電路PPT課件第9章 正弦穩(wěn)態(tài)電路的分析
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1、第9章 正弦穩(wěn)態(tài)電路的分析 2.正弦穩(wěn)態(tài)電路的分析;3.正弦穩(wěn)態(tài)電路的功率分析;l 重點(diǎn):1.阻抗和導(dǎo)納;4.串、并聯(lián)諧振的概念;9.1 阻抗和導(dǎo)納1.阻抗正弦激勵(lì)下IZU+-無(wú)源線性IU+-ZIUZ|定義阻抗定義阻抗iu 單位:IUZ 阻抗模阻抗角歐姆定律的相量形式當(dāng)無(wú)源網(wǎng)絡(luò)內(nèi)為單個(gè)元件時(shí)有:RIUZ LjXLjIUZ CjXCjIUZ 1 IRU+-ICU+-ILU+-Z可以是實(shí)數(shù),也可以是虛數(shù)2.RLC串聯(lián)電路由KVL:.1j.j.ICILIRUUUUCLR IXXjRICLjRCL)()1(IjXR)(LCRuuLuCi+-+-+-+-uR ZjXRCjLjRIUZ1.Ij L.ULU
2、.CU.Cj1R+-+-+-+-RU.Z 復(fù)阻抗;R電阻(阻抗的實(shí)部);X電抗(阻抗的虛部);|Z|復(fù)阻抗的模;阻抗角。關(guān)系:arctg|22 RXXRZ或R=|Z|cosX=|Z|sin阻抗三角形|Z|RXiuIUZ 分析 R、L、C 串聯(lián)電路得出:(1)Z=R+j(L-1/C)=|Z|為復(fù)數(shù),故稱復(fù)阻抗(2)L 1/C,X0,0,電路為感性,電壓領(lǐng)先電流;L1/C,X0,1/C 三角形UR、UX、U 稱為電壓三角形,它和阻抗三角形相似。即CUIRULUUUX22XRUUU 0 i 例 已知:R=15,L=0.3mH,C=0.2F,.Hz103)60cos(254 ftu 求 i,uR,uL
3、,uC.解其相量模型為:V 605UCLRZ 1jjjjj5.56103.0103234 Ljj1j5.26102.01032164C 5.265.5615jj o4.6354.33LCRuuLuCi+-+-+-+-uR.Ij L.ULU.CU.Cj1R+-+-+-+-RU.A ooo 4.3149.04.6354.33605ZUI則A)4.3(cos2149.0o tiUL=8.42U=5,分電壓大于總電壓。ULUCUIRU-3.4相量圖V oo 4.3235.24.3149.015IRURV jooo 4.8642.84.3149.0905.56ILUL V C1jooo 4.9395.3
4、4.3149.0905.26IUC V)4.3cos(2235.2o tuR V)6.86cos(242.8o tuL V)4.93cos(295.3o tuC注3.導(dǎo)納正弦激勵(lì)下IYU+-無(wú)源線性IU+-YUIY|定定義義導(dǎo)導(dǎo)納納ui 單位:SUIY 導(dǎo)納模導(dǎo)納角ZYYZ1,1 對(duì)同一二端網(wǎng)絡(luò):當(dāng)無(wú)源網(wǎng)絡(luò)內(nèi)為單個(gè)元件時(shí)有:GRUIY 1LjBLjUIY /1 CjBCjUIY IRU+-ICU+-ILU+-Y可以是實(shí)數(shù),也可以是虛數(shù)4.RLC并聯(lián)電路由KCL:CLRIIII.iLCRuiLiC+-iL.j.j.UCULUG 1.jjUCLG)1(.j(UBBGCL).jUBG)(.Ij L.
5、ULI.CI.Cj1RI.R+-YjBGLjCjGUIY1Y 復(fù)導(dǎo)納;G電導(dǎo)(導(dǎo)納的實(shí)部);B電納(導(dǎo)納的虛部);|Y|復(fù)導(dǎo)納的模;導(dǎo)納角。關(guān)系:arctg|22 GBBGY或G=|Y|cos B=|Y|sin 導(dǎo)納三角形|Y|GBuiUIY (1)Y=G+j(C-1/L)=|Y|為復(fù)數(shù),故稱復(fù)導(dǎo)納;(2)C 1/L,B0,0,電路為容性,電流超前電壓C1/L ,B0,0,電路為感性,電流落后電壓;C=1/L,B=0,=0,電路為電阻性,電流與電壓同相(3)相量圖:選電壓為參考向量,設(shè)C 1/L,0,則B0,電路吸收功率:p0,0,感性X0,0,表示網(wǎng)絡(luò)吸收無(wú)功功率;QL),加上電壓u,則電壓
6、線圈中的電流近似為i2u/R。)cos(2 ),cos(2 21tRURuitIii 設(shè)設(shè)PKUIKIRUKMcoscos 則則指針偏轉(zhuǎn)角度(由M 確定)與P 成正比,由偏轉(zhuǎn)角(校準(zhǔn)后)即可測(cè)量平均功率P。使用功率表應(yīng)注意:(1)同名端:在負(fù)載u,i關(guān)聯(lián)方向下,電流i從電流線圈“*”號(hào)端流入,電壓u正端接電壓線圈“*”號(hào)端,此時(shí)P表示負(fù)載吸收的功率。(2)量程:P 的量程=U 的量程 I 的量程cos (表的)測(cè)量時(shí),P、U、I 均不能超量程。例1 三表法測(cè)線圈參數(shù)。已知f=50Hz,且測(cè)得U=50V,I=1A,P=30W。解RL+_U IZVAW*方法一VAUIS50150 VARPSQ40
7、 30502222 301302IPR 401402IQXLHXLL127.010040 30130 222 IPRRIP方法二 50150|IUZ又22)(|LRZ H127.03144030501|12222 314RZL 方法三 cos UIP 6.015030cos UIP 50150|IUZ 300.650cosZ R408.050sin|L ZX已知:電動(dòng)機(jī) PD=1000W,功率因數(shù)為,U=220,f=50Hz,C=30F。求負(fù)載電路的功率因數(shù)。A68.58.02201000cos DDD UPI+_DCUICIDI例2解oDD8.36 ,0.8(cos 滯后)滯后)o0220
8、U設(shè)設(shè)082C0220I836685IC.jj ,.ooD oD3.1673.433.1 j54.4 CIII 96.0)3.16cos(cos o 6.功率因數(shù)提高設(shè)備容量 S(額定)向負(fù)載送多少有功要由負(fù)載的阻抗角決定。P=UIcos=ScosS75kVA負(fù)載cos=1,P=S=75kWcos=0.7,PS一般用戶:異步電機(jī) 空載cos 滿載cos 日光燈 cos (1)設(shè)備不能充分利用,電流到了額定值,但功率容量還有;(2)當(dāng)輸出相同的有功功率時(shí),線路上電流大 I=P/(Ucos),線路損耗大。功率因數(shù)低帶來(lái)的問(wèn)題:解決辦法:并聯(lián)電容,提高功率因數(shù)(改進(jìn)自身設(shè)備)。分析CIULI1I2L
9、RCUILICI+_并聯(lián)電容后,原負(fù)載的電壓和電流不變,吸收的有功功率和無(wú)功功率不變,即:負(fù)載的工作狀態(tài)不變。但電路的功率因數(shù)提高了。特點(diǎn):并聯(lián)電容的確定:21sinsin IIILC 補(bǔ)償容量不同全不要求(電容設(shè)備投資增加,經(jīng)濟(jì)效果不明顯)欠過(guò)使功率因數(shù)又由高變低(性質(zhì)不同)CIULI1I2代代入入得得將將 cos ,cos 12 UPIUPIL )tgtg(212 UPCUIC)tgtg(212 UPC并聯(lián)電容也可以用功率三角形確定:12PQCQLQ)tgtg()tgtg(212221UPCCUQPQQQCCL 從功率這個(gè)角度來(lái)看:并聯(lián)電容后,電源向負(fù)載輸送的有功UIL cos1=UI c
10、os2不變,但是電源向負(fù)載輸送的無(wú)功UIsin2R 時(shí),UL=UC U 例某收音機(jī) L,R=10,為收到中央電臺(tái)560kHz信號(hào),求(1)調(diào)諧電容C值;(2)如輸入電壓為1.5V求諧振電流和此時(shí)的電容電壓。ARUI 15.0105.1 )2(0 pFLfC269)2(1 )1(2 +_LCRu解VVXIUCC 5.1 5.1580 URLQUUo0Cr (3)諧振時(shí)的功率P=UIcosUIRI02=U2/R,電源向電路輸送電阻消耗的功率,電阻功率達(dá)最大。0sin CLQQUIQ 2002002001 ,LIICQLIQCL 電源不向電路輸送無(wú)功。電感中的無(wú)功與電容中的無(wú)功大小相等,互相補(bǔ)償,彼
11、此進(jìn)行能量交換。+_PQLCR(4)諧振時(shí)的能量關(guān)系tLICuwCC cos2121022m2 tICLtCIuC0mo00m cos)90 sin(tLILiwL sin2121022m2 tUu0m sin 設(shè)tItRUi0m0m sin sin 則電場(chǎng)能量磁場(chǎng)能量(1)電感和電容能量按正弦規(guī)律變化,最大值相等 WLm=WCm。L、C的電場(chǎng)能量和磁場(chǎng)能量作周期振蕩性的能量交換,而不與電源進(jìn)行能量交換。表明(2)總能量是常量,不隨時(shí)間變化,正好等于最大值。22m2m2121LICULIwwwCCL 總總電感、電容儲(chǔ)能的總值與品質(zhì)因數(shù)的關(guān)系:耗的能量諧振時(shí)一周期內(nèi)電路消總儲(chǔ)能諧振時(shí)電路中電磁場(chǎng)
12、的2202020202000TRILIRILIRLQ Q是反映諧振回路中電磁振蕩程度的量,品質(zhì)因數(shù)越大,總的能量就越大,維持一定量的振蕩所消耗的能量愈小,振蕩程度就越劇烈。則振蕩電路的“品質(zhì)”愈好。一般講在要求發(fā)生諧振的回路中總希望盡可能提高Q值。4.RLC串聯(lián)諧振電路的諧振曲線和選擇性(1)阻抗的頻率特性RXRXXRCLCL111tgtg1tg)()(|)(|)1(jZCLRZ 222222)()1(|)(|XRXXRCLRZCL 諧振曲線 物理量與頻率關(guān)系的圖形稱諧振曲線,研究諧振曲線可以加深對(duì)諧振現(xiàn)象的認(rèn)識(shí)。幅頻特性相頻特性2.電流諧振曲線幅值關(guān)系:I()與|Y()|相似。UYCLRUI
13、|)(|)1()(22 ()0 O/2/2阻抗相頻特性X()|Z()|XL()XC()R 0 Z()O阻抗幅頻特性 0 O|Y()|I()I()U/R從電流諧振曲線看到,諧振時(shí)電流達(dá)到最大,當(dāng) 偏離0時(shí),電流從最大值U/R降下來(lái)。即,串聯(lián)諧振電路對(duì)不同頻率的信號(hào)有不同的響應(yīng),對(duì)諧振信號(hào)最突出(表現(xiàn)為電流最大),而對(duì)遠(yuǎn)離諧振頻率的信號(hào)加以抑制(電流小)。這種對(duì)不同輸入信號(hào)的選擇能力稱為“選擇性”。l 選擇性(selectivity)電流諧振曲線為了不同諧振回路之間進(jìn)行比較,把電流諧振曲線的橫、縱坐標(biāo)分別除以0和I(0),即000)()()()(,IIIII l 通用諧振曲線2220)1(11)1
14、(/|/)()(RCRLCLRRRUZUII 20020000)(11)1(11QQRCRL 220)1(11)(QII Q越大,諧振曲線越尖。當(dāng)稍微偏離諧振點(diǎn)時(shí),曲線就急劇下降,電路對(duì)非諧振頻率下的電流具有較強(qiáng)的抑制能力,所以選擇性好。因此,Q是反映諧振電路性質(zhì)的一個(gè)重要指標(biāo)。Q=10Q=1Q=0.51210)(II0.7070 通用諧振曲線.,707.02/1/210II和和對(duì)應(yīng)橫坐標(biāo)分別為對(duì)應(yīng)橫坐標(biāo)分別為交于兩點(diǎn)交于兩點(diǎn)與每一諧振曲線與每一諧振曲線處作一水平線處作一水平線在在 .,12022011 12 稱為通頻帶BW(Band Width)可以證明:.1 12012Q I/I0以分貝(
15、dB)表示:20log10I/I0=20lg0.707=3 dB.所以,1,2稱為3分貝頻率。Q=1 021I0.707I00 根據(jù)聲學(xué)研究,如信號(hào)功率不低于原有最大值一半,人的聽(tīng)覺(jué)辨別不出,這是定義通頻帶的實(shí)踐依據(jù)。例+_LCRu10一信號(hào)源與R、L、C電路串聯(lián),要求 f0=104Hz,f=100Hz,R=15,請(qǐng)?jiān)O(shè)計(jì)一個(gè)線性電路。解10010010 400 ffQ mHRQL8.3910215100 40 pFL63601C 2 0 例 一接收器的電路參數(shù)為:L=250H,R=20,C=150pF(調(diào)好),U1=U2=U3=10V,0106 rad/s,f0=820 kHz.+_+_+LC
16、Ru1u2u3_f(kHz)北京臺(tái)中央臺(tái)北京經(jīng)濟(jì)臺(tái) L8206401026X1290166010340 660577129010001611I0=0.5I1=0.0152I2=0.0173I=U/|Z|(A)C1I0=0.5I1=0.0152I2=0.0173I=U/|Z|(A)%04.301 II小得多收到北京臺(tái)820kHz的節(jié)目。8206401200I(f)f(kHz)0%46.302 II(3)UL()與UC()的頻率特性222222)1()1()(QQUCLRCUCIUC222222)11(1 )1(|)(QQUCLRLUZULLIUL UUC(Cm)QUCmLm0UL()UC()U(
17、)1UL():當(dāng)=0,UL()=0;00,電流開(kāi)始減小,但速度不快,XL繼續(xù)增大,UL 仍有增大的趨勢(shì),但在某個(gè)下UL()達(dá)到最大值,然后減小。,XL,UL()=U。類似可討論UC()。根據(jù)數(shù)學(xué)分析,當(dāng)=Cm時(shí),UC()獲最大值;當(dāng)=Lm時(shí),UL()獲最大值。且UC(Cm)=UL(Lm)。)2/1(Q條件是條件是Q越高,Lm和Cm 越靠近0 Lm Cm =0020m211Qc 0220m122QQL QUQQUUULLcC 2mm411)()(例 一接收器的電路參數(shù)為:U=10V=5103 rad/s,調(diào)C使電路中的電流最大,Imax=200mA,測(cè)得電容電壓為600V,求R、L、C及Q+_L
18、CRuV解 50102001030IUR6010600 UUQQUUCCmHRQL601056050 30 FL 67.61C 2 0 1.G、C、L 并聯(lián)電路對(duì)偶:R L C 串聯(lián)G C L 并聯(lián)LC10)1(jCLRZ )1(jLCGY 9.9 并聯(lián)電路的諧振+_S IGCL ULC10 諧振角頻率R L C 串聯(lián)G C L 并聯(lián)|Z|0OR 0 OI()U/R 0 OU()IS/GLU CU UUR ICI LI SGII U|Y|0OGR L C 串聯(lián)G C L 并聯(lián)電壓諧振電流諧振UL(0)=UC(0)=QUIL(0)=IC(0)=QIS LCGGLGCQ1100 CLRRCRLQ1
19、100 推導(dǎo)過(guò)程如下:由定義得LRGC00 22212GUTCUQCm GCf02 2.電感線圈與電容器的并聯(lián)諧振 實(shí)際的電感線圈總是存在電阻,因此當(dāng)電感線圈與電容器并聯(lián)時(shí),電路如圖:BGj LRCYj1j )(j)(2222LRLCLRR 諧振時(shí) B=0,即0)(20200 LRLC20)(1LRLC CLR(1)諧振條件此電路發(fā)生諧振是有條件的,在電路參數(shù)一定時(shí),滿足可可以以發(fā)發(fā)生生諧諧振振時(shí)時(shí)即即 ,0)(1 2CLRLRLC 一般線圈電阻RL,則等效導(dǎo)納為:LC10)1(j)()(j)(22222LCLRLRLCLRRY 等效電路諧振角頻率GeCLRLGRee20)(1 (b)電流一定
20、時(shí),總電壓達(dá)最大值:RCLIZIU000 (c)支路電流是總電流的Q倍,設(shè)R1時(shí),并聯(lián)部分呈容性,在某一角頻率2下可與L3發(fā)生串聯(lián)諧振。對(duì)(b)電路L1、C2并聯(lián),在低頻時(shí)呈感性。在某一角頻率1下可與C3發(fā)生串聯(lián)諧振。1時(shí),隨著頻率增加,并聯(lián)部分可由感性變?yōu)槿菪?,在某一角頻率2下發(fā)生并聯(lián)諧振。定量分析:(a)1)(j 1 jj1j)j1(jj)(2123123132121321213 CLLLCLLCLLLCLCLLZ 當(dāng)Z()=0,即分子為零,有:0)(31223132 LLCLL(a)L1L3C2可解得:)(02舍舍去去)(231312串串聯(lián)聯(lián)諧諧振振CLLLL 當(dāng)Y()=0,即分母為零,有:012121 CL)(1211并聯(lián)諧振并聯(lián)諧振CL 可見(jiàn),1 2。(a)L1L3C2 1 X()O 2Z()=jX()阻抗的頻率特性21 )1()(1j1 j j1j1 jj1 j j1)(2123321221213212131CLCCCLCLLCCLCLCZ (b)分別令分子、分母為零,可得:串聯(lián)諧振)(13211CCL 并聯(lián)諧振2121CL (b)L1C2C3 1 X()O 2阻抗的頻率特性例激勵(lì) u1(t),包含兩個(gè)頻率1、2分量(11,濾去高頻,得到低頻。CRC2C3L1+_u1(t)+_u2(t)
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