1.非正弦周期量的产生
在电工技术应用中产生非正弦交流电的原因可能有以下几种:
(1)正弦电源(或电动势)经过非线性元件(例如整流元件或带铁心的线圈)时,产生的电流将不再是正弦波;
(2)发电机由于内部结构的缘故很难保证电动势是正弦波;
(3)电路中有几个不同频率的正弦电源作用,叠加后就不再是正弦波了。
图6.1绘出的是三个非正弦周期波形。
(a)方波 (b)脉冲波 (c)锯齿波
图6.1非正弦周期波形
非正弦信号可分为周期性的和非周期性的两种。上述波形虽然形状各不相同,但变化规律都是周期性的。含有周期性非正弦信号的电路,称为非正弦周期性电流电路。本章仅讨论线性非正弦周期电流电路。
2.非正弦周期量的分解
本章所讨论的在非正弦周期性电流作用下线性电路的分析和计算方法,主要是利用数学中学过的傅里叶级数展开法,将非正弦电压(电流)分解为一系列不同频率的正弦量之和,然后对不同频率的正弦量分别求解,再根据线性电路的叠加原理进行叠加,就可以得到电路中实际的稳态电流和电压。这就是分析非正弦周期电流电路的基本方法,称为谐波分析法。它实质上就是把非正弦周期电路的计算化为一系列正弦电路的计算,这样我们就能充分利用相量法这个有效的工具。
从高等数学中知道,凡是满足狄里赫利条件的周期函数都可分解为傅里叶级数。在电工技术中所遇到的周期函数,通常都满足这个条件,因此都可以分解为傅里叶级数。
设周期函数f(t)的周期为T,角频率ω=2π/T,则其分解为傅里叶级数为
(6。1)
式(6。1)中,称为基波或一次谐波;其余各项的频率为基波频率的整数倍,分别为二次、三次、…、k次谐波,统称为高次谐波。
往往理论分析用数学分析的方法来求解函数的傅里叶级数。工程上经常采用查表的方法来获得周期函数的傅里叶级数。电工技术中常见的几种周期函数的傅里叶级数展开式如表6。1所示。
表6.1
以上介绍了周期函数分解为傅里叶级数的方法。工程中为了清晰地表示一个非正弦周期量所含各次谐波分量的大小和相位,通常采用频谱图的方法。所谓频谱图,就是用长度与各次谐波振幅大小或相位大小成比例的线段按照谐波频率的次序排列起来的图形。这种方法可以很直观地将各次谐波振幅、相位与频率的关系表示出来。非正弦周期函数的频谱图是离散的。