电工电子技术第四章正弦交流电路.ppt
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1、1,2023年9月13日星期三,第四章 正弦交流电路,从本章开始我们将学习正弦交流电路的内容。交流电路具有用直流电路的概念无法理解和无法分析的物理现象,因此在学习本章的时候,必须建立交流的概念,否则容易引起错误。,本章是该课程的难点,在学习时应引起大家的重视。,本章的分析方法是频率分析法。,如果电源是某一频率的正弦量,则电路中各处的电压、电流都是同频率的正弦量。,其思想是:,2,2023年9月13日星期三,正弦交流电路,例如:电路如图所示,设:,当电路中的激励(电源)为正弦量时,电路中各部分的响应(电压或电流)也为同频率的正弦量,这样的电路就是正弦电路。,3,2023年9月13日星期三,(4)
2、非正弦变换为不同频率的正弦波,易计算(四则,微分、积分运算仍是正 弦函数)。,为什么要讲正弦交流电路呢?,(1)生产上和生活中使用的都是正弦交流电。,(2)易于变压、产生、传送和分配。,(3)变化平滑,不会破坏电气设备的绝缘,并可获得较好的电性能。,正弦交流电路,4,2023年9月13日星期三,4-1 正弦电压与电流,前两章所讨论的都是直流电路,其中的电流和电压的大小和方向都是不随时间变化的。,从本章开始我们将讨论当电源是正弦量时,电路中各支路的电压、电流、功率又如何计算呢?要解决这些问题,就要从基本概念入手。首先讨论什么是正弦电压与电流。,正弦交流电路,5,2023年9月13日星期三,其波形
3、图可用正弦曲线来表示:,随时间按正弦规律变化的电压、电流称为正弦电压和电流。,注意:用余弦表示的也称正弦电压与电流,正弦交流电路,、定义,6,2023年9月13日星期三,1、如果瞬时值为正,则该时刻的电压或电流为正半周。2、如果瞬时值为负,则该时刻的电压或电流为负半周。,、参考方向(正方向),交流电的变化是连续的,没有明确的起点和终点。一般选坐标的原点为计时起点,但这并不是说电路从t=0开始才有电流。,意义:,我们这里讨论的是正弦稳态,正弦交流电路,7,2023年9月13日星期三,图中:“+”表示电流(或电压)为正值,称为正半周,电流(或电压)的实际方向与参考方向一致;“”表示电流(或电压)为
4、负值,称为负半周,实际方向与参考方向相反。,正弦交流电路,8,2023年9月13日星期三,所以称频率、幅值和初相位为正弦量的三要素。,正弦电压和正弦电流等物理量,统称为正弦量。正弦量的特征表现在:,、正弦交流电的三要素(特征),设:i=Imsin(t+i),下面我们就来讨论正弦量的三个要素,正弦交流电路,它们分别由频率(或周期)、幅值(或有效值)和初相位来确定。,1、变化的快慢,2、大小,3、初始值,9,2023年9月13日星期三,1、频率与周期,正弦量变化一次所需的时间(秒)称为周期T。每秒钟时间内变化的次数称为频率 f。,频率是周期的倒数,即,周期是频率的倒数,即,正弦交流电路,10,20
5、23年9月13日星期三,工程中常用的一些频率范围:,中国、香港、欧洲等 220V、50HZ,我国电力的标准频率为50Hz;国际上多采用此标准,但美、日等国采用标准为60Hz。,下面是几个国家的电源周波情况:,印度 230V、50HZ,澳洲 240V、50HZ,日本 110V、60HZ,台湾 220V、60HZ,美国、加拿大 120V、60HZ,正弦交流电路,11,2023年9月13日星期三,收音机中波段5301600KHz 短波2.323MHz SW1 2.37MHz SW2 7.123MHz FM 88108MHz,中频电炉的工作频率为5008000Hz;,高频电炉的工作频率为200300k
6、Hz;,无线电工程的频率为104301010Hz。,低频电子工程的频率为2020103Hz。,正弦交流电路,12,2023年9月13日星期三,角频率,每秒变化的弧度数rad/s,正弦量变化快慢的衡量有时还用角频率来描述。它与频率和周期的关系为,正弦交流电路,13,2023年9月13日星期三,正弦量在任一瞬间的值称为瞬时值,用小写字母表示,如e、i、u。,2幅值与有效值,瞬时值中最大的值称为幅值或最大值,如Em、Im、Um。,正弦交流电流的数学表达式为:i=Imsint,说明或计量正弦交流电时一般不用幅值或瞬时值,而有效值。,正弦交流电路,14,2023年9月13日星期三,正弦交流电路,有效值,
7、有效值的定义式称为方均根值。,当i=Imsint时,代如上式得:,15,2023年9月13日星期三,已知 u=Um sin t,Um=310V,f=50Hz,试求有效值U 和 t=0.1s 时的瞬时值。,正弦交流电路,16,2023年9月13日星期三,正弦量是随时间变化的,选取不同的计时零点,正弦量的初始值就不同。为加以区分引入相位及初相位的物理量。,正弦电流的一般表达式为,其中:,+,_,(t+)称为正弦电流的相位,称为初相位,正弦交流电路,17,2023年9月13日星期三,定义=(1 2)为相位差或初相差。,当=(1 2)0 时,称 u 比 i 超前 角;,当=(1 2)0 时,称 u 比
8、 i 滞后 角;,当=(1 2)=0 时,称 u 与 i 同相。,当=(1 2)=180 时,称 u 与 i 反相(相位相反),或相差180,当=(1 2)=90 o时,称 u 与 i 正交。,注意,只有同频率,同号的正弦量才能进行比较,的取值范围|,正弦交流电路,18,2023年9月13日星期三,解析式表示:,波形图表示:,u=Umsin(t+u),i=Imsin(t+i),正弦量具有幅值、频率及初相位三个基本特征量,表示一个正弦量就要将这三要素表示出来。一个正弦量可以用多种方式表示。下面我们就来讨论这些表示方法。,+,_,相量表示:,相量图表示:,正弦交流电路,19,2023年9月13日星
9、期三,A=a+jb,(3)极坐标式:,A=r/,、复数(复习内容),1表示方法,(1)代数式:,(2)指数式:,A=r ej,正弦交流电路,20,2023年9月13日星期三,(4)三角函数式:A=rcos+jrsin,(5)图形方式表示(复平面),正弦交流电路,21,2023年9月13日星期三,2复数的运算,(1)加减运算:多边形法则,A=a1+jb1,A+B=(a1+a2)+j(b1+b2),A-B=(a1-a2)+j(b1-b2),B=a2+jb2,+1,+j,A,B,A+B,(用代数式简单),A,B,-B,A-B=A+(-B),正弦交流电路,22,2023年9月13日星期三,(2)乘除运
10、算:模相乘除,辐角相加减,A=r1/a,B=r2/b,3旋转因子 ej,ej=cos+jsin,(1)当=/2时,ej=ej/2=j,(2)当=时,ej=ej=-1,(用指数式简单),正弦交流电路,23,2023年9月13日星期三,、正弦量的相量表示法,ej=cos+jsin,cos=Reej,sin=Imej,Imsin=ImImej,正弦交流电路,24,2023年9月13日星期三,式中:,称为正弦量 i 的相量,它和正弦量一一对应,且它是算子而不是物理量。,正弦交流电路,25,2023年9月13日星期三,例题,试写出表示,的相量,正弦交流电路,26,2023年9月13日星期三,表示相量的图
11、称为相量图,、相量图,120,120,正弦交流电路,27,2023年9月13日星期三,、KCL和KVL和相量形式,、相量的运算,和复数的运算相同,对如图电路,设,试求总电流 i。,正弦交流电路,28,2023年9月13日星期三,本题可用几种方法求解计算。,1.用三角函数式求解,两个同频率正弦量相加仍得到一个相同频率的正弦量,正弦交流电路,29,2023年9月13日星期三,2.用正弦波求解,I 1msin(t+1),I 2msin(t+2),I msin(t+),0,i,t,正弦交流电路,30,2023年9月13日星期三,3、用相量法求解,正弦交流电路,31,2023年9月13日星期三,KVL的
12、相量形式:,KCL的相量形式:,正弦交流电路,4、用相量图求解,32,2023年9月13日星期三,5物理性质 耗能元件,过程不可逆 u、i都可以突变,、电阻元件(表征电路中消耗能量的元件),1定义:任何时刻,元件两端的电压与其电流的关系服从欧姆定律即R=u/i,2符号及单位:R,3功率,4能量,R=u/i,33,2023年9月13日星期三,、电感元件,1结构,e,(表征电路中磁场能量储存的元件),对于N匝线圈,其感应电动势为单匝线圈的N倍,其中=N 称为磁通链。,34,2023年9月13日星期三,当线圈中有电流 i 通过时,或 与 i 成正比,即,或,L为线圈的电感(或自感),它是线圈的结构参
13、数。,2u、i的约束方程,35,2023年9月13日星期三,3功率,p=ui,当i2(i0)2电能变磁场能,充电 i2(i0)2磁场能变电能,放电,4能量,5物理性质,电感能储存磁场能量,过程是可逆,iL不能突变;u可以突变。,36,2023年9月13日星期三,、电容元件,1结构,(表征电路中电场能量储存的元件),2u、i的关系,其中的C称为电容,37,2023年9月13日星期三,5物理性质 储存电场能量,过程可逆。Uc不能突变,电流 i可以突变。,3功率,4能量,38,2023年9月13日星期三,、电压与电流的关系,设 i=Imsint,则:u=Ri=RImsint,Um=RIm,U=RI,
14、1、大小关系,2、相位关系,电压和电流同相,=Umsint,39,2023年9月13日星期三,3、相量关系,因:i=Imsint,u=Umsint,所以:,该式为欧姆定律的相量形式,40,2023年9月13日星期三,4、相量图,i,u,波形图,41,2023年9月13日星期三,、功率关系,1瞬时功率,p=ui=UmImsin2t,p由两部分组成:UI为常数 以2的角频率变化 但 p0 为耗能元件,2有功功率,=UIUIcos2t,p,42,2023年9月13日星期三,、电压与电流的关系,设 i=Imsint,则:,Um=LIm,U=LI=XLI,1、大小关系,式中 XL称为感抗。XL=2fL,
15、单位为欧姆,43,2023年9月13日星期三,2、相位关系,电压超前电流90o,或电流滞后电压90o,3、相量关系,i=Imsint,u=Umsin(t+90o),则:,该式为电感在交流电路中的约束方程,44,2023年9月13日星期三,4、相量图和波形图,i,u,p,储能,储能,放能,放能,45,2023年9月13日星期三,、功率,1瞬时功率,2平均功率,P=0说明L不损耗能量,46,2023年9月13日星期三,单位是乏(var),3无功功率,虽说电感不损耗能量,但是电感元件与电源间存在着能量互换。这种能量互换的规模,我们用无功功率Q来衡量。我们定义无功功率等于瞬时功率的幅值,即:,Q=UI
16、=I2XL,47,2023年9月13日星期三,在图示电路中,每个电路图下的电流答案对不对?,例题,48,2023年9月13日星期三,、电压与电流的关系,设 u=Umsint,则:,Im=CUm,I=CU,1、大小关系,式中 XC称为容抗。XC=1/2fC,49,2023年9月13日星期三,2、相位关系,电压滞后电流90o,或电流超前电压90o,3、相量关系,u=Umsint,i=Imsin(t+90o),则:,该式为电容在交流电路中的约束方程,-jXC,50,2023年9月13日星期三,4、相量图和波形图,u,i,p,储能,储能,放能,放能,51,2023年9月13日星期三,、功率,1瞬时功率
17、,2平均功率,P=0说明C不损耗能量,52,2023年9月13日星期三,3无功功率,虽说电容不损耗能量,但是电容元件与电源间存在着能量互换。这种能量互换的规模,我们用无功功率Q来衡量。我们定义无功功率等于瞬时功率的幅值,即:,单位是乏(var),Q=UI=I2XC,53,2023年9月13日星期三,在图示电路中,每个电路图下的电压的答案对不对?,例题,54,2023年9月13日星期三,55,2023年9月13日星期三,电路如图所示,、电流、电压的关系(大小、相位或相量),该方程为时域方程,56,2023年9月13日星期三,考虑 R L C 元件上的电压相位;uR与 i 同相:,设电流的初相位为
18、零,电感上的电压uL比电流 i 越前90,电容上的电压u比电流 i 滞后90,则:,57,2023年9月13日星期三,上面各量的最大值及有效值符合欧姆定律,,即:,58,2023年9月13日星期三,写成相量形式为:,59,2023年9月13日星期三,据KVL的相量形式得:,其相量图为:,电压三角形,60,2023年9月13日星期三,将上式代入得:,该式为欧姆定律的相量形式。它和直流电路中的U=RI具有完全相同的作用和功能。,式中的Z称为复数阻抗,61,2023年9月13日星期三,式中的R称为电阻,式中的X称为电抗,注意:复数阻抗不同于正弦量的复数表示,它不是一个相量,而是一个复数计算量。,62
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