电路第八章-向量法精.ppt

电路第八章-向量法第1页，本讲稿共42页l 正弦电流电路正弦电流电路激励和响应均为正弦量的电路称激励和响应均为正弦量的电路称为正弦电路或交流电路。为正弦电路或交流电路。8.1 8.1 正弦量的基本概念正弦量的基本概念1.1.正弦量正弦量瞬时值表达式：瞬时值表达式：i(t)=Imcos(t+y y)波形：波形：tiO/T周期周期T(period)和频率和频率f(frequency):频率频率f：每秒重复变化的次数。：每秒重复变化的次数。周期周期T ：重复变化一次所需的时间。：重复变化一次所需的时间。单位：单位：Hz，赫，赫(兹兹)单位：单位：s，秒，秒第2页，本讲稿共42页(1)(1)幅值幅值 (amplitude)(振幅、振幅、最大值最大值)Im(2)(2)角频率角频率(angular frequency)2.2.正弦量的三要素正弦量的三要素tiO/T(3)(3)初相位初相位(initial phase angle)y yIm2 t单位：单位：rad/s ，弧度，弧度/秒秒反映正弦量变化幅度的大小。反映正弦量变化幅度的大小。相位变化的速度，相位变化的速度，反映正弦量变化快慢。反映正弦量变化快慢。反映正弦量的计时起点。反映正弦量的计时起点。i(t)=Imcos(t+y y)第3页，本讲稿共42页同一个正弦量，计时起点不同，初相位不同。同一个正弦量，计时起点不同，初相位不同。tiO一般规定一般规定：|。=0=/2=/2第4页，本讲稿共42页例例已知正弦电流波形如图，已知正弦电流波形如图，103rad/s，（1）写出）写出i(t)表达式；表达式；（2）求最大值发生的时间）求最大值发生的时间t1ti010050t1解解由于最大值发生在计时起点之后由于最大值发生在计时起点之后第5页，本讲稿共42页3.同频率正弦量的相位差同频率正弦量的相位差(phase difference)。设设 u(t)=Umcos(t+y y u),i(t)=Imcos(t+y y i)则则 相位差相位差：=(t+y y u)-(t+y y i)=y y u-y y i 0，u超前超前i 角，或角，或i 落后落后u 角角(u 比比i先到达最大值先到达最大值)；0，i 超前超前 u 角角，或或u 滞后滞后 i 角角,i 比比 u 先到达最大值。先到达最大值。tu,iu iuijO等于初相位之差等于初相位之差规定：规定：|(180)。第6页，本讲稿共42页 0，同相：同相：=(180o)，反相：反相：特殊相位关系：特殊相位关系：tu,iu i0 tu,iu i0j=/2/2：u 领先领先 i/2/2,不说不说 u 落后落后 i 3/2；i 落后落后 u/2/2,不说不说 i 领先领先 u 3/2。tu,iu i0同样可比较两个电压或两个电流的相位差。同样可比较两个电压或两个电流的相位差。第7页，本讲稿共42页例例计算下列两正弦量的相位差。计算下列两正弦量的相位差。解解不能比较相位差两个正弦量进行相位比较时应满足同频率、同函数、同符两个正弦量进行相位比较时应满足同频率、同函数、同符号，且在主值范围比较。号，且在主值范围比较。第8页，本讲稿共42页4.4.周期性电流、电压的有效值周期性电流、电压的有效值 周期性电流、电压的瞬时值随时间而变，为了衡量其周期性电流、电压的瞬时值随时间而变，为了衡量其大小工程上采用有效值来表示。大小工程上采用有效值来表示。l 周期电流、电压有效值周期电流、电压有效值(effective value)定义定义R直流IR交流i电流有效值定义为有效值也称均方根值有效值也称均方根值(root-meen-square)物物理理意意义义第9页，本讲稿共42页同样，可定义电压有效值：同样，可定义电压有效值：l 正弦电流、电压的有效值正弦电流、电压的有效值设设 i(t)=Imcos(t+)第10页，本讲稿共42页同理，可得正弦电压有效值与最大值的关系：同理，可得正弦电压有效值与最大值的关系：若一交流电压有效值为若一交流电压有效值为U=220V，则其最大值为，则其最大值为Um 311V；U=380V，Um 537V。（1）工工程程上上说说的的正正弦弦电电压压、电电流流一一般般指指有有效效值值，如如设设备备铭铭牌牌额额定定值值、电电网网的的电电压压等等级级等等。但但绝绝缘缘水水平平、耐耐压压值值指指的的是是最最大大值值。因因此此，在在考考虑虑电电器器设设备备的的耐耐压压水水平平时时应应按按最最大大值考虑。值考虑。（2）测量中，电磁式交流电压、电流表读数均为有效值。）测量中，电磁式交流电压、电流表读数均为有效值。（3 3）区分电压、电流的瞬时值、最大值、有效值的符号。）区分电压、电流的瞬时值、最大值、有效值的符号。注注第11页，本讲稿共42页l 复数复数A的表示形式的表示形式AbReIma0A=a+jbAbReIma0|A|8.2 8.2 正弦量的相量表示正弦量的相量表示1.1.复数及运算复数及运算第12页，本讲稿共42页两种表示法的关系：两种表示法的关系：A=a+jb A=|A|ej=|A|直角坐标表示极坐标表示或或l 复数运算复数运算则则 A1A2=(a1a2)+j(b1b2)(1)(1)加减运算加减运算采用代数形式采用代数形式若若 A1=a1+jb1，A2=a2+jb2A1A2ReIm0AbReIma0|A|图解法第13页，本讲稿共42页(2)(2)乘除运算乘除运算采用极坐标形式采用极坐标形式若 A1=|A1|1 ，A2=|A2|2除法：模相除，角相减。除法：模相除，角相减。例例1.乘法：模相乘，角相加。乘法：模相乘，角相加。则则:解解第14页，本讲稿共42页例例2.(3)(3)旋转因子：旋转因子：复数复数 ejq q =cosq q+jsinq q =1q qA ejq q 相相当当于于A逆逆时时针针旋旋转转一一个个角角度度q q，而而模模不不变变。故故把把 ejq q 称为旋转因子。称为旋转因子。解解AReIm0A ejq q第15页，本讲稿共42页故故+j,j,-1 都可以看成旋转因子。都可以看成旋转因子。几种不同几种不同 值时的旋转因子值时的旋转因子ReIm0第16页，本讲稿共42页i1I1I2I3i1+i2 i3i2 1 2 3角频率：角频率：有效值：有效值：初相位：初相位：两个正弦量的相加两个正弦量的相加因因同同频频的的正正弦弦量量相相加加仍仍得得到到同同频频的的正正弦弦量量，所所以以，只只要确定初相位和有效值要确定初相位和有效值(或最大值或最大值)就行了。因此，就行了。因此，2.2.正弦量的相量表示正弦量的相量表示 tu,ii1 i20i3正弦量复数实际是变实际是变换的思想换的思想第17页，本讲稿共42页l 正弦量的相量表示正弦量的相量表示造一个复函数造一个复函数对对A(t)取实部：取实部：对于任意一个正弦时间函数都有唯一与其对应的复数函数对于任意一个正弦时间函数都有唯一与其对应的复数函数A(t)包含了三要素：包含了三要素：I、，复常数包含了，复常数包含了I I ,。A(t)还可以写成还可以写成复常数无物理意义是一个正弦量 有物理意义第18页，本讲稿共42页称 为正弦量 i(t)对应的相量。相量的模表示正弦量的有效值相量的模表示正弦量的有效值相量的幅角表示正弦量的初相位相量的幅角表示正弦量的初相位同样可以建立正弦电压与相量的对应关系：同样可以建立正弦电压与相量的对应关系：已知已知例例1 1试用相量表示试用相量表示i,u.解解第19页，本讲稿共42页在复平面上用向量表示相量的图在复平面上用向量表示相量的图例例2试写出电流的瞬时值表达式。试写出电流的瞬时值表达式。解解l 相量图相量图第20页，本讲稿共42页3.3.相量法的应用相量法的应用(1)(1)同频率正弦量的加减同频率正弦量的加减故同频正弦量相加减运算变故同频正弦量相加减运算变成对应相量的相加减运算。成对应相量的相加减运算。i1 i2=i3可得其相量关系为：可得其相量关系为：第21页，本讲稿共42页例例也可借助相量图计算也可借助相量图计算ReImReIm首尾相接第22页，本讲稿共42页 2.2.正弦量的微分，积分运算正弦量的微分，积分运算微分运算微分运算:积分运算积分运算:第23页，本讲稿共42页例例Ri(t)u(t)L+-C用相量运算：用相量运算：相量法的优点：相量法的优点：（1）把时域问题变为复数问题；）把时域问题变为复数问题；（2）把微积分方程的运算变为复数方程运算；）把微积分方程的运算变为复数方程运算；（3）可以把直流电路的分析方法直接用于交流电路；）可以把直流电路的分析方法直接用于交流电路；第24页，本讲稿共42页注注 正弦量正弦量相量时域 频域 相量法只适用于激励为同频正弦量的非时变线性电路。相量法只适用于激励为同频正弦量的非时变线性电路。相量法用来分析正弦稳态电路。相量法用来分析正弦稳态电路。N线性N线性12非线性不适用正弦波形图相量图第25页，本讲稿共42页8.3 8.3 电路定理的相量形式电路定理的相量形式1.1.电阻元件电阻元件VCR的相量形式的相量形式时域形式：时域形式：相量形式：相量形式：相量模型相量模型uR(t)i(t)R+-有效值关系有效值关系相位关系相位关系R+-URu相量关系：相量关系：UR=RIu=i第26页，本讲稿共42页瞬时功率：瞬时功率：波形图及相量图：波形图及相量图：i tOuRpRu=iURI瞬时功率以2交变。始终大于零，表明电阻始终吸收功率同相位第27页，本讲稿共42页时域形式：时域形式：i(t)uL(t)L+-相量形式：相量形式：相量模型相量模型j L+-相量关系：相量关系：有效值关系：U=L I相位关系：相位关系：u=i+90 2.2.电感元件电感元件VCR的相量形式的相量形式第28页，本讲稿共42页感抗的物理意义：感抗的物理意义：(1)(1)表示限制电流的能力；表示限制电流的能力；(2)(2)感抗和频率成正比；感抗和频率成正比；XL相量表达式相量表达式:XL=L=2 fL，称为感抗，单位为称为感抗，单位为 (欧姆欧姆)BL=1/L=1/2 fL，感纳，单位为感纳，单位为 S S 感抗和感纳感抗和感纳:第29页，本讲稿共42页功率：功率：t iOuLpL2瞬时功率以2交变，有正有负，一周期内刚好互相抵消i波形图及相量图：波形图及相量图：电压超前电流900第30页，本讲稿共42页时域形式：时域形式：相量形式：相量形式：相量模型相量模型iC(t)u(t)C+-+-有效值关系：IC=CU相位关系：相位关系：i=u+90 相量关系：相量关系：3.3.电容元件电容元件VCR的相量形式的相量形式第31页，本讲稿共42页XC=1/C，称为容抗，单位为称为容抗，单位为 (欧姆欧姆)B B C=C，称为容纳，单位为称为容纳，单位为 S S 频率和容抗成反比频率和容抗成反比,w0，|XC|直流开路直流开路(隔直隔直)，|XC|0 0 高频短路高频短路(旁路作用旁路作用)|XC|容抗与容纳：容抗与容纳：相量表达式相量表达式:第32页，本讲稿共42页功率：功率：t iCOupC2瞬时功率以2交变，有正有负，一周期内刚好互相抵消u波形图及相量图：波形图及相量图：电流超前电压900第33页，本讲稿共42页4.4.基尔霍夫定律的相量形式基尔霍夫定律的相量形式同同频频率率的的正正弦弦量量加加减减可可以以用用对对应应的的相相量量形形式式来来进进行行计计算算。因因此此，在在正正弦弦电电流流电电路路中中，KCL和和KVL可可用用相相应应的相量形式表示：的相量形式表示：上式表明：流入某一节点的所有正弦电流用相量表上式表明：流入某一节点的所有正弦电流用相量表示时仍满足示时仍满足KCL；而任一回路所有支路正弦电压用相量；而任一回路所有支路正弦电压用相量表示时仍满足表示时仍满足KVL。第34页，本讲稿共42页例例1 1试判断下列表达式的正、误：试判断下列表达式的正、误：L第35页，本讲稿共42页例例2 2A1A2A0Z1Z2已知电流表读数：已知电流表读数：A18AA26AA0?A0I0max=?A0I0min=?解解A0A1A2?第36页，本讲稿共42页例例2 2+_15Wu4H0.02Fi解解相量模型j20W-j15W+_15W第37页，本讲稿共42页例例3 3+_5WuS0.2Fi解解相量模型+_5W-j5W第38页，本讲稿共42页例例4 4j40WjXL30WCBA解解第39页，本讲稿共42页例例5 5图示电路图示电路I1=I2同同=5A，U50V，总电压与总电流同相，总电压与总电流同相位，求位，求I、R、XC、XL。-jXC+_R-jXLUC+-解解也可以画相量图计算也可以画相量图计算令等式两边实部等于实部，虚部等于虚部令等式两边实部等于实部，虚部等于虚部第40页，本讲稿共42页例例5 5图示为RC选频网络，试求u1和u0同相位的条件及-jXCRRuou1-jXC第41页，本讲稿共42页第42页，本讲稿共42页