直流电与交流电

计算机组装与维护 计算机用电基础 11 计网大专班 秦晓茜 1 任务四 直流电与交流电 一 直流电 1 直流电的概念 所谓直流电是指在电路中 各部分电压或电流的大小和方向均不随时间发生变化 2 直流电路的概念 所谓直流电路是指电路中仅有直流电源供电的电路 在直流电路中 电压 电流 功率等物理量用大写英文字母 U I P 标识 3 理想直流电源 理想直流电源有两种表现形式 理想电压源和理想电流源 由于在实际生产和生活 中 我们遇到的多是电压源 因此 我们只学习电压源 若一个电源向外电路提供的电压大小和方向不随时间产生变化 也不随外电路的不 同而不同 这样的电压源就称为理想的直流电压源 理想直流电压源是一个理想的电路 元件 其电路符号及伏安特性如图 4 1 1 所示 当理想电压源与外路接通后 如图 4 1 2 所示 U Us R U R U I s I US a 理想电压源电路符 号 0 US U I b 理想电压源的伏安特 性 图4 1 1理想电压源 I US R 图4 1 2 U 计算机组装与维护 计算机用电基础 11 计网大专班 秦晓茜 2 也就是说 理想电压源向负载提供的电压是恒定的 不会随着负载的变化而变化 但是 理想电压源本身不能确定它向负载提供的电流 该电流由电压源与负载共同 确定 理想电压源提供的功率为 R U RIIUP s sS 2 2 要注意电压源的电流方向是从 流入 从 流出 在电路中 电压源并不总是提 供电能 4 实际电压源模型 理想电压源实际上是不存在的 实际的电压源 其两端电压会随着流过它的电流的 变化而有所变化 实际的电压源可以用一个理想电压源和电阻相串联的模型来表征 如图 4 1 3 所示 图 4 1 3 实际电压源 a 模型 b 伏安特性曲线 ss IRUU 由上式可见 实际电压源的端电压是低于 US 的 电流越大 RS 上的压降越大 端电压就越低 因此实际电压源的内阻越小 其特性也就越接近于理想电压源 实际电 压源的伏安特性如图 4 1 3 b 所示 当一个实际电压源接上负载后 如图 4 1 4 所示 这样的电路称为全电路 US a RS I U US b U I O U US RSI US RS R I U 计算机组装与维护 计算机用电基础 11 计网大专班 秦晓茜 3 图 4 1 4 全电路 因为 ss IRUU 且 U IR 所以 ss IRURI 故 RR U I s s 此式称为全电路欧姆定律 由于 sS IRIRU 或 0 ss UIRIR 即 0 sRSR UUU 在电路中 任意闭合回路的电压降的代数和恒等于零 这一结论称为基尔霍夫电压 定律 二 交流电 1 交流电的概念 所谓交流电是指在电路中 电压或电流的大小和方向均随时间发生周期性变化 2 交流电路的概念 所谓交流电路是指电路中含有交流电源供电的电路 在交流电路中 电压 电流 功率等物理量用小写英文字母 u i p 标识 以表示其大小和方向随时间变化的特点 3 交流电源 与直流电源一样 交流电源也分为理想电压源和实际电压源 如图 4 2 1 所示 与直流电源不同的是 us 的大小与方向是随时间呈现周期性的变化规律 图 4 2 1 交流电源符号 i uS a 理想交流电压源符号 uS RS i u b 实际交流电压源符号 计算机组装与维护 计算机用电基础 11 计网大专班 秦晓茜 4 4 正弦交流电 随时间按正弦规律变化的电压和电流称为正弦电压和正弦电流 也称正弦量 其瞬 时表达式为 sin tUtu m sin tIti m 在图 4 2 2 所示的 u i 关联参考方向下 它们也符合欧姆定律 即 U t R i t 或 u R i 1 正弦交流电的三要素 以正弦电流为例 其波形图为图 4 2 3 图 4 2 3 正弦电流的波形图 瞬时值中的最大值 指绝对值 称为正弦量的振幅值 又称峰值 振幅值表 m I 示正弦量瞬时值变化的范围或幅度 角频率 在正弦量的瞬时表达式中 t 称为相位角或电工角 简称相位或相角 正弦 量在不同的瞬间 有着不同的相位 因而有着不同的状态 包括瞬时值和变化趋势 所以 相位反映了正弦量的每一瞬间的状态或变化的进程 相位的单位一般为弧度 rad 相位角变化的速度称为角频率 其单位为 rad s 即 i R u 图4 2 2 计算机组装与维护 计算机用电基础 11 计网大专班 秦晓茜 5 dt td 正弦量变化一周所需的时间称为周期 通常用 T 表示 单位为秒 s 正弦量每秒钟变化的周数称为频率 用 f 表示 单位为赫兹 Hz 显然 周期和频率互成倒数 即 T f 1 周期和频率表示正弦量变化的快慢程度 周期越短 频率越高 变化越快 直流 量也可以看成 f 0 T 时的正弦量 我国和世界上大多数国家都采用 50Hz T 0 02s 作为电力工业的标准频率 美 日 等少数国家采用 60Hz 习惯上称为工频 从图 4 2 3 中可以看到 相位变化 2 rad 经历一个周期 T 那么 f T 2 2 可见 角频率与频率成正比 与周期成反比 初相角 t 0 时 相位为 称其为正弦量的初相角 初相角反映了正弦量在计时起点 处的状态 称初始状态 此时的瞬时值 i 0 sin 称为初始值 m I 2 正弦交流电的有效值 交流电的有效值是根据它的热效应确定的 如某一交流电流 i 和 I 一直流电流分 别通过同一电阻 R 在一个周期 T 内所产生的热量相等 那么这个直流电流 I 的数 值叫做交流电流的有效值 即 RdttiRTI T 0 22 所以 Rdtti T I T 1 0 2 交流电的有效值等于它的瞬时值的平方在一个周期的平均值的算术平方根 所 以有效值又叫方根均值 或叫均方根值 将正弦交流电的瞬时表达式带入上式 可以得到 2 m I I 2 m U U 通常我们所说的 220V 交流电就是指的有效值 有效值可以代替振幅值作为正弦 量的一个要素 交流电气设备铭牌上所标的电压值 电流值都是有效值 一般交流电 压表 交流电流表的标尺都是按有效值刻度的 如不加以说明 交流量的大小均指有 效值 对于纯电阻电路 交流电的有效值之间 振幅值之间均符合欧姆定律 即 U RI mm RIU 对于纯电阻电路 功率的计算按有效值计算 计算机组装与维护 计算机用电基础 11 计网大专班 秦晓茜 6 三 三相交流电概述 一般发电厂的发电机发出的电是对称的三相正弦交流电 有效值相等 相位差分别相差 120 三相电压为 eu ev ew 如图 4 3 1 所示 图 4 3 1 对称的三相电源 所以 我们看到的电力输电线总是三根 在三相交流电力系统中 作为供电电源的发电机和变压器的三相绕组的接法通常采用 星形联接方式 如图 4 3 2 所示 图 4 3 2 三相四线制系统 相线 L 为火线 中性线 N 为零线 称为三相四线制 负载如何与电源连接 必须根据其额定电压而定 具体如图 4 3 3 所示