电工技术基础与技能ppt单元4-单相正弦交流电.ppt

第四章单相正弦交流电,知识目标：掌握正弦交流电的三要素表示法。掌握纯电阻电路、纯电感电路和纯电容电路结构特点和电压、电流相关参数的计算。掌握有功功率、无功功率、视在功率和提高功率因数的方法。掌握电路谐振的条件及谐振频率的计算。技能目标：会安装、检查典型荧光灯电路。会用示波器测量正弦交流电路各点波形，并读取其电压、周期值。,第四章单相正弦交流电,单相正弦交流电,串联电路,单一RLC参数交流电路,谐振,电能计量与节能,实训项目,学习内容,单相正弦交流电,观察与思考,直流电与交流电的区别是什么？日常生活中哪些用电器使用交流电？又有哪些使用直流电？你还记得直流电路的哪些知识？,正弦交流电的产生,交流发电机：提供电能,e=Emsint,正弦交流电压u=Umsint正弦交流电流i=Imsint,振荡器可产生各种交流信号,正弦交流电的三要素,一、有效值、最大值,正弦交流电压u=Umsint正弦交流电流i=Imsint电动势e=Emsint,i、u、e分别表示电流、电压、电动势的瞬时值。Im、Um和Em分别表示电流、电压和电动势的最大值。,有效值,正弦交流电的三要素,二、周期、频率和角频率,1、周期T：单位是秒（s）正弦交流电作周期性变化一次所需的时间,2、频率f：单位是赫兹（Hz）每秒内变化的次数,3、角频率：单位是弧度秒（rads）正弦交流电每秒内变化的电角度,三者关系：f=1/T或T=1/f=2f=2/T,2f,角频率反映了正弦量的变化快慢,正弦交流电的三要素,三、相位、初相位和相位差,相位：,初相位：,相位差：,12,如图e1的波形超前e2波形一定的相位差角也可说e2的波形滞后e1波形一定的相位差角,=,初相位反映了正弦量的起始位置,同相与反相,a)二者的初相位相等，则称它们同相位或同相。b)一个交流电达到正的最大值时，另一个交流电同时达到负的最大值，则称它们反相位，简称反相。,同相：相位差为0；反相：相位差为。,正弦交流电的表示方法,一、解析表示法,根据解析式可以计算交流电任意瞬时的数值,正弦交流电的表示方法,二、波形表示法,波形图中可以直观反映出交流电的最大值、周期和初相位。,正弦交流电的表示方法,三、旋转矢量表示法,特别注意:相量只表示正弦量，而不等于正弦量。非正弦周期量不能用相量表示。,例题,例：已知两正弦电动势分别为和,求：（1）各电动势的最大值和有效值；（2）频率、周期；（3）相位、初相位、相位差；（4）波形图。,解（1）最大值,有效值,（2）频率,周期,例题,（3）相位,初相位,相位差,（4）波形图,单一RLC参数交流电路,观察与思考,带电能表多孔插座上,单独插入电水壶电表读数累计增加明显且均匀；单独插入控制变压器电表读数累计增加非常缓慢；单独插入电容电表几乎不增加读数。,神奇现象,当电风扇转速较慢时，电工师傅在风扇上并接一个电容后转速很快升高了；当你的学习机噪音变得比较大时，维修工打开电源变换器并接一个电容后噪音明显减少。,神奇现象,纯电阻电路,一、电压和电流关系,在纯电阻电路中：通过电阻的电流和加在电阻两端的电压具有相同的频率和相位，且电流与电压的有效值满足欧姆定律,即：,a）电路图b）电压电流波形图c）相量图d）功率曲线,纯电阻电路,二、功率,有功功率P（即平均功率）：瞬时功率在一个周期内的平均值,公式：,P有功功率，单位为W或kW,U、I均为正弦电压、电流的有效值，单位分别为V和A,电阻电路中消耗的电能量为,W电能，单位为J或kWh（即1度电）。,公式：,纯电阻电路,例题：一单相220V、1000W的电炉，接在50Hz、220V的交流电源上，试求电炉的电阻、电流和使用8h消耗的电能是多少度?,解：,电炉的电阻：,R=U2/P=2202/1000=48.4(),电炉的电流：,I=P/U=1000/220=4.55(A),消耗的电能：,W=Pt=10008=8(kWh),纯电阻电路,三、典型应用电炉电路,当开关置于低档时，500W电热丝接入电路；当开关置于中档时，1000W电热丝接入电路；当开关置于高档时，500W和1000W电热丝同时并联接入电路，此时功率最大。,纯电容电路,一、电压和电流的关系,在纯电容电路中，电流与电压成正比,Xc容抗，单位为,容抗Xc不仅跟电容C的大小有关，还跟电源频率有关,纯电容电路,在纯电容电路中电流比电压超前/2,电流电压波形及相量图,a）电路图b）电压、电流波形图c）相量图d）功率曲线,纯电容电路,二、功率,瞬时功率,有功功率,无功功率,无功功率，单位为var,例题：将一个2F的电容器接在220V、50Hz的正弦交流电源上，试求通过电容器的电流I、有功功率P和无功功率QC为多少？,（提示：先计算出容抗XC的值，然后分别套用I、P和Q的公式求解）,纯电容电路,三、典型应用,用于前后级放大电路之间的耦合，简称“隔直通交”如各种音视频设备的信号传输等,用于单相电机的90o移相，如吊扇、双筒洗衣机电机等,纯电容电路,三、典型应用,电子技术中用于电源的滤波，如计算机、打印机等设备开关电源的整流输出等,应用于音频技术中，如中、高档音响的分频器等,纯电感电路,一、电压和电流关系,Isint,eL=-u=-,Usin(t+90),通过线圈的电流与电源电压、自感电动势具有相同的频率。但是它们的相位不同，电流滞后电压90,U=XLI=LI=2fLI,XL-感抗，单位,XL=L=2fL,纯电感电路,二、功率,瞬时功率：p=ui=2UIsin（t+90）sint=UIsin2t,有功功率：P=0,无功功率：,瞬时功率为正值时说明电感从电源吸收能量，转换为磁场能储存起来；瞬时值为负值说明电感又将磁场能转换为电能返还给电源。通常用瞬时功率的最大值来衡量电感与电源之间能量转换的规模,纯电感电路,例题：正弦交流电源电压U=220V，f=50Hz，接上电感线圈的电感L=0.05H，电阻可忽略不计。试求通过线圈中的电流I、有功功率P和无功功率为多少？,解：,XL=L=2fL=2500.0515.71(),I=U/XL=220/15.7114.0(A),P=0,QL=UI=22014=3080(var),串联电路,思考：,为什么,？,RL串联电路,一、电流和电压的关系,总电压和电阻、电感元件上分压关系：,总电流滞后总电压一个角,RL串联电路,二、功率关系,或,有功功率,无功功率,视在功率,在RL串联的交流电路中，电阻消耗有功功率，电感与电源交换无功功率。即RL串联的交流电路既消耗有功功率又占有电源功率。将电源对此电路表现出的功率称为视在功率，它等于电流、电压有效值之乘积，用S表示，单位为VA或kVA。,RL串联电路,例题：一个电感线圈，L=25.5mH，电阻R=6，接于电压220V的交流电源上，求电路中的电流I、有功功率、无功功率和视在功率。,解：,感抗,阻抗,根据欧姆定律,有功功率,无功功率,视在功率,RL串联电路,三、典型应用荧光灯电路,工作原理是：闭合开关S，启辉电压加在启辉器动、静触片之间产生辉光放电，U形双金属片受热膨胀，与静触片接触，电流流过灯丝预热。由于动、静触片的接触，辉光放电停止，U形双金属片冷却而收缩，动、静触片突然断开，在镇流器的线圈上产生很高的自感电动势与电源电压叠加后加在灯管的两端，使灯管内的惰性气体与水银蒸气电离产生辉光放电而导通。,RLC串联电路,一、电流和电压的关系,用相量表示,RLC串联电路,端电压、电流的相位关系,（1）当时,（2）当时,（3）当时,RLC串联电路,二、RLC串联电路阻抗之间的关系,电压三角形,阻抗三角形,叫做阻抗角，也是端电压和电流的相位差,RLC串联电路,根据阻抗三角形分析电路的性质是电阻性、电感性还是电容性,RLC串联电路,三、功率关系,（1）有功功率,因为,而,所以,cos称为功率因数,（2）无功功率,（3）视在功率,RLC串联电路,例题：在电阻、电感和电容串联电路中，电路中电流为6A，电阻上电压为80V，电容上电压为180V,电感上电压为240V。电源频率为50Hz。试求：（1）电源电压有效值U；（2）电路参数R、L和C；（3）电流与电压的相位差。,解：,（1）,（2）,（3）,谐振,思考：,（1）你知道收音机是如何接收到各地电台所发射出的无线电波的吗？（2）在一些电子产品或电力工程中，电源电压本身并不高，却经常发现电容器被意外高压击穿的情况，这些高压又来自哪里？如何有效避免？,RLC串联电路的谐振,一、串联谐振条件,在R、L、C元件串联电路中，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。,谐振角频率和谐振频率，用、,注：（1）f0通常又称为电路的固有频率。（2）电路发生串联谐振的条件是电源频率f与电路固有频率f0相等。,RLC串联电路的谐振,二、串联谐振特点,（1）谐振时电路的阻抗最小，且等效为纯电阻，故又称谐振阻抗,（2）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,（3）谐振时，电感上电压与电容上电压大小相等，相位相反。,（4）谐振时，无功功率为零，电源供给的能量仅为电阻消耗的能量。,RLC串联电路的谐振,谐振电路的品质因数Q,（1）Q值越大，电路的选频作用越好，但Q值过大，则会造成电路波形失真。（2）电路发生串联谐振时，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。,RLC串联电路的谐振,三、通频带,一般规定，在输入信号不变的情况下，回路中电流下降到不小于谐振电流的0.707倍的一段频率范围（如图所示的fHfL），称为谐振电路的通频带，简称带宽BW,RLC串联电路的谐振,四、典型应用,等效,收音机的调谐电路,LC并联电路谐振,一、并联谐振条件,在L、C元件组成的并联电路中，回路端电压与总电流同相且回路阻抗为纯电阻，电路的这种状态叫谐振状态。,并联谐振的频率：,LC并联电路谐振,二、并联谐振特点,1）谐振时电路的阻抗最大，为,2）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3）谐振时电路总的无功功率为零。,LC并联电路谐振,三、典型应用,中频选频电路,电能计量与节能,对同样大小的负荷而言，采样并联补偿电容后所缴纳的电费比补偿前要少得多。这是为什么？,神奇现象：,电能计量,一、电能,电能是表示电流在一定时间内做功多少的物理量，也可简单地理解为1kW的用电器在额定电压下连续工作1h消耗电能为1kWh。,1kWh=3.6106J,二、用电计量,电能计量装置包括各种类型电能表、计量用电压、电流互感器及其二次回路、电能计量柜(箱)等,电能计量,三、电能表及其接线,DD862感应式电能表,DDS607单相电子式电能表,单相电能表接线,电能计量,例：电工抄表记录某住宅的电能表在6月底的示数为“33225”，7月底的示数为“33626”。那么该住宅7月份共用电多少度，若每度电按照0.5元计价，则该用户应付费