第3章 单相正弦电路分析

电工技术,主编李中发制作李中发2005年1月,理解正弦交流电的幅值与有效值、频率与周期、初相与相位差等特征量掌握正弦交流电的相量表示法掌握电路KCL、KVL和元件伏安关系的相量形式，理解阻抗的概念掌握用相量图和相量关系式分析和计算简单正弦交流电路的方法掌握正弦交流电路的有功功率、无功功率、视在功率、功率因数的含义和计算了解正弦交流电路的瞬时功率和提高功率因数的方法及意义了解正弦交流电路的频率特性、串联谐振和并联谐振的条件与特征,学习要点,第3章单相正弦电路分析,第3章单相正弦电路分析,3.1正弦交流电的基本概念3.2正弦交流电的相量表示法3.3KCL、KVL及元件伏安关系的相量形式3.4简单正弦交流电路的分析3.5正弦电路的功率3.6交流电路的频率特性,3.1正弦交流电的基本概念,随时间按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：,以正弦电流为例,振幅,角频率,振幅、角频率和初相称为正弦量的的三要素。,相位,初相角:简称初相,波形,3.1.1正弦量的三要素,角频率：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：,周期T：正弦量完整变化一周所需要的时间,频率f：正弦量在单位时间内变化的周数,周期与频率的关系：,3.1.2相位差,相位：正弦量表达式中的角度,初相：t=0时的相位,相位差：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,相位差为：,3.1.3有效值,周期电流有效值：让周期电流i和直流电流I分别通过两个阻值相等的电阻R，如果在相同的时间T内，两个电阻消耗的能量相等，则称该直流电流I的值为周期电流i的有效值。,根据有效值的定义有：,周期电流的有效值为：,对于正弦电流，因,所以正弦电流的有效值为：,同理，正弦电压的有效值为：,3.2.1复数及其运算,相量法是求解正弦稳态电路的简单方法。,复数A可用复平面上的有向线段来表示。该有向线段的长度a称为复数A的模，模总是取正值。该有向线段与实轴正方向的夹角称为复数A的辐角。,3.2正弦交流电的相量表示法,根据以上关系式及欧拉公式,复数A的实部a1及虚部a2与模a及辐角的关系为：,代数型,三角函数型,指数型,极坐标型,可将复数A表示成代数型、三角函数型、指数型和极坐标型4种形式。,复数的四则运算：,设两复数为：,(1)相等。若a1=b1，a2=b2，则A=B。,(2)加减运算：,(3)乘除运算：,将复数Imi乘上因子1t，其模不变，辐角随时间均匀增加。即在复平面上以角速度逆时针旋转，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弦电流i。可见复数Imi与正弦电流i=Imsin(t+i)是相互对应的关系，可用复数Imi来表示正弦电流i，记为：,并称其为相量。,3.2.2正弦量的相量表示法,正弦量,相量,有效值相量和振幅相量的关系：,规则2：若i1与i2为同频率的正弦量，代表它们的相量分别为与，则i1+i2也是同频率的正弦量，其相量为。,规则4：若i为角频率为的正弦量，代表它的相量为，则也是同频率的正弦量，其相量为。,3.3KCL、KVL及元件伏安关系的相量形式,3.3.1相量运算规则,规则1：若i为正弦量，代表它的相量为，则ki也是正弦量，代表它的相量为k。,规则3：若i1与i2为同频率的正弦量，代表它们的相量分别为与，则i1=i2的充分必要条件是代表它们的相量相等，即：。,例：,求i=i1+i2,解：,相量图：,3.3.2元件伏安关系的相量形式,1、电阻元件,电阻元件伏安关系：u=Ri根据相量运算的规则1和规则3，有：,2、电感元件,电感元件伏安关系：根据相量运算的规则1、规则3和规则4，有：,感抗：XL=L，与频率成正比。,3、电容元件,或,容抗：XC=1/C，与频率成反比。,电感元件伏安关系：根据相量运算的规则1、规则3和规则4，有：,KCL：,KVL：,3.3.3KCL、KVL的相量形式,例：图示电路，电流表A1、A2的读数均为10A，求电流表A的读数。,解：由KCL有,作相量图，由相量图得：,例：图示RC串联电路，R=100，C=100F，us=100sin100tV，求i、uR和uC，并画出相量图。,解：,3.4简单正弦电路的分析,将正弦交流电路中的电压、电流用相量表示，元件参数用阻抗来代替。运用基尔霍夫定律的相量形式和元件欧姆定律的相量形式来求解正弦交流电路的方法称为相量法。运用相量法分析正弦交流电路时，直流电路中的结论、定理和分析方法同样适用于正弦交流电路。,3.4.1阻抗,1阻抗的定义,定义无源二端网络端口电压相量和端口电流相量的比值为该无源二端网络的阻抗，并用符号Z表示，即：,或,或,称为欧姆定律的相量形式。,电阻、电感、电容的阻抗：,相量模型将所有元件以相量形式表示：,2阻抗的性质,电阻,电抗,阻抗模,阻抗角,的阻抗,的阻抗,相量模型将所有元件以相量形式表示：,3.4.2RLC串联电路,由欧姆定律：,由KVL：,例：RLC串联电路。已知R=5k，L=6mH，C=0.001F，U=5sin106tV。(1)求电流i和各元件上的电压，画出相量图；(2)当角频率变为2105rad/s时，电路的性质有无改变。,k,k,(2)当角频率变为2105rad/s时，电路阻抗为：,3.4.3RLC并联电路,例：RLC并联电路中。已知R=5，L=5H，C=0.4F，电压有效值U=10V，=106rad/s，求总电流i，并说明电路的性质。,解：,设,则,因为电流的相位超前电压，所以电路呈容性。,3.4.4阻抗的串联与并联,解：,解：,3.5正弦电路的功率,3.5.1二端网络的功率,1瞬时功率,2平均功率（有功功率）,可见电阻总是消耗能量的，而电感和电容是不消耗能量的，其平均功率都为0。平均功率就是反映电路实际消耗的功率。无源二端网络各电阻所消耗的平均功率之和，就是该电路所消耗的平均功率。,3无功功率,表示二端网络与外电路进行能量交换的幅度。,单位为乏（Var）,4视在功率,单位为伏安（VA）,平均功率P、无功功率Q和视在功率S的关系：,表示用电设备的容量。,例：图示电路。已知R=2，L=1H，C=0.25F，U=10sin2tV。求电路的有功功率P、无功功率Q、视在功率S和功率因数,解：,1、提高功率因数的意义：(1)提高发、配电设备的利用率；(2)减少输电线路的电压降和功率损失。,2、提高功率因数的方法：在感性负载上并联适当的电容。,3.5.2功率因数的提高,例：一台功率为11kW的感应电动机，接在220V、50Hz的电路中，电动机需要的电流为100A。（1）求电动机的功率因数；（2）若要将功率因数提高到0.9，应在电动机两端并联一个多大的电容器？（3）计算并联电容器后的电流值；（4）若再将功率因数提高到1，应再在电动机两端并联一个多大的电容器？,解：(1),（2）,（3）,（4）,3.6交流电路的频率特性,3.6.1RC电路的频率特性,交流电路中，感抗和容抗都与频率有关，当电源电压（激励）的频率改变时，即使电压的幅值不变，电路中各部分电流和电压（响应）的大小和相位也会随着改变。响应与频率的关系称为电路的频率特性或频率响应。,1、RC低通滤波电路,幅频特性：,相频特性：,截止角频率：,通频带,2、RC高通滤波电路,通频带,由电阻、电感、电容组成的电路，在正弦电源作用下，当电压与电流同相时，电路呈电阻性，此时电路的工作状态称为谐振。,1、串联谐振