电路分析（二）：交流电路：速成包

公式表、每个专题的关键方法步骤和 16 道练习题，完整解答附在最后。

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1公式与方法

复数

直角坐标形式: z = a + jb, j² = −1, z̄ = a − jb
模与辐角: |z| = √(a² + b²), tan θ = b/a (check the quadrant)
极坐标形式与指数形式: z = r∠θ = r(cos θ + j sin θ) = r·e^jθ
除法: z₁/z₂ = z₁z̄₂/|z₂|²
乘积与商: r₁∠θ₁ · r₂∠θ₂ = r₁r₂∠(θ₁ + θ₂), r₁∠θ₁ / r₂∠θ₂ = (r₁/r₂)∠(θ₁ − θ₂)
棣莫弗定理: (r∠θ)ⁿ = rⁿ∠nθ
n 次方根: z_k = R^1/n∠((φ + 360°·k)/n), k = 0 … n − 1
p² < 4q 的二次方程: z = −p/2 ± j√(q − p²/4)

方法

根据运算选择合适的形式：加减用直角坐标形式 a + jb，乘除、乘方和开方用极坐标形式 r∠θ。
展开相乘时使用 j² = −1；做除法时把分子和分母同乘以分母的共轭。
用 r = √(a² + b²) 转换，θ 通过画出点 (a, b) 的草图得到（注意象限），再用 a = r cos θ，b = r sin θ 换回去。
乘方用棣莫弗定理，(r∠θ)ⁿ = rⁿ∠nθ；对于 zⁿ = R∠φ，列出全部 n 个根 R^1/n∠((φ + 360°k)/n)。

交流阻抗和相量

阻抗: Z_R = R, Z_L = jωL, Z_C = 1/(jωC)
角频率: ω = 2πf
模和相角: |Z| = √(R² + X²), φ = atan(X/R)
相量形式的欧姆定律: V = I·Z

方法

换算频率：ω = 2πf。
求各电抗：X_L = ωL，X_C = 1/(ωC)。
像电阻一样把阻抗相加，Z = R + jX。
求模 |Z| = √(R² + X²) 和相角 φ = atan(X/R)，再用相量形式的欧姆定律。

交流功率和功率因数

有功功率: P = V·I·cos φ
无功功率: Q = V·I·sin φ
视在功率: S = V·I = √(P² + Q²)
功率因数: pf = cos φ = P/S
补偿电容: Q_C = P(tan φ₁ − tan φ₂), C = Q_C/(ωV²)

LC 谐振、Q 因数与带宽

固有频率: ω₀ = 1/√(LC), f₀ = 1/(2π√(LC))
能量: W = ½CV₀² = ½Cv² + ½Li²
峰值电流: I_max = V₀√(C/L)
品质因数: Q = 2π·(energy stored)/(energy lost per cycle)
串联 RLC: Q = (1/R)√(L/C), BW = R/(2πL)
并联 RLC: Q = R√(C/L), BW = 1/(2πRC)
带宽: BW = f₂ − f₁ = f₀/Q, f₀ = √(f₁f₂)
半功率频率: f_1,2 = f₀(√(1 + 1/(4Q²)) ∓ 1/(2Q))
含线圈电阻 r 的谐振回路: R_D = L/(C·r) = Q²·r
振幅的衰减: e^−Rt/(2L)

方法

先求谐振频率：ω₀ = 1/√(LC)，f₀ = ω₀/(2π)。
判断电路是串联还是并联：串联 Q = (1/R)√(L/C)，并联 Q = R√(C/L)。
带宽用 BW = f₀/Q，或用简便公式 R/(2πL)（串联）和 1/(2πRC)（并联）。
能量类问题，利用理想 LC 电路的总能量 ½CV₀² 保持不变，并且每过四分之一周期就在 C 与 L 之间转移一次。

三相电

Y 联结: V_L = √3·V_ph, I_L = I_ph
Δ 联结: V_L = V_ph, I_L = √3·I_ph
总有功功率: P = √3·V_L·I_L·cos φ = 3·I_ph²·R
视在功率和无功功率: S = √3·V_L·I_L, Q = P·tan φ
补偿电容: Q_C = P(tan φ₁ − tan φ₂), C = Q_C/(3ωV²)
每个电容上的电压: Δ：V_L Y：V_L/√3
电动机输入: P_in = P_out/η

RC 和 RL 暂态

时间常数: τ = RC | τ = L/R
响应: x(t) = x(∞) + [x(0) − x(∞)]·e^−t/τ
直流下的电容: 开路；v_C 不能突变
直流下的电感: 短路；i_L 不能突变
稳态: t ≈ 5τ

方法

求换路后瞬间的初始值：电容电压和电感电流不能突变。
求换路后很长时间的终值：电容相当于开路，电感相当于短路。
求时间常数：τ = RC 或 τ = L/R，使用从电容或电感两端看进去的电阻。
使用 x(t) = x(∞) + [x(0) − x(∞)]·e^−t/τ。

戴维南和诺顿

戴维南电压: V_th = V_{open circuit}
戴维南电阻: R_th：所有独立源置零，从 a–b 看进去
诺顿电流: I_N = V_th/R_th
负载电流: I_L = V_th/(R_th + R_L)
最大功率传输: R_L = R_th, P_max = V_th²/(4R_th)

方法

移去负载，并标出两个端子 a 和 b。
求 a、b 之间的开路电压：这就是 V_th。
将所有独立电源置零，求从 a–b 看进去的电阻：这就是 R_th。
把负载接回等效电路：V_th 与 R_th 串联。
求诺顿等效电路时进行变换：I_N = V_th/R_th，R_N = R_th 并联。

2练习题

1.复数中等

把 z = 5∠125° 写成直角坐标形式 a + jb，并给出虚部 b。

r = 5θ = 125°

b =

2.复数困难

n = 3、w = 8∠0° 时，zⁿ = w 的根为 z_k = R^1/n∠((φ + 360°·k)/n)，k = 0, 1, 2。求 z₀ 的实部。

w = 8∠0°n = 3k = 0

Re(z₀) =

3.交流阻抗和相量中等

一个电阻和一个电感并联接在 120 V（有效值）、100 Hz 的电源上。求电流有效值 I。

V = 120 V (rms)f = 100 HzR = 30 ΩL = 50 mH

I = A

4.交流阻抗和相量困难

一个 RLC 串联电路的 R = 50 Ω，L = 5 mH，C = 0.01 µF。求其谐振时的品质因数 Q。

R = 50 ΩL = 5 mHC = 0.01 µF

Q =

5.交流功率和功率因数中等

一台单相电动机从 230 V 电源吸取 27 kW，功率因数为 0.65（滞后）。求线路电流 I。

P = 27 kWpf = 0.65V = 230 V

I = A

6.交流功率和功率因数困难

一个单相负载从 240 V、50 Hz 电源吸取 15 kW，功率因数为 0.7（滞后）。并联一个电容将功率因数提高到 0.98。求电容需提供的无功功率 Q_C。

P = 15 kWpf₁ = 0.7pf₂ = 0.98V = 240 Vf = 50 Hz

Q_C = kvar

7.LC 谐振、Q 因数与带宽中等

一个并联 RLC 电路的 R = 2.2 kΩ，L = 22 mH，C = 22 nF。求它的品质因数 Q。

R = 2.2 kΩL = 22 mHC = 22 nF

Q =

8.LC 谐振、Q 因数与带宽困难

一个充电的 2.2 nF 电容器通过总串联电阻为 2 Ω 的 100 µH 线圈放电，因此振荡逐渐衰减。其振幅按 e^−Rt/(2L) 衰减。振幅减半之前经过多少个振荡周期 n？（损耗很小，所以频率为 f₀。）

L = 100 µHC = 2.2 nFR = 2 Ω

n =

9.三相电中等

一个对称三相负载从线电压为 690 V 的电源取用 75 A 的线电流，功率因数为 0.88（滞后）。求负载取用的总有功功率 P，以 kW 计。

V_L = 690 VI_L = 75 Acos φ = 0.88

P = kW

10.三相电困难

一个对称三相负载从 415 V（线电压）、50 Hz 的电源取用 200 kW，功率因数为 0.65（滞后）。与负载并联的三相电容器组须把总功率因数提高到 0.98（滞后）。有功功率保持不变。求电容器组须提供的总无功功率 Q_C，以 kvar 计。

P = 200 kWpf₁ = 0.65pf₂ = 0.98V_L = 415 Vf = 50 Hz

Q_C = kvar

11.RC 和 RL 暂态中等

电感中流过 0.5 A 的稳定电流。在 t = 0 开关使回路经 R 闭合并移除电源，于是电感电流经 R 衰减。求 t = 5 ms 时 R 两端的电压 v_R。

i(0) = 0.5 AR = 33 ΩL = 68 mHt = 5 ms

v_R = V

12.RC 和 RL 暂态困难

一个定时器在 t = 0 时开始用 9 V 电源通过一个电阻给未充电的电容充电。当电容电压达到 6.75 V 时它必须触发，恰好在开始后 50 ms。已知 R = 22 kΩ，求所需的电容 C。

V_s = 9 VV_th = 6.75 VT = 50 msR = 22 kΩ

C = µF

13.戴维南和诺顿中等

求从端口 a–b 看进去的戴维南电压 V_th。

V₁ = 10 VR₁ = 20 ΩR₂ = 4 ΩR₃ = 2 Ω

V_th = V

14.戴维南和诺顿困难

求从端口 a–b 看进去的戴维南电压 V_th。

V₁ = 15 VI_s = 3 AR₁ = 3 ΩR₂ = 8 ΩR₃ = 2 Ω

V_th = V

15.伯德图与裕度中等

图中所示的RC 高通滤波器有R = 4.7 kΩ, C = 2.2 nF。输入为62 kHz的正弦信号。求 v_out 相对于 v_in 的相移 φ，单位为度。

R = 4.7 kΩC = 2.2 nFf = 62 kHz

φ = °

16.伯德图与裕度困难

一个单位反馈回路的开环传递函数为 L(s) = 186/(s(s + 4)(s + 9))。求增益裕度 GM，单位为 dB。

L(s) = 186/(s(s + 4)(s + 9))

GM = dB

3溶液

1.复数

答案: b = 4.096

极坐标形式：z = r∠θ = r(cos θ + j sin θ) = r·e^jθ，其中 r = |z|，θ = arg z。换回直角坐标形式：a = r cos θ，b = r sin θ。求辐角需要考虑象限：仅当 a > 0 时 θ = atan(b/a)；当 a < 0 时要加上或减去 180°。在极坐标形式下乘法很简单：模相乘，辐角相加；除法则模相除，辐角相减。

分量

a = 5·cos(125°) = −2.868

b = 5·sin(125°) = 4.096

直角坐标形式

z = −2.868 + j4.096

b = 4.096

答案

b = 4.096

2.复数

答案: Re(z₀) = 2

棣莫弗定理与方根：(r∠θ)ⁿ = rⁿ∠nθ。方程 zⁿ = R∠φ 恰有 n 个根，模都是 R^1/n，辐角为 (φ + 360°·k)/n，k = 0, 1, …, n − 1：它们均匀分布在一个圆上，相隔 360°/n。当 p² < 4q 时，二次方程 z² + pz + q = 0 有复根 z = −p/2 ± j√(q − p²/4)；实系数多项式的复根总是成共轭对 a ± jb 出现。

根的模

8^1/3 = 2

根的辐角

θ₀ = (0° + 360°·0)/3 = 0°

直角坐标形式

z₀ = 2·(cos 0° + j sin 0°) = 2

Re(z₀) = 2

答案

Re(z₀) = 2

3 个根位于半径为 2 的圆上，彼此相隔 120°。

3.交流阻抗和相量

答案: I = 5.531 A

相量法分析交流电路：电阻、电感和电容的阻抗分别为 R、jωL 和 1/(jωC)，其中 ω = 2πf。串联时阻抗像电阻一样相加，但按复数计算。电流和电压的有效值满足以 |Z| 表示的欧姆定律。

电抗

X_L = ωL = 2π·100·0.05 = 31.42 Ω

支路电流

两条支路都直接接在电源两端，所以每条支路都承受全部电压 V。

I_R = V/R = 120/30 = 4 A

I_X = V/X_L = 120/31.42 = 3.82 A

总电流

电阻电流与 V 同相，电抗电流与 V 相差 90°，所以它们按直角三角形的两边合成。

I = √(I_R² + I_X²) = √(4² + 3.82²) = 5.531 A

答案

I = 5.531 A

4.交流阻抗和相量

答案: Q = 14.14

谐振频率

f₀ = 1/(2π·√(0.005·0.01·10⁻⁶)) = 22508 Hz

品质因数

Q 把谐振时的电抗与电阻进行比较：Q = ω₀L/R。

Q = (1/R)·√(L/C) = (1/50)·√(0.005/(0.01·10⁻⁶)) = 14.14

答案

Q = 14.14

5.交流功率和功率因数

答案: I = 180.6 A

交流功率：视在功率 S = V·I (VA) 分为做有用功的有功功率 P = S·cos φ (W)，以及在电源和负载之间来回交换的无功功率 Q = S·sin φ (var)。功率因数为 cos φ。并联电容就地提供无功功率，因此在有功功率不变时线路电流减小。

线路电流

只有有功部分做功，所以要除以功率因数。

I = P/(V·cos φ) = 27000/(230·0.65) = 180.6 A

答案

I = 180.6 A

6.交流功率和功率因数

答案: Q_C = 12.26 kvar

补偿前后的无功功率

有功功率 P 不变；改变的只是从电源吸取的无功功率。

Q₁ = P·tan φ₁ = 15·tan(45.57°) = 15.3 kvar

Q₂ = P·tan φ₂ = 15·tan(11.48°) = 3.046 kvar

Q_C = Q₁ − Q₂ = 12.26 kvar

答案

Q_C = 12.26 kvar

7.LC 谐振、Q 因数与带宽

答案: Q = 2.2

Q 因数与带宽：在谐振电路中，Q = 2π·（储存的能量）/（每周期损失的能量）。对串联 RLC，Q = ω₀L/R = (1/R)√(L/C)；对并联 RLC，Q = R/(ω₀L) = R√(C/L)。半功率频率 f₁ 与 f₂（功率减半，电流或电压为峰值的 1/√2）之间的带宽为 BW = f₂ − f₁ = f₀/Q，串联时是 R/(2πL)，并联时是 1/(2πRC)。谐振频率是几何平均值 f₀ = √(f₁f₂)，且 f_1,2 = f₀(√(1 + 1/(4Q²)) ∓ 1/(2Q))。损耗还会使振荡衰减：在串联 RLC 中，振幅按 e^−Rt/(2L) 下降。

谐振频率

ω₀ = 1/√(LC) = 45455 rad/s

品质因数

Q = R/(ω₀L) = 2200/(45455·0.022) = 2.2

答案

Q = 2.2

带宽为 1/(2πRC) = 3.288 kHz。

8.LC 谐振、Q 因数与带宽

答案: n = 23.52

振幅的半衰期

t = 2·1 × 10⁻⁴·ln 2/2 = 6.931 × 10⁻⁵ s

周期数

n = t·f₀ = 6.931 × 10⁻⁵·339319 = 23.52

答案

n = 23.52

简便算法：n = Q·ln 2/π，其中 Q = 106.6。

9.三相电

答案: P = 78.88 kW

对称三相系统：在 Y（星形）联结中，线电压是相电压的 √3 倍，V_L = √3·V_ph，线电流等于相电流。在 Δ（三角形）联结中，线电压等于相电压，线电流是相电流的 √3 倍，I_L = √3·I_ph。总功率是一相功率的三倍：P = 3·V_ph·I_ph·cos φ = √3·V_L·I_L·cos φ。

视在功率

S = √3·V_L·I_L = √3·690·75 = 89.63 kVA

有功功率

P = S·cos φ = 89.63·0.88 = 78.88 kW

答案

P = 78.88 kW

10.三相电

答案: Q_C = 193.2 kvar

对称三相系统：在 Y（星形）联结中，线电压是相电压的 √3 倍，V_L = √3·V_ph，线电流等于相电流。在 Δ（三角形）联结中，线电压等于相电压，线电流是相电流的 √3 倍，I_L = √3·I_ph。总功率是一相功率的三倍：P = 3·V_ph·I_ph·cos φ = √3·V_L·I_L·cos φ。 功率因数校正：电容就地提供无功功率，Q_C = P·(tan φ₁ − tan φ₂)。三个电容各提供 Q_C/3 = V²·ω·C，其中 V 是该电容两端的电压：Δ 联结电容器组为 V_L，Y 联结电容器组为 V_L/√3。

补偿前后的无功功率

有功功率不变，因此每个功率因数对应确定的无功功率：Q = P·tan φ。

Q₁ = 200·tan(acos 0.65) = 200·1.169 = 233.8 kvar

Q₂ = 200·tan(acos 0.98) = 200·0.2031 = 40.61 kvar

电容提供的无功功率

Q_C = Q₁ − Q₂ = 193.2 kvar

答案

Q_C = 193.2 kvar

11.RC 和 RL 暂态

答案: v_R = 1.458 V

一阶暂态：在只含一个电容或一个电感的电路中，每个电压和电流都从初始值按指数规律变化到终值：x(t) = x(∞) + [x(0) − x(∞)]·e^−t/τ，其中 τ = RC 或 τ = L/R。约 5τ 后电路进入稳态。

时间常数

τ = L/R = 68 mH / 33 Ω = 2.061 ms

电流的衰减

i(t) = 0.5·e^−5/2.061 = 0.04417 A

v_R = R·i = 33·0.04417 = 1.458 V

答案

v_R = 1.458 V

12.RC 和 RL 暂态

答案: C = 1.639 µF

所需的时间常数

6.75 = 9·(1 − e^−50/τ) → τ = 50/ln(9/(9 − 6.75))

τ = 50/1.386 = 36.07 ms

电容

kΩ 乘以 µF 得到毫秒。

C = τ/R = 36.07/22 = 1.639 µF

答案

C = 1.639 µF

13.戴维南和诺顿

答案: V_th = 1.667 V

戴维南定理：任何线性二端网络都等效为一个电压源 V_th 串联一个电阻 R_th。诺顿定理则把同一网络等效为电流源 I_N = V_th/R_th 与 R_th 并联。

将所有电源置零，求 R_th

电压源换成短路，电流源换成开路，然后从 a–b 看进电路。

R₁ ∥ R₂ = 20·4/(20+4) = 3.333 Ω

R_th = (R₁ ∥ R₂) + R₃ = 3.333 + 2 = 5.333 Ω

求开路电压 V_th

a–b 开路时 R₃ 中没有电流，因此其上无压降，V_b = V_A。R₁ 和 R₂ 构成分压电路。

V_th = V₁·R₂/(R₁+R₂) = 10·4/(20+4) = 1.667 V

14.戴维南和诺顿

答案: V_th = 23.45 V

戴维南定理：任何线性二端网络都等效为一个电压源 V_th 串联一个电阻 R_th。诺顿定理则把同一网络等效为电流源 I_N = V_th/R_th 与 R_th 并联。

将所有电源置零，求 R_th

电压源换成短路，电流源换成开路，然后从 a–b 看进电路。

R₁ ∥ R₂ = 3·8/(3+8) = 2.182 Ω

R_th = (R₁ ∥ R₂) + R₃ = 2.182 + 2 = 4.182 Ω

求开路电压 V_th

a–b 开路时，Iₛ 只能经 R₃ 流入节点 A。用 V₁ 和 Iₛ 叠加求 V_A，再加上 R₃ 上的压降。

V_A = V₁·R₂/(R₁+R₂) + I_s·(R₁∥R₂) = 10.91 + 3·2.182 = 17.45 V

V_th = V_B = V_A + I_s·R₃ = 17.45 + 3·2 = 23.45 V

15.伯德图与裕度

答案: φ = 13.94 °

频率响应：在传递函数中代入 s = jω。以分贝表示的幅值为 20·log₁₀|H(jω)|，相位是分子各因子的角度之和减去分母各因子的角度之和。一阶 RC 或 RL 滤波器的转折（−3 dB）频率为 ω_c = 1/(RC) 或 R/L，而 f_c = ω_c/(2π)；低通滤波器给出 |H| = 1/√(1 + (ω/ω_c)²)，φ = −atan(ω/ω_c)。在渐近（折线）伯德图中，每个极点在其转折频率处使幅值向下弯折 20 dB/十倍频，每个零点使它向上弯折 20 dB/十倍频，积分环节 1/s 在所有频率上给出 −20 dB/十倍频。增益穿越频率 ω_c：|L(jω)| = 1（0 dB）；相位裕度 PM = 180° + ∠L(jω_c)。相位穿越频率 ω₁₈₀：∠L(jω) = −180°；增益裕度 GM = −20·log₁₀|L(jω₁₈₀)| dB。当两个裕度都为正时，闭环稳定。

转折频率

ω_c = 1/(RC) = 1/(4700·2.2 × 10⁻⁹) = 96712 rad/s

f_c = 15392 Hz → f/f_c = 62000/15392 = 4.028

相位

φ = 90° − atan(4.028) = 13.94°

答案

φ = 13.94°

16.伯德图与裕度

答案: GM = 8.015 dB

相位穿越

(ω/4)·(ω/9) = 1 → ω₁₈₀ = √(4·9) = 6 rad/s

相位穿越处的幅值

|L(jω₁₈₀)| = K/(ω·√(ω² + 16)·√(ω² + 81)) = K/(4·9·(4 + 9)) = K/468

增益裕度

GM = 20·log₁₀(468/186) = 8.015 dB

答案

GM = 8.015 dB

ExamProblems · examproblems.com/courses/circuit-analysis-2

电路分析（二）：交流电路：速成包

1公式与方法

复数

方法

交流阻抗和相量

方法

交流功率和功率因数

LC 谐振、Q 因数与带宽

方法

三相电

RC 和 RL 暂态

方法

戴维南和诺顿

方法

2练习题

3溶液

分量

直角坐标形式

答案

根的模

根的辐角

直角坐标形式

答案

电抗

支路电流

总电流

答案

谐振频率

品质因数

答案

线路电流

答案

补偿前后的无功功率

答案

谐振频率

品质因数

答案

振幅的半衰期

周期数

答案

视在功率

有功功率

答案

补偿前后的无功功率

电容提供的无功功率

答案

时间常数

电流的衰减

答案

所需的时间常数

电容

答案

将所有电源置零，求 Rth

求开路电压 Vth

将所有电源置零，求 Rth

求开路电压 Vth

转折频率

相位

答案

相位穿越

相位穿越处的幅值

增益裕度

答案

将所有电源置零，求 R_th

求开路电压 V_th

将所有电源置零，求 R_th

求开路电压 V_th