這一章提出了一個(gè)熟悉又陌生的定義:相量。最開始接觸相量是與標(biāo)量相對應(yīng)的。標(biāo)量是只有大小的量。相量是既有方向又有大小的量。電路中的提到的相量與數(shù)學(xué)中定義,性質(zhì),都是一樣的。相量的兩個(gè)要素是大小和方向。
簡單介紹如下
復(fù)數(shù)的各種形式:
電路中提到相量這一概念,無非就是對電路中的物理量電壓、電流進(jìn)行分析。在前幾章的學(xué)習(xí)中,電流、電壓的大小和方向有涉及到,也有參考方向這一概念,現(xiàn)在又出現(xiàn)了相量這個(gè)概念。既然是提出的新概念,那必然具有不同的意義。書中有說:向量法是分析研究正弦電流電路穩(wěn)定狀態(tài)的一種簡單的方法。正弦電流電路就是交流電路,也就是說相量法用于分析交流電路。在交流電路的相量分析中,大小不像直流電路那么單一,有幅值,有效值,平均值等很容易混淆的量。而方向表示的不是電流流動(dòng)的方向,是相位這個(gè)概念。幅值、有效值、平均值、相位都是伴隨著交流電路的提出而提出的。那交流電路是什么,且看下面介紹:
正弦量:
正弦電流的表達(dá)式:i=Imsin(ωt+ji)
三要素:
Im:振幅,也就是正弦波的最大值、峰值,其峰峰值為2 Im
ωt+ji可以表示為隨時(shí)間變化的相位,單位rad。
ω:角頻率,表示的是正弦量隨著時(shí)間變化的角速度單位rad/s(弧度/秒)。
角頻率和周期的關(guān)系為:
ωT=2π:轉(zhuǎn)2π所用的時(shí)間為一個(gè)周期,T。
角頻率和頻率;
ω=2πf:頻率f單位1/s(1/秒),也叫Hz(赫茲);
f=1/T:一秒內(nèi)轉(zhuǎn)過的周期。
ji:正弦量在t=0時(shí)刻時(shí)的相位,正弦量的初相位。
有效值
正弦波是一個(gè)時(shí)刻變化的量,在對正弦波進(jìn)行計(jì)算時(shí),通常將正弦波在一個(gè)周期內(nèi)產(chǎn)生的平均效應(yīng)換算為等效的直流量,這一等效值被成為周期量的有效值。
注:是周期量在一個(gè)周期內(nèi)的有效值。有效值又叫方均根值(rms)公式如下:
為防止混淆,介紹下平均值的求法。
平均值
與有效值不同,平均值就是周期數(shù)值的累加。
有效值的物理意義是將交流作用等效為直流作用,以電流流過電阻為例,當(dāng)正弦電流為正產(chǎn)生的熱量和正弦電流為負(fù)時(shí)產(chǎn)生的熱量相同,產(chǎn)生的效果是相同的,因此采用先平方再開方的方式,來求等效值。而平均值更像是在數(shù)學(xué)意義上的平均。
圓和三角函數(shù)的關(guān)系
圓一個(gè)周期的弧度是2π,正弦波一個(gè)周期的弧度也是2π,他們兩個(gè)之間是否真的存在聯(lián)系。如果將第一個(gè)圖動(dòng)起來,畫圈那么可以得到下圖。(附件留有三角函數(shù)和圓形的關(guān)系的動(dòng)圖)
在這個(gè)圖中,F(xiàn)是以角速度w勻速轉(zhuǎn)動(dòng)的,正弦波和余弦波可以看成是圓在y軸和x軸的投影。正弦波和余弦波隨著F的轉(zhuǎn)動(dòng)而變化,而F轉(zhuǎn)動(dòng)的速度,就是角速度就是正弦和余弦的角速度。
Y=Fsin(ωt+ji)
X=Fcos(ωt+ji)
j=ωt+ji
上式各個(gè)變量都是隨著時(shí)間勻速轉(zhuǎn)動(dòng),即ω和t都是統(tǒng)一變化的??梢钥吹綀D中表示出來各個(gè)變量僅有j和旋轉(zhuǎn)的半徑|F|(就是面提到的振幅)這兩個(gè)要素。如果上圖中的變量都以同樣的角速度變化。那么可以說這個(gè)角速度w,表不表示都不影判斷他們之間的關(guān)系。如下圖:
在初始時(shí)刻他們的相位關(guān)系如圖所示。當(dāng)他們以角速度w轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí),任何時(shí)間他都是F1超前F2的角度為j1-j2,不妨將時(shí)間定格在t=0的時(shí)刻來表示此關(guān)系。這樣的表示方法可以將一個(gè)變化的,不斷旋轉(zhuǎn)的量,用靜的、不動(dòng)的方式表示出來。
相量法分析交流電路
交流電路的輸入電壓為三角函數(shù)正弦或者余弦U=Umsin(ωt+ji)或者U=Umcos(ωt+ji)
而電阻,電感,電容都不能改變電路中電壓電流的頻率,因此在交流電路中更加著重的分析電流電壓量之間大小和相位的關(guān)系,此性質(zhì)滿足上述所說的條件,即可以用上述的表示方法來分析交流電路。書中稱為:相量法。
表示方法
書中規(guī)定:統(tǒng)一用cosine函數(shù)表示正弦量。因此
U=Umcos(ωt+ji) 正弦量
U=Um∠ji 相量
相量與正弦量不是等價(jià)關(guān)系,在知道w后,方可通過相量寫成正弦量(推導(dǎo)過程不重復(fù)敘述)
電阻的相量形式(注: iR為正弦量,IR為有效值,帶電的IR為相量)
電阻的電流,電壓同相位。
電感的相量形式:
電感電壓超前電感電流90°,j會讓相量超前90度。
電容的相量形式:
電感電壓落后電感電流90°,-j會讓相量落后90度。
相量形式:
可見,R電阻、wl感抗、1/wc容抗,在相量形式中都屬于一個(gè)地位,統(tǒng)稱為阻抗,這種形式的表達(dá)使交流電路的分析更加容易、簡便。