第2章 正弦交流电路课件.ppt

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1、随时间按正弦规律变化的电压、电流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：称为正弦电压和正弦电流。表达式为：)sin(umtUu)sin(imtIi以正弦电流为例以正弦电流为例)sin(imtIi振幅振幅角频率角频率、和和称为正弦量的的三要素。称为正弦量的的三要素。相位相位初相角初相角: 简称简称初相初相itOImi波形波形：正弦量的最大值：正弦量的最大值：让周期电流：让周期电流i和直流电流和直流电流I分分别通过两个阻值相等的电阻别通过两个阻值相等的电阻R，如果在相同的如果在相同的时间时间T内，两个电阻消耗的能量相等，则称该内，两个电阻消耗的能量相等，则称该直流电流直流

2、电流I的值为周期电流的值为周期电流i的有效值。的有效值。根据有效值的定义有：根据有效值的定义有： 周期电流的有效值为：周期电流的有效值为：I=0.707IMTRdtiRTI022：正弦量单位时间内变化的弧度数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：角频率与周期及频率的关系：fT22：正弦量完整变化一周所需要的时间：正弦量完整变化一周所需要的时间：正弦量在单位时间内变化的周数正弦量在单位时间内变化的周数周期与频率的关系：周期与频率的关系：Tf1：正弦量表达式中的角度：正弦量表达式中的角度：t=0时的相位时的相位：两个同频率正弦量的相位之差，其：两个同频率正弦量的相位之差，其值等于它

3、们的初相之差。如值等于它们的初相之差。如)sin(umtUu)sin(imtIiiuiutt)()(相位差为：相位差为：0，u 与 i 同相。0，u 超前 i，或 i滞后 u。，u 与 i 反相。2，u 与 i 正交。(a) u 与 i 同相 (b) u 超前 iu、itOuiu、itOuiu、itOuiu、itOui(c) u 与 i 反相 (d) u 与 i 正交相量法是求解正弦稳态电路的简单方法。相量法是求解正弦稳态电路的简单方法。复数复数A可用复平面上的有向线段可用复平面上的有向线段来表示。该有向线段的长度来表示。该有向线段的长度a称称为复数为复数A的的，模总是取正值。，模总是取正值。

4、该有向线段与实轴正方向的夹该有向线段与实轴正方向的夹角角称为复数称为复数A的的。O a1 +1a2 A+ja根据以上关系式及欧拉公式根据以上关系式及欧拉公式复数复数A的实部的实部a1及虚部及虚部a2与与模模a及辐角及辐角的关系为：的关系为：sin1aa cos2aa 2221aaa12arctgaaO a1 +1a2 A+jaaaejaajaaAjsincos21代数型代数型三角函数型三角函数型指数型指数型极坐标型极坐标型可将复数可将复数A表示成代数型、三角函数型、指表示成代数型、三角函数型、指数型和极坐标型数型和极坐标型4种形式。种形式。sincosjej121ajaaA221bjbbB复数

5、的四则运算：复数的四则运算：设两复数为：设两复数为：(1)相等。若相等。若a1=b1，a2=b2，则则A=B。(2)加减运算：加减运算：)()(2211bajbaBA(3)乘除运算：乘除运算：)(21)(2121baebabeaeBAjjj)(21)(2121ababebeaeBAjjj 将复数将复数Imi乘上因子乘上因子1t，其模不变，其模不变，辐角随时间均匀增加。即在复平面上以角速辐角随时间均匀增加。即在复平面上以角速度度逆时针旋转，其在虚轴上的投影等于逆时针旋转，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正好是用正弦函数表示的正弦电流弦电流i。可见复数。可见

6、复数Imi与正弦电流与正弦电流i=Imsin(t + i )是相互对应的关系，可用复数是相互对应的关系，可用复数Imi来表示正弦电流来表示正弦电流i，记为：记为：imjmmIeIIi并称其为相量。并称其为相量。ImO +1+ji i O tiIm(a) 以角速度旋转的复数 (b) 旋转复数在虚轴上的投影正弦量正弦量相量相量)sin(imtIiimmII)sin(umtUuummUU)sin(2itIiII)sin(2utUuUU有效值相量和振幅相量的关系：有效值相量和振幅相量的关系：IIm2UUm2在以 下的 推导 过 程中 ，设 元 件两 端的 电 压和流 过元 件的 电流 均采 用关 联参

7、 考方 向。 并 设电压、电流的瞬时表达式分别为：)sin(2)sin(2iutIitUu则代表它们的相量分别为：iuIIUU2.3.1 纯电路中纯电路中U与与I的关系的关系电阻元件伏安关系：电阻元件伏安关系：u=Ri则有：则有： RIU iuIRURu=ii+u (a) 电阻元件 (b) 相量图IU将uUU、iII代 入 ， 得 ：iuRIU电感元件伏安关系：电感元件伏安关系：则有：则有： dtdiLu IjXILjUL将uUU、iII代入，得：)90(iiuLILIjUIXLIUL90iu：XL=L，与频率成正比。与频率成正比。i Li(a) 电感元件IU+u u(b) 相量图CUI90u

8、iIjXICjUC1或或：XC=1/C，与频率成反比。与频率成反比。u(a) 电容元件IUii C+u (b) 相量图电感元件伏安关系：电感元件伏安关系：则有：则有： dtduCi UCjI将uUU、iII代 入 上 式 ， 得 ：)90(uuiCUCUjI)sin(2sin2tUutIi)2cos(cos)sin(2sin2tUItUtIuipcos)2cos(cos1100UIdttUITpdtTPTT-+Nui设设iu，则：，则：瞬时功率：瞬时功率：无源两端网络无源两端网络对 电 阻 元 件 R ，0 ，UIP 。对 电 感 元 件 L ， 90，0 P。对 电 容 元 件 C ，90，

9、0 P。对 无 源 二 端 网 络 ，=z。cosUIP c o s称功率因数。 可见电阻总是消耗能量的，而电感和电可见电阻总是消耗能量的，而电感和电容是不消耗能量的，其平均功率都为容是不消耗能量的，其平均功率都为0。平均。平均功率就是反映电路实际消耗的功率。无源二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。该电路所消耗的平均功率。sinUIQ 表示二端网络与外电路进行能量交换的幅度。表示二端网络与外电路进行能量交换的幅度。单位为乏（单位为乏（Var）对 电 阻 元 件 R ，0 ，0 Q。对 电 感

10、 元 件 L ， 90，UIQ 。对 电 容 元 件 C ，90，UIQ。UIS 单位为伏安（单位为伏安（VA）222QPS平均功率平均功率P、无功功率无功功率Q和视在功率和视在功率S的关系：的关系：表示用电设备的容量。表示用电设备的容量。例：图示电路。已知例：图示电路。已知R=2，L=1H，C=0.25F，U=10 sin2tV。求电路的有功功率求电路的有功功率P、无功功率无功功率Q、视在功率视在功率S和功率因数和功率因数2+uii1i2RLC解：解：V010U212LLX225. 0211CCX452222222)2)(22()(CLCLjjjjjjXjXRjXjXRZA4525 . 24

11、522010ZUI707. 0)45cos(coszW25707. 025 . 210coszUIPVar25sinzUIQVA225UISCjXC的阻抗的阻抗LXLj的阻抗的阻抗R R的阻抗的阻抗u，i ， 相量相量UI 将所有元件以相量形式表示：将所有元件以相量形式表示：+u+uL+ uR uC +RLCi(a) RLC 串联电路 (b) 相量模型+U+LU+ RU CU +R jXLjXCIjXRXXjRZZZZ)(CLCLRIjXUIjXUIRUCCLLRIZIXXjRUUUU)(CLCLR+ RU +U+LU CU +R jXLjXCI2CL22CL2R)()(XXRIUUUU由欧姆

12、定律：由欧姆定律：由由KVL：RXXRXiiziuCLarctgarctgLUCURUUICULUCUURUILULUCURUUICU (a) X 0 (b) X 0，0z，电路呈感性。（2）当CL1时，X R，故故UL=UCUR=U，即电即电感和电容上的电压远远高于电路的端电压。感和电容上的电压远远高于电路的端电压。由由3个个、的正弦电压源所构的正弦电压源所构成的电源称为成的电源称为。由三相电源供电的电路称为。由三相电源供电的电路称为。三相电源由三相交流发电机产生的。在三相交流发电机中有三相电源由三相交流发电机产生的。在三相交流发电机中有3个相同的绕组。个相同的绕组。3个绕阻的首端分别用个绕

13、阻的首端分别用A、B、C表示，末端表示，末端分别用分别用X、Y、Z表示。这表示。这3个绕组分别称为个绕组分别称为A相、相、B相、相、C相，相，所产生的三相电压分别为：所产生的三相电压分别为：)120sin(2)120sin(2sin2CBAtUutUutUuppp1201200CBApppUUUUUUtuuAuBuCO120120120AUCUBU (a) 波形图 (b) 相量图三个电压三个电压 同幅值同幅值 同频率同频率相位互差相位互差120 三个电压达最大值的先后次序叫三个电压达最大值的先后次序叫，图示相序，图示相序为为ABC。任一瞬间对称三相电源任一瞬间对称三相电源3个电压瞬时值之和或相

14、量之和为零。个电压瞬时值之和或相量之和为零。0CBAuuu0CBAUUU：3个末端连接在个末端连接在一起引出中线，由一起引出中线，由3个首端个首端引出引出3条火线。条火线。CU303030AUBUABUCAUBCUBUAUCUCUBU+AU+ANBC每个每个电源电源的电压称为的电压称为火线间电压称为火线间电压称为。ACCACBBCBAABUUUUUUUUUCU303030AUBUABUCAUBCUBUAUCUV1503303V903303V303303CCABBCAABpppUUUUUUUUU由相量图可得：由相量图可得：可见，三个线电压幅值相同，频率相同，可见，三个线电压幅值相同，频率相同，相

15、位相差相位相差120 。plUU3CUAU+ BU +ABC注：此种接法如一注：此种接法如一相接反，将造成严相接反，将造成严重后果。重后果。plUU ：将三：将三相绕组的首、末端相绕组的首、末端依次相连，从依次相连，从3个点个点引出引出3条火线。条火线。BCUCAUABUCIBIAICUBU+AU+ANBCZZZplII ：负载中的电流。：负载中的电流。：火线中的电流。：火线中的电流。在三相电路中，每相负载中的电流应该一相一相地计算。在在三相电路中，每相负载中的电流应该一相一相地计算。在忽略导线阻抗的情况下，各相负载承受的电压就是电源对称忽略导线阻抗的情况下，各相负载承受的电压就是电源对称的相

16、电压，因此各相电流为：的相电压，因此各相电流为：cCCbBBaAA,ZUIZUIZUI)120(120)120(1200CCBBAAzpzpzpzpzpzpZUZUZUIZUZUZUIZUZUZUIzllzpppIUIUPPcos3cos330CBANIIII中线中没有电流，即中线中没有电流，即如果三相负载是对称的，即如果三相负载是对称的，即zcba|ZZZZZ则：则：三相功率：三相功率：zsin3llIUQ llIUQPS322AIABCZZZBICIABIBCICAI303303303CABCCACBCABBCBABCAABAIIIIIIIIIIII)120(120)120(1200CAC

17、ABCBCABABzpzpzpzpzpzpZUZUZUIZUZUZUIZUZUZUI相相电电流流线线电电流流plII3AIBCIABICAI303030BICIBCIABICAIzllzpppIUIUPPcos3cos33例例： 对称三相 三线制的 线电 压V 3100lU，每相负 载阻抗为6010Z， 求负载 为星 形及 三角形两种情况下的电流和三相功率。解解： （1）负载星形连接时，相电压的有效值为：V 1003lpUU设0100AU V。线电流等于相电流，为：A 60106010120100A 180106010120100A 601060100100CCBBAAZUIZUIZUI三相总功率为： W150060cos1031003cos3zllIUP（2）当负载为三角形连接时，相电压等于线电压，设V 03100ABU。相电流为：A 6031060101203100A 18031060101203100A 60310601003100CACABCBCABABZUIZUIZUI线电流为：303030315030210303039030303CACBCBABAIIIIII三相总功率为： W450060cos3031003cos3zllIUP由此可知，负载由星形连接改为三角形连接后，相电流增加到原来的3倍，线电流增加到原来的 3 倍，功率增加也到原来的 3 倍。