第 9章 非正弦周期电流电路
9.2 谐波
分析和
频谱
9.1非正弦
周期信号
9.3 非正弦
周期信号的
有效值、平均值
和平均功率
9.4 非正弦周期
信号作用下的
线性电路分析
本章学习目的与要求
了解非正弦周期量与正弦周期量
之间存在的特定关系;理解和掌握非
正弦周期信号的谐波分析法;明确非
正弦周期量的有效值与各次谐波有效
值的关系及其平均功率计算式;掌握
简单线性非正弦周期电流电路的分析
与计算方法。
9.1 非正弦周期信号
学习目标,掌握谐波的概念,理解非正弦周期信号与
各次谐波之间的关系。
9.1.1 非正弦周期信号的产生
1.电路中含有非线性元件(如二极管半波整流电路)
D
R
输入正弦波
输出半波整流
2.实验室中的信号发生器或示波器中的水平扫描电压
输出周期性锯齿波
示波器
输入正弦波
3.一个电路中同时有几个不同频率的激励共同作用时
交流电源
+ UCC

uS

直流电源
输出波为非正弦波
4.计算机内的脉冲信号
T t
9.1.2 非正弦周期信号
随时间按非正弦规律变化的周期性电压和电流。 定义
t
u(t)
0
上图所示的周期性方波电压,是一个典型的非
正弦周期信号波,它实际上可以看作是一系列大小
不同的、频率成整数倍的正弦波的合成波。
t
u(t)
0
以一个周期的情况为例进行分析,
u1
u1与方波同频率,
称为方波的基波
u3
u3的频率是方波的 3倍,
称为方波的三次谐波。
u1和 u3的合成波,
显然较接近方波
U1m
1/3U1m
t
u(t)
0
u5的频率是方波
的 5倍,称为方波
的五次谐波。
u13和 u5的合成波,
显然更接近方波
1/5U1m
u135
u5
由上述分析可得,如果再叠加上一个 7次谐波,
9次谐波 …… 直到叠加无穷多个,其最后结果肯定与
周期性方波电压的波形相重合。
即:一系列振幅不同,频率成整数倍的正弦波,
叠加以后可构成一个非正弦周期波。
分析中的 u1,u3,u5等等,这些振幅不同、频率
分别是非正弦周期波频率 k次倍的正弦波统称为非正
弦周期波的 谐波,并按照 k是非正弦周期波频率的倍
数分别称为 1次谐波 (基波 ),3次谐波 …… 。
k为奇数的谐波一般称为非正弦周期函数的 奇次
谐波 ; k为偶数时则称为非正弦周期波的 偶次谐波 。
而把 2次以上的谐波均称为 高次谐波 。
电路中产生非正
弦波的原因是什
么?举例说明。
稳恒直流电和正
弦交流电有谐波
吗?什么样的波
形才具有谐波?
“只要电源是正
弦的,电路中各
部分的响应也一
定是正弦波”。
这种说法对吗?
试述基波、高次谐
波、奇次谐波和偶
次谐波的概念?
9.2 谐波分析和频谱
学习目标,理解谐波和频谱的概念,熟悉非正弦波的
谐波表达式,掌握波形对称性与谐波成分
的关系,理解波形, 平滑性, 的概念。
9.2.1 非正弦周期信号的傅里叶级数表达式
由上节内容可得:方波信号实际上是由振幅按 1,
1/3,1/5,… 规律递减、频率按基波频率的 1,3,5
… 奇数倍递增的 u1,u3,u5等正弦波的合成波。因此
方波电压的 谐波展开式 可表示为,
????? tUtUtUtu mmm ??? 5s i n513s i n31s i n)( 111
谐波展开式从数学的概念上可称为非正弦周期信
号的 傅里叶级数表达式 。
)7s i n715s i n513s i n31( s i n4)( ?????? ttttAtu ?????
傅里叶级数表达式中的 A是方波的最大值 。
参看课本上 P132页中的表 9.1,表中所示的一些典
型非正弦周期信号的的傅里叶级数表达式表明,它们
也都是由一系列正弦谐波合成而得。所不同的是,不
同的非正弦周期信号波,它们各自所包含的谐波成分
各不相同 。
寻找一个已知非正弦周期波所包含的谐波,并把
它们用傅里叶级数进行表达的过程,我们称为 谐波分
析 。
9.2.2 非正弦周期信号的频谱
非正弦周期信号各次谐波振幅分别用线段表示在座
标系中,所构成的图形称为 振幅频谱图 。
非正弦周期信号用傅里叶级数表达式表示还不够
直观,而用频谱图进行表示时,各次谐波分量的相对
大小就会一目了然。
?
1m
4 UA ?
?
0 ?
3
1mU
?3
5
1mU
?5
图中每一条谱线代
表一个相应频率的谐波
分量,谱线的 高度表示
该谐波的振幅大小 。显
然,频谱图可以非常直
观地表示出非正弦周期
信号所包含的谐波以及
各次谐波所占的, 比重,
如果把振幅频谱的顶端用虚线连接起来,则该虚
线就称为振幅频谱的 包络线 。参看课本图 9.3(a)。
9.2.3 波形的对称性与谐波成分的关系
观察表 9.1中各波形可发现:方波、等腰三角波只
含有 sin项的奇次谐波;锯齿波和全波整流都含有直流
成分,且锯齿波还包含 sin项的各偶次谐波,全波整流
则包含 cos项的各偶次谐波 …… 。
显然,非正弦周期信号的谐波成分与其波形有关!
谐波分析一般都是根据已知波形来进行的,而非
正弦周期信号的波形本身就已经决定了该非正弦波所
含有的谐波。根据波形的特点我们解释几个名词,
奇函数,其特点是波形对 原点对称 。奇函数的傅里叶
级数中 只含有 sin项,不存在直流和偶次谐
波。
偶函数,特点是波形对 纵轴对称 。偶函数的傅里叶级
数表达式中 只含有 cos项,一般还包含直流
成分。
奇谐波函数,特点是波形的后半周与前半周具有 镜像
对称性,也称为 奇次对称性,奇谐波函
数的傅里叶级数表达式中只含有 奇次谐
波 。
偶谐波函数,特点是波形的 前、后半周变化相同 。也
称为 偶次对称性,偶谐波函数的傅里叶
级数表达式中一般只包含 偶次谐波 。
零次谐波,非正弦周期波中的 直流分量 称为零次谐
波。偶次谐波中一般包含零次谐波。
t
u(t)
0
观察方波波形,它不但具有对原点对称的特点,
还具有奇次对称性,因此在它的傅里叶级数展开式中
只含有 sin项中的各奇次谐波 。
观察全波整流波的波形,它不但具有对纵轴对称
的特点,还具有偶次对称性,因此在它的傅里叶级数
展开式中 只含有 cos项中的各偶次谐波,且包含零次
谐波成分。
t
u(t)
0
掌握了波形与谐波成分之间的上述关系,无疑给
谐波分析的步骤带来简化,根据波形的对称性会很快
找出相应的谐波。
9.2.4 波形的平滑性与谐波成分的关系
观察表 9.1中的波形 1方波和波形 2等腰三角波,不
难发现它们都是奇函数且具有奇次对称性,因此它们
的傅里叶级数表达式中都是仅只含 sin项的奇次谐波。
进一步 观察又可看出,方波中含有的高效谐波成
分比较严重,而等腰三角波中含有的高次谐波成分相
对较轻。 什么原因呢?
观察波形,方波在一个周期内发生两次正、负之
间的 跃变,即波形 极不平滑 ;而等腰三角波则总是在
正、负半周均按直线规律上升或下降,整个周期内并
没有发生跃变,因此其平滑性较方波好得多。
归纳,非正弦周期波中含有的高次谐波成分是否
严重,取决于它们波形的平滑性。即愈不平滑的波形
所含有的高次谐波愈严重。
9.3 非正弦周期信号的有效值,
平均值和平均功率
学习目标,熟悉非正弦波有效值的计算式,了解它与
正弦量有效值的区别和联系;掌握非正弦
量平均值的含义及平均功率的计算。
9.3.1 非正弦周期量的有效值和平均值
非正弦周期量的有效值定义与正弦交流电有效值
的定义完全相同,与非正弦周期量 热效应相同 的直流
电的数值,称为该非正弦周期函数的 有效值 。
实验和理论都可以证明,非正弦周期量的有效值,
?? ???????? 222120222120 UUUUIIII 或
即非正弦周期量的有效值等于它的各次谐波有效
值平方和的开方。
正弦量的平均值是按半个周期来计算的,即,
dttfTf Tav ??
0
)(1
非正弦周期量的平均值要按一个周期进行计算。
若非正弦周期量若为奇函数,其平均值一定为零;若
为偶谐波函数,其平均值一定为正值 …… 。
mmav FFf 6 3 7.0
2 ??
?
理论和实践都可以证明,非正弦量的平均值,
显然,非正弦周期量的平均值在分析计算时,数
值上就等于它的傅里叶级数表达式中的零次谐波。
非正弦周期量的波形特点,还常常用波形因数和
波顶因数来描述。
波形因数等于非正弦周期量的有效值与平均值之比,
平均值
有效值?
iK
波顶因数等于非正弦周期量的最大值与有效值之比,
有效值
最大值?
AK
波形因数 Ki和波顶因数 KA均大于 1,一般情况下
波顶因数大于波形因数。 即非正弦量的波形顶部越尖
时,这两个因数越大,而非正弦周期量波形顶部越趋
于平坦时,这两个因数越小。
9.3.2 非正弦周期量的平均功率
非正弦周期量通过负载时也要消耗功率,此功率
与非正弦量的各次谐波有关。即,
?? ???????? 21022211100 c o sc o s PPPIUIUIUP ??
显然,只有同频率的正弦谐波电压和电流才能构
成平均功率。
已知有源二端网络的端口电压和电流分别为,
A)502s i n (4 2 4.0)20s i n (7 0 7.01[
V)102s i n (6.56)30s i n (8550[
???????
???????
tti
ttu
??
??
求电路所消耗的平均功率。
W5.782.93.1950
)5010c o s (
2
4 0 4.06.56)]20(30c o s [
2
7 0 7.085150
210 ???????
?????????????
PPP
P
9.4 非正弦周期信号作用下
的线性电路分析
学习目标,了解在一定条件下,非正弦周期信号作用
下的线性电路的分析方法,掌握较为简单
的非正弦周期电流电路的计算。
非正弦周期电流电路的分析计算一般步骤
1.将电路中的激励展开成傅里叶级数表达式;
2.将激励分解为直流和一系列正弦谐波 (一般计算至
3~5次谐波即可 );
3.对各次谐波单独作用时的响应分别进行求解;
4.求解出的响应均用解析式进行表示;
5.将电路响应中的各次谐波分量进行叠加后即为待求
响应。
已知电路中,
A851, 4 3
85126
0180
Z
85126)
5.22314
10
05.0314(10
1
1m
1m
6
1
???
???
??
??
?????
?
????
U
I
jZ
零次谐波电压单独作用时,由于直
流下 C相当开路,因此 I0=0;
V,)185s i n (20 ??? t?
)453s i n (60s i n1 8 040)( ????? tttu s ??
f=50Hz,求 i(t)和电流有效值 I。
一次谐波电压单独作用时,应先求出电
路中的复阻抗,然后再求一次谐波电流
三次谐波电压单独作用时,
A456
010
4560
Z
010)
5.223143
10
05.03143(10
3
3m
3m
6
3
???
??
??
??
????
??
?????
U
I
jZ
A7.6039.0
7.782.51
1820
7.782.51)
5.223 1 45
10
05.03 1 45(10
5
5m
5m
6
5
????
??
??
??
????
??
?????
Z
U
I
jZ
五次谐波电压单独作用时,
A)7.605s i n (39.0)453s i n (6)85s i n (43.1
)( 531
?????????
???
ttt
iiiti
???
电流解析式根据叠加定理可求得,
4, 37 A)
2
39.0()
2
6()
2
1, 43( 222 ????I
电流的有效值,
其中三次谐波电压、电流同相,说明电路在三次
谐波作用下发生了串联谐振。
计算非正弦量作用下的电路时应注意的问题
1.当直流分量单独作用时,遇电容元件按开路处理,
遇电感元件则要按短路处理;
2.任意正弦分量单独作用时的计算原则与单相正弦交
流电路的计算方法完全相同,只是必须注意,不同
谐波频率下电感和电容上的电抗各不相同 。
3.用相量分析法计算出来的各次谐波分量是不能直接
进行叠加的,必须根据相量与正弦量的对应关系表
示成正弦量的解析式后再进行叠加。
4.不同频率的各次谐波响应是不能画在同一个相量图
上,也不能出现在同一个相量表达式中。
非正弦周期量的
有效值和平均值
如何计算?
非正弦周期电流
电路的分析计算
中,应注意哪些
问题?
零次谐波单独作
用下电感和电容
分别作何处理?
不同正弦谐波下
L和 C上的电抗相
同吗?
不同频率的电压、
电流能否作用后产
生平均功率?