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1、第第9 9章章 正弦稳态正弦稳态电路的电路的分析分析 首首 页页本章重点本章重点正弦稳态电路的分析正弦稳态电路的分析9.3正弦稳态电路的功率正弦稳态电路的功率9.4复功率复功率9.5最大功率传输最大功率传输9.6阻抗和导纳阻抗和导纳9.1电路的向量图电路的向量图9.22. 2. 正弦稳态电路的分析；正弦稳态电路的分析；3. 3. 正弦稳态电路的功率分析；正弦稳态电路的功率分析；l 重点：重点：1. 1. 阻抗和导纳；阻抗和导纳；返 回9-1 阻抗和导纳阻抗和导纳1. 1. 阻抗阻抗正弦稳态情况下正弦稳态情况下Z+- -不含独不含独立源线立源线 性网络性网络 +- -阻抗模阻抗模阻抗角阻抗角欧姆
2、定律的相欧姆定律的相量形式量形式下 页上 页返 回当无源网络内为单个元件时有当无源网络内为单个元件时有Z 可以是实数，也可以是虚数。可以是实数，也可以是虚数。C+-下 页上 页R+-表明 返 回L+-2. . RLC串联电路串联电路KVL：下 页上 页返 回R+-+-+-+-j LLCRuuLuCi+-+-+-+-uRZ 复阻抗；复阻抗；|Z| 复阻抗的模；复阻抗的模；Z 阻抗角；阻抗角； R 电阻电阻( (阻抗的实部阻抗的实部) )；X电抗电抗( (阻抗的虚部阻抗的虚部) )。转换关系：转换关系：或或R=|Z|cosZX=|Z|sinZ阻抗三角形阻抗三角形|Z|RXZ下 页上 页返 回分析分
3、析 R、L、C 串联电路得出串联电路得出（2 2）L 1/C ，X0， Z 0，电路为感性，电压超前电流。电路为感性，电压超前电流。下 页上 页相量图：一般选电流为参考相量，相量图：一般选电流为参考相量，ZUX电压三电压三角形角形等效电路等效电路返 回j LeqR+-+-+-（1）Z=R+j(L-1/C)=|Z| Z 为复数，称复阻抗。为复数，称复阻抗。（3 3）L1/C， X0， Z U=5，分电压大于总电压。分电压大于总电压。相量图相量图注意-3.4返 回R+-+-+-+-j L3.3.导纳导纳正弦稳态情况下正弦稳态情况下导纳模导纳模导纳角导纳角下 页上 页返 回Y+- -不含独不含独立源
4、线立源线 性网络性网络 +- -对同一个二端网络对同一个二端网络: :当无源网络内为单个元件时有当无源网络内为单个元件时有Y 可以是实数，也可以是虚数。可以是实数，也可以是虚数。下 页上 页表明 返 回C+-R+-L+-4. 4. RLC并联电路并联电路由由KCL：下 页上 页返 回iLCRuiLiC+-iRR+- jLY复导纳；复导纳；|Y| 复导纳的模；复导纳的模；Y 导纳角；导纳角； G 电导电导( (导纳的实部导纳的实部) )；B 电纳电纳( (导纳的虚部导纳的虚部) )；转换关系：转换关系：或或G=|Y|cos YB=|Y|sin Y导纳三角形导纳三角形|Y|GBY下 页上 页返 回
5、（2 2）C 1/L，B0，Y 0，电路为容性，电流超前电压。电路为容性，电流超前电压。相量图：选电压为参考向量，相量图：选电压为参考向量，Y分析分析 R、L、C 并联电路得出：并联电路得出：RLC并联电路会出现分电流大于总电流的现象。并联电路会出现分电流大于总电流的现象。IB下 页上 页注意返 回（1）Y=G+j(C-1/L)=|Y| Y 为复为复数，称复导纳。数，称复导纳。（3）C1/L，B0，Y0，则则 B0, 电路吸收功率。电路吸收功率。p0, 0 , 感性感性; ;X0, 0 , 容性容性。cos 1, 纯电阻纯电阻0， 纯电抗纯电抗平平均均功功率率实实际际上上是是电电阻阻消消耗耗的
6、的功功率率，亦亦称称为为有有功功功功率率。表表示示电电路路实实际际消消耗耗的的功功率率，它它不不仅仅与与电电压压、电电流流有有效效值值有有关关，而而且且与与cos 有有关关，这这是是交交流流和和直直流流的的区区别别, , 主主要要由由于于电电压压、电电流流存存在在相相位位差。差。下 页上 页结论 返 回一般地一般地 , , 有：有： 0 cos0，表示网络吸收无功功率。表示网络吸收无功功率。lQ0，表示网络发出无功功率。表示网络发出无功功率。lQ 的大小反映网络与外电路交换功率的速率。是的大小反映网络与外电路交换功率的速率。是由储能元件由储能元件L、C的性质决定的的性质决定的下 页上 页电气设
7、备的容量电气设备的容量返 回有功，无功，视在功率的关系：有功，无功，视在功率的关系：有功功率有功功率: : P=UIcos 单位：单位：W无功功率无功功率: : Q=UIsin 单位单位：var视在功率视在功率: : S=UI 单位单位：VASPQ功率三角形功率三角形下 页上 页返 回5. R、L、C元件的有功功率和无功功率元件的有功功率和无功功率uiR+-PR =UIcos =UIcos0 =UI=I2R=U2/RQR =UIsin =UIsin0 =0PL=UIcos =UIcos90 =0QL =UIsin =UIsin90 =UI=I2XLiuC+-PC=UIcos =UIcos(-9
8、0)=0QC =UIsin =UIsin (-90)= -UI= I2XC下 页上 页返 回iuL+-6. 任意阻抗的功率计算任意阻抗的功率计算PZ =UIcos =I2|Z|cos =I2RQZ =UIsin =I2|Z|sin =I2X I2(XLXC)=QLQCSPQZRX相似三角形相似三角形( (发出无功发出无功) )下 页上 页返 回uiZ+-电感、电容的无功补偿作用电感、电容的无功补偿作用 t iOuLL发发出出功功率率时时，C刚刚好好吸吸收收功功率率，与与外外电电路路交交换换功功率率为为 pL+pC。L、C的的无无功功功功率率具具有有互互相相补偿的作用。补偿的作用。 t iOuC
9、pLpC下 页上 页返 回LCRuuLuCi+-+-+-电压、电流的有功分量和无功分量：电压、电流的有功分量和无功分量：以感性负载为例以感性负载为例下 页上 页RX+_+_+_GB+_返 回SPQZRX相似三角形相似三角形IIGIBUURUX下 页上 页返 回反映电源和负载之间交换能量的速率。反映电源和负载之间交换能量的速率。无功功率的物理意义无功功率的物理意义: :下 页上 页返 回例例4-1 三表法测线圈参数。三表法测线圈参数。已已知知：f=50Hz，且且测测得得U=50V，I=1A，P=30W。解法解法 1下 页上 页返 回RL+_ZWAV*解法解法2 又又下 页上 页解法解法 3 返
10、回已知：电动机已知：电动机 PD=1 000W，U=220V，f =50Hz，C =30F cos D=0.8，求：负载电路的求：负载电路的功率因数功率因数。例例4-2解解下 页上 页+_DC返 回7. 功率因数的提高功率因数的提高 设备容量设备容量 S ( (额定额定) )向负载送多少有功功率向负载送多少有功功率要由负载的阻抗角决定。要由负载的阻抗角决定。P=UIcos =Scos cos =1, P=S=75kWcos =0.7, P=0.7S=52.5kW一般用户：一般用户： 异步电机异步电机 空载空载 cos =0.20.3 满载满载 cos =0.70.85 荧光灯荧光灯 cos =
11、0.450.6设设备备不不能能充充分分利利用用，电电流流到到了了额额定定值值，但但功功率率容容量还有。量还有。 功率因数低带来的问题：功率因数低带来的问题：下 页上 页S75kVA负载负载返 回当当输输出出相相同同的的有有功功功功率率时时，线线路路上上电电流流大大，I=P/(Ucos)，线路压降损耗大。线路压降损耗大。12解决办法：解决办法： （1 1）高压传输。）高压传输。 （2 2）改进自身设备。）改进自身设备。 （3 3）并联电容，提高功率因数。）并联电容，提高功率因数。 下 页上 页i+-uZ返 回分析分析12 并联电容后，原负载的电压和电流不变，并联电容后，原负载的电压和电流不变，吸
12、收的有功功率和无功功率不变，即：负载的吸收的有功功率和无功功率不变，即：负载的工作状态不变。但电路的功率因数提高了。工作状态不变。但电路的功率因数提高了。特点：特点：下 页上 页返 回LRC+_并联电容的确定：并联电容的确定：补偿补偿容量容量不同不同全全不要求不要求( (电容设备投资增加电容设备投资增加, ,经济效果不明显经济效果不明显) )欠欠过过功率因数又由高变低功率因数又由高变低( (性质不同性质不同) )下 页上 页12返 回并联电容也可以用功率三角形确定：并联电容也可以用功率三角形确定：12PQCQLQ从功率角度看从功率角度看 : :并并联联电电容容后后，电电源源向向负负载载输输送送
13、的的有有功功功功率率UIL cos1=UIcos2不不变变，但但是是电电源源向向负负载载输输送送的的无无功功UIsin2UILsin1减减少少了了，减减少少的的这这部部分分无无功功功功率率由由电电容容“产产生生”来来补补偿偿，使使感感性性负负载载吸吸收收的的无功功率不变，而功率因数得到改善。无功功率不变，而功率因数得到改善。下 页上 页返 回已知：已知：f=50Hz, U=220V, P=10kW, cos1=0.6，要使功率因数提高到要使功率因数提高到0.9 , , 求并联电容求并联电容C，并联并联前后电路的总电流各为多大？前后电路的总电流各为多大？例例4-3解解未并电容时：未并电容时：并联
14、电容后：并联电容后：下 页上 页返 回LRC+_若要使功率因数从若要使功率因数从0.9再提高到再提高到0.95 , , 试问还应增试问还应增加多少并联电容加多少并联电容，此时电路的总电流是多大？此时电路的总电流是多大？解解 cos 提高后，线路上总电流减少，但提高后，线路上总电流减少，但继续提高继续提高cos 所需电容很大，增加成本，总电所需电容很大，增加成本，总电流减小却不明显。因此一般将流减小却不明显。因此一般将cos 提高到提高到0.9即即可。可。下 页上 页注意 返 回9-5 复功率复功率1. 1. 复功率复功率负负载载+_定义：定义：也可表示为也可表示为下 页上 页返 回引入引入“复
15、功率复功率”下 页上 页结论 是复数，而不是相量，它不对应任意正弦量。是复数，而不是相量，它不对应任意正弦量。注意 把把 P、Q、S 联系在一起，它的实部是平均联系在一起，它的实部是平均功率，虚部是无功功率，模是视在功率。功率，虚部是无功功率，模是视在功率。复功率满足守恒定理：在正弦稳态下，任一电复功率满足守恒定理：在正弦稳态下，任一电路的所有支路吸收的复功率之和为零。即路的所有支路吸收的复功率之和为零。即返 回复功率守恒，视在功率不守恒。复功率守恒，视在功率不守恒。求电路各支路的复功率。求电路各支路的复功率。例例5-1 解解1下 页上 页返 回+_10 0A10j255-j15解解2下 页上
16、 页返 回9-6 最大功率传输最大功率传输Zi= Ri + jXi， ZL= RL + jXL负负载载含含源源网网络络等效电路等效电路下 页上 页ZLZi+-返 回正弦电路中负载获得最大功率正弦电路中负载获得最大功率Pmax的条件。的条件。若若ZL= RL + jXL可任意改变可任意改变 (a)先先设设 RL 不变，不变，XL 改变改变显然，当显然，当Xi + XL=0，即即XL =-Xi时时，P 获得最大值。获得最大值。(b)再讨论再讨论 RL 改变时，改变时，P 的最大值的最大值。下 页上 页讨论 当当RL= Ri 时，时，P 获得最大值获得最大值RL= RiXL =-XiZL= Zi*最
17、佳匹最佳匹配条件配条件返 回若若ZL= RL + jXL只允许只允许XL改变改变 获得最大功率的条件是：获得最大功率的条件是：Xi + XL=0，即即 XL =-Xi 最大功率为最大功率为若若ZL= RL为纯电阻为纯电阻负载获得的功率为负载获得的功率为电路中的电流为电路中的电流为模匹配模匹配下 页上 页返 回电路如图。求：电路如图。求：1.1.RL=5时其消耗的功率；时其消耗的功率；2.2.RL=?能获得最大功率，并求最大功率；能获得最大功率，并求最大功率；3.3.在在RL两端并联一电容，问两端并联一电容，问RL和和C为多大时能与内阻抗为多大时能与内阻抗最佳匹配，并求最大功率。最佳匹配，并求最大功率。例例6-1 解解下 页上 页返 回+_10 0 V50HRL5 =105 rad/s下 页上 页返 回+_10 0V50HRL5C+_10 0V50HRL5求求ZL=?时能获得最大功率，并求最大功率。时能获得最大功率，并求最大功率。例例6-2 解解上 页Zi+-ZL返 回4 90o AZL-j3030-j30
