《司机电工基础》PPT课件.ppt

机车乘务员通用知识 课题一电工电子基础 第一节直流电路 第二节电磁感应 第三节交流电路 第五节电力电子简介 第四节半导体基础知识 第二节电磁感应 本节主要内容 1 磁的基本概念2 铁磁材料的磁化3 电磁感应定律4 自感与互感 一磁的基本概念 1 磁体和磁场 某些物体具有吸引铁 镍 钴等物质的特性 这种特性叫做磁性 具有磁性的物体叫做磁体 磁铁两端的磁性最强 叫做磁极 任何磁铁都有一对磁极 一个叫南极 S 一个叫北极 N 南极和北极总是成对出现并且强度相等 不存在独立的磁极 磁极之间存在互相作用的磁力 同名磁极互相排斥 异名磁极互相吸引 在磁力作用的空间 有一种特殊的物质叫磁场 磁极之间的作用力 就是通过磁极周围的磁场传递的 用线迹描述磁极周围的磁场叫作磁力线 磁力线某的切线方向是该点的磁场方向磁力线是闭合的回路 磁力线的疏密程度表示磁场的强弱 离磁极越远 磁力线越稀疏 磁场与磁力线 2 磁感应强度和磁通 磁感应强度B磁感应强度B是表示磁场中某点的磁场强弱和方向的物理量 单位为特斯拉 T 磁通 磁感应强度B仅仅反映了磁场中某点的性质 在实际工作中 往往要考虑一个面的磁场情况 为此引入一个新的物理量 磁通 磁感应强度B和与其垂直的某一个截面积S的乘积称为磁通 用 表示 BS 如果用磁力线描述磁场 则磁通就是通过面积为S的平面的磁力线总根数 单位面积上磁力线的数目称为磁通密度 即磁感应强度 在磁力线密的地方磁感应强度大 反之则小 3 磁场强度 磁导率 在磁场中放置某种物质 会对磁场的强弱产生影响 对磁场影响的强弱程度取决于所放物质的导磁性能 物质导磁性能的强弱用磁导率 表示 真空的导磁率 4 10 7H m 磁场强度磁感应强度B与周围介质的磁导率有关 为了使运算简便 引入一个新的概念 磁场强度 用字母H表示 磁场中某点的磁感应强度B和同一点上的磁导率 的比值称为该点的磁场强度 H B 二铁磁材料的磁化 1 磁化的概念 一些原来没有磁性的物质 放在磁场中 在外磁场的作用下会产生磁性 这种现象叫做磁化 所有的铁磁物质都能够被磁化 铁磁物质主要是指铁 钴 镍及其合金等材料 磁性材料的磁导率很大 1 可达102 105 B0是真空情况下的磁感应强度 BJ是磁化产生的磁感应强度 B是介质中的总磁感应强度 2 铁磁材料的磁化 磁饱和性 磁性物质在磁化过程中磁通密度最初增加很快 随着内部磁性的增加 磁通密度的增加逐渐减慢 当外磁场 磁化力 增大到一定 程度时 磁通基本上不再增加 此时称磁性物质已处于磁饱和状态 1 2 3 4 5 6 铁磁材料的磁化 剩磁 磁性物质磁化后 若外磁场消失 磁体内的磁感应强度并不完全消失 而是在相当长时间内保留着磁性 这种剩下来的磁性称为剩磁 磁滞 铁磁物质在磁化过程中磁通密度的变化总是落后于外加磁场变化的性质称为磁滞性 右图为磁滞回线图 3 磁性物质的分类 根据滞回曲线和磁化曲线的不同 大致分成三类 1 软磁材料 其矫顽磁力较小 磁滞回线较窄 铁心 2 永磁材料 其矫顽磁力较大 磁滞回线较宽 磁铁 3 矩磁材料 其剩磁大而矫顽磁力小 磁滞回线为矩形 记忆元件 三电磁感应 1 电流的磁效应 电流可以产生磁场 通电导体的周围存在着磁场 这种现象叫做电流的磁效应 奥斯特在1820年发现 通电直导线的磁场通电线圈的磁场对线圈通以电流使其内部的铁磁物质磁化的现象称为励磁 既然电能生磁 那么磁能不能生电呢 2 电磁感应现象 电磁感应 如下图所示的匀强磁场中 当导线AB在磁场中垂直于磁力线方向运动时 电流计指针发生偏转 表明电路中产生了电流 电磁感应 如右图所示 将磁铁插入线圈 或从线圈抽出时 同样也会产生感应电流 电磁感应 闭合回路中的一部分导体在磁场中作切割磁力线运动 或穿过闭合回路的磁通发生变化时 回路中均有感应电流产生 这种现象叫做电磁感应 3 感应电动势 由于电磁感应而产生的电动势叫做感应电动势 导体在磁场中作切割磁力线运动时 导体中的自由电子因磁场力的作用而沿导线向一定方向移动 其结果使导线的两端分别积聚着正电荷和负电荷 从而产生电位差 这就是导体上的感应电动势 电磁感应 法拉第指出 不论什么原因使通过回路的磁通量发生变化 回路中均有感应电动势产生 其大小与通过此回路磁通的变化律成正比 动生电动势导线在磁场中做切割磁感线运动时 就会在导线中感应电动势 其大小为E Blvsin 感应电动势将磁铁插入线圈 或从线圈抽出时 导致磁通的大小发生变化 线圈中将产生感应电动势 感应电动势的大小与磁通的变化律成正比 即与电流的变化速度 线圈匝数 有无铁心有关 楞次定律在一个闭合的线圈回路中 如果有一个变化的磁场对它作用 线圈内就产生感应电动势和感应电流 感应电流所产生的磁通量总是力图反抗或抵消外磁场的磁通量变化 右手定则感应电动势的方向可用右手定则判定 伸开右手 让拇指与其余四指垂直 让磁感线垂直穿过手心 拇指指向导体的运动方向 四指所指的就是感应电动势的方向 导体环 楞次定律 四自感与互感 1 自感在一个闭合回路中 由于流过线圈本身的电流变化引起周围磁场变化 从而在回路自身激起感应电动势的现象成为自感现象 这个感应电动势称为自感电动势 自感电动势的方向自感电动势的方向可由楞次定律来确定 当回路中的电流增大时 自感电动势阻碍磁通的增加 其方向与回路电流方向相反 当回路中的电流减小时 自感电动势阻碍磁通的减少 其方向与回路电流方向相同 2 互感 若有两个线圈彼此靠近 形成两个独立回路 由于一个线圈电流变化引起周围磁场变化 使相邻线圈产生感应电动势的现象 称为互感现象 产生的感应电动势叫互感电动势 自感与互感 自感现象的应用与危害 I 自感与互感 自感现象在各种电器设备和无线电技术中有广泛的应用 日光灯的镇流器就是利用线圈自感现象的一个例子 自感现象的危害 在大型电动机的定子绕组中 定子绕组的自感系数很大 而且定子绕组中流过的电流又很强 当电路被切断的瞬间 由于电流在很短的时间内发生很大的变化 会产生很高的自感电动势 在断开处形成电弧 这不仅会烧坏开关 甚至危及工作人员的安全 因此 切断这类电路时必须采用特制的安全开关 当线圈中通有交流电时 它所产生的磁通也是交变的 因此 不仅要在线圈中产生感应电动势 而且在铁心内也要产生感应电动势和感应电流 这种感应电流称为环流或涡流 它在垂直于磁通方向的平面内环流着 涡电流 当线圈中通有交流电时 它所产生的磁通也是交变的 因此 不仅要在线圈中产生感应电动势 而且在铁心内也要产生感应电动势和感应电流 这种感应电流称为环流或涡流 它在垂直于磁通方向的平面内环流着 涡流的应用 高频感应冶金炉 电磁炉 涡流的危害与解决办法 在一个有铁心的线圈中 由于整块铁心的电阻较小 感应产生的涡流一般很大 从而引起功率损耗 铁心发热 为减少涡流的影响 一般采用以下方法 1 将电机 电器的整体铁心 改为用一片片分开的金属片迭合而成 金属片之间用绝缘层隔开 且金属片的迭合方向与磁通方向平行 从而大大减少涡流 2 制造电机 电器贴心迭片时 用电阻较大的硅钢片制成 以进一步减小涡流 涡电流 第三节交流电路 本节主要内容 1 正弦交流电的基本概念2 电感与电容3 交流电路分析4 三相正弦交流电路 一正弦交流电的基本概念 电流的分类 直流电流 又叫稳恒电流 电流的大小和方向都不随时间变化 脉动电流 电流的大小随时间变化 但方向不随时间变化 交流电流 电流的大小和方向都随时间变化交流电又分正弦交流电和非正弦交流电 1 交流电的产生 一正弦交流电的基本概念 分析 线圈bc da始终在平行磁感线方向转动 因而不产生感应电动势 只起导线作用 1 线圈平面垂直于磁感线 a图 ab cd边此时速度方向与磁感线平行 线圈中没有感应电动势 没有感应电流 2 当线圈平面逆时针转过90 时 b图 即线圈平面与磁感线平行时 ab cd边的线速度方向都跟磁感线垂直 即两边都垂直切割磁感线 这时感应电动势最大 线圈中的感应电流也最大 交流电的产生 3 再转过90 时 c图 线圈又处于中性面位置 线圈中没有感应电动势 交流电的产生 4 当线圈再转过90 时 处于图d位置 ab cd边的瞬时速度方向 跟线圈经过 图2 位置时的速度方向相反 产生的感应电动势方向也跟在 图2 位置相反 交流电的产生 在场强为B的匀强磁场中 矩形线圈边长为l 逆时针绕中轴匀速转动 角速度为 从中性面开始计时 经过时间t 这时ab边中的感应电动势为E Blvsin t 交流电的产生 交流电的图像交流电的变化规律还可以用图像来表示 在直角坐标系中 横轴表示线圈平面跟中性面的夹角 或者表示线圈转动经过的时间t 纵坐标表示感应电动势e 感应电流i 一 周期和频率 二 瞬时值和最大值 三 有效值和平均值 2 正弦交流电的基本物理量 四 相位和相位差 2 正弦交流电的基本物理量 振幅 角频率 振幅 角频率和初相称为正弦量的的三要素 相位 初相角 简称初相 波形 i Imsin t i 交流电完成一次周期性变化所需的时间称为交流电的周期 用符号T表示 单位是s 周期 频率 交流电在1s内完成周期性变化的次数称为交流电的频率 用符号f表示 单位是赫 Hz 频率 角频率 交流电单位时间内变化的弧度数 用符号 表示 单位是弧度每秒 角频率与周期及频率的关系 我们把t时刻线圈平面与中性面的夹角 t 叫做该正弦交流电的相位或相角 是t 0时的相位 叫做初相位 简称初相 相位和相位差 相位差 两个同频率正弦量的相位之差 其值等于它们的初相之差 如 相位和相位差 则其相位差为 根据相位差我们可确定两个交流电的相位关系 有超前 滞后 同相 反相 正交 超前 滞后 同相 相位和相位差 反相 正交 相位和相位差 最大的瞬时值称为最大值 也称为幅值或峰值 交流电在某一时刻的值称为在这一时刻交流电的瞬时值 交流电动势 电压和电流的瞬时值分别用小写字母e u i表示 交流电动势 电压和电流的最大值分别用Em Um和Im表示 瞬时值和最大值 若一个交流电流和一个直流电流分别通过阻值相同的电阻 在相同时间内产生的热量相等 那么就把这一直流电的数值叫做这一交流电的有效值 交流电动势 电压和电流的有效值分别用大写字母E U和I表示 正弦交流电的有效值和最大值之间有如下关系 有效值 二电感与电容 1 电感 变化的电流通过线圈而产生自感电动势 阻碍原电流的通过 不同的线圈在通过相同的电流时 其自感电动势不同 对单匝线圈来说 其产生的磁通与流过线圈的电流的比值叫该线圈的自感系数 也叫电感 用L表示 L i电感的单位是亨利 H 毫亨 微亨 电感两端的电流不能突变 二电感与电容 2 电容器 被绝缘介质隔开的两个导体组成的系统叫电容器 组成电容器的两个导体叫做极板 中间的绝缘物质叫做电容器的介质 电容器的基本特性是能储存电荷 两极板常带等量异号电荷 电容的单位是法拉 F 微法 F 电容器分类 按结构可分为固定电容器 可变电容器和半可变电容器 按介质材料分为空气电容器 纸介质电容器 云母电容器 金属膜电容器 油质电容器 陶瓷电容器 电解电容器等 电容器类型 平行板电容器 电容器类型 电容是电容器固有的属性 以平行板电容器为例 极板面积越大 板间距越小 介质介电常数越大 电容器的电容越大 电容器类型 圆柱形电容器 电容器类型 球形电容器 电容器类型 电容器参数 额定电压 电容器能长时间地稳定工作 并且保证电介质性能良好的最大直流电压 又称耐压 电容器上所标的电压就是额定电压 工作时加在电容器上的电压不应超过额定电压 否则电容器的介质就会被击穿 该电容器不能再使用 标称容量和允许误差 电容器的充放电 电容器的充电 当电容器与电源接通时 电源开始向电容器充电 刚开始电流较大 灯泡较亮 经一段时间后 灯泡逐渐变暗 直至灯泡不亮 说明电流的变化是从大到小 直至为零 这个过程叫电容器充电 电容器的充放电 电容器的放电 电容器充电结束后 将电容器两端与一个闭合的外电路接通时 电容器开始放电 此时电流通过灯泡 刚开始时灯泡较亮 经一段时间后 灯泡逐渐变暗 直至灯泡不亮 说明电流的变化是从大到小 直至为零 电容器放电结束 这个过程叫电容器放电 电容器的充放电 电容器两端的电压不能突变 所谓电容器充电就是两端接上电源后 随着时间的推移 极板上电荷积聚慢慢增加 电容器两端电压才能建立 并逐渐上升至与电源电压相等 电容器放电 因此电容器两端电压的上升或下降是需要一定时间的 不能突变 这个时间的大小与电容的容量及充放电电路中电阻值的大小有关 充放电过程中电流 真的 流过电容器吗 三交流电路分析 1 纯电阻电路 交流电路中如果只有线性电阻 这种电路就叫做纯电阻电路 如图所示 结论 在纯电阻电路中 电流与电压是同频率 同相位的正弦量 在交流电路中 瞬时功率是指电压瞬时值和电流瞬时值的乘积 用p表示 平均功率 也叫有功功率 它是瞬时功率在一个周期内的平均值 用P表示 电路的功率 2 纯电容电路 交流电路中 如果只用电容器作负载 而且电容器的绝缘电阻很大 介质损耗和分布电感可忽略不计 这种电路就叫做纯电容电路 如图所示 把一个周期电压的变化分成四个阶段来分析 得到结论 在纯电容电路中 电流超前电压90 电容元件具有 隔直通交 的作用 电路的功率 有功功率 电容器不消耗能量 所以P 0 无功功率 它是瞬时功率的最大值 用Qc表示 单位为var和kvar 3 纯电感电路 交流电路中 如果只用电感线圈作负载 而且线圈的电阻可忽略不计 这种电路就叫做纯电感电路 把一个周期电流的变化分成四个阶段来分析 得到结论 在纯电感电路中 电感两端的电压超前电流90 电容和电感均具有阻碍电流通过的性质 即电抗 分别称为感抗和容抗 电感线圈具有 通直隔交 的性质 有功功率 电容器不消耗能量 所以P 0 无功功率 它是瞬时功率的最大值 用QL表示 单位为var和kvar 4 RLC串联正弦交流电路 一 电压与电流的关系 二 阻抗 三 功率 1 三相正弦交流电的产生 四三相正弦交流电路 三相交流发电机的示意图如图a所示 主要由转子和定子构成 定子中有三个完全相同的绕组 电动势的参考方向选定为绕组的末端指向始端 如图b c所示 由图a可见 当磁极的N极转到U1处时 U相的电动势达到正的最大值 经过120 后 磁极的N极转到V1处 V相的电动势达到正的最大值 同理 再由此经过120 后 W相的电动