电路分析基础-向量分析法.ppt

第4章相量分析法 4 1复数及其运算 4 3相量分析法 4 4复功率 4 2相量和复阻抗 本章学习目的及要求 熟悉复数的几种表达方式及其加减乘除运算规则 掌握正弦量的相量表示法 相量的性能及其运算方法 掌握复阻抗和复导纳的概念 学会用相量图进行正弦量的辅助分析 正确理解正弦交流电路中几种功率的分析 4 1复数及其运算 学习目标 复数的运算是相量分析的基础 了解复数的代数式 三角式和极坐标式及其相互转换 理解复数进行加减乘除运算的规则 4 1 1复数及其表示方法 复数A在复平面上是一个点 原点指向复数的箭头称为它的模 模a与正向实轴之间的夹角称为复 数A的幅角 A在实轴上的投影是它的实部 A在虚轴上的投影 称为其虚部 复数A的代数表达式为 A a1 ja2 由图又可得出复数A的模值a和幅角 分别为 a 由图还可得出复数A与模 复数还可以表示为指数形式和极坐标形式 又可得到复数A的三角函数式为 a及幅角 之间的关系为 A acos jasin 复数的几种表示方法可以相互转换 解 已知复数A的模a 5 幅角 53 1 试写出复数A的极坐标形式和代数形式表达式 代数表达形式为 A 3 j4 例 4 1 2复数运算法则 显然 复数相加 减时用代数形式比较方便 复数相乘 除时用极坐标形式比较方便 设有两个复数分别为 A B加 减 乘 除时的运算公式 在复数运算当中 一定要根据复数所在象限正确写出幅角的值 如 注意 代数形式中虚部数值前面的j是旋转因子 一个复数乘以j相当于在复平面上逆时针旋转90 除以j相当于在复平面上顺时针旋转90 数学课程中旋转因子是用i表示 电学中为了区别于电流而改为j 检验学习结果 1 已知复数A 4 j5 B 6 j2 试求A B A B A B A B 2 已知复数A 17 24 B 6 65 试求A B A B A B A B 解1 第2题自己练习 4 2相量和复阻抗 学习目标 了解相量的概念 熟练掌握正弦量的相量表示法 初步了解相量图的画法 掌握复阻抗的概念 4 2 1相量 与正弦量相对应的复电压和复电流称之为相量 为区别与一般复数 相量的头顶上一般加符号 例如正弦量i 14 1sin t 36 9 A 若用相量表示 其最大值相量为 有效值相量为 由于一个电路中各正弦量都是同频率的 所以相量只需对应正弦量的两要素即可 即模值对应正弦量的有效值 或最大值 幅角对应正弦量的初相 按照各个正弦量的大小和相位关系用初始位置的有向线段画出的若干个相量的图形 称为相量图 把它们表示为相量 并且画在相量图中 例 已知 解 用有效值相量表示 即 画在相量图中 也可以把复平面省略 直接画作 虚线可以不画 利用相量图中的几何关系 可以简化同频率正弦量之间的加 减运算及其电路分析 解 例如 利用相量图辅助分析 根据平行四边形法则 由相量图可以清楚地看出 U1cos 1 U2cos 2 U1sin 1 U2sin 2 利用相量图分析计算同频率正弦量之间的加 减运算 显然能起到化隐含为浅显的目的 根据相量与正弦量之间的对应关系 u Umsin t 4 2 2复阻抗 如果把正弦交流电路中各元件的电阻或电抗用复数表示时 我们称之为复数形式的电阻电抗 简称复阻抗 各元件复阻抗的代数形式如下 如果几个理想元件相串联时 它们复阻抗的模和幅角可由以下三角形求出 RL串联电路 RC串联电路 RLC串联电路 答案 1 把下列正弦量表示为有效值相量 思考练习 2 指出下列各式的错误并改正 正弦量和相量之间只有对应没有相等 电压单位是V 相量上面要加符号 4 3相量分析法 4 3 1 串联电路的相量模型分析 RL串相量图 RC串相量图 RLC串相量图 串联电路中 各元件上通过的电流相同 因此在相量分析中 应以电流为参考相量 参考相量画在正向实轴位置上 由相量图可以看出 RL串联电路中总电压超前电流一个 角 RC串联电路中总电压滞后电流一个 角 RLC三元件相串联的电路中 若UL UC 则总电压超前电流一个 角 若UL UC 则总电压滞后电流一个 角 若UL UC时 总电压与电流同相 相位差 0 电路出现串联谐振 后面专门讨论 串联电路阻抗的一般表达式 若串联电路中只有两个元件相串联时 代入上式仍旧适用 参看前面的阻抗三角形 11 由阻抗三角形可以看出 感性电路为正三角形 总电压超前电流 容性电路为倒三角形 总电压滞后电流 若纯电阻性时 虽然电路中含有动态元件L和C 仍旧会出现电压和电流同相的特殊情况 此时电路中总的复阻抗等于电阻R 4 3 2并联电路的相量模型分析 IL IC时的相量图 电压超前总电流 在RLC并联电路中 各元件两端加的电压相同 因此在相量分析中 应以电压为参考相量 IL IC时的相量图 电压滞后总电流 当IL IC时 电路出现并联谐振 此时电路中阻抗最大 且为纯电阻性 以感性的并联电路为例 来讨论一下并联电路的复导纳 即电阻和电纳总的作用效果的复数表示形式 复导纳用Y表示 Y G j BC BL 式中的G是电导 电阻的倒数 BC是容纳 容抗的倒数 BL是感纳 感抗的倒数 由复导纳的复数表达式又可得出 RLC并联电路的导纳三角形 显然 在感性电路中 电路中的电纳BL BC 电路呈感性 导纳三角形为倒三角形 若电路呈容性 导纳三角形即为正三角形 4 3 3应用实例 1 据原电路图画出相量模型图 电路结构不变 在正弦交流电路中 若正弦量用相量表示 电路参数用复数阻抗表示 则直流电路中介绍的基本定律 公式 分析方法都能用 具体步骤如下 2 根据相量模型列出相量方程式或画出相量图 3 用相量分析法或相量图求解 4 将结果变换成要求的形式 下图中已知 I1 10A UAB 100V 求 A UO的读数 解题方法有两种 1 利用复数进行相量分析 2 利用相量图分析求解 利用复数进行相量分析 已知 I1 10A UAB 100V 求 A UO的读数 解 A的读数是10安培 UO的读数是141 4伏特 利用相量图分析求解 下图中已知R 15 L 12mH C 40 F 端电压u 28 3sin 2500t V 求 i及各元件电压 解 由电压三角形可导出阻抗三角形为 一个110V 60W的白炽灯接到50Hz 220V的正弦电源上 可以用一个电阻 一个电感或一个电容和它串联 试分别求所需的R L C的值 如果换接到220V直流电源上 这三种情况的结果分别如何 思考练习 分析 白炽灯的灯丝电阻为 白炽灯和电阻相串联时 电路为纯电阻性质 因此总电压有效值等于两个分电压有效值之和 所以 白炽灯和电感相串联时 电路为RL串联 有 白炽灯和电容相串联时 电路为RC串联 有 如果换接到220V直流电源上 电阻的情况不变 但直流电路中电感元件相当于短路 所以无论接多大的电感 220V电压都会全部加在白炽灯上 白炽灯就会因过电压而烧损 电容元件在直流电路中相当于开路 因此无论接多大的电容 白炽灯中均无电流 2 判断下列结论的正确性 4 4复功率 学习目标 正确区分正弦电路中的瞬时功率 有功功率 无功功率 视在功率 复功率和功率因数的概念 熟练掌握其分析计算的方法 4 4 1正弦交流电路中的功率 设一个无源二端网络的端口电压 电流为 u Umsin t u i Imsin t i 1 电路吸收的瞬时功率 上式说明瞬时功率有两个分量 第一项与电阻元件的瞬时功率相似 始终大于或等于零 是网络吸收能量的瞬时功率 其平均值为UIcos 第二项与电感元件或电容元件的瞬时功率相似 其值正负交替 是网络与外部电源交换能量的瞬时功率 它的最大值为UIsin 2 电路吸收的平均功率 平均功率也就是有功功率 数值上等于瞬时功率在一个周期内的平均值 即 3 电路吸收的无功功率 无功功率反映了 只交换而不消耗 的电路现象 其中 无功 二字不能理解为 无用 感性电路中的无功功率就是吸收电能建立磁场的那部分功率 用QL表示 恒为正值 容性电路中的无功功率是建立电场储存电能的那部分功率用QC表示 即 Q的单位是乏尔 var QL和QC一正一负 说明两元件之间的无功功率具有相互补偿作用 即L建立磁场时C恰逢放电 C建立电场时L恰逢释放磁场能 L和C之间的能量交换可以互补 电力设备的容量一般由其额定电压和额定电流的乘积来决定 称为视在功率 用S表示 为了区别于有功功率和无功功率 视在功率的单位用 伏安 VA 或 千伏安 KVA 由上式又可看出视在功率S和有功功率P 无功功率Q三者之间存在着相当勾股弦定理的数量关系 因此可以把这种数量关系用一个三角形来表示 显然功率三角形和阻抗三角形 电压三角形是相似三角形 只有电阻元件上才消耗有功功率 4 4 2复功率 根据功率三角形可以导出复功率 复功率是一个辅助计算功率的复数 它的模是视在功率 它的辐角的余弦等于电路中总电压与电流之间的相位差角 其实部是有功功率 虚部是无功功率复功率将正弦稳态电路的三个功率统一在一个公式中 只要计算出电路中的电压相量和电流相量 各种功率就可以很方便的计算出来 复功率的单位仍用视在功率的单位 VA 4 4 3功率因数的提高 功率因数是电力技术经济中的一个重要指标 负载功率因数过低 电源设备的容量不能得到充分利用 另外在功率一定 电压一定的情况下 负载功率因数越低 则通过输电线路上的电流I P Ucos 越大 因此造成供电线路上的功率损耗增大 显然 提高功率因数对国民经济的发展具有非常重要的意义 提高功率因数的意义是什么 如何提高 提高功率因数的意义 1 提高发配电设备的利用率 2 减少输电线上的电压降和功率损失 尽量减少感性设备的空载和轻载 或在感性设备两端并联适当的电容 一台功率为1 1kW的感应电动机 接在220V 50Hz的电路中 电动机需要的电流为10A 求 1 电动机的功率因数 2 若在电动机两端并联一个79 5 F的电容器 电路的功率因数为多少 例 解 1 2 设未并联电容前电路中的电流为I1 并联电容后 电动机中的电流不变 仍为I1 但电路中的总电流发生了变化 由I1变成I 电流相量关系为 画电路相量图分析 可见 电路并联了电容C后 功率因数由原来 的0 5提高到了0 845 电源利用率得以提高 检验学习结果 1 RL串联电路接到220V的直流电源时功率为1 2KW 接在220V 50Hz的电源时功率为0 6KW 试求它的R L值 3 已知无源一端口 试求 复阻抗 阻抗角 复功率 视在功率 有功功率 无功功率和功率因数 分析 RL在直流下相当纯电阻 所以R 2202 1200 40 3 工频下 30 电路呈容性 S 384VA P 333W Q 192var cos cos 30 0 866自练 2 解 1 Z 48 8 70 100 6 30 本章作业 习题4 1 4 2 4 4 4 5 4 6 4 9 4 12 4 16 4 20 4 21 本章结束