电工学简明教程第三版第2章

高 等 教 育 出 版 社 高等教育电子音像出版社
第2章
2.1 2.2 2.3 2.4
正弦交流电路

正弦电压与电流 正弦量的相量表示法 单一参数的交流电路 电阻、电感与电容元件串联的交流电路
2.5
2.6 2.7 2.8 2.9
阻抗的串联与并联
电路中的谐振 功率因数的提高 三相电路 非正弦周期电压和电流
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2.1.3 初相位
u i u i
u Umsin( t 1 )
i Im sin( t 2 )
t
0
2
1
i
同频率正弦量的相位角之差或 是初相角之差，称为相位差，用 表示。 u 和 i 的相位差为
( t 1 ) ( t 2 ) 1 2
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[例 1] 若已知 i1 = I1msin(t + 1) = 100sin(t + 45) A、 i2 = I2msin(t + 2) = 60 sin(t 30) A ，求 i = i1 + i2。 [解] 正弦电量的运算可按下列步骤进行，首先把
正弦电量 (时间函 数) 所求 正弦 量 变换
i Im sin( t )
上式中
的相量式为 (有效值相量)
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I I (cos jsin ) Iej I
j 1
按照正弦量的大小和相位关系画出的若干个相量 的图形，称为相量图。
[例]
若 i1= I1msin(t + i1) i2 = I2msin(t + i2)， 画相量图。
电感不消耗功率，它是储能元件。
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2.3.3 电容元件的交流电路
设在电容元件的交流电路中，电压、电流取关联参考方向。 (1) 电压电流关系
i
+ u C
设
由 有
u U m sin t
iC
i = CUmcost = Imsin(t + 90)
j
• I2m
i2
O
设 i1= 65，i1 = 30。
i1
相 • 量 I1m 图 1
注意
只有正弦周期量才能用相量表示； 只有同频率的正弦量才能画在同一相量图上；
相量是表示正弦交流电的复数，正弦交流电是 时间的函数，两者之间并不相等。
想一想，正弦量有哪几种表示方法，它们各适 合在什么场合应用？ 高 等 教 育 出 版 社
例如:
t = 0 时，
i
i Im sin t
i0 0
i Im sin( t ) i0 Im sin 不等于零
i
O
t
O
t
t 和 (t + ) 称为正弦量的相位角或相位。它表明正弦量
的进程。 t = 0 时的相位角称为初相位角或初相位。 若所取计时时刻不同，则正弦量初相位不同。
i i
U, I
O u i
t
+
O

t
实 际 方 向

+
–
u
R
+

–
u
R
表征正弦量的三要素有 幅值 频率 初相位
正半周
负半周
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2.1.1 频率与周期
周期 T：正弦量变化一周所需要的时间；
频率 f：正弦量每秒内变化的次数； I m 1 f T
0 –Im i 2 t T/2 Ｔ t T
–
则
u Ri RIm sin t Um sin t
Um U R Im I
式中 U m RIm 或
可见，R 等于电压与电流有效值或最大值之比。
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2.3.1 电阻元件的交流电路
(1) 电压电流关系
i Im sin t
平均功率
P=0 t 2 0 – – U 2 无功功率 Q UI X L I XL 当 u、 I 实际方向相同时(i 增长)p > 0 ，电感吸收功率； 电感与电源之间能量交换的规模称为无功功率。其值为瞬 当 u、 I 实际方向相反时 ( i 减小)p < 0，电感提供功率。 时功率的最大值，单位为 (var) 乏。
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2.3 单一参数的交流电路
电路分析是确定电路中电压与电流关系及能量的转换问题。
2.3.1 电阻元件的交流电路
设在电阻元件的交流电路中，电压、电流参考方向如图所示。
i + u R
(1) 电压电流关系 根据欧姆定律 设
u iR
i Im sin t
瞬时值是交流电任一时刻的值。 用小写字母表示。如 i、u、e 分别表 示电流、电压、电动势的瞬时值。 最大值是交流电的幅值。用大写字 母加下标表示。如 Im、Um、Em。 有效值与交流热效应相等的直流定 义为交流电的有效值。 根据上述定义，有 得
i Im 0 –Im 2 t T/2 Ｔ t
i Im sin( t i )
u
O
p i
t
i Im sin t u Um sin t
瞬时功率
p ui UI (1 cos 2 t)
P=UI
O
t
平均功率
转换成的热能
1 P T
W Pt
U2 2 p d t UI I R 0 R
T
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2.3.2 电感元件的交流电路
当电流为正弦量时:

T 0
Ri 2dt RI 2T
Im I 2
同理可得
1 T 2 I i dt 0 T
Um U 2
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Em E 2
2.1.3 初相位
正弦量所取计时起点不同，其初始值(t = 0 时的值)及 到达幅值或某一特定值所需时间就不同。
2 2f 角频率 : T
［例］我国和大多数国家的电力标准频率是 50 Hz，试求其 周期和角频率。 ［解］
1 T 0.02 s f
= 2f = 2 3.14 50 rad/s = 314 rad/s
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2.1.2 幅值与有效值
u
相量图 +j
•
i O
U
t
O
I
•
电压超前电流 90 电压与电流大小关系
+1
电压与电流相量式
U = IXL jI X L U
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(2) 功率
i + u – L
波 形 图 u i
0
p + +
t
i Im sin t u U m sin( t 90 ) 瞬时功率 p ui UI sin 2t
O XL与 f 的关系
XL = L
f
感抗与频率 f 和 L 成正比。因此， 电感线圈对高频电流的阻碍作用很大， 而对直流可视为短路。
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2.3.2 电感元件的交流电路
(1) 电压电流关系 i + u – L
波 形 图
i I msin t
u U m sin( t 90 )
相量图
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(2) 功率
+ u –
i C
波 形 图 O p + O
i
u

t
u U m sin t
i Im sin( t 90)
瞬时功率 p ui UI sin 2 t 平均功率 P=0
+
–
–
t
无功功率
Q UI X C I 2
本章还将讨论三相交流电路和非正弦周期电压和电流。 交流电路具有用直流电路的概念无法理解和无法分析 的物理现象，因此在学习时注意建立交流的概念，以免引
起错误。
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2.1 正弦电压与电流
直流电路在稳定状态下电流、电压的 大小和方向是不随时间变化的，如右上图 所示。 正弦电压和电流是按正弦规律周期性 变化的，其波形如右下图所示。 电路图上所标的方向是指它们的参考 方向，即代表正半周的方向。 负半周时，由于参考方向与实际方向相 反，所以为负值。
2.3.3 电容元件的交流电路
(1) 电压电流关系
i + u – 波 形 图 C i u +j • I
u U m sin t
i Im sin( t 90)
O
t
O • U +1
电流超前电压 90 电压与电流大小关系 U = IXC jI X C 电压与电流相量式 U
当u 、 i 实际方向相同时(u 增长)p > 0，电容吸收功率； 电容与电源之间能量交换的规模称为无功功率。其值 为瞬时功率的最大值，单位为 (减小 var)) 乏。 当 u、 i 实际方向相反时(u p < 0，电容提供功率。
电容不消耗功率，它是储能元件。
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du dt
–
XC
XC 1 2 fC
1 Im X C 式中 U m Im C 容抗 X 1 C C
O XC 与 f 的关系