中国地质大学（武汉）：《电路分析 Circuit Analysis》课程教学资源（课件讲稿）第十一章 正弦稳态的功率、三相电路

第十一章正弦稳态的功率 三相电路 本章先讨论正弦稳态单口网络的瞬时功率、 平均功率和功率因数。再讨论正弦稳态单口网络 向可变负载传输最大功率的问题以及非正弦稳态 平均功率的计算。最后介绍三相电路的基本概念

第十一章 正弦稳态的功率 三相电路 本章先讨论正弦稳态单口网络的瞬时功率、 平均功率和功率因数。再讨论正弦稳态单口网络 向可变负载传输最大功率的问题以及非正弦稳态 平均功率的计算。最后介绍三相电路的基本概念

§11-1瞬时功率和平均功率 一、瞬时功率和平均功率 图示单口网络，在端口电压和电流采用关联参考方向 的条件下，它吸收的功率为 N p(t)=u(t)i(t) (11-1)

§11－1 瞬时功率和平均功率 p(t)  u(t)i(t) (11 1) 一、瞬时功率和平均功率 图示单口网络，在端口电压和电流采用关联参考方向 的条件下，它吸收的功率为

在单口网络工作于正弦稳态的情况下。端口电压和电 流是相同频率的正弦电压和电流，即 u(t)=U cos(@t+)=2U cos(@t+) i(t)=Im cos(@t+)=2I cos(@t+;) 其瞬时功率为 p(t)=u(t)i(1)=U cos(ot+v)Im cos(@t+v) Im[cosv:)+cos2ot+)] 21 =UI coso+Ul cos2ot+2w-p) (11-2) 2cosx.cosy=cos(x-y)+cos(x+y)

在单口网络工作于正弦稳态的情况下。端口电压和电 流是相同频率的正弦电压和电流，即 ( ) cos( ) 2 cos( ) ( ) cos( ) 2 cos( ) m i i m u u                 i t I t I t u t U t U t 其瞬时功率为 2cosx cos y  cos(x  y)  cos(x  y) cos cos(2 2 ) (11 2) [cos( ) cos(2 ) ] 2 1 ( ) ( ) ( ) cos( ) cos( ) u m m u i u i m u m i                            UI UI t U I t p t u t i t U t I t

p(t)=UI cosp+Ul cos(2ot+2w-p) 其中4是电压与电流的相位差，瞬时功率的波形 如图所示 0

( ) cos cos(2 2 ) p t UI  UI t   u  其中=u -i是电压与电流的相位差,瞬时功率的波形 如图所示

周期性变化的瞬时功率在一个周期内的平均值，称为 平均功率，用P表示，其定义是 cos-cs( 1 =ⅡcoS0 (11-3) 由此式看出正弦稳态的平均功率不仅与电压电流有效 值乘积U有关，还与电压电流的相位差y有关，式 中的因子cOs称为功率因数。平均功率是一个重要的概念， 得到广泛使用，我们通常说某个家用电器消耗多少瓦的功 率，就是指它的平均功率，简称为功率

周期性变化的瞬时功率在一个周期内的平均值，称为 平均功率，用P表示，其定义是 cos (11 3) [ cos cos(2 )]d 1 ( )d 1 0 0               UI UI UI t t T p t t T P T u i T 由此式看出正弦稳态的平均功率不仅与电压电流有效 值乘积UI有关，还与电压电流的相位差=u -i有关，式 中的因子cos称为功率因数。平均功率是一个重要的概念， 得到广泛使用，我们通常说某个家用电器消耗多少瓦的功 率，就是指它的平均功率，简称为功率

下面我们讨论单口网络的几种特殊情况。 1.单口网络是一个电阻，或其等效阻抗为一个电阻。 此时单口网络电压与电流相位相同，即0， c0s91,式(11-2)变为 p(t)=UⅡ+UⅡcos(2ot+2yw.)

( ) cos cos(2 2 ) p tp(t)UIUI UIUIcos(2 tt2uu )  下面我们讨论单口网络的几种特殊情况。 1. 单口网络是一个电阻，或其等效阻抗为一个电阻。 此时单口网络电压与电流相位相同，即=u -i =0, cos=1，式(11－2)变为

其波形如下图所示 UI u 0 图11-3电阻的瞬时功率和平均功率 瞬时功率（①）在任何时刻均大于或等于零，电阻始终吸 收功率和消耗能量。此时平均功率的表达式为 P=U=IR= (11-4) R

其波形如下图所示。 (11 4) 2 2     R U P UI I R 瞬时功率p(t)在任何时刻均大于或等于零，电阻始终吸 收功率和消耗能量。此时平均功率的表达式为 图11-3 电阻的瞬时功率和平均功率

p(t)=UI coso+Ul cos(2ot+2w-p)(11-2) 2.单口网络是一个电感或电容，或等效为一个电抗。 此时单口网络电压与电流相位为正交关系，即" %±90°，c0sg0,式(11-2)变为 pL(t)=UI cos2@t+2w-90) =UI sin(2ot+2yw.)） pc(t)=UI cos2ot+2w+90) =UI sin(2ot+2w.-180°）

( ) cos cos(2 2 ) (11 - 2) p t UI  UI t   u  sin(2 2 180 ) ( ) cos(2 2 90 ) sin(2 2 ) ( ) cos(2 2 90 ) u C u u L u                       UI t p t UI t UI t p t UI t 2. 单口网络是一个电感或电容，或等效为一个电抗。 此时单口网络电压与电流相位为正交关系，即 =u - i =90, cos=0，式(11－2)变为

其波形如图(a)和b)所示。其特点是在一段时间吸收功 率获得能量；另外一段时间释放出它所获得的全部能量。 (a) (b) 图11-4电感和电容的瞬时功率和平均功率 此时平均功率的表达式(11-3)变为 P=UIc0s±90)=0 11-5) 这说明在正弦稳态电路中，任何电感或电容吸收的平 均功率为零

此时平均功率的表达式(11-3)变为  cos(90 )  0 (11  5)  P UI 这说明在正弦稳态电路中，任何电感或电容吸收的平 均功率为零。 图11-4 电感和电容的瞬时功率和平均功率 其波形如图(a)和(b)所示。其特点是在一段时间吸收功 率获得能量；另外一段时间释放出它所获得的全部能量

3.由无源RLC元件构成的单口网络，其相量模型等效 为一个正值电阻与电抗的串联或一个正值电导与电纳的并 联。其电压电流的相位差0在-90°到+90°之间变化，功率因 数c0sp在0到1之间变化。 此时瞬时功率()随时间作周期性变化，所吸收的平均 功率为 P=UI coso=I'Re(Z)=URe(Y) (11-6) 式中的Re(Z是单口网络等效阻抗的电阻分量，它消耗 的平均功率，就是单口网络吸收的平均功率 与此相似，式中的Re()是单口网络等效导纳的电导分 量，它消耗的平均功率，就是单口网络吸收的平均功率

3.由无源RLC元件构成的单口网络，其相量模型等效 为一个正值电阻与电抗的串联或一个正值电导与电纳的并 联。其电压电流的相位差在-90到+90之间变化，功率因 数cos在0到1之间变化。 此时瞬时功率p(t)随时间作周期性变化，所吸收的平均 功率为 cos Re( ) Re( ) (11 6) 2 2 P  UI   I Z  U Y  式中的Re(Z)是单口网络等效阻抗的电阻分量，它消耗 的平均功率，就是单口网络吸收的平均功率。 与此相似，式中的Re(Y)是单口网络等效导纳的电导分 量，它消耗的平均功率，就是单口网络吸收的平均功率