第三章電容元件與電感元件ppt課件

1、第三章電容元件和電感元件,3.1 電容元件 3.2 電感元件 3.3 三種元件伏安特性的相量形式,引言,動(dòng)態(tài)電路分析與電阻電路分析的比較,電阻電路 動(dòng)態(tài)電路,組成 獨(dú)立源,受控源,電阻 電感,電容,電阻,獨(dú)立源,特性 電壓、電流、 耗能 電壓、電流隨時(shí)間 的變化的規(guī)律,電路中有三個(gè)重要和基本的無(wú)源電路元件，前面已講述了電阻元件。這節(jié)講述另外兩種電路元件：電容（用字母C表示）和電感（用字母L表示）。 電容和電感元件能夠把從電源吸收的能量?jī)?chǔ)存起來(lái)，并能夠釋放所儲(chǔ)存的能量倒電路中去,電容元件種類很多，但基本結(jié)構(gòu)都是類似的，都是由兩個(gè)可導(dǎo)電的金屬板間隔著不導(dǎo)電的絕緣材料（介質(zhì)）而構(gòu)成。結(jié)構(gòu)示意圖如圖3

2、-1所示 介質(zhì)可以是絕緣紙、真空、玻璃、陶瓷、云母、聚苯乙烯等絕緣材料,3.1 電容元件,介質(zhì) （絕緣材料,金屬板,圖3-1,因此，電容元件是一種能聚集電荷，貯存電能的二端元件,3.1 電容元件,3.1.1 電容的符號(hào) 符號(hào)如圖3-3-2所示,圖3-3-2,3.1.2 電容的單位 電荷量與端電壓的比值叫做電容元件的電容，理想電容器的電容為一常數(shù),電容的單位為法拉，簡(jiǎn)稱法，符號(hào)為F。常用單位有：微法(F)，皮法(pF,3.1 電容元件,3.1.3電容元件的伏安特性 電容是儲(chǔ)存電荷的元件，當(dāng)電容電壓u隨時(shí)間 發(fā)生變化 時(shí)，儲(chǔ)存在電容元件極板上的電荷隨之變化，出現(xiàn)充電或放電現(xiàn)象，連接電容的導(dǎo)線中就有

3、電流流過(guò)。這個(gè)電流即為電容電流,3.1 電容元件,圖3-3-4給出了電容元件的電壓電流參考方向，則其電壓與電流的關(guān)系即（電容元件的伏安特性）有,電容的伏安特性說(shuō)明：任一瞬間，電容電流的大小與該瞬間電壓變化率成正比，而與這一瞬間電壓大小無(wú)關(guān) 。電容元件對(duì)直流相當(dāng)于開(kāi)路,3.1 電容元件,3.1.4 電容元件的電場(chǎng)能 1）電容元件的功率,p0，表明電容元件在儲(chǔ)存能量，p0，表明電容元件在釋放能量。（電壓與電流的方向是否關(guān)聯(lián),3.1 電容元件,2）電容元件的電場(chǎng)能量,電容元件從u(0)=0(電場(chǎng)能為零)增大到u(t)時(shí)，總共吸收的能量，即t時(shí)刻電容的電場(chǎng)能量,當(dāng)電容電壓由u減小到零時(shí)，釋放的電場(chǎng)能量

4、也按上式計(jì)算,動(dòng)態(tài)電路中，電容和外電路進(jìn)行著電場(chǎng)能量和其它能量的相互轉(zhuǎn)換，本身不消耗能量,3.1 電容元件,3.1.5 電容的并聯(lián) 如圖3-3-5所示對(duì)于線性電容元件有,則,當(dāng)電容器的耐壓值符合要求，但容量不夠時(shí)，可將幾個(gè)電容并聯(lián),3.1 電容元件,3.1.6 電容的串聯(lián) 如圖3-3-6所示對(duì)于線性電容元件有,則,電容串聯(lián)的等效電容的倒數(shù)等于各電容倒數(shù)之和。電容的串聯(lián)使總電容值減少,3.1 電容元件,電感元件在電子工業(yè)和電力系統(tǒng)中應(yīng)用很多，可用于發(fā)電機(jī)、變壓器、收音機(jī)、電視、雷達(dá)、電動(dòng)機(jī)、繼電器等。 將一根導(dǎo)線按照一定的形狀繞制成線圈則為一簡(jiǎn)單的電感元件。如圖3-3-7所示,3.2 電感元件,

5、3.2.1 電感元件符號(hào) 電感元件是實(shí)際電感線圈的理想化模型。其符號(hào)如圖3-3-8所示,3.2 電感元件,磁鏈與產(chǎn)生它的電流的比值叫做電感元件的電感或自感用字母L表示。 電感的單位為亨(利)，符號(hào)為H，常用的單位有毫亨(mH)、微亨(H)。 電感元件的電感為一常數(shù)，磁鏈總是與產(chǎn)生它的電流i成線性關(guān)系，即,3.2 電感元件,3.2.2電感元件單位,當(dāng)電流通過(guò)線圈時(shí)，線圈處在該電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)當(dāng)中，每匝線圈都有磁通穿過(guò)。若線圈有N匝，則與線圈交鏈的總磁通即為N稱做磁鏈，即=N,根據(jù)電磁感應(yīng)定律，感應(yīng)電壓等于磁鏈的變化率。當(dāng)電壓的參考極性與磁通的參考方向符合右手螺旋定則時(shí)，可得,則,3.2 電感元件,

6、3.2.3 電感元件的伏安特性,電感元件的伏安特性說(shuō)明： 任一瞬間，電感元件端電壓的大小與該瞬間電流的變化率成正比，而與該瞬間的電流無(wú)關(guān)。電感元件也稱為動(dòng)態(tài)元件，它所在的電路稱為動(dòng)態(tài)電路。電感對(duì)直流起短路作用,3.2 電感元件,3.2.4 電感元件的磁場(chǎng)能 在關(guān)聯(lián)參考方向下，電感吸收的功率,p0，表明電感元件在儲(chǔ)存能量，p0，表明電感元件在釋放能量。（電壓與電流的方向是否關(guān)聯(lián),3.2 電感元件,電感電流從 增大到 總共吸收的能量，即t時(shí)刻電感的磁場(chǎng)能量,當(dāng)電感的電流從某一值減小到零時(shí)，釋放的磁場(chǎng)能量也可按上式計(jì)算。在動(dòng)態(tài)電路中，電感元件和外電路進(jìn)行著磁場(chǎng)能與其它能相互轉(zhuǎn)換，本身不消耗能量,3.

7、2 電感元件,3.3 三種元件伏安特性的相量形式,在正弦交流電路中，接入同頻率正弦交流電源的三種電路基本元件，電阻、電容和電感中的電流和電壓都將是同頻率的正弦量，所以可由它們的時(shí)域形式轉(zhuǎn)換成相量形式,3.3.1 電阻元件伏安特性的相量形式,1、伏安特性 在圖3-4-1中，設(shè)電流為,上式表明:電阻兩端電壓 u 和電流 i 為同頻率同相位的正弦量，它們之間關(guān)系如下,則有,3.3.1 電阻元件伏安特性的相量形式,其電壓與電流的波形圖如圖3-4-2所示,圖3-4-2,那么，電壓與電流的相量關(guān)系為,電壓電流的相量模型及相量圖如圖3-4-3所示,3.3.1 電阻元件伏安特性的相量形式,2、功率,1）瞬間功

8、率 在關(guān)聯(lián)參考方向下電阻元件吸收的瞬時(shí)功率p=ui，為了計(jì)算方便設(shè),那么,公式表明了電阻的瞬時(shí)功率總是為正，即電阻總是在消耗功率，同時(shí)也說(shuō)明電阻是耗能元件。波形圖如圖3-4-2所示,3.3.1 電阻元件伏安特性的相量形式,2）平均功率 平均功率定義為瞬時(shí)功率p在一個(gè)周期T內(nèi)的平均值，用大寫(xiě)字母P表示。即,又稱為有功功率，其單位是瓦(W)或千瓦(kW,3.3.1 電阻元件伏安特性的相量形式,3.3.2 電感元件伏安特性的相量形式,1伏安特性 在圖3-4-4中，設(shè)通過(guò)電感元件的電流為,則有,上式表明電感兩端電壓 u 和電流 i 是同頻率的正弦量，電壓超前電流90,其電壓與電流的波形圖如圖3-4-5

9、所示,3.3.2 電感元件伏安特性的相量形式,電壓電流的相量模型及相量圖如圖3-4-6所示,3.3.2 電感元件伏安特性的相量形式,2、感抗 （X L,即當(dāng)U一定時(shí)，L越大，I越小?？梢?jiàn)L反映了電感對(duì)正弦交流電流的阻礙作用，因此稱它為電感電抗，簡(jiǎn)稱感抗，用X L表示,由,可知,即,感抗的單位是歐姆,3.3.2 電感元件伏安特性的相量形式,由感抗的公式可知， XL由電感L及電路中的頻率f決定。而當(dāng)L一定時(shí)，電感對(duì)電流的阻礙作用，即XL的大小由f決定，兩者成正比關(guān)系。所以電感元件對(duì)高頻電流有較大的阻力（實(shí)際設(shè)備中的高頻扼流圈），對(duì)低頻電流阻力較小，而對(duì)直流（f=0）電感相當(dāng)于短路,3.3.2 電感

10、元件伏安特性的相量形式,感抗的倒數(shù)稱為感納，用BL表示，即,它的單位是西門(mén)子（S），顯然，感納表示電感對(duì)正弦交流電流的導(dǎo)通能力,有了感抗和感納，那么電感元件的電壓電流的相量關(guān)系可表示為,3.3.2 電感元件伏安特性的相量形式,2、功率,1）瞬時(shí)功率 在關(guān)聯(lián)參考方向下，當(dāng) 時(shí),電感吸收的瞬時(shí)功率為,由上式可看出，電感的瞬時(shí)功率為一個(gè)兩倍于電壓或電流頻率的正弦量。波形圖如圖3-4-5所示,3.3.2 電感元件伏安特性的相量形式,2）平均功率,電感元件在一個(gè)周期內(nèi)的平均功率為零（正、負(fù)波形相抵消）。表明電感元件不消耗能量，只是在電源和元件間進(jìn)行能量的轉(zhuǎn)換，同時(shí)說(shuō)明電感確實(shí)為儲(chǔ)能元件,3.3.2 電感

11、元件伏安特性的相量形式,3）無(wú)功功率（Q,無(wú)功功率是用來(lái)描述儲(chǔ)能元件與電源交換能量的規(guī)模,單位是乏（var,3.3.2 電感元件伏安特性的相量形式,3.3.3 電容元件伏安特性的相量形式,1、伏安特性,在圖3-4-7中，設(shè)加在電容兩端的電壓為,則,上式表明電容電流和端電壓是同頻率的正弦量，電流超前電壓90,其電壓與電流的波形圖如圖3-4-8所示,3.3.3 電容元件伏安特性的相量形式,3.3.3 電容元件伏安特性的相量形式,2、容抗 （X C,即,容抗的單位是歐姆,即當(dāng)U一定時(shí)， 越大，I越小?？梢?jiàn) 反映了電容對(duì)正弦交流電流的阻礙作用，因此稱它為電容電抗，簡(jiǎn)稱容抗，用XC表示,3.3.3 電容

12、元件伏安特性的相量形式,由容抗的公式可知: XC由電容C及電路中的頻率f決定。而當(dāng)C一定時(shí)，電容對(duì)電流的阻礙作用，即XC的大小由f決定，兩者成反比關(guān)系。所以電容元件對(duì)低頻電流有較大的阻力，對(duì)高頻電流阻力較小，實(shí)際電路中的旁路電容就是利用了電容的這一特性。而對(duì)直流（f=0）電容相當(dāng)于短路，即具有隔斷直流電流的作用（隔直,3.3.3 電容元件伏安特性的相量形式,容抗的倒數(shù)稱為容納，用BC表示，即,它的單位是西門(mén)子（S），顯然，容納表示電容對(duì)正弦交流電流的導(dǎo)通能力,有了容抗和容納，那么電容元件的電壓電流的相量關(guān)系可表示為,3.3.3 電容元件伏安特性的相量形式,2、功率,1）瞬時(shí)功率 在關(guān)聯(lián)參考方向下,當(dāng) 時(shí),電容吸收的瞬時(shí)功率為,由上式可看出，電容的瞬時(shí)功率為一個(gè)兩倍于電壓或電流頻率的正弦量。波形