八、傅里叶级数的电路分析

傅里叶级数的目的、形式与物理意义

傅里叶级数的目的

傅里叶级数的三种形式

标准三角展开式

f(t)=a0+∑n=1∞(ancos⁡(nω0t)+bnsin⁡(nω0t))f(t)=a_0+\sum_{n=1}^{\infty} (a_n\cos(n\omega_0 t)+b_n\sin(n\omega_0 t))

其中

a0=1T∫Tf(t) dtan=2T∫Tf(t)cos⁡(nω0t) dtbn=2T∫Tf(t)sin⁡(nω0t) dta_0=\frac{1}{T}\int_T f(t)\,dt\\ a_n=\frac{2}{T}\int_T f(t)\cos(n\omega_0 t)\,dt\\ b_n=\frac{2}{T}\int_T f(t)\sin(n\omega_0 t)\,dt

合并三角展开式

f(t)=A0+∑n=1∞Ancos⁡(nω0t−θn)f(t)=A_0+\sum_{n=1}^{\infty} A_n\cos(n\omega_0 t-\theta_n)

其中

A0=a0=1T∫Tf(t) dtAn=an2+bn2θn=tan⁡−1bnanA_0=a_0=\frac{1}{T}\int_T f(t)\,dt\\ A_n=\sqrt{a_n^2+b_n^2}\\ \theta_n=\tan^{-1}\frac{b_n}{a_n}

指数展开式

由欧拉公式

cos⁡(nω0t)=ejnω0t+e−jnω0t2\cos(n\omega_0t)=\frac{e^{jn\omega_0t}+e^{-jn\omega_0t}}{2}sin⁡(nω0t)=ejnω0t−e−jnω0t2j\sin(n\omega_0t)=\frac{e^{jn\omega_0t}-e^{-jn\omega_0t}}{2j}

代入标准三角展开式

f(t)=a0+∑n=1∞(ancos⁡(nω0t)+bnsin⁡(nω0t))f(t)=a_0+\sum_{n=1}^{\infty}(a_n\cos(n\omega_0t)+b_n\sin(n\omega_0t))

得

f(t)=a0+∑n=1∞[anejnω0t+e−jnω0t2+bnejnω0t−e−jnω0t2j]f(t)=a_0+\sum_{n=1}^{\infty}\left[a_n\frac{e^{jn\omega_0t}+e^{-jn\omega_0t}}{2}+b_n\frac{e^{jn\omega_0t}-e^{-jn\omega_0t}}{2j}\right]

整理得

f(t)=a0+∑n=1∞[an−jbn2ejnω0t+an+jbn2e−jnω0t]f(t)=a_0+\sum_{n=1}^{\infty}\left[\frac{a_n-jb_n}{2}e^{jn\omega_0t}+\frac{a_n+jb_n}{2}e^{-jn\omega_0t}\right]

令

C0=a0Cn=an−jbn2C−n=an+jbn2C_0=a_0 \qquad C_n=\frac{a_n-jb_n}{2} \qquad C_{-n}=\frac{a_n+jb_n}{2}

于是

f(t)=∑n=−∞∞Cnejnω0tf(t)=\sum_{n=-\infty}^{\infty}C_ne^{jn\omega_0t}

其中

Cn=1T∫Tf(t)e−jnω0t dtC_n=\frac{1}{T}\int_Tf(t)e^{-jn\omega_0t}\,dt

利用周期函数的对称性计算傅里叶级数

偶对称

奇对称

半波对称

四分之一波对称


傅里叶级数在电路分析中的应用

电路分析中的合并三角形式

周期性电源的电路解题


周期性电源的功率计算

傅里叶级数计算平均功率

设电压和电流的傅里叶级数分别为

v(t)=VDC+∑m=1∞Vmcos⁡(mω0t−θVm)v(t)=V_{DC}+\sum_{m=1}^{\infty}V_m\cos(m\omega_0t-\theta_{Vm}) i(t)=IDC+∑n=1∞Incos⁡(nω0t−θIn)i(t)=I_{DC}+\sum_{n=1}^{\infty}I_n\cos(n\omega_0t-\theta_{In})

平均功率定义为

P=1T∫t0t0+Tv(t)i(t) dtP=\frac{1}{T}\int_{t_0}^{t_0+T}v(t)i(t)\,dt

将 v(t) 和 i(t) 代入:

P=1T∫t0t0+T[VDC+∑m=1∞Vmcos⁡(mω0t−θVm)][IDC+∑n=1∞Incos⁡(nω0t−θIn)]P=\frac{1}{T}\int_{t_0}^{t_0+T} \left[V_{DC}+\sum_{m=1}^{\infty}V_m\cos(m\omega_0t-\theta_{Vm})\right]\left[I_{DC}+\sum_{n=1}^{\infty}I_n\cos(n\omega_0t-\theta_{In})\right]

展开:

P=1T∫t0t0+T[VDCIDC+∑m=1∞∑n=1∞VmIncos⁡(mω0t−θVm)cos⁡(nω0t−θIn)+VDC∑n=1∞Incos⁡(nω0t−θIn)+IDC∑n=1∞Vncos⁡(nω0t−θVn)]dt\begin{aligned} P={}&\frac{1}{T}\int_{t_0}^{t_0+T} \Bigg[ V_{DC}I_{DC}+\sum_{m=1}^{\infty}\sum_{n=1}^{\infty} V_mI_n \cos(m\omega_0t-\theta_{Vm}) \cos(n\omega_0t-\theta_{In})\\ &+V_{DC}\sum_{n=1}^{\infty}I_n\cos(n\omega_0t-\theta_{In}) +I_{DC}\sum_{n=1}^{\infty}V_n\cos(n\omega_0t-\theta_{Vn}) \Bigg]dt \end{aligned}

由于

三角函数的正交性

在一个完整周期 (T) 内,三角函数满足以下正交关系:

∫t0t0+Tsin⁡(mω0t) dt=0for all m\int_{t_0}^{t_0+T}\sin(m\omega_0t)\,dt=0 \qquad\text{for all }m∫t0t0+Tcos⁡(mω0t) dt=0for all m\int_{t_0}^{t_0+T}\cos(m\omega_0t)\,dt=0 \qquad\text{for all }m∫t0t0+Tcos⁡(mω0t)sin⁡(nω0t) dt=0for all m,n\int_{t_0}^{t_0+T} \cos(m\omega_0t)\sin(n\omega_0t)\,dt=0 \qquad\text{for all }m,n∫t0t0+Tsin⁡(mω0t)sin⁡(nω0t) dt={0,m≠nT2,m=n\int_{t_0}^{t_0+T} \sin(m\omega_0t)\sin(n\omega_0t)\,dt = \begin{cases} 0,&m\ne n\\ \dfrac{T}{2},&m=n \end{cases}∫t0t0+Tcos⁡(mω0t)cos⁡(nω0t) dt={0,m≠nT2,m=n\int_{t_0}^{t_0+T} \cos(m\omega_0t)\cos(n\omega_0t)\,dt = \begin{cases} 0,&m\ne n\\ \dfrac{T}{2},&m=n \end{cases}

因此

P=1T∫t0t0+T[VDCIDC+∑n=1∞VnIncos⁡(nω0t−θVn)cos⁡(nω0t−θIn)]dt P=\frac{1}{T}\int_{t_0}^{t_0+T} \Bigg[ V_{DC}I_{DC}+\sum_{n=1}^{\infty} V_nI_n \cos(n\omega_0t-\theta_{Vn}) \cos(n\omega_0t-\theta_{In}) \Bigg]dt

根据积化和差公式

P=VDCIDC+1T∑n=1∞VnIn2∫t0t0+T[cos(θVn−θIn)+cos(2nω0t−θVn−θIn)]dt\begin{aligned} P ={}&V_{DC}I_{DC} +\frac{1}{T}\sum_{n=1}^{\infty} \frac{V_n I_n}{2} \int_{t_0}^{t_0+T} \Big[ cos(\theta_{Vn}-\theta_{In})+cos(2n\omega_0t-\theta_{Vn}-\theta_{In}) \Big]dt \end{aligned}

其中

∫t0t0+Tcos(2nω0t−θVn−θIn) dt=0\int_{t_0}^{t_0+T}cos(2n\omega_0t-\theta_{Vn}-\theta_{In})\,dt=0

因此得到

P=VDCIDC+1T∑n=1∞VnIn2∫t0t0+Tcos(θVn−θIn) dt=VDCIDC+∑n=1∞VnIn2cos(θVn−θIn)\begin{aligned} P&=V_{DC}I_{DC}+\frac{1}{T}\sum_{n=1}^{\infty}\frac{V_n I_n}{2}\int_{t_0}^{t_0+T}cos(\theta_{Vn}-\theta_{In})\,dt\\ &=V_{DC}I_{DC}+\sum_{n=1}^{\infty}\frac{V_n I_n}{2}cos(\theta_{Vn}-\theta_{In}) \end{aligned} P=VDCIDC+12∑n=1∞VnIncos⁡(θVn−θIn)\boxed{ P = V_{DC}I_{DC} + \frac{1}{2} \sum_{n=1}^{\infty} V_nI_n \cos(\theta_{Vn}-\theta_{In}) }

这就是含有直流分量和各次谐波的周期信号的平均功率公式。

方均根值与等效直流电计算平均功率

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