这一章主要介绍了,对相量法的应用,利用相量法对交流电的分析。根据上一章分析可以知道,相量法分析电路中的相量有两个要素,大小和相位。根据上面总结的电阻电感电容在交流电路内的伏安特性如下:
假设电流为1,相位为0.下图中的蓝线,那么电阻,电感,电容两端电压如红线所示。
1.大小
电阻,电感,电容的电流电压之间的关系。电压等于电流乘上一个系数,这个系数与电阻,电容,电感,还有频率相关。在交流线路来说,频率是固定不变的,因此交流系统中的参数是不变的。电阻,电感,电容的电流电压关系是一个线性关系,可以说,在交流线路中,电容和电感与电阻的伏安特性相同。在交流分析的时候,把电感和电容当成和电阻类似的元件进行分析即可。(在我的印象中,电感和电容的出现,就会使电路边的复杂,电流电压关系存在微分、积分关系,分析就会变得麻烦,事实在交流电路的分析中,是可以当成一样的元件去分析。)
2.角度
电阻不会改变电流电压的角度关系,电感让电压超前电流90度,电容会让电压落后90度。
根据上面分析,可以将电阻,电感,电容的伏安特性用一个种通用的符号,通用的公式来表示出来。这就是阻抗Z。
Z=R+jX
在复平面上来看,电阻在实轴上,电感在虚轴的正半轴上,电容在虚轴负半轴上,将三者统一起来,阻抗Z就是一个带有实部和虚部的复数。
如果只有电阻,那么X=0,Z=R
如果只有电感,那么R=0,X=wL,Z=jwL
如果只有电容,那么R=0,X=-1/wC,Z=-j/wC
如果电阻,电容,电感的串并联组合的阻抗是什么样的。这时候就需要相量的加减法了。
Z1是电感和电阻串联的阻抗,Z2是电阻电感电容串联的阻抗。
串并联后的阻抗的大小,叫阻抗模。
串并联后的阻抗的角度,叫阻抗角。
根据相量加减法可知,经过串并联后的阻抗,没有停留在复平面的坐标轴上,而是停留在象限上,也就是说,阻抗和实轴的角度不是0度,90度,和-90度了,阻抗与实轴的角度会根据电阻,电容,电感的值而改变。是90度到-90度的任何一个值。我们把这个角称为,阻抗的阻抗角。
阻抗角反应了一些特征,因为电感会让阻抗往第一象限移动,电容会让阻抗让第四象限移动,当最终停留在第一象限,阻抗角大于0,电感的作用大于电容的作用,此时阻抗可以称为感性阻抗。当最终停留在第四象限,阻抗角小于0,电容的作用大于电感的作用,此时阻抗可以称为容性阻抗。
可以将这个串并联的电阻,电感,电容看成一个阻抗,阻抗的性质与内部的串并联情况有关。他对外的阻抗为:
他的伏安特性为:
同样,反向过来推导
如果知道一个端口的伏安特性,则可知道这个端口的阻抗
强调一点:因为要设计到串并联计算,就会设计到复数的乘除和加减。
复数的乘除,用指数形式算最方便,复数的加减用代数形式最方便,代数形式和指数的形式之间的转换要灵活运用。
正弦稳态电路的功率
瞬时功率p=ui(电压是瞬时电压,电流是瞬时电流)。
在正弦变化的交流电路中,采用平均功率更有意义。
电阻电容电感的瞬时功率公式:
平均功率公式
然后将电阻,电容,电感的电压电流公式,代入,就得到了一个含有电阻,电感,电容的交流电路的功率情况:
分析:在电阻上消耗的功率,是一直大于0的,就说明电阻在一直消耗能量。在电容和电感上消耗的功率有正有负的,一个周期内为0。说明电容和电感有时在吸收能量,有时消耗能量。而将电感和电容分开来看,他们的符号是相反的,没事每刻。总有一个在吸收能量,一个在释放能量,如果两者的值相同,那么后面那一项为0,就说明电感和电容之间存在能量的交换,电感电容与电源之间并没有能量交换,总之
电源:我们生产能量;
电阻:我们消耗能量;
电感,电容:我们不产生能量,不消耗能量,我们只是能量的搬运工。
继续化简
引入新的定义:
P有功功率,Q无功功率
P的意义:一个端口吸收电源能量的瞬时功率。
Q的意义:端口内,由于储能元件引起的与外部电路交换的功率。
一般的电路,我们都是希望电源输入给一个端口,利用这个端口来消耗能量,将能量转化为其他物理量供我们使用。所以将这个消耗能量的部分成为有功功率,而另一部分Q,就是这个端口与储能元件交换能量的功率,我们称之为无功功率。
视在功率:S=UI
输入给端口的瞬时功率
功率因数:
功率因素就代表,有几成的输入功率可以按照我们期待的那样以有功功率的形式输出。这可以说明无功功率是一个不好的量。他会影响我们功率的传输,工程上也是,功率因数越大越好,无功功率越小越好,根据上面电感电容互补的性质,不难理解,可以在端口内并联电容,串联电感,来改变端口的功率因数(在不影响端口正常工作的前提下)。
因为有功功率,无功功率和视在功率之间的关系为一个三角形,与上述阻抗三角形类似,而且有功,无功和与电阻和电抗有关。完全可以将有功功率,无功功率和视在功率以复数的关系表示。
复数不等于正弦量,他只是可以代表正弦量的一种表示方法。
计算电路时:
采用下述公式计算,会更加方便