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1、 第第2 2章章 正弦交流电路正弦交流电路学习要点学习要点 正弦交流电路的基本概念正弦交流电路的基本概念 单一参数电路元件的交流电路单一参数电路元件的交流电路 正弦交流电路的一般分析方法正弦交流电路的一般分析方法 电路的谐振电路的谐振 第第2 2章章 正弦交流电路正弦交流电路2.1 2.1 正弦交流电的基本概念正弦交流电的基本概念2.1.1 2.1.1 正弦交流电的三要素正弦交流电的三要素正弦电流的数学表达式为正弦电流波形把 称为正弦交流电的三要素 1周期、频率和角频率周期（T）：正弦量变化一次所需的时间。单位：秒（S）频率（f）：正弦量每秒内变化的次数。单位：赫兹（Hz）角频率（）：正弦量在
2、每秒内变化的弧度，单位：弧度/秒(rad/s)2瞬时值、最大值、有效值瞬时值：正弦量在任意瞬间的值，用小写字母表示。如i、u、e 最大值：正弦量在整个变化过程中所能达到的极值，用大写字母加下标m表示。如Im、Um、Em有效值:正弦交流电在一个周期内的方均根值。用大写字母表示，如I、U、E 正弦交流电的最大值等于其有效值的倍3.相位、初相位、相位差在正弦量 中，随时间变化的角度 称为正弦交流电的相位 初相位：在t=0时的相位其取值范围为 相位差：两个同频率正弦量相位之差，用字母 表示 通常情况下 两个同频率正弦量的相位关系：2.1.2 2.1.2 正弦量的相量表示法正弦量的相量表示法1.复数1）
3、复数的表示方法A.代数形式为：A=a+jb为虚数单位 其中，a、b是任意实数，分别是复数的实部和虚部 B.三角函数形式：C.指数形式：D.极坐标形式：2）复数的运算复数的加减运算 若：则：复数的乘除运算 若：则：2.正弦量的相量表示法 用复数的模表示正弦量的大小，用复数的辐角表示正弦量的初相位，这种用来表示正弦量的复数称为正弦量的相量。正弦电压 例最大值相量形式为 有效值相量形式为 相量是一个复数，它在复平面上的图形称为相量图。相量图：正弦电流 例：其有效值相量分别为：其相量图：【思考题】【思考题】指出下列各式的错误，并改正。2.2 2.2 单一参数电路元件的交流电路单一参数电路元件的交流电路
4、2.2.1 2.2.1 纯电阻电路纯电阻电路电阻电路及电阻电路波形图 在关联参考方向下，任意瞬时在电阻R两端施加电压为则通过电阻R的电流为 电压与电流的瞬时值、有效值、最大值、相量形式之间均符合欧姆定律。相量图：可见：【例】把一个120的电阻接到频率为50Hz,电压有效值为12V的正弦电源上，求通过电阻的电流有效值是多少?如果电压值不变，电源频率改为5000Hz，这时的电流又是多少?解：电阻电流的有效值为由于电阻元件电阻的大小与频率无关,所以频率改变后，电流仍为100mA。2.2.2 2.2.2 纯电感电路纯电感电路设任意瞬时，电压和电流在关联参考方向下的关系为如设电流为参考相量，即 则有在上
5、式中，或电感电路及电感电路波形图其中称为电感元件的电抗，简称感抗；单位：欧姆。电感元件电压和电流的相量形式分别为：可见，当正弦电流通过电感元件时，在电感上产生一个同频率的、相位超前电流 的正弦电压。相量图：【例】把一个0.2H的电感元件接到频率为50Hz，电压有效值为12V的正弦电源上，求通过电感的电流有效值是多少？如果电压值不变，电源频率改为5000Hz，这时的电流有效值又是多少？解：当f=50Hz时当f=5000Hz时2.2.3 2.2.3 纯电容电路纯电容电路电容电路及电容电路波形图设任意瞬时，电压和电流在关联参考方向下的关系为如设电压为参考相量，即 则有在上式中，即 称为电容的电抗，简
6、称容抗；单位：欧姆。电容元件电压和电流的相量形式分别为：或 可见，当正弦电流通过电容元件时，在电感上产生一个同频率的、相位滞后电流 的正弦电压。相量图：在电容为的电容器两端加试求电容的电流。【例】的电压，解：因为 电容电流的有效值为则有【思考题】【思考题】已知某一元件的电压、电流（关联方向）分别为以下三种情况，问它可能是什么元件？2.3 2.3 正弦交流电路的一般分析方法正弦交流电路的一般分析方法2.3.1 2.3.1 基尔霍夫定律的相量形式基尔霍夫定律的相量形式根据基尔霍夫电流定律，在电路中任意节点，任何时刻都有即若这些电流都是同频率的正弦量，则可以用相量形式表示为上式是基尔霍夫电流定律在正
7、弦交流电路中的相量形式。基尔霍夫电压定律对电路中任意回路任一瞬时都是成立的，即基尔霍夫电压定律在正弦交流电路中的相量形式 如图所示电路中，已知电流表【例】的读数都是5A,试求电路中电流表A的读数。由于并联电路中各支路的电压相同，所以设端电压为参考相量，即解：则有(a)（电感上电流滞后电压 ）(电阻上电流与电压同相)由KCL得所以，图（a）中电流表的读数为(b)(电阻上电流与电压同相)（电感上电流滞后电压 ）(电容元件上电流超前电压 )由KCL得所以，图（b）中电流表A的读数为5A。2.3.2 2.3.2 阻抗的串联和并联阻抗的串联和并联1.阻抗如下图所示为RLC串联电路，若以电流为参考相量，即
8、则根据基尔霍夫电压定律有对应的相量表示，有 将 代入上式，得其中 此时为欧姆定律的相量形式 称为 串联电路的复阻抗，单位：为阻抗的阻抗值，单位：称为电抗,单位：称为阻抗角 由欧姆定律的相量形式,还可以得出可见，阻抗角也是电压和电流的相位差角。RLC串联电路相量图已知一线圈的电阻 电感 通过线圈的电流为 试求：线圈两端的电压有效值 及与之间的相位差【例】解：2.阻抗的串联如下图所示为若干个阻抗的串联电路，它的等效阻抗为它的等效阻抗为3.阻抗的并联如下图所示为若干个阻抗的并联电路，它的等效阻抗的倒数等于各并联阻抗的倒数和，即2.3.3 正弦交流电路的功率 1.瞬时功率和有功功率如图所示为含有电阻、
9、电感和电容的两端网络，设 则瞬时功率为 瞬时功率用p表示,单位：瓦(W)或千瓦(KW)瞬时功率在一个周期内的平均值称为平均功率或有功功率。用P表示。有功功率的单位：瓦(W)或千瓦(KW)2.无功功率电感与电容与电源之间进行能量的交换规模的大小用无功功率来衡量。无功功率用Q表示。单位：乏(Var),千乏(KVar)3.视在功率 将电压和电流有效值的乘积定义为视在功率（设备的容量），用S表示。单位：伏安（VA)。4.功率三角形我们可以用直角三角形来表示有功功率、无功功率和视在功率之间的关系。有一感性负载，其有功功率P=9KW，将其接到220V、50HZ的交流电源上，功率因数为0.6，今欲并联一电容
10、，将其功率因数提高到0.9，试问:所需补偿的无功功率QC及电容量C为多少?【例】解：未并联电容时,功率因数为0.6电路的无功功率为 并联电容后,功率因数为0.9 电路的无功功率为 所需补偿的无功功率为 由于 因此所需并联的电容量为即2.3.4 2.3.4 正弦交流电路的分析正弦交流电路的分析 在正弦交流电路中，以相量形式表示的欧姆定律和基尔霍夫定律与直流电路有相似的表达式；因而在直流电路中，由欧姆定律和基尔霍夫定律推导出的支路电流法、节点电压法、叠加定理、等效电源定理等等都可以同样扩展到正弦交流电路中。在扩展中，直流电路中的各物理量在交流电路中用相量的形式来代替；直流电路中的电阻R用复阻抗Z来
11、代替。如图所示电路中，两个电源的电压有效值均为220V,相位相差 ，内阻抗 负载阻抗 试求负载电流【例】(1)用支路电流法求解 解：依题设各支路电流的参考方向如图所示 由KCL定律得 由KVL定律得 解得（2）用叠加定理求解下图电路中，a)可视为是b)和c)的叠加，负载电流 此题还可以用戴维南定理、节点电压法来求解，所得结果与上述完全一致。在如下页所示电路中，已知R=15，XL=15，XC=15，【例】试求：该电路的等效阻抗及各支路的电流。解：设等效阻抗为 则有 在RLC串联电路中，试判断下列各式哪些是正确的？哪些是错误的？【思考题】【思考题】2.4 2.4 电路的谐振电路的谐振 在R、L、C
12、组成的电路中，当电感上的电压与电容上的电压大小相等时，由于 与 的方向相反，它们正好互相抵消，电路呈电阻性质，端口电压和端口电流同相位，这时电路就处于谐振状态。发生在串联电路中的谐振称为串联谐振，发生在并联电路中的谐振称为并联谐振。2.4.1 2.4.1 串联谐振串联谐振如下图所示的R、L、C串联电路中，电路的复阻抗为1串联谐振当电路发生谐振时，电路呈阻性，端口电压和端口电流同相位，即所以有 或谐振角频率 谐振频率 2串联谐振电路的特征1）由式 可知，当电路发生串联谐振时，这时的 具有最小值。因此，当电压一定时，串联谐振电流值最大，2）当电路发生串联谐振时，电感上的电压与电容上的电压大小相等，
13、方向相反，互相抵消。电感或电容上的电压远远的大于电路两端的电压，出现过高压现象。品质因数 2.4.2 2.4.2 并联谐振并联谐振1并联谐振并联谐振电路 谐振角频率为谐振频率为2并联谐振电路的特征（1）并联电路发生谐振时电压和电流同相，电路呈电阻性，电流最小，阻抗最大。（2）并联谐振时，电感或电容的电流大小有可能远远超过总电流。1.试问在什么条件下电路发生谐振？串联谐振有何特点？2.并联谐振有何特征？【思考题】【思考题】本章小结本章小结 本章介绍了正弦交流电的基本概念、单一参数电路元件的交流电路、正弦交流电路的一般分析方法及电路的谐振。主要内容为：1.1.正弦交流电的基本概念正弦交流电的基本概
14、念 随时间按正弦规律周期性变化的电压和电流统称为正弦电量，或称为正弦交流电。在正弦交流电路中，如果已知了正弦量的三要素，即最大值（有效值）、角频率（频率）和初相，就可以写出它的瞬时值表达式，也可以画出它的波形图。正弦量可以用相量来表示。正弦量与相量之间是一一对应的关系，而不是相等的关系。在正弦交流电路中，正弦量的运算可以转换成对应的相量进行运算，在相量运算时，还可以借助相量图进行辅助分析，使计算更加简化。2.2.单一参数电路元件的交流电路单一参数电路元件的交流电路 单一参数电路元件的交流电路是理想化（模型化）的电路。其中电阻 是耗能元件，电感 和电容 是储能元件，实际电路可以由这些元件和电源的
15、不同组合构成。单一参数电路欧姆定律的相量形式是3.3.正弦交流电路的一般分析方法正弦交流电路的一般分析方法 基尔霍夫电流定律的相量形式为 基尔霍夫电压定律的相量形式为 任何一个无源二端网络都可以等效成一个阻抗,即 交流电路的分析方法与直流电路相似，即将直流电路中的各物理量，在交流电路中用相量的形式来代替；直流电路中的电阻用复阻抗来代替。在正弦交流电路中，任意阻抗所消耗的有功功率 无功功率视在功率有功功率、无功功率和视在功率三者之间的关系为 4.4.电路的谐振电路的谐振 谐振是正弦交流电路的特殊现象，谐振时电路中的电压与电流同相，电路呈阻性；其实质是电路中的电感与电容的无功功率实现完全的相互补偿。