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当前位置:电子发烧友网 > 图书频道 > 电子 > 《电路分析 》 > 第7章 正弦稳态电路分析

第5节 正弦稳态电路的功率

一、有功功率

无源二端网络 N 中含有线性电阻、电容、电感、受控源等元件,阻抗为 。其端电压和端电流分别为

 
 

二端网络 N 吸收的瞬时功率为

平均功率( average power )是指在一个周期内吸收的瞬时功率的平均值,用 P 表示,即


有功功率

在一个周期内吸收的瞬时功率的平均值,称为平均功率,又称有功功率( active power ),单位为瓦( W )。

有功功率是真正由来做功的功率,由网络中的电阻元件产生。 称为二端网络的功率因数( power factor ), 又称为功率因数角。

二、无功功率和视在功率


无功功率

无功功率表示网络与电源进行能量交换的规模,由网络中的储能元件产生。单位是乏( var )。

视在功率

单位是伏安( VA )。

设二端网络的等效阻抗为

则该二端网络的等效电阻为

该二端网络的等效电抗为

图 7.5-1 中, ,则 ,根据各功率的定义,可以得到

1 、电阻元件, Z=R , ,则

电阻元件只从电路中吸收能量,而不与电路作能量交换;

2 、电感元件, ,则

电感元件不耗能,只与电路作能量交换;

3 、电容元件, ,则

电容元件也不耗能,只与电路作能量交换。

三、复功率


复功率

二端网络的端电压为 ,端电流为 ,设端电流的共轭相量为 ,则定义 的乘积为复功率( complex power ),即

功率守恒

如果二端网络中含有 n 个元件,则有功、无功、复功率都守恒

但是,视在功率不守恒

例 7.5-1 图 7.5-2 所示电路中, ,角频率 ,电路吸收的有功功率 P=200W ,求电阻 R 和电感 L 。

 

解:由 KVL 可得

所以,

因为电路吸收的有功功率就是电阻 R 吸收的有功功率,即

所以,电阻

则感抗为

所以,电感

例 7.5-2 图 7.5-3 所示正弦稳态电路中,已知电压源 ,电流源 ,试分别求出电压源和电流源发出的总有功功率。

 

解:根据功率守恒性,电压源和电流源所发出的总有功功率,就是 1 Ω和 2 Ω电阻吸收的有功功率之和,因此,只要先求出通过 1 Ω电阻的电流 和通过 2 Ω电阻的电流 就可以了。

设电流源两端的电压为 ,列写节点电压方程,

代入参数,得

解得

所以

因此,电压源和电流源发出的总有功功率为

四、最大功率传输

一个含源的二端网络,总可以用一条电压源 和等效阻抗 Zo 相串联的戴维南等效支路来替代,如图 7.5-4 所示。

 

设电压源的等效阻抗为 ,负载阻抗为

则电路中的电流

电流的有效值为

负载 获得的有功功率实际就是 中的电阻部分 获得的有功功率,所以,负载获得的功率为

1 、负载 的电阻部分 和电抗部分 皆可调

式中, ,欲使 PL 达到最大,可先令 ,即 ,这时,

再调节 RL ,使 PL 达到最大,令 ,即

解得:

因此,当负载阻抗与电源等效阻抗互为共轭复数, 时,即

负载获得最大功率,称为共轭匹配( conjugate matching )。这时获得的最大功率为

2 、负载 的阻抗角 固定,而阻抗模 可变

有些情况下,负载是电阻性设备,即 ,这时, ,通过调节 RL 使负载获得最大功率。

负载获得的功率为

,即

解得:

当负载为一个电阻时,负载获得最大功率的条件是负载电阻与电源等效阻抗的模相等,即模匹配( modular matching )。

模匹配时负载电阻获得的最大功率为

结 论

1 、当负载 皆可调时,采用共轭匹配

2 、当负载为纯电阻 时,采用模匹配

3 、一般情况下,负载在模匹配时获得的最大功率比共轭匹配时要小。

例 7.5-3 电路如图 7.5-5 所示, ,负载为以下两种情况:( 1 )负载 为可变电阻,( 2 )负载 为可变阻抗( RL 、 XL 均可调),试问负载分别为何值时获得最大功率,并求最大功率值。

 

解: 电压源的等效阻抗为

( 1 )负载为可变电阻时,欲使负载获得最大功率,则应采用模匹配,,即负载 ZL=RL=7.07 Ω时获得最大功率,最大功率为

( 2 )负载为可变阻抗,即 RL 、 XL 均可调时,欲使负载获得最大功率,则应采用共轭匹配,,即负载 时获得最大功率,最大功率为,显然,负载采用共轭匹配时获得的最大功率比采用模匹配时要大。