第三章正弦电路分析.ppt
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1、跳转到第一页n n正弦量的基本特征正弦量的基本特征及及相量表示法相量表示法n nKCLKCL、KVLKVL及及元件伏安关系的相量形式元件伏安关系的相量形式n n阻抗串、并联电路的分析计算阻抗串、并联电路的分析计算n n正弦电路的有功功率和功率因数正弦电路的有功功率和功率因数n n对称三相电路的连接方式及计算对称三相电路的连接方式及计算n nRLCRLC串联电路的谐振条件与特征串联电路的谐振条件与特征学习要点学习要点第第3章章 交流电路交流电路跳转到第一页案例案例1 1我们最熟悉和最常用的家用电我们最熟悉和最常用的家用电器采用是都是交流电,如电视、电脑、器采用是都是交流电,如电视、电脑、照明灯、
2、冰箱、空调等家用电器。即便照明灯、冰箱、空调等家用电器。即便是像收音机、复读机等采用直流电源的是像收音机、复读机等采用直流电源的家用电器也是通过稳压电源将交流电转家用电器也是通过稳压电源将交流电转变为直流电后使用。这些电器设备的电变为直流电后使用。这些电器设备的电路模型在交流电路中的规律与直流电路路模型在交流电路中的规律与直流电路中的规律是不一样的,因此分析交流电中的规律是不一样的,因此分析交流电路的特征及相应电路模型的交流响应是路的特征及相应电路模型的交流响应是我们的重要任务。我们的重要任务。跳转到第一页3.1 正弦交流量及其表示法正弦交流量及其表示法随时间按正弦规律变化的电压、电流随时间按
3、正弦规律变化的电压、电流称为正弦电压和正弦电流。表达式为:称为正弦电压和正弦电流。表达式为:3.1.1正弦交流电的基本概念正弦交流电的基本概念utt1t2U00到到t1时间内实际方向与参考时间内实际方向与参考方向相同方向相同t1到到t2时间内实际方向与参时间内实际方向与参考方向相反考方向相反跳转到第一页以正弦电流为例以正弦电流为例振幅振幅角频率角频率振幅、角频率和初相称为正弦量的的三要素。振幅、角频率和初相称为正弦量的的三要素。相位相位初相角初相角:简称简称初相初相波形波形2.正弦交流电三要素正弦交流电三要素最大值(幅值)最大值(幅值)跳转到第一页1.振幅振幅瞬时值有效值瞬时值有效值振幅振幅:
4、正弦量的最大值,反映正弦量变化的:正弦量的最大值,反映正弦量变化的幅度,又称幅值或峰值幅度,又称幅值或峰值周周期期电电流流有有效效值值:让让周周期期电电流流i和和直直流流电电流流I分分别别通通过过两两个个阻阻值值相相等等的的电电阻阻R,如如果果在在相相同同的的时时间间T内内,两两个个电电阻阻消消耗耗的的能能量量相相等等,则则称称该该直流电流直流电流I的值为周期电流的值为周期电流i的有效值。的有效值。根据有效值的定义有:根据有效值的定义有:周期电流的有效值为:周期电流的有效值为:跳转到第一页对于正弦电流,因对于正弦电流,因所以所以正弦电流的有效值正弦电流的有效值为:为:同理,同理,正弦电压的有效
5、值正弦电压的有效值为:为:跳转到第一页瞬时值是正弦量任一时刻的值,规定用小瞬时值是正弦量任一时刻的值,规定用小写字母写字母u,iu,i表示。表示。我们平常电器上标的电压电流都是有效值我们平常电器上标的电压电流都是有效值用大写字母用大写字母U U和和I I表示。表示。跳转到第一页角频率角频率:正弦量单位时间内变化的弧度数。正弦量单位时间内变化的弧度数。角频率与周期及频率的关系:角频率与周期及频率的关系:周期周期T:正弦量完整变化一周所需要的时间,:正弦量完整变化一周所需要的时间,S频率频率f:正弦量在单位时间内变化的周数,反映正弦量在单位时间内变化的周数,反映交流电变化的快慢,交流电变化的快慢,
6、周期与频率的关系:周期与频率的关系:2 周期与频率角频率周期与频率角频率单位:单位:HZ目前各国的频率有目前各国的频率有50HZ和和60HZ两种两种单位:单位:rad/s跳转到第一页3 相位、初相和相位差相位、初相和相位差相位相位:任一时刻正弦量表达式中的角度:任一时刻正弦量表达式中的角度初相初相:t=0时的相位时的相位相位差相位差:两个同频率正弦量的相位之差,其:两个同频率正弦量的相位之差,其值等于它们的初相之差。如值等于它们的初相之差。如相位差是用来描述它们之间变化的先后关系相位差是用来描述它们之间变化的先后关系为:为:跳转到第一页同频率相位同频率相位差有以下几差有以下几种情况种情况跳转到
7、第一页例例4.34.3 已知某正弦交流电压已知某正弦交流电压求该电压的最大值、频率、角频率和周期各为多求该电压的最大值、频率、角频率和周期各为多少?少?例例4.4 4.4 已知某正弦电压在已知某正弦电压在 时时为为110 V110 V,初相角为初相角为 ,求其,求其有效值有效值。跳转到第一页3.1.2 正弦量的相量表示法正弦量的相量表示法用三角函数式或波形图表达正弦量是最基本的用三角函数式或波形图表达正弦量是最基本的表示方法,但要用其分析计算比较困难。由于表示方法,但要用其分析计算比较困难。由于在电路中一般使用同频率正弦量,我们常用相在电路中一般使用同频率正弦量,我们常用相量表达式或相量图表示
8、。量表达式或相量图表示。跳转到第一页相量法是求解正弦稳态电路的简单方法。相量法是求解正弦稳态电路的简单方法。1复数及其运算复数及其运算 复数复数A可用复平面上可用复平面上的有向线段来表示。该有的有向线段来表示。该有向线段的长度向线段的长度a称为复数称为复数A的的模模,模总是取正值。该,模总是取正值。该有向线段与实轴正方向的有向线段与实轴正方向的夹角夹角称为复数称为复数A的的辐角辐角。跳转到第一页根据以上关系式及欧拉公式根据以上关系式及欧拉公式复数复数A的实部的实部a1及虚部及虚部a2与与模模a及辐角及辐角的关系为:的关系为:代数型代数型三角函数型三角函数型指数型指数型极坐标型极坐标型可将复数可
9、将复数A表示成代数型、三角函数型、指表示成代数型、三角函数型、指数型和极坐标型数型和极坐标型4种形式。种形式。跳转到第一页复数的四则运算:复数的四则运算:设两复数为:设两复数为:(1)相等。若相等。若a1=b1,a2=b2,则则A=B。(2)加减运算:加减运算:(3)乘除运算:乘除运算:跳转到第一页2正弦量的相量表示法正弦量的相量表示法 将复数将复数Imi乘上因子乘上因子1t,其模不变,其模不变,辐角随时间均匀增加。即在复平面上以角速辐角随时间均匀增加。即在复平面上以角速度度逆时针旋转,其在虚轴上的投影等于逆时针旋转,其在虚轴上的投影等于Imsin(t+i),正好是用正弦函数表示的正正好是用正
10、弦函数表示的正弦电流弦电流i。可见复数。可见复数Imi与正弦电流与正弦电流i=Imsin(t+i)是相互对应的关系,可用复数是相互对应的关系,可用复数Imi来表示正弦电流来表示正弦电流i,记为:记为:并称其为相量。并称其为相量。跳转到第一页正弦量正弦量相量相量跳转到第一页有效值相量和振幅相量的关系:有效值相量和振幅相量的关系:试写出表示试写出表示 ,和和 的相量,并画出相量图的相量,并画出相量图。解解:分别用有效值相量分别用有效值相量 、和和 表示正弦电压表示正弦电压 、和和 ,则,则相量图如图4.9所示。图4.9 例4.7图跳转到第一页KCL:KVL:例:例:求求i=i1+i2解:解:KCL
11、、KVL的相量形式的相量形式跳转到第一页相量图相量图计算法:计算法:复数计算法复数计算法跳转到第一页3.2交流电路的分析与计算 案例在照明电路中使用的白炽灯为纯电阻性负载,日光案例在照明电路中使用的白炽灯为纯电阻性负载,日光灯属于感性负载,家用风扇为单相交流电动机,它的等效电灯属于感性负载,家用风扇为单相交流电动机,它的等效电路如图所示。图中路如图所示。图中U1、U2为工作绕组,为工作绕组,V1、V2为起动绕组,为起动绕组,它们实际上是纯电阻与纯电感相串联。由图中可知,风扇是它们实际上是纯电阻与纯电感相串联。由图中可知,风扇是一种电阻、电感和电容混联的负载。一种电阻、电感和电容混联的负载。家用
12、风扇电动机等效电路模型家用风扇电动机等效电路模型321 单一参数交流电路单一参数交流电路 1纯电阻电路纯电阻电路(1)元件上电压和电流关系)元件上电压和电流关系 纯电阻电路是最简单的交流电路,如图所示。在日常生活纯电阻电路是最简单的交流电路,如图所示。在日常生活和工作中接触到的白炽灯、电炉、电烙铁等,都属于电阻和工作中接触到的白炽灯、电炉、电烙铁等,都属于电阻性负载,它们与交流电源连接组成纯电阻电路。性负载,它们与交流电源连接组成纯电阻电路。跳转到第一页电阻正弦波形电阻正弦波形纯电阻元件交流电路纯电阻元件交流电路设电阻两端电压为设电阻两端电压为则则 比较电压和电流的关系式可见:电阻两端电压比较
13、电压和电流的关系式可见:电阻两端电压u和电流和电流i的频率的频率相同,电压与电流的有效值(或最大值)的关系符合欧姆定相同,电压与电流的有效值(或最大值)的关系符合欧姆定律,而且电压与电流同相(相位差律,而且电压与电流同相(相位差 )。它们在数值上)。它们在数值上满足关系式满足关系式跳转到第一页或用相量表示用相量表示电阻电路电压与电流的相量图电阻电路电压与电流的相量图瞬时功率瞬时功率电阻中某一时刻消耗的电功率叫做瞬时功率,电阻中某一时刻消耗的电功率叫做瞬时功率,它等于电压它等于电压u与电流与电流i瞬时值的乘积,并用小写字母瞬时值的乘积,并用小写字母p表示。表示。在任何瞬时,恒有在任何瞬时,恒有p
14、0,说明电阻只要有电流就消,说明电阻只要有电流就消耗能量,将电能转为热能,它是一种耗能元件。耗能量,将电能转为热能,它是一种耗能元件。跳转到第一页平均功率平均功率工程中常用瞬时功率在一个周期内的平均工程中常用瞬时功率在一个周期内的平均值表示功率,称为平均功率,用大写字母值表示功率,称为平均功率,用大写字母P表示。表示。由图所见:由图所见:表达方式与直流电路中电阻功率的形式相同,但式中表达方式与直流电路中电阻功率的形式相同,但式中的的U、I不是直流电压、电流,而是正弦交流电的有效不是直流电压、电流,而是正弦交流电的有效值,工程上一般研究的是平均功率值,工程上一般研究的是平均功率。例电路中,例电路
15、中,求求电流电流i的瞬时值表达式,的瞬时值表达式,相量表达式和平均功率相量表达式和平均功率P。跳转到第一页解解:由由 得得2线性电感交流电路线性电感交流电路 纯电感线圈电路如图所示。纯电感线圈电路如图所示。设电路正弦电流为设电路正弦电流为在电压、电流关联参考方向下,电感元件两端电压为在电压、电流关联参考方向下,电感元件两端电压为跳转到第一页线性电感元件交流电路线性电感元件交流电路 比较电压和电流的关系式可见:电感两端电压比较电压和电流的关系式可见:电感两端电压u和电流和电流 i 也也是同频率的正弦量,电压的相位超前电流是同频率的正弦量,电压的相位超前电流90,电压与电流在,电压与电流在数值上满
16、足关系式:数值上满足关系式:电感元件电压与电流的波形图电感元件电压与电流的波形图跳转到第一页XL称为感抗表示称为感抗表示电感对交流电流起阻碍作用的物理性质,电感对交流电流起阻碍作用的物理性质,感抗表示线圈对交流电流阻碍作用的大小。感抗表示线圈对交流电流阻碍作用的大小。当当f f=0=0时时X XL L=0=0,表明线圈对直流电流相当于短路。这就是线圈本身所固有的表明线圈对直流电流相当于短路。这就是线圈本身所固有的“直流畅通,高频受阻直流畅通,高频受阻”作用。作用。用相量表示电压与电流的关系为用相量表示电压与电流的关系为 线性电感与频率关系线性电感与频率关系 1)瞬时功率)瞬时功率或其中其中 称
17、为复感抗称为复感抗j正是电压超前于电流正是电压超前于电流90的相位关系表示,称正的相位关系表示,称正转转90因子因子.XLf跳转到第一页工程中为了表示能量交换的规模大小,将电感瞬时功工程中为了表示能量交换的规模大小,将电感瞬时功率的最大值定义为电感的无功功率,简称感性无功功率的最大值定义为电感的无功功率,简称感性无功功率,用率,用Q QL L表示。即表示。即QL的基本单位是乏(的基本单位是乏(var)。)。电感的瞬时功率也是正弦量,电感的瞬时功率也是正弦量,P0表示电源输出电表示电源输出电能给线圈,能给线圈,p0表示电容被充电,表示电容被充电,p 0,CLww1,电路呈感性称为感性电路。电路呈
18、感性称为感性电路。2)当CLww1时,X 0,电路呈容性称为容性电路电路呈容性称为容性电路 3)当CLww1=时,X=0,电路呈电阻性称为谐振电路电路呈电阻性称为谐振电路 跳转到第一页以感性电路为例做出相量图(以感性电路为例做出相量图(a)由于由于 所以所以 整个电路整个电路U超前超前I,相位差为相位差为 ,相量图可见,相量图可见功率关系:由单一参数电路分功率关系:由单一参数电路分析知道,只有电阻元件消耗功析知道,只有电阻元件消耗功率。率。有功功率有功功率无功功率无功功率视在功率:视在功率:S=UI跳转到第一页视在功率常用来表示电器设备的容量,其单视在功率常用来表示电器设备的容量,其单位为伏安
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- 第三 正弦 电路 分析
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