南京邮电大学电路分析基础2

7-6正弦稳态电路的功率本节讨论正弦稳态单口网络的瞬时功率、平均功率(有功功率)、无功功率、视在功率、复功率和功率因数。正弦稳态单口网络向可变负载传输最大功率的问题。7-6-1二端网络的功率端口电压和电流采用关联参考方向，它吸收的功率为)()()(titutp正弦稳态时，端口电压和电流是相同频率的正弦量，即)cos(2)cos()()cos(2)cos()(iimuumtItItitUtUtu1、瞬时功率瞬时功率为)22cos(cos)]2cos()[cos(21)cos()cos()()()(uiuiummimumZZtUIUItIUtItUtitutpZ=u-i是电压与电流的相位差。瞬时功率由一个恒定分量和一个频率为2ω的正弦分量组成，周期性变化，当p(t)0时，该网络吸收功率；当p(t)0时，该网络发出功率。瞬时功率的波形如图所示。ZUIcosZZTZTUIttUIUITttpTPcosd)]2cos(cos[1d)(10iu0平均功率不仅取决于电压电流有效值乘积VI，还与阻抗角Z=u-I有关。2、平均功率(有功功率)简称功率:在一个周期内的平均值：几种特殊情况。1、网络等效阻抗为一个电阻。)2t2cos()(uUIUItp此时网络电压与电流相位相同，即Z=u-i=0,cosZ=1，波形如图。p(t)在任何时刻均大于或等于零，电阻始终吸收功率和消耗能量。RURIUIP22用电压、电流有效值后，计算电阻消耗的平均功率公式，与直流电路中相同。若用电流、电压的振幅值，上述公式为此时平均功率：RURIIUPmmmm222121212、网络等效阻抗为一个电抗。此时单口网络电压与电流相位为正交关系，即Z=u-i=90,(+电感－电容))9022cos()()9022cos()(uCuLtUItptUItp若假设电压初相为零，得tUItIUtItUtItUtptUItIUtItUtItUtpmmmmmmLmmmmmmC2sin2sin21)sin(cos)2cos(cos)(2sin2sin21)sin(cos)2cos(cos)(是频率为2的正弦量，在一段时间内p(t)0，电感或电容吸收功率获得能量；另外一段时间内p(t)0，电感或电容发出功率释放出它所获得的全部能量。显然，平均功率为可见，电感和电容不消耗能量，它们是无源元件。但要注意，它们的瞬时功率并不为零。或者说，电感和电容需要电源(外电路)供给一定的瞬时功率以满足能量不断的往返交换。P0定义：无功功率把瞬时功率的振幅(最大值)定义为电感和电容的无功功率，以表明电感和电容与外电路电流和电压不断往返的程度。即UIQUIQCL3、任意二端网络的情况电阻分量消耗的平均功率，就是单口网络吸收的平均功率。ZIUPcos设二端网络RUPGIPGURIUIPBjGYXjRZZ2222cos3、视在功率表示一个电气设备的容量，是单口网络所吸收平均功率的最大值，单位：伏安(VA)。例如我们说某个发电机的容量为100kVA，而不说其容量为100kWUIS4、功率因数SPpfZcosZ=u-i为功率因数角。当二端网络为无源元件R、L、C组成时：|Z|90,0pf1。Z0,电路呈容性，电流导前电压；Z0,电路呈感性，电流滞后电压。网络吸收的平均功率P与cosZ的大小密切相关，cosZ表示功率的利用程度，称为功率因数为了提高电能的利用效率，电力部门采用各种措施力求提高功率因数。例如使用镇流器的日光灯电路，它等效于一个电阻和电感的串联，其功率因数小于1，它要求线路提供更大的电流。为了提高日光灯电路的功率因数，一个常用的办法是在它的输入端并联一个适当数值的电容来抵销电感分量，使其端口特性接近一个纯电阻以便使功率因数接近于1。5、无功功率tIUtIUtIUtIUIUtIUIUtpZZZZZZZ2sinsin)2cos1(cos2sinsin2coscoscos)2cos(cos)(上式第二项的最大值为二端网络的无功功率Q。即ZUIQsin可验证L和C时的特殊情况。无功功率反映电源(或外电路)和单口网络内储能元件之间的能量交换情况，单位为乏(var)(无功伏安：voltamperreactive)与功率计算类似:XUQBIQBUXIUIQZ2222sin6、复功率为了便于用相量来计算平均功率，引入复功率。工作于正弦稳态的网络，其电压电流采用关联的参考方向，设iuIIUUQPUIUIUIUIIUSZZZjsinjcos~iu*单位：VAIUN复功率还有两个常用的公式：YUYUUYUUIUSZIIIZIUS2~2~)(注意：电流、电压若用振幅值时，不要忘了要乘1/2。7、复功率守恒复功率守恒定理：对于工作于正弦稳态的电路，由每个独立电源发出的复功率的总和等于电路中其它电路元件所吸收复功率的总和：吸收发出SS~~由此可以导出一个正弦稳态电路的有功功率和无功功率也是守恒的结论。正弦稳态电路中，由每个独立电源发出的有功功率的总和等于电路中其它元件所吸收的有功功率的总和；由每个独立电源发出的无功功率的总和等于电路中其它元件所吸收的无功功率的总和：吸收发出吸收发出QQPP由此可得网络吸收的有功功率等于该网络内每个电阻吸收的平均功率总和。注意正弦稳态电路中视在功率并不守恒。8、功率三角形ZPQS阻抗三角形，导纳三角形，电压三角形，电流三角形和功率三角形都是相似三角形。例17电路相量模型如图，端口电压的有效值U=100V.试求该网络的P、Q、、S、pf。解:设端口电压相量为：9.36106j88j814jj1616j166114jZ16j16-j14+-U网络的等效阻抗：V0100U9.36Var600]~Im[W800]~Re[VA1000~VA6008009.3610009.36100100~1*SZSQSPSSjIUS由于因此A9.36109.361001001ZUI故：所以8.0)9.36cos(cosZpf（导前）例18感性负载接在U=220V,f=50Hz的交流电源上,其平均功率P=1.1KW,功率因数pf=0.5，欲并联电容使负载的功率因数提高到0.8(滞后),求电容。解：负载电流有效值:A105.0220101.13pfUPI感性负载的阻抗角:IU感性负载'ICIC605.0arccosZ设电压相量为：V0220U则负载电流相量:9.368.0arccos'ZA6010I并联电容后，电源电流有效值:A25.68.0220101.1''3pfUPI由于pf’=0.8(滞后),因此功率因数角:A9.3625.6'IU'IICIA9091.4j8.66)-(5-.753j560109.3625.6'IIIC并联电容后，不会影响电阻吸收的平均功率。但电容电流抵消了部分感性负载的电流，功率因数变大，电源电流的有效值由原来的10A减小到6.25A，提高了电源效率。μF7122031491.4CUICUICC由于:得:例19电路工作于正弦稳态，已知电压源电压为.试求该电压源发出的平均功率。Vcos22)(Sttu解：电路的相量模型如图(b)所示。先求出连接电压源单口网络的等效阻抗1j15.0j5.05.1j5.0j11j1)1j1)(j1(5.1j5.0Z分流公式求电流A9011j4524521j1j11j12II可用以下几种方法求电源发出的平均功率W212)1j1Re()Re(4W2115.023W2)~Re(2j24522~2W2cos4522cos121212221211*S1SIZIPRIRIPSPIUSIUPZ发出发出发出用欧姆定律求电流A4521j102S1ZUI7-6-2最大功率传输图(a)所示含独立电源网络用戴维南等效电路代替，得到图(b)。其中，是含源网络的开路电压，Zo=Ro+jXo是含源网络的输出阻抗，ZL=RL+jXL是负载阻抗。ocU负载电流：LLLXRXRUZZUIjj00oc0oc2L02L0oc)()(XXRRUI2L02L02L2)()(XXRRRURIPLoc负载吸收的平均功率：当XL=-Xo时，分母最小，此时得RL=Ro。负载获得最大功率的条件是ooo*LLLjjXRZXRZ所获最大功率：o2ocmax4RUP2L0L2oc)(RRRUP求导数，并令其等于零。0)()(2)(dd2oc4L0LL02L0LURRRRRRRRP最大功率传输定理：工作于正弦稳态的网络向一个负载ZL=RL+jXL供电，由戴维南定理(其中Zo=Ro+jXo)，则在负载阻抗等于含源网络输出阻抗的共轭复数(即）时，负载可以获得最大平均功率：o2ocmax4RUPo*LZZ满足的匹配，称为共轭匹配。o*LZZ例20图示电路，已知ZL为可调负载,试求ZL为何值时可获最大功率?最大功率为多少?解：ab以左运用戴维南电路,得右图。V45250102j22jOCUj2ZL2+10∠0oV-abZLZ0+-abocU1j12j22j2OZ所以,当时,1j1*OLZZ可获最大功率.W5.1214)25(42o2ocmaxRUP在通信和电子设备的设计中，常常要求满足共轭匹配，以便使负载得到最大功率。在负载不能任意变化的情况下，可以在含源单口网络与负载之间插入一个匹配网络来满足负载获得最大功率的条件。本节讨论几种不同频率正弦信号激励的非正弦稳态的平均功率。图7-8-1所示单口网络，在端口电压和电流采用关联参考方向的条件下，假设其电压和电流为21i222mi111mu222mu111m)cos()cos()()cos()cos()(且tItItitUtUtu图7-8-1非正弦稳态的单口网络7-8非正弦周期电路的稳态分析单口网络的瞬时功率为)cos()cos()cos()cos()cos()cos()cos()cos()()()(i111mu222mi222mu111mi222mu222mi111mu111mtItUtItUtItUtItUtitutp瞬时功率随时间作周期性变化，有正交函数的特性，它在一个周期内的平均值（平均功率）为21202211100coscosd)(1PPIUIUttpTPT这说明两种不同频率正弦信号激励的单口网络所吸收的平均功率等于每种正弦信号单独引起平均功率之和。一般来说，n种不同频率正弦信号作用于单口网络引起的平均功率等于每种频率正弦信号单独引起的平均功率之和，即nPPPPP321其中kkkikukkkkIUIUPcos)cos(例8-1已知图7-8-1所示单口网络的电压和电流为试求单口网络吸收的平均功率。解：分别计算每种频率正弦信号单独作用产生的平均功率A)1353cos(2A)6010cos((t)V3