非正弦周期电流电路和信号的频谱jet.ppt

1 第十三章非正弦周期电流电路和信号的频谱 重点 非正弦周期函数分解为傅立叶级数和信号的频谱 周期量的有效值 平均值 非正弦电流电路的计算和平均功率 4 滤波器的概念 2 13 1非正弦周期信号 13 2非正弦周期函数分解为傅立叶级数 13 3有效值 平均值和平均功率 13 4非正弦周期电流电路的计算 3 生产实际中不完全是正弦电路 经常会遇到非正弦周期电流电路 在电子技术 自动控制 计算机和无线电技术等方面 电压和电流往往都是周期性的非正弦波形 非正弦周期交流信号的特点 1 不是正弦波 2 按周期规律变化 例1 半波整流电路的输出信号 一 非正弦周期信号 13 1非正弦周期信号 4 例2 示波器内的水平扫描电压 周期性锯齿波 5 计算机内的脉冲信号 例3 6 交直流共存电路 Es 例4 7 二 谐波分析法 这种方法称为谐波分析法 实质上是把非正弦周期电流电路的计算化为一系列正弦电流电路的计算 首先 应用数学中的傅里叶级数展开方法 将非正弦周期激励电压 电流或信号分解为一系列不同频率的正弦量之和 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电路中产生的同频正弦电流分量和电压分量 最后 把所得分量按时域形式叠加 得到电路在非正弦周期激励下的稳态电流和电压 8 13 2非正弦周期函数分解为傅里叶级数 一 傅氏级数 周期电流 电压 信号等都可以用一个周期函数表示 即f t f t kT 式中T为周期函数f t 的周期 k 0 1 2 如果给定的周期函数满足狄里赫利条件 它就能展开成一个收敛的傅里叶级数 即 9 还可以写成另一种形式 两种形式系数之间的关系如下 10 傅里叶级数是一个无穷三角级数 展开式中 A0 为周期函数f t 的恒定分量 或直流分量 A1mcos 1t 1 为一次谐波 或基波分量 其周期或频率与原周期函数f t 相同 其他各项统称为高次谐波 即2次 3次 k次谐波 11 上式中的系数 可由下列公式计算 上述计算式中k 1 2 3 12 利用函数的对称性可使系数的确定简化 1 偶函数 2 奇函数 3 奇谐波函数 13 二 频谱图 用长度与各次谐波振幅大小相对应的线段 按频率的高低顺序把它们依次排列起来 所得到的图形 称为f t 的频谱图 幅度频谱 表示各谐波分量的振幅的频谱为幅度频谱 相位频谱 把各次谐波的初相用相应线段依次排列的频谱为相位频谱 例 由于各谐波的角频率是 1的整数倍 所以这种频谱是离散的 又称为线频谱 14 周期性方波信号的分解 例5 解 图示矩形波电流在一个周期内的表达式为 直流分量 谐波分量 15 的展开式为 频谱图 16 基波 五次谐波 七次谐波 周期性方波波形分解 17 直流分量 基波 三次谐波 直流分量 基波 三次谐波 18 IS0 19 给定函数f t 的部分波形如图所示 为使f t 的傅立叶级数中只包含如下的分量 1 正弦分量 2 余弦分量 3 正弦偶次分量 4 余弦奇次分量 试画出f t 的波形 1 正弦分量 例6 解 20 2 余弦分量 3 正弦偶次分量 4 余弦奇次分量 21 13 3有效值 平均值和平均功率 一 有效值 任一周期电流i的有效值定义为 设一非正弦周期电流i可以分解为傅里叶级数 代入有效值公式 则得此电流的有效值为 22 上式中i的展开式平方后将含有下列各项 这样可求得i的有效值为 非正弦周期电流的有效值等于恒定分量的平方与各次谐波有效值的平方之和的平方根 此结论适用于所有的非正弦周期量 23 二 平均值 以电流i为例 其定义由下式表示 即非正弦周期电流的平均值等于此电流绝对值的平均值 按上式可求得正弦电流的平均值为 它相当于正弦电流经全波整流后的平均值 因为取电流的绝对值相当于把负半周的值变为对应的正值 24 对于同一非正弦周期电流 当用不同类型的仪表进行测量时 会得到不同的结果 例如 用磁电系仪表 直流仪表 测量 所得结果将是电流的恒定分量 因此 在测量非正弦周期电流和电压时 要选择合适的仪表 并注意不同类型仪表读数表示的含义 用全波整流仪表测量时 所得结果为电流的平均值 因为这种仪表的偏转角与电流的平均值成正比 用电磁系仪表测得的结果为电流的有效值 25 式中u i取关联参考方向 平均功率为 不同频率的正弦电压和电流乘积的积分为零 即不产生平均功率 同频的正弦电压 电流乘积的积分不为零 式中 即平均功率等于恒定分量的功率和各次谐波平均功率的代数和 三 平均功率 任意一端口的瞬时功率 吸收 为 26 作业19 P341 13 4 27 13 4非正弦电流电路的计算 一 计算步骤 非正弦周期电流电路的计算采用谐波分析法 具体步骤如下 把给定的非正弦周期电压或电流分解为傅里叶级数 高次谐波取到哪一项为止 要根据所需准确度的高低而定 2 分别求出电源电压或电流的恒定分量及各次谐波分量单独作用时的响应 对恒定分量 0 求解时把电容 C 看作开路 即 1 C趋近无穷大 电感 L 看作短路 即 L等于0 28 3 并把计算结果转换为时域形式 注意 将表示不同频率正弦电流相量或电压相量直接相加是没有意义的 4 应用叠加定理 把步骤 3 计算出的结果进行叠加 求得所需响应 对各次谐波分量可以用相量法求解 但要注意感抗 容抗与频率的关系 即 29 二 举例 例6 图示电路中 求电流i和电阻吸收的平均功率P 解 电路中的非正弦周期电压已分解为傅立叶级数形式 电流相量一般表达式为 根据迭加定理 按k 0 1 2 的顺序 依次求解如下 30 31 最后按时域形式迭加为 同理求得 32 例7图示电路中L 5H C 10 F 负载电阻R 2K 电源us为正弦全波整流波形 设 1 314rad s Um 157V 求负载两端电压的各谐波分量 解 将给定的us分解为傅立叶级数 得 33 令k 0 2 4 并代入数据 可分别求得 34 例8 求Uab i 及功率表的读数 解 一次谐波作用时 三次谐波作用时 测的是基波的功率 35 求图示电路中各表读数 有效值 及电路吸收的功率 例9 36 解 1 u0 30V作用于电路 L1 L2短路 C1 C2开路 i0 iL20 u0 R 30 30 1A iC10 0 uad0 ucb0 u0 30V 37 2 u1 120cos1000tV作用 L1 C1发生并联谐振 38 3 u2 60cos 2000t 4 V作用 L2 C2发生并联谐振 39 i i0 i1 i2 1A 所求的电压 电流的瞬时值为 iC1 iC10 iC11 iC12 3cos 1000t 90 A iL2 iL20 iL21 iL22 1 3cos 2000t 45 A uad uad0 uad1 uad2 30 120cos1000tV ucb ucb0 ucb1 ucb2 30 60cos 2000t 45 V 电流表A1的读数 电流表A2的读数 电流表A3的读数 电压表V1的读数 电压表V2的读数 40 三 滤波器 利用电感和电容元件的感抗和容抗对各次谐波的反应不同 组成含有电感和电容的各种不同电路 将其接在输入和输出之间 让某些所需频率分量顺利通过而抑制某些不需要的频率分量 这种电路为滤波器 低通滤波器 使低频电流分量顺利通过 抑制高频电流分量 高通滤波器 使高频电流分量顺利通过 抑制低频电流分量 41 例10 图示电路中 激励u1 t u11 1 u12 2 包含 1 2两个频率分量 且 1 2 要求响应u2 t 只含有 1频率电压 如何实现 可由下列滤波电路实现 并联谐振 开路 串联谐振 短路 42 例11 电路如图所示 已知 1000rad s C 1 F R 1 在稳态时 uR t 中不含基波 而二次谐波与电源二次谐波电压相同 求 1 us t 的有效值 2 电感L1和L2 3 电源发出的平均功率 解 1 2 43 若使uR t 中二次谐波与电源二次谐波电压相同 则L C电路发生串联谐振 即 3 44 例12 C1中只有基波电流 C3 1 F 其中只有三次谐波电流 求C1 C2和各支路电流 解 C1中只有基波电流 说明L和C2对三次谐波发生并联谐振 即 C3中只有三次谐波电流 说明L C1 C2对一次