正弦交流电路工科.PPT
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1、东北大学 信息科学与工程学院 吴春俐第二章第二章 正弦交流电路正弦交流电路ti 2.12.12.12.1 正弦交流电的基本概念正弦交流电的基本概念正弦交流电的基本概念正弦交流电的基本概念2.22.22.22.2 正弦量的表示方法正弦量的表示方法正弦量的表示方法正弦量的表示方法2.32.32.32.3 单一参数的正弦交流电路单一参数的正弦交流电路单一参数的正弦交流电路单一参数的正弦交流电路2.42.42.42.4 RLC RLC RLC RLC串联交流电路串联交流电路串联交流电路串联交流电路2.52.52.52.5 阻抗的串联、并联、混联电路阻抗的串联、并联、混联电路阻抗的串联、并联、混联电路阻
2、抗的串联、并联、混联电路2.62.62.62.6 交流电路中的功率和功率因数的提高交流电路中的功率和功率因数的提高交流电路中的功率和功率因数的提高交流电路中的功率和功率因数的提高作业:作业:2.7 2.7 2.7 2.7 本章小结本章小结本章小结本章小结东北大学 信息科学与工程学院 吴春俐 i三要素三要素:(特征量特征量)2.12.1正弦交流电的基本概念正弦交流电的基本概念数学表达式:数学表达式:数学表达式:数学表达式:波形图:波形图:波形图:波形图:n:角频率(弧度:角频率(弧度/秒)秒)n:电流幅值(最大值):电流幅值(最大值):初相位角初相位角1.周期周期 T:变化一周所需的时间变化一周
3、所需的时间 单位:秒(单位:秒(S S)一、周期、频率、角频率一、周期、频率、角频率(表示变化快慢表示变化快慢)3.角频率角频率:每秒变化的弧度每秒变化的弧度 单位:弧度单位:弧度/秒秒(rad/s)rad/s)2.频率频率 f:每秒变化的次数每秒变化的次数 单位:赫兹单位:赫兹(Hz)Hz)iT“工频工频”:f=50Hz,T=0.02sf=50Hz,T=0.02s,在工程应用中常用在工程应用中常用有效值有效值表示表示交流电的交流电的大小。大小。常用常用交流电表指示的电压、电流读数,就是被测物理量的交流电表指示的电压、电流读数,就是被测物理量的有效值。标准电压有效值。标准电压220V,也是指供
4、电电压的有效值。也是指供电电压的有效值。二、瞬时值、最大值、有效值二、瞬时值、最大值、有效值(表示变化大小表示变化大小)1.瞬时值:正弦量在任一瞬间的值。用小写字母表示,瞬时值:正弦量在任一瞬间的值。用小写字母表示,如如:3.有效值:有效值:2.最大值最大值(幅值幅值):瞬时值中最大的数值。用:瞬时值中最大的数值。用大写字母大写字母并带下标并带下标 m表示,如表示,如:Um、Im、Em则有则有(均方根值)(均方根值)可得可得当当 时,时,交流交流直流直流热效应相当热效应相当有效值电量必须大写,如:有效值电量必须大写,如:U、I有有效效值值概概念念交流电流交流电流交流电流交流电流 i i通过电阻
5、通过电阻通过电阻通过电阻R R在在在在一个周期一个周期一个周期一个周期T T内产生的热量内产生的热量内产生的热量内产生的热量与一直流电流与一直流电流与一直流电流与一直流电流I I通过同一通过同一通过同一通过同一电阻在同一时间电阻在同一时间电阻在同一时间电阻在同一时间T T内产生内产生内产生内产生的热量相等,则称的热量相等,则称的热量相等,则称的热量相等,则称I I的数的数的数的数值为值为值为值为i i的有效值的有效值的有效值的有效值可得可得当当 时,时,瞬时值瞬时值i可写为:可写为:瞬时值瞬时值u可写为:可写为:同理同理:2mUU=n可得可得问题与讨论问题与讨论 电器电器 220V最高耐压最高
6、耐压=300V 若购得一台耐压为若购得一台耐压为 300V 的电器,是否可用于的电器,是否可用于 220V 的线路上的线路上?该用电器最高耐压低于电源电压的最大值该用电器最高耐压低于电源电压的最大值,所,所以以不能用不能用。有效值有效值 U=220V 最大值最大值 Um=220V=311V 电源电压电源电压:t=0 时的相位,称为时的相位,称为初相位或初相角初相位或初相角。说明:说明:给出了观察正弦量的起点或参考点,给出了观察正弦量的起点或参考点,常用于描述多个正弦量彼此之间的相位关系。常用于描述多个正弦量彼此之间的相位关系。i:正弦量的相位角或相位:正弦量的相位角或相位三、相位、初相位、相位
7、差三、相位、初相位、相位差(表示变化进程表示变化进程)()()2121 jjjjj-=+-+=tt 两个两个同频率同频率正弦量间的相位差正弦量间的相位差(即初相位之差即初相位之差)t0=00n的相位差:的相位差:与与两个同频率正弦量之间的相位关系两个同频率正弦量之间的相位关系同同相相位位超前于超前于相相位位超超前前相位差为相位差为0与与同相位同相位 落后于落后于相相位位落落后后21 jjj-=90-(-90)=180=如果相位差为如果相位差为+180 或或-180-180 ,称为称为两波形两波形反相反相例例:()()2211 sin sin90-=+=tIitIimm90求相位差求相位差可以证
8、明同频率正弦量运算后,频率不变。可以证明同频率正弦量运算后,频率不变。如:如:结论结论:因角频率(因角频率()不变,所以以后)不变,所以以后讨论讨论同频率正弦量同频率正弦量时,时,可不考虑,主要研究可不考虑,主要研究幅度与初相位的变化。幅度与初相位的变化。幅度、相位变化幅度、相位变化频率不变频率不变例例幅度:幅度:频率:频率:初相位:初相位:已知:已知:A求幅度、频率、初相位。求幅度、频率、初相位。东北大学 信息科学与工程学院 吴春俐三角函数式表示三角函数式表示相量图表示相量图表示相量式表示相量式表示必须必须小写小写前两种不便于运算,本节重点介绍相量表示法。前两种不便于运算,本节重点介绍相量表
9、示法。波形图表示波形图表示i2.2 2.2 正弦量的表示方法正弦量的表示方法 I 概念概念:一个正弦量的瞬时值可以用一个旋转矢量一个正弦量的瞬时值可以用一个旋转矢量 在纵轴上的投影值来表示。在纵轴上的投影值来表示。正弦量的相量表示法正弦量的相量表示法矢量长度矢量长度 =矢量与横轴夹角矢量与横轴夹角=初相位初相位矢量以角速度矢量以角速度 按逆时针方向旋转按逆时针方向旋转 动画动画有效值有效值1.1.描述正弦量的有向线段称为相量描述正弦量的有向线段称为相量。2.2.最大值相量表示符号:最大值相量表示符号:最大值最大值相量的书写方式相量的书写方式2.在实际应用中,更多采用有效值相量在实际应用中,更多
10、采用有效值相量,表示符号:表示符号:mUmIUI 3.相量符号相量符号U U、I I 包含幅度与相位信息。包含幅度与相位信息。mUU或或正弦量的相量表示法举例正弦量的相量表示法举例例例1:将:将 u1、u2 用相量表示用相量表示 相位:相位:幅度:幅度:相量大小相量大小设:设:U1U2相位哪一个超前?相位哪一个超前?哪一个落后?哪一个落后?U2U1超前超前同频率正弦量的同频率正弦量的相量画在一起,相量画在一起,构成相量图。构成相量图。例例2:同频率同频率正弦波相加正弦波相加-平行四边形法则平行四边形法则U2U1Uu=u1+u2=()2221 sin2 j+=tUu()11 sin2j+tUu(
11、)sin2j+tU21UUU+=注意注意 :1.只有正弦量只有正弦量才能用相量表示,非正弦量不可以。才能用相量表示,非正弦量不可以。2.只有只有同频率同频率的正弦量才能画在一张相量图上。的正弦量才能画在一张相量图上。新问题新问题提出:提出:平行四边形法则可以用于相量加减运算平行四边形法则可以用于相量加减运算,但乘除不方便。但乘除不方便。故引入故引入相量的复数运算法。相量的复数运算法。相量相量 复数表示法复数表示法复数运算复数运算 相量的复数表示相量的复数表示将相量将相量放到复平面上,可如下表示:放到复平面上,可如下表示:Uab+1UjjsincosjUUjbaU+=+=a、b分别为分别为U在实
12、轴在实轴和虚轴上的投影和虚轴上的投影jUj=eUj代数式代数式 指数式指数式 极坐标形式极坐标形式 jj+=+=jUjbaU)sin(cosab+1U设设a、b为正实数为正实数jjeUjbaU=+=在第一象限在第一象限在第四象限在第四象限jjeUjbaU=-=jjeUjbaU=+-=在第二象限在第二象限jjeUjbaU=-=在第三象限在第三象限 在一、二象限,一般在一、二象限,一般 取值:取值:180 0 在三、四象限,一般在三、四象限,一般 取值:取值:0 -180+1U1 1=60 2=120U2U3 3=-120计算相量的相位角时,要注意所在计算相量的相位角时,要注意所在象限。如:象限。
13、如:43jU-=43jU+-=43jU-=43jU+=例:例:相量的复数运算相量的复数运算1.复数复数加加、减运算减运算222111jbaUjbaU+=+=设:设:jjUebbjaaUUU=+=)()(212121则:则:2.复数复数乘、除乘、除法法运算运算)(212121jj+=jeAAAAA乘法:乘法:212211jjjjeAAeAA=设设:()212121jj-=jeAAAA除法:除法:j称为称为90旋转因子旋转因子乘以乘以+j使相量逆时针转使相量逆时针转90乘以乘以-j使相量顺时针转使相量顺时针转90=o90eAjA)(j说明:说明:设:任一相量设:任一相量则则:复数表示法应用举例复数
14、表示法应用举例例例1:已知瞬时值,求相量表示。已知瞬时值,求相量表示。已知已知:求:求:i 、u 的的相量式及相量图相量式及相量图表示表示 解解:301003024.141I=oo602206021.311U-=-=oo相量式相量式:U1U2U1U2超前超前相位哪一个超前?相位哪一个超前?哪一个落后?哪一个落后?已知已知相量图表示:相量图表示:求:求:例例2:已知相量,求瞬时值。已知相量,求瞬时值。解解:已知两个频率都为已知两个频率都为 1000 Hz 的正弦电流其相量式的正弦电流其相量式为:为:A10A601003021oojeII=-=波形图波形图瞬时值瞬时值相量图相量图复数式复数式小结:
15、正弦量的四种表示法小结:正弦量的四种表示法 Tijj=+=UeUjbaUj即三角函数式表示即三角函数式表示UI符号说明瞬时值瞬时值-小写小写u、i有效值有效值-大写大写U、I复数、相量复数、相量-大写大写 +“.”U最大值最大值-大写大写+下标下标正误判断正误判断tu=sin100?瞬时值瞬时值复数复数U=正误判断正误判断?瞬时值瞬时值复数复数)15sin(2505015o+=teUj东北大学 信息科学与工程学院 吴春俐一一.电阻电路电阻电路 uiR 设设则则2.3 2.3 单一参数的正弦交流电路单一参数的正弦交流电路1.1.电流、电压的关系电流、电压的关系大小关系大小关系大小关系大小关系:相
16、位关系:相位关系:相位关系:相位关系:u u与与i i同相同相(2)(2)相量图表示:相量图表示:相量图表示:相量图表示:UItui(1)(1)波形图表示:波形图表示:波形图表示:波形图表示:tItRURuitUusin2sin2sin2=o0=UURIU=o0=IIo0=UUo0=IRRI=(3)(3)相量式(复数式)表示:相量式(复数式)表示:相量式(复数式)表示:相量式(复数式)表示:为欧姆定律的复数形式为欧姆定律的复数形式UI相量图:相量图:相量式:相量式:RIU=纯电阻电路纯电阻电路u u与与i i关系关系tuipt2.2.电阻电路中的功率电阻电路中的功率(1)(1)瞬时功率瞬时功率
17、瞬时功率瞬时功率 p p:(2)(2)平均功率(有功功率)平均功率(有功功率)平均功率(有功功率)平均功率(有功功率)P P P P:单位:瓦、千瓦单位:瓦、千瓦(W W、kW)kW)设设cos2=tLIdtdiLu则则iuL)90sin(2o+=tU)90sin(2o+=tIXL二二.电感电路电感电路1.1.电流、电压、电动势的关系电流、电压、电动势的关系大小关系大小关系大小关系大小关系:相位关系:相位关系:相位关系:相位关系:u 超前超前 i 90 U=IXL ,其中:其中:XL=L 称称感抗感抗(1)波形图表示:波形图表示:iuiuL(2)相量图表示:相量图表示:UI(3)相量式(复数式
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