正弦交流电路中电压与电流的关系

正弦交流电路中电压与电流的关系•一、纯电阻电路•1.电压与电流的关系或•相量关系式为：tsinIimtsinUtsinRIiRummRIUmmRIUIUmmRIU上一页下一页返回线性电阻(a)瞬时值表示(b)有效值表示图1纯电阻电路上一页下一页返回Riu+_（a）波形图(b)相量图(c)瞬时功率图图2纯电阻电路的波形图与相量图上一页下一页返回2.电路中的功率•电路任一瞬时所吸收的功率称为瞬时功率，以p表示。p=ui=Umsint·Imsint=U·Isin2t=UI(1-cos2t)=UI-UIcos2t•通常所说的功率是指一个周期内电路所消耗（吸取）功率的平均值，称为平均功率或有功功率，简称功率，用P表示。2T0dt)t2cos1(UIT1PRURIUI222上一页下一页返回•综上所述，电阻电路中的电压与电流的关系可用相量形式的欧姆定律来表示，电阻消耗的功率与直流电路有相似的公式，即UIR●●22PUIIRUR上一页下一页返回例题：例1在纯电阻电路中，已知i=22sin(1000t+30)A，R=10，求：（1）电阻两端电压的瞬时值表达式；（2）用相量表示电流和电压，并作出相量图；（3）求有功功率。2上一页下一页返回解：（1）已知Im=22A，R=10，所以Um=ImR=220V因为纯电阻电路电压与电流同相位，所以u=220sin(1000t+30)V（2）=2230A=22030V相量图如图3所示。（3）P=UI=220×22=4840W222IU上一页下一页返回图3例1的相量图上一页下一页返回二、纯电感电路•电压与电流的关系（1）由上式可知：（1）Um=LIm，即=L•线圈电感L越大，交流电频率越高，则L的值越大，也就是对交流电流的阻碍作用越大，我们把这种“阻力”称作感抗，用XL代表。•XL=L=2fLdtdiLedtdiLeu)90tsin(UtcosLIdt)tsinI(dLdtdiLummmIUIUmm上一页下一页返回L为电感量，单位为亨利（H）,f为流过电感的电流频率，单位为赫兹（Hz）；XL是电感元件两端的电压与流过电流的比值，单位显然是上一页下一页返回(a)瞬时值表示(b)相量表示图4纯电感电路上一页下一页返回（2）由式（1）还可看到电感两端电压超前电流相位90（或/2弧度）（a）波形图(b)相量图(c)瞬时功率图图5纯电感电路的波形图与相量图上一页下一页返回•用相量表示电感元件的电压与电流的关系，则或LjXIULLIjXIjU上一页下一页返回2.电感电路中的功率•（1）瞬时功率p=iLUL=ILMsint·ULMsin(t+90)=ULILsint•（2）有功功率P=0•（3）无功功率式中，QL——电路的无功功率，单位为乏（var）或千乏（kvar）；UL——线圈两端电压的有效值（V）；IL——流过线圈电流的有效值（A）；XL——线圈的感抗（）。LLLLLLLXUXIUIQ22上一页下一页返回例2一线圈的电感量L=0.1H，将其分别接于（1）直流；（2）交流50Hz；（3）交流1000Hz交流电路中，试分别求该电感线圈的感抗XL。解：（1）f=0XL=2fL=0（2）f=50HzXL=2fL=2×3.14×50×0.1=31.4（3）f=1000HzXL=2fL=2×3.14×1000×0.1=328由此例可见电感量一定时，频率越高，则电感对电流的阻碍作用越大，即感抗XL越大。上一页下一页返回解：（1）XL=L=1000×0.01=10，Im=22A，Um=ImXL=220V因为纯电感电路电压超前电流90，故u=220sin(1000t+120)V。（2）=2230A=220120V相量图见图6。P=0Q=UI=220×22=4840var222例3在纯电感电路中，已知i=22sin(1000t+30)A，L=0.01H，求（1）电压的瞬时值表达式；（2）用相量表示电流和电压，并作出相量图；（3）求有功功率和无功功率。2IU上一页下一页返回图6例3的相量图上一页下一页返回三、纯电容电路加在电容元件两个极板上的电压变化时，极板上贮存的电荷Q=CU就随之而变，电荷量随时间的变化率，就是流过联接于电容导线中的电流，即（2）（3）此式也可以写成（4）如图7所示的电容器两端加上正弦电压u=Umsint，则在回路中就有电流dtduCdtdqiidtCu1)90sin()sin(tItCUdttUdCdtduCimmm上一页下一页返回由上式可知：（1）Im=CUm即（5）实验和理论均可证明，电容器的电容C越大，交流电频率越高，则1/C越小，也就是对电流的阻碍作用越小，我们把电容对电流的“阻力”称作容抗，用XC代表。（6）式（5）中，频率f的单位为Hz，电容C的单位为法拉（F），容抗XC的单位仍是欧姆（），XC与电容C和频率f成反比。当C一定时，电容器具有隔直通交的特性，当f=0时，XC=∞，此时电路可视作开路，即“隔直”作用。fCCXC211CIUIUmm1上一页下一页返回(a)瞬时值表示(b)相量表示图7纯电容电路上一页下一页返回（2）式（4）还告诉我们通过电容的电流与它的端电压是同频率的正弦量，电流超前于电压90（或/2弧度）。（a）波形图（b）相量图（c）瞬时功率图图8纯电容电路的波形图与相量图上一页下一页返回电容器两端电压与电流的关系用相量式表示有（7）式（7）不仅表示了电压和电流的大小关系，如表达式（6）所示，同时表示了纯电容电路中电压滞后电流90的关系，我们也可把式（7）写成（8）CjXIUCjICIjXIjUC1上一页下一页返回电容电路中的功率•（1）瞬时功率电容电路所吸收的瞬时功率为p=ui=UmsintImsin(t+90)=UIsin2t，作出瞬时功率曲线图如图8(c)。•（2）有功功率一个周期内的有功功率为零。•（3）无功功率与电感相似，电容与电源功率交换的最大值，称为无功功率，用QC表示，即QC=UI=I2XC=CXU2上一页下一页返回综上所述，电容电路中电压与电流的关系可由相量形式的欧姆定律=-jXC来表达，电容不消耗功率，其无功功率是QC=UI=I2XC=U2/XC。IU上一页下一页返回例4在纯电容电路中，已知i=22sin(1000t+30)A，电容量C=100F，求（1）电容器两端电压的瞬时值表达式；（2）用相量表示电压和电流，并作出相量图；（3）求有功功率和无功功率。2上一页下一页返回解：（1），Im=22A，Um=ImXc=220V。因为纯电容电路中电压滞后电流90，所以u=220sin(1000t-60)V（2）=2230A=220-60V相量图如图3.22所示。（3）P=0，QC=UI=220×22=4840var。10101001000116CXC222IU上一页下一页返回交流电路中的电压与电流的关系（大小和相位）有一定的规律性，是容易掌握的。先将上面介绍的三种分立元件在正弦交流电路中的电压与电流的关系列入表1中，以帮助大家总结和记忆。图9例4的相量图上一页下一页返回表1正弦交流电路中R、L、C元件的电压与电流关系上一页下一页返回作业：3-15，3-16，3-17