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交流电及阻抗知识简介 目录 一 直流电交流电二 正弦交流电三 电阻电感电容的区别四 阻抗的介绍 一 直流电交流电的区别 1 直流电直流电简称DC 电流电压方向不随时间变化 直流电通常又分为稳恒直流电和脉动直流电 稳恒直流电是比较理想的 大小和方向都不变 脉动直流电是指方向 正负极 不变 但大小随时间变化 直流电在直流电路中 电子从阴极 负极 负磁极形成 并向阳极 正极 正磁极移动 不过 物理学家定义直流电为从正极到负极的运动 2 交流电交流电简称AC 是指大小和方向都发生周期性变化的电流 不同直流电 其方向都是一样 通常波形为正弦曲线 交流电可以有效传输电力 但实际上还有应用其他的波形 例如三角形波 正方形波 为什么通常波形都是正弦波形 交流电是用交流发电机发出的 在发电过程中 多对磁极是按一定的角度均匀分布在一个圆周上 使得发电过程中 各个线圈就切割磁力线 由于具有多对磁极 每对磁极产生的磁力线被切割产生的电压 电流都是按弦规律变化的 所以能够不断的产生稳定的正弦波电流 如电子线路中有方波的 三角形的等 但这些波形的交流电不是导体切割磁力线产生的 而是电容充放电 开关晶体管工作时产生的 级数三相交流电机每组线圈都会产生N S磁极 每个电机每相含有的磁极个数就是极数 由于磁极是成对出现的 所以电机有2 4 6 8 极之分 同步转速n与磁场磁极对数p的关系 f为频率 单位为Hz 在中国 电源频率为50赫兹 所以二极电机的同步转速为3000转 分 四极电机的同步转速为1500转 分 以此类推 另外 异步电机转子的转速总是低于或高于其旋转磁场的转速 异步之名由此而来 异步电机转子转速与旋转磁场转速之差 称为转差 通常在10 以内 二 正弦交流电 1 周期 频率和角频率正弦量变化一次所需要的时间 秒 称为周期 T 每秒内变化的次数称为频率 f 单位是赫兹 Hz 交流电一秒钟内经历的电角度称为角频率 用 表示 三者是从不同的角度反映的同一个问题 交流电随时间变化的快慢程度 频率是周期的倒数 f 1 T正弦量变化的快慢也可用角频率来表示 角频率具体是多少 2 瞬时值 最大值和有效值 1 瞬时值交流电随时间按正弦规律变化 对应各个时刻的数值称为瞬时值 瞬时值是用正弦解析式表示的 即 瞬时值是变量 注意要用小写英文字母表示 2 最大值正弦量振荡的最高点称为最大值或峰值 用Um 或Im 表示 3 有效值有效值是指与交流电热效应相同的直流电数值 在t时间内产生的热量为Q在t时间内产生的热量为Q两电流热效应相同 可理解为二者做功能力相等 我们把做功能力相等的直流电的数值I定义为相应交流电i的有效值 有效值可确切地反映正弦交流电的大小 有效值用大写字母U或I表示 在工程应用中 一般所讲的正弦交流电的大小 如交流电压380V或220V 指的都是有效值 有效值和最大值的关系 3 相位 初相和相位差 1 相位显然 相位反映了正弦量随时间变化的整个进程 2 初相初相确定了正弦量计时开始的位置 初相规定不得超过 180 3 相位差两个同频率的正弦量的相位之差或初相位之差称为相位差 正弦交流电路中电压和电流的频率是相同的 但初相不一定相同 设电路中电压和电流为 则u和i的相位差为 当时 u比i超前角 i比u滞后角 如何理解 超前 和 滞后 4 正弦量的表示方法 1 三角函数法 2 波形图 3 相量法 用复数的方法表示正弦量一个正弦量可以用旋转的有向线段表示 有向线段的长度表示正弦量的幅值 有向线段 初始位置 与横轴的夹角表示正弦量的初相位 有向线段旋转的角速度表示正弦量的角频率 正弦量的瞬时值由旋转的有向线段在纵轴上的投影表示 复数是实数和虚数的组合 实数又分为有理数和无理数 正弦量可以用相量表示 见右图 有向线段OA可用复数形式表示 直角坐标式 指数式 极坐标式 如图所示为电压相量比电流相量超前角注意 1 相量只是表示正弦量 而不等于正弦量 2 只有正弦周期量才能用相量表示 3 只有同频率的正弦量才能画在一张相量图上 画相量图步骤 1 选取参考相量串联选电流 并联选电压2 有元件和支路的电压 电流相量关系 逐步画相量3 依据KCL KVL组合相量图 要使用相量平移 KCL和KVL是什么意思 三 电阻电感电容的区别 1 电阻对电阻元件 其电压电流满足欧姆定律 金属导体的电阻值与其材料导电性及尺寸的关系为 其中 l S分别为导体的电阻率 长度 横截面积 阻性负载 即和电源相比当负载电流负载电压没有相位差时负载为阻性 如负载为白炽灯 电炉等 通俗一点的讲 仅是通过电阻类的元件进行工作的纯阻性负载称为阻性负载 对于电阻元件电压电流同频率同相位 电阻元件的交流电路 1 电压电流关系设图中电流为 根据欧姆定律 电压电流频率相同 相位相同 从而 相量形式的欧姆定律 因为是正弦交流电所有可以写成三角函数式 因为是电阻元件 所以没有初相角 无论瞬时值 最大值还是有效值 电压电流电阻三者都是线性关系 2 瞬时功率电压和电流瞬时值的乘积就是瞬时功率 p 0 总为正值 所以电阻元件消耗电能 转换为热能 3 平均功率平均功率是一个周期内瞬时功率的平均值 瞬时值要小写 消耗的是有功 4 电压 电流 功率的波形 电压电流频率相同 相位相同 p 0 2 电感电感是闭合回路的一种属性 当线圈通过电流后 在线圈中形成磁场感应 感应磁场又会产生感应电流来抵制通过线圈中的电流 这种电流与线圈的相互作用关系称为电的感抗 也就是电感 用L表示 单位是 亨利 H 对于一个电感线圈 习惯上规定感应电动势的参考方向与磁通的参考方向之间符合右手螺旋定则 如果磁通是由通过线圈的电流i产生的 则 其中 为全磁通 为线圈匝数 为磁通 为电感系数 为电流 通过直流电和交流电有什么不同 L与线圈的尺寸 匝数及介质的磁导率有关 变化中的电流会产生磁场 而变动的磁场会感应出电动势 其线性关系的参数 我们称为电感 理想的电感 不会产生或消耗能量 但由于电磁的互相转换 却拥有储存和释放能量的功能 当电感中通过直流电流时 其周围只呈现固定的磁力线 不随时间而变化 可是当在线圈中通过交流电流时 其周围将呈现出随时间而变化的磁力线 根据法拉弟电磁感应定律磁生电来分析 变化的磁力线在线圈两端会产生感应电势 此感应电势相当于一个 新电源 当形成闭合回路时 此感应电势就要产生感应电流 由楞次定律知道感应电流所产生的磁力线总量要力图阻止原来磁力线的变化的 由于原来磁力线变化来源于外加交变电源的变化 故从客观效果看 电感线圈有阻止交流电路中电流变化的特性 怎么理解 不会产生或消耗能量 这里的 储存和释放能量 又是什么意思 当线圈中有电流通过时候 线圈的周围就会产生磁场 当线圈中电流发生变化时 其周围的磁场也产生相应的变化 此变化的磁场可使线圈自身产生感应电动势 感生电动势 这就是自感 通俗点讲就是 线圈流过电流 周围产生磁场 电流变化 磁场也变化 由于磁场的变化使线圈自身产生感应电动势 这就叫自感 就是自己感应 两个电感线圈相互靠近时 一个电感线圈的磁场变化将影响另一个电感线圈 这种影响就是互感 就是互相感应 互感的大小取决于电感线圈的自感与两个电感线圈耦合的程度 利用此原理制成的元件叫做互感器 耦合是指两个或两个以上的电路元件或电网络等的输入与输出之间存在紧密配合与相互影响 并通过相互作用从一侧向另一侧传输能量的现象 对于互感器 变压器来说 就是磁场能够通过铁芯从一个线圈传递到另一个线圈的现象 什么叫耦合 电感元件的交流电路 1 电压电流关系设一非铁心电感线圈 线性电感元件 L为常数 假定电阻为零 根据基尔霍夫电压定律 设电流为参考正弦量 电压和电流频率相同 电压比电流相位超前90 四字口诀 感压超流 从而 L单位为欧姆 电压U一定时 L越大电流I越小 可见它对电流起阻碍作用 定义为感抗 感抗XL与电感L 频率f成正比 对于直流电f 0 XL 0 因此电感对直流电相当于短路 所以 电感有个特性就是通直流 阻交流 通低频 阻高频 这样 电压电流的关系可表示为相量形式 注意 2 瞬时功率 3 平均功率 有功功率 平均功率衡量电路中所消耗的电能 也称有功功率 P 0表明电感元件不消耗能量 即不消耗有功 只有电源与电感元件间的能量互换 用无功功率来衡量这种能量互换的规模 4 无功功率电感元件的无功功率用来衡量电感与电源间能量互换的规模 规定电感元件的无功功率为瞬时功率的幅值 它并不等于单位时间内互换了多少能量 它的单位是乏 var 答案 C 5 电压 电流 功率的波形说明 1 p 0 电感线圈吸取电能 并以磁能的方式储存起来 2 p 0 电感线圈把储存的磁能转换为电能 还给电路 电压超前电流90度 3 电容在实际生产中 电容器是必不可少的电子器件 其基本结构是由靠得较近的金属片 中间隔以绝缘物质而组成 两金属片为电容的极板 中间的绝缘物质为介质 当在极板上加以电压后 极板上分别聚集起等量的正 负电荷 并在介质中建立电场而具有电场能量 将电源移去后 电荷可继续聚集在极板上 电场继续存在 简单来说 电容器就是一种储存电荷的容器 它不消耗能量 电容器通常简称为电容 用字母 C 表示 电容元件的电容C定义为电容上的电量与电压的比值 电容的大小与电容元件的尺寸及介质的介电常数有关 平行板电容器的电容为 单位为法拉 F 式中 为介质的介电常数 S为极板面积 d为极板间距离 电容的充放电 一个极板接电源正极 另一个接负极 使电容器带电的过程称为充电 结果就是把从电源获得的电能储存在电容器中 两极板之间有电压 使充电后的电容器失去电荷的过程称为放电 结果就是电容器放出电能 两极板间不再存在电场 也没有电压 基本性质简单说就是隔直流通交流 即对直流呈现电阻无穷大 相当于开路 对交流呈现的阻力受交流电频率的影响 在现实中 纯电容负载是不存在的 一般把带电容参数的负载 即符合电压滞后电流特性的负载称为容性负载 充放电时 电压不能突变 其对应的功率因数为负值 对应的感性负载的功率因数为正值 电容元件的交流电路 1 电压电流关系对于电容电路 如果电容两端加正弦电压 则 电压和电流频率相同 电流超前电压90 四字口诀 容流超压 从而 1 C 单位为欧姆 电压U一定时 1 C 越大电流I越小 可见它对电流起阻碍作用 定义为容抗 容抗XC与电容C 频率f成反比 对直流电f 0 XC 因此电容对直流相当于开路 电容具有隔直通交的作用 这样 电压电流的关系可表示为相量形式 2 瞬时功率 3 平均功率 有功功率 平均功率衡量电路中所消耗的电能 也称有功功率 P 0表明电容元件不消耗能量 只有电源与电容元件间的能量互换 4 无功功率为了同电感的无功功率相比较 设电流为参考正弦量 则 这样 得出的瞬时功率为 由此 电容元件的无功功率为 电容性无功功率为负值 电感性无功功率取正值 5 电压 电流 功率的波形 电流超前电压90度 4 电阻 电感 电容的区别 四 阻抗的介绍 1 阻抗在具有电阻 电感和电容的电路里 对交流电所起的阻碍作用叫做阻抗 阻抗常用Z表示 阻抗由电阻 感抗和容抗三者组成 电抗由感抗和容抗组成 阻抗的单位是欧姆 如图所示 Z的模值阻抗模幅角称为阻抗角 Z又称为复阻抗 阻抗Z的代数形式可写为 实部 电阻虚部 电抗R由感抗和容抗组成所以 电抗为 Z的模值是 阻抗的模值反应电压电流的大小关系 因为是电压电流的比值 阻抗的幅角反应电压电流的相位关系 因为是电压电流的相位差 阻抗不是一个相量 而是一个复数计算量 阻抗Z的阻抗角是阻抗角等于电压电流的相位差 其大小由电路参数决定 反应了电压与电流之间的相位关系即 电路为电感性 电压超前电流 感压超流即 电路为电容性 电流超前电压 容流超压即 电路为电阻性 电