物理-第7章-交流电课件.ppt
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1、第七章第七章 正弦交流电正弦交流电交流电:交流电:电量(如电流、电压、电动势等)的方向、电量(如电流、电压、电动势等)的方向、大小都随时间作周期性变化。大小都随时间作周期性变化。按正弦规律变化的交流电为按正弦规律变化的交流电为正弦交流电。正弦交流电。1第七章 正弦交流电交流电:电量(如电流、电压主要内容主要内容 正弦交流电路的功率及功率因素正弦交流电路的功率及功率因素 基本概念基本概念 单一参数交流电路的分析单一参数交流电路的分析 R R、L L、C C串联及串联谐振串联及串联谐振 R R、L L、C C并联及并联谐振并联及并联谐振2主要内容 正弦交流电路的功率及功率因素 基本概念 单一参数交
2、第一节第一节 正弦交流量的三要素正弦交流量的三要素 正弦交流电的大小和方向随时间按正弦规律周期性变正弦交流电的大小和方向随时间按正弦规律周期性变化,正弦电动势、正弦电流和正弦电压统称为正弦量,可化,正弦电动势、正弦电流和正弦电压统称为正弦量,可以用正弦函数来表示。以用正弦函数来表示。)sin(amtAa瞬时值瞬时值最大值最大值角频率角频率初相位初相位相位相位3第一节 正弦交流量的三要素 正弦交流电的大小Tf22Tf1,f:正弦量在:正弦量在1 1秒钟内完成周期性变化的次数,单位是秒钟内完成周期性变化的次数,单位是赫兹(赫兹()。)。Hz一、周期一、周期、频率(频率(T T,f f)正弦量变化的
3、快慢正弦量变化的快慢 我国常用的频率是我国常用的频率是5050赫兹,对应周期是赫兹,对应周期是0.020.02秒,有些国秒,有些国家如日本的市电频率为家如日本的市电频率为6060赫兹。赫兹。4:正弦量在1 秒钟内完成周期性变化的次数,单位是赫兹()。二、有效值二、有效值正弦量的大小正弦量的大小有效值有效值 如果一个交流电通过一个电阻在一个周期的时间内所如果一个交流电通过一个电阻在一个周期的时间内所产生的热量和某一直流电通过该电阻在一个周期的时间内产生的热量和某一直流电通过该电阻在一个周期的时间内所产生的热量相等,这个直流电的量值就是该交流电的有所产生的热量相等,这个直流电的量值就是该交流电的有
4、效值。效值。热热 效效 应应5二、有效值正弦量的大小有效值 如果一个交流电通过一个正弦交流电正弦交流电 在一个周期内产生的热量为在一个周期内产生的热量为tIimsinTdQQ0RdtiT02tdtRITm202sindttRITm02)2cos1(21dttRIRTITmm0222cos2121RTIm221 设有直流电流设有直流电流I在在T时间内产生热量时间内产生热量QRTIQ26正弦交流电 在一根据定义,要求根据定义,要求QQ称称I为该交流电流的有效值。为该交流电流的有效值。mII21RTIRTIm2221即即同样方法可以得到同样方法可以得到mUU21mEE217根据定义,要求称I 为该交
5、流电流的有效值。即同样方法可以得到7例例1:一只普通电压表测:一只普通电压表测60赫兹的交流电,读数为赫兹的交流电,读数为120v,则电压的瞬时值表达式为?则电压的瞬时值表达式为?ttUum120sin2120sin例例2:ti05-5有效值大小为?有效值大小为?I=5A8例1:一只普通电压表测6 0 赫兹的交流电,读数为1 2 0 v,则电iu同频率的正弦量同频率的正弦量),sin(umtUu)sin(imtIi三、相位和相位差三、相位和相位差正弦交流电的状态正弦交流电的状态iuttiu相位差相位差 相位:相位:ut)sin(umtUu如如:tiuiu在相位上,电压比电流超前或电在相位上,电
6、压比电流超前或电流比电压落后流比电压落后9同频率的正弦量三、相位和相位差正弦交流电的状态相位差 0,iutui0180tiub电压和电流变化步调一致,同电压和电流变化步调一致,同时到达正或负的辐值,称电压时到达正或负的辐值,称电压电流电流同相位同相位。电压和电流变化步调恰好相反,电压和电流变化步调恰好相反,一个到达正的最大值,另一个恰一个到达正的最大值,另一个恰好到达负的最大值,称电压和电好到达负的最大值,称电压和电流流反相位反相位。10u i i u b 电压和电流变化步调一致,同时到达正或负的辐值,称电正弦量的正弦量的有效值有效值(最大值)、(最大值)、频率频率(周期)和(周期)和初相位初
7、相位称称为正弦量的三要素。为正弦量的三要素。写出正弦交流量的辐值写出正弦交流量的辐值(最大值)、有效值及最大值)、有效值及t=10s时时的瞬时值。的瞬时值。)30100sin(2220tu例:已知例:已知(,))(220 v)(2110v)(2220v11正弦量的有效值(最大值)、频率(周期)和初相位称为正弦量的三第二节第二节 正弦交流量表示正弦交流量表示一、正弦交流电的一、正弦交流电的矢量图解法矢量图解法1、旋转矢量、旋转矢量A)sin(tAam)cos(tAxm)sin(tAym与正弦交流量形式相同与正弦交流量形式相同则在任意则在任意t时刻都满足:时刻都满足:AmAxytaA12第二节 正
8、弦交流量表示一、正弦交流电的矢量图解法1、旋转矢umUxymU常用相量常用相量 表示表示U如正弦量如正弦量),sin(umtUu相量大小为相量大小为U Um m,角频率为角频率为u为初相位。为初相位。基于矢量与正弦量间的联系,我们可以借助这个矢量表基于矢量与正弦量间的联系,我们可以借助这个矢量表示正弦交流电,为区别一般的矢量,习惯上称之为相量,表示正弦交流电,为区别一般的矢量,习惯上称之为相量,表示为:示为:A13x y 常用相量 表示如正弦量相量大小为U m,角频率为平行四边形法则平行四边形法则2、运算、运算3、注意:、注意:交流量与相量之间只是交流量与相量之间只是对应对应关系,不是相等;关
9、系,不是相等;相量是方便问题的求解的工具。相量是方便问题的求解的工具。14平行四边形法则2、运算3、注意:交流量与相量之间只是例例:已知两交流电已知两交流电)()(AtiAti)30sin(3,)45sin(521求:求:21iii(1)作相量)作相量 和和mI2mI1(2)相量相加)相量相加作平行四边形作平行四边形mImI1mI2xy15例:已知两交流电求:(1)作相量 和(2)相量)(13.630cos45cos21AIIImmmx)(04.230sin45sin21AIIImmmy)(46.622AIIImymxm4218arctanmxmyII)(4218sin(46.6Ati(3)求
10、解)求解mI1mI2xymI16(3)求解x y 1 6二、正弦量的二、正弦量的复数复数表示表示1、复数的表示形式、复数的表示形式(1)复数的代数表示)复数的代数表示jyxA(2)复数的三角函数式)复数的三角函数式 cosAxsinAy,sincosAjAAAA其中其中A1j(x,y)虚部单位虚部单位实部实部虚部系数虚部系数17二、正弦量的复数表示1、复数的表示形式(1)复数的代数表示(3)指数表示法)指数表示法根据欧拉公式根据欧拉公式 jeejj2sin2cosjjee,jjjjjAejeejAeeA22sincosAjAA18(3)指数表示法根据欧拉公式 1 82、用复数表示正弦量、用复数
11、表示正弦量 如:正弦量如:正弦量)sin(tUum)(tjmmeUU)(tjUeU)sin(costjUtUU)(可用复数表示为可用复数表示为或或sincosAjAA根据:)sin(costjUtUUmmm)(192、用复数表示正弦量 如:正弦量可用复数表示为或1 9(1 1)正弦量与复数之间只是对应关系,绝非相)正弦量与复数之间只是对应关系,绝非相等。等。(2 2)表示时可以用有效值也可以用最大值来表示,)表示时可以用有效值也可以用最大值来表示,但要对应。但要对应。(3 3)运算过程中可以略去)运算过程中可以略去 因子。因子。t3、运算、运算复数运算规则复数运算规则注意:注意:20(1)正弦
12、量与复数之间只是对应关系,绝非相等。(2)表示时可第三节第三节 交流电路的欧姆定律交流电路的欧姆定律 设正弦电压和正弦电流分别为设正弦电压和正弦电流分别为)sin(),sin(imumtIitUu)(utjmmeUUu)(itjmmeIIi应用复数表示应用复数表示定义复数定义复数 :Z)()(iutjmtjmmmeIeUIUZjjmmZeeIUiu)(21第三节 交流电路的欧姆定律 设正弦电压和正弦电流分别为应用复阻抗复阻抗 是复数的模,是复数的模,Z(2)(2)不随时间变化,不与任何正弦量对应。不随时间变化,不与任何正弦量对应。(1)(1)复阻抗复阻抗 呈现了电压与电流间的相位差。呈现了电压
13、与电流间的相位差。jZeZ 为辐角。为辐角。iu复数形式的交流电路的欧姆定律。复数形式的交流电路的欧姆定律。IUIUZmmjZeZ 22复阻抗 是复数的模,(2)不随时间变化,不与任何正弦量解:解:用复数形式表示已知电压和电流用复数形式表示已知电压和电流例例7-9 :已知负载电压已知负载电压 ,电流电流 求负载阻抗求负载阻抗 。)(120160vjU)(3224(AjIZ37200120160jejU5340jeI)(5540200905337jeeeIUZjjj根据交流电路欧姆定律求解根据交流电路欧姆定律求解23解:用复数形式表示已知电压和电流例7-9 :已知负载电压 第四节第四节 电阻、电
14、感、电容单一参数电阻、电感、电容单一参数 的正弦交流电路的正弦交流电路 一、一、纯电阻纯电阻元件的正弦电路元件的正弦电路 所谓纯电阻电路是指该交流电路中所谓纯电阻电路是指该交流电路中只含有电阻元件。只含有电阻元件。tUumsin可见纯电阻上的可见纯电阻上的电流与电压同相位电流与电压同相位tItRURuimmsinsin 用复数法表示:用复数法表示:,0jmmeUU0jmmeIIReIUIUZjmmmm024第四节 电阻、电感、电容单一参数 一、纯电阻元二、纯电感元件的正弦电路二、纯电感元件的正弦电路只含电感元件的电只含电感元件的电路路tIimsinmLmULXI=dtdiLu dttIdLm)
15、sin(90LIUmm)sin(tUum感抗感抗tLImcos)90sin(tLIm25二、纯电感元件的正弦电路只含电感元件的电路感抗2 5(1 1)纯电感电路中,电感两端的电压比电流超前)纯电感电路中,电感两端的电压比电流超前9090。当当f=0f=0时感抗时感抗 ,直流短路。,直流短路。0LX(2 2)感抗正比于交变频率)感抗正比于交变频率f f,fLLXL2用复数表示用复数表示0jmmeII 90jmmeUULjjXeIUeIeUIUZLjjmjmmm90090复感抗复感抗26(1)纯电感电路中,电感两端的电压比电流超前9 0。当f=0 时三、纯电容元件的正弦电路三、纯电容元件的正弦电路
16、 dtduCidttUdCm)sin()90sin(tImmmU C costU C sin(t)=+90CUImmCIUmm1定义容抗定义容抗 fCCXC211tUumsin27三、纯电容元件的正弦电路 定义容抗 2 7(1 1)电容元件两端电压比电流滞后)电容元件两端电压比电流滞后90900 0f增加,增加,减小,通高频减小,通高频.CXCXf,0开路,阻低频;开路,阻低频;复数表示复数表示0jmmeUU90jmmeIICjjXeIUIUIUZCjmmmm190-复容抗复容抗 (2 2)容抗反比于频率)容抗反比于频率 ,fCCXC21128(1)电容元件两端电压比电流滞后9 0 0 增加,
17、减小,通高频ui2i3i1Z1Z2Z3练练7-8:已知已知muUsin(t),=+30miIsin(t),=-1160miIsin(t),=+2230miIsin(t).=+33120试判别各支路是什么元件试判别各支路是什么元件?Z1是电感是电感Z2是电阻是电阻Z3是电容是电容29练7-8:已知试判别各支路是什么元件?Z 1 是电感Z 2 是电阻Z第五节第五节 R、L 、C 串联正弦电路串联正弦电路一、串联电路分析一、串联电路分析R R、L L、C C串联电路中通入电流串联电路中通入电流 tIimsin则则R R、L L、C C各元件两端电压分别为各元件两端电压分别为RuLuCuuitRIum
18、Rsin)90sin(tXIuLmL)90sin(tXIuCmC30第五节 R、L 、C 串联正弦电路一、)sin(tUuuuumCLR?mU?设设LUCLUUCURUU1、相量表示、相量表示22221()()mRmLmCmmUUUUIRLC22)(CLmmXXRIUZRCLUUURCL1arctanarctan31设1、相量表示3 12、复数表示、复数表示CLRUUUUCLjXIjXIRI)(CLXXjRIjCLZeXXjRIUZ)(,)(22CLXXRZZRXXCL arctan可见,复阻抗反映了阻抗大小及电压与电流之间的相位差可见,复阻抗反映了阻抗大小及电压与电流之间的相位差,通常电压与
19、电流间有相位差。通常电压与电流间有相位差。322、复数表示可见,复阻抗反映了阻抗大小及电压与电流之间的相位解解:30,R 40,LXL180CXC例例7.6 RLC串联电路中,已知串联电路中,已知:127,LmH40CF220 2sin(31420)utvCLRuuu,30,R 请计算电路中电流及各元件上的电压请计算电路中电流及各元件上的电压:33解:例7.6 R L C 串联电路中,已知:请计算电路中电流及各22()50LCZRXX220 24.4 26.250mmUIAAZ40arctanarctan5330LCXXR 186sin(31473)()RuiRtv248sin(3147390
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