重庆科创职业学院-3章-正弦交流电路的基本知识

电路分析返章目录3.1正弦交流电路的基本概念3.2单一参数的正弦交流电路第3章单相正弦交流电路的基本知识电路分析返节目录返节目录本章的学习目的和要求正弦交流电路的基本理论和基本分析方法是学习电路分析的重要内容之一，应很好掌握。通过对本章的学习，要求能够正确理解正弦交流电的基本概念；熟悉正弦交流电的几种表示方法；深刻理解相量的概念，牢固掌握单一参数上电压、电流关系及功率的关系；初步掌握多参数组合的串、并联正弦交流电路的分析与计算方法。电路分析返节目录返节目录前面两章所接触到的电压和电流均为稳恒直流电，其大小和方向均不随时间变化，称为稳恒直流电，简称直流电。直流电的波形图如下图所示：u、it0电子通讯技术中通常接触到电压和电流，通常其大小随时间变化，方向不随时间变化，称为脉动直流电，如图所示。3.1正弦交流电路的基本概念电路分析返节目录返节目录电压或电流的大小和方向均随时间变化时，称为交流电，最常见的交流电是随时间按正弦规律变化正弦电压和正弦电流。表达式为：)sin(umtUu)sin(imtIiu、it0正弦交流电解析式与波型图波形图为：电路分析返节目录返节目录3.1.1正弦量的三要素1.正弦交流电的周期、频率和角频率角频率ω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：fT22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：Tf1电路分析返节目录返节目录3.1.1正弦量的三要素2.正弦量的瞬时值、最大值和有效值瞬时值正弦量对应第一时刻的数值，通常用解析式表示：A)60sin(07.7V)45sin(311titu最大值正弦量在一个周期内振荡的正向最高点：ut0mU电路分析返节目录返节目录3.1.1正弦量的三要素IIIIII414.12707.02mmm指与交流电热效应相同的直流电数值。Riit时间内在R上产生的热量为Q例我们就把与交流电热效应相同的直流电流I的数值称为i的有效值。有效值可以确切地反映交流电的作功能力。理论和实际都可以证明RII通过Rt时间内也产生Q热量有效值电路分析返节目录返节目录正弦量解析式中随时间变化的电角度(ωt+φ)称为相位，相位是时间的函数，反应了正弦量随时间变化的整个进程。相位t=0时的相角φ，初相确定了正弦量计时始的位置。3.1.1正弦量的三要素3.正弦交流电的相位和初相V)45sin(311tu初相ut0电路分析返节目录返节目录)sin(),sin(imumtIitUuiuiuiutttt)()(例相位初相u、i的相位差为：显然，相位差实际上等于两个同频率正弦量之间的初相之差。3.1.2相位差两个同频率正弦量之间相位的差值称为它们的相位差电路分析返节目录返节目录3.1.2相位差u1与u2反相，即相位差为180°；ωtu4u2u1uu3超前u190°，或说u1滞后u390°，二者为正交的相位关系。u1与u4同相，即相位差为零。介绍几个有关相位差的概念：u3电路分析返节目录返节目录已知工频电压有效值U＝220V，初相ψu＝60°；工频电流有效值I＝22A，初相ψi＝－30°。求其瞬时值表达式、波形图及它们的相位差。V)3314sin(2220tu)A6-t314sin(222i2)6(3iu工频电角频率为314rad/s，所以瞬时值表达式:波形图:0u、iωtui36相位差:电路分析返节目录返节目录正弦量的最大值(或有效值)反映了正弦量的大小及作功能力；角频率(或频率、周期)反映了正弦量随时间变化的快慢程度；初相则确定了正弦量计时始的位置。只要这三个要素确定之后，则正弦量无论是解析式还是波形图，都是唯一和确切的。因此，我们把最大值（或有效值）、角频率（或频率、周期）及初相称为正弦量的三要素。电路分析返节目录返节目录2、一个正弦电流的最大值为100mA，频率为2KHz，这个电流达到零值后经过多长时间可达50mA？3、已知u1=U1msin(ωt+60°)V，u2=U2msin(2ωt+45°)V，能否比较哪个超前哪个滞后？为什么？4、有一电容器，耐压值为220V，问能否用在有效值为180V的正弦交流电源上？为什么？41.7μs1、何谓正弦量的三要素，三要素各反映了正弦量的哪些方面？5、一个正弦电压的初相为30°，在t=T/2时为-268V，试求它的有效值。约等于379V电路分析返节目录返节目录i=uR3.2.1电阻元件1、电阻元件上的电压、电流关系iRutUusin2tItRURuisinsin2m电压、电流的瞬时值表达式为：由两式可推出，电阻元件上电压、电流的相位上存在同相关系；数量上符合欧姆定律，即：3.2单一参数的正弦交流电路I=UR电路分析返节目录返节目录2.功率)(sin2)(sin2tUutIitUIUItItUiup2cossinsinmm（1）瞬时功率p瞬时功率用小写！则结论：1.p随时间变化；2.p≥0,为耗能元件。uip=UI-UIcos2tωtUI－UIcos2tuip电路分析返节目录返节目录2.平均功率（有功功率）P(一个周期内的平均值)tUIUItItUiup2cossinsinmm由可得P=UI求：“220V、100W”和“220V、40W”灯泡的电阻？平均功率用大写！121040220484100220224022100PURPUR解显然，电阻负载在相同电压下工作，功率与其阻值成反比。平均功率代表了电路实际消耗的功率，因此也称之为有功功率。例电路分析返节目录返节目录安(A)韦伯(Wb)亨利(H)自感系数L=iN在图示u、i、e假定参考方向的前提下，当通过线圈的磁通或i发生变化时，线圈中产生感应电动势为:L称为自感系数或电感。线圈匝数越多，电感越大；线圈单位电流中产生的磁通越大，电感也越大。3.2.2电感元件1、自感系数和电磁感应dtdiLdtdNeLL+–ui–eL++–uiΦΦ电路分析返节目录返节目录)90sin(cos)sin(LmmmLtUtLIdttIdLdtdiLu2.电感元件上的电压、电流关系tIisin2设通过L中的电流为则L两端的电压为由式可推出L上电压与电流之间在相位上存在90°的正交关系，且电压超前电流。电压电流之间的数量关系：ULm=ImωL=ImXL其中XL是电感电抗，简称感抗，单位是欧姆。由于L上u、i为动态关系，因此L是动态元件。dtdiLeuLLL+–ui电路分析返节目录返节目录电感元件的电压电流有效值关系为XL=2πfL=ωL，虽然式中感抗和电阻类似，等于元件上电压与电流的比值，但它与电阻有所不同，电阻反映了元件上耗能的电特性，而感抗则是表征了电感元件对正弦交流电流的阻碍作用，这种阻碍作用不消耗电能，只能推迟正弦交流电流通过电感元件的时间。感抗与哪些因素有关？XL与频率成正比；与电感量L成正比。直流情况下感抗为多大？IUXLL直流下频率f=0，所以XL=0。L相当于短路。电路分析返节目录返节目录3.电感元件的功率utUutIicossinLmLmtIUtItUiup2sinsincosLmLmL（1）瞬时功率p则iωtui同相,吸收电能;储存磁能;p0ui反相,送出能量;释放磁能;p0ui同相,吸收电能;储存磁能;p0ui反相,送出能量;释放磁能;p0电感元件上只有能量交换而不耗能，为储能元件结论p为正弦波，频率为ui的2倍；在一个周期内，L吸收的电能等于它释放的磁场能。电路分析返节目录返节目录电感元件不耗能！（2）有功功率P=0，问题与讨论1.电源电压不变，当电路的频率变化时，通过电感元件的电流发生变化吗？无功功率QL反映了电感元件与电源之间能量交换的规模。（3）无功功率QL（单位为乏尔Var）2.能从字面上把无功功率理解为无用之功吗？f变化时XL随之变化，导致电流i变化。不能！无功功率可衡量电源与元件之间能量交换的规模。无功功率的概念可理解为只交换不消耗。L2L2LLXUXIIUQ电路分析返节目录返节目录3.2.3电容元件1.电容电容元件是实际电容器的理想化模型。如下图示，两块平行的金属极板即构成一个电容元件。在电源作用下，两极板上分别存贮等量异性电荷形成电场，贮存电能。+－US+q-qE可见，电容元件是是一种能聚集电荷，贮存电能的二端元件，当它两个极板间电压为零时，电荷也为零。电容元件的储能本领可用电容量C表示CuquqC或其中电荷量q的单位是库仑（C）；电压u的单位是伏特（V）；电容量C的单位为法拉（F）。单位换算：1F=106μF=1012pF，电路分析返节目录返节目录)90sin(cos)sin(CmmmCtItCUdttUdCdtduCi2.电容元件上的电压、电流关系tUusin2设加在C上的电压则C中通过的电流由式可推出C上电压与电流之间在相位上存在90°的正交关系，且电流超前电压。电压电流之间的数量关系：ILm=UmωC=Um/XC其中XC是电容电抗，简称容抗，单位也是欧姆。C上u、i关系也属于动态，因此C是动态元件。dtduCdtdqiCC+–ui电路分析返节目录返节目录3容抗的概念其中：IC=UC=U/XC电容元件电压电流有效值关系为容抗与哪些因素有关？XC与频率成反比；与电容量C成反比，因此频率越高电路中容抗越小，这被称作电容元件的通交作用，高频电路中电容元件相当于短路。直流情况下容抗为多大？直流下频率f=0，所以XC=∞。我们说电容元件相当于开路。（隔直作用）CfCX121C容抗反映了电容元件对正弦交流电流的阻碍作用。只有在一定频率下，电容元件的容抗才是常数。电路分析返节目录返节目录4.电容元件的功率关系tIitUucossinCmCmtUItItUiup2sincossinCCmmC（1）瞬时功率p则uωtui同相,电容充电;建立电场;p0ui反相,送出能量;电容放电;p0ui同相,电容充电;建立电场;p0ui反相,送出能量;电容放电;p0电容元件和电感元件相同，只有能量交换而不耗能，因此也是储能元件。结论：p为正弦波，频率为ui的2倍；在一个周期内，C充电吸收的电能等于它放电发出的电能。电路分析返节目录返节目录电容元件也不耗能！（2）有功功率P=0，无功功率QL反映了电感元件与电源之间能量交换的规模。（3）无功功率QC（单位为乏尔Var）CUXIIUQ2C2CC问题与讨论1.电容元件在直流、高频电路中如何？2.电感元件和电容元件有什么异同？直流时C相当于开路，高频时C相当于短路。L和C上都存在相位正交关系，所不同的是L上电压超前电流，C上电流超前电压，二者具有对偶关系：L和C都是储能元件；直流情况下C相当开路；L相当于短路。电路分析返节目录返节目录CUICuiCUIXUimC）（；）（；）（；）（4321LUILuiLUIXUim）（；）（；）（；）（4321L想想练练1.电阻元件在交流电路中电压与电流的相位差是多少？判断下列表达式的正误。RuiRUiRUIRUim）（；）（；）（；）（43212.纯电感元件在交流电路中电压与电流的相位差是多少？感抗与频率有何关系？判断下列表达式的正误。3.纯电容元件在交流电路中电压与电流的相位差是多少？容抗与频率有何关系？判断下列表达式的正误。电路分析返节目录返节目录0。超前且，iu90。超前且ui,90电阻元件上电压与电流的相位同相，电感元件上电压与电流的相位差感抗与频率成正比，直流情况下f=0，L相当于短路；高频情况下，由于感抗很大，L相当于开路。高频情况下，由于容抗近似等于零，C相当于短路。电容元件上电压与电流的相位差容抗与频率成反比，直流情况下f=0，C