《电工与电子技术》单元2单相交流电路.ppt

1,主 编：李 文 王庆良 副主编：孙全江 韦 宇 主 审：于昆伦,电工与电子技术,上篇 电工学 单元2 单相交流电路,2,【知识点】 正弦量的三要素；正弦量的相量表示法、同频率正弦量的相量求和运算方法；单一参数交流电路中电压与电流的关系；串联电路中电压、阻抗、功率三角形，有功功率、无功功率、视在功率和功率因数，电路性质的判断；串、并联谐振；提高功率因数的意义和方法；单相交流电路的分析计算方法。 【能力目标】 熟练掌握单相交流电路的分析、计算和实际运用。,单元2 单相交流电路,3,单元2 单相交流电路,目 录,4,在工业生产和日常生活中，广泛使用的是交流电。所谓交流电，是指大小和方向随时间作周期性变化的电流、电压和电动势。而大小和方向随时间按正弦规律变化的交流电，则称为正弦交流电，简称交流电，也称为正弦量。 正弦交流电可用三角函数式或波形图来表示。其中三角函数式表达了它每一瞬时的取值，称为瞬时值表达式，简称瞬时式。如正弦交流电流的瞬时式可写为： （2.1） 式中Im交流电的最大值; 交流电的角频率； 交流电的初相。,2.1 正弦交流电的基本概念,2.1.1 正弦量的三要素,5,其波形图如图2.1所示。这种按正弦规律变化的波形（或函数），可由最大值、角频率、初相三个参数确定，这三个参数称为正弦量的三要素。,图2.1 正弦电流波形,2.1 正弦交流电的基本概念,6,2.1.1.1 周期、频率、角频率 周期：正弦量变化一周所需要的时间称为周期，用T表示，单位为秒（s）。 频率：正弦量一秒钟内变化的周数称为频率，用f表示，单位为赫兹（Hz），简称赫，即周/秒。显然，频率是周期的倒数，即： 频率反映了交流电变化的快慢。f越大，交流电变化越快。 我国电力系统的供电频率为50Hz，称为工频，所以50Hz的交流电又称为工频交流电。一般的交流电动机，照明、电热等设备，都是按照工频交流电来设计制造的。另外，音频信号的频率为2020000Hz，视频信号的频率为06MHz。,（2.2）,2.1 正弦交流电的基本概念,7,2.1 正弦交流电的基本概念,8,2.1.1.2 瞬时值、最大值、有效值 瞬时值：正弦量在任一瞬间的数值称为瞬时值，用小写字母表示，如i、u、e等。 最大值：瞬时值中最大的值称为最大值，或称为振幅（幅值），用带下标m的大写字母表示，如Im、Um、Em等。 有效值：交流电的瞬时值和最大值只是交流电某一瞬时的数值，不能反映交流电在电路中做功的实际效果，而且测量和计算都很不方便，为此，在电工技术中常用有效值来表示交流电的大小。如家庭或工业用电的电压为220V、380V等均指有效值，交流电表的指示值和交流设备铭牌标注的电压、电流数值一般都是指有效值。有效值用大写字母表示，如I、U、E等。,2.1 正弦交流电的基本概念,9,交流电流的有效值是根据电流热效应原理来确定的。在两个阻值相同的电阻上，分别通以直流电流I和交流电流i，如果在相等的时间内（如一个交流周期），两个电阻所消耗的电能相等，则这两个电流的做功能力是相等的，这时，直流电流的数值就称为交流电流的有效值，即交流电流的有效值就是与它的平均耗能相等的直流电流数值。 按上述定义，应有 ：,2.1 正弦交流电的基本概念,10,对于正弦交流电: 则 可见，交流电流的有效值等于最大值的倍或0.707倍。 同理，交流电压和电动势的有效值与最大值的关系为：,(2.4),(2.5),(2.6),2.1 正弦交流电的基本概念,11,显然，由于最大值可用有效值表示，故有效值也可作正弦量的一个要素代替最大值。 引入了有效值的概念之后，交流电的瞬时值函数式可写为,2.1 正弦交流电的基本概念,12,2.1.1.3 相位和相位差 相位：式（2.1）中的(t+)称为交流电的相位角，简称相位。相位随时间变化，它决定交流电变化的进程，也就是决定交流电的大小和正负。 初相位：t=0时的相位叫做初相位，简称初相，用表示。初相决定了交流电的起始状态。在波形图上，当交流电的波形由负向正变化时与横轴有一交点，其最靠近坐标原点的交点与坐标原点之间的角度即为初相。如图2.2所示，图（a）的交点在坐标原点，=0；图（b）的交点在纵轴左侧，初相为正；图（c）的交点在纵轴右侧，初相为负。所以，|。,2.1 正弦交流电的基本概念,13,对于一个确定的正弦量，其最大值、周期、初相均为常数。当一个正弦量的三要素确定之后，正弦量也被唯一地确定了。 相位差：两个同频率的正弦量的相位之差叫做相位差，用字母表示。例如 ， 则 、 的相位差为：,图2.2 不同时的正弦波 （a）=0;（b）0;（c）0,(2.7),2.1 正弦交流电的基本概念,14,图2.3 正弦量的相位差 （a）同相；（b）反相；（c）1-20,2.1 正弦交流电的基本概念,15,图2.4 例2.1图,2.1 正弦交流电的基本概念,16,利用正弦量的瞬时式或波形图来分析计算正弦交流电路非常烦琐。采用复数表示正弦量，把对正弦量的各种运算转化为复数的代数运算，可以大大简化正弦交流电路的分析计算过程。这种方法称为相量法。 设有一正弦电流i =Imsin(t+),波形图如图2.5右边所示。它可以用一个旋转矢量来表示，如图2.5左边所示。过直角坐标的原点作一个矢量，矢量长度等于该正弦量的最大值Im，矢量与横轴的正方向的夹角等于该正弦量的初相，并以正弦量的角频率做逆时针方向旋转。那么，这个旋转矢量任一瞬时在纵轴上的投影，就是该正弦电流i 在该时刻的瞬时值。例如， 当t=t1时，i1=Imsin(t1+)； 当t=t2时，i2=Imsin(t2+)。,2.1.2 正弦量的相量表示法,2.1 正弦交流电的基本概念,17,正弦量可用旋转矢量表示，而矢量又可以用复数表示，因此正弦量也可以用复数表示。 复数的代数式为：,图2.5 用旋转矢量表示正弦量,(2.8),2.1 正弦交流电的基本概念,18,图2.6是一个复平面，横轴为实轴，纵轴为虚轴。在该复平面上从原点作矢量，该矢量的长度|A|等于复数虚部A的模，矢量与横轴的夹角等于复数的辐角，在实轴上的投影为实部a，在虚轴上的投影为虚部b。,图2.6 复数平面,2.1 正弦交流电的基本概念,19,2.1 正弦交流电的基本概念,20,实际中，我们常用正弦量的有效值来表示正弦量的大小。例如 其相对应的相量可表示为 此时，相量的模为正弦量的有效值。 在同一电路中，各正弦量的频率都是相同的。在分析各正弦量的关系时，可根据各正弦量的大小和初相，用矢量画在同一个复平面上，称为相量图。相量图可以不画出复平面上的坐标轴，如图2-7。相量的加减运算符合平行四边形法则。,2.1 正弦交流电的基本概念,21,图2.7 相量的合成,2.1 正弦交流电的基本概念,22,在交流电路中，只要有电流流动，电路就会对电流产生一定的阻碍作用，即有电阻作用。另外，因交流电不断变化，使其周围产生不断变化的磁场和电场，在变化的磁场作用下，线圈会产生感应电动势，即电路中有电感的作用。同时，变化的电场要引起电路中电荷分布的改变，即电路中有电容的作用。因此，在对交流电路进行分析计算时，必须同时考虑电阻R、电感L、电容C三个参数对电路的影响。由电阻、电感、电容单一参数电路元件组成的正弦交流电路，是最简单的交流电路。,2.2 单一参数电路元件的交流电路,2.2 单一参数电路元件的交流电路,23,白炽灯、电炉、电烙铁等负载都可看成是电阻元件，仅含有这类元件的电路就可以看成是纯电阻电路。 2.2.1.1 电压与电流的关系 图2.8(a）是一个电阻元件的交流电路，设电阻中流过的正弦电流为： 根据欧姆定律，电阻两端的电压为： 根据式（2.12）和式（2.13）画出波形图如图2.8(b）所示，相量图如图2.8(c）所示。并可分析出，电阻两端电压与流过其中电流的关系：,2.2.1 电阻元件的正弦交流电路,(2.12),(2.13),2.2 单一参数电路元件的交流电路,24, 电压和电流是同频率的正弦量。 电压、电流有效值与最大值均满足欧姆定律，即URIRR，Um=ImR。 电压和电流的相位差为 ，即电压和电流同相位。,图2.8 电阻元件的交流电路 (a) 电路图；(b) u、i波形图； (c) u、i相量图；(d) 功率波形,2.2 单一参数电路元件的交流电路,25,2.2.1.2 电阻电路的功率 （1）瞬时功率 电阻在任一瞬时消耗的功率称为瞬时功率。它等于任一瞬时电压和电流的乘积，表示为： 可见，瞬时功率是随时间变化的，变化曲线如图2.8（d）所示。从曲线可以看出，pR0，表明电阻在任一时刻都在向电源取用功率，起负载作用。,(2.14),2.2 单一参数电路元件的交流电路,26,（2）平均功率（有功功率） 瞬时功率无实用意义，通常用一个周期内瞬时功率的平均值来表示功率的大小，称为平均功率或有功功率，用大写字母PR表示。 电阻元件实际消耗的电能等于平均功率乘以通电时间。 例2-3 有一个220V、100W的白炽灯，接在220V的交流电源上，求通过白炽灯的电流和正常工作时的灯丝电阻.,2.2 单一参数电路元件的交流电路,27,电感元件在电工技术中应用很广泛，如变压器的线圈、电动机的绕组等。线圈中的导线是有电阻的，但当电阻相对电感很小时，就可以认为该线圈是纯电感线圈。 2.2.2.1 电压与电流的关系 图2.9(a）为仅含有电感元件的交流电路。设电感中流过的正弦电流为： (2.16) 当电感线圈中通以交变的电流时,在线圈中产生交变的磁通,如果线圈为N 匝，则总磁通（磁链） 也是交变的，而变化的磁链要产生感应电动势，根据电磁感应定律：,2.2.2 电感元件的正弦交流电路,2.2 单一参数电路元件的交流电路,28,则 令 则 XL称为电感的电抗，简称感抗，单位为欧姆（）。感抗是表征电感元件在交流电路中对电流的阻碍作用，与频率成正比，频率越高，感抗越大。在直流电路中，感抗为零相当于短路。,(2.19),(2.18),(2.17),2.2 单一参数电路元件的交流电路,29,根据式（2.16）和式（2.17）画出波形图如图2.9(b）所示，相量图如图2.9(c）所示，并可分析出电感两端电压与流过其中电流的关系： 电压和电流是同频率的正弦量。 电压、电流有效值与最大值的关为： ， 。 电压和电流的相位差为 ，即电压 超前电流 。,2.2 单一参数电路元件的交流电路,30,图2.9 电感元件的交流电路 (a) 电路图；(b) u、i波形图；(c) u、i相量图；(d) 功率波形,2.2 单一参数电路元件的交流电路,31,2.2.2.2 电感电路的功率 （1）瞬时功率 电感电路中的瞬时功率为： （2.20) 可见，瞬时功率是随时间变化的。变化曲线如图2.9（d）所示：在第一个和第三个1/4周期内，pL0，表明电感从电源吸收能量，并把电能转变为磁场能量储存于线圈的磁场中，此时线圈相当于负载；而在第二个和第四个1/4周期内，pL0，表明磁场能量又被转变为电能返还给电源，故此时线圈相当于电源。由于在一个周期内电感吸收的能量和返还的能量相等，所以电感不消耗能量，只与电源间有电能的交换。,2.2 单一参数电路元件的交流电路,32,（2）平均功率（有功功率） （3）无功功率 虽然电感不消耗功率，但电源与电感之间的能量交换始终在进行。为了衡量能量交换情况，将瞬时功率的最大值定义为无功功率，用符号QL表示，即： 无功功率代表电感元件与外电路交换能量的最大速率，国际单位为乏(var)。,(2.22),(2.21),2.2 单一参数电路元件的交流电路,33,应当指出，“无功”不应理解为“无用”，而应理解为“交换而不消耗”。无功功率在工程上占有很重要的地位，具有电感性质的变压器、电动机等设备和电源之间必须要进行一定规模的能量交换才能工作。电感虽然不消耗功率，但与电源之间有能量的交换，电源要给电感提供电流。电感对电源来说仍是一种负载，要占用电源设备的容量。 例2.4 已知一电感线圈其电感为127mH，接于电压为220V、频率为50Hz的交流电源上，求线圈的感抗、通过线圈的电流I及无功功率QL。若把此线圈接于电压为220V、频率为1000Hz的交流电源上，求线圈的感抗、通过线圈的电流I及无功功率QL。,2.2 单一参数电路元件的交流电路,34,2.2.3.1 电压与电流的关系 电容元件的交流电路如图2.10（a）所示。设加在电容两端的正弦电压为: （2.23） 在电源电压作用下，电容器的两个极板上聚集起等量异号的电荷q，而 当电压交变时,电容器极板上的电荷量随着充放电过程增高或降低,由于极板上的电量的变化是通过电荷在电路的移动来实现的,因此,纯电容电路在交流电压作用下,将通过交变电流。设在dt时间内,极板上的电荷变化量为dq,此时电路中通过的电流瞬时值为 ：,2.2.3 电容元件的正弦交流电路,2.2 单一参数电路元件的交流电路,35,令 则 XC称为电容的电抗，简称容抗，单位为欧姆（）。容抗是表征电容元件在交流电路中对电流的阻碍作用，与频率成反比，频率越高，容抗越小。所以在高频电路中， ，电容相当于短路；而在直流电路中， =0，电容可视为开路。,(2.26),(2.25),2.2 单一参数电路元件的交流电路,36,根据式（2.23）和式（2.24）画出波形图如图2.10（b）所示，相量图如图2.10（c）所示，并可分析出电容两端电压与流过其中电流的关系： 电压和电流是同频率的正弦量。 电压、电流有效值与最大值的关系为： ， 。 电压和电流的相位差为 ，即电流超前 电压90。,2.2 单一参数电路元件的交流电路,37,图2.10 电容元件的交流电路 （a）电路图；（b）u、i波形图；（c）u、i相量图；（d）功率波形图,2.2 单一参数电路元件的交流电路,38,2.2.3.2 电容电路的功率 （1）瞬时功率 电容电路中的瞬时功率为： 可见，瞬时功率是随时间变化的。变化曲线如图2.10（d）所示：在第一个和第三个1/4周期内，pC0，表明电容从电源吸收能量，并把电能转变为电场能（充电），此时电容相当于负载；而在第二个和第四个1/4周期内，pC0，电容释放能量（放电），将电场能转变为电能返回电网，此时电容相当于电源。由于在一个周期内电容吸收的能量和返还的能量相等，所以电容不消耗能量，只与电源间有电能的交换。,(2-27),2.2 单一参数电路元件的交流电路,39,（2）平均功率（有功功率） （3）无功功率 与电感相似，虽然电容不消耗功率，但电源与电容之间的能量交换始终在进行。电容与电源功率交换的最大值也称为无功功率，用QC表示，即 例2.5 将4.5F的电容器接于电压为220V、频率为50Hz的交流电源上，求电容器的容抗、通过电容器的电流I及无功功率QC。若把此电容器接于电压为220V、频率为1000Hz的交流电源上，求电容器的容抗、通过电容器的电流I及无功功率QC。,(2-29),(2-28),2.2 单一参数电路元件的交流电路,40,由电阻、电感、电容元件串 联组成的电路称为R、L、C 串联电路，如图2.11所示。 它是正弦交流电路中的典型 电路。单一参数电路，R、L 串联电路及R、C串联电路 都可看成是它的特例。,2.2.3 电容元件的正弦交流电路,2.3 正弦交流电路的分析,图2.11 R、L、C 串联电路,2.3 正弦交流电路的分析,41,2.3.1.1 电压、电流瞬时值及电路相量图,2.3 正弦交流电路的分析,42,2.3 正弦交流电路的分析,43,2.3.1.2 电压有效值、电压三角形 从电压相量图可以看出，电阻上的电压相量、电感上的电压相量与电容上的电压相量之和、总电压相量，恰好组成一个直角三角形。从电压三角形可求出总电压有效值为：,(2-30),2.3 正弦交流电路的分析,44,2.3.1.3 阻抗、阻抗三角形令,2.3 正弦交流电路的分析,45,图2.13 阻抗、电压、功率三角形 (a) 阻抗三角形；(b) 电压三角形；(c) 功率三角形,2.3 正弦交流电路的分析,46,图2-12 （b）,图2-12 （c）,图2-12 （a）,2.3 正弦交流电路的分析,47,2.3.1.4 功率、功率三角形,2.3 正弦交流电路的分析,48,2.3 正弦交流电路的分析,49,2.3 正弦交流电路的分析,50,(图2.13（a）),图2.13（c）,(图2.13(b),2.3 正弦交流电路的分析,51,式中 需要系数。根据多年运行经验积累而得，考虑了下述因素：同组用电设备中不是所有用电设备都在同时工作；同时工作的用电设备不可能全在满载状态下运行；设备组的平均效率；线路效率等。 用电设备组的额定容量之和。对电灯、电动机等设备，额定容量均用有功功率表示，W。,2.3 正弦交流电路的分析,52,有功计算负荷， W。 无功计算负荷， var。 视在计算负荷， VA。 计算电流， A。 用电设备的额定电 压，一般无特殊说明 时是220V。,图2-14 例2-6电流、电压相量图,2.3 正弦交流电路的分析,53,例2.6 如图2.11所示R、L、C串联电路，已知R40，L233mH，C80F，电路两端交流电压u=311sin314tV，求： （1）电路的阻抗； （2）电流有效值； （3）各元件两端电压有效值； （4）电流、电压相量图； （5）电路的有功功率、无功功率、视在功率； （6）电路的性质。 例2.7 教室接有双管日光灯7盏，每盏240W， , ，镇流器损耗按额定容量的20%计算；电风扇4台，每台65W， ， ；插座2个，每个100W， ，已知 ,试计算负荷。,2.3 正弦交流电路的分析,54,2.3.1.5 串联谐振 如前所述，在R、L、C串联电路中，当XLXC时， ，总电压与电流同相位，此时电路呈电阻性质，这种现象称为谐振。由于谐振发生在串联电路中，故又称为串联谐振。 （1）谐振条件和谐振频率 串联谐振的条件为： 通常将谐振时的角频率和频率分别叫做谐振角频率和谐振频率，用 、 表示，则有 或 ，所以谐振角频率为：,(2-45),或,2.3 正弦交流电路的分析,55,谐振频率为：,(2-46),2.3 正弦交流电路的分析,56,（2）串联谐振时的电路特点 R、L、C串联电路发生谐振时，具有以下特征： 谐振时电路的阻抗最小，且等效为纯电阻，即 ，称为谐振阻抗。 外加电压一定时，谐振时电路电流最大， ，称为谐振电流，且电压与电流同相，即 谐振时，电感上电压与电容上电压大小相等，相位相反，互相抵消，故有 。而电感和电容上电压分别为：,2.3 正弦交流电路的分析,57,式中 称为谐振电路的品质因数。在实际串联谐振电路中，一般电阻都比感抗和容抗小很多，所以，品质因数都比较大，一般在几十到几百之间。电感、电容上的电压将比总电压高很多倍，所以串联谐振又称为电压谐振。 谐振时，电感上的无功功率和电容上的无功功率互相交换，电源与电路之间没有能量交换，无功功率为零，即 ，电源供给的能量仅为电阻消耗的能量。,2.3 正弦交流电路的分析,58,2.3.2.1 电压与电流之间的关系 图2.15为R、L串联与C 并 联电路，当给电路加上正 弦电压u时，在两支路中将 产生电流i1和iC。设各参数 为已知，则电感性支路中电 流的有效值为： 由于该支路为电感性质，故电流i1滞后于总电压 的相位为：,图2.15 R、L串联与C并联电路图,2.3.2 电阻、电感串联与电容并联的交流电路,2.3 正弦交流电路的分析,59,电容支路中电流的有效值为： 电流超前于总电压的相位为： 电路总电流为 ，用相量式表示为 ，画出该电路电压和各支路电流的相量图如图2-16所示。 感性负载中的电流 可以分解为两个分量，其中与电压同相的 称为有功分量。另一个滞后于电压 相位的 称为无功分量。它们的大小分别为 ， 。,2.3 正弦交流电路的分析,60,.,.,.,.,.,.,2.3 正弦交流电路的分析,61,根据相量图，可求出总电流的有效值为： 电压与总电流之间的相位差为：,图2-16（a）,图2-16（b）,图2-16（c）,2.3 正弦交流电路的分析,62,2.3.2.2 并联谐振 （1）谐振条件和谐振频率 由前所述，R、L串联与C 并联电路产生谐振的条件是： IC=I1a (2.47) 一般情况下，线圈的电阻远小于它的感抗，可证明，并联谐振的频率 为,(2.48),2.3 正弦交流电路的分析,63,（2）并联谐振时的电路特点 R、L串联与C 并联电路发生并联谐振时具有以下特点： 谐振时电路的阻抗最大， 。 谐振时电路总电流最小。线圈支路、电容支路的电流可以比总电流大很多倍，所以并联谐振又称为电流谐振。 谐振时电路总的无功功率为零。 同串联谐振一样，并联谐振在电子线路中应用较多，如收音机和电视接收机中的“中频选频电路”就是并联谐振电路。,2.3 正弦交流电路的分析,64,2.3.2.3 电路的功率 （1）有功功率 在R、L串联与C 并联的电路中，只有电阻消耗电能，因此电路的有功功率为： （2）无功功率 由于QL、QC的特性不同，在同一电路中两者互相抵消，因此电路总的无功功率为：,2.3 正弦交流电路的分析,65,（3）视在功率 电路的视在功率为： 上述公式对于一般正弦交流电路具有普遍的适用性。但在计算时应注意，U、I 是电路的总电压、总电流的有效值， 为它们的相位差角。 如果已知交