为什么我们在 AC 分析中使用 \$s=j\omega\$ 而不是 \$s=\sigma+j\omega\$?

电器工程 交流
2022-01-11 21:48:53

在 AC 分析中,当我们处理 \$sL\$ 或 \$1/sC\$ 时,\$s=j\omega\$。但是对于拉普拉斯变换,\$s=\sigma+j\omega\$。

抱歉含糊不清,但我想将以下问题联系起来:

  • 为什么西格玛等于零?
  • neper频率与此有关吗?
  • 由于输入信号是常数 \$\pm V_{max}\$ 的正弦曲线,sigma 是否等于 0?
4个回答

当然,根据定义,\$s = \sigma + j\omega\$。发生的事情是 \$\sigma\$ 被忽略,因为它被假定为零。其原因是我们正在研究系统对周期性(因此是非衰减)正弦信号的响应,拉普拉斯可以方便地沿虚轴简化为傅立叶。拉普拉斯域中的实轴表示纯信号没有的指数衰减/增长因子,傅立叶没有建模。

对于 AC 分析,假设电路具有正弦源(具有相同的角频率\$\omega \$)并且所有瞬态都已衰减。这种情况称为正弦稳态交流稳态

这允许在相量域中分析电路。

使用欧拉公式,我们有:

\$v_A(t) = A \cos(\omega t + \phi) = \Re(Ae^{j\phi}e^{j\omega t}) \$

与 \$v(t)\$ 相关的相量是 \$\vec V_a = Ae^{j\phi}\$,它只是一个复常数,包含时域信号的幅度和相位信息。

因此,在这些条件下,我们可以通过跟踪相量电压和电流并使用以下关系来分析电路:

\$\dfrac{\vec V_l}{\vec I_l} = j\omega L \$

\$\dfrac{\vec V_c}{\vec I_c} = \dfrac{1}{j\omega C} \$

\$\dfrac{\vec V_r}{\vec I_r} = R \$

然后我们通过欧拉公式恢复时域解。

现在,相量分析和拉普拉斯分析之间有着深刻的联系,但重要的是要记住 AC 分析的完整背景,即:

(1)电路有正弦源(同频\$\omega\$)

(2) 所有瞬变都已衰减

拉普拉斯变换传递函数 (TF) 分析给出了对从 t=0 开始的正弦输入信号的完整响应。该解通常包含以指数方式衰减到零的瞬态项,以及在指数消失后仍然存在的稳态项。当我们有 TF 的极点和零点时,例如 s=-a+jw,'-a' 部分给出指数 (e^-at) 响应,jw 部分给出正弦稳态响应:(e ^jwt) = cos(wt) + jsin(wt)。如果我们只对响应的稳态部分感兴趣(如频率响应分析中的情况),那么我们可以在 TF 中使用替换 s=jw。

请注意,e^jx = cos(x) + jsin(x) 是“欧拉恒等式”,是科学和工程中最重要和最有用的关系之一。

选择\$S=j\omega\$ 来评估交流信号的原因是它允许将拉普拉斯变换转换为傅里叶变换。

原因是虽然 S 是一个复变量,但傅里叶表示中使用的只是旋转(虚数)分量,因此 \$\sigma=0\$。

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