正弦量及其正弦量的三要素_相位差_正弦电流、电压的有效值

　　1.正弦量
　　电路中按正弦规律变化的电压或电流统称为正弦量，以电流为例，其瞬时值表达式为（本书采用 cosine 函数）：
　　　　　　
　　波形如图1 所示。

图 1

　　 　　注意：激励和响应均为正弦量的电路称为正弦电路或交流电路。
　　研究正弦电路的意义：
　　（1）正弦电路在电力系统和电子技术领域占有十分重要的地位。由于：
　　　 1）正弦函数是周期函数，其加、减、求导、积分运算后仍是同频率的正弦函数；
　　　 2）正弦信号容易产生、传送和使用。
　　（2）正弦信号是一种基本信号，任何复杂的周期信号可以分解为按正弦规律变化的分量。因此对正弦电路的分析研究具有重要的理论价值和实际意义。
　　2. 正弦量的三要素
　　 （1）I_m—幅值(振幅、最大值)：反映正弦量变化过程中所能达到的最大幅度。
　　 （2）ω—角频率：为相位变化的速度，反映正弦量变化快慢。它与周期和频率的关系为：
　　　　　　　 rad/s

（3）y —初相角：反映正弦量的计时起点，常用角度表示。 需要注意的是： 　　1）计时起点不同，初相位不同，图 1给出了同一个正弦量在不同计时起点下初相位的取值。 　　2）一般规定初相位取主值范围，即 |y|≤π 。 　　3）如果余弦波的正最大值发生在计时起点之后，如图3所示，则初相位为负，如果余弦波的正最大值发生在计时起点之前，则初相位为正。 　　4）对任一正弦量，初相可以任意指定，但同一电路中许多相关的正弦量只能对于同一计时起点来确定各自的相位。
	图 2
	图 3

　　3. 相位差
　　相位差是用来描述电路中两个同频正弦量之间相位关系的量。
　　设
　　则相位差为：
　　上式表明同频正弦量之间的相位差等于初相之差，通常相位差取主值范围，即：|φ|≤π
　　如果上式中 φ＞0 ，称 u 超前 i ，或 i 滞 u ，表明 u 比 i 先达到最大值；
　　如图4（a）所示。
　　如 φ＜0 ， 称 i 超前 u ，或 u 滞后 i , 表明 i 比 u 先达到最大值。
　　如 φ=±p ，称 i 与 u 反相，如图4（b）所示；
　　如 φ=0 ，称 i 与 u 同相，如图4（c）所示。

图 4 （a）	（b）	（c）

　　需要注意的是：
　　两个正弦量进行相位比较时应满足同频率、同函数、同符号，且在主值范围比较。
　　4. 正弦电流、电压的有效值
　　周期性电流、电压的瞬时值随时间而变，为了衡量其平均效应，工程上采用有效值来表示。周期电流、电压有效值的物理意义如图5所示，通过比较直流电流 I 和交流电流 i 在相同时间 T 内流经同一电阻 R 产生的热效应，即令：
　　　　　　
　　从中获得周期电流和与之相等的直流电流 I 之间的关系：
　　这个直流量 I 称为周期量的有效值。有效值也称方均根值。

图 5

　　同样，可定义电压有效值：
　　设正弦电流
　　相应的有效值为：
　　因为
　　所以
　　即 正弦电流的有效值与最大值满足关系：
　　同理，可得正弦电压有效值与最大值的关系：
　　若一交流电压有效值为 U = 220V ，则其最大值为U_m≈311V ；
　　需要注意的是：
　　（1）工程上说的正弦电压、电流一般指有效值，如设备铭牌额定值、电网的电压等级等。但绝缘水平、耐压值指的是最大值。因此，在考虑电器设备的耐压水平时应按最大值考虑。
　　（2）测量中，交流测量仪表指示的电压、电流读数一般为有效值。
　　（3）区分电压、电流的瞬时值 i、u ，最大值 IM_m 、 U_m 和有效值 I、U 的符号。