单元02:正弦稳态分析
电路分析基础(2026)· 第5-6章
知识结构总览
正弦稳态分析
├─ 5. 正弦稳态电路的分析
│ ├─ 5.1 正弦量的基本概念
│ │ ├─ 5.1.1 频率与周期
│ │ ├─ 5.1.2 振幅与有效值
│ │ └─ 5.1.3 初相位
│ ├─ 5.2 正弦量的相量表示法
│ │ ├─ 5.2.1 复数及其运算
│ │ ├─ 5.2.2 相量的概念
│ │ ├─ 5.2.3 相量图
│ │ └─ 5.2.4 相量的运算性质
│ ├─ 5.3 两类约束的相量形式
│ │ ├─ 5.3.1 基尔霍夫定律的相量形式
│ │ └─ 5.3.2 元件伏安关系的相量形式
│ ├─ 5.4 无源单口网络的阻抗
│ │ ├─ 5.4.1 阻抗的概念
│ │ ├─ 5.4.2 阻抗的串联与并联
│ │ └─ 5.4.3 电路的相量模型
│ ├─ 5.5 正弦稳态电路的相量法分析
│ │ ├─ 5.5.1 简单交流电路的分析
│ │ └─ 5.5.2 网孔法与节点法
│ ├─ 5.6 正弦交流电路的功率
│ │ ├─ 5.6.1 ~ 5.6.5 四种功率
│ │ ├─ 5.6.6 功率因数的提高
│ │ └─ 5.6.7 最大功率传输
│ ├─ 5.7 电路的频率响应
│ │ ├─ 5.7.1 网络函数与频率特性
│ │ ├─ 5.7.2 RC低通滤波电路
│ │ └─ 5.7.3 RC高通滤波电路
│ └─ 5.8 谐振电路
│ ├─ 5.8.1 串联谐振
│ └─ 5.8.2 并联谐振
└─ 6. 耦合电感和理想变压器
├─ 6.1 耦合电感
│ ├─ 6.1.1 互感
│ ├─ 6.1.2 耦合电感的伏安关系
│ ├─ 6.1.3 同名端
│ └─ 6.1.4 等效电路模型
├─ 6.2 含耦合电感的正弦稳态电路的分析
│ ├─ 6.2.1 直接列写方程法
│ └─ 6.2.2 去耦等效分析法
├─ 6.3 空心变压器
└─ 6.4 理想变压器
├─ 6.4.1 主要性能
└─ 6.4.2 含理想变压器的电路分析
5.1 正弦量的基本概念
5.1.1 频率与周期
- 周期 T:正弦量完成一次周期性变化所需的时间,单位:秒(s)
- 频率 f:单位时间内正弦量完成周期性变化的次数,$f = 1/T$,单位:赫兹(Hz)
- 角频率 ω:正弦量相位变化的速度,$\omega = 2\pi f = 2\pi/T$,单位:弧度/秒(rad/s)
- 工频:我国电力系统标准频率为50Hz,即 $\omega = 100\pi \approx 314$ rad/s
5.1.2 振幅与有效值
- 瞬时值:$i(t) = I_m \sin(\omega t + \varphi)$
- 振幅(最大值) $I_m$:正弦量的最大值
- 有效值(RMS值):与正弦量产生相同热效应的直流值 $$I = \frac{I_m}{\sqrt{2}} \approx 0.707 I_m$$
- 有效值的意义:交流电表的读数通常为有效值;电气设备的额定值也用有效值表示
5.1.3 初相位
- 相位:$\omega t + \varphi$,表示正弦量在某一时刻的状态
- 初相位 $\varphi$:$t=0$ 时刻的相位角,$|\varphi| \leq \pi$
- 物理意义:反映正弦量在计时起点时的状态
- 相位差:两个同频率正弦量的初相位之差,$\varphi = \varphi_1 - \varphi_2$
- $\varphi > 0$:u 超前 i(或 i 滞后 u)
- $\varphi < 0$:u 滞后 i(或 i 超前 u)
- $\varphi = 0$:u 与 i 同相
- $\varphi = \pi$:u 与 i 反相
5.2 正弦量的相量表示法
5.2.1 复数及其运算
- 复数表示:
- 代数形式:$A = a + jb$($j^2 = -1$)
- 指数形式:$A = |A|e^{j\theta}$
- 极坐标形式:$A = |A|\angle\theta$
- 基本运算:
- 加减法:实部与实部相加减,虚部与虚部相加减
- 乘除法:模相乘除,辐角相加减
- 共轭复数:$\bar{A} = a - jb = |A|\angle(-\theta)$
5.2.2 相量的概念
- 定义:用复数来表示正弦量的振幅(或有效值)和初相位
- 振幅相量:$\dot{I}_m = I_m e^{j\varphi} = I_m\angle\varphi$
- 有效值相量:$\dot{I} = I e^{j\varphi} = I\angle\varphi$(工程中更常用)
- 对应关系:$i(t) = I_m \sin(\omega t + \varphi) \leftrightarrow \dot{I}_m = I_m\angle\varphi$
- 注意:相量只能表示同频率的正弦量;不同频率的正弦量不能用同一相量表示
5.2.3 相量图
- 定义:在复平面上用有向线段表示相量的图形
- 画法:以坐标原点为起点,长度表示有效值(或振幅),角度表示初相位
- 用途:直观表示各正弦量之间的相位关系;辅助进行相量的加减运算
5.2.4 相量的运算性质
- 时域微分对应相量乘法:$\frac{d}{dt} \rightarrow j\omega$
- 时域积分对应相量除法:$\int dt \rightarrow \frac{1}{j\omega}$
- 同频率正弦量的线性运算:可用相量直接进行加减
5.3 两类约束的相量形式
5.3.1 基尔霍夫定律的相量形式
- KCL的相量形式:$\sum \dot{I} = 0$(流入节点的相量电流之和为零)
- KVL的相量形式:$\sum \dot{U} = 0$(沿回路的相量电压之和为零)
- 说明:相量形式的KCL和KVL与直流电路形式完全相同,但运算对象是复数
5.3.2 电路元件伏安关系的相量形式
电阻 R
R
$\dot{U}_R = R\dot{I}_R$
电压与电流同相
电感 L
L
$\dot{U}_L = j\omega L \cdot \dot{I}_L$
电压超前电流90°
感抗 $X_L = \omega L$
电容 C
C
$\dot{U}_C = \frac{1}{j\omega C}\dot{I}_C$
电压滞后电流90°
容抗 $X_C = \frac{1}{\omega C}$
5.4 无源单口网络的阻抗
阻抗
5.4.1 阻抗的概念
$$Z = \frac{\dot{U}}{\dot{I}} = R + jX = |Z|\angle\varphi_z$$
- 电阻部分(实部):$R = |Z|\cos\varphi_z$
- 电抗部分(虚部):$X = |Z|\sin\varphi_z$
- 阻抗模:$|Z| = \sqrt{R^2 + X^2}$
- 阻抗角:$\varphi_z = \arctan(X/R)$(即电压超前电流的角度)
导纳:$Y = 1/Z = G + jB$
5.4.2 阻抗的串联与并联
- 串联:$Z_{eq} = Z_1 + Z_2 + \cdots + Z_n$
- 并联:$Y_{eq} = Y_1 + Y_2 + \cdots + Y_n$(即 $\frac{1}{Z_{eq}} = \frac{1}{Z_1} + \frac{1}{Z_2} + \cdots + \frac{1}{Z_n}$)
- 分压公式:$\dot{U}_k = \frac{Z_k}{Z_1+Z_2+\cdots+Z_n} \cdot \dot{U}$
- 分流公式:$\dot{I}_k = \frac{Y_k}{Y_{eq}} \cdot \dot{I}$(即 $\dot{I}_k = \frac{Z_{eq}}{Z_k} \cdot \dot{I}$)
5.4.3 电路的相量模型
- 建立方法:将电路中各元件用其相量模型替换
- 电阻 → $R$
- 电感 → $j\omega L$
- 电容 → $1/(j\omega C)$
- 电压源 → $\dot{U}_s$,电流源 → $\dot{I}_s$
- 特点:相量模型中各量都是复数,分析方法与直流电阻电路相同
5.5 正弦稳态电路的相量法分析
5.5.1 简单交流电路的分析
1
将时域电路转化为
相量模型
相量模型
2
利用阻抗串并联
化简电路
化简电路
3
利用KCL、KVL和
欧姆定律列方程
欧姆定律列方程
4
求解相量并转化
回时域
回时域
5.5.2 交流电路中的网孔法与节点法
- 网孔法:与直流电路形式相同,只是阻抗为复数 $$Z_{11}\dot{I}_{m1} + Z_{12}\dot{I}_{m2} + \cdots = \dot{U}_{s11}$$
- 节点法:与直流电路形式相同,只是导纳为复数 $$Y_{11}\dot{U}_{n1} + Y_{12}\dot{U}_{n2} + \cdots = \dot{I}_{s11}$$
5.6 正弦交流电路的功率
5.6.1 瞬时功率
- 定义:$p(t) = u(t) \cdot i(t)$
- 表达式:$p(t) = UI\cos\varphi_z - UI\cos(2\omega t + \varphi_u + \varphi_i)$
- 恒定分量(平均功率)+ 两倍频波动分量
5.6 四种功率一览
有功功率
平均功率 P
电路实际消耗的功率,单位:瓦特(W)
$P = UI\cos\varphi_z$
$\lambda = \cos\varphi_z$
反映电能利用率
无功功率
无功功率 Q
反映电场与磁场之间能量交换的规模,单位:乏(var)
$Q = UI\sin\varphi_z$
$Q > 0$:感性
$Q < 0$:容性
视在功率
视在功率 S
电压与电流有效值的乘积,单位:伏安(VA)
$S = UI = \sqrt{P^2 + Q^2}$
设备额定容量
复功率
复功率 $\tilde{S}$
统一表示有功和无功功率,复功率守恒
$\tilde{S} = \dot{U}\dot{I}^* = P + jQ$
$\sum \tilde{S} = 0$
5.6.6 电路功率因数的提高
功率因数
并联电容补偿
意义:减小线路电流,降低传输损耗,提高设备利用率
方法:并联适当的电容(补偿感性负载的无功功率)
$$C = \frac{P(\tan\varphi_1 - \tan\varphi_2)}{\omega U^2}$$
- $\varphi_1$:补偿前的功率因数角
- $\varphi_2$:补偿后的目标功率因数角
- $P$:负载有功功率
- $U$:电源电压有效值
5.6.7 最大功率传输
最大功率
共轭匹配条件
$$Z_L = Z_s^* \quad \Rightarrow \quad R_L = R_s, \; X_L = -X_s$$
$$P_{max} = \frac{|U_s|^2}{8R_s}$$
- 条件:负载阻抗等于电源内阻抗的共轭(共轭匹配)
- 最大功率:$P_{max} = \dfrac{|U_s|^2}{8R_s}$
5.7 电路的频率响应
5.7.1 网络函数与频率特性
- 网络函数:$H(j\omega) = \dfrac{\dot{Y}(j\omega)}{\dot{X}(j\omega)}$(输出相量与输入相量之比)
- 幅频特性:$|H(j\omega)|$ 随频率变化的关系
- 相频特性:$\arg H(j\omega)$ 随频率变化的关系
RC低通滤波电路
R串联,C并联输出
$H(j\omega) = \dfrac{1}{1+j\omega RC}$
截止角频率:$\omega_c = 1/(RC)$
低频通过,高频衰减
RC高通滤波电路
C串联,R并联输出
$H(j\omega) = \dfrac{j\omega RC}{1+j\omega RC}$
截止角频率:$\omega_c = 1/(RC)$
高频通过,低频衰减
频率特性
RC低通滤波电路分析
- $\omega \ll \omega_c$:$|H| \approx 1$,信号通过
- $\omega = \omega_c$:$|H| = 1/\sqrt{2}$(-3dB点)
- $\omega \gg \omega_c$:$|H| \to 0$,信号被抑制
5.8 谐振电路
串联谐振
5.8.1 串联谐振
定义:R-L-C串联电路中,当感抗等于容抗时发生的谐振
$$\omega_0 L = \frac{1}{\omega_0 C} \quad \Rightarrow \quad \omega_0 = \frac{1}{\sqrt{LC}}$$
- 阻抗最小:$Z = R$(纯电阻)
- 电流最大:$I = U/R$
- 电压与电流同相(功率因数 = 1)
- 电感电压与电容电压大小相等、方向相反,可能远大于电源电压
- 品质因数:$Q = \dfrac{\omega_0 L}{R} = \dfrac{1}{\omega_0 CR}$
- Q越大,谐振曲线越尖锐,选择性越好
并联谐振
5.8.2 并联谐振
定义:R-L-C并联电路中发生的谐振
$$\omega_0 = \frac{1}{\sqrt{LC}}$$
- 导纳最小(阻抗最大)
- 总电流最小
- 各支路电流可能远大于总电流
- 电路呈纯电阻性
- 品质因数:$Q = R\sqrt{\dfrac{C}{L}} = \dfrac{R}{\omega_0 L} = \omega_0 RC$
串联谐振 vs 并联谐振
串联谐振
串联
阻抗:最小($Z=R$)
电流:最大
$Q = \dfrac{\omega_0 L}{R}$
Q与R成反比
R越小,损耗越小,Q越大
并联谐振
并联
阻抗:最大
总电流:最小
$Q = \omega_0 RC$
Q与R成正比
R越大,分流越小,Q越大
6.1 耦合电感
6.1.1 互感
- 定义:当一个线圈中的电流变化时,不仅在本线圈中产生感应电压,还在相邻线圈中产生感应电压的现象
- 互感系数 M:$M_{12} = M_{21} = M$
- 耦合系数:$k = M/\sqrt{L_1 L_2}$,$0 \leq k \leq 1$
- $k = 0$:无耦合
- $k = 1$:全耦合(理想情况)
6.1.2 耦合电感的伏安关系
伏安关系
时域与相量形式
电压方程:
$$u_1 = L_1\frac{di_1}{dt} \pm M\frac{di_2}{dt}$$
$$u_2 = L_2\frac{di_2}{dt} \pm M\frac{di_1}{dt}$$
M前的正负号取决于电流方向与同名端的关系(同侧取正,异侧取负)
相量形式:
$$\dot{U}_1 = j\omega L_1\dot{I}_1 \pm j\omega M\dot{I}_2$$
$$\dot{U}_2 = j\omega L_2\dot{I}_2 \pm j\omega M\dot{I}_1$$
6.1.3 耦合电感的同名端
- 定义:当两线圈电流同时从同名端流入(或流出)时,互感磁通与自感磁通方向相同
- 判断方法:
- 标记法:用"•"或"*"标记同名端
- 右手螺旋法则:根据绕向判断
- 作用:确定互感电压的正负号
6.1.4 耦合电感的等效电路模型
- 去耦等效:将耦合电感用无互感的等效电路替代
- T型等效(同名端相连时):等效电感分别为 $L_1-M$、$L_2-M$、$M$
- 应用:将含互感的电路转化为无互感电路,便于分析
6.2 含耦合电感的正弦稳态电路的分析
6.2.1 直接列写方程法
步骤:
1. 设定各支路电流的参考方向
2. 根据同名端确定互感电压的正负
3. 列写KVL方程(注意互感电压项)
4. 联立求解
6.2.2 去耦等效分析法
步骤:
1. 根据同名端位置,画出去耦等效电路
2. 在等效电路中不含互感,可按常规方法分析
3. 求解等效电路后再回到原电路
6.3 空心变压器
空心变压器
电路模型与反映阻抗
结构:两个耦合线圈绕在同一非铁磁材料骨架上
- 原边:电压源 $\dot{U}_s$、电阻 $R_1$、电感 $L_1$
- 副边:电阻 $R_2$、电感 $L_2$,互感 $M$
- 反映阻抗:副边对原边的影响可用一个反映阻抗 $Z_r = (\omega M)^2/Z_{22}$ 表示
6.4 理想变压器
6.4.1 理想变压器的主要性能
理想变压器
主要性能参数
理想化条件:$k = 1$(全耦合),$L_1, L_2 \to \infty$,无损耗
$$n = \frac{N_1}{N_2} \quad \text{(变比:匝数比)}$$
- 电压关系:$u_1/u_2 = n$
- 电流关系:$i_1/i_2 = -1/n$(负号表示电流方向相反)
- 阻抗变换:$Z_{in} = n^2 Z_L$(副边阻抗 $Z_L$ 折算到原边为 $n^2 Z_L$)
- 功率关系:输入功率等于输出功率,$u_1 i_1 + u_2 i_2 = 0$
6.4.2 含理想变压器的电路分析
1
确定变比 n
和同名端
和同名端
2
列写电压电流
关系方程
关系方程
3
阻抗变换法:
副边折算到原边
副边折算到原边
4
结合KCL/KVL
联立求解
联立求解
分析方法
两种分析方法
- 方法一:利用电压电流关系和KCL、KVL列方程
- 方法二:阻抗变换法(将副边阻抗折算到原边)
注意同名端影响电压和电流的方向关系
阻抗变换时要注意同名端的位置