正弦稳态电路分析a.ppt

第5章正弦稳态电路分析 2 正弦量的相量表示 3 电路定理的相量形式 重点 1 正弦量的表示 相位差 正弦电流电路 激励和响应均为正弦量的电路称为正弦电路或交流电路 5 1正弦电流和电压 5 1 1正弦量的三要素 瞬时值表达式 i t Imcos wt 波形 周期T period 和频率f frequency 频率f 每秒重复变化的次数 周期T 重复变化一次所需的时间 单位 Hz 赫 兹 单位 s 秒 幅值 amplitude 振幅 最大值 Im 2 角频率 angularfrequency w 正弦量的三要素 i 0 T 3 初相位 initialphaseangle 2 t 单位 rad s 弧度 秒 反映正弦量变化幅度的大小 相位变化的速度 反映正弦量变化快慢 反映正弦量的计时起点 i t Imcos wt 一般规定 同一个正弦量 计时起点不同 初相位不同 例 已知正弦电流波形如图 103rad s 1 写出i t 表达式 2 求最大值发生的时间t1 解 由于最大值发生在计时起点之后 注意 若距纵轴最近的最大值在计时零之前 则初相位为正值 若距纵轴最近的最大值在计时零之后 则初相位为负值 例5 1 1 已知正弦电流i t 的振幅Im 100mA 初相角 600 周期T 2ms 试写出i t 的函数表达式 用cos表示 并绘出它的波形 解 由已知条件求出正弦电流i t 的三要素 振幅 Im 100mA 角频率 初相位 600 3 所以 mA 波形图如图所示 5 1 2相位差 设u t Umcos wt yu i t Imcos wt yi 则相位差 j wt yu wt yi yu yi j 0 u超前ij角 或i落后uj角 u比i先到达最大值 j 0 i超前uj角 或u滞后ij角 i比u先到达最大值 等于初相位之差 规定 180 相位差 两个同频率正弦量的相位之差 j 0 同相 j 180o 反相 特殊相位关系 p 2 正交 u领先ip 2 不说u落后i3p 2 i落后up 2 不说i领先u3p 2 同样可比较两个电压或两个电流的相位差 例 计算下列两正弦量的相位差 解 不能比较相位差 注意 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 例 已知正弦量为 解 其中 试比较i1与i2 i1与u3间的相位关系 i1超前i2 i1超前u3 5 1 3有效值 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 周期电流 电压有效值定义 有效值也称均方根值 物理意义 同样 可定义电压有效值 正弦电流 电压的有效值 设i t Imcos t 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U 220V 则其最大值为Um 311V U 380V Um 537V 1 工程上说的正弦电压 电流一般指有效值 如设备铭牌额定值 电网的电压等级等 但绝缘水平 耐压值指的是最大值 因此 在考虑电器设备的耐压水平时应按最大值考虑 2 测量中 电磁式交流电压 电流表读数均为有效值 3 区分电压 电流的瞬时值 最大值 有效值的符号 注 复数A的表示形式 A a jb 5 2正弦量的相量表示 1 复数及运算 两种表示法的关系 或 复数运算 则A1 A2 a1 a2 j b1 b2 1 加减运算 采用代数形式 若A1 a1 jb1 A2 a2 jb2 图解法 2 乘除运算 采用极坐标形式 除法 模相除 角相减 例1 乘法 模相乘 角相加 则 解 例2 3 旋转因子 复数ejq cosq jsinq 1 q A ejq相当于A逆时针旋转一个角度q 而模不变 故把ejq称为旋转因子 解 故 j j 1都可以看成旋转因子 几种不同 值时的旋转因子 i1 i1 i2 i3 i2 角频率 有效值 初相位 两个正弦量的相加 因同频的正弦量相加仍得到同频的正弦量 所以 只要确定初相位和有效值 或最大值 就行了 因此 2 正弦量的相量表示 i3 实际是变换的思想 正弦量的相量表示 造一个复函数 对A t 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 A t 包含了三要素 I w 复常数包含了I A t 还可以写成 无物理意义 是一个正弦量有物理意义 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 已知 例1 试用相量表示i u 解 在复平面上用向量表示相量的图 例2 试写出电流的瞬时值表达式 解 相量图 例5 2 1 试写出下列各电压的相量 并画出相量图 解 2 由于本书用相量表示cos函数 所以应先把表达式中的sin函数化为cos函数 将它改写为 画出相量图 解 例5 2 2 写出正弦量的时域形式 所以时域可写为 解 例5 2 4 已知正弦电流 写出这两个正弦电流的电流相量 画出相量图 并求出 正弦电流的相量为 正弦电流的相量为 画出相量图 所以有 3 相量法的应用 1 同频率正弦量的加减 故同频正弦量相加减运算变成对应相量的相加减运算 可得其相量关系为 例 也可借助相量图计算 首尾相接 2 正弦量的微分 积分运算 微分运算 积分运算 例 用相量运算 相量法的优点 1 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 3 可以把直流电路的分析方法直接用于交流电路 5 3电路定律的相量形式 1 电阻元件VCR的相量形式 时域形式 相量形式 相量模型 有效值关系 相位关系 相量关系 5 3 1电路中基本元件的相量形式 瞬时功率 波形图及相量图 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 时域形式 相量形式 相量模型 相量关系 2 电感元件VCR的相量形式 相量图 电压超前电流900 感抗的物理意义 1 表示限制电流的能力 2 感抗和频率成正比 相量表达式 XL L 2 fL 称为感抗 单位为 欧姆 BL 1 L 1 2 fL 感纳 单位为S 感抗和感纳 时域形式 相量形式 相量模型 相量关系 3 电容元件VCR的相量形式 相量图 电流超前电压900 XC 1 wC 称为容抗 单位为 欧姆 BC wC 称为容纳 单位为S 频率和容抗成反比 0 XC 直流开路 隔直 w XC 0高频短路 旁路作用 容抗与容纳 相量表达式 解 电压振幅相量 例5 3 1 将正弦电压加到C 1000uF的电容上 求流过该电容的正弦稳态电流 由电容元件VCR有 对应的正弦稳态电流为 5 3 2基尔霍夫定律的相量形式 同频率的正弦量加减可以用对应的相量形式来进行计算 因此 在正弦电流电路中 KCL和KVL可用相应的相量形式表示 上式表明 流入某一节点的所有正弦电流用相量表示时仍满足KCL