第2章 正弦交流电路(RL部分)

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表明:其瞬时功率是频率为电流、电
压频率2倍的正弦量。
(2)平均功率
P = 0
表明:电容器也是储能元件,当电容器 充电时,它从电源吸收能量,当电容器放电 时,则将能量送回电源。 (3)无功功率 Q C = U CI = I 2X C
2.4 电阻、电感的串联电路
纯电感电路实际上是不存在的,实 际线圈可用一个纯电阻R与纯电感L串 联的等效电路来代替。
2.电阻电路的功率 (1)瞬时功率 定义:电阻在任一瞬时取用的功率,表 达式为: p=ui=UmImsin2ω t 可见:p≥0,表明电阻任一时刻都在向 电源取用功率,起负载作用。
(2)平均功率(有功功率) 为便于计算,用平均功率来计算交流电
路中的功率。
定义:瞬时功率在一个周期内的平均值。
表达式为:
电流与总电压之间的相位差: φ =arctan(UL/UR)=arctan(XL/R)
φ =arccos(UR/U )=arccos(R/Z)
上式说明:φ 角大小取决于电路的电阻R
和感抗XL的大小,与电流、电压的大小无关

2.4.4 功率、功率三角形 1.有功功率P 在交流电路中,电阻消耗的功率叫有功 功率。 P =I2R =URI =UIcosφ 式中,cosφ 称为电路的功率因数,它是 交流电路运行状态的重要数据之一。功率因 数的大小由负载性质决定。
无功功率的单位是乏(var)。
【例2.6】一个线圈电阻很小,可略去 不计。电感L=35mH。求该线圈在50 Hz和
1000 Hz的交流电路中的感抗各为多少。若
接在U=220V,ƒ=50 Hz的交流电路中,电流
I,有功功率P、无功功率Q又是多少?
解: (1)ƒ = 50 Hz时,
XL=2π ƒL= (2π ×50×35×10-3)Ω
串联电路的电流是相等的,所以通常把 电流矢量画在水平方向上,作为参考矢量 (实际要看初相位)。电阻上的电压与电 流同相位,故矢量UR与I同方向;电感两端 电压超前于电流π /2电角,故矢量UL与I垂 直。UR与UL的合成矢量U便是总电压U的矢 量。
2.4.2 电压有效值、电压三角形 从电压矢量图可以看出:电阻上电压矢 量、电感上电压矢量与总电压的矢量,恰 好组成一个直角三角形,此直角三角形叫 做电压三角形,见图2-18:
2.3.1 纯电阻电路
1.电阻电路中的电流
如图所示的交流电路,设交流电压为u = Umsinω t,则R中电流的瞬时值为 : i =u/R =(Um/R)sinω t =Imsinω t
表明:正弦电路中,电流、电压频率、相 位相同。 矢量如图所示:
电流最大值为: Im=Um/R 电流有效值为: I=Um / 2 R =U/R
同。
假定两个频率相同的正弦量u,i,则 u = Umsin(ω t+Ψ u) i = Imsin(ω t+Ψ i) 它们的相位差φ 为 φ =(ω t+Ψ u)-(ω t+Ψ i)=Ψ u-Ψ i 由此表明,相位差与计时起点无关,是 一个定数。
注意:此处只讨论同频率正弦量的相位 差。
相位差用来表示两个同频率正弦量之间的 关系,有如下几种情况: 1.当Φ>0时,反映出电压u的相位超前电 流i的相位一个角度Φ ,简称电压u超前电流i, 如图(a)所示。
2.当Φ <0时,反映出电压u的相位滞后 电流i的相位一个角度Φ ,简称电压u滞后电
流i。
将上面(a)图中的u、i交换过来即可。
超前、滞后是相对而言的,u超前i,也可
以说是i滞后u。
3.当Φ =0时,电压u和电流i同相位如 图(b)所示。
4.当Φ =π /2时,称正交,如图(c)所 示。
5.当 Φ=π 时,称反相,如图 2-4 ( d) 所示。
一般用I、U 来表示电流、电压、电动势 的有效值。振幅和有效值的关系:
Im= 2 I
Um= 2 U
Em= 2E
2.1.3 相位、初相、相位差 正弦电流一般表示为:
i=Imsin(ω t+Ψ i) 其中:ω t+Ψ i称为相位,反应了正弦量 随时间变化的进程。当 t=0 时, Ψ i 叫做初
相。
正弦电压、电动势的表示方法与电流相
I1
2.正弦量加、减的简便方法 不再叙述,自己总结。 本质是平行四边形法则。
2.3 交流电路中的电阻、电容与电感 不同元件在直流和交流电路中所表现的特 性不同。 电感:通直流,阻交流;通低频,阻高频。
电容:隔直流,通交流;通高频,阻低频。 电阻:在交、直流电路中均为耗能元件,
将电能转换成热能。
交流电路中的电流、电压大小和方向随时 间不断变化,在分析和计算时,需在电路中 给电流、电压、电动势标定一个正方向,同 一电路中电压和电流的正方向应标定一致。 若某一瞬时电流(电压、电动势)为正值, 则表示此时电流的实际方向与标定方向一致; 反之,为负值时,则表示此时电流的实际方 向与标定方向相反。
2.无功功率Q Q =I2XL=ULI =UIsinφ 3.视在功率S 总电压U和电流I的乘积叫电路的视在功 率。 S =UI =I2Z 视在功率的单位是V·A(伏安),或 kV·A(千伏安)。
课程名称:电工电子技术
学 校:威海海洋职业学院 授课教师:王华超
2015年8月
第 2章
正弦交流电路
1、正弦交流电的三要素; 2、同频率正弦量的加、减计算; 3、单相正弦交流电路的分析计算;
4、三相交流电路的分析计算。
2.1 正弦量的三要素
概念:凡按正弦规律变化的电压、电流、 电动势等物理量。 如一正弦电流 i可表示为: i=Imsin(ω t+Ψ i) 式中:Im为振幅(最大值), ω 为角频 率,Ψ i为初相,通常称为正弦量的三要素。
2.1.1 频率与周期 周期T:正弦量完整变化一周所需的时 间,单位是秒(s); 频率ƒ:每秒内变化的周期数,单位是 赫兹(Hz)。 两者之间互为倒数关系: ƒ=1/T 或 T=1/ƒ 我国采用50Hz作为电力标准频率,又称 工频。
ω 是角频率,单位是弧度每秒。其与周 期、频率之间的关系为:
ω =2π /T= 2π ƒ
2.4.1 电压、电流瞬时值及电路矢量图
如图:所示的R、L串联电路中,设流过 的电流i=Imsinω t。
电阻R上的电压瞬时值为:
uR=ImRsinω t =URmsinω t 电感L上的电压瞬时值为: uL=ImXLsin(ω t+π /2) =Um sin(ω t+π /2)
总电压u的瞬时值为u=uR+uL。该电路电 流和各电压的矢量图如图所示:
≈11Ω
ƒ = 1000 Hz时,
XL=2π ƒL= (2π ×l000×35×10-3)Ω
≈220Ω
(2)当U = 220V ,ƒ = 50Hz时, 电流: I = U/XL = 220/11A= 20A 有功功率: P = 0 无功功率: QL =UI = (220×20) V=4400var
【例2.2】已知i1=2sin(ω t+30º)A, i2=4sin(ω t-45º)A,求i= i1 + i2。
1m 、I 2 m ,如图 解:画i1、i2的旋转矢量图 I 2-6所示。求得 ox =ox1+ox2= 2cos30º + 4cos45º≈ 4.66 oy=oy1+oy2 = 2sin30º-4sin45º≈-1.828 Im = ox2 oy2 ≈5A φ =arctanoy/ox= arctan-1.828/4.66 =arctan(-0.3922)≈-21.4º
电压π /2电角。
相量图如图所示:
最大值:
Im=ω CUm=
有效值:
= U m/ X C
I =ω CU =
= U/XC
2.容抗

XC=1/ω C =1/2π ƒC
电容对交流电的阻碍作用叫容抗,用XC表
示,单位是Ω 。
3.功率 1)瞬时功率
p=ui=UmIm sinω tcosω t =1/2UmImsin2ω t =UIsin2ω t
【例2.1】已知:i1=7.5sin(ω t+30º)A, i2=5sin(ω t+90º) A,i3=5sinω tA, i4=10sin(ω t-120º)A,画出表示以上正弦 交流电的旋转矢量。
1 m 、 2 m 解:如图2-5所示,用旋转矢量 I I 3 m、 4 m分别表示正弦交流电i1、i2、i3、i4 、 I I ,其中I1m=7.5A,I2m=5A,I3m=5 A,I4m= 10A 。
P=UmIm/2=UI=I2R=U2/R
单位:W(瓦)
【例2.5】已知电阻R =440Ω ,将其接在U = 220V的交流电路上,试求电流I和功率P。 解:电流为: I = U/R = 220/440 = 0.5 A 功率为: P = UI = 220×0.5 = 110 W
2.3.2 纯电感电路 一个线圈,当它的电阻忽略不计时,可看 成是一个纯电感。电路如图所示,L为线圈 的电感。
3.电感电路的功率 (1)瞬时功率p
p=ui=Umsin(ω t+π /2)·Imsinω t =UmImcosω t·sinω t =UmImsin2ω t =UIsin2ω t
表明:其瞬时功率是频率为电流、电压频 率2倍的正弦量。
纯电感电路的瞬时功率p、电压u、电流i 的波形图如图所示:
从波形图看出:第1、3个T/4期间,p>0, 表示线圈从电源处吸收能量;在第2、4个
则总电压有效值为 :
2.4.3 阻抗、阻抗三角形 和欧姆定律对比,式(2-23)可写成:
U I 2 Z R2 X L
2 Z R2 X L
U
Z 称为电路的阻抗摸,它表示R、L串联
电路对电流的总阻力,阻抗的单位是Ω 。
电阻、感抗、阻抗三者之间也符合一 个直角三角形的关系,如图2-19所示,称 为阻抗三角形。
1.电感的电压
设L中流过的电流为i=Imsinω t,则电压 瞬时值为:
uL =ω LImsin(ω t+π /2)
表明:纯电感电路中,电感两端电压与电
流同频率,在相位上超前电流π /2电角度。
纯电感电路的矢量图如图所示:
2.电感的感抗 XL =UL/I =ω L =2π ƒL XL称为感抗,单位是Ω 。与电阻相似,感 抗在交流电路中也起阻碍电流的作用,这种 阻碍作用与频率有关。当L一定时,频率越 高,感抗越大。在直流电路中,因频率f = 0,其感抗也等于零。
2.2 同频率正弦量的相加与相减 同频率正弦量的计算一般采用旋转矢量法。 2.2.1 正弦量的旋转矢量(相量)表示方

在直角坐标系中画一个旋转矢量,规定该 矢量的长度表示正弦交流电的最大值,矢量 与横轴正向的夹角表示正弦交流电的初相, 矢量以角速度ω按逆时针旋转,旋转的角速 度也就表示正弦交流电的角频率。
T/4期间,p≤0,表示线圈向电路释放能量。
(2)平均功率(有功功率)P 由上图可看出,一个周期内,纯电感电 路的平均功率为零,即:
P = 0
说明:纯电感线圈在电路中不消耗有功 功率,它是一种储存电能的元件。
(3)无功功率Q 定义:纯电感线圈和电源之间进行能量
交换的最大速率,用Q表示。
Q L = U LI = I 2X L
因此,振幅(最大值)、频率(周期)、
初相位也称为正弦量的三要素。
2.1.2 振幅和有效值
振幅:正弦量变化的最大幅值,也叫最大 值,一般用 Im 、 Um 来表示电流、电压的最大 值。 有效值:根据电流的热效应来规定,两个 相同的电阻R,一个通以正弦交流电流,一个 通以直流电流,如果在相同的时间内产生的 热量相等,则正弦电流的有效值等于直流电 流的数值。
注意:只有当正弦交流电的频率相 同时,表示这些正弦量的旋转矢量才 能画在同一坐标系中。
注意:旋转矢量上应该加点。
2.2.2 同频率正弦量的加、减法 1.同频率正弦量的加、减的一般步骤 ① 在直角坐标中画出代表这些正弦量的旋 转矢量。 ② 分别求出这几个旋转矢量在横轴上的投 影之和及在纵轴上的投影之和。 ③ 求合成矢量。 ④ 根据合成矢量写出计算结果。
2.3.3
纯电容电路
仅含电容的交流电路,称为纯电容电路, 如图所示:
电容器C两端加上电压u =Umsinω t,电容 器的充、放电过程也不断进行,形成了纯电 容电路中的电流。
1.电路中的电流 瞬时值:
i=ω CUmsin(ω t+π /2) =Imsin(ω t+π /2

表明:纯电容电路中的电流超前它两端的
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