正弦交流电路课件

3、正弦交流电路1谢谢欣赏2019-8-20考试点一1、掌握正弦量的三要素和有效值2、掌握电感、电容元件电流电压关系的相量形式及基尔霍夫定律的相量形式3、掌握阻抗、导纳、有功功率、无功功率、视在功率和功率因数的概念4、熟练掌握正弦电路分析的相量方法5、了解频率特性的概念2谢谢欣赏2019-8-20预备知识——复数一、复数的形式1、代数形式

F=a+jb为虚单位复数F的实部Re[F]=a复数F的虚部Im[F]=b复数

F

在复平面上可以用一条从原点O指向F对应坐标点的有向线段表示。+1+jOFab3谢谢欣赏2019-8-202、三角形式模辐角+1+jOFab4谢谢欣赏2019-8-205/-53.1°3、指数形式根据欧拉公式4、极坐标形式F=|F|/θ3+j4=5/53.1°-3+j4=×=5/126.9°10/30°=10(cos30°+jsin30°)=8.66+j55谢谢欣赏2019-8-20二、复数的运算1、加法用代数形式进行，设+1+jO几何意义6谢谢欣赏2019-8-202、减法用代数形式进行，设+1+jO几何意义7谢谢欣赏2019-8-203、乘法用极坐标形式比较方便设4、除法8谢谢欣赏2019-8-20三、旋转因子是一个模等于1，辐角为θ的复数。等于把复数A逆时针旋转一个角度θ，而A的模值不变。j-j-1因此，“±j”和“-1”都可以看成旋转因子。任意复数A乘以ejθ9谢谢欣赏2019-8-20一个复数乘以j， 等于把该复数逆时针旋转π/2，一个复数除以j， 等于把该复数乘以-j， 等于把它顺时针旋转π/2。虚轴等于把实轴+1乘以j而得到的。例如10谢谢欣赏2019-8-20例：设F1=3-j4，F2=10/135°求:F1+F2

和

F1/F2

。解：求复数的代数和用代数形式：F2=10/135°=10（cos135°+jsin135°)=-7.07+j7.07F1+F2=(3-j4)+(-7.07+j7.07)=-4.07+j3.07=5.1/143°11谢谢欣赏2019-8-20F1F2=3-j410/135°=5/-53.1

°10/135°=0.5/-188.1

°=0.5/171.9

°辐角应在主值范围内12谢谢欣赏2019-8-20

正弦量的概念一、正弦量 电路中按正弦规律变化的电压或电流，统称为正弦量。 对正弦量的描述，可以用sine，也可以用cosine。 用相量法分析时，不要两者同时混用。本讲采用cosine。二、正弦量的三要素i+-u瞬时值表达式：13谢谢欣赏2019-8-201、振幅（最大值）ImIm2πωtiOπ2π正弦量在整个振荡过程中达到的最大值。2、角频率ω

反映正弦量变化的快慢 单位rad/s

ωT=2π

ω=2πf

f=1/T 频率f的单位为赫兹（Hz） 周期T的单位为秒（s）

工频，即电力标准频率：f=50Hz,

T=0.02s ω=314rad/s14谢谢欣赏2019-8-203、初相位（角）主值范围内取值Im2πωtiOπ2π称为正弦量的相位，或称相角。15谢谢欣赏2019-8-20三、正弦量的有效值16谢谢欣赏2019-8-2017谢谢欣赏2019-8-20四、同频率正弦量相位的比较相位差相位差也是在主值范围内取值。φ>0，称u超前i；φ<0，称u落后i；φ=0，称u,i同相；φ=π/2，称u，i

正交；φ=π，称u，i

反相。18谢谢欣赏2019-8-20例：i=10sin(314t+30°)A

u=5cos(314t-150°)V求电压和电流的相位差。i=10sin(314t+30°)=10cos(314t+30°-90°)=10cos(314t-60°)19谢谢欣赏2019-8-20正弦量相应符号的正确表示瞬时值表达式

i=10cos(314t+30°)A变量，小写字母有效值I=常数，大写字母加下标m最大值常数，大写字母最大值相量有效值相量常数，大写字母加下标m再加点常数，大写字母加点Im=10A20谢谢欣赏2019-8-20电路定律的相量形式一、基尔霍夫定律

正弦电流电路中的各支路电流和支路电压都是同频正弦量，所以可以用相量法将KCL和KVL转换为相量形式。1、基尔霍夫电流定律

对电路中任一点，根据KCL有Σi=0其相量形式为2、基尔霍夫电压定律对电路任一回路，根据KVL有Σu=0其相量形式为21谢谢欣赏2019-8-201、电阻元件瞬时值表达式+-R+-R相量形式+1+jO相量图二、电阻、电感和电容元件的VCR相量形式22谢谢欣赏2019-8-202、电感元件L+-相量形式L+-+1+jO相量图瞬时值表达式23谢谢欣赏2019-8-203、电容元件瞬时值表达式C+-相量形式C+-+1+jO相量图24谢谢欣赏2019-8-20如果受控源（线性）的控制电压或电流是正弦量，则受控源的电压或电流将是同一频率的正弦量。4、受控源25谢谢欣赏2019-8-20例：正弦电流源的电流，其有效值IS=5A，角频率ω=103rad/s，R=3Ω，L=1H，C=1μF。求电压uad和ubd。abcdi+++---解：画出所示电路相对应的相量形式表示的电路图abc+++---dRjωL26谢谢欣赏2019-8-20设电路的电流相量为参考相量abc+++---dRjωL=15/0°V=5000/90°V=5000/-90°V=0A27谢谢欣赏2019-8-20相量法的三个基本公式

以上公式是在电压、电流关联参考方向的条件下得到的； 如果为非关联参考方向，则以上各式要变号。 以上公式既包含电压和电流的大小关系， 又包含电压和电流的相位关系。28谢谢欣赏2019-8-20阻抗和导纳一、阻抗1、定义No+-阻抗模|Z|=U/I阻抗角阻抗Z的代数形式可写为

Z=R+jX其实部为电阻，虚部为电抗。29谢谢欣赏2019-8-202、R、L、C对应的阻抗分别为：3、感抗和容抗感抗容抗反映电感对电流的阻碍作用反映电容对电流的阻碍作用30谢谢欣赏2019-8-204、RLC串联电路如果No内部为RLC串联电路，则阻抗Z为RX|Z|阻抗三角形31谢谢欣赏2019-8-20当X>0，称Z呈感性；当X<0，称Z呈容性；当X=0，称Z呈电阻性电路的性质Z=R+jX32谢谢欣赏2019-8-20二、导纳1、定义导纳模|Y|=I/U导纳角导纳Y的代数形式可写为

Y=G+jB其实部为电导，虚部为电纳。33谢谢欣赏2019-8-202、单个元件R、L、C的导纳3、感纳和容纳感纳容纳34谢谢欣赏2019-8-20阻抗（导纳）的串联和并联一、阻抗的串联 对于n个阻抗串联而成的电路，其等效阻抗各个阻抗的电压分配为k=1,2,…，n35谢谢欣赏2019-8-20二、阻抗的并联对n

个导纳并联而成的电路，其等效导纳各个导纳的电流分配为k=1,2,…，n36谢谢欣赏2019-8-20例：如图RLC串联电路。R=15，L=12mH，C=5F，端电压u=141.4cos(5000t)V。求：i，各元件的电压相量。解：用相量法。37谢谢欣赏2019-8-20i(t)=42cos(5000t-53.13o)A38谢谢欣赏2019-8-20

电路的相量图一、相量图 相关的电压和电流相量在复平面上组成。 在相量图上，除了按比例反映各相量的模外， 最重要的是确定各相量的相位关系。二、相量图的画法 选择某一相量作为参考相量， 而其他有关相量就根据它来加以确定。 参考相量的初相可取为零， 也可取其他值，视不同情况而定。39谢谢欣赏2019-8-201、串联电路取电流为参考相量，从而确定各元件的电压相量；表达KVL的各电压相量可按向量求和的方法作出。2、并联电路取电压为参考相量，从而确定各元件的电流相量；表达KCL的各电流相量可按向量求和的方法作出。3、串并联电路从局部开始40谢谢欣赏2019-8-2053.1°以上一节中例题为例41谢谢欣赏2019-8-20V1V2V1读数为10V，V2读数为10V，V0的读数为？V0+-+-V0的读数为14.14V+ -42谢谢欣赏2019-8-20

正弦稳态电路的分析

在用相量法分析计算时，引入正弦量的相量、阻抗、导纳和KCL、KVL的相量形式，它们在形式上与线性电阻电路相似。对于电阻电路有：对于正弦电流电路有：43谢谢欣赏2019-8-20用相量法分析时，线性电阻电路的各种分析方法和电路定理可推广用于线性电路的正弦稳态分析

差别仅在于所得电路方程为以相量形式表示的代数方程以及用相量形式描述的电路定理，而计算则为复数运算。44谢谢欣赏2019-8-20例：电路中的独立电源全都是同频正弦量。试列出该电路的结点电压方程。12解：电路的结点电压方程为-++-+-+45谢谢欣赏2019-8-20

正弦稳态电路的功率一、瞬时功率N+u-i一端口内部不含独立电源，仅含电阻、电感和电容等无源元件。它吸收的瞬时功率p等于电压u和电流i的乘积p=ui46谢谢欣赏2019-8-20二、平均功率又称有功功率，是指瞬时功率在一个周期内的平均值。功率因数单位：瓦（W）电阻Rλ=1电感Lλ=0电容Cλ=0定义：47谢谢欣赏2019-8-20三、无功功率反映了内部与外部往返交换能量的情况。单位：乏（Var)电阻R电感L电容C48谢谢欣赏2019-8-20四、视在功率电机和变压器的容量是由视在功率来表示的。单位：伏安（VA）有功功率P、无功功率Q和视在功率S存在下列关系：49谢谢欣赏2019-8-20例：测量电感线圈R、L的实验电路，已知电压表的读数为50V，电流表的读数为1A，功率表读数为30W，电源的频率f=50Hz。试求R、L之值。+-VAW+-**电感线圈解：可先求得线圈的阻抗=50Ω50谢谢欣赏2019-8-20解得：=30+j40ΩR=30Ω=127mH另一种解法R=30Ω而故可求得：=40Ωω=2πf=314rad/s51谢谢欣赏2019-8-20可以证明正弦电流电路中总的有功功率是电路各部分有功功率之和，总的无功功率是电路各部分无功功率之和，即有功功率和无功功率分别守恒。但视在功率不守恒。52谢谢欣赏2019-8-20三、功率因数的提高是电路的功率因数。

电压与电流间的相位差或电路的功率因数决定于电路（负载）的参数。 只有在电阻负载的情况下，电压和电流才同相，其功率因数为1。 对于其他负载来说，其功率因数均介于0与1之间。53谢谢欣赏2019-8-20

功率因数不等于1时，电路中发生能量互换，出现无功功率。这样引起下面两个问题：1、发电设备的容量不能充分利用2、增加线路和发电机绕组的功率损耗提高功率因数的意义54谢谢欣赏2019-8-20RjωL与电感性负载并联静电电容器。O提高功率因数的常用方法：55谢谢欣赏2019-8-20O并联电容C的计算56谢谢欣赏2019-8-20

提高功率因数，是指提高电源或电网的功率因数， 而不是指提高某个电感性负载的功率因数。 并联电容后并不改变原负载的工作状况， 所以电路的有功功率并没有改变， 只是改变了电路的无功功率，从而使功率因数得到提高。提高功率因数的含义57谢谢欣赏2019-8-20例：正弦电压为50Hz，380V，感性负载吸收的功率为20kW，功率因数0.6。若使电路的功率因数提高到0.9，求在负载的两端并接的电容值。I=58.48A=44.69A=375μF解：O58谢谢欣赏2019-8-20

串联电路的谐振一、RLC串联电路R59谢谢欣赏2019-8-20二、串联谐振的定义由于串联电路中的感抗和容抗有相互抵消作用，所以，当ω=ω0时，出现X(ω0）=0，这时端口上的电压与电流同相，工程上将电路的这种工作状况称为谐振，由于是在RLC串联电路中发生的，故称为串联谐振。三、串联谐振的条件Im[Z(jω)]=060谢谢欣赏2019-8-20四、谐振频率角频率频率谐振频率又称为电路的固有频率，是由电路的结构和参数决定的。串联谐振频率只有一个，是由串联电路中的L、C参数决定的，而与串联电阻R无关。Im[Z(jω)]=061谢谢欣赏2019-8-20五、串联谐振的特征1、阻抗=R谐振时阻抗为最小值。2、电流在输入电压有效值U不变的情况下，电流为最大。3、电阻电压实验时可根据此特点判别串联谐振电路发生谐振与否。62谢谢欣赏2019-8-20六、谐振曲线

除了阻抗Z和频率的特性外，还应分析电流和电压随频率变化的特性，这些特性称为频率特性，或称频率响应，它们随频率变化的曲线称为谐振曲线。ωOI(ω)63谢谢欣赏2019-8-20七、品质因数谐振时有所以串联谐振又称为电压谐振。串联谐振电路的品质因数如果Q>1，则有当Q>>1，表明在谐振时或接近谐振时，会在电感和电容两端出现大大高于外施电压U的高电压，称为过电压现象，往往会造成元件的损坏。但谐振时L和C两端的等效阻抗为零（相当于短路）。64谢谢欣赏2019-8-20八、功率谐振时，电路的无功功率为零，这是由于阻抗角为零，所以电路的功率因数=1整个电路的视在功率S=P但分别不等于零。谐振时电路不从外部吸收无功功率电感与电容之间周期性地进行磁场能量和电场能量的交换,65谢谢欣赏2019-8-20但电路内部的电感与电容之间周期性地进行磁场能量和电场能量的交换，谐振时，有并有这一能量的总和为66谢谢欣赏2019-8-20=常量所以能量的总和另外还可以得出串联电阻的大小虽然不影响串联谐振电路的固有频率，但有控制和调节谐振时电流和电压幅度的作用。67谢谢欣赏2019-8-20并联谐振电路一、GLC并联电路G二、并联谐振的定义由于发生在并联电路中，所以称为并联谐振。三、并联谐振的条件68谢谢欣赏2019-8-20四、谐振频率可解得谐振时角频率频率该频率称为电路的固有频率。五、并联谐振的特征1、输入导纳最小=G或者说输入阻抗最大69谢谢欣赏2019-8-202、端电压达最大值可以根据这一现象判别并联电路谐振与否。六、品质因数并联谐振时有所以并联谐振又称电流谐振。如果Q>>1，则谐振时在电感和电容中会出现过电流，但从L、C两端看进去的等效电纳等于零，即阻抗为无限大，相当于开路。70谢谢欣赏2019-8-20七、功率和能量谐振时无功功率所以表明在谐振时，电感的磁场能量与电容的电场能量彼此相互交换，两种能量的总和为=常数71谢谢欣赏2019-8-20八、电感线圈和电容并联的谐振电路R+_谐振时，有故有由上式可解得72谢谢欣赏2019-8-20显然，只有当R+_O当电感线圈的阻抗角φ1很大，谐振时有过电流出现在电感支路和电容中。73谢谢欣赏2019-8-20考试点二6、熟练掌握三相电路中电源和负载的联接方式及相电压、相电流、线电压、线电流、三相功率的概念和关系7、熟练掌握对称三相电路分析的相量方法8、掌握不对称三相电路的概念74谢谢欣赏2019-8-20

三相电路一、对称三相电源 对称三相电源是由3个等幅值、同频率、初相依次相差120°的正弦电压源连接成星形或三角形组成的电源。+-A-+B+-CNN+---++ABC星形接法三角形接法75谢谢欣赏2019-8-20+-A-+B+-CNN+---++ABC星形接法三角形接法

星形接法中，电压源的参考方向是以中点处为负； 三角形接法中，电压源的连接是顺次相接形成一个回路， 如果接错，将可能形成很大的环形电流。76谢谢欣赏2019-8-203个电源依次称为A相、B相和C相，它们的电压为：Ou=077谢谢欣赏2019-8-20它们对应的相量形式为是工程上为了方便而引入的单位相量算子。120°120°120°=078谢谢欣赏2019-8-20二、三相电压的相序

上述三相电压的相序（次序）A、B、C称为正序或顺序。 与此相反，如B相超前A相120°，C相超前B相120°， 这种相序称为反序或逆序。 电力系统一般采用正序。79谢谢欣赏2019-8-20三、三相电路的基本概念1、端线： 从3个电压源正极性端子A、B、C向外引出的导线。2、中线： 从中（性）点N引出的导线。3、线电压： 端线之间的电压。4、相电压 电源每一相的电压，或负载阻抗的电压。5、线电流 端线中的电流。6、相电流 各相电源中的电流或负载阻抗的电流。80谢谢欣赏2019-8-20相电压线电压线电流又是相电流相电压又是线电压线电流相电流+-A-+B+-CNN+---++ABCiAiAiAB81谢谢欣赏2019-8-20四、电源和负载的连接1、负载的连接方式 负载也可以连接成星形或三角形。 当三相阻抗相等时，就称为对称三相负载。2、三相电路 从对称三相电源的3个端子引出具有相同阻抗的3条端线（或输电线），把一些对称三相负载连接在端线上就形成了对称三相电路。 实际三相电路中，三相电源是对称的，3条端线阻抗是相等的，但负载则不一定是对称的。82谢谢欣赏2019-8-203、三相电路的连接方式 三相电源为星形电源，负载为星形负载，称为Y-Y连接方式； 三相电源为星形电源，负载为三角形负载，称为Y-△连接方式； 此外还有△-Y连接方式和△-△连接方式。83谢谢欣赏2019-8-20+++---ABCNZlZlZlZNA’B’C’ZZZN’Y-Y连接方式Zl是端线的阻抗。有中线时，称为三相四线制，也称为Y0接法84谢谢欣赏2019-8-20___+++NABCZlZlZlC’ZZZA’B’Y-△连接方式85谢谢欣赏2019-8-20线电压(电流)与相电压(电流)的关系

三相电源的线电压和相电压、线电流和相电流之间的关系都与连接方式有关。对于三相负载也是如此。一、线电压与相电压的关系

1、星形连接+-A-+B+-CNN86谢谢欣赏2019-8-20对于对称星形电源，依次设其线电压为相电压为---+-A-+B+-CNN87谢谢欣赏2019-8-20

线电压与对称相电压之间的关系可以用图示电压正三角形说明， 相电压对称时，线电压也一定依序对称，NABC电压相量图

依次超前相应相电压的相位为30°。 实际计算时，只要算出一相就可以依序写出其余两相。线电压是相电压的倍，88谢谢欣赏2019-8-20---+-A-+B+-CNN89谢谢欣赏2019-8-202、三角形电源3、对称星形负载和三角形负载 以上有关线电压和相电压的关系同样适用。+---++ABC90谢谢欣赏2019-8-20二、线电流和相电流的关系1、星形连接 线电流显然等于相电流。2、三角形连接___+++NABCZlZlZlZZZA’B’C’91谢谢欣赏2019-8-20___+++NABCZlZlZlZZZA’B’C’---92谢谢欣赏2019-8-20电流相量图

线电流与对称的三角形负载相电流之间的关系可以用图示电流正三角形说明， 相电流对称时，线电流也一定对称，

依次滞后相应相电流的相位为30°。 实际计算时，只要算出一相就可以依序写出其余两相。线电流是相电流的倍，93谢谢欣赏2019-8-20___+++NABCZlZlZlZZZA’B’C’---94谢谢欣赏2019-8-20电源和负载的连接方式三相电源380V/220V对应连接方式为Y/△三相电路中的额定电压是指电路的线电压。1、现有白炽灯三相负载UN=220V负载连接成Y接，电路应连接成Y-YY-△△-Y△-△Y-Y负载连接成△接，电路应连接成△-△2、如白炽灯UN=127V

电路应连接为△-Y3、如白炽灯UN=380V

电路应连接为Y-△95谢谢欣赏2019-8-20对称三相电路的计算

三相电路实际上是正弦电流电路的一种特殊类型。 因此，前面对正弦电流电路的分析方法对三相电路完全适用。 根据三相电路的一些特点，可以简化对称三相电路分析计算。96谢谢欣赏2019-8-20一、对称三相四线制电路+++---ABCNNA’B’C’ZlZlZlZNZZZN’97谢谢欣赏2019-8-20+++---ABCNNA’B’C’ZlZlZlZNZZZN’以N为参考结点由于所以98谢谢欣赏2019-8-20+++---ABCNNA’B’C’ZlZlZlZNZZZN’中线的电流为所以在对称Y-Y三相电路中，中线如同开路。×99谢谢欣赏2019-8-20三相电路归结为一相的计算方法

由于UN’N=0，各相电流独立，彼此无关； 又由于三相电源、三相负载对称，所以相电流构成对称组。 因此，只要分析计算三相中的任一相，而其他两相的电压、电流就能按对称顺序写出。+-ANA’ZlZN’ZN100谢谢欣赏2019-8-20二、其他连接方式的对称三相电路 可以根据星形和三角形的等效互换。 化成对称的Y-Y三相电路， 然后用归结为一相的计算方法。注意：在一相计算电路中，连接N、N’的是短路线，与中线阻抗ZN无关。101谢谢欣赏2019-8-20例：___+++NABCZlZlZlZZZA’B’C’对称三相电路，Z=(19.2+j14.4)Ω，Zl=(3+j4)Ω，对称线电压UAB=380V。求负载端的线电压和线电流。102谢谢欣赏2019-8-20___+++NABCZlZlZlZZZA’B’C’解: