流i的表达式。V)60314sin(2220tu9423314LXL22060UVA15023. 0A9094260220LjXUIA)150314sin(223. 0ti解：第26页/共105页 3. 电容元件 设电容元件C，其电压、电流采用关联参考方向，如图4.12(a)所示。当电容端电压为u(t)= Usin(t+u)时，通过C的电流为2( )2cos()2sin(90 )2 sin()uouudui tCCUtdtCUtIt(431) 第27页/共105页 式中I和i分别是电容电流的有效值和初相。式(431)表明，电容电压、电流是同频率的正弦量，其波形图如图4.12(b)所示。 图4.12 电容元件的i-u关系第28页/共105页11Ij CUUIjIj CC 比较上两式:1ICUUIC90oui相量式：其中：1LXC叫容抗，反映电容对电流的阻碍作用。单位。 对于给定的电容C，当U一定时，愈高，电容进行充放电的速率愈快，单位时间内移动的电荷量愈大。反之，愈低，电流将愈不容易通过。在直流情况下，=0,I=0，电容相当于开路，所以，电容元件具有隔直流的作用。电容电压的相位滞后电流90。电容中电流、电压的相量图如图所示。第29页/共105页例4-11 已知2F电容两端的电压有效值为10V，初相为60o，角频率为1000rad/s。试求流过电容的电流，写出其瞬时值解析式。V6010UC61150010002 10XC A1500.02905006010CjXUIA)1501000sin(202. 0ti解： 电压的相量形式为： 电容的容抗为： 得电流的瞬时值解析式为第30页/共105页 、KVL的相量形式 KCL指出：对于集总参数电路中的任意节点，在任一时刻，流出(或流入)该节点的所有支路电流的代数和恒为零。在正弦稳态电路中，各支路电流都是同频率的正弦量，只是振幅和初相不同，其KCL可表示为11sin()0nnkkmkikkiIt(436) 对应的相量关系表示为 1100nnkmkkkII或 (437) 第31页/共105页 这就是KCL的相量形式。它表明，在正弦稳态电路中，对任一节点，各支路电流相量的代数和恒为零。 同理，对于正弦稳态电路中的任一回路，KVL的相量形式为1100nnkmkkkUU(4)或 第32页/共105页 例4-12 在图4.14（a）电路中，已知电流 ，R=100，L=50mH，C=10F，试用相量法求iR、iL、uS、及i并画出相量图，并求导纳Y。 C2sin1000 Ait第33页/共105页 解： 画出电路的相量模型如图所示。写出电流iC的相量形式根据各元件电压、电流的相量关系式可得C10 AI C6111001000 10 10XC3L1000501050XLSCC100 1010090 VUjX Ij SLL100902180 A50UIjXj SR10090190 A100UIR 第34页/共105页由基尔霍夫电流定律的相量形式得 即： RLC19021801 02135 AIIII S100 2 sin(100090 )VutL22 sin(1000180 )AitR2 sin(100090 )Ait2sin(1000135 )AitY=0.01-j0.01(s)第35页/共105页例4-13 如图4.15所示各电路中，已知电流表A1、A2、A3的读数都是10 A，求电路中电流表A的读数。 A+ I i1 R i2 Lu A1 A2- A+ i i1 i2 i3 R L CU A1 A2 A3-解： 设端电压 V0UU（a）图： 选定电流的参考方向如图所示，根据R、L、C元件电压电流的相位关系有 A9010 A 01021IIA45210901001021III电流表A的读数为A。注意：这与直流电路是不同的, 总电流并不是20A。 210（b）图：电流表A的读数为10A。第36页/共105页 例5 电路如图4.14(a)所示。已知R=5，L=5mH,C=100F，Uab(t)= sin103tV。求电压源电压us(t)，并画出各元件电流、电压的相量图。10 2图4.14 例5用图 第37页/共105页 解 电压Uab的有效值相量为 333610 0105 105111010100 10oabUVLC 根据R、C元件VAR的相量形式，得 10 02510 01(1/)10oabRoabCUIARUIj AjCj 由KCL得 212.24 26.6oLRCIIIjA第38页/共105页由电感元件VAR相量形式，求得 11.2 116.610 0( 5.0110.01)104.9910.0111.18 63.5oosLaboUUUjjV 52.24 26.611.2 116.6ooLLUj LIjV根据KVL，可得电压源电压 所以 3( )11.18 2sin(1063.5 )osu ttV各元件电流、电压相量图如图4.14(b)所示。补充例9第39页/共105页4.4 复阻抗和复导纳 阻抗与复导纳 由上节讨论可知，在电流、电压采用关联参考方向的条件下，三种基本元件VAR的相量形式是1,URIUj LIUIj C(439)如用振幅相量表示，则为1,mmmmmmURIUj LIUIj C(440) 上式与电阻电路中的欧姆定律相似，故称为欧姆定律的相量形式。第40页/共105页(1) (1) 阻抗阻抗正弦激励下正弦激励下IZU+- -无源线性IU+- -ZIUZ | 定义阻抗定义阻抗iu 单位： IUZ 阻抗模阻抗角欧姆定律的欧姆定律的相量形式相量形式第41页/共105页阻抗Z还可表示成代数式形式 Z=R+jX式中R是Z的实部，称为阻抗的电阻分量，X是Z的虚部，称为阻抗的电抗分量，它们与阻抗模和阻抗角之间有如下关系 ZcosRZZsinXZ22ZRXZarctanXR当电路中电抗X0时，0，二端网络端口电压u在相位上超前电流i，此时电路的阻抗性质是电感性的；当X0时，0，电压u在相位上滞后电流i，此时电路的阻抗性质是电容性的；当X=0时，=0，电压u与电流i同相，此时电路是电阻性的。 RXXL阻抗三角形第42页/共105页(2) (2) 导纳导纳正弦激励下正弦激励下IYU+- -无源线性IU+- -YUIY | 定义导纳定义导纳ui 单位：SUIY 导纳模导纳角第43页/共105页 基本元件R、L和C的阻抗分别为其中XL称为感抗；XC称为容抗；单位为。11RLLCCZRZj LjXZjjXj CC 111RLLCCYGRYjjBj LLYj CjB 基本元件R、L和C的导纳分别为:其中BL称为感纳；BC称为容纳；G叫电导。单位为S。第44页/共105页 阻抗和导纳的串、并联 下面给出阻抗和导纳串、并联的有关结论，其证明方法与电阻电路相似，这里不再重复。设阻抗Z1=R1+jX1,Z2=R2+jX2;导纳Y1=G1+jB1,Y2=G2+jB2。则当两个阻抗Z1和Z2串联时，其等效阻抗Z为 Z=Z1+Z2=(R1+R2)+j(X1+X2) (454) 分压公式为12121212ZZUUUUZZZZ(455) 第45页/共105页 当两个导纳Y1和Y2并联时，其等效导纳Y为 Y=Y1+Y2= (G1+G2) + j (B1+B2) (456) 分流公式为12121212YYIIIIYYYY(457) 式中 为通过并联导纳的总电流相量。 当两个阻抗Z1、Z2相并联时，它的等效阻抗Z为I1212Z ZZZZ其分流公式为 21121212ZZIIIIZZZZ(459) 第46页/共105页导纳等效转换为阻抗时，有 222211GBZjRjXYGjBGBGB式中 2222GBRXGBGB(461) 第47页/共105页例例2 2 解解 Acos)(ttiS2SIRU1A01SI电路如图电路如图, ,已知已知R R=3=3 ，L L=2H=2H， =2rad/s。求。求u1(t) 、u2(t) 、u (t)。+ + u- -+ + u1 - -iSL+ +u2- -R=3 jL= j4R=3- 1U-2U-USI相量模型相量模型电流相量：电流相量：由由RL元件元件VCR相量关系式得：相量关系式得：V03013SILjU2V9044j21UUU由由KVL：V. 153543j014j第48页/共105页写出写出u1(t) 、u2(t) 、u (t)表达式为表达式为：V cos)(ttu2231)V90 cos()(ttu2242)V.5 cos()(13225ttu画相量图画相量图SI +1+j 2U 1U USI 1U 2U U13.513.5第49页/共105页例例3 3 解解( )10 2sin VSu ttRUIS1V010SU电路如图电路如图, ,已知已知R R=4=4 ，C C=0.1F=0.1F， =5rad/s。求。求i1(t) 、i2(t) 、i (t)。 1I2I-SUI相量模型相量模型电压相量：电压相量：由由RC元件元件VCR得：得：A.524010CjUIS/12A9055j21III由由KCL：A.463595552j2010jii1+ +uS- -R=4C=0.1Fi2R=421jCj 第50页/共105页写出写出i1(t) 、i2(t) 、i (t)表达式为表达式为：A 5sin25 . 2)(1ttiSU)A90 5sin(25)(2tti)A4 . 36 5sin(259. 5)(tti画相量图画相量图 +1+j 2I 1II SU 1I 2I I43.643.6第51页/共105页 例7 如图4.22(a)电路，已知r=10，L=50mH,R=50，C=20F,电源 us(t)=100 sin(103t)V。求电路的等效阻抗和各支路的电流，并画出电流相量图。 解 电压源相量和jXL、jXC分别为236100 0100050 101501150100020 10osLCUVjXj LjjXjjjC 第52页/共105页 电路的相量模型如图(b)所示。 设R、L串联支路的阻抗为ZrL,R、C并联电路的阻抗为ZRC,可得105050(50)35.364525255050rLLoCRCCZrjXjR jXjZjRjXj电路总阻抗Z为(1050)(2525)352543 35.4oeLRCZZZjjj第53页/共105页 电路总电流 100 02.3335.443 35.4osooUIAZ由并联电路分流公式，求得R、C支路电流 502.3335.41.6580.45050502.3335.41.65 9.65050ooCRCooCCjXjIIARjXjRIIARjXj第54页/共105页 例4-15 两个负载Z1=5+j5和Z2=6-j8相串联，接在的电源上。试求等效阻抗Z和电路电流i。 解： 等效阻抗12(5j5)(6j8)(11j3)11.415.3ZZZ 电压u的相量形式为 220 30 VU 电流相量为：00220 30A19.3 45.3 A11.415.3UIZ电流的表达式为： 19.3 2sin(31445.3 )Ait第55页/共105页4.5 正弦交流电路的相量法分析 在简单的交流电路中，欧姆定律、基尔霍夫定律都可以应用，因此支路电流法、节点电压法、叠加原理、戴维南定理都可以应用。(1) (1) 画电路的相量模型(2) (2) 根据KCLKCL、KVLKVL和元件VCRVCR的相量形式，求解得到电压电流的相量表达式；(3) (3) 根据计算得到的电压、电流相量，写出相应的瞬时值表达式。各正弦电压、电流用相量表示，R R、L L、C C元件用相应的阻抗或导纳表示。第56页/共105页例4-19 在图4.25所示的正弦稳态电路中，已知Z1=1+j2，Z2=0.8+j2.8，Z3=40+j30，US1=US2=220V， 滞后 20角，试用支路电流法求各支路电流。1SU2SU解： 设 为参考相量，则 1SUS12200 VU S222020 VU 根据KCL、KVL的相量形式列出电路方程1231 133S12233S20IIIZ IZ IUZ IZ IU第57页/共105页代入已知数据得12313230(12)(4030)2200(0.82.8)(4030)22020IIIjIjIjIjI 解方程得116.33.9 AI 214.1 17.1 AI34.1846.1 AI 第58页/共105页例4-19 在图4.25所示的正弦稳态电路中，已知Z1=1+j2，Z2=0.8+j2.8，Z3=40+j30，US1=US2=220V， 滞后 20角，试用节点电路法求各支路电流。2SU解： 选择参考节点、设节点电压为，如图4.26所示。列节点电压方程为 1SU 代入已知数据：S1S212312111UUUZZZZZ111220022020120.82.84030120.82.8Ujjjjj 2099.3 VU 解得：第59页/共105页S11122002099.316.3 3.9 A12UUIZj S2222099.32202014.1 17.1 A0.82.8UUIZj 332099.34.1846.1 A4030UIZj各支路电流为思考题：用戴维南定理求解此题？第60页/共105页4.6 正弦稳态电路的功率 对于电阻、电容、电感组成的无源二端网络，都可以等效为复阻抗Z=R+jX，也就是等效为一个电阻与一个电抗串联的电路。一般的可分为设：( )2 sin()( )2sin()i tItu tUt式中是端口电压与电流的相位差。在任一时刻t,电路N的吸收功率第61页/共105页 p(t)=u(t)i(t)=2UIsin(t)sin(t+) =UIcos-UIcos(2t+) 称为瞬时功率 随电流i和电压u的变化，瞬时功率p(t)有时为正，有时为负。当u0,i0或u0,i0时，p(t)0,说明在此时电路N从外电路吸收功率；当u0,i0或u0,i0时，p(t)0,此时电路N向外电路发出功率。 p u，i p i t u i+u-N第62页/共105页 1.平均功率P电路的平均功率也称有功功率，它是瞬时功率在一周期内的平均值，即01( )cosTPp t dtUIT 平均功率代表电路所消耗的功率，所以在正弦稳态电路中通常所说的功率是指平均功率。平均功率的单位是瓦(W)。 在RLC串联电路中，电路中的有功功率即电阻上的功率。即： P=I2R 此结论可推广到任意交流电路中：RPP平均功率不仅与电压、电流有关，还与电压、电流的相位差、即电路的阻抗角有关，定义： =cos 称为电路的功率因数第63页/共105页 2. 无功功率Q 为了描述交流电路电源与外电路的能量交换规模，定义 为无功功率，代表二端网络与外电路交换能量的最大值。sinQUI无功功率的单位是乏(Var)。 显然，对于电阻性电路N，=0,Q=0,表示N与外电路没有发生能量互换现象，流入N的能量全部被电阻消耗；N为电感性电路时，0,Q0;N为电容性电路时， 0,Q0。后两种情况中，Q0，表示电路N与外电路之间存在能量互换现象，而不是消耗能量。 第64页/共105页0Q 22CCCCCUQU IIXX 22LLLLLLUQU II XX因此单一R、L、C元件的无功功率为：电阻元件： 电容元件： 电感元件： 第65页/共105页 3. 视在功率S 在一般交流电路中，称P=UI为视在功率。 单位VA（伏安）。 实际用电设备的功率以视在功率表示。 22coscossinsinPUISQUISSPQUI视在功率、有功功率和无功功率的关系如下 S Q P功率三角形第66页/共105页4. 复功率 在工程上为了计算方便，取有功功率P作为实部、无功功率Q作为虚部组成复数，该复数被定义为复功率，用 表示：SSPjQ 复功率的模为视在功率S，辐角为功率因数角。22SSPQarctanQP uiui()*cossinjjjjSUIjUIUIeUIeUeIeUI 是 电流的共轭复数*II第67页/共105页 例4-23 电路如图4.31所示，已知U=100V，试求该电路的P、Q、S、 和。 S解： 设端口电压相量为： 1000 VU 电路的等效阻抗为16( 16)14861036.91616jZjjj 端口电流为10001036.9 A1036.9UIZ *10001036.9100036.9800600VASUIj 1000VASSRe 800WPSIm 600VarQScoscos( 36.9 )0.8 则 第68页/共105页 功率因数介于0和1之间，反映电源在额定容量S下向负载输送多少有功功率。P=UIcos，例如容量为105的发电机，当cos=0.6时，对外提供有功功率为60000kW，若cos=0.9时，则它对外提供90000kW的有功功率。 另外输电线上的电流I=P/Ucos，当P和U一定时，功率因数越大，线路上功率损耗越小。有利于节能，提高供电质量。提高功率因数的方法是在感性负载两端并联电容器。第69页/共105页4.7 谐振电路 串联谐振电路 RLC串联电路如图4.32(a)所示，设图中正弦电压源 的角频率为。串联电路的等效阻抗为0osUU11()ZRj LRjLj CC 在正弦电源激励下的RLC串联电路，通过改变元件参数或调节电源频率，可使电路端电压与流入的电流同相，此时称电路发生了谐振。第70页/共105页电路中电流 sUIZ若使电压与电流同相位，则应有Z=0。即： 我们称电路发生了串联谐振。上式是电路发生串联谐振的条件。 根据谐振条件，可得谐振频率为：0010XLC00112fLCLC图4.33 |Z|、X及I随的变化曲线第71页/共105页 在上面讨论中，我们保持电路参数不变，即0一定，通过改变电源角频率，使之与0相等，电路产生谐振。实际上，若固定电源角频率，调节电路参数L或C，0发生变化，使0=,则电路也会发生谐振。串联谐振电路具有以下特点： (1) 谐振时，电抗X=0,故电路阻抗0ZRjXR电路呈电阻性。阻抗模 达最小。 220ZRXR (2) 谐振时电路电流00ssUUIZR达到最大。第72页/共105页(3)谐振时电路元件上电压000000000011sRsLsCsUURIRURLUjLIjURUIjUjCCR 串联谐振时，电感和电容上的电压远大于电阻上的电压，因此串联谐振又叫电压谐振。谐振时UL0=UC0 Q称为品质因数，它表示谐振时电容或电感上的电压上电源电压的Q倍。出表示电路选择性强弱。001CLLULUCQUURCRR第73页/共105页 在电子技术中，常用串联谐振电路选择特定频率的信号并输出较高的电压。例如，收音机的天线输入回路就是一个由线圈(其电感为L，电阻为R)与可调电容C组成的串联等效电路，如图4.34所示。图4.34 收音机的输入电路 在电力工程中，串联谐振时电抗元件上过高的电压，可能会导致电感或电容元件的绝缘材料击穿。应避免。第74页/共105页例 4 - 2 5 将 电 感 线 圈 与 电 容 器 串 联 ， 接 在 电 压 有 效 值 为U=0.5V的电源上，线圈的电阻R=20，电感L=4mH，调节电容为250pF时电路发生串联谐振。试求：（1）电路的谐振频率及品质因数Q；（2）电路中的电流及电容电压o31211159kHz22 3.14 4 10250 10fLC33oo223.14 159 104 1020020Lf LQRR解： （1）电路的谐振频率f0及品质因数Q为0.525mA20UIRC2000.5100VUQU（2）谐振电流I及电容电压UC为第75页/共105页 并联谐振电路 RLC并联电路如图4.36(a)所示。图中正弦电流源的角频率为，设其电流相量的初相为零。 图4.36 并联谐振电路 第76页/共105页 并联电路的等效导纳为1()YGjBGjCL(497)式中 11,GBCRL 当电纳B=0时，电路端电压 与电流源电流 同相，称电路发生并联谐振。满足B=0的角频率称为并联谐振电路的谐振角频率，记为0。根据B=0，可得UI0010CL(498) 第77页/共105页 该式称为并联电路的谐振条件。从谐振条件可得并联谐振电路的谐振角频率为00112fLCLC或 (499) RLC并联电路谐振时有以下特点：(1)由式(497)可见，谐振时并联电路导纳01YGR(4100) 其值最小，且为纯电导。阻抗最大，即0011ZRYG(4101) 第78页/共105页 (2) 由图4.36(a)，可知谐振时电路端电压00sssIIURIYG(4102) 其数值达最大值，且与电流源 同相位。 sI 图 4.37 第79页/共105页 (3)并联电路谐振时各支路电流00000000000sGsCsLsIIGUGIYIjCUjCRIUIjCRIjL 可见，并联电路谐振时，激励源电流全部流经电导支路。电容与电感支路电流大小相等，相位相反，在LC回路中形成量值为激励源电流的0CR倍的回路电流，所以，并联谐振又称电流谐振。 谐振时各支路电流相量如图4.36(b)所示。第80页/共105页 另一种常见的并联谐振电路如下图所示，其中R是电感线圈的损耗电阻。电路的谐振条件000101CLLC求得谐振角频率 第81页/共105页4.8 三相电路 三相电源 三 相 电 源 是 三 相 交 流发电机的电路模型。它由三个频率、振幅相同而初相互差120的正弦电源按一定连接方式组成。图4.39 三相发电机示意图 第82页/共105页 图4.39是三相发电机的示意图。发电机定子内侧嵌入三个完全相同而彼此相隔120的绕组ax、by和cz,分别称为a相、b相和c相。其中a、b、c表示绕组的始端，x、y、z为末端。发电机转子由锻钢制成，上面有绕组，通以直流后在周围空间产生磁场。当转子在外力驱动下以角速度匀速旋转时，将分别在绕组ax、by和cz上感应出正弦电压ua、ub和uc。设各电压的参考方向如图4.40(a)所示，并以ua为参考电压(令其初相为零)，则各电压可表示为 第83页/共105页 式中up为各相电压的有效值。这组电源称为对称三相电源，简称三相电源。式(4109)的相量表示为2sin2sin(120 )2sin(120 )aobocuUtuUtuUt(4109) 0120120oaobocUUUUUU(4110) 第84页/共105页 三相电源各相电压的波形图和相量图分别如图4.40(b)和(c)所示。 容易证明，对称三相电源三相电压的瞬时值之和等于零，其相量之和也为零，即( )( )( )00abcabcu tu tu tUUU(4111) (4112) 三相电源的每相电压可以独立向外电路供电，这样需要六条输电线，很不经济。实际使用中，三相电源的三相电压按星形(Y形)或三角形(形)方式连接成一个整体向外供电。第85页/共105页第86页/共105页图4.41 三相电源的Y形连接 bnUcaUcnUbcUanUabU303030caUaUcUababUUUbUaUbcUcUbU第87页/共105页 由图4.41(a)和式(4110)可得各线电压为130120()2233()330223903150ooababppppoppobcbcpocacapUUUUUUjUjUUUUUUUUUU 式(4113)表明，对称三相电源的线电压也是对称的，而且线电压有效值Ul是相电压有效值Up的 倍，即33lpUU第88页/共105页图4.42 三相电源的形连接 三相电源的三角形连接时，回路中电流为0。线电压等于相电压。但线电流不等于相电流。abUbcUcaU第89页/共105页 三相电路的计算 三相电源的负载由单相电源负载互相连接组成，连接方式也有Y形和形两种。如果各相负载的参数相同，则称为对称三相负载。对称三相电源与对称三相负载连接组成对称三相电路。下面分两种情况介绍对称三相电路的特点和计算方法。对于非对称的三相电路，可采用常规相量法进行分析，这里不再详细讨论。 第90页/共105页 1.负载作Y形连接 对称三相负载接至三相电源时，为保证设备能正常运行，用电设备的额定电压应与电源电压相符，并由此来确定负载的连接方式。当负载的额定电压等于电源线电压的 时，三相负载应作Y形连接。 图4.43表示对称Y形三相电源外接对称Y形负载组成的电路，称为对称Y-Y三相电路。图中负载阻抗Z=|Z|z，nn为中线，Zn为中线阻抗。1/3第91页/共105页图 4.43第92页/共105页 由于对称电源的相电压满足 故有0abcUUU0n nU 可见节点n和n为等电位点，中线电流 等于零。而流过负载的相电流，也就是端线的线电流分别为nI120120120120paazpzpoobbzpzpoocczpzUUIIZZUUIIZZUUIIZZ(4115) 第93页/共105页 式中Ip为负载相电流的有效值。显然，负载相电流也是对称的。 每相负载的吸收功率为cos()cos3lpppzlzUPU II(4116) 三相负载吸收的总功率为 33cos3cospppzllzPPU IU I(4117) 第94页/共105页 2.负载作形连接 当三相负载的额定电压等于电源的线电压时，负载应作形连接。 如下图所示，对称三相负载作形连接。设三相电源输出线电压为0120120oablobcloca