正弦交流电路

第3章正弦交流电路3.1正弦电压与电流3.3电阻元件、电感元件与电容元件3.4电阻元件的交流电路3.5电感元件的交流电路3.6电容元件的交流电路3.7电阻、电感与电容元件的交流电路3.8阻抗的串联与并联3.9交流电路的频率特性3.10功率因数的提高目录3.2正弦量的相量表示法直流电和正弦交流电前面两章分析的是直流电路，其中的电压和电流的大小和方向是不随时间变化的。3.1正弦电压与电流I，UOt直流电压和电流返回tiuO正弦电压和电流实际方向和参考方向一致实际方向和参考方向相反＋－正半周实际方向和参考方向一致+_uRi负半周实际方向和参考方向相反+_uRi正弦交流电的电压和电流是按照正弦规律周期性变化的。3.1.1频率和周期正弦量变化一次所需要的时间（秒）称为周期（T）。每秒内变化的次数称为频率（），单位是赫兹（Hz）。我国和大多数国家采用50Hz的电力标准，有些国家（美国、日本等）采用60Hz。小常识正弦量变化的快慢还可用角频率来表示：fT22tT2T23Tt234T2uiOf频率是周期的倒数:f=1/T已知=50Hz,求T和ω。[解]T=1/=1/50=0.02s,ω=2π=2×3.14×50＝314rad/sfff例题3.13.1.2幅值和有效值瞬时值和幅值正弦量在任一瞬间的值称为瞬时值，用小写字母表示，如、u、e等。瞬时值中的最大的值称为幅值或最大值，用带下标m的大写字母表示，如Im、Um、Em等。有效值在工程应用中常用有效值表示交流电的幅度。一般所讲的正弦交流电的大小，如交流电压380V或220V，指的都是有效值。有效值是用电流的热效应来规定的。设一交流电流和一直流电流I流过相同的电阻R，如果在交流电的一个周期内交流电和直流电产生的热量相等，则交流电流的有效值就等于这个直流电的电流I。i则TdtiTI021dtRiT20交流直流RTI2根据热效应相等有：正弦电压和电动势的有效值：22mmEEUU有效值都用大写字母表示！tIimsin由可得正弦电流的有效值：2mII3.1.3初相位相位表示正弦量的变化进程，也称相位角。初相位t=0时的相位。tIimsin相位：t初相位：0itOtIimsin相位：t初相位：ψit初相位给出了观察正弦波的起点或参考点。说明相位差两个同频率的正弦量的相位之差或初相位之差称为相位差。则和的相位差为：2121tt当时，比超前角，比滞后角。uiui21ui2tIimsin1tUumsin正弦交流电路中电压和电流的频率是相同的，但初相不一定相同，设电路中电压和电流为：ωtuiO同相反相的概念同相:相位相同，相位差为零。反相:相位相反，相位差为180°。总结描述正弦量的三个特征量：幅值、频率、初相位返回Oωti1i2i3i下面图中是三个正弦电流波形。与同相，与反相。1i2i1i3i3.2正弦量的相量表示法正弦量的表示方法：三角函数式：tIimsin★★波形图：itO★相量法：用复数的方法表示正弦量返回一个正弦量可以用旋转的有向线段表示。相量法tUumsinmUtω有向线段的长度表示正弦量的幅值；有向线段(初始位置)与横轴的夹角表示正弦量的初相位;有向线段旋转的角速度表示正弦量的角频率。正弦量的瞬时值由旋转的有向线段在纵轴上的投影表示。有向线段可以用复数表示。复数的加减运算可用直角坐标式，乘除法运算可用指数式或极坐标式。j1OrabAsincosjrjbaAjreArA直角坐标式：指数式：极坐标式式：有向线段OA可用复数形式表示：表示正弦量的复数称为相量注意：相量用上面打点的大写字母表示。由复数知识可知：j为90°旋转因子。一个相量乘上+j则旋转+90°；乘上-j则旋转-90°。复数的模表示正弦量的幅值或有效值复数的辐角表示正弦量的初相位mjmmmUeUjUUsincosUUejUUjsincos正弦电压的相量形式为：有效值相量幅值相量：tUumsin一个正弦量可以用旋转的有向线段表示，而有向线段可以用复数表示，因此正弦量可以用复数来表示。把表示各个正弦量的有向线段画在一起就是相量图，它可以形象地表示出各正弦量的大小和相位关系。相量图ψ２ψ１ΙU电压相量比电流相量UI超前角1.只有正弦周期量才能用相量表示。2.只有同频率的正弦量才能画在一张相量图上。注意[解](1)用复数形式求解根据基尔霍夫电流定律：A....sincossincos021830452121129740712230527707703060306045100451006010021jjjjmjmmmmejjjjeeeIeIIIIi1i2i在如图所示的电路中，设：A)sin()sin(A)sin()sin(306045100221111－ttIittIimm求总电流。例题3.2i（2）用相量图求解画出相量图，并作出平行四边形，其对角线即是总电流。+j+1mI1mI2mI70.740.770.752122.73045°18°20′30°返回3.3电阻元件、电感元件和电容元件在直流电路中（稳态），电感元件可视为短路，电容元件（稳态）可视为开路。在交流电路中，电感元件和电容元件中的电流均不为零。电阻元件：消耗电能，转换为热能（电阻性）电感元件：产生磁场，存储磁场能（电感性）电容元件：产生电场，存储电场能（电容性）返回3.3.1电阻元件对电阻元件，其电压电流满足欧姆定律：iRuRui或把上面两式相乘并积分，得：ttdtRiuidt002由此可知，电能全部消耗在电阻上，转换为热能。金属导体的电阻值与其材料导电性及尺寸的关系为：SlR其中：ρ、、S分别为导体的电阻率、长度、横截面积。l3.3.2电感元件对于一个电感线圈，习惯上规定感应电动势的参考方向与磁通的参考方向之间符合右手螺旋定则。线圈的感应电动势为：ttΦNedddd电感的定义如果磁通是由通过线圈的电流产生的，则：LiNΦL为线圈的电感，也称为自感。i此时的感应电动势也称为自感电动势：tiLeLddlSNL2线圈的电感与线圈的尺寸、匝数及介质的磁导率μ有关：电感的单位为亨[利](H).电感元件的电压电流关系＋_u_＋eLLi电感中出现的自感电动势表现在电感两端有电压降产生。设一电感元件电路电压、电流及电动势的参考方向如图所示。根据基尔霍夫电压定律：LeutiLeuLdd从而：00001111ttttuLituLtuLtuLidddd把上式两边积分可得：式中为t=0时电流的初始值。如果＝0则：ttuLi01d0i0i电感元件的磁场能量221Li因此电感元件中存储的磁场能量为：返回tiLeuLdd把式两边乘以并积分得：ttLiiLitui02021ddi3.3.3电容元件电容元件的电容C定义为电容上的电量与电压的比值：uqC电容的定义电容的大小与电容元件的尺寸及介质的介电常数有关。平行板电容器的电容为：dSC式中ε为介质的介电常数，S为极板面积，d为极板间距离。单位为法[拉](F).电容元件的电压与电流的关系＋_uCi对于图中的电路有：tuCtqidddd对上式两边积分，可得：00001111ttttiCutiCtiCtiCudddd式中u0为t=0时电压的初始值。如果u0＝0则：tidtCu01电容元件的电场能量221Cu电容元件中存储的电场能量为：把式两边乘以u并积分得：ttCuuCutui02021ddtuCtqidddd特征电阻元件电感元件电容元件参数定义电压电流关系能量iRuiuRiNLuqCtiLuddtuCiddtdtRi02221Li221Cu元件总结如果一个电感元件两端的电压为零，其储能是否也一定为零？如果一个电容元件中的电流为零，其储能是否一定为零？思考题返回3.4电阻元件的交流电路电压电流关系tUtRIiRummsinsintIimsin＋_uRi设图中电流为：根据欧姆定律：从而：RIUIUiuRIUmmmm电压和电流频率相同，相位相同。IRU相量形式的欧姆定律返回瞬时功率电压和电流瞬时值的乘积就是瞬时功率：tUItIUtIUuipmmmmcoscossin1122p≥0，总为正值，所以电阻元件消耗电能，转换为热能。平均功率平均功率是一个周期内瞬时功率的平均值：TTRURIUIttUITpdtTP0220111dcos电压、电流、功率的波形uu2ππOOpPωtωt＋_uCIUiiip返回3.5电感元件的交流电路电压电流关系设一非铁心电感线圈(线性电感元件，L为常数),假定电阻为零。根据基尔霍夫电压定律：tiLeuLdd＋_u_＋eLLi设电流为参考正弦量：tIimsin9090tUtLItLIttILummmmsinsincosdsind电压和电流频率相同，电压比电流相位超前90°。返回从而：LIUIULIUmmmmLXiu注意！这样，电压电流的关系可表示为相量形式：ILjIjXULωL单位为欧[姆]。电压U一定时ωL越大电流I越小，可见它对电流起阻碍作用,定义为感抗：fLLXL2感抗XL与电感L、频率成正比。对于直流电＝0，XL＝0，因此电感对直流电相当于短路。ff瞬时功率tUItIUttIUttIUuipmmmmmm22290sinsincossinsinsinP=0表明电感元件不消耗能量。只有电源与电感元件间的能量互换。用无功功率来衡量这种能量互换的规模。平均功率（有功功率）021100TTttUITtpTPdsind平均功率衡量电路中所消耗的电能，也称有功功率。无功功率电感元件的无功功率用来衡量电感与电源间能量互换的规模，规定电感元件的无功功率为瞬时功率的幅值（它并不等于单位时间内互换了多少能量）。它的单位是乏（var）。LXIUIQ2无功功率是否与频率有关？思考题返回电压、电流、功率的波形u2ππOOpωtωtIUp＋_u_＋eL+_+_+_+_储能储能放能放能L++--iiiiii返回在第一个和第三个1/4周期内，电流在增大，磁场在建立，p为正值（u和正负相同），电感元件从电源取用能量，并转换为磁场能量；在第二个和第四个1/4周期内,电流在减小，p为负值（u和一正一负），磁场在消失，电感元件释放原先储存的能量并转换为电能归还给电源。这是一个可逆的能量转换过程。在一个周期内，电感元件吸收和释放的能量相等。ii3.6电容元件的交流电路电压电流关系＋_uCi对于电容电路：tuCtqidddd如果电容两端加正弦电压：tUumsin9090tItCUtCUdttUCimmmmsinsincossind则：电压和电流频率相同，电压比电流相位滞后90°。返回从而：CIUIUUCImmmm1这样，电压电流的关系可表示为相量形式：CjICIjIjXUCf(1/ωC)单位为欧[姆]。电压U一定时(1/ωC)越大电流I越小,可见它对电流起阻碍作用,定义为容抗：fCCXC211容抗XC与电容C，频率成反比。对直流电＝0，XC→∞，因此电容对直流相当于开路，电容具有隔直通交的作用。f瞬时功率tUItIUttIUttIUuipmmmmmm22290sinsincossinsinsin平均功率（有功功率）电