单相交流电路知识讲义(PPT 59页).ppt

知识点：,技能点：,任务一正弦交流电路的基本知识,1.正弦交流电的瞬时值、最大值与有效值2.正弦交流电的周期、频率和角频率3.正弦交流电的初相角与相位差4.正弦交流电的相量表示法,1.会使用信号发生器和示波器。2.认识正弦交流电的四种表示形式及其相互转换。3.会画相量图及作相量图求相量的加减。,任务展示,我们教室里的照明电路使用的是正弦交流电源，用万用表测量的是正弦交流电的什么值呢？用示波器观察到的单相正弦交流电的波形如图3-1所示，这样的电压信号有哪些特点？怎样表示？又如何描述？在工程上有没有比波形图更好的表示方法？,图3-1单相正弦交流电压、电流波形,在前面讨论的直流电路中，电动势、电流及电压的大小和方向都不随时间变化，这种恒定的电量称为直流电。而交流电的电动势、电压及电流的大小和方向都随时间周期性变化。在实际生产和日常生活中广泛使用的都是交流电。大小和方向随时间按正弦规律变化的交流电，称为正弦交流电。电动势、电压及电流等的大小和方向都随时间按正弦规律作周期性变化的物理量统称为正弦量。本任务就是探究正弦交流电的变化规律，找到它的特征要素和表示方法。,任务分析,实训5观察单相正弦交流电的波形,器材1.双踪示波器1台2.信号发生器1台,目的1.学会使用示波器，熟悉信号发生器产生的单相正弦交流电信号，了解正弦交流电波形的特点2.会使用示波器测量单相正弦交流电，会看波形并求出正弦交流电的最大值（有效值）、频率（周期）及初相角,一、学习示波器的使用1.注意观察示波器和信号发生器面板上各旋钮的位置，给示波器和信号发生器接上电源2.调试示波器使屏幕出现机内信号，即一个方波波形，体会调试幅度、频率的变化,观察峰-峰值和周期，并学会通过观察波形,计算峰-峰值和周期的方法3.将信号发生器的输出信号端与示波器的输入信号端连接调试信号发生器的输出信号使之成为频率为50Hz、幅值为12V的正弦波4.调试使示波器的屏幕出现三个周期的信号波形,实训过程,任务实施,二、观察单相正弦交流电的波形,1.用示波器观察单相正弦交流电压波形，画出波形图，在图中标出幅值、频率2.求出其最大值（有效值）、频率（周期）及初相角,一、正弦交流电的三要素,1.正弦交流电的瞬时值、最大值和有效值,(1)瞬时值如图3-1所示，正弦量在任一瞬间的值称为瞬时值，用小写字母表示，如电流。i电压u和电动势e,图3-1单相正弦交流电压、电流波形,相关知识,(2)最大值,(3)有效值,有效值的确定是根据交流电流和直流电流热效应相等的原则来规定的。假定在同一电阻上，在相等的时间内分别通以正弦交流电流i和直流电流I，如果它们产生的总热量相等，则这两个电流量是等效的，则称该直流电流I是该交流电流的有效值。,理论推导和实验证明，正弦交流电压的有效值为：,(3-1),正弦交流电动势的有效值为：,(3-2),正弦交流电动势的有效值为：,(3-3),一般所讲的正弦交流电压或电流的大小，如交流电压380V，都是指它的有效值。在交流电路中，用交流电压表、电流表测得的数据以及电器铭牌上的标注值均为有效值。,2.周期、频率和角频率,(1)周期,正弦量变化一次所需的时间称为周期T,单位是秒（s）。,(2)频率,指单位时间内正弦量变化的循环次数，用f表示，单位是赫兹(Hz)。频率是周期的倒数，即,(3-4),我国和大多数国家都采用50Hz作为电力标准频率，有的国家（如日本、美国等）采用60Hz。在不同的应用场合也使用着不同的频率，如音频是20Hz20kHz，航空工业用的交流电是400Hz，无线电广播的中波段频率是5351650kHz等。,(3)角频率,表示正弦量在1s内所变化的电角度，单位是弧度/秒（rad/s）。因为一周期内正弦信号经历了2,弧度，所以角频率为:,(3-5),我国工业和民用交流电源电压的有效值为220V，频率为50Hz，因而通常将这一交流电压简称为工频电压，频率称为工频。,3.相位、初相角和相位差,(1)相位,例如：,称为正弦量的相位角或相位，它反映出,正弦量变化的过程。,（2）初相位,当,时的相位角称为初相位角或初相位，用,表示。,（3）相位差,两个同频率正弦量的相位角之差，称为相位差，用,表示（,与时间t无关）。,设,，则这两个正弦量的相位差为：,=,(3-6),并规定用绝对值小于180（或,）的角度（或弧度）表示。,当,0时，,超前于,，或,滞后于,，如图3-2a所示。,当,时，,与,为正交，如图3-2b所示。,当,0时，,与,为同相，如图3-2c所示。,当,时，,与,为反相，如图3-2d所示。,图3-2相位关系波形图,二、正弦交流电的表示方法,1.波形表示法,如图3-1所示。,2.函数表示法,3.相量表示法（旋转矢量法）,设一正弦量,，波形如图3-3b所示，图3-3a是以直角坐标系的,O为原点，取有向线段OA的长度等于正弦量的最大值,，它的初始位置与X,轴正方向的夹角等于正弦量的初相角,，并且以角频率作逆时针方向旋转。,由于这一旋转的有向线段,具有正弦量的三要素，故可用来表示正弦量。正弦量,用有向线段表示，而有向线段又可以用复数表示，所以正弦量可用复数表示，用复数来表示的正弦量称为相量，为了和一般的复数相区别，规定正弦量相量用上方加“”的大写字母来表示。如：,正弦交流电用相量表示后，正弦交流电路的分析和计算就可以用复数来进行，直流电路中介绍过的分析方法、基本定律就可以全部应用到正弦交流电路中，这种方法就是相量法。,a）矢量图b）波形图,图3-3正弦交流电的矢量图和波形图,4.相量图及相量的加、减,(1)作相量图,作出,V的相量图如图3-4所示。,图3-4相量图,图3-5相量的加、减,(2)相量的加、减,两相量相加减时，作出相量图，用平行四边形法则进行相量合成。,例3-1已知：,V，,V，求,，并写出瞬时值,和,表达式。,解：,作出相量图如图3-5所示。,由相量表达式得到瞬时值：,做一做,任务二正弦交流纯电阻、纯电感、纯电容电路,知识点：,1.纯电阻电路电压和电流的关系及其功率2.纯电感电路电压和电流的关系及其功率3.纯电容电路电压和电流的关系及其功率,技能点：,1.会计算纯电阻电路、纯电感电路和纯电容电路中电压、电流和功率2.会绘画纯电阻电路、纯电感电路和纯电容电路电压、电流的相量图,任务展示：,日常生活中常见的白炽灯、电炉、电烙铁为什么消耗电能？日光灯为什么在开关闭合后几秒钟灯管才亮？手机充电器在拔下的瞬间为什么电源指示灯并不是马上熄灭？这些负载都有什么特点呢？,任务分析：,白炽灯、电炉、电烙铁等元件是耗能元件，它们消耗电能主要转化成光能和热能。日光灯在开关闭合后几秒钟灯管才亮，这是因为日光灯电路中包括一个由多匝线圈绕制而成的镇流器，日光灯的启动过程正是利用了镇流器线圈的特性。拔下充电器的瞬间电源指示灯没有马上熄灭，是因为手机充电器电路中含有电容这种蓄能元件。,在分析交流电路时，通常把各种实际的负载看成是电阻R、电感L、电容C三类理想的单一参数元件的不同组合。若正弦交流电源的负载只包含其中的一种元件，就把这种线性的单一参数电路称为纯电路。纯电路有纯电阻电路、纯电感电路和纯电容电路三种。本任务就是探究三种纯电路的电压、电流和功率的关系及各种功率的计算。,相关知识：,一、纯电阻电路,交流电路中若含有的元件只考虑其电阻性而不须考虑其电磁性，这类电路叫纯电阻电路，如含有白炽灯、电炉、电烙铁等的电路。纯电阻电路如图3-6所示。,图36纯电阻电路,1.纯电阻电路电压与电流的相位关系,在正弦交流电路中，电阻与电压、电流的瞬时值之间的关系服从欧姆定律。设加在电阻R上的正弦交流电压瞬时值为,，则通过该电阻的电流,瞬时值为：,u与i的解析式表明：在纯电阻电路中，u与i同频率、同相位，其波形图和相量图分别如图37、38所示。,2纯电阻电路电压与电流的大小关系,由前述i的解析式可得：,（3-7）,式（3-7）中Im、,分别为纯电阻电路中电压、电流的最大值。,（3-8）,式（3-8）中I、U分别为纯电阻电路中电压、电流的有效值。,这说明，纯电阻电路中电压与电流的最大值、有效值之间也满足欧姆定律。,图37纯电阻电路电压、电流的波形图,图38纯电阻电路电压、电流相量图,3纯电阻电路的功率,(1)瞬时功率,（3-9）,上式中pR,0,说明电阻始终在消耗功率，电阻R是耗能元件。,图39纯电阻电路功率曲线图,(2)平均功率,瞬时功率在一周期内的平均值，称为平均功率，又称有功功率，用大写字母“PR”表示，单位是瓦（W）。平均功率反映了电阻所消耗功率的大小。电压、电流用有效值表示时，平均功率PR的计算与直流电路相同，即:,（3-10）,二、纯电感电路,由多匝导线绕制而成的线圈就是一个电感元件，如图3-10所示。当线圈输入变化的电流后，通过线圈的磁通也发生变化，线圈中就会产生感应电动势，也叫自感电动势。电感产生自感电动势的能力与线圈自身所用材料、匝数、几何形状以及线圈中的媒介质等因素有关，这些因素的综合作用用自感系数L来描述。,图310线圈,由线圈组成的电路称为感性电路，若线圈的电阻忽略不计，称为纯电感电路，如图3-11所示。,311纯电感电路,1.感抗,纯电感电路中通过正弦交流电流的时候，电感线圈对交流电流的阻碍作用称为电感电抗，简称感抗,。感抗的单位是欧姆()。感抗的表达式为：,（3-11）,上式中，自感系数L的国际单位制是亨利(H)，常用的单位还有毫亨(mH)、微亨(H)，纳亨(nH)等，1mH=103H，1H=106H，1nH=109H。,直流电频率为零，则,，故电感在直流电路中相当于短路。频率越高，感抗,越大；频率越低，感抗越小。因此电感线圈具有“通直流、阻交流，通低频、阻高频”的性质，从而被广泛应用于电子技术中。,如果线圈中不含有导磁介质，则叫作空心电感或线性电感，线性电感L在电路中是一常数，与外加电压或通电电流无关。如果线圈中含有导磁介质时，则电感L将不是常数，而是与外加电压或通电电流有关的量，这样的电感叫做非线性电感，例如铁心电感。,2纯电感电路电流与电压的相位关系,当电感线圈中通过交流电流,其中产生自感电动势eL。电流i、电动势eL,和电压u取参考方向一致，三者关系由电磁感应定律确定，即：,即u和i是同频率的正弦量。其波形图和相量图分别如图3-12a、b所示。图中可直观看到电感电压比电流超前90(或/2)，或电感电流比电压滞后90。,a)波形图,b)相量图,图3-12纯电感电路电压、电流的波形图与相量图,3.纯电感电路电流与电压的大小关系,由u的解析式可得,，则：,（3-11）,（3-12）,4纯电感电路的功率,（1）瞬时功率p,设纯电感电路中通过交流电流,，则,那么：,瞬时功率的波形图如图3-13所示。,图3-13纯电感电路瞬时功率的波形图,（2）平均功率（有功功率）P,由图3-13可看出:一个周期内的平均功率P=0，也就是电感元件上只有能量交换而不耗能，电感元件为储能元件,（3）无功功率QL,为了衡量电源与电感元件之间能量交换的规模，引入无功功率的概念。把瞬时功率的最大值叫做无功功率，用,表示，单位为乏尔（var）、千乏尔（kvar）。,（3-13）,三、纯电容电路,1.电容器与电容,电路中只含有电容元件，并且其导线电阻都忽略的这一类电路是纯电容电路，如图3-14所示。,图3-14纯电容电路,图3-15常见电容器,两块彼此靠近又互相绝缘的导体组成的器件就是电容器，有时候也简称为电容。电容的用途较广，是电子、电力领域中不可缺少的电子元件，主要用于电源滤波、信号滤波、信号耦合、谐振、隔直流等电路中。图3-15所示为几种常见电容器。,电容量是衡量电容器储存电荷能力大小的一个物理量，简称电容。其大小与极板面积、形状、极板间的距离和电介质有关，通常用符号“C”表示。即：,(3-14),在国际单位制里，电容的单位是法拉，简称法（F），常用的电容单位有毫法(mF)、微法(F)、纳法(nF)和皮法(pF)(皮法又称微微法)等，它们的换算关系是：,1mF=103F1F=106F1nF=109F1pF=1012F,2.容抗,反映电容对交流电流阻碍作用程度的参数叫做容抗，用,表示，容抗的,单位是欧姆()。即：,（3-15）,频率越高，容抗越小，；频率越低，容抗越大。直流电的频率,，,相当于断路。因此，电容器有“通交流、隔直流；通高频、阻低频”的作用。,3电容电流与电压的相位关系,如图3-14所示纯电容电路中，设,，则电路中的电流为：,即i和u为同频率的正弦量，其波形图和相量图分别如图3-16a、b所示。图中可直观看到电容电流比电压超前90(或/2)，或电容电压比电流滞后90(或/2)。,4.纯电容电流与电压的大小关系,由i的解析式可得：,（3-16）,（3-17）,a)波形图,b)相量图,图3-16纯电容电路电压、电流的波形图与相量图,5纯电容电路的功率,（1）瞬时功率p,设纯电容电路中通过交流电流,，则,，那么：,瞬时功率的波形图如图3-17所示。,图3-17纯电容电路瞬时功率的波形图,（2）平均功率（有功功率）P,由图3-17可看出:一个周期内的平均功率P=0，也就是电容元件上只有能量交换而不耗能，电容元件为储能元件。,（3）无功功率QC,为了衡量电源与电容元件之间能量交换的规模，引入无功功率的概念。把瞬时功率的最大值叫做无功功率，用QC表示，单位为乏尔（var）、千乏尔（kvar）。,（3-18）,四、纯电阻、纯电感、纯电容电路的比较,表3-2纯电阻、纯电感、纯电容电路的比较,1.例3-2如图3-6所示的纯电阻电路中，已知R=22，u=220,sin(314t+45)V,做一做,（1）写出电流的瞬时值表达式；（2）画出电压、电流的相量图；（3）求电阻消耗的功率。,图3-20例3-4相量图,任务三RL串联电路,1.基尔霍夫定律的相量形式2.RL串联电路模型及电流、电压、阻抗、功率的关系3.RL串联电路的幅频特性和相频特性4.功率因数,1.会计算RL串联电路电压、电流和功率2.了解RL串联电路的应用及功率因数在生产中的意义,知识点：,技能点：,变压器和电动机在工业生产中应用广泛，如图3-21所示。它们的绕组部分都包含有多匝线圈。通常工作一段时间后，变压器和电动机就会有发热现象，如何解释这一现象呢？,绕制变压器和电动机的绕组的导线较长时，电阻将较大，其值就不可忽略，变压器和电动机工作时就会有发热现象。此时变压器和电动机的绕组就等效成了RL串联电路。本任务就是研究正弦交流电下的RL串联电路的工作特性。,任务展示,任务分析,一、基尔霍夫定律的相量形式,1基尔霍夫电流定律（KCL）的相量形式,在正弦交流电路中，任一时刻、任一节点，所有汇集于该节点的支路电流相量代数和为零。,其表达式为:,在应用式（3-19）列写KCL方程时，一般流入节点的电流取“+”号，流出节点的电流取“-”号。,(3-19),2基尔霍夫电压定律（KVL）的相量形式,其表达式为:,在应用式（3-20）列写KVL方程时，一般与回路绕行方向相同的电压取“”号，相反的电压取“”号。,(3-20),在正弦交流电流电路中，沿任一回路绕行一周，各元件电压相量的代数和为零。,二、电路模型,RL串联电路的电路模型如图3-22所示。,相关知识,三、分析电路,1.RL串联电路的电流、电压与阻抗的关系,（1）电压三角形,在图3-22所示电路中，设电流为参考相量，即,根据基尔霍夫电流定律的相量形式，则：,(3-21),图3-23电压三角形,（2）阻抗三角形,由式(3-22)可知：,图3-24阻抗三角形,2.幅频特性和相频特性,图3-25幅频特性曲线,3.RL串联电路的功率,在RL串联电路中，既有耗能元件R，又有储能元件L，故电路中既有有功功率，又有无功功率。,（3）视在功率,电源输出的总电压与总电流的乘积称为视在功率。视在功率为电源提供的总功率，符号是S，单位是伏安（VA），即：,(3-27),视在功率包含有功功率和无功功率两部分，三者的关系构成功率三角形，如图3-27所示。,图3-27功率三角形,由功率三角形的关系可知：,(3-28),RC串联电路,1.RC串联电路分析,作出电压三角形、阻抗三角形、功率三角形如图3-29所示。,拓展知识,2.RC串联电路幅频特性、相频特性,图3-30RC串联电路幅频特性曲线,做一做,任务四日光灯电路及功率因数的提高,1.日光灯电路的组成2.日光灯的工作原理3提高功率因数的意义和方法,1.会安装日光灯电路2.会测量交流电压、电流,教室里的照明电路，通常都是日光灯电路，同学们天天都能看见，但大家是否了解日光灯电路的组成及主要部件的作用呢？如何安装日光灯才能正常工作？,知识点：,技能点：,任务展示,生产实践中感性负载很多，如变压器、电动机都是感性负载，日光灯电路也属于感性负载。当负载的端电压一定时，输送一定功率情况下，功率因数越低，输电线路的电流就越大，引起线路上的压降也越大，从而导致电能损耗增加，输电效率降低，电源利用率降低。本任务，就是了解日光灯电路的组成及主要部件的作用，学会安装日光灯电路，探究如何提高日光灯电路的功率因数。,实训6安装日光灯电路及测量电路中的电压、电流,实训器材,1.日光灯灯管1支、灯管支座1个2.镇流器、起辉器各1个，电容器2个3.MF-47型万用表、交流电流表、电度表、数字功率钳表各1个4.闸刀开关、熔断器、漏电保护器、单联开关各1个,实训目的,1.了解日光灯的工作原理，学习日光灯的安装方法。2.掌握提高功率因数的方法，理解提高功率因数的意义。3.熟悉交流仪表的使用方法。,任务分析,任务实施,实训过程,一、日光灯电路的安装,1.用万用表检测各元件的好好。2.在照明电路板上按图3-32所示布置和正确安装各元件。3.按图3-32正确完成各元件之间的接线。4.用万用表检查所安装线路是否正确。5.经老师检查合格后通电试验，观察日光灯电路的工作情况,图3-32日光灯电路,二、测量日光灯电路,1.在图3-32日光灯电路中添画所要并联的电容器。2.用钳表测量电流，万用表测量电压，其中UR为两灯管两端的电压，UL为镇流器两端的电压，U为电源两端的电压，把测量值填入下表中。,3.将并联电容支路接入，经老师检查合格后通电试验，如步骤2测量，记录测量数据，体会提高功率因数的方法。,三、注意事项,注意安全用电，线路接好后，须经指导教师检查无误后，再接通电源。,一、日光灯电路的组成,日光灯电路主要由日光灯管、镇流器、起辉器组成，电路图如图所示。,1日光灯管,日光灯管是一支细长的玻璃管，其内壁涂有一层荧光粉薄膜，在日光灯管的两端装有钨丝，钨丝上涂有受热后易发射电子的氧化物。日光灯管内抽成真空后，充有一定量的惰性气体和少量的汞气（水银蒸气）。惰性气体有利于日光灯的启动，并延长灯管的使用寿命；水银蒸气作为主要的导电材料，在放电时产生紫外线激发日光灯管内壁的荧光粉转换为可见光。,2起辉器,起辉器主要由辉光放电管和电容器组成，其内部结构如图所示。辉光放电管内部的倒U形双金属片（动触片）是由两种热膨胀系数不同的金属片组成。通常情况下，动触片和静触片是分开的。小容量的电容器主要是为了避免起辉器动、静触片断开时产生火花烧坏触片。,相关知识,3镇流器,镇流器是一个带有铁心的电感线圈。它与起辉器配合产生瞬间高电压使日光灯管导通，激发荧光粉发光，还可以限制和稳定电路的工作电流。,二、日光灯的工作原理,灯丝因通过电流而发热，从而使灯丝上的氧化物发射电子。与此同时，辉光放电管内部的动触片与静触片接通时，触片间电压为零，辉光放电立即停止，动触片冷却收缩而脱离静触片，导致镇流器中的电流突然减小为零。于是，镇流器产生的自感电动势与电源电压串联叠加于灯管两端，迫使灯管内惰性气体分子电离而产生弧光放电，日光灯管内温度逐渐升高，水银蒸气游离，并猛烈地撞击惰性气体分子而放电，同时辐射出不可见的紫外线激发灯管内壁的荧光粉而发出近似荧光的可见光。日光灯管发光后，其两端的电压不足以使起辉器辉光放电，这时，交流电源、镇流器与日光灯管串联构成一个电流通路，从而保证日光灯的正常工作。,如图所示，在日光灯电路接通电源后，电源电压全部加在起辉器两端，从而使辉光放电管内部的动触片与静触片之间产生辉光放电，辉光放电产生的热量使动触片受热膨胀趋向伸直，与静触片接通。于是，日光灯管两端的灯丝、辉光放电管内部的触片、镇流器构成一个回路。,三、提高功率因数的意义和方法,1.功率因数低的不良后果,（1）降低了供电设备的利用率,（2）增加了供电设备和线路的损耗,2.提高功率因数的意义,（1）提高电路的功率因数可以提高供电设备的利用率。,（2）提高电路的功率因数可以减少供电设备和输出线路的功率损耗。,3.提高功率因数的方法,（1）合理选用电器设备及其运行方式,a.合理选用电动机，使电动机的容量与被拖动的负载相匹配。b.合理选用变压器，使变压器的容量与用电器的视在功率相匹配。c.对负载有变化但经常处于相对轻载运行状态的电动机（正常运行为形接线），重载时用形联结方式，轻载时用Y形联结方式，同时采用自动切换的控制方式。,（2）在感性负载上并联电容器,一般在感性负载上并联电容器，采用就地补偿无功，从而减少电源与负载进行能量交换，提高功率因数。,例3-6某日光灯实际功率为20W，接入电源电压U=220V，f=50Hz的电路中，为提高功率因数在日光灯两端并接一电容C，其简化电路如图3-35a所示，为使功率因数从0.6提高到0.8需要并接一个多大的电容C？,做一做,任务五RLC串联谐振电路,1.产生谐振的条件2.谐振的特征,1.谐振频率的计算2.谐振电路的应用,在电视机、电脑互联网等高度普及的今天，仍有无数广播听众，利用各种各样的收音机，每天在收听着新闻广播、时事报道、股市信息行情、知识讲座等等，那么，收音机是怎样选择到不同电台的节目呢？,收音机选择不同电台的过程称为调谐。收音机的天线接收到许多不同频率的已调波，由于电磁感应的作用，将其转