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1 08/0/3 第 6 章正弦电流电路

2 本章目录 正弦电流 正弦量的相量表示法 3 基尔霍夫定律的相量形式 4 RC 元件上电压与电流的相量关系 5 RC 串联电路的阻抗 7 正弦电流电路的相量分析法 8 含互感元件的正弦电流电路 9 正弦电流电路的功率 0 复功率 最大功率传输定理 6 GC 并联电路的导纳 08/0/3 第 6 章正弦电流电路

3 6.7 正弦电流电路的相量分析法 用相量表示正弦电压 电流并引入阻抗和导纳来表示元件 方程, 使得相量形式的基尔霍夫定律方程和元件方程均变成了 线性代数方程, 和直流电路中相应方程的形式是相似的 分析 步骤如下 : 将电阻推广为阻抗, 将电导推广为导纳 将激励用相量形式表示, 恒定电压 电流推广为电压 电流的相量 3 按线性直流电路分析方法计算相量模型电路 4 将所得的电压 电流相量计算结果变换成正弦表达式 过程示意图见下页 08/0/3 第 6 章正弦电流电路 3

4 6.7 正弦电流电路的相量分析法 正弦电流电路相量分析法过程示意如图 6.0 正弦电流电路 建立含微积分的电路方程 ( 时域分析过程 ) 得时域响应表达式 () 相量正变换 (3) 相量反变换 相量电路模型 用线性直流电路的分析方法建立复数形式电路方程 得复数域响应相量 08/0/3 第 6 章正弦电流电路 4

5 6.7 正弦电流电路的相量分析法 例 : 已知 A 的读数是 5A, 和 R 数值相等, 求 A 和 I 的读数 A 3 [ 解 ] 取 0 R I ab a A a b A I ab I I a b 5 A R b 5A 上电流滞后电压 90 o, 即 I I I I 5 j A 5 即 A 读数为 5A, A 3 读数为 5 A 3 45 注意 : 电流表读数均为有效值, 有效值不满足 KC 方程, 而电流相量是满足 KC 方程的 A A 08/0/3 第 6 章正弦电流电路 5

6 08/0/3 第 6 章正弦电流电路 6 阻抗串联 并联的电路两个阻抗串联 等效阻抗 I 两个阻抗并联 Y Y Y 等效导纳 I Y - I I, 分压公式 I I I I, 分流公式 Y 等效阻抗 6.7 正弦电流电路的相量分析法

7 6.7 正弦电流电路的相量分析法 例 6.9 设图 (a) 电路中 6 0 c o s ( t 4 5 ) V, 0 0 r a d / s, R 0, 3 0. H C 0 F I j,, 求电流 R (a) R (b) C I C C jc 其中 V 解 R jc R R // 5( j) jc j RC R jc 6045 V 总电流 I 6 A j [5( j) j0] I C C R jrc I I R jrc jc 对应时域 c o s ( 0 0 t /0/3 第 6 章正弦电流电路 7 C 6 45 ) A A

8 6.7 正弦电流电路的相量分析法 回路电流法与节点电压法 设电路有两个独立回路, 相量形式的回路电流方程为 : I I I I 和 和 称为回路 与回路 之间的互阻抗 ; 和 分别称为回路 和回路 的源电压相量 设电路有两个独立节点, 相量形式的节点电压方程为 : Y n Y n I Y Y I Y 和 Y 分别称为回路 和回路 的自阻抗 ; n n 分别称为节点 和节点 的自导纳 ; Y和 Y称为节点 与节点 之间的互导纳 ; I 和 I 分别称为节点 和节点 的源电流相量 08/0/3 第 6 章正弦电流电路 8

9 6.7 正弦电流电路的相量分析法 例电路如图 (a) 所示, 已知 6 ( t) 5 cos( ωt 30 )V, ω 0 rad/s 试用网孔分析法和节点分析法计算电流 (t) 解 : 画出图 (a) 的相量模型, 如图 (b) 所示, 其中 530 V 08/0/3 第 6 章正弦电流电路 9

10 6.7 正弦电流电路的相量分析法. 网孔分析法 设两个网孔电流 I, I, 列网孔电流方程 ( 3 j3) I I I (4 j) I 3I 补充方程 I 3 I I 解得 I ( t). A cos(0 6 t )A V 08/0/3 第 6 章正弦电流电路 0

11 6.7 正弦电流电路的相量分析法. 节点分析法 列节点电压方程 I3 j3 3 j j3 补充方程 I 解得 V I 3 j V A 08/0/3 第 6 章正弦电流电路

12 6.7 正弦电流电路的相量分析法 例 6. 列写图示电路的改进节点电压方程 解 ( R R R jc j C j C ) j C I 3 jc 5 n : I I * * 3 () R j C 5 ( j C 4 j C 5 ) I R j 补充方程 : I n ( / n) I (3) (4) 0 () jc 4 j 08/0/3 第 6 章正弦电流电路

13 6.7 正弦电流电路的相量分析法 等效电源定理戴维南定理 : 线性含源一端口网络的相量模型的对外作用可以用一个电压源相量串联阻抗的电路来等效代替 诺顿定理 : 线性含源一端口网络的相量模型的对外作用可以用一个电流源相量并联导纳的电路来等效代替 N I OC I C Y I I 08/0/3 第 6 章正弦电流电路 3

14 例 6.3 图示电路中,C0.05F 时, 5 cos(0t 60)A, 求当 C0.5F 时 C? 6.7 正弦电流电路的相量分析法 0.5H C C (a) 3 (3 j5) (.6 j 0. 4 ) 3 j5 C 解对原电路做戴维南等效, 如图 (b) 所示 OC 08/0/3 第 6 章正弦电流电路 4 jc ( b ) 当 C 0.05F时, oc ( ) I C ( j) V jc oc 8 05 当 C 0.5F时, I C 5 05A jc.6 j0.4 j0.4 C 0cos(0t 05)A I C

15 6.8 含互感元件的正弦电流电路 互感元件的相量模型 - M - - I jm I j j - (a) d dt d M dt 微分方程 d M dt d dt 图 6. 互感元件的电路模型 相量变换微分规则 08/0/3 第 6 章正弦电流电路 5 (b) ji jmi 相量电路模型 jmi j 说明 : 由于互感元件方程宜表达成电压是电流的函数, 故对含互感的电路宜选用以电流为变量的分析方法, 例如支路电流法和回路电流法 I

16 6.8 含互感元件的正弦电流电路 含互感元件电路方程的列写 例 6.6 列出图 6.3 所示电路的回路电流方程 R 解 网孔 : ( R R4 ) I R4I RI 3 网孔 : R4 I ( R3 R4 ) I 0 网孔 3: R I R R I ( ) 3 互感端口方程 : 0 j I jm ( I 3 ) jmi j ( I 3 ) I I * R I 3 * I R 4 I 图 6.3 例题 6.6 R 3 08/0/3 第 6 章正弦电流电路 6

17 6.8 含互感元件的正弦电流电路 R * R I 3 * I R 4 I R 3 整理得 : 图 6.3 例题 6.6 ( R R j ) I ( R j M ) I ( R j M ) I 0 () ( R j M ) I ( R 3 R 4 j ) I j I 3 4 ( R j M ) I j I ( R R j ) I 3 08/0/3 第 6 章正弦电流电路 7 0

18 6.8 含互感元件的正弦电流电路 例 6.7 电路如图 6.34(a) 所示, 已知 R0Ω, 0.H, 0.4H, 耦合系数 k0.85, 3 cos(00t)a 求此一端口的戴维南等效电路 R j R a 解 * * M 戴维南等效阻抗 : a oc b 互感 : M k 0.7H a,b 端开路电压相量 : oc jmi j I (a) R j jeq R j( M) (0 j84) j8v 08/0/3 第 6 章正弦电流电路 8 * * jm (b) a b oc (c) b

19 6.8 含互感元件的正弦电流电路 * * M (a) R a oc b M M M (d) R a oc b 方法二 : 将图 (a) 化为无互感等效电路如图 (d) 所示 : a,b 端开路电压相量 : 戴维南等效阻抗 : oc j( M) I j8v R ( M ) (0 j84) j M 08/0/3 第 6 章正弦电流电路 9

20 6.8 含互感元件的正弦电流电路 3 互感的应用 () 将副边线圈所在的电路等效到原边 I jm * * j j I eq 原边 图 6.5 ( a ) I j 6.5(b) r 副边 - j I jm I jm I j I I 0 即求得从原边看进去的等效阻抗为 ( M ) j j I j eq r 等效电路如图 6.5(b) 所示 ( M ) ( M ) 其中 r Rr jx j 副边回路总阻抗 (6.63) 表示副边回路阻抗对等效阻抗的影响, 称为副边对原边的引入阻抗, 其实部和虚部分别称为引入电阻和引入电抗 08/0/3 第 6 章正弦电流电路 0 r

21 6.8 含互感元件的正弦电流电路 I jm * * j j I eq 原边 图 6.5 ( a ) 副边 引入阻抗及其物理意义 : ( M ) r Rr j - jx r I j 6.5(b) 令 r j R j X ( M ) ( M ) ( M ) r R j ( X ) Rr R jx R X R X jx r 08/0/3 第 6 章正弦电流电路

22 6.8 含互感元件的正弦电流电路 例 6.9 下图所示为耦合系数测试电路 设开关 分别处于断开和接通位置时, 用 CR 表 ( 一种测量二端电感 电容 电阻参数的仪器 ) 测得 a,b 端等效电感为 OC 0.8H, C 0.H 试根据上述结果计算互感的耦合系数 jm a eq j j b 08/0/3 第 6 章正弦电流电路

23 6.8 含互感元件的正弦电流电路 OC 0.8H, C 0.H a eq b 解 j jm j 开关断开时, 原边电感就是此时的等效电感, 即 O C () 当开关接通时, 输入端口等效阻抗 ( M) ( M) j j eq j j 将 -M j ( ) j 得等效电感 M k k C C -M () 及式 () 代入式 () 得 C k ) ( k ) k C OC ( OC 08/0/3 第 6 章正弦电流电路 3

24 6.8 含互感元件的正弦电流电路 () 当互感线圈的原边接电源, 则从副边看进去时相当于含独立源一端口网络, 可用戴维南电路或诺顿电路来等效 例 6.0 求图 (a) 电路的戴维南等效电路 解 当副边开路时, 端口方程简化为 ' r RI j I j MI 解得 OC a j M O C R j OC b (b) ( M ) ( M ) j j j 原边回路总阻抗 R j 计算戴维南等效阻抗 : 08/0/3 第 6 章正弦电流电路 4 I R j jm * * j (a) I 0 - OC a b

25 6.9 正弦电流电路的功率. 瞬时功率 - 图 6.6 一端口网络 则一端口网络输入的瞬时功率为 p I c o s ( t ) c o s ( t ) 一端口网络的端口电压 电流分别为 c o s ( t ) I c o s ( t ) 令 I c o s ( ) I c o s ( t ) I cos I cos( t ) 第一种分解 即 为电压 和电流 之间的相位差 08/0/3 第 6 章正弦电流电路 5

26 6.9 正弦电流电路的功率 第一种分解方法 : 恒定量 正弦量 p ( t) I cos I cos( t ) p O Icos t I cos( t ) p 有时为正, 有时为负 ; p > 0, 电路吸收功率 ;p < 0, 电路发出功率 08/0/3 第 6 章正弦电流电路 6

27 6.9 正弦电流电路的功率. 瞬时功率 - 图 6.6 一端口网络 则一端口网络输入的瞬时功率为 p I c o s ( t ) c o s ( t ) 一端口网络的端口电压 电流分别为 c o s ( t ) I c o s ( t ) I c o s ( ) I c o s ( t ) I cos I cos( t ) 第一种分解 I cos I cos( t ) I cos I cos cos( t I cos[ cos( t 令 08/0/3 第 6 章正弦电流电路 7 ) I sn sn( t )] I sn sn( t 即 为电压 和电流 之间的相位差 ) ) 第二种分解

28 6.9 正弦电流电路的功率 第二种分解方法 : 不可逆部分可逆部分 p Icos [ cos( t )] Isn sn( t ) Icos [ cos( t )] O t I sn sn( t ) Icos [ cos( t )] 为不可逆分量, 反映一端 口网络消耗功率 I sn sn( t ) 为时间的正弦函数, 反映一端 口网络与外电路交换能量, 它在一个周期的平均值为零 08/0/3 第 6 章正弦电流电路 8

29 6.9 正弦电流电路的功率 平均功率 ( 有功功率 ) 一端口网络吸收功率的平均值称为平均功率, 通常所说交流电路的 功率是指平均功率, 定义为 : T P p dt I cos( ) 0 I T (6.67) 功率因数角 功率因数 无独立源的一端口网络, 在一般情况下 9 0 有 0 3 无功功率一端口网络和外部电路能量交换的最大速率定义为无功功率 Q I s n 单位 :var( 乏 ) 08/0/3 第 6 章正弦电流电路 9

30 6.9 正弦电流电路的功率 4 R C 各元件的功率 ( 三种特殊情形 ) () 设一端口网络是一个电阻 R, 此时 与 同相, 即 则瞬时功率 0 p I c o s ( ) I c o s ( t ) I [ c o s ( t ) ] R p R t 0 图 6.7 电阻上 和 p 的波形 电阻的有功功率为 : P P R I RI 电阻的无功功率为 : G I sn I sn 0 08/0/3 第 6 章正弦电流电路 30 Q R o 对电阻,p R 0, 表明电阻一直在吸收功率 且电阻只吸收有功功率, 不吸收无功功率 0

31 6.9 正弦电流电路的功率 () 设一端口网络是一个电感, 此时电压 比电流 越前 90, 即 90 瞬时功率 p I cos( ) I cos( t ) ( ) I cos 90 I cos t 90 I sn ( t ) I 0 p t 图 6.8 电感上 和 P 的波形 08/0/3 第 6 章正弦电流电路 3

32 6.9 正弦电流电路的功率 电感的有功功率为 : P 0 电感的无功功率为 : Q I sn I sn 90 I I ( ) 对电感, p 的正负交替变化说明有能量在来回交换 由 于 P 0 Q > 0, 表明电感不吸收有功功率, 只吸收无 功功率 08/0/3 第 6 章正弦电流电路 3

33 6.9 正弦电流电路的功率 (3) 设一端口网络是一个电容, 此时端口电压 比电流 滞后 90, 90 瞬时功率 有功功率为 : 无功功率为 : Q C p C p I cos( ) I cos( t ) ( ) I cos( 90 ) I cos t 90 I sn ( t ) P C 0 I sn I sn( 90 ) I I ( C) C 08/0/3 第 6 章正弦电流电路 33 对电容, p C 的正负交替变化说明有能量在来回交换 由于 P C 0 Q C < 0, 表明电容不吸收有功功率, 只发出无功功率

34 无功功率 6.9 正弦电流电路的功率 5 视在功率 ( 表观功率 ) 视在功率的定义 有功功率 无功功率 I 表示电气设备容量, 单位伏安 (VA) P I cos Q I sn P Q 有功功率 无功功率和视在功率三者的关系可通过一个功率三角形描述, 如图 6.30 所示 视在功率 I 有功功率 R P I cos 图 6.30 功率三角形 X Q I sn 08/0/3 第 6 章正弦电流电路 34

35 6.9 正弦电流电路的功率 例 6. 在工频条件下测得某线圈的端口电压 电流和功率分别为 00V 5A 和 300W 求此线圈的电阻 电感和功率因数 R 解 P 300 W cos 0.6 I 00 V 5A a r c c o s V 0 I 5A 线圈电阻 感抗和电感分别为 : R X c o s s n X 6 5mH π 50s 08/0/3 第 6 章正弦电流电路 35

36 6.9 正弦电流电路的功率 6 功率因数的提高提高功率因数的意义 : () 通过减少线路电流来减小线路损耗 ; () 提高发电设备利用率 解决办法 : 对于感性负载并联电容, 提高功率因数 ' I I C 图 6.3(a) I R 08/0/3 第 6 章正弦电流电路 36 I ' Q I Q I C I P ' I 图 6.3(b) I' I C

37 6.9 正弦电流电路的功率 例 6. 下图所示电路, 感性负载 接于 0V 50Hz 正弦电源上, 负载的平均功率和功率因数分别为 00W 和 0.8 () 求并联电容前电源电流 无功功率和视在功率 () 并联电容, 将功率因数提高到 0.95, 求电容大小 并联后电源电流 无功功率和视在功率 解并联电容前 P 00 电源电流 : I.5 A 功率因数角 : arccos 并联电容后 P 00 I ' ' ' a r c c o s I I I C C 0.53A 无功功率 : Q P tan 650var Q ' P t a n ' 7 3. v a r 视在功率 : 电容 : C Q I 750 Q ' Q VA P (tan tan ' ) ' I ' V A C 6μF 08/0/3 第 6 章正弦电流电路 37

38 6.0 复功率 设一端口网络的端口 电压 c o s ( t ) 电流 I c o s ( t ) 复功率 : P j Q I c o s j I s n 视在功率 I I I j j ( ) j - j e e e e 功率因数角 平均功率 分别用相量表示 j e I j I e * I 即 : 复功率等于电压相量与电流相量共轭的乘积 ~ P I cos Re[ ], Q I sn ~ I, ~ arg ~ Im[ ] 无功功率 08/0/3 第 6 章正弦电流电路 38

39 6.0 复功率 阻抗 RjX 吸收的复功率 : * ~ * * I I ~ * I I I * 导纳 YGjB 吸收的复功率 : ~ * I * I Y Y 复功率守恒定理 : 任一电路的所有支路吸收的复功率代数和为零 b * k I k Pk j k k k b b Q k 0 复功率具有守恒性 08/0/3 第 6 章正弦电流电路 39

40 6. 最大功率传输定理. 如图 6.3 所示 R jx I R jx 图 6.3 讨论传输最大功率的电路 电压源, 内阻抗, R j X 负载阻抗 R j X 的实部 R 大于零, 且 R 与 X 可随意改变, 负载阻抗从给定电源获得最大 功率的条件是 : R jx R jx * 最大功率传输定理 : 负载阻抗等于电源内阻抗的共轭复数时 ( 称为共轭匹配 ), 负载获得最大功率, 此时最大功率为 : P max 4R 08/0/3 第 6 章正弦电流电路 40

41 6. 最大功率传输定理. 定理证明 : 由 I I ( R R ) ( X X ) 负载获得的功率 P R jx 08/0/3 第 6 章正弦电流电路 4 I R jx (a) 先讨论只有 X 可以改变时,P 的极值显然, 当 X X 0, 即 X -X 时,P 获得极值 P max P R R max ( R R) I R ( R R ) ( X X )

42 6. 最大功率传输定理 P R max ( R R) R jx I R jx (b) 再讨论 R 可以改变时, P max 的最大值 P max dp ( R R ) R ( R R ) m ax 4 ( ) [( R R ) R ] ( R 3 ( R R ) ( R dr R R 当 R R 0, 即 R 此时有最大功率为 P R max R R ) 时, 4R 3 ) 0 08/0/3 第 6 章正弦电流电路 4

43 6. 最大功率传输定理 j 3. 当负载阻抗 e 的模 可以改变, 而阻抗角 不能改变时, 负载从给定电源获得最大功率的条件是负载阻抗模与电源内阻抗模相等 即 获得的最大功率为 例如, 当电源内阻抗为 R j X 时, 纯电阻负载获得最大功率的条件是 R ; 如果电源内阻抗也是纯电阻, 即电阻负载获得最大功率的条件则是 P max cos [ cos ( )] 08/0/3 第 6 章正弦电流电路 43 R R R

44 6. 最大功率传输定理 例 6.4 设图 (a) 所示电路中电源电压 内阻抗 () 图 (a) 中负载阻抗可任意改变, 求此负载可获得的最大功率 () 通过理想变压器接一电阻负载如图 (b) 所示,, 问变比为多少, 此负载可获得最大功率, 求此最大功率 0 V R 0 ( 3 j4 ) n 电源 I 电源 I * ' R n : * R (a) (b) 08/0/3 第 6 章正弦电流电路 44

45 6. 最大功率传输定理 电源 电源 I * ' R (a) I n : (b) * R I 解 负载获得的最大功率 * () 当 (3 j4 ) n P max W W 4 R 4 3 () 图 (b) 中 R 折算到理想变压器的原端为 R R n 负载获得最大功率, 即 R ( 3 ) ( 4 ) 5 当 R n R 时, n 5 / 0 / 0V V.34 / 6.6A n R (3 j4) 0 / 4 (8 j4) P I n R 负载获得最大功率 m a x (. 3 4 A ) 0 / 4 9 W / 08/0/3 第 6 章正弦电流电路 45

46 小结 本章介绍电压 电流随时间按正弦规律变化的电路即正弦电流电路, 这是一类在理论上和工程上具有重要意义的电路 主要内容包括 : 正弦量的相量表示 元件方程和基尔霍夫定律的相量形式 阻抗和导纳的概念 电路方程和电路定理的相量形式 含互感的正弦电流电路的计算 正弦电流电路功率的特点及计算方法 08/0/3 第 6 章正弦电流电路 46

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