电路基础3第4章 正弦交流电路

第4章 正弦交流电路
章前絮语
麦金西：时间是世界上一切成就的土壤。 时间给空想者痛苦，给创造者幸福。
高尔基：必须记住我们学习的时间是有限 的。时间有限，不只是由于人生短促，更由 于人事纷繁。我们应该力求把我们所有的时 间用去做最有益的事情。
老师说：珍惜时间可以使 生命变得更有价值。 这里要讲的是正弦交流电路。尼亚加拉水力发电站
称 u 与 i 同相；
u u,i
i
▪ 若 u i 180 ,
称 u 与 i 反相；
u,i u i
o
t
o
t
波形图
两个正弦信号的相位关系
▪ 若 u i



2
，
称
u与
i 正交。
u,i
u i
o
t

波形图
例4-1 照明电源的额定电压为220V,动力电源的额 定电压为380V,问它们的最大值各为多少?
模
幅角
▪ 极坐标形式 A r
在电路分析时常用代数形式、极坐标形式
a 表示实部，b 表示虚部，r 表示复数的模， 表
示复数的幅角，它们之间的关系如下：
A a jb
r a2 b2
arctanb
a
a r cos
A r
b r sin
代数形式和极坐标形式间的互换公式
2.复数的运算
运算复习
（1）复数的加减运算
设: A1 a1 jb1 r11 A2 a2 jb2 r2 2
则 A1 A2 (a1 a2 ) j(b1 b2 )
（2）复数的乘除运算
设: A1 r11 A2 r22
则 A1 A2 r1 r21 2
附加题电路图
而 U1 100V 10V U2 1690 16 jV
则有 U 3 U1 U 2
10 16 j
18.8757.99V
所以 u3 18.87 2 sin(t 57.99)V
注意 ：
1. 只有正弦量才能用相量表示，非正弦量不可以。
L
2.纯电感电路的电压、电流关系
i
设: i I 2 sin(t i )
u L di dt
u
L
则 u L d [I 2 sin(t i )]
dt
LI 2 cos(t i )
LI 2 sin(t i +90?° ) I I i
2. 只有同频率的正弦量才能画在一张相量图上， 不同频率不行。
3. 在符号使用上要遵循规定： 瞬时值 --- 小写u、i
有效值 --- 大写U、I
最大值 --- 大写+下标 U m、I m
相量 --- 大写 + 点 U、I
小结: 1. 正弦量的三要素可以唯一确定一个正弦量。
2. 同频率的正弦量可以比较相位差。
A1 A2

r1 r2
1 2
相量表示法：用复数表示正弦交流电的方法。
相量的表达：
பைடு நூலகம்
模用有效值时, I I

相量图
模用最大值时, Im Im
相量
如: i1 I1m sin(t 1) I1 2 sin(t 1)
I1m 或 I1
i2 I2m sin(t 2) I2 2 sin(t 2)
T0
T0
平均功率计算式 P UI RI 2 U 2
R
附加题 一个标称值为“220V,75W”的电烙铁， 它的电压为 ，试求它的电流和功率，并计算它 使用20小时所耗电能的度数。
解: 电流的有效值为
I P 75 0.34A U 220
因所加电压即为额定电压，功率为75W，
所以 20小时所耗电能为
解: 额定电压均为有效值,据 Um 2U
故照明电的最大值为
U m = 2 ×220=311V
动力电的最大值为
U m = 2 ×380=537V
例4-2 一正弦交流电，最大值为311V，t=0时的瞬 时值为269V，频率为50Hz，写出其解析式。
解: 设正弦电压的解析式为 u U m sin(t )
1.掌握单一元件的电压电流关系。 2.深刻理解有功功率和无功功率的概念。 教学重点和难点: 重点：单一元件的电压电流关系和相量形式。 难点：电阻R、电感L、电容C元件电压电流关 系的分析。
4-2 单一参数正弦交流电路
一、纯电阻电路
i
1.电压与电流关系
u
R
u Ri
设: i I 2 sin(t i ) I I i U U u
U 2
100
2
3
V
I1

50
6
A
U 2
相量图
正弦量的和的相量，等于正 ▪同频率正弦量的运算 弦量的相量和。
例4-5 已知 i1 3 2 sin(t 20 )A
i2 5 2 sin(t 70 )A
若：i i1 i2 求：I ? i ?
p u, i p
p ui
P
I 2 sintU 2 sint
Pm=UmIm u
P=Pm/2=UI
2UI sin 2t
0
i
t
UI UI cos 2t
T
T
▪ 平均功率
2
2
瞬时功率在一个周期内的平均值，称为平均功率，即
P 1 T p(t) dt 1 T (UI UI cos2t)dt UI
W=75×20=1500W=1.5KWh=1.5 度
二、纯电感电路
1.电感的概念
磁链
定义: L N L
ii 根据电磁感应定律
磁链单位为韦伯（Wb） 电流单位为安培（A） 电感单位为亨利（H）

u L di dt
电感两端的电压与通过该电 感中电流的变化率成正比。
uN +
i
ψL=N
▪频率 f：每秒变化的次数 单位：赫兹(Hz) ... ▪角频率ω ：每秒变化的弧度 单位：弧度/秒(rad/s)
三者间的关系: f 1 T
2 2 f
T
关于单位：
★国际单位制（SI）中，周期的单位为秒（s）； 频率的单位为1／秒，又称为赫兹（Hz）； 角频率的单位为弧度/秒(rad/s)。
因为 ω=2πf =2π×50=314 rad/s 又已知t =0时， u（0）=269V 和Um=311V 即 269=311sinψ， sinψ=0.866 所以 ψ=60°或ψ=120°
故解析式为 u 311sin( 314t 60 )V
或 u 311sin( 314t 120 )V
： 初相
1.幅值、有效值与平均值 Im
t
▪幅值：交流电的最大瞬时值称为最大值或幅值，如Im
▪有效值：定义:
热效应相等 推出:
T i2R dt I 2RT 0
I 1 T i2dt
T0
交流
直流
当 i Im sin t 时，可得
I

Im 2
0.707 Im
最大值与有效值关系
二、正弦量的相量表示法
▪ 解析式 i Im sint i
i
▪ 波形图
t
▪ 相量
重点
因前两种不便于运算，所以引出相量表示法。
一、复数及其运算
1.复数的四种表示形式 实部
概念复习
虚部
▪ 代数形式 A a jb
▪ 三角形式 A r cos jr sin
▪ 指数形式 A re j
则 u Ri RI 2 sin(t i ) U 2 sin(t u )
比较u、i：频率相同、相位相同、有效值关系 U=RI ▪ 得相量关系 U RI
ui u
i
0
i +u-
t
I
相量图
U
T
T
2
2
电阻元件的关联参考方向、波形图和相量图
2.纯电阻电路的功率 ▪ 瞬时功率
3. 几个重要关系
f 1 T
2 2 f T
Im 2I
4.正弦量可以用解析式（瞬时值）、波形图、相量、
相量图四种表达方式。对于同频率的正弦量用相量
表示后可以应用复数计算方法对其进行计算。
4-2 单一参数正弦交流电路
教学内容: 电阻R、电感L、电容C元件的电压电流关系，
元件的功率和能量，电感、电容的连接。 教学要求:
教学重点和难点: 重点：正弦量的三要素、相位差和有效值概念；
角频率与频率的关系、有效值与最大值的关系。 难点：有效值、相量概念的理解。
4-1 正弦交流电的表示方法
一、正弦交流电的瞬时值表示
i Im sin t
i 波形图 I m
t

特征量:
I m ： 电流幅值（最大值）
： 角频率（弧度/秒）
例 4-3
已知二正弦电压
u1 141 sin(314t 90)V u2 311 sin(314t 150 )V
求二者的相位差，并指出二者的关系。
解: 相位差 12=- 90°-150°= -240° 由于 12 180 ，故 12=-240 °+360 °=120°
所以u 1 比u 2 超前120°。 注意：当两个同频率正弦量的计时起点改变时， 它们的初相跟着改变，初始值也改变，但是两者 的相位差保持不变。即相位差与计时起点的选择 无关。习惯上，相位差的绝对值规定不超过π。
▪平均值：正弦量的平均值是绝对平均值而不是数学 平均值，由数学推导可以得到