电子工程师培训教程(经典电路分析)ch9课件.ppt
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1、9.1 复阻抗和复导纳,第9章 正弦稳态电路的分析,9.2 复阻抗(复导纳)的串联和并联,9.4 正弦稳态电路的分析,9.5 正弦稳态电路的功率,9.6 复功率,9.7 最大功率传输,9.8 串联电路的谐振,9.9 并联谐振电路,9.3 电路的相量图,9.1 复阻抗和复导纳第9章 正弦稳态电路的分析9.,9.1 复阻抗和复导纳,1. 复阻抗 Z,单位为,9.1 复阻抗和复导纳1. 复阻抗 Z 线,其中,阻抗三角形,复阻抗模阻抗,阻抗角,电阻,电抗,如果No内部仅含单个元件R、L或C,或串联组合,则对应的复阻抗分别为:,感抗,容抗,其中阻抗三角形|Z|RXj复阻抗模阻抗阻抗角电阻电抗如果N,No
2、 内部为 RLC 串联电路时的复阻抗 Z 为:,其中,Z的电抗,No 内部为 RLC 串联电路时的复阻抗 Z 为:其中Z的电,一般情况下,按上式定义的复阻抗又称为一端口No的等效阻抗、输入阻抗或驱动点阻抗,它的实部和虚部都将是外施正弦激励的角频率的函数,即:,电抗分量,电阻分量,一般情况下,按上式定义的复阻抗又称为一端口No的等电,2.复导纳Y,导纳三角形,其中,复导纳模导纳,导纳角,电导,电纳,如果No内部仅含单个元件R、L或C,或并联组合,则对应的复导纳分别为:,感纳,容纳,2.复导纳Y导纳三角形|Y|GBj其中复导纳模导纳导纳角,No 内部为 RLC 并联电路时的复导纳 Y 为:,其中,
3、Y的电纳,No 内部为 RLC 并联电路时的复导纳 Y 为:LRC+_,一般情况下,按上式定义的复导纳又称为一端口No的等效导纳、输入导纳或驱动点导纳,它的实部和虚部都将是外施正弦激励的角频率的函数,即:,电纳分量,电导分量,一般情况下,按上式定义的复导纳又称为一端口No的等电,3.复阻抗和复导纳的等效关系,一般情况 G1/R,B1/X。若Z为感性,X0,则B0,即仍为感性。,?,3.复阻抗和复导纳的等效关系一般情况 G1/R,B1/X,同样,若由 Y 变为 Z ,则有:,?,同样,若由 Y 变为 Z ,则有:ZRjXGjBY?,同电阻的串联电路相似,对于 n 个阻抗串联而成的电路,其等效阻抗
4、为:,9.2 复阻抗(复导纳)的串联和并联,1.串联,各个阻抗的电压分配为,同电阻的串联电路相似,对于 n 个阻抗串联而成的电路,同电阻的并联电路相似,对于 n 个导纳并联而成的电路,其等效导纳为:,2.并联,各个导纳的电流分配为,同电阻的并联电路相似,对于 n 个导纳并联而成的电路,例9.1 已知 Z1=10+j6.28 , Z2=20-j31.9 , Z3=15+j15.7 。 求 Zab。,例9.1 已知 Z1=10+j6.28 , Z2=2,解:,例 9.2 已知图示RLC串联电路中 R = 15 , L = 12 mH , C = 5 F , 端电压 , 试求等效阻抗 Zeq、电路中
5、 的电流 i 及各元件的电压相量。,解:Rj L+_+_例 9.2 已知图示RLC串,例 9.3 图示电路中 R1 = 10 , L = 0.5 mH,R2 = 1000 , C = 10 F , U = 100V, = 314 rad/s,求各支路 电流和电压。,解:,ZR2 与 ZC 的并联等效阻抗为 Z10 ,有,则,例 9.3 图示电路中 R1 = 10 ,解:ZR2,总的输入阻抗 Zeq 为,各支路电流和电压 计算如下:,总的输入阻抗 Zeq 为各支路电流和电压 计算如下:,根据各相量的相位相应地确定各相量在图上的位置。按比例画出各相量的模。 以电路并联部分的电压相量为参考,确定各并
6、联支 路电流相量与电压相量之间的夹角;再根据 KCL 方程作出结点上各支路电流相量所组成的多边形。 以电路串联部分的电流相量为参考,确定有关电压 相量与电流相量之间的夹角;再根据回路KVL方程 作出回路上各电压相量所组成的多边形。,画相量图要点:,电路的相量图由相关的电压和电流相量在复平面上组成。,9.3 电路的相量图,根据各相量的相位相应地确定各相量在图上的位置。画相量图要点,例 9.4 画出例 9.2电路的相量图。,例 9.5 画出例 9.3电路的相量图。,要点回顾:对于电路中的并联部分,可以选取并联电压作为参考相量;对于电路中的串联部分,可以选取串联电流作为参考相量;,解:以 为参考相量
7、,根据 画出相量图。,例 9.4 画出例 9.2电路的相量图。 O例 9.5,电阻电路与正弦稳态电路相量法分析比较:,可见,二者依据的电路定律是相似的。只要作出正弦电流电路的相量模型,便可将电阻电路的分析方法推广到正弦稳态电路的相量分析中。在用相量法分析时,电路方程是以相量形式表示的代数方程,计算为复数运算。,9.4 正弦稳态电路的分析,电阻电路与正弦稳态电路相量法分析比较:可见,二者依据的电路定,列写电路的回路电流方程。,例9.6,解:,列写电路的回路电流方程。例9.6 解:+_R1R2R3R4,例 9.7 列写电路的节点电压方程。,解:,节点1:,节点2:,例 9.7 列写电路的节点电压方
8、程。 解:+_+_21Y,法一:电源变换,解:,例9.8,法一:电源变换解:例9.8Z2Z1ZZ3Z2Z1Z3Z+,法二:戴维宁等效变换,Z0,法二:戴维宁等效变换Z0Z+-Z2Z1ZZ3Z2Z1Z3+-,法二:戴维宁等效变换,Z0,Z0Z+-Z2Z1Z3+-Z2Z1Z3法二:戴维宁等效变换Z,例9. 9,用叠加定理计算电流,例9. 9用叠加定理计算电流Z2Z1Z3+-Z2Z1Z3Z2,解:,解:Z2Z1Z3Z2Z1Z3+-,已知平衡电桥 Z1 = R1 , Z2 = R2 , Z3 = R3+jwL3。 求:Z4=R4+jw L4。,由平衡条件:Z1 Z3= Z2 Z4 得,R1(R3+jw
9、 L3)=R2(R4+jw L4), R4=R1R3 /R2 , L4=L3 R1/R2,例 9.10,解:,|Z1|1 |Z3|3 = |Z2|2 |Z4|4,已知平衡电桥 Z1 = R1 , Z2 = R2 , Z3,例 9.11,解:,例 9.11解:ZZ1+_,已知:U = 115V ,U1 = 55.4V, U2 = 80V , f = 50Hz, R1 = 32W , 求:线圈的电阻 R2 和电感 L2。,方法(1) 已知的都是有效值,画相量图进行定性分析。,例 9.12,解:,已知:U = 115V ,U1 = 55.4V,方法(1),将上述方程联立求解,可得:,方法(2),将上
10、述方程联立求解,可得:R1R2L2+_+_+_方法(2),研究无源一端口网络 No 吸收的功率( u, i 取关联参考方向),1. 瞬时功率:,第一种分解方法,9.5 正弦稳态电路的功率,第二种分解方法,研究无源一端口网络 No 吸收的功率( u, i 取关联参考,第一种分解方法:, 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。,恒定量,正弦量,第一种分解方法: p有时为正,有时为负;恒定量正弦量,第二种分解方法:,不可逆部分,可逆部分,第二种分解方法:不可逆部分可逆部分为不可逆分量,相当于电阻元,瞬时功率实用意义不大,且不便于测量。一般讨论所说的功率指瞬时功率在一个周
11、期内的平均值,即平均功率。,2. 平均功率 (有功功率)P:,有功功率的单位:W (瓦),KW (千瓦),对无源网络,为其等效阻抗的阻抗角。即,cos 称为功率因数。常记做 。,瞬时功率中的恒定分量,瞬时功率实用意义不大,且不便于测量。一般讨论所说的功率指瞬时,X 0,j 0,感性阻抗。,X 0,j 0,容性阻抗。,例:cosj =0.5 (感性), 则j =60o (电压超前电流60o)。,平均功率实际上是电阻消耗的功率,即有功功率。它代表电路实际消耗的功率,它不仅与电压和电流的有效值的乘积有关,而且与它们之间的相位差有关。这是交流电路和直流电路的区别,其原因在于储能元件在交流电路中产生了阻
12、抗角。,显然, 有 0 1。,若 ,则有,X 0,j 0,感性阻抗。X 0,j 0,容性阻,4. 视在功率 S:,它反映电气设备的容量(额定电压和额定电流的乘积)。,3. 无功功率 Q:,无功功率的单位: var (乏),kvar (千乏)。,瞬时功率中可逆分量的幅值,视在功率的单位: VA (伏安),KVA (千伏安)。,Q 的大小反映网络与外电路交换功率的大小。它是由储能元件(L、C)的性质决定的。,Q 0,表示网络吸收无功功率(或称该一端口网络输出感性的无功功率);,Q 0,表示网络发出无功功率(或称该一端口网络输出容性的无功功率)。,4. 视在功率 S:它反映电气设备的容量(额定电压和
13、额定电流,5. R、L、C元件的功率问题:,对电阻,pR0,表明电阻一直在吸收能量。且电阻只吸收有功功率,不吸收无功功率。,对电感,由于PL = 0、QL 0,表明电感不吸收有功功率,只吸收无功功率。pL的正负交替变化说明有能量在来回交换。,5. R、L、C元件的功率问题:uiR+-对电阻,pR0,,对电容,由于PC = 0、QC 0,表明电容不吸收有功功率,只发出无功功率。pC 的正负交替变化说明有能量在来回交换。,6. RLC串联电路的功率问题:,对电容,由于PC = 0、QC 0,表明电容不吸收有功功,j LR+_+_功率三角形PQS,7 . 交流电路功率的测量:,使用功率表应注意:,(
14、1)同名端:在负载的u、i为关联参考方向下,电流i从电流线圈“*”号端流入,电压u正端接电压线圈“*”号端,此时P表示负载吸收的功率。,(2)量程:P的量程= U的量程 I的量程 cosN (表的),测量时,P、U、I均不能超量程。,7 . 交流电路功率的测量:uiZ+-W*使用功率表应注意,例 9.13 三表法测线圈参数。,解:,方法(1) 功率表的读数表示电阻吸收的有功功率。,例 9.13 三表法测线圈参数。解:RL+_ZWAV*,例 9.13 三表法测线圈参数。,解:,方法(2) 功率表的读数表示线圈吸收的有功功率。,例 9.13 三表法测线圈参数。解:RL+_ZWAV*,1 . 复(数
15、)功率:,9.6 复(数)功率,1 . 复(数)功率:_负+9.6 复(数)功率电流,有功功率、无功功率、视在功率的关系:,有功功率: P=UI cos j 单位:W,无功功率: Q=UI sin j 单位:var,视在功率: S=UI 单位:VA,功率三角形,阻抗三角形,导纳三角形,有功功率、无功功率、视在功率的关系:有功功率: P=UI,电压、电流的有功分量和无功分量:,(以感性负载为例, ),电压、电流的有功分量和无功分量:RX+_+_+_GB+_(,复功率守恒定理,在正弦稳态下,任一电路的所有支路吸收的复功率之和为零。,注意:复功率、有功功率、无功功率守恒;视在功率不守恒!,一般情况下
16、,其中 Y=G-jB=G-j(BL-BC),复功率守恒定理在正弦稳态下,任一电路的所有支路吸收的复功率之,复功率守恒定理的另一种形式,正弦电流电路中总的复功率是电路各部分复功率之和。,+_+_+_复功率守恒定理的另一种形式正弦电流电路中总的复功,例 9.14 电路如图所示,求各支路的复功率。,解:,方法(1),例 9.14 电路如图所示,求各支路的复功率。 解:方,例 9.14 电路如图所示,求各支路的复功率。,解:,方法(2),例 9.14 电路如图所示,求各支路的复功率。 解:方,2.功率因数的提高:,设备容量 S (额定)向负载送多少有功功率要由负载的阻抗角决定。,P=Scosj,cos
17、j =1, P=S=75kW,cosj =0.7, P=0.7S=52.5kW,一般用户: 异步电机 空载cosj =0.20.3 满载cosj =0.70.85,日光灯 cosj =0.450.6,(1)设备不能充分利用,电流到了额定值,但功率容量还有;,(2)当输出相同的有功功率时,线路上电流大 I=P/(Ucosj ),线路压降损耗大。,功率因数低带来的问题:,2.功率因数的提高: 设备容量 S (额定)向负载送多,解决办法:对于感性负载并联电容,提高功率因数(改进自身设备)。,分析:,并联电容后,原感性负载流过的电流不变,吸收的有功功率和无功功率都不变,即负载工作状态没有发生任何变化。
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