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當前位置:電子發(fā)燒友網(wǎng) > 圖書頻道 > 電子 > 《電路分析 》 > 第7章 正弦穩(wěn)態(tài)電路分析

第5節(jié) 正弦穩(wěn)態(tài)電路的功率

一、有功功率

無源二端網(wǎng)絡 N 中含有線性電阻、電容、電感、受控源等元件,阻抗為 。其端電壓和端電流分別為 。

 
 

二端網(wǎng)絡 N 吸收的瞬時功率為

平均功率( average power )是指在一個周期內(nèi)吸收的瞬時功率的平均值,用 P 表示,即


有功功率

在一個周期內(nèi)吸收的瞬時功率的平均值,稱為平均功率,又稱有功功率( active power ),單位為瓦( W )。

有功功率是真正由來做功的功率,由網(wǎng)絡中的電阻元件產(chǎn)生。 稱為二端網(wǎng)絡的功率因數(shù)( power factor ), 又稱為功率因數(shù)角。

二、無功功率和視在功率


無功功率

無功功率表示網(wǎng)絡與電源進行能量交換的規(guī)模,由網(wǎng)絡中的儲能元件產(chǎn)生。單位是乏( var )。

視在功率

單位是伏安( VA )。

設二端網(wǎng)絡的等效阻抗為

則該二端網(wǎng)絡的等效電阻為

該二端網(wǎng)絡的等效電抗為

圖 7.5-1 中, ,則 ,根據(jù)各功率的定義,可以得到

1 、電阻元件, Z=R , ,則

電阻元件只從電路中吸收能量,而不與電路作能量交換;

2 、電感元件, , , ,則

電感元件不耗能,只與電路作能量交換;

3 、電容元件, , , ,則

電容元件也不耗能,只與電路作能量交換。

三、復功率


復功率

二端網(wǎng)絡的端電壓為 ,端電流為 ,設端電流的共軛相量為 ,則定義 的乘積為復功率( complex power ),即

功率守恒

如果二端網(wǎng)絡中含有 n 個元件,則有功、無功、復功率都守恒

但是,視在功率不守恒

例 7.5-1 圖 7.5-2 所示電路中, ,角頻率 , ,電路吸收的有功功率 P=200W ,求電阻 R 和電感 L 。

 

解:由 KVL 可得

所以,

因為電路吸收的有功功率就是電阻 R 吸收的有功功率,即

所以,電阻

則感抗為

所以,電感

例 7.5-2 圖 7.5-3 所示正弦穩(wěn)態(tài)電路中,已知電壓源 ,電流源 ,試分別求出電壓源和電流源發(fā)出的總有功功率。

 

解:根據(jù)功率守恒性,電壓源和電流源所發(fā)出的總有功功率,就是 1 Ω和 2 Ω電阻吸收的有功功率之和,因此,只要先求出通過 1 Ω電阻的電流 和通過 2 Ω電阻的電流 就可以了。

設電流源兩端的電壓為 ,列寫節(jié)點電壓方程,

代入?yún)?shù),得

解得

所以

因此,電壓源和電流源發(fā)出的總有功功率為

四、最大功率傳輸

一個含源的二端網(wǎng)絡,總可以用一條電壓源 和等效阻抗 Zo 相串聯(lián)的戴維南等效支路來替代,如圖 7.5-4 所示。

 

設電壓源的等效阻抗為 ,負載阻抗為 。

則電路中的電流

電流的有效值為

負載 獲得的有功功率實際就是 中的電阻部分 獲得的有功功率,所以,負載獲得的功率為

1 、負載 的電阻部分 和電抗部分 皆可調(diào)

式中, ,欲使 PL 達到最大,可先令 ,即 ,這時,

再調(diào)節(jié) RL ,使 PL 達到最大,令 ,即

解得:

因此,當負載阻抗與電源等效阻抗互為共軛復數(shù), 時,即

負載獲得最大功率,稱為共軛匹配( conjugate matching )。這時獲得的最大功率為

2 、負載 的阻抗角 固定,而阻抗模 可變

有些情況下,負載是電阻性設備,即 , ,這時, , ,通過調(diào)節(jié) RL 使負載獲得最大功率。

負載獲得的功率為

,即

解得:

當負載為一個電阻時,負載獲得最大功率的條件是負載電阻與電源等效阻抗的模相等,即模匹配( modular matching )。

模匹配時負載電阻獲得的最大功率為

結(jié) 論

1 、當負載 皆可調(diào)時,采用共軛匹配,

2 、當負載為純電阻 時,采用模匹配,

3 、一般情況下,負載在模匹配時獲得的最大功率比共軛匹配時要小。

例 7.5-3 電路如圖 7.5-5 所示, ,負載為以下兩種情況:( 1 )負載 為可變電阻,( 2 )負載 為可變阻抗( RL 、 XL 均可調(diào)),試問負載分別為何值時獲得最大功率,并求最大功率值。

 

解: 電壓源的等效阻抗為

( 1 )負載為可變電阻時,欲使負載獲得最大功率,則應采用模匹配,,即負載 ZL=RL=7.07 Ω時獲得最大功率,最大功率為

( 2 )負載為可變阻抗,即 RL 、 XL 均可調(diào)時,欲使負載獲得最大功率,則應采用共軛匹配,,即負載 時獲得最大功率,最大功率為,顯然,負載采用共軛匹配時獲得的最大功率比采用模匹配時要大。

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