電流(或電壓)按非正弦律作週期變化的電路。例如,一個線性時不變電路,當所接電源提供的電壓具有方波波形或鋸齒波波形時,其內部各處的穩態回應(電壓或電流)便具有按非正弦律作週期變化的波形。又如,常用的整流電路,儘管其輸入是正弦電壓,但因其內部含有非線性元件──半導體整流器,使得其輸出卻是波形如圖1(半波整流)或圖2(全波整流)所示的非正弦電壓。
按非正弦律作周期變化的電流和電壓稱為非正弦周期電流和電壓,可用周期函數f(t)來表示。
非正弦周期電流(或電壓)的分解 一個周期函數若能滿足狄裡赫利條件,便可展成一個無窮的三角級數,即
(1)此級數稱為傅裡葉級數。級數中的各項系數稱為傅裡葉系數,它們分別由下式決定,即
(2) (3) (4)通常,電工領域中涉及到的非正弦周期電流、電壓等電路變量,多數能夠滿足狄裡赫利條件,可以分解成傅裡葉級數。
式(1)又可寫成
(5)
式中
上式是f(t)的另一種表達式。式中第一項A0稱為f(t)的恒定分量(又稱直流分量),第二項A1sin(ωt+φ1)稱為f(t)的基波分量,其餘各項統稱為諧波分量,而且按K=2,3…,分為二次諧波、三次諧波、……。基波分量與原函數f(t)有相同的周期(或頻率),其他諧波的周期則是原函數周期的整數倍,基中凡倍數為奇數者統稱為奇次諧波,為偶數者統稱為偶次諧波。非正弦周期電壓和電流所含等於和大於二次的諧波分量,分別稱為諧波電壓和諧波電流。在電力系統中為保證電能質量需對這些諧波加以抑制(見高次諧波抑制)。
傅裡葉級數取無窮多項才能準確代表原函數。但在要求不很高,而級數收斂又較快的情況下,可以把五次以上諧波略去不計。幾種常見的非正弦波的傅裡葉級數列於表中。從這些級數中可以看出,近於正弦波的三角波的級數收斂最快。
有效值和平均值 非正弦周期量f(t)的有效值定義為
據此,可求得非正弦周期電流的有效值為(6)
非正弦周期電壓V的有效值為
(7)
式中I1、I2…和V1、V2…分別為周期電流、電壓的各次諧波的有效值。
非正弦周期電流i的平均值定義為其絕對值的平均值,即
(8)
同理,有
(9)
平均值與恒定分量是有區別的。一個非正弦周期電流(或電壓)的平均值永不為零,而其恒定分量都可能為零。
非正弦周期電路的穩態分析 在非正弦周期電壓或電流(即激勵)作用下,線性時不變電路的穩態響應可按下列步驟進行計算。
①將給定的非正弦周期電壓或電流分解成傅裡葉級數。級數究竟取幾項視要求計算的精度而定,項數確定後,再按式(1)、(2)和(3)算出各個有關傅裡葉系數。
②按順序計算級數中各分量單獨作用於電路時所引起的穩態響應。在計算直流分量引起的響應時,應將原電路中的電感器視為短路,電容器視為開路,在計算各次諧波引起的響應時應使用相量法,而且要註意到電感器的感抗XL(XL=KωL)和電容器的容抗
皆與諧波的次數 K有關,即它們的數值隨諧波的次數不同而不同。③將第二步中求得的對應於各次諧波的穩態響應相量轉換成正弦量,再將這些正弦量與對應於直流分量的響應(是與時間t無關的常數)疊加,便得出所欲求的穩態響應。
非正弦周期電路的功率 若二端網絡(圖3)的端口電壓為
端口電流為 則電路的瞬時功率為 非周期電路的平均功率(即有功功率)為其瞬時功率之平均值,即無功功率定義為
(12)
視在功率定義為
(13)
對於非正弦周期電路,3種功率S、P、Q的關系為
(14)
這一點與正弦交流電路不同。視在功率之平方減去有功功率與無功功率之平方和,所得之差值再開方即為畸變功率T,
(15)
畸變功率的出現意味著電路內的電流、電壓波形已經是偏離正弦波形的非正弦波形。
波形因數 周期信號(包括電流、電壓等電路變量)f(t)的有效值F與絕對平均值Fа之比,以Kf表示:
(16)
按式(16)可算出方波信號、正弦信號和三角波信號的波形因數分別為1、1.11、1.15。波形平而寬者其波形因數小,波形尖而窄者其波形因數大。
畸變因數 用以度量周期信號波形與正弦波的差別的量。以Kd表示。它等於其基波的有效值F1與有效值之比,即
非正弦波的傅裡葉級數 由於非正弦周期信號除基波外有多項高次諧波, F 1< F,故恒有 K d<1。三角波信號的畸變因數 K d=0.993,矩形波信號的 K d=0.9。 K d越小表示其波形與正弦波形的差別越大。 非正弦波的傅裡葉級數