电工电子技术课件

书名：电工电子技术(少学时)ISBN：978-7-111-19589-2作者：罗厚军出版社：机械工业出版社本书配有电子课件,电工电子技术(少学时)高职高专ppt课件,2.1正弦交流电量及基本概念2.2正弦交流电的相量表示方法2.3单一参数元件的正弦交流电路2.4电阻、电感与电容元件串联的正弦交流电路2.5正弦交流电路的分析与计算2.6谐振电路分析*2.7功率因数的提高2.8三相交流电路小结,第2章正弦交流电路,电工电子技术(少学时)高职高专ppt课件,【本章学习要求】理论：掌握正弦交流电的三要素、单一参数元件电路中电压与电流的相量关系、三相负载的星型联结及中性线的作用；熟悉正弦量的相量表示法及相量模型、阻抗串并联电路的分析计算；了解谐振电路的特点、三相负载的三角形联结及特点。技能：会正确使用仪表测量正弦交流电流、电压及能量。,第2章正弦交流电路,电工电子技术(少学时)高职高专ppt课件,2.1正弦交流电量及基本概念,2.1.1正弦交流电量,图2-1几种电压和电流的波形,a)图中，电压和电流的大小与方向都不随时间的变化而变化，是恒定的，统称为直流电量。b)d)图中，电压和电流的大小与方向都随时间的变化而变化，是交变的，统称为交流电量。而在图d)中，电压和电流的大小与方向都随时间按正弦规律变化，故这种交流电量称为正弦交流电，简称为正弦量。,电工电子技术(少学时)高职高专ppt课件,2.1正弦交流电量及基本概念,2.1.2正弦交流电的三要素1正弦量数学表达式一个正弦电压量可表示为：u=Umsin(t+u)（2-1）u为瞬时值，用小写的英文字母表示。Um为正弦量的最大值，为角频率，u称为初相位，这三个物理量所确定的正弦量是惟一的，因此称为正弦量的三要素。式（2-1）所对应的波形图如图2-2所示。,图2-2正弦交流电波形图,电工电子技术(少学时)高职高专ppt课件,由于正弦波周期性变化，最靠近原点左右两侧各有一个过零点，为了避免混淆，习惯上初相位的取值范围为|。,2有效值若某一交流电流i通过电阻R在一个周期内所产生的热量，与某一直流电流I通过同一电阻在相同的时间内产生的热量相等，则称这一直流电流的数值为该交流电流的有效值。正弦交流电流i的有效值为:,同理，交流电动势有效值为:交流电压的有效值为:,在交流电路中，一般所讲电压或电流的大小都是指有效值。,电工电子技术(少学时)高职高专ppt课件,3相位差,两个同频正弦量相位之差，用表示。设同频正弦电压u和电流i，其波形图如图2-3所示，其数学表达式分别为:,u=Umsin(t+u)i=Imsin(t+i)则u、i的相位差,=(t+u)-(t-i)=u-i(2-8),可见，相位差亦为它们的初相位之差，与时间无关。,从图2-3可看出，若ui，电压在相位上超前电流角；,图2-3电压与电流相位差,图2-4两正弦量的同相与反相,若=0，称同相；若=，称反相，如图2-4所示。,电工电子技术(少学时)高职高专ppt课件,2.2正弦交流电的相量表示方法,相量法就是用相量来表示正弦量，相量是用复数来表示的。,2.2.1复数及其运算,1.复数的表示方法,图2-5复数的矢量表示,(1)代数式A=a+jb(2)三角函数式A=r(cos+jsin)(3)指数式A=rej(4)极坐标式,2.复数的四则运算设有两个复数A、B，分别为A=a1+jb1=r11,B=a2+jb2=r22(1)加减运算AB=(a1a2)+j(b1b2)(2-15),电工电子技术(少学时)高职高专ppt课件,复数的加减运算还可以用矢量合成分析，利用平行四边形法则进行运算，如图2-6所示。(2)乘除运算,图2-6矢量的平行四边形法则,2.2.2正弦量的相量表示法,建立一个复平面：复数的模为正弦量有效值I，幅角为正弦量的初相角，逆时针旋转的速度为角频率，这个复数就称为电流i的有效值相量，记作，即,=I,电工电子技术(少学时)高职高专ppt课件,在复平面中，相量可用长度为U，与实轴正方向的夹角为的矢量表示。这种表示相量的图形称为相量图，如图2-7所示。,图2-7电压的相量图,也可以用幅值相量来表示正弦量：=Im（2-19）正弦量和相量是一一对应的关系（注意：正弦量和相量不是相等关系！）。如=I和i=Imsin(t+)是一一对应的关系（不能写成i=Imsin(t+)=I）。,电工电子技术(少学时)高职高专ppt课件,2.3单一参数元件的正弦交流电路,由电阻、电感和电容单个元件组成的正弦交流电路，是最简单的交流电路，复杂交流电路可以看成是由若干个单一参数元件电路组成的。,2.3.1相量模型对正弦交流电路，在不改变电路的组成结构下，将电路中的变量如u、i、e分别用相量表示，即；将电路中的元件参数R、L、C分别用复阻抗R、jXL、-jXC表示，即，,通过这种转变后就能得到相量模型电路，并可将复阻抗R、jXL、-jXC当作直流电路中的电阻看待，用直流电路的方法进行分析计算。如图2-8a所示的交流电路可转化为图2-8b所示的相量模型电路。,2.3.2纯电阻电路,图2-9a是纯电阻电路。设加在电阻R两端的电压为u=Umsint，通过R的电流为i，,图2-8交流电路和相量模型,1电压电流关系,图2-9纯电阻电路,在图2-9b相量模型中，在关、联方向下，可直接写出类似于直流电路中的欧姆定律：,(2-20),式(2-20)称为欧姆定律的相量形式。,图2-9b为其相量模型。,从式（2-20）可得如下结论：,1)电压和电流有效值之间的关系为U=RI。,2)电压和电流是同频同相的，如图2-10b所示。2电阻电路的功率1）瞬时功率p=ui=UmsintImsint=UI(1-cos2t)从该式可知p0，即电阻从电源吸取功率，是耗能元件，瞬时功率P的变化频率是电源频率的两倍，如图2-10c。2）有功功率,图2-10纯电阻电路波形图、相量图和瞬时功率曲线,2.3.3纯电感电路,1.电压电流的关系图2-11a为纯电感电路，b）为相量模型，可得电感电路欧姆定律的相量形式：,(2-21),有功功率的单位为瓦特（W），也用千瓦（kW）表示。平时我们所说的40w灯泡、30w电烙铁等都是指其有功功率。,图2-11纯电感电路,从式（2-21）可得如下结论：1）电压和电流有效值有如下关系U=XLI；,其中XL=L称为感抗，具有电阻的量纲，单位为欧姆（），对交流电具有一定的阻碍作用。感抗XL=L=2fL，与电感L和频率f成正比。当f，则XL，此时电感可视为开路（断路）。,当f=0（直流），则XL=0，此时电感可视为短路。故电感元件具有“通低频阻高频”的特性。,2)电压在相位上超前电流900。,纯电感电路电压、电流波形图和相量图如图2-12a、b所示。,2.电感电路的功率,图2-12纯电感电路波形图、相量图,(1)瞬时功率P=ui=Umsin(t+900)Imsint=UIsin2t,如图2-12c所示，电感从电源吸取的功率有正有负。,(2)有功功率,电感元件本身不消耗电能，是储能元件。,2.3.4纯电容电路1.电压电流的关系,从图2-13b的相量模型，可得纯电容电路的欧姆定律的相量形式：,从该式可得如下结论：,(3)无功功率,Q=UI=I2XL=U2/XL单位为乏(var)，有时用千乏(kvar)。,图2-13纯电容电路,1）电压和电流有效值关系为U=XCI。,2）电压在相位上滞后电流900。纯电容电路波形图和相量图如图2-14a、b所示。,2.电容电路的功率(1)瞬时功率p=ui=UmsintImsin(t+900)=UIsin2t瞬时功率的波形图如图2-14c所示。,(2)平均功率说明电容元件不消耗能量，是贮能元件。(3)无功功率QQ=UI=I2XC=U2/XC,图2-14纯电容电路波形图、相量图和瞬时功率曲线,2.4电阻、电感与电容元件串联的正弦交流电路,2.4.1电压与电流之间的关系,1.RLC串联电路相量模型,图2-15RLC串联电路,图2-15a为交流电路，b）为相量模型。根据串联电路的特性，电路的总阻抗（复阻抗）为Z，则,Z=R+jXL+(-jXC)=R+j(XL-XC)=R+jX（2-23）,复阻抗的模|Z|称为阻抗模。,复阻抗的幅角，又称阻抗角=arctan=arctan（2-24）,由欧姆定律可得,（2-25）,从该式可得如下两个结论：1）电路中电压和电流有效值之间的关系为U=|Z|I。2）电压和电流之间的相位差（夹角）为。,2电路的性质如图2-16所示:当0时，即X0，电压超前电流角度，电路呈感性；当R时，电容和电感端电压数值远大于电源电压，一般Q值可达几十至几百，因此串联谐振又称为电压谐振。,2.6.2并联谐振在L、C并联电路中产生的谐振，称为并联谐振。谐振频率为：,或,并联谐振具有如下特性:1）电压和电流同相位，电路呈阻性；2）电路的阻抗模最大，电流最小；3）电感电流和电容电流几乎大小相等，相位相反；4）电感和电容支路的电流约为电路总电流的Q倍，Q是品质因数：并联谐振又称为电流谐振。,2.8三相交流电路,2.8.1三相电源及其联接,1三相电源三相交流电一般是由三相交流发电机产生的。三相电源就是指三个频率相同、幅值相等、相位相互间隔1200的正弦电压源按一定的方式连接而成的，故称三相对称电源。三相绕组中产生正弦感应电动势，分别为eU、eV、eW，若以U相为参考正弦量，则三相电动势为：,（2-29）,若以相量形式表示，则,它们的波形图和相量图如图2-22所示。由图可知，三相对称电源有如下特性：eU+eV+eW=0或,图2-22三相对称电动势波形图和相量图,2三相电源的星形联结,(1)三相四线制从始端U1、V1、W1引出的三根导线称为相线，从中性点引出的导线称为中性线，常分别涂以黄、绿、红和黑色(或淡蓝色)四种颜色表示。,图2-23电源星形联结三相四线制,三相四线制的供电系统，通常是低压供电网采用。,(2)相电压和线电压在图2-23中，相线和中性线之间的电压，称为相电压，如uU、uV、uW；相线与相线之间的电压，称为线电压,如uUV、uVW、uWU。,(3)相电压和线电压的关系在图2-23中，相电压和线电压用相量可表示为：,三相对称电压的相量图如图2-24所示。利用平行四边形法则，相量合成可得线电压和相电压的关系。从相量图可知，线电压也是对称的，且相位超前相电压300，有效值是相电压有效值的倍。即。,图2-24三相对称电压的相量图,(4)三相三线制当三相电源连接成星形，只引出相线，这种供电方式，称为三相三线制，负载只能使用线电压。三相三线制一般为动力线路供电。,2.8.2三相负载的联结,1.三相负载的星形联结将三相负载的一端连接在一起和电源中性线相连，另一端分别和相线相连，形成负载星形联结的三相四线制电路，如图2-25所示。,图2-25负载星形联结的三相四线制电路,(1)三相对称负载在图2-25所示电路中，每相负载的等效阻抗分别为ZU、ZV、ZW，如果ZU=ZV=ZW=Z，则称为三相对称负载。否则，称为三相不对称负载.,(2)线电压和相电压,电源的相电压，其大小等于电源线电压的1/。,负载星形联结时，负载两端的电压等于,(3)线电流和相电流,线电流用表示；相电流用表示。显然，Y连结时相电流等于相应的线电流，即IP=IL。,若是三相对称负载，三相电流也是对称的。电压、电流相量图如图2-26所示。这时只需计算任一相电流，根据对称关系便可知另两相的电流。,图2-26负载星形联结相量图,若是三相对称负载，则中性线电流为0，即,可见，三相对称负载中可将中性线省去，成为三相三线制系统。但三相负载多为不对称，中性线中有电流通过，此时中性线是不能省去的，故中性线上不允许安装开关和熔断器。,(4)中性线电流中性线中流过的电流，称为中性线电流，由KCL可知,例2.2如图2-27所示的三相四线制系统中，每相接入一组灯泡，其等效电阻R=400，若线电压为380V，试计算：各相负载的电压和电流的大小；如果L1相断开时，其他两相负载的电压和电流的大小；如果L1相发生短路，其他两相负载的电压和电流的大小；若除去中性线，重新计算、。,解：在正常情况下，如图2-27a所示。三相负载对称，三相的电压和电流都是对称的，只需任求一相即可，根据线电压、线电流与相电压、相电流的关系可得,当L1断开时，如图2-27c所示。L2、L3相的负载端电压还是保持为相电压，能正常工作，电压和电流数值同；当L1相短路，如图2-27d所示。L1相上的保险装置使L1相断开，L2、L3相上负载仍能正常工作，电压和电流数值同；若除去中性线，正常情况下三相四线制系统成为三相三线制系统，如图2-27b所示。每相的电压和电流大小同；若此时L1相断开，则R2、R3灯组串联接在L2L3之间，承受线电压380V。因R2=R3，故灯组承受的电压为:,图2-27例2.4图,电流,若此时L1相短路，在瞬间R2、R3分别接在两相L1L2、L1L3之间，灯组两端的电压均为380V，通过的电流均为380/400A=0.95A，两灯组迅速变亮，即刻烧坏。,因R2、R3灯组两端电压低于额定电压220V，因此R2、R3灯组变暗。,由此可见，星形联结非对称三相负载，必须采用三相四线制系统供电，中性线不能省略。,2.8.3三相电路的功率三相负载，无论是星形联结还是三角形联结，三相电路的总有功功率等于各相有功功率之和，总的无功功率等于各相无功功率之和。1.有功功率设三相有功功率分别为，则三相电路的有功功率为:,若是三相对称负载，则每相的有功功率相等，故有,（2-72）,式中是相电压和相电流的相位差。,（2-72）,（2-71）,对于三相对称负载星形联接，有如下关系：对于三相对称负载三角形联结，有如下关系：分别代入式（2-72）中，均可得（2-73）,2.无功功率设每相电路的无功功率分别为，则三相电路无功功率为:,同理，可得:,（2-76）,3.视在功率三相负载的视在功率定义为S=（2-77）一般情况下三相负载的视在功率不等于各相视在功率之和，只有当