电工技术——正弦交流电路的一般分析方法
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第十讲正弦交流电路的分析计算正弦交流电路中的功率功率因数的提高及最大功率的计算时间:2学时重点和难点:正弦交流电路向量法求解;有功功率与无功功率的计算目的:让学生用向量图分析求解正弦交流电路的主要依据,掌握参考向量的选择方法,掌握用向量图分析电路的方法,能熟练应用向量法求解各类实际电路问题;让学生掌握瞬时功率、平均功率的意义和计算方法,掌握功率因数的概念、意义、计算方法,掌握引起无功功率的原因,掌握无功功率、复功率、视在功率、容量的计算方法。
教学方法:多媒体演示、课堂讲授主要教学内容:一、正弦交流电路的分析计算对于任意正弦交流电路,只要用相量表示正弦交流电路中的电压、电流,用阻抗或导纳对应直流电路的电阻或电导,所有的运算采用复数运算规则进行,计算电阻电路时的一些公式和方法,就可以完全用到正弦交流电路中来。
这就是说,运用相量并引用阻抗及导纳,正弦交流电路的计算方法可以仿照电阻电路的处理方法来进行。
正弦交流电路的分析,一种是依靠相量图来解决实际问题,这种方法称为相量图法,而把依靠列出相量方程来解决实际问题的方法称为相量解析法。
两者均属相量法的范畴,它们的依据是共同的。
1、正弦交流电路的相量图法分析计算:1)对于简单的正弦交流电路常借助于相量图进行辅助分析,这样可以直观表现出各电量之间的大小和相位关系。
画相量图时,应遵循以下几点:a、选择参考相量;b、画在同一相量图上的各电量一定是同频率的;c、依据欧姆定律及KCL、KVL的相量形式;d、单一参数R、L、C各元件电压与电流的相量关系;2)参考相量的选取原则:a、串联电路宜选用电流为参考相量,并联电路宜选用电压为参考相量;b 、对于较复杂的混联电路,应根据已知条件综合考虑。
可以选电路内部某并联部分电压为参考相量,也可以选其中某部分的电流为参考相量;或选用端电压或电流为参考相量。
例1 并联电路如图(a )所示,用相量图定性表明各电流相量的关系。
解:并联电路宜从两端电压入手,选电压相量S U 为参考相量。
电路知识:正弦交流电路与其分析方法“相量法”(上)“相量是什么?它和向量、矢量有什么区别?”,相信不少电工朋友都有着这样的疑问。
正如标题所示,相量是用于正弦交流电路分析的,换言之,离开正弦交流电路,相量将毫无意义。
而它与向量、矢量的区别,在看完本文后,你将能给出自己的答案。
掌握相量法,我们就可以快速并简单地对正弦交流电路进行分析、计算并理解其各种特性,包括电压电流、阻抗、有功功率以及无功功率等。
基于相量法的便捷性,本文将给大家详细讲解相量的含义以及运算,让大家学以致用,在交流电路分析中得心应手。
相量用于表示正弦交流电路中的各种正弦量,如电压、电流、磁通等。
所谓正弦量,是指电路中按正弦规律变化的各种物理量。
所以在理解相量前,我们有必要指定什么是正弦交流电路以及正弦量。
NO. 1正弦交流电路与正弦量电路有交流和直流之分,如下图1-1所示为不同形式的交流量和直流量波形图。
图1-1图(1)所示为恒定直流量的波形,例如电池的电压,在一定情况下就保持为恒定值。
而图(2)就是本文的主角,正弦交流量,即正弦量。
比较图1-1中的几种波形,可以发现,所谓直流量,不仅仅是指恒定直流量,还包括大小变化的各种时变量,如图(3)、图(6)的锯齿波,它们大小随时间变化,但方向保持不变,所以它们是直流量。
而交流,区别于直流,是指电路中的电压、电流等物理量方向发生变化,但大小不一定变化,例如图(4)的矩形波,该电流方向作周期变化,但其大小保持不变。
含有正弦电源且电路中各部分产生的电压、电流均按正弦规律变化的电路,就是正弦交流电路。
所谓正弦规律变化,正如图1-1中的图(2)所示。
在这里要说明一点,“正弦规律”不一定指正弦函数,其实余弦函数也是按正弦规律变化的,因为余弦函数可以由正弦函数左移90°得到。
所以上文提到的“正弦规律”指的是一种变化规律,而不是指正弦函数。
例如图1-2所示的电流和电压,都属于正弦量。
但在同一个电路中,一旦确定所用的函数,那么所有正弦量都应该用同一种函数表示,例如确定用sine正弦函数,就不能出现consine余弦函数,即使有,也应该根据三角函数换算转化为sine函数表示,这也是为了便于它们进行相位的比较。
第二章正弦交流电路2.1.1 正弦量的三要素及表示方法(1)正弦交流电路:如果在线性电路中施加正弦激励(正弦交流电压源或正弦交流电流源),则电路中的所有响应在电路达到稳态时,也都是与激励同频率的正弦量,这样的电路称为正弦交流电路。
(2)正弦交流电压或正弦交流电流等物理量统称为正弦量,它们的特征表现在变化的快慢、大小及初值3个方面,分别由频率(或周期)、幅值(或有效值)和初相位来确定。
所以称频率、幅值(或有效值)和初相位为正弦量的三要素。
(3)因为正弦量具有3个要素,它们完全可以表达对应的正弦量的特点和共性。
所以,只要能够反映出正弦的三要素,就可以找到多种表示正弦量的方法,其常见的表示方法如下。
①三角函数表示法和正弦波形图示法,比如正弦电压u=U m sin(ωt+φ),其正弦波形如图2.1所示,但是正弦量的这两种表示方法都不利于计算。
②旋转矢量表示法,由于复平面上一个逆时针方向旋转的复数能够反映出正弦量的3个要素,因此可用来表示正弦量。
③相量及相量图表示法,由于正弦交流电路中的激励和响应均为同频率的正弦量,故可在已知频率的情况下,只研究幅值和初相位的问题。
这样,不仅可以用旋转矢量表示正弦量,而且也能把正弦量表示成复数(该复数与一个正弦量对应,称为相量)。
图2.1所示正弦电压的幅值相量和有效值相量分别为2.1.2 电路基本定律的相量形式将正弦量用相量表示有利于简化电路的分析和计算,其中电路分析的基本定律在频域中也是成立的,即为表2.1的电路基本定律的相量形式。
当用相量来表示正弦电压与电流,用复阻抗来表示电阻、电感和电容时,正弦交流电路的分析与计算也就类似于直流电路,复阻抗的串并联等效、支路电流法、叠加定理和戴维宁定理等分析方法均可应用。
为了研究复杂正弦交流电路中激励与响应之间的关系,以及研究电路中能量的转换与功率问题,就必须首先掌握单一参数(电阻、电感、电容)元件在正弦交流电路中的特性(见表2.2),以作为分析复杂正弦交流电路的基础。