基于matlab的正弦稳态电路功率的分析

【正文】

1.前言

在电工和无线电技术等领域中存在着许多周期性的正弦、非正弦电压、电流（或信号）。对于非正弦电压、电流（或信号），可利用傅里叶变换，将周期性时间函数分解为许多不同频率和幅值的正弦时间函数之和。然后应用叠加定理对每一频率的正弦时间函数，用相量法计算它们的稳态响应，将所有这些响应叠加起来，就可以得到周期性时间函数激励下的稳态响应。对称的三相非正弦激励下的三相电路，也可以根据叠加定理，先分别计算各谐波电压单独作用时三相电路中的电压、电流谐波，然后叠加求出各电压、电流[1]。

电路的正弦稳态是电路在正弦电压（流）的激励作用下，电路最终所达到的稳定状态。实际上，当电路中的自由响应衰减到可以不计时，便可认为电路进入了稳态。在正弦稳态下，电路中所有电流、电压都依电源的频率按正弦方式变化。按正弦规律变化的物理量称为正弦量。分析正弦电路，就是要找出正弦电路的变化规律，这个规律就是描述正弦电路方程的解。在时域中，描述正弦电路的方程是常系数微分（或积分）方程，它的完全解由两部分组成：一部分是对应齐次方程的通解---这部分解与激励性质无关，它可通过一般解微分方程的方法而求得；另一部分是方程的特解----它取决于激励形式。以正弦电流为例，数学表达式。式中三个量、、为正弦量的三要素。称为正弦电流的振幅（又称最大值或峰值）。它表示正弦电流变化过程中所能达到的最大值。称为正弦电流的角频率，它表达了正弦量的相位角（）随时间变化的速度，或者说表示单位时间增加的相位角。描述交流电变化快慢除用角频率外，还用周期T来描述，周期T是指交流电变化一周所用的时间，即交流电从零开始变到最大，然后逐渐减小到零，接着反方向变到负的最大，最后又回到零所需时间。还可用频率f来描述交流电变化快慢。频率是指1S内交流电重复出现的次数。角频率和正弦量的周期T及频率f的关系为：。称为正弦电流的初相位（又称初相角），它是正弦量在t=0时刻的相角。两个同频率的正弦量之间的相位差与计时起点无关。当两个同频率正弦量的相位差为零时，称这两个正弦量同相；当相位差为180°时，称这两个正弦量为反相；当相位差为正时，称电压U领先电流I，领先角度为?，或称电流?落后电压?，落后角度为?[2]。

研究分析正弦稳态电路的方法为相量法。而相量法则是用复数来表示正弦量的有效值和初相位。运用这一方法使得正弦电流电路的稳态分析成为与线性电阻电路的分析在形式上相同的问题。将相量形式的欧姆定律和基尔霍夫定律应用于电路的相量模型，建立相量形式的电路方程并求解，即可得到电路的正弦稳态响应。在分析时，画出电路中各电压、电流的相量图，往往对分析电路问题会有所帮助。用相量法分析正弦稳态响应的步骤可以归纳如下：

(1)画出和时域电路相对应的电路相量模型；

(2)建立相量形式的电路方程，求出响应的相量；

(3)将求得的相量变换成对应的时域的实函数[3]。

在电能、电信号的传输、处理和应用等技术领域中，有关功率计算问题是电路计算的一个非常重要的方面,因为任何电路都毫无例外地进行着由电源或信号源到负载的功率传输, 在交流电路中，由电源供给负载的电功率有两种：一种是有功功率，一种是无功功率。功率因数是供用电系统的一项重要技术经济指标。在供电系统中，希望是功率因数越大越好，即电路中的视在功率将大部分用来转化成有功功率，以减少无功功率。用电设备在消耗有功功率的同时，还需大量的无功功率由电源送往负荷，功率因数反映的是用电设备在消耗一定的有功功率的同时所需的无功功率。负载功率因数的高低，关系到输配电线路、设备的供电能力，也影响到功率损耗，对于电力系统供电设备的充分利用，有着显著的影响[4]。

提高功率因数常用的方法就是在保证负载功率不变的情况下，采用无功补偿来减小无功功率，从而提高功率因数。在日常生活中，一般的用电设备都是感性的，导致其功率因数都很

低，影响了线路及配电变压器的经济运行。如工厂里的电动机，它会产生感性无功功率，不但使线路消耗电能，增加线路的负担，更是占用电源变压器的容量，是不好的。只有通过合理配置无功功率补偿设备，提高系统的功率因数，才能达到降低损耗的目的，获得经济利益。为了提高功率因数，必须增加无功功率补偿设备以减少无功功率。通常采用的方法是在感性负载上并联电容器，使感性负载与容性负载的无功功率相互补偿，这时对变压器来说就增加了功率的利用率。无功补偿装置就是配套的电容器（由许多只电容器并联而成），它由自动控制设备自动接入电路，既不会补偿不足，也不会补偿过头。

在实际中，提高功率因数意味着：

（1）提高用电质量，改善设备运行条件，可保证设备在正常条件下工作，这就有利于安全生产。

（2）可节约电能，降低生产成本，提高经济效益。

（3）能提高有功功率在视在功率中的比值，充分提高电能的利用率。

（4）可减少线路的功率损失，提高电网输电效率。例如：当输出电压和功率一定时，=0.5时的线路损耗是=1时的4倍。

（5）因发电机的发电容量的限定，提高功率因数也就使发电设备得到充分利用[5]。

在实际用电过程中，提高负载的功率因数是最有效地提高电力资源利用率的方式。在现今可用资源接近匮乏的情况下，除了尽快开发新能源外，更好利用现有资源是我们解决燃眉之急的唯一办法，而对于目前人类所大量使用和无比依赖的电能来说，提高功率因数将是非常重要的。

如何提高功率因数的问题，从理论上来讲，是一个比较简单的问题，因而对功率因数的提高与元件参数、电源电压、电源频率的关系，研究的文献不是很多。本文将对不同性质负载的电路，如何提高功率因数的问题进行详细的讨论。

2.正弦电流电路中的功率

在电能、电信号的传输、处理和应用等技术领域中，有关电功率的问题都是有重要意义的。在这一节里讨论正弦电流电路中的功率。设有一个二端网络，取电压、电流的参考方向如图2.1所示。

2.1 瞬时功率

设：

式(2-1)

式(2-2)

其中

则无源一端口网络吸收的功率为

式(2-3)

可见，功率由两部分组成,一部分为，它是与时间无关的恒定分量；另一部分为，它是时间的周期函数，角频率为2 。或者说，它由不可逆分量和可逆分量两部分组成。R、L、C 元件的瞬时功率：电阻是耗能元件，任一时刻吸收的电功率为非负值，电感、电容的瞬时功率是正负对称交变的，一周期内吸收的电能与放出的电能相等。它们是不耗能的、储能的无源元件。