第9章非正弦周期电流电路优秀PPT.ppt
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1、第9章非正弦周期电流电路现在学习的是第1页,共64页学学习习目目标标正确理解非正弦周期电流电路的基本概正确理解非正弦周期电流电路的基本概念和谐波分析法念和谐波分析法深刻理解深刻理解将周期函数将周期函数f(t)f(t)分解为直流分量、分解为直流分量、基波分量和一系列不同频率的各次谐波分量基波分量和一系列不同频率的各次谐波分量之和。之和。深刻理解和掌握谐波分析的意义:傅里叶深刻理解和掌握谐波分析的意义:傅里叶级数是一个收敛级数,当级数是一个收敛级数,当K K取到无限多项时取到无限多项时就可以准确地表示原非正弦周期函数,但在就可以准确地表示原非正弦周期函数,但在实际工程计算时只能取有限的几项,取多少
2、实际工程计算时只能取有限的几项,取多少项依据工程所需的精度而定。项依据工程所需的精度而定。正确非正弦周期电流有效值、平均值和正确非正弦周期电流有效值、平均值和平均功率,并会进行计算平均功率,并会进行计算。现在学习的是第2页,共64页 9.1非正弦周期电流电路的基本概念非正弦周期电流电路的基本概念 9.1.1非正弦周期电流、电压的概念非正弦周期电流、电压的概念 前面几章研究了正弦电流电路的分析计算方法,但在工程实际中大量存在的还有非正弦周期电压和电流,如图9.1所示的周期性变化的方波、三角波等。非正弦周期电压和电流都是随时间作周非正弦周期电压和电流都是随时间作周期性变化的非正弦函数,和正弦函数相
3、比,都有变化期性变化的非正弦函数,和正弦函数相比,都有变化的周期的周期T和频率和频率f,不同的仅是波形而已。,不同的仅是波形而已。现在学习的是第3页,共64页 图9.1几种常见的非正弦波 (a)尖脉冲电流;(b)矩形波电压;(c)锯齿波电压 现在学习的是第4页,共64页周期函数的一般定义是:设有一时间函数f(t),若满足则称为则称为周期函数。其中周期函数。其中T为常数,称为为常数,称为的重复周期,的重复周期,简称周期。简称周期。称为周期函数的频率。称为周期函数的频率。现在学习的是第5页,共64页9.1.2产生非正弦周期电压、电流的原因产生非正弦周期电压、电流的原因 在什么情况下,电路中会出现非
4、正弦周期电压和电流呢?在线线性电路中有一个正弦电源作用或多个同频电源共同作用时,电路各部份的性电路中有一个正弦电源作用或多个同频电源共同作用时,电路各部份的稳态电压、电流都是同频的正弦量。稳态电压、电流都是同频的正弦量。在线性电路中,有几个不同频率的正弦激励时,稳态响应一般是在线性电路中,有几个不同频率的正弦激励时,稳态响应一般是非正弦的。非正弦的。更普遍的情形,也是本章重点研究的情形则是线性电路中,当激励是非正弦周期函数时,各部分的稳态响应也将是非正弦周期电激励是非正弦周期函数时,各部分的稳态响应也将是非正弦周期电压和电流压和电流。例如在电力工程中,发电机产生的电压尽管力求按正弦规律变化,但
5、由于制造方面的原因,其电压波形是周期的,但与正弦波形或多或少会有差别。在自动控制、电子计算机等技术领域中大量应用的脉冲信号也都是非正弦周期信号,如图9.1(a)周期脉冲电流、9.1(b)的方波电压,图9.1(c)实验室常用的电子示波器扫描电压的锯齿波。在通信工程方面传输的信号,如收音机、电视机收到的信号电压和电流,它们的波形也都是非正弦的周期信号。现在学习的是第6页,共64页9.1.3谐波分析法谐波分析法 怎样分析在非正弦周期电压和电流的激励下,线性电路的稳态响应呢?首先应用数学中的傅里叶级数展开方法,将非正弦周期电压和电首先应用数学中的傅里叶级数展开方法,将非正弦周期电压和电流激励分解为一系
6、列不同频率的正弦量之和。其次,再根据线性电路流激励分解为一系列不同频率的正弦量之和。其次,再根据线性电路的叠加定理,分别计算在各个正弦量单独作用下在线性电路中产生的的叠加定理,分别计算在各个正弦量单独作用下在线性电路中产生的同频正弦电流分量和电压分量。最后,把所得的分量按瞬时值叠加,同频正弦电流分量和电压分量。最后,把所得的分量按瞬时值叠加,就可以得到电路中实际的稳定电流和电压。就可以得到电路中实际的稳定电流和电压。上述方法就称为非正弦周期电流的谐波分析法,它的本质就是非正弦周期电流的谐波分析法,它的本质就是把非正弦周期电流电路的计算转化为一系列正弦电流电路的计把非正弦周期电流电路的计算转化为
7、一系列正弦电流电路的计算算,这样就能充分利用正弦电流电路的相量法这个有效的工具。现在学习的是第7页,共64页9.2非正弦周期信号的谐波分析非正弦周期信号的谐波分析 9.2.1非正弦周期信号的谐波分析方法非正弦周期信号的谐波分析方法 在介绍非正弦周期信号的谐波分析谐波分析分解之前,我们先讨论几个不同频率的正弦波的合成。设有一个正弦电压u1=U1msint,其波形如图 9.2(a)所示。显然这一波形与同频率矩形波相差甚远。如果在这个波形上面加上第二个正弦电压波形,其频率是u1的3倍,而振幅为u1的1/3,则表示式为 现在学习的是第8页,共64页 其波形如图9.2(b)所示。如果再加上第三个正弦电压
8、波形,其频率为u1的5倍,振幅为u1的1/5,其表示式为 其波形如图9.2(c)所示。照这样继续下去,如果叠加的正弦项是无穷多个,那么它们的合成波形就会与图9.2(d)的矩形波一样。现在学习的是第9页,共64页 图9.2 矩形波的合成 现在学习的是第10页,共64页 由此可以看出,几个不同频率的正弦波可以合成一个非正弦的周期波。反之,一个非正弦的周期波可以分解成许多不同频率的正弦波之和。由数学知识可知,如果一个函数是周期性的,且满足狄里赫利 条件,那么它可以展开成一个收敛级数,即付里叶级数。电工技术中所遇到的周期函数一般都能满足这个条件。设给定的周期函数 f(t)的周期为T,角频率2/T,则
9、f(t)的付里叶级数展开式为现在学习的是第11页,共64页(9 1)利用三角函数公式,还可以把式(9 1)写成另一种形式:(9 2)现在学习的是第12页,共64页 式中,a0,ak,bk称为付里叶系数,可由下列积分求得:(9 3)尽管上式的推导在数学中已作介绍,这里不再赘述;但是推导过程中应用的三角函数的正交性,即三角函数积分的如下性质,对理解上述系数公式,以及理解下节有效值和平均功率的概念都很有帮助,所以仍将三角函数正交性公式分列如下:正弦、余弦函数在一个周期上的定积分为0,即现在学习的是第13页,共64页 正弦、余弦函数的乘积,不同频的正弦与正弦、余弦与余弦函数的乘积在一个周期上的定积分为
10、0,即(mn)(mn)现在学习的是第14页,共64页 式(9 1)和式(9 2)各系数之间存在如下关系:(9 4)同频的正弦与正弦、余弦与余弦函数的乘积在一个周期上的积分等于,即现在学习的是第15页,共64页例例9.1 已知矩形周期电压的波形如图9.3所示。求u(t)的付里叶级数。解解 图示矩形周期电压 在一个周期内的表示式为(9 5)图 9.3 例 9.1 图 由式(93)可知:现在学习的是第16页,共64页现在学习的是第17页,共64页 当k为奇数时,当k为偶数时,由此可得现在学习的是第18页,共64页 例例9.2 求图9.4所示周期信号的付里叶级数展开式。解解 i(t)在一个周期内的表示
11、式为 图 9.4 例 9.2 图 现在学习的是第19页,共64页利用分步积分法及 ,得 现在学习的是第20页,共64页 式(9-1)中Ao项为常数项,它为非正弦周期函数一周期内的平均值,与时间无关,称为直流分量。K=1项表达式为A1in(t+1),此项的频率与原非正弦周期函数f(t)的频率相同,称为原非正称为原非正弦周期函数弦周期函数f(t)的基波分量,的基波分量,A1为基波分量的振幅,为基波分量的振幅,1为基为基波分量的初相位。波分量的初相位。K2的各项统称为谐波分量,并根据谐波的各项统称为谐波分量,并根据谐波分量的频率是基波分量频率的分量的频率是基波分量频率的K倍,称为倍,称为K次谐波。如
12、次谐波。如2次谐次谐波、波、3次谐波次谐波。Ak及及k为为K次谐波分量的振幅及初相位。次谐波分量的振幅及初相位。将周期函数f(t)分解为直流分量、基波分量和一系列不同频率的各次谐波分量之和,称为谐波分析。它即是谐波分析法的第一步。现在学习的是第21页,共64页 画出一个直角坐标,以谐波角频率k为横坐标,在各谐波角频率所对应的点上,作出一条条垂直的线叫叫做做谱谱线线。如果每条谱线的高度代表该频率谐波的振幅,这样画出的图形称为振振幅幅频频谱谱图图。将各谱线的顶点连接起来的曲线(一般用虚线表示)称为振幅包络线。谐波分析的意义在于:傅里叶级数是一个收敛级数,当谐波分析的意义在于:傅里叶级数是一个收敛级
13、数,当K取到取到无限多项时就可以准确地表示原非正弦周期函数,但在实际工程计无限多项时就可以准确地表示原非正弦周期函数,但在实际工程计算时只能取有限的几项,取多少项依据工程所需的精度而定。算时只能取有限的几项,取多少项依据工程所需的精度而定。现在学习的是第22页,共64页9.2.2对称波形的傅里叶级数对称波形的傅里叶级数在电工技术中遇到的非正弦周期函数,许多具有某种对称性。在对称波形的傅里叶级数中,有些谐波分量不存在。因此利用波形对称性与谐波分量的关系,可以简化傅里叶系数的计算。1、周期函数的波形在横轴上、下部分包围的面积相等,此时函数、周期函数的波形在横轴上、下部分包围的面积相等,此时函数的平
14、均值等于零,傅里叶级数展开式中的平均值等于零,傅里叶级数展开式中ao=0,即无直流分量。,即无直流分量。现在学习的是第23页,共64页2周期函数为奇函数周期函数为奇函数满足f(t)=-f(-t)的周期函数称为奇函数,波形对称于原点。现在学习的是第24页,共64页3周期函数为偶函数周期函数为偶函数 满足f(t)=f(-t)的周期函数称为偶函数,波形对称于纵轴。如全波整流波形、矩形波都是偶函数。它们的傅里叶级数展开式中bk=0,即无正弦谐波分量,只含余弦谐波分量,因为余弦函数本身就是偶函数。周期函数表示为 偶函数的傅里叶级数中bk=0,所以偶函数的傅里叶级数中不含正弦项。现在学习的是第25页,共6
15、4页3奇谐波函数奇谐波函数图 9.5 奇谐波函数 满足f(t)=-f(t+)的周期函数称为奇谐波函数。如图9.5所示的波形就是奇谐波函数。将它的波形移动半个周期后(图中虚线所示),与原函数波形对称于横轴,即镜象对称。它们的傅里叶级数展开式表示为:现在学习的是第26页,共64页(k为奇数)综上所述,根据周期函数的对称性可以预先判断它所包综上所述,根据周期函数的对称性可以预先判断它所包含的谐波分量的类型,定性地判定哪些谐波分量不存在(这含的谐波分量的类型,定性地判定哪些谐波分量不存在(这在工程上常常是有用的),从而使傅里叶系数的计算得到简在工程上常常是有用的),从而使傅里叶系数的计算得到简化。如果
16、周期函数同时具有两种对称性,则在它的傅里叶级化。如果周期函数同时具有两种对称性,则在它的傅里叶级数展开式中也应兼有两种对称的特点。傅里叶级数展开式中数展开式中也应兼有两种对称的特点。傅里叶级数展开式中存在的谐波分量的系数仍需用式存在的谐波分量的系数仍需用式(9-3)计算确定。计算确定。现在学习的是第27页,共64页 例例9.3 试把振幅为50V、周期为0.02s的三角波电压分解为傅里叶级数(取至五次谐波)。解解 电压基波的角频率为现在学习的是第28页,共64页9.2.3查表求周期函数查表求周期函数f(t)的傅里叶级数展开式的傅里叶级数展开式 在实际工程中,也往往不用系数公式计算系数,确定傅里叶
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