正弦稳态电路分析
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第五章 正弦稳态电路分析
5.1 正弦量及其描述
5-1 正弦量及其描述
正弦稳态电路:
激励为正弦量,且加入激励的时间为t=-∞时的电路。
正弦量:
随时间按正弦规律变化的电流或电压或功率等。
→↑
u(t)
t
→↑
i(t)
t
u(t)=U m sin(ωt+ϕu1)或 u(t)=U m cos(ωt+ϕu2)
1、正弦量的时域表示
(三要素) (1)波形表示:其中:
U m 、I m −− 最大值
ω −− 角频率
ϕi 、ϕu −− 初相位
ω=2πf=2π/T
→↑
u(t)
t
0ωt T
2π→
↑i(t)02π
I m
-I m
ωt U m -U m
ϕ =±90º 正交 ϕ =±180º
反相
相位差:ϕ= ϕu - ϕi
∣ϕ∣ ≤ ∣π∣
u(t)=U m cos(ωt+ϕu ) i(t)=I m cos(ωt+ϕi
)ϕ <0 滞后
ϕ >0 超前
(3)相位差
ϕ =0 同向
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(4)有效值:周期信号一个周期内的方均根值。
对于正弦量:
电流:
电压:
物理意义:在一个周期内与其产生相等热量的直流电量。i(t)=I m cos(ωt+ϕi )u(t)=U m cos(ωt+ϕ
)
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2、正弦量的频域表示
(1)正弦稳态电路特点:
若所有激励为频率相同的正弦量,则线性电路响应为同频率的正弦量。
相量为一个复数,它可表示为极坐标形式,也可表示
为直角坐标形式。(2)正弦量相量表示: i(t)=I m cos(ωt+ϕi ) u(t)=U m cos(ωt+ϕu )
第九章正弦稳态电路的分析
§9-1 阻抗和导纳
阻抗和导纳的概念以及对它们的运算和等效变换是线性电路正弦稳态分析中的重要内容。
1. 阻抗
1)阻抗的定义
图9.1所示的无源线性一端口网络,当它在角频率为的正弦电源激励下处于稳定状态时,端口的电压相量和电流相量的比值定义为该一端口的阻抗 Z 。即
单位:Ω
上式称为复数形式的欧姆定律,其中称为阻抗模,称为
阻抗角。由于 Z 为复数,也称为复阻抗,这样图 9.1 所示的无源一端口网络可以用图 9.2 所示的等效电路表示,所以 Z 也称为一端口网络的等效阻抗或输入阻抗。
图 9.1 无源线性一端口网络图 9.2 等效电路
2)单个元件的阻抗
当无源网络内为单个元件时,等效阻抗分别为:
a 电阻
b 电容
c 电感
图 9.3 单个元件的网络
a图 b图 c图
说明 Z 可以是纯实数,也可以是纯虚数。
3) RLC 串联电路的阻抗
图 9.4 RLC 串联电路图 9.5 阻抗三角形
由 KVL 得:
因此,等效阻抗为
其中R—等效电阻 (阻抗的实部);X—等效电抗(阻抗的虚部) ;Z、R 和 X 之间的转换关系为:
或
可以用图 9.5 所示的阻抗三角形表示。
结论:对于 RLC 串联电路:
(1)当ωL > 1/ωC 时,有X >0 ,φz>0 ,表现为电压领先电流,称电路为感性电路,其相量图(以电流为参考相量)和等效电路如图 9.6 所示;
图9.6 ωL > 1/ωC时的相量图和等效电路
(2)对于RLC串联电路当ωL < 1/ωC时,有X <0 ,φz<0 ,表现为电流领先电压,称电路为容性电路,其相量图(以电流为参考相量)和等效电路如图 9.7 所示;
正弦稳态电路的分析
1.复数法分析:
a. 复数电压和电流表示:将正弦波电流和电压表示为复数形式,即
I = Im * exp(jωt),V = Vm * exp(jωt),其中Im和Vm为幅值,ω
为角频率,j为虚数单位。
b.使用欧姆定律和基尔霍夫定律来建立复数表达式。
c.找到电路中的频域参数,如电阻、电感和电容等,并使用复数法计
算电路中的电流和电压。
d.计算电源电压和电流的相位差,这会决定电路中的功率因数。
2.相量法分析:
a.相量表示:将电路中的电流和电压表示为相量形式,即以幅值和相
位角表示,例如I=Im∠θ,V=Vm∠θ。
b.使用欧姆定律和基尔霍夫定律来建立相量表达式。
c.对电路中的频域参数应用相量法,计算电路中的电流和电压。
d.计算电源电压和电流的相位差,以确定电路中的功率因数。
无论是复数法还是相量法,分析正弦稳态电路的关键是计算电路中的
电流和电压的幅值和相位。在计算过程中,需要使用复数代数、欧姆定律、基尔霍夫定律以及频域的电路参数等相关知识。
在实际应用中,正弦稳态电路的分析主要包括以下几个方面:
1.交流电路中的电阻:电阻对交流电流的影响与直流电路相同,即按
欧姆定律计算。复数法计算时,电流和电压与频率无关,可以直接使用欧
姆定律计算。
2.交流电路中的电感:电感器对交流电流的响应取决于电流的频率。
复数法计算电感电压和电流时,需要将频率变量引入到电感的阻抗中。
3.交流电路中的电容:电容器对交流电压的响应取决于电压的频率。
复数法计算电容电压和电流时,需要将频率变量引入到电容的阻抗中。
4.交流电路中的复数阻抗:电路中的电感、电容和电阻组成复数阻抗。复数阻抗可以用来计算电路中的电流和电压。根据欧姆定律和基尔霍夫定律,可以建立复数电流和电压之间的关系。
第九章正弦稳态电路的分析
本章内容
1.阻抗和导纳的概念2.阻抗的串并联及电路的相量图
3.正弦稳态电路的分析4.瞬时功率、有功功率、无功功率、视在功率、复功率及最大输出功率5.串联和并联谐振
本章重点:
正弦量的向量正表示; 正弦电路中的阻抗和导纳;正弦电路的分析
串联谐振的谐振条件及特征; 并联谐振的谐振条件及特征
本章重点:正弦电路参数的分析及最大功率输出的分析
§9-1 阻抗和导纳
阻抗和导纳是正弦电流电路分析的重要内容
一、阻抗
在无源的线性网络中,端口的电压相量与电流相量的比值定义为该一端口的阻抗(复阻抗),用Z表示。
式中:
•
U=U∠ϕu
•
I=I∠ϕI
阻抗的模:Z= U/I,阻抗角:ϕZ= ϕu-ϕi 阻抗的代数式: Z=R+jX
式中:R—电阻 X—电抗
1.若网络N 0内只含单一元件,则单一元件的复阻抗
(1)电阻的复阻抗:Z R =R
(2)电感的复阻抗:Z L =ωj L=jX L X L =ωL —感抗 (3)电容的复阻抗:Z C =
c
j ω1=c j
ω1-=jX C X C =c
ω1-—容抗 2.若网络N 0内为RLC 串联,则阻抗为
(1)阻抗:Z=•
U /•
I = R+ωj L+
c
j ω1=R+j(ωL-
C
ω1
)=R+jx=Z ϕ∠Z
可见:阻抗Z 的实部为电阻R (R=Z cos ϕZ ),阻抗Z 的虚部为电抗X (X= R=Z sin ϕZ ),三者构成阻抗三角形 (2) 阻抗的模:Z =22)(C L X X R -+=22X R +=U/I (3)阻抗角:ϕZ =arctan
R X X C L -=R