電工電子技術(shù) 課件 2任務(wù)三、正弦電路中基本物理量的分析、計算和仿真

任務(wù)三、正弦電路中參數(shù)的分析、計算與仿真電工電子技術(shù)

黃燕華任務(wù)導(dǎo)學(xué)交流電路中電參數(shù)的計算與直流電路中電參數(shù)的計算有什么異同?

任務(wù)導(dǎo)學(xué)項目一中直流電路回路中電參量的計算是在電阻性的線性電路中，回路中不涉及相位的計算，在交流電路中電參量的計算則涉及到相位的計算，每個電參量除了有數(shù)值還有相位，所以要用相量的形式來表示。當然基本的KVL、KCL、歐姆定律同樣是滿足的。任務(wù)情境收音機的原理是把從天線接收到的高頻信號經(jīng)檢波(解調(diào))還原成音頻信號，送到耳機變成音波。由于廣播事業(yè)的發(fā)展，天空中有了很多不同頻率的無線電波。為了選擇所需要的廣播，在接收天線后，有一個選擇性電路，它的作用是把所需的信號(電臺)挑選出來，并把不需要的信號“濾掉”，以免產(chǎn)生干擾，這就是收聽廣播時使用的選臺按鈕，計算廣播電路中的各電參數(shù)，分析收音機實現(xiàn)選臺功能的原理。任務(wù)實施收音機選頻電路示意圖１)串聯(lián)諧振發(fā)生的條件是什么?改變可調(diào)電容器Ｃ的電容量，就能使電路對所需廣播信號發(fā)生串聯(lián)諧振，現(xiàn)要接收ｆ０＝８２６ｋＨｚ的廣播信號，計算可調(diào)電容器的電容量Ｃ。２)什么是諧振的品質(zhì)因數(shù)?為什么要引入諧振的品質(zhì)因數(shù)?求出諧振電路的品質(zhì)因數(shù)Ｑ。３)假設(shè)該頻率信號的電壓有效值Ｕ＝１４μＶ，計算電路中的電流Ｉ及電容器兩端的電壓ＵＣ。４)假設(shè)信號頻率為ｆ＝８１８ｋＨｚ，計算其電容器的容抗和電路的電抗，計算電路中總阻抗Ｚ。５)假設(shè)信號頻率為ｆ＝８１８ｋＨｚ，其電壓有效值也是Ｕ＝１４μＶ，計算電路中的電流Ｉ′及電容器兩端的電壓Ｕ′Ｃ。６)在輸入信號電壓有效值相同時，比較諧振頻率ｆ０＝８２６ｋＨｚ和非諧振頻率ｆ＝８１８ｋＨｚ下電容器兩端電壓的數(shù)值關(guān)系。７)基于Ｍｕｌｔｉｓｉｍ仿真軟件仿真以上電路中的電參數(shù)，并將仿真結(jié)果和計算結(jié)果填入表２-１１中(提示:用Ｍｕｌｔｉｓｉｍ仿真軟件中的交流分析模塊進行交流電路中電參數(shù)的分析)。知識鏈接一、RLC串聯(lián)電路的分析與計算二、阻抗串聯(lián)的正弦交流電路三、阻抗并聯(lián)交流電路四、交流電路中的諧振

五、Multisim軟件中的交流分析（ACSweep）

一、RLC串聯(lián)電路的分析與計算電工電子技術(shù)

黃燕華一、RLC串聯(lián)電路的分析與計算一.電阻、電感和電容元件串聯(lián)交流電路RL電感線圈電路模型R--L串聯(lián)交流電路。uLR----+--+--uLC++uCuRiR--L--C串聯(lián)交流電路普遍適用的情況。(一)電壓、電流關(guān)系電流i=Imsinωt各元件端電壓uR=ImRsinωt=URmsinωtuC=ImXCsin（ωt--90°）=UCm

sin（ωt--90°）uL=ImXLsin（ωt+90°）=ULm

sin（ωt+90°）uLR----+--+--uLC++uCuRiR--L--C串聯(lián)交流電路KVLu=uR+uL

+uC基爾霍夫定律的相量形式基爾霍夫定律的相量形式式中代入上式復(fù)數(shù)阻抗單位：歐姆----R+--+--++電壓、電流關(guān)系或歐姆定律的相量形式。電路的時域模型與相量模型uLR----+--+--uLC++uCuRi----R+--+--++（二）復(fù)數(shù)阻抗1.復(fù)數(shù)阻抗的兩種表示形式代數(shù)形式Z=R+jX與電路的參數(shù)對應(yīng)實部--電阻R虛部--電抗

X=XL--XC極坐標形式阻抗模表示了電壓與電流的數(shù)量關(guān)系。幅角φ=ψu--ψi表示了電壓與電流的相位關(guān)系。阻抗角----R+--+--++2.阻抗三角形復(fù)數(shù)阻抗的兩種表示形式可以進行互換極坐標形式→代數(shù)形式電阻電抗代數(shù)形式→極坐標形式阻抗模阻抗角阻抗三角形φRXφI·U·UR·UL·UC·φI·U·UR·UL·UC·當XL＞XC

,電抗X＞0,阻抗角φ＞0,

電壓u超前于電流i。電感性電路。當XL＜XC

,電抗X＜0,阻抗角φ＜0,電流i超前于電壓u

。電容性電路。根據(jù)電源頻率和電路參數(shù)的不同，電壓、電流的相位關(guān)系不同。3.電壓與電流的相位關(guān)系阻抗角當XL=XC

,電抗X=0,阻抗角φ=0,電壓u與電流i同相位。電路處于諧振狀態(tài)。參考正弦量參考相量相量圖的畫法----R+--+--++（三）正弦交流電路的功率以RLC串聯(lián)電路為例,所得結(jié)論普遍適用。電壓u=Umsin(ωt+ψu)電流I=Imsin(ωt+ψi)p=ui=UIcosφ—UIcos(2ωt+ψu+ψi)φ=ψu--ψi(一)瞬時功率(二)平均功率P功率因數(shù)功率因數(shù)角--λ=cosφ平均功率(三)無功功率Q衡量電路中儲能元件(L和C)與電源進行能量交換的規(guī)模。電感元件的無功功率QL和電容元件的無功功率QC是相互補償?shù)?，電路與電源進行的能量交換是二者的差值。無功功率Q=UIsinφ(四)視在功率SS=UI單位:伏安（VA）千伏安（kVA）視在功率表示交流電源的發(fā)電能力，即可能發(fā)出的最大電功率。(五)功率三角形PSQφ單位:乏（Var）二、阻抗串聯(lián)的正弦交流電路電工電子技術(shù)

黃燕華二、阻抗串聯(lián)的交流電路熒光燈電路RLjXLU·I·--+R鎮(zhèn)流器燈管+-U·I·Z+-+-+-+-U·U1·U2·Un·I·Z1Z2Zn不含源單口網(wǎng)絡(luò)等效變換據(jù)KVL式中代入KVL式+-U·I·Z+-+-+-+-U·U1·U2·Un·I·Z1Z2Zn等效變換等效阻抗等于各個串聯(lián)之阻抗和。三、阻抗并聯(lián)交流電路電工電子技術(shù)

黃燕華三、并聯(lián)交流電路+-U·I·Z+-U·I·I1·I2·Z1Z2(一)等效阻抗推廣等效阻抗Z根據(jù)等效條件端口的伏安關(guān)系相同(二)并聯(lián)阻抗的分流作用+-U·I·I1·I2·Z1Z2兩個阻抗并聯(lián)的等效阻抗同理四、交流電路中的諧振電工電子技術(shù)

黃燕華四、交流電路中的諧振----R+--+--++一.串聯(lián)諧振電路的感抗、容抗和阻抗都是頻率的函數(shù)。感抗容抗阻抗模阻抗角（一）串聯(lián)諧振的條件電源電壓幅值不變、頻率變化，電路中電流、電壓將發(fā)生變化，即響應(yīng)是頻率的函數(shù)。諧振諧振條件串聯(lián)諧振角頻率串聯(lián)諧振頻率當電路參數(shù)與頻率滿足特定關(guān)系時，XL=XC、阻抗角φ=0，電壓與電流同相位，電路呈現(xiàn)純電阻性。U·I·（二）串聯(lián)諧振的特點（1）電壓與電流同相位，阻抗角φ=0，串聯(lián)電路呈現(xiàn)純電阻性。U·I·ω＜ω0、XL＜XC、φ＜0，電壓滯后于電流，串聯(lián)電路呈現(xiàn)電容性。U·I·ω＞ω0、XL

＞XC、φ＞0，電壓超前于電流，串聯(lián)電路呈現(xiàn)電感性。U·I·（2）阻抗值最小Z=R+j（

XL

－XC

）=R（3）電源電壓有效值保持不變，電流達最大值（4）可能產(chǎn)生過電壓現(xiàn)象。UC·UL·UR·U·=I·諧振時XL=XC

，電感端電壓與電容端電壓相互補償，即。電源電壓等于電阻端電壓，即。UL·UC·=－UR·U·=UC·UL·UR·U·=I·電源電壓有效值U=UR=I0R電感電壓有效值電容電壓有效值如果諧振時XL=XC＞＞R，則UL=UC

＞＞U產(chǎn)生過電壓現(xiàn)象品質(zhì)因數(shù)諧振時電感或電容電壓與電源電壓之比Q是衡量諧振劇烈程度的物理量。二.并聯(lián)諧振jXL+-I·U·-jXCRIRL·IC·電感線圈(R-L電路)與電容C并聯(lián)。(一)諧振條件和諧振頻率并聯(lián)電路的等效阻抗電感線圈電阻R＜＜ωL,上式可簡化為諧振條件和同相位,電路呈現(xiàn)純電阻性。I·U·諧振角頻率諧振頻率并聯(lián)電路的復(fù)阻抗應(yīng)為正實數(shù),上式中虛部等于零。諧振條件(二)并聯(lián)諧振的特點(1)阻抗近似為最大值。Z達最大值(近似)(2)電源電壓為定值U,諧振電流為最小值(近似)。上式中分母虛部為零

與同相位,電路呈現(xiàn)純電阻性,等效為一個高電阻。I·U·L-C高阻諧振濾波器諧振頻率為fN,對噪音信號發(fā)生諧振,呈現(xiàn)最大阻抗,噪音信號基本上降落在L-C并聯(lián)電路兩端,負載只接受有用信號eS。--RSeN++--eSfSfN負載有用信號噪音信號在電力系統(tǒng)中用做高頻阻波器。應(yīng)用舉例CLfN高阻諧振濾波器(4)可能出現(xiàn)過電流現(xiàn)象。支路電流與近似反相，數(shù)值相等。IRL·IC·當1／（ω0C）≈ω0L＞＞R時，支路電流IRL≈IC＞＞I0（總電流）。jXL+-I·U·-jXCRIRL·IC·U·I·IC·IRL·φRL五、Multisim軟件中的交流分析（ACSweep）電工電子技術(shù)

黃燕華五、Multisim軟件中的交流分析（ACSweep）交流分析儀即頻率響應(yīng)分析，即用于分析電路的幅頻特性和相頻特性。在交流分析中，電路中所有的非線性元器件都用它們的線性小信號模型來處理。所以Multisim首先計算靜態(tài)工作點以得到各非線性元器件的線性化小信號模型。其次，根據(jù)電路建立一個復(fù)變函數(shù)矩陣。要建立矩陣，所有直流電源需設(shè)為零，交流電源、電感、電容，則由他們的交流模型來代替，數(shù)字器件被視為高阻接地。在進行交流分析時，電路的輸入信號將被忽略。最后，計算電路隨頻率變化的響應(yīng)。如果對電路中某節(jié)點進行計算，結(jié)果會產(chǎn)生該節(jié)點電壓幅值隨頻率變化的曲線（即幅頻特性曲線），以及該節(jié)點電壓相位隨頻率變化的曲線（即相頻特性曲線），其結(jié)果與伯德圖儀分析結(jié)果相同。單擊菜單欄“Simulate”→“Analysisandsimulate”→“ACSweep”命令，彈出交流分析對話框，對話框包括四個選項，“Frequencyparameters”“Output”“Analysisoptions”

“Summary”。交流分析對話框“Frequencyparameters”選項卡“Frequencyparameters”選項卡的功能與設(shè)置，“Startfrequency(FSTART)”為起始頻率；“Stopfrequency(FSTOP)”為終止頻率；“Sweeptype”為掃描類型，其橫坐標刻度形式有：十倍頻（Decade）、線性（Linear）和二倍頻程（Octave）三種，默認設(shè)置為Decade；“Numberofpointsperdecade”為顯示點數(shù)；“Verticalscale”為縱坐標刻度，有對數(shù)（Logarithmic）、線性（Linear）、二倍頻程（Octave）和分貝（Decibel）四種形式，默認設(shè)置為Logarithmic；“Resettodefault”為設(shè)置恢復(fù)為默認值。ACSweep交流分析中Frequencyparameters選項卡功能與設(shè)置Output選項卡Output選項卡如圖2-53所示，主要用于選擇要分析的節(jié)點?！癡ariablesincircuit”:在下拉列表框中選擇要分析的變量。下拉列表框中有六個變量，分別是靜態(tài)探針、電壓和電流、電壓、電流、元件/模型參數(shù)和所有變量。默認選項是所有變量?！癆dd”按鈕和“Remove”按鈕：在“Variablesincircuit”文本框中選中一個變量，單擊“Add”按鈕,就可以把該變量添加到“Selectedvariablesforanalysis”文本框內(nèi);反向移動變量,則單擊“Remove”按鈕?！癋ilterunselectedvariables…”按鈕，單擊該按鈕，彈出如圖2-53所示的過濾節(jié)點復(fù)選框，可以在“Variablesincircuit”下拉列表框中添加沒有自動被選擇的一些節(jié)點：內(nèi)部節(jié)點、子模塊和開路引腳。ACSweep交流分析中Output選項卡功能與設(shè)置過濾節(jié)點復(fù)選框Analysisoptions選項卡Analysisoptions選項卡如圖2-55所示，主要用于選擇仿真環(huán)境參數(shù)。ACSweep交流分析中Analysisoptions選項卡功能與設(shè)置Summary選項卡Summary選項卡，Summary選項卡主要用于對以上選擇進行確認，確認無誤后單擊“Simulate”開始仿真。ACSweep交流分析中Summary選項卡功能與設(shè)置任務(wù)實施收音機選頻電路示意圖１)串聯(lián)諧振發(fā)生的條件是什么?改變可調(diào)電容器Ｃ的電容量，就能使電路對所需廣播信號發(fā)生串聯(lián)諧振，現(xiàn)要接收ｆ０