《电路》课件第 4 章 正弦稳态电路分析.ppt
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1、1第第4 4章章 正弦稳态电路的分析正弦稳态电路的分析4.1 4.1 单一元件的正弦交流电路单一元件的正弦交流电路4.2 4.2 阻抗的串联和并联阻抗的串联和并联4.3 4.3 谐振电路谐振电路4.4 4.4 正弦交流电路中的功率正弦交流电路中的功率 重要知识点重要知识点 本章小结本章小结2本章要点本章要点1.1.单一元件的正弦交流电路。单一元件的正弦交流电路。2.2.电阻、电感、与电容元件的串联电路。电阻、电感、与电容元件的串联电路。3.3.阻抗的串联和并联。阻抗的串联和并联。4.4.正弦电路的谐振。正弦电路的谐振。5.5.正弦交流电路的功率。正弦交流电路的功率。本章重点难点本章重点难点1.
2、1.正弦交流电路的相量计算方法。正弦交流电路的相量计算方法。2.2.正弦交流电路谐振的条件与参数的计算。正弦交流电路谐振的条件与参数的计算。3.3.正弦交流电路功率的计算。正弦交流电路功率的计算。返回返回4.1 4.1 单一元件的正弦交流电路单一元件的正弦交流电路34.1.1 4.1.1 纯电阻电路纯电阻电路1 1电压和电流的关系电压和电流的关系 图图4-1 4-1 纯电阻电路纯电阻电路则则tItRURtutisinsin)()(mm假设假设tUtusin)(m返回返回tItitUtumm sin)(sin)(1.频率相同频率相同2.相位相同相位相同3.有效值关系有效值关系:IRU4.相量关系
3、相量关系:设设0UUUI 0RUI 则则 RIU1 1电压和电流的关系电压和电流的关系4图图4-3 4-3 纯电阻电路电压、电流的波形纯电阻电路电压、电流的波形 电阻上电压和电流的波形如图电阻上电压和电流的波形如图4-3所示。所示。5(1)瞬时功率瞬时功率 p:瞬时电压与瞬时电流的乘积瞬时电压与瞬时电流的乘积小写小写2 2电阻元件的功率电阻元件的功率tIUuipp2mmRsin22cos1mmtIU)2cos1(tUI1.(耗能元件)(耗能元件)0p2.随时间变化随时间变化且频率加倍。且频率加倍。p22iu、3.与与 成比例成比例p结论:结论:6TdtpTP01(2)平均功率(有功功率)平均功
4、率(有功功率)P P:瞬时功率在瞬时功率在一个一个周期内的平均值周期内的平均值 ,用大写,用大写P P表示表示 TdttUIT0)2cos1(1大写大写IUPTdttUIT02sin21 U、I均为均为有效值有效值TdtiuT01UI7【例例4-1】一个标称值为一个标称值为“220V,25W”的电烙铁,它的电烙铁,它的端电压的端电压 ,试求其电流,并计,试求其电流,并计算它使用算它使用10小时所耗电能的度数小时所耗电能的度数。220 2sin 10030Vut解解:电流的有效值为电流的有效值为 25W0.12A220VPIU因所加电压即为额定电压,功率为因所加电压即为额定电压,功率为25W,所
5、以,所以10小时所耗电能为小时所耗电能为0.25h0.25kWhW1025W度度8dtdiLu 由基本由基本关系式关系式:iuL设设tIimsindtdiLu 则则tLIcosm)90sin(mtLI)90sin(mtU4.1.2 4.1.2 纯电感电路纯电感电路1电压和电流的关系电压和电流的关系图图4-4 纯电感电路纯电感电路 9(1)频率相同频率相同 (2)相位相差相位相差 90(u 领先领先 i 90))90sin(tUumtIimsiniut901 1电压和电流的关系电压和电流的关系图图4-5 电压、电流的波形电压、电流的波形 102感抗的概念感抗的概念 感抗感抗()fLLXL2定义:
6、定义:)90sin()90sin(tUtLIumm当当的单位为的单位为rad/s,L的单位为的单位为H,XL的单位为的单位为。线圈的作用:线圈的作用:“直流畅通,高频受阻直流畅通,高频受阻”。11UI4.相量关系相量关系用相量表示电压与电流的关系为用相量表示电压与电流的关系为ILIXUjjL电压和电流的相量图如图电压和电流的相量图如图4-6所示。所示。图图4-6 电感电压、电流的相量图电感电压、电流的相量图 12)90sin(sintUutIimm tUIttUIuip2sincossin2(1)瞬时功率瞬时功率 p iuL3 3功率功率结论结论:瞬时功率是一个以瞬时功率是一个以UI为幅值、以
7、为幅值、以2为角频为角频率的随时间变化的正弦量。率的随时间变化的正弦量。13储存储存能量能量P 0P 0tuit14(2)平均功率平均功率 P (有功功率)(有功功率)0)2(sin1100dttIUTdtpTPTT结论:结论:纯电感不消耗能量纯电感不消耗能量,只和电源进行能量,只和电源进行能量 交换(能量的吞吐)。交换(能量的吞吐)。tUIuip2sin15(3)无功功率无功功率 QLLXUXIIUQ22Q 的单位:乏、千乏的单位:乏、千乏 (var(var、kvar)kvar)Q 的定义:电感元件上电压的有效值和电流的有的定义:电感元件上电压的有效值和电流的有效值的乘积叫做电感元件的无功功
8、率。效值的乘积叫做电感元件的无功功率。结论结论(1 1)QL0,表明电感元件是接受无功功率的。表明电感元件是接受无功功率的。(2)无功功率不能理解为无用功率,它是衡量储能元无功功率不能理解为无用功率,它是衡量储能元件和外部电路件和外部电路交换能量交换能量的能力。的能力。16【例例4-2】把一个把一个0.2H的电感元件接到频率为的电感元件接到频率为10Hz,电压,电压有效值为有效值为50V的正弦电压源上,问电流为多少?如保持的正弦电压源上,问电流为多少?如保持电压不变,而频率调节为电压不变,而频率调节为1000Hz,此时电流变为多少?,此时电流变为多少?解解 当当f=10Hz 时,感抗为时,感抗
9、为56.122.01014.322LfLX电流为电流为A98.3A56.1250LXUI12562.0100014.322LfLXA0398.0A125650LXUI当当f=1000Hz 时,感抗为时,感抗为电流为电流为结论:电压一定时,频率越高,通过电感元件的电结论:电压一定时,频率越高,通过电感元件的电流越小。流越小。17由基本关系式由基本关系式:dtduCi 设设:tUum sinuiCdtduCi 则:则:tCUm cos)90sin(tCUm 4.1.3 4.1.3 纯电容电路纯电容电路1元件的电压和电流关系元件的电压和电流关系 18 1.频率相同频率相同2.相位相差相位相差 90
10、(u 落后落后 i 90))90sin(tCUim tUum siniut901 1元件的电压和电流关系元件的电压和电流关系 19有效值有效值或或CUI ICU1 容抗容抗()CXC1定义:定义:)90sin(2tCUitUusin2CXIU 则:则:I当当的单位为的单位为rad/s,C的单位为的单位为F时,时,XC的单的单位为位为。2容抗的概念20 4.相量关系相量关系IXCIUCjj其中含有幅度和相位信息其中含有幅度和相位信息I领先领先!电容电路中复数形电容电路中复数形式的欧姆定律式的欧姆定律21ICUUUui)90sin(2sin2tUutIitIUuip2sin(1)瞬时功率瞬时功率
11、p3 3功率功率22tIUuip2sin充电充电p放电放电放电放电P 0储存储存能量能量uiuiuiuiiut23TTtIUTdtPTP0002sin11(2)平均功率平均功率 PtIUuip2sin243.无功功率无功功率为了表示能量交换的规模大小,将电容瞬时功率的最为了表示能量交换的规模大小,将电容瞬时功率的最大值定义为电容的大值定义为电容的无功功率无功功率,或称容性无功功率,用,或称容性无功功率,用QC表示,通常将电容的无功功率定义为负值,即表示,通常将电容的无功功率定义为负值,即 C2C2CXUXIUIQ25)451000sin(2220tu10101001000116CCXV4522
12、0CUA4522901045220jCCCXUIA)451000sin(222Cti0CPvar484022220CCCIUQ【例例4-3】电容电容C=100F,接于,接于 V的电源上。求的电源上。求(1)流过电容的电流流过电容的电流iC。(2)电容元件电容元件的有功功率的有功功率PC和无功功率和无功功率QC。解 (1)(2)所以所以26)90sin()1(2)90sin()(2sin2tCItLItIRutIisin2若若则则CLRuuuu4.2.1 RLC串联交流电路串联交流电路uRLCRuLuCui4.2 4.2 阻抗的串联和并联阻抗的串联和并联1电压和电流的关系27返回返回CLCLXX
13、jRIjXIjXIRIU总电压与总电流总电压与总电流的关系式的关系式CLRUUUU相量方程式:相量方程式:则则CCLLRjXIUjXIURIU 相量模型相量模型RLCRULUCUIU0II设设(参考相量)(参考相量)2 2电路中的阻抗及相量图电路中的阻抗及相量图28先画出参先画出参考相量考相量CUULUICLXXjRIU相量表达式:相量表达式:RUCLUURLCRULUCUIU电压电压三角形三角形29R-L-CR-L-C串联电路相量图串联电路相量图Z:复数阻抗:复数阻抗实部为阻实部为阻虚部为抗虚部为抗容抗容抗感抗感抗CLXXjRIUCLXXjRZ令令则则ZIU复数形式的复数形式的欧姆定律欧姆定
14、律RLCRULUCUIU电路中的阻抗电路中的阻抗30iuiuIUZIUIUZZIU由复数形式的欧姆定律由复数形式的欧姆定律可得:可得:结论:结论:的模为电路总电压和总电流有效值之比,的模为电路总电压和总电流有效值之比,而而的幅角则为总电压和总电流的相位差的幅角则为总电压和总电流的相位差。iuIUZ(1)Z 和总电流、总电压的关系和总电流、总电压的关系31关于复数阻抗关于复数阻抗 Z Z 的讨论的讨论(2)Z 和电路性质的关系和电路性质的关系CLXXjRZZ一定时电一定时电路性质由参路性质由参数决定数决定 RXXtgCLiu1当当 时时,表示表示 u 领先领先 i 电路呈感性电路呈感性CLXX
15、0CLXX 0当当 时,时,表示表示 u、i同相同相 电路呈电阻性电路呈电阻性CLXX 0当当 时时,表示表示 u 落后落后 i 电路呈容性电路呈容性阻抗角阻抗角32(3)阻抗(阻抗(Z)三角形)三角形阻抗阻抗三角形三角形ZRCLXXXRXXtgXXRZCLCL122)(ZXXjRZCL)(33(4)阻抗三角形和电压三角形的关系阻抗三角形和电压三角形的关系电压三电压三角形角形阻抗三阻抗三角形角形相相似似CLCLRXXjRIUUUUCLXXjRZZRCLXXXCURUULUCLUUI34【例例4-4】有一有一RLC串联电路串联电路,其中其中R=30,L=382mH,C=39.8F,外加电压,外加
16、电压 V,试求,试求(1)复阻抗复阻抗Z,并确定电路的性质。,并确定电路的性质。(2)(3)绘出相量图。)绘出相量图。)60314sin(2220tuCLRUUUI、解解 (1))1(j)(jCLCLRXXRZ1.535040j30)80120(j30)8.3931410382.0314(j306 0,所以电路呈感性。,所以电路呈感性。A9.64.41.535060220ZUI(2)35901209.64.4jV9.6132309.64.4LLRXIURIUV9.9652890809.64.4jCCXIUV1.83352(3)相量图)相量图364.2.2 4.2.2 阻抗的串联阻抗的串联21Z
17、ZZ等效阻抗等效阻抗ZIZZIUUU)(2121阻抗的串联和并联的计算,在形式上与电阻的串联和阻抗的串联和并联的计算,在形式上与电阻的串联和并联相似。并联相似。37串联阻抗的分压公式串联阻抗的分压公式 推广:推广:N N个阻抗串联时个阻抗串联时 4.2.2 4.2.2 阻抗的串联阻抗的串联UZZZU2111UZZZU2122nZZZZ 21nUUUU 21ZI注意:注意:nZZZZ21nUUUU21(阻抗模之和)(阻抗模之和)(各电压有效值之和)(各电压有效值之和)38【例例4-5】如图(如图(a)所示电路,)所示电路,它们串接在它们串接在 的电源上,试计算电路中的电流和的电源上,试计算电路中
18、的电流和各阻抗上的电压。各阻抗上的电压。解解 由于阻抗串联,有由于阻抗串联,有)9 j6(1Z)4 j66.2(2ZV30220U)4 j66.29 j6(21ZZZ)5 j66.8(3010A22A301030220ZUI各阻抗上的电压分别为各阻抗上的电压分别为所以所以V3.5697.237V)9 j6(2211 ZIUV4.5668.105V)4 j66.2(2222 ZIU39Z1Z2I2IiU1IYUYYUI)(21Y1、Y2 -导纳导纳)(21212111ZZUZUZUIIIY1Y24.2.3 4.2.3 阻抗的并联阻抗的并联40导纳的概念导纳的概念jXRZ设设:22222211XR
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