电工学-第3章交流电路.ppt

1,第3章交流电路,3.1正弦交流电的基本概念,3.2正弦交流电的相量表示法,3.3单一参数交流电路,3.4串联交流电路,3.5并联交流电路,3.6交流电路的功率,3.7电路的功率因数,*3.8电路中的谐振,3.9非正弦周期信号电路,下一章,上一章,返回主页,大连理工大学电气工程系,2,3.1正弦交流电的基本概念,交流电:大小和方向都周期性变化、在一个周期上的函数平均值为零。正弦交流电:按正弦规律变化的交流电。,最大值角频率初相位,i=Imsin(t+),瞬时值,最大值,角频率,初相位,大连理工大学电气工程系,3,正弦交流电的波形:,0180,1800,=0,=180,大连理工大学电气工程系,4,周期T：变化一周所需要的时间（s）。,频率f：1s内变化的周数（Hz）。,角频率：正弦量1s内变化的弧度数。,一、交流电的周期、频率、角频率,=2f,大连理工大学电气工程系,5,常见的频率值,有线通信频率：3005000Hz；,中国和欧洲国家50Hz，美国、日本60Hz,各国电网频率：,高频加热设备频率：200300kHz。,无线通信频率：30kHz3104MHz；,大连理工大学电气工程系,6,如果热效应相当，Wd=Wa，则I是i的有效值。,正弦电量的有效值：,Wd=RI2T,e、i、uEm、Im、UmE、I、U,二、交流电瞬时值、最大值、有效值,瞬时值,最大值,有效值,大连理工大学电气工程系,7,i=10sin（1000t+30）Au=311sin（314t60）V,相位:t+初相位:i=30,u=60相位差:同频率的正弦电量的初相位之差。i=100sin（314t+30）Au=311sin（314t60）V=ui=6030=90,相位,初相位,三、交流电的相位、初相位、相位差,大连理工大学电气工程系,8,0180,1800,=0,=180,u,u,u,u,u与i同相位,u超前于i,u滞后于i,u与i反相,大连理工大学电气工程系,9,(b)正弦交流电,(a)旋转矢量,3.2正弦交流电的相量表示法,正弦交流电可以用一个固定矢量表示,大连理工大学电气工程系,10,模,辐角,代数式,指数式,极坐标式,三角式,=c(cos+jsin),一、复数的表示方法,=cej,大连理工大学电气工程系,11,二、复数的运算方法,复数的运算：加、减、乘、除法。,加、减法：A1A2=(a1a2)+j(b1b2),大连理工大学电气工程系,12,则,大连理工大学电气工程系,13,(2)相量图,例3.2.1已知i1=20sin(t+60)A，i2=10sin(t45)A。两者相加的总电流为i，即i=i1+i2。(1)求i的数学表达式；(2)画出相量图；(3)说明i的最大值是否等于i1和i2的最大值之和，i的有效值是否等于i1和i2的有效值之和，并说明为什么。,解,(1)采用相量运算,i=Imsin(t+),大连理工大学电气工程系,14,(3)因为i1+i2的初相位不同，故最大值和有效值之间不能代数相加。,大连理工大学电气工程系,15,例3.2.2已知u1和u2的有效值分别为U1=100V，U2=60V，u1超前于u260，求：(1)总电压u=u1+u2的有效值并画出相量图；(2)总电压u与u1及u2的相位差。,解,(1)选u1为参考相量,相量图,(2),大连理工大学电气工程系,16,3.3单一参数交流电路,1.电压、电流的关系,(1)波形图,一、纯电阻电路,(2)大小关系U=RIUm=RIm,(3)相量关系：,大连理工大学电气工程系,17,(2)平均功率(有功功率):,=UI(1cos2t),=UI(W),(1)瞬时功率p=ui=UmsintImsint=UmImsin2t,2.功率关系,p0耗能元件。,p与u2和i2成比例。,大连理工大学电气工程系,18,例3.3.1一只电熨斗的额定电压UN=220V，额定功率PN=500W，把它接到220V的工频交流电源上工作。求电熨斗这时的电流和电阻值。如果连续使用1h，它所消耗的电能是多少？,解,W=PNt=（5001）Wh=0.5kWh,大连理工大学电气工程系,19,1.电压、电流的关系,二、纯电容电路,(1)频率关系：同频率的正弦量;(2)大小关系:,(3)相位关系:u=i-90,U=XCI,(4)相量关系:,(5)波形图:,(6)相量图:,大连理工大学电气工程系,20,瞬时功率:,p0电容储存电场能量(电能电场能量)p0电容释放电场能量(电场能量电能),Q=UI=XCI2,(3)无功功率:,(var),2.功率关系,(2)平均功率(有功功率),P=0,p=UIsin2t,大连理工大学电气工程系,21,例3.3.2今有一只47F的额定电压为20V的无极性电容器，试问：(1)能否接到20V的交流电源上工作；(2)将两只这样的电容器串联后接于工频20V的交流电源上，电路的电流和无功功率是多少？(3)将两只这样的电容器并联后接于1000Hz的交流电源上，电路的电流和无功功率又是多少？,解,故不可以接到20V的交流电上。,Q=UI=200.15var=3var,大连理工大学电气工程系,22,Q=UI=1011.83var=118.3var,大连理工大学电气工程系,23,(1)频率关系:同频率的正弦量;(2)大小关系:Um=LImU=LI感抗:XL=L=U/IU=XLI(3)相位关系:u=i+90(4)相量关系：,1.电压、电流的关系,三、纯电感电路,(5)波形图:,(6)相量图：,大连理工大学电气工程系,24,结论：纯电感不消耗能量，只和电源进行能量交换（能量的吞吐）。,2.功率关系,(1)瞬时功率,取用,发出,取用,发出,p=ui=UmcostImsint=UIsin2t,p,t,O,2,3,2,2,(3)无功功率,(2)平均功率(有功功率),大连理工大学电气工程系,25,例3.3.3有一电感器,电阻可忽略不计,电感L=0.2H。把它接到220V工频交流电源上工作，求电感的电流和无功功率？若改接到100V的另一交流电源上，测得电流为0.8A，此电源的频率是多少？,解,(1)接到220V工频交流电源时,XL=2fL=62.8,Q=UI=2203.5var=770var,(2)接到100V交流电源时,大连理工大学电气工程系,26,一、R、L、C串联电路,根据KVL,3.4串联交流电路,u=uR+uL+uC,复数阻抗:Z,Z=R+j(XLXC),=R+jX,大连理工大学电气工程系,27,090感性电路,阻抗角:=arctan(X/R)=ui,电压三角形,阻抗三角形,相量图:,U=ZIUR=RIUX=XI=(XLX)I,大连理工大学电气工程系,28,0,9090,电路呈阻性,电路呈容性,大连理工大学电气工程系,29,例3.4.1已知U=12V，R=3，XL=4。求：1XC为何值时（XC0），开关S闭合前后，电流I的有效值不变。这时的电流是多少？2XC为何值时，开关S闭合前电流I最大，这时的电流是多少？,解1开关闭合前后电流I有效值不变，则开关闭合前后电路的阻抗模相等。,故(XLXC)2=XL2,大连理工大学电气工程系,30,2开关闭合前，XL=XC时，|Z|最小，电流最大，,故XC=XL=4,|Z|=R=3,大连理工大学电气工程系,31,二、阻抗串联电路,Z=Z1Z2,KVL:,=(R1R2)j(X1X2),大连理工大学电气工程系,32,例3.4.2有一个R、C串联的负载，R=6，C=159F。由工频的交流电源通过一段导线向它供电，测得电流为1.76A。已知输电线的电阻RW=0.5，电感LW=2mH。试求输电线上的电压降、负载的电压、电源的电压，并画出相量图。,解,XLW=2fLW=0.628,大连理工大学电气工程系,33,Z=ZW+ZL=0.5+j0.628+6j20,大连理工大学电气工程系,34,3.5并联交流电路,Z=Z1Z2,其中：Z1=R1+jXL,Z2=R2jXC,KCL:,大连理工大学电气工程系,35,例3.5.1已知交流电路U=220V，R1=20，R2=40，XL=157，XC=114，试求电路的总电流。,解方法1:,大连理工大学电气工程系,36,方法2:,大连理工大学电气工程系,37,i=Imsintu=Umsin(t+)p=ui=UmImsin(t+)sint=UIcos+UIcos(2t+),=UIcos,3.6交流电路的功率,IP=Icos称为电流的有功分量,二、有功功率,一、瞬时功率,大连理工大学电气工程系,38,三、无功功率,Q=UIsinIQ=UIsinIQI的无功分量,四、视在功率,P=ScosQ=Ssin=Ptan,功率三角形,大连理工大学电气工程系,39,SN=UNIN额定容量有功功率守恒:P=Pi=UiIicosi无功功率守恒:Q=Qi=UiIisini视在功率不守恒:SSi=UiIi,额定视在功率,大连理工大学电气工程系,40,例3.6.1求电路的总有功功率、无功功率和视在功率。已知数据注明在图上。,S=UI=2200.86VA=190VA,解方法1,由总电压总电流求总功率,大连理工大学电气工程系,41,P=P1+P2=U1I1cos1+U2I2cos2,Q=Q1+Q2=P1tan1+P2tan2=(411+290)var=121var,方法2,由支路功率求总功率,=(72+74)W,=146W,大连理工大学电气工程系,42,由元件功率求总功率,P=R1I12+R2I22=(201.92+401.362)W=146W,Q=XCI12+XLI22=(1141.92+1571.362)var,=121var,解法3,大连理工大学电气工程系,43,一、什么是功率因数,功率因数,功率因数角,纯电阻电路的功率因数为多少？纯电感电路的功率因数为多少？纯电容电路的功率因数为多少？,3.7电路的功率因数,大连理工大学电气工程系,44,纯电阻电路,RLC串联电路,纯电感电路纯电容电路,电动机空载满载,日光灯,二、常用电路的功率因数,cosj=1,cosj=0cosj=0,0cosj1,cosj=0.20.3cosj=0.70.9,cosj=0.50.6,三、功率因数和电路参数的关系,大连理工大学电气工程系,45,四、功率因数低的害处,1.降低了供电设备的利用率P=SNcosjSN供电设备的容量例如：SN=1000kVA，cos=0.5时，输出P=?cos=0.9时，输出P=?,2.增加了供电设备和输电线路的功率损失I=P/(Ucos)当P一定时，cosI功率损失而且线路电压降落,大连理工大学电气工程系,46,五、造成功率因数低的原因,(1)大马拉小车。(2)电感性负载比较多，无功功率多。,六、提高功率因数的办法,并联补偿电容。,大连理工大学电气工程系,47,I2=I1sin1Isin,I2=CU,大连理工大学电气工程系,48,3.8电路中的谐振,什么叫谐振？在既有电容又有电感的电路中，当电源的频率和电路的参数符合一定的条件时，电路总电压与总电流的相位相同，整个电路呈电阻性。谐振时要注意一些什么？某些物理量会达到极大值。谐振有几种？串联谐振、并联谐振,大连理工大学电气工程系,49,1.谐振的条件及谐振频率Z=R+j(XLXC)=R+jX当X=0时:Z=R=0,一、串联谐振,u与i同相位,谐振的条件：,谐振频率：,大连理工大学电气工程系,50,2.串联谐振的特点,=cos=1,(2)L和C串联部分相当于短路Z=R=Z，最小,电路呈现纯电阻特性,(4)品质因数,大连理工大学电气工程系,51,例3.8.1下图为收音机的接收电路，各地电台所发射的无线电电波在天线线圈中分别产生各自频率的微弱的感应电动势e1、e2、e3、调节可变电容器，使某一频率的信号发生串联谐振，从而使该频率的电台信号在输出端产生较大的才输出电压，以起到选择收听该电台广播的目的。今已知L=0.25mH，C在40350pF之间可调。求收音机可收听的频率范围。,解,当C=40pF时,=1592kHz,大连理工大学电气工程系,52,所以可收听的频率范围是5381592kHz。,当C=350pF时：,=538kHz,大连理工大学电气工程系,53,二、并联谐振,1.谐振条件,2.谐振频率,XL=XC,i=iR,iX=0,大连理工大学电气工程系,54,3.并联谐振特点,=cos=1,(2)L和C并联部分相当开路Z=R=Z，最大,电路呈现纯电阻特性,大连理工大学电气工程系,55,例3.8.2下图所示电路中，外加电压含有800Hz和2000Hz两种频率的信号，现要滤掉2000Hz的信号，使电阻R上只有800Hz的信号，若L=12mH，C值应是多少？,只要使2000Hz的信号在LC并联电路中产生并联谐振，ZLC，该信号无法通过，R上只有800Hz的信号。,=0.53F,解,大连理工大学电气工程系,56,3.9非正弦周期信号电路,非正弦周期信号的分解方法？直流分量、交流分量交流分量谐波谐波：一次谐波、二次谐波、三次谐波、高次谐波：三次谐波及三次以上的谐波。非正弦周期信号有效值的计算方法？非正弦周期信号电路的分析方法？,大连理工大学电气工程系,57,一、谐波分析的概念,谐波分析:对非正弦周期信号可以用傅里叶级数将它们分解成许多不同频率的正弦分量的方法。,u=U0+U1msin(t+1)+U1msin(t+1)+,=U0+Unmsin(nt+n),基波,一次谐波,二次谐波,非正弦周期信号的有效值即方均根：