工学第3章正弦稳态交流电路课件

第3章正弦稳态交流电路3.1正弦稳态交流电路的基本概念3.2正弦量的相量表示及相量图3.3正弦交流电路中电阻、电容、电感伏安关系的相量形式3.4阻抗、导纳及简单正弦交流电路的分析3.5正弦交流电路的功率3.6谐振电路重点：

复阻抗

用相量法分析简单正弦交流电路

正弦交流电路中的功率分析

正弦量的相量表示法

前面所讨论的都是直流电路，其中的电流和电压的大小和方向都是不随时间变化的。0I,Ut正弦交流电路:含有随时间按正弦函数规律变动的电源(激励),电路各部分所产生的电压和电流(响应)均按正弦规律变化的电路。0i,ut+_正弦电压和正弦电流等物理量，统称为正弦量。3.1正弦稳态交流电路的基本概念正弦量在任一瞬间的值称为瞬时值，用小写字母表示，如i、u分别表示电流和电压的瞬时值。一.正弦量的三要素：i(t)=Imsin(wt+y)i+_u(1)振幅

(amplitude)(幅值、最大值)Im(2)角频率(angularfrequency)w=2f=2/T(3)初相位(initialphaseangle)yytii0ImT有效值是从电流的热效应来规定的：在同一周期时间内，交流电流i和直流电流I对同一电阻具有相同的热效应，就用I表示i的有效值。幅值与有效值瞬时值中最大的值称为幅值或最大值，如Im、Um分别表示电流和电压的幅值。说明或计量正弦交流电时一般不用幅值或瞬时值，而用有效值。如民用电的220V和工业用电的380V。i(t)=Imsin(wt+ψi

)i+_uu(t)=Umsin(wt+ψu)正弦量的标准形式可见，有效值与幅值的数学关系为均方根。即对于R，在一个周期内，交流电流i所作的功为同样，对于同一R，在一个周期时间T内，直流电流I所作的功为代入

i=Im

sint，并解出I，得注意:只适用正弦量同理，对于正弦交流电压其有效值(方均根)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。注:频率与周期正弦量变化一次所需的时间(秒)称为周期T。每秒钟时间内变化的次数称为频率

f。频率是周期的倒数，即正弦量变化快慢的衡量有时还用角频率来描述。它与频率和周期的关系为相位及初相位正弦电流的一般表达式为其中(t+)为正弦电流的相位，

称为初相位。正弦量是随时间变化的，选取不同的计时零点，正弦量的初始值就不同。为加以区分引入相位及初相位的物理量。Imit波形图一般

||wti0

=00=/20

=-/2<0>0同频率正弦量的相位差

(phasedifference)设u(t)=Umsin(w

t+ψu),i(t)=Imsin(w

t+ψi)相位差j=(wt+ψu)-(wt+ψi)=

ψu-ψij>0，u领先(超前)i，或i落后(滞后)

uj<0，i领先(超前)u，或u落后(滞后)

i注意：只有同频率的正弦量才可以比较相位差tu,iu

iΨuΨijj=0，同相j=(180o)

，反相规定：||(180°)特殊相位关系：tu,iu

i0tu,iu

i0tu,iu

i0=90°正交

u领先i90°

或

i落后u90°

复数A的表示形式AbReIma0A=a+jbAbReIma0|A|复数及运算3.2

正弦量的相量表示及相量图两种表示法的关系：A=a+jb

A=|A|ejq

=|A|q

直角坐标表示极坐标表示或复数运算则A1±A2=(a1±a2)+j(b1±b2)(1)加减运算——采用代数形式若A1=a1+jb1，A2=a2+jb2A1A2ReIm0AbReIma0|A|图解法(2)乘除运算——采用极坐标形式若A1=|A1|1，A2=|A2|2除法：模相除，角相减。例1.乘法：模相乘，角相加。则:解例2.解几个特殊的复数因为复数

ejy

=cos

y

+jsin

y

=1∠y

所以，Aejy

=（|A|∠

）·1∠y=|A|∠（

+y

）设复数若对A取虚部：A还可以写成称为正弦量i(t)对应的相量。记为

正弦量的相量表示欧拉公式正弦量的相量表示:相量的模表示正弦量的有效值或幅值解：相量的幅角表示正弦量的初相位解：例2.试写出电流的瞬时值表达式。×已知例1.试用相量表示i,u

。例：已知,试求:u=u1+u2得：例：已知,试求:u=u1+u2解：相量图yiyu注意：只有同频率的相量才允许画在一个相量图上。+1+j相量的加减运算满足平行四边形法则如何画？+1+jU相量图在正弦稳态分析中有重要作用，尤其适用于定性分析。(在复平面上用向量表示相量的图)1.电阻元件有效值关系：UR=RIR（UmR=RImR)相位关系：Ψi=Ψu

u、i

同相uRiRR+-时域模型电压与电流的瞬时伏安关系电压与电流的相量伏安关系R相量模型+-相量图3.3正弦交流电路中电阻、电容、电感伏安关系的相量形式2.电容元件电压与电流的瞬时伏安关系时域模型iCuCC+-有效值关系：IC=ωCUC相位关系：Ψu

=Ψi-90

u滞后i900令XC=1/CUC=XC

IC容抗相量图相量模型+-电压与电流的相量伏安关系错误的写法以电压为参考相量以电流为参考相量复阻抗ZZ+-电容阻抗(1)表示限制电流的能力；(2)容抗与频率成反比。(3)

由于容抗的存在使电流超前电压。w电容具有通高频阻低频的作用。容抗的物理意义：单位欧姆3.电感元件iLuL

L+-时域模型电压与电流的瞬时伏安关系有效值关系：UL=ωLIL相位关系：Ψu

=Ψi+90

u超前i900令XL=LUL=XL

IL感抗相量图jL相量模型+-电压与电流的相量伏安关系以电流为参考相量以电压为参考相量错误的写法感抗的物理意义：(1)表示限制电流的能力；(2)

感抗与频率成正比。wXLXL=U/I=L=2fL，单位:欧(3)

由于感抗的存在使电流落后电压。电感具有通低频、阻高频的作用。电感阻抗3.4阻抗、导纳及简单正弦交流电路的分析导纳：阻抗的倒数jLR+-+-+-+-电抗电阻|Z|RXj阻抗三角形单位：阻抗模阻抗角Z=R+j(wL-1/wC)=|Z|∠jwL>1/wC

，X>0，j>0，电压超前电流，电路呈感性；wL<1/wC

，X<0，j<0，电压滞后电流，电路呈容性；画相量图：选电流为参考相量wL=1/wC

，X=0，j=0，电压与电流同相，电路呈电阻性。jLR+-+-+-+-阻抗的串联ººZ1Z2abZab分压公式等效阻抗阻抗的并联Z2Z1abZab等效阻抗分流公式例1

已知

Z1=1+jZ2=-1+jZ3=1

求

ZabººZ1Z2Z3ab解：简单正弦交流电路的分析例

求如图所示电路的等效阻抗(输入阻抗)。已知30Ω1mH100Ω0.1uF解：画出电路的相量模型30Ωj100Ω100Ω-j100ΩZ130Ω1mH注意：电感电容

LR+-例：设R=1Ω，L=1H，C=0.5F，ω=1rad/s。求端口的等效阻抗Z。若电流I=2∠300，求各支路电流。解：例

如图所示为一个相位后移电路。如果C=0.01uF，电源电压，要使输出电压相位向后移动，问应配多大电阻？此时输出电压等于多少？RC解：画出相量模型方法一：R由题意得R方法二：以电流为参考相量定性画出相量图R由相量图可知：例

正弦交流电路如图所示。已知，，，，且。试求+-+-+-解：利用相量图求解。3.5正弦交流电路的功率设无源二端网络加入正弦电压u,则其电流i

与电压u可表示如下：无源+ui_Φ为u与i的相位差则网络吸收功率为：瞬时功率

(instantaneouspower)

itOupUIcos

-UIcos(2t+)Φ无源+ui_p>0，网络吸收功率P<0，网络发出功率结论：在正弦电路中，由于电容与电感的储能作用，无源网络可能在一段时间内作为电源释放能量P>0P<0平均功率P(averagepower)(又称有功功率）=u-i：功率因数角。即端口电压和端口电流的相位差角。对无源网络，也为其等效阻抗的阻抗角。定义：cos

为功率因数。P的单位：W（瓦）无源+ui_纯电感

=90°纯电容

=-90°故PL=ULILcos900=0故PC=UCICcos(-900)=0纯电阻

=0°故PR=URIRcos00=URIR=I2RRRX|Z|无源+-RjX+-对于任意一个无源网络，有结论：在无源网络中，只有电阻元件才消耗平均功率。

无功功率Q无源+ui_单位：乏（var)纯电阻：

φ=0o则，QR=UIsin0=0纯电感：

φ=90o则，QL=UIsin90o=UI=I2XL>0纯电容：

φ=-90o则，QC=UIsin(-90o)=-UI=-I2XC

<0定义：无功的物理意义------反映电源与储能元件之间交换能量的能力Φ为u与i的相位差结论：（1）在无源网络中，只有电容、电感元件才消耗无功功率。（2）电容与电感的无功符号相反，在同一电路中可相互抵消。视在功率S------反映电气设备的电容量。

设备额定视在功率

SN=UNIN

表示设备允许提供的最大平均功率。若S=10000KVA当负载的cosφ=0.6时，可提供P=6000KW当负载的cosφ=0.9时，可提供P=9000KW定义:平均功率,无功功率,视在功率的关系：有功功率:P=UIcos

单位：W无功功率:Q=UIsinφ

单位：VarjSPQ功率三角形视在功率：S=UI单位：V·A

P=ScosQ=Ssin

0.5H2Ω1Ω2Ω0.5FiS(t)例1：已知试求电源的P、Q、S、cosφ。解：对电源而言的无源单口网络等效为阻抗Z：RjX

jΩ2Ω1Ω2Ω-jΩ5∠0相量模型举例1已知：已知电流表读数为1.5A(有效值)。求：(1)US=?(2)电源的P和Q.解：例2A+–++––+–(1)Us=?举例2A+–++––+–(2)求P、Q=?另解举例2（续）为什么要提高电路功率因数？

(1)

设备电能不能充分利用.(2)

当输出相同的有功功率时，线路电流I=P/(Ucosφ)，线路损耗随cosφ减小而增大。并联电容电路功率因数的提高功率因数低带来的问题解决办法负载j1j2LRC+_2<1cos2>cos1补偿容量的确定：代入上式补偿电容大小影响补偿效果负载呈阻性cosφ=1负载呈容性cosφ<1已知：f=50Hz,U=380V,P=20kW,cosφ1=0.6。要使功率因数提高到0.9,求并联电容C。例.P=20kWcosj1=0.6+_CLRC+_解：3.6谐振电路复阻抗Z是频率的函数,改变输入(激励)的频率,不仅改变着响应的大小,也改变了其相位。Z+-无源线性+-频率特性：在一定激励条件下响应随频率变化的规律谐振电路低通和高通滤波电路什么是谐振?当加在某RLC网络上的电压与流入网络的电流同相，则称电路