第十二章 电路定理

第十二章 电路定理 一、教学基本要求 1、了解周期函数分解为傅里叶级数的方法和信号频谱的概念。 2、理解周期量的有效值、平均值的概念，掌握周期量有效值的计算方法。 3、掌握非正弦周期电流电路的谐波分析法和平均功率的计算，了解滤波器 的概念。 二、教学重点与难点 教学重点： 1、非正弦周期电流电路的电流、电压的有效值、平均值； 2、非正弦周期电流电路的平均功率 3、非正弦周期电流电路的计算方法 叠加定理、戴维宁定理和诺顿定理。 教学难点： 1、叠加定理在非正弦周期电流电路中的应用 2、非正弦周期电流电路功率的计算 三、本章与其它章节的联系： 本章主要讨论非正弦周期电流、电压信号的作用下，线性电路的稳态分析和 计算方法。非正弦周期信号可以分解为直流量和一系列不同频率正弦量之和，每 一信号单独作用下的响应，与直流电路及交流电路的求解方法相同，再应用叠加 定理求解，是前面内容的综合。 四、学时安排 总学时：4 教 学 内 容 学 时 1．非正弦周期信号及周期函数分解为傅立叶级数 2 2．有效值、平均值和平均功率，非正弦周期电流电路的计算 2 五、教学内容 §12.1 非正弦周期信号 生产实际中不完全是正弦电路，经常会遇到非正弦周期电流电路。在电子技 术、自动控制、计算机和无线电技术等方面，电压和电流往往都是周期性的非正 弦波形。 非正弦周期交流信号的特点： 1) 不是正弦波 2) 按周期规律变化，满足： （k=0，1，2⋯..） 式中 T 为周期。图 12.1 为一些典型的 非正弦周期信号。 （a）半波整流波形 （b）锯齿波 （c）方波 图12.1 本章主要讨论非正弦周期电流、电压信号的作用下，线性电路的稳态分析和 计算方法。采用谐波分析法，实质上就是通过应用数学中傅里叶级数展开方法， 将非正弦周期信号分解为一系列不同频率的正弦量之和，再根据线性电路的叠加 定理，分别计算在各个正弦量单独作用下电路中产生的同频率正弦电流分量和电 压分量，最后，把所得分量按时域形式叠加得到电路在 非正弦周期激励下的稳 态电流和电压。 §12.2 周期函数分解为付里叶级数 电工技术中所遇到的非正弦周期电流、电压信号多能满足展开成傅里叶级数 的条件，因而能分解成如下傅里叶级数形式： 也可表示成： 以上两种表示式中系数之间关系为： 上述系数可按下列公式计算： （k=1，2，3⋯⋯） 求出 a0、ak、bk 便可得到原函数 f(t) 的展开式。 注意： 非正弦周期电流、电压信号分解成傅里叶级数的关键在于求出系数 a0、 ak、bk ，可以利用函数的某种对称性判断它包含哪些谐波分量及不包含哪些谐波 分量，可使系数的确定简化，给计算和分析将带来很大的方便。如以下几种周期 函数值得注意： (1) 偶函数 波形对称于纵轴，如图 12.2 所示， 图 12.2 满足： (2) 奇函数 波形对称与原点如图 12.3 所示， 图 12.3 满足： (3) 奇谐波函数 波形镜对称如图 12.4 所示， 图 12.4 满足： (4) 若函数是偶函数又是镜对称时，则只含有奇次的余弦项，即 (5) 若函数是奇函数又是镜对称时，则只含有奇次的正弦相，即 实际中所遇到的周期函数可能较复杂，不易看出对称性，但是如果将波形作 一定的平移，或视为几个典型波形的合成，则也能使计算各次谐波的系数简化。 例12-1 把图示周期性方波电流分解成傅里叶级数。 例 12 — 1 图 解：周期性方波电流在一个周期内的函数表示式为： 各次谐波分量的系数为： （ K 为奇数） 因此， 的傅里叶级数展开式为： 即，周期性方波可以看成是直流分量与一次谐波、三次谐波、五次谐波等的 叠加，如下图所示。 例12-2 给定函数 f(t) 的部分波形如图所示。为使 f(t) 的傅里叶级数中只 包含如下的分量：(1) 正弦分量；(2) 余弦分量；(3) 正弦偶次分量；(4) 余弦 奇次分量。试画出 f(t) 的波形。 例 12 — 2 图 解：(1) f(t) 的傅里叶级数中只包含正弦分量，说明 f(t) 为奇函数，对原点 对称，可用下图波形表示。 (2) f(t) 的傅里叶级数中只包含余弦分量，说明 f(t) 为偶函数，对坐标纵 轴对称，可用下图波形表示。 (3) f(t) 的傅里叶级数中只包含正弦偶次分量，可用下图波形表示。 (4) f(t) 的傅里叶级数中只包含余弦奇次分量，可用下图波形表示。 §12.3 有效值、平均值和平均功率 1. 三角函数的性质 (1) 正弦、余弦函数在一个周期内的积分为 0 ，即： (2) sin2 、 cos2 在一个周期内的积分为 pi ，即： (3) 三角函数的正交性如下式所示： 2. 非正弦周期函数的有效值 设非正弦周期电流可以分解为傅里叶级数： 代入有效值的定义式中有: 利用上述三角函数的性质， 上式中 i 的展开式平方后将含有下列各项： 这样可以求得 i 的有效值为： 由此得到结论： 周期函数的有效值为直流分量及各次谐波分量有效值平方 和的方根。此结论可以推广用于其他非正弦周期量。 3. 非正弦周期函数的平均值 设非正弦周期电流可以分解为傅里叶级数： 则其平均值定义为： 即：非正弦周期电流的平均值等于此电流绝对值的平均值。按上式可求得正 弦电流的平均值为： 注意： (1) 测量非正弦周期电流或电压的有效值要用电磁系或电动系仪表，测量非 正弦周期量的平均值要用磁电系仪表。 (2) 非正弦周期量的有效值和平均值没有固定的比例关系，它们随着波形不 同而不同。 4. 非正弦周期交流电路的平均功率 设任意一端口电路的非正弦周期电流和电压可以分解为傅里叶级数： 则一端口的平均功率为： 代入电压、电流表示式并利用三角函数的性质，得： 式中 由此得出结论： 非正弦周期电流电路的平均功率＝直流分量的功率＋各次谐波的平均功率。 §12.4 非正弦周期交流电路的计算 根据以上讨论可得非正弦周期电流电路的计算步骤如下： （1） 把给定电源的非正弦周期电流或电压作傅里叶级数分解，将非正弦周 期量展开成若干频率的谐波信号； （2） 利用直流和正弦交流电路的计算方法，对直流和各次谐波激励分别计 算其响应； （3） 将以上计算结果转换为瞬时值迭加。 注意: （1）交流各次谐波电路计算可应用相量法， （2）对不同的频率，感抗与容抗是不同的。对直流 C 相当于开路、L 相 于短路。对 k 次谐波有： 例12-3 电路如图（a）所示，电流源为图（b）所示的 方波信号。 求输出电压u0。 已知： 例 12-3 图 （a） （b） 解：计算步骤如下： （1）由例 12－1 知方波信号的展开式为： 代入已知数据 得直流分量 基波最大值 三次谐波最大值 五次谐波最大值 角频率为 ： 因此，电流源各频率的谐波分量表示式为： （2） 对各次频率的谐波分量单独计算 （a） 直流分量 IS0 单独作用时： 把电容断路，电感短路，电路如图（c）所示， 计算得： （c） （b） 基波单独作用时， ，电路如图（a）所示。计算得容 抗和感抗为： 所以阻抗为： 因此 (c) 三次谐波单独作用时， ，计算得容抗和感抗为： 阻抗为： 则： (d) 五次谐波单独作用时， ，计算得容抗和感抗为： 阻抗为： 则： (3) 把各次谐波分量计算结果的瞬时值迭加： 例12-4 图（a）所示电路中各表读数 (有效值) 及电路吸收的功率。 例 12 — 4 图（ a ） 解：(1) 当直流分量 u0 =30V 作用于电路时，L1、L2 短路， C1、C2 开路，电路 如图（b）所示。 （ b ） 所以 (2) 基波作用于电路， u1=120cos1000tV L1、C1 对基波发生并联谐振。所以 ，基波电压加于 L1、C1 并联 电路两端，故 ， ， (3) 二次谐波 u2=60cos(2000t+π/4)V 作用于电路，有 L2、C2 对二次谐波发生并联谐振。所以 ，电压加于 L2、 C2 并联电路两端，故 所以电流表 A1=1A A2 = A3 = 电压表 V1 = V2 = 例12-5 图（a）所示电路中，已知电源 u(t) 是周期函数，波形如图（b）所 示，L=1/2πmH ，C=125/πμF。求：理想变压器原边电流i1(t)及输出电压u2 的有效值。 例 12-5 图（a） （b） 解：由图（b）知 当直流分量 u0 =12V 作用于电路时，电容开路、电感短路，有： 当 作用于电路时，有： 图（a）的原边等效电路如图（c）所示。 （ c ） 电容和电感发生并联谐振，电源电流为零，因此： 则 例12-6 求图示电路中 a、b 两端电压有效值 Uab 、电流 i 及功率表的读数。 已知： 例 12 — 6 图 解：电压有效值 一次谐波作用时： 三次谐波作用时： 所以 功率表读数为 注意：同频率的电压电流构成有功功率。 例12-7 已知图（a）电路中 ，L=0.1H，C3 ＝1μF，电容C1中只有基波电流，电容C3中只有三次谐波电流，求C1、C2和各 支路电流。 例 12-7 图 解：C1 中只有基波电流，说明 L 和 C2 对三次谐波发生并联谐振。所以： C3 中只有三次谐波电流，说明 L、C1、C2 对一次谐波发生串联谐振。所以： 3个谐波分量单独作用时的电路如图（b）、（c）、（d）所示。 （b） 直流作用 （c） 一次谐波作用 （d） 三次谐波作用 由图可计算得：