電路上冊(cè)(王培峰主編)第五章

5相量法復(fù)數(shù)5-1正弦量5-2相量法的基礎(chǔ)5-3電路定律的相量形式5-4目錄2.正弦量的相量表示3.電路定理的相量形式

重點(diǎn)：1.正弦量的表示、相位差1.復(fù)數(shù)的表示形式FbReImaO

|F|代數(shù)式指數(shù)式極坐標(biāo)式三角函數(shù)式5-1復(fù)數(shù)幾種表示法的關(guān)系：或2.復(fù)數(shù)運(yùn)算加減運(yùn)算——采用代數(shù)式FbReImaO

|F|則

F1±F2=(a1±a2)+j(b1±b2)若

F1=a1+jb1，F(xiàn)2=a2+jb2圖解法F1F2ReImOF1+F2-F2F1ReImOF1-F2F1+F2F2乘除運(yùn)算——采用極坐標(biāo)式若

F1=|F1|

1，F(xiàn)2=|F2|

2則模相乘角相加模相除角相減例1-1

解例1-2解旋轉(zhuǎn)因子復(fù)數(shù)

ejq

=cosq+jsinq=1∠qF?ejqFReImOF?ejq

旋轉(zhuǎn)因子

+j,–j,-1

都可以看成旋轉(zhuǎn)因子。特殊旋轉(zhuǎn)因子ReImO注意5-2正弦量1.正弦量瞬時(shí)值表達(dá)式i(t)=Imcos(wt+y)tiOT周期T

和頻率f頻率f

：每秒重復(fù)變化的次數(shù)。周期T

：重復(fù)變化一次所需的時(shí)間。單位:Hz(赫茲)單位：s(秒)正弦量為周期函數(shù)

f(t)=f(

t+kT)波形正弦電流電路激勵(lì)和響應(yīng)均為同頻率的正弦量的線性電路（正弦穩(wěn)態(tài)電路）稱為正弦電路或交流電路。正弦穩(wěn)態(tài)電路在電力系統(tǒng)和電子技術(shù)領(lǐng)域占有十分重要的地位。研究正弦電路的意義正弦函數(shù)是周期函數(shù)，其加、減、求導(dǎo)、積分運(yùn)算后仍是同頻率的正弦函數(shù)。正弦信號(hào)容易產(chǎn)生、傳送和使用。優(yōu)點(diǎn)正弦信號(hào)是一種基本信號(hào)，任何非正弦周期信號(hào)可以分解為按正弦規(guī)律變化的分量。對(duì)正弦電路的分析研究具有重要的理論價(jià)值和實(shí)際意義。結(jié)論

幅值

(振幅、最大值)Im(2)角頻率ω2.正弦量的三要素(3)

初相位

單位：rad/s

，弧度/秒反映正弦量變化幅度的大小。相位變化的速度，反映正弦量變化快慢。反映正弦量的計(jì)時(shí)起點(diǎn)，常用角度表示。i(t)=Imcos(wt+

)同一個(gè)正弦量，計(jì)時(shí)起點(diǎn)不同，初相位不同。

=0

=/2

=－/2iOt

注意一般規(guī)定：|

|<。例2-1已知正弦電流波形如圖，

＝103rad/s，1.寫(xiě)出i(t)

表達(dá)式；2.求最大值發(fā)生的時(shí)間t1。tiO10050t1解由于最大值發(fā)生在計(jì)時(shí)起點(diǎn)右側(cè)3.同頻率正弦量的相位差設(shè)

u(t)=Umcos(wt+

u),i(t)=Imcos(wt+

i)相位差：j=(wt+

u)-(wt+

i)=

u-

i等于初相位之差規(guī)定：|

|<(180°)j>0，u超前ij

角，或i

滯后

u

角

(u

比i先到達(dá)最大值)。

j<0，

i

超前

u|j|角，或u

滯后

i|

j

|角（

i比

u

先到達(dá)最大值）。

tu,iu

i

u

ijOj＝0，同相j=(180°

)

，反相特殊相位關(guān)系

tu

iO

tu

iO

=p/2：u領(lǐng)先

ip/2

tu

iO同樣可比較兩個(gè)電壓或兩個(gè)電流的相位差。例計(jì)算下列兩正弦量的相位差。解不能比較相位差兩個(gè)正弦量進(jìn)行相位比較時(shí)應(yīng)滿足同頻率、同函數(shù)、同符號(hào)，且在主值范圍比較。結(jié)論4.周期性電流、電壓的有效值周期性電流、電壓的瞬時(shí)值隨時(shí)間而變，為了衡量其平均效果,工程上采用有效值來(lái)表示。周期電流、電壓有效值定義R直流IR交流i物理意義均方根值定義電壓有效值：正弦電流、電壓的有效值設(shè)

i(t)=Imcos(t+

)因?yàn)樗酝恚傻谜译妷河行е蹬c最大值的關(guān)系若交流電壓有效值為U=220V，U=380V

其最大值為Um

311VUm

537V注意工程上說(shuō)的正弦電壓、電流一般指有效值，如設(shè)備銘牌額定值、電網(wǎng)的電壓等級(jí)等。但絕緣水平、耐壓值指的是最大值。因此，在考慮電器設(shè)備的耐壓水平時(shí)應(yīng)按最大值考慮。測(cè)量中，交流測(cè)量?jī)x表指示的電壓、電流讀數(shù)一般為有效值。區(qū)分電壓、電流的瞬時(shí)值、最大值、有效值的符號(hào)。5-3相量法的基礎(chǔ)1.問(wèn)題的提出電路方程是微分方程兩個(gè)正弦量的相加，如KCL、KVL方程運(yùn)算：RLC+-uCiLu+-i1i1+i2

i3i2www角頻率同頻的正弦量相加仍得到同頻的正弦量，所以，只需確定初相位和有效值。因此采用正弦量復(fù)數(shù)I1I2I3有效值

1

2

3初相位變換的思想

tu,ii1

i2oi3結(jié)論造一個(gè)復(fù)函數(shù)對(duì)F(t)取實(shí)部任意一個(gè)正弦時(shí)間函數(shù)都有唯一與其對(duì)應(yīng)的復(fù)數(shù)函數(shù)。無(wú)物理意義是一個(gè)正弦量有物理意義3.正弦量的相量表示結(jié)論F(t)包含了三要素：I、

、

，復(fù)常數(shù)包含了兩個(gè)要素：I

,

。F(t)還可以寫(xiě)成復(fù)常數(shù)正弦量對(duì)應(yīng)的相量相量的模表示正弦量的有效值相量的幅角表示正弦量的初相位注意同樣可以建立正弦電壓與相量的對(duì)應(yīng)關(guān)系：已知例1試用相量表示i,u.解例2試寫(xiě)出電流的瞬時(shí)值表達(dá)式。解在復(fù)平面上用向量表示相量的圖相量圖

q+1+j4.相量法的應(yīng)用同頻率正弦量的加減相量關(guān)系為：結(jié)論同頻正弦量的加減運(yùn)算變?yōu)閷?duì)應(yīng)相量的加減運(yùn)算。i1

i2=i3例借助相量圖計(jì)算+1+j首尾相接+1+j正弦量的微分、積分運(yùn)算微分運(yùn)算積分運(yùn)算例用相量運(yùn)算：把時(shí)域問(wèn)題變?yōu)閺?fù)數(shù)問(wèn)題；把微積分方程的運(yùn)算變?yōu)閺?fù)數(shù)方程運(yùn)算；可以把直流電路的分析方法直接用于交流電路。Ri(t)u(t)L+-C相量法的優(yōu)點(diǎn)①正弦量相量時(shí)域頻域相量法只適用于激勵(lì)為同頻正弦量的非時(shí)變線性電路。③相量法用來(lái)分析正弦穩(wěn)態(tài)電路。正弦波形圖相量圖注意不適用線性線性w1w2非線性w5.4電路定律的相量形式1.電阻元件VCR的相量形式時(shí)域形式：相量形式：相量模型uR(t)i(t)R+-有效值關(guān)系相位關(guān)系R+-UR

u相量關(guān)系：UR=RI

u=

i瞬時(shí)功率波形圖及相量圖

i

touRpR

u=

iURI瞬時(shí)功率以2

交變，始終大于零，表明電阻始終吸收功率同相位時(shí)域形式：相量形式：相量模型相量關(guān)系：2.電感元件VCR的相量形式有效值關(guān)系：

U=wLI相位關(guān)系：

u=

i+90°

i(t)uL(t)L+-j

L+-感抗的性質(zhì)表示限制電流的能力；感抗和頻率成正比。wXL相量表達(dá)式XL=L=2fL，稱為感抗，單位為

(歐姆)BL=-1/L=-1/2fL，

稱為感納，單位為S

感抗和感納功率

t

iouLpL2

瞬時(shí)功率以2

交變，有正有負(fù)，一周期內(nèi)剛好互相抵消，表明電感只儲(chǔ)能不耗能。

i波形圖及相量圖電壓超前電流900時(shí)域形式：相量形式：相量模型iC(t)u(t)C+-+-相量關(guān)系：3.電容元件VCR的相量形式有效值關(guān)系：

IC=wCU相位關(guān)系：

i=

u+90°

XC=-1/wC，

稱為容抗，單位為

(歐姆)BC

=wC，

稱為容納，單位為

S

容抗和頻率成反比

0，|XC|

直流開(kāi)路(隔直)w

，|XC|0

高頻短路w|XC|容抗與容納相量表達(dá)式功率

t

iCoupC瞬時(shí)功率以2

交變，有正有負(fù)，一周期內(nèi)剛好互相抵消，表明電容只儲(chǔ)能不耗能。

u波形圖及相量圖電流超前電壓9002

4.基爾霍夫定律的相量形式同頻率的正弦量加減可以用對(duì)應(yīng)的相量形式來(lái)進(jìn)行計(jì)算。因此，在正弦電流電路中，KCL和KVL可用相應(yīng)的相量形式表示：流入某一結(jié)點(diǎn)的所有正弦電流用相量表示時(shí)仍滿足KCL；而任一回路所有支路正弦電壓用相量表示時(shí)仍滿足KVL。表明例1試判斷下列表達(dá)式的正、誤。L例2已知電流表讀數(shù)：A1＝8A＝6AA2A1A0Z1Z2A2A0＝?＝I0max=?A0A0＝I0min=?＝?A2A0＝A1解例3解相量模型+_15Wu4H0.02Fij20W-j10W+_15Wj20W-j10W+_15W例4解+_5WuS0.2

Fi相量模型+_5W-j5W例5解j40WjXL30WCBA例6圖示電路I