直流电与交流电

1、 任务四任务四 直流电与交流电直流电与交流电项目教学团队项目教学团队a1任务四 直流电与交流电 一、直流电一、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 U、I I、P 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。直流电源直流电源交流电源交流电源直流电路直流电路交流电路交流电路 任务四任务四 直

2、流电与交流电直流电与交流电项目教学团队项目教学团队a2 若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。 I+US（a）理想电压源电路符号0USUI（b）理想电压源的伏安特性图4-1-1理想电压源 任务四任务四 直流电与交流电直流电与交流电项目教学团队项目教学团队a3 也就是说，理想电压源

3、向负载提供的电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；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，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： 要注意电压源的电流方向是从要注意电压源的电流方向是从“-”流入，从流入，从“+”流出。流出。在电在电路中，电压源并不总是提供电能。路中，电压源并不总是提供电能。I+USR 图4-1-2+UsUU RURUIsRURIIUPSsS22 任务四任务四 直流电与交流电直流电与交流电项目教学团队项目教学团队a4 4. 实际电压源模型 理想电压源

4、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。 由上式可见： 实际电压源的端电压是低于U US S的。电流越大，R RS S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。 US(a)RSIUUS(b)UIOU US RSI图4-1-3 实际电压源(a) 模型 (b) 伏安特性曲线 SSIRUU电压源电压源模型模型 任务四任务四 直流电与交流电直流电与交流电项目教学团队项目教学团队a5 当一个实际电

5、压源接上负载后，如图4-1-4所示，这样的电路称为全电路。 因为 且 所以 故 此式称为全电路欧姆定律全电路欧姆定律。+USRSRI+U图4-1-4 全电路SSIRUURIU SSIRURIRRUISS 任务四任务四 直流电与交流电直流电与交流电项目教学团队项目教学团队a6【例【例4.1】在图4-1-4中，已知U US S为30V，U U为25V，I I为5A，求R R及R RS S。 在上图中，很容易得到 或 即即 在电路中，任意闭合回路的电压降的代数和恒等于零在电路中，任意闭合回路的电压降的代数和恒等于零。这一这一结论称为结论称为基尔霍夫电压定律基尔霍夫电压定律。 +USRSRI+U图4-

6、1-4 全电路SSIRIRU0SSUIRIR0SRSRUUU 任务四任务四 直流电与交流电直流电与交流电项目教学团队项目教学团队a7 二、交流电二、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随时间发生周期性变化间发生周期性变化。 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。在交流在交流电路中，电压、电流、功率等物理量用小写英文字母电路中，电压、电流、功率等物理量用小写英文字母u u、i i、p p标标识，以表示其大小和方向随时间变化的特点识，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

7、际电压源，如图4-2-1所示。与直流电源不同的是：u us s的大小与方向是随时间呈现周期性的变化规律。 i+uS（a）理想交流电压源符号+uSRSi+u图4-2-1 交流电源符号（b）实际交流电压源符号 任务四任务四 直流电与交流电直流电与交流电项目教学团队项目教学团队a8 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： 在图4-2-2所示的u u、i i关联参考方向下，它们也符合欧姆定律，即：iRu图4-2-2)sin()(tUtum)sin()(tItimiRutiRtu )()(或振幅值振幅值角频率角频率初相角初相角 任务四任务

8、四 直流电与交流电直流电与交流电项目教学团队项目教学团队a9 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 ) I Im m：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。 振幅值表示正弦量瞬时值变化的范围或幅度振幅值表示正弦量瞬时值变化的范围或幅度。 0Tt tiiIm2T图4-2-3 正弦电流的波形图 任务四任务四 直流电与交流电直流电与交流电项目教学团队项目教学团队a10 ：角频率 在正弦量的瞬时表达式中，t+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，相位反映了正相位反映了正弦量

9、的每一瞬间的状态或变化的进程。相位的单位一般为弧度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，其单位为相位角变化的速度称为角频率，其单位为rad/s，即，即： 正弦量变化一周所需的时间称为周期正弦量变化一周所需的时间称为周期。 通常用“T T”表示， 单位为秒(s)。 正弦量每秒钟变化的周数称为频率正弦量每秒钟变化的周数称为频率，用“f f”表示，单位为赫兹(Hz)。 显然，周期和频率互成倒数周期和频率互成倒数，即 ttd)(dTf1 任务四任务四 直流电与交流电直流电与交流电项目教学团队项目教学团队a11 周期和频率表示正弦量变化的快慢程度

10、。周期越短，频率越高，变化越快。直流量也可以看成f f=0(T=)时的正弦量。 我国和世界上大多数国家都采用我国和世界上大多数国家都采用50Hz(T T=0.02s)作为电力工作为电力工业的标准频率业的标准频率(美、日等少数国家采用美、日等少数国家采用60Hz)，习惯上称为，习惯上称为工频工频。 从图4-2-3中可以看到，相位变化2rad，经历一个周期T T， 那么 可见，角频率与频率成正比、与周期成反比角频率与频率成正比、与周期成反比。 ：初相角 t t=0时，相位为时，相位为，称其为正弦量的初相角，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 i(

11、0)=I(0)=Im msinsin，称为初始值。fT22 任务四任务四 直流电与交流电直流电与交流电项目教学团队项目教学团队a12【例【例 4.2】 图4-2-4给出正弦电压和正弦电流的波形。 写出和的解析式并求出它们在t t=100ms时的值。 0i / mAt / mstu / mVuabiab5300ab20.5ms63223图 4-2-4 例4.1图 任务四任务四 直流电与交流电直流电与交流电项目教学团队项目教学团队a13 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。如某一交流电流某一交流电流i i和和I I一直流电流分别通过同一电阻一直流电流分别通过同一电阻R R,

12、在一个周期在一个周期T T内所产生的热量内所产生的热量相等，相等， 那么这个直流电流那么这个直流电流I I的数值叫做交流电流的有效值的数值叫做交流电流的有效值。 即 所以 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方根均值（或叫均方根值叫均方根值）。 将正弦交流电的瞬时表达式带入上式，可以得到tRtiRTITd)(022TttiTI02d)(12mII 2mUU 任务四任务四 直流电与交流电直流电与交流电项目教学团队项目教学团队a14 通常我们所说的220V交流电就是指的有效值。有效值可以有效值可以代替振幅值作为正弦量的一个要素代替振幅值作为正弦

13、量的一个要素。交流电气设备铭牌上所标交流电气设备铭牌上所标的电压值、电流值都是有效值。的电压值、电流值都是有效值。 一般交流电压表、交流电流表一般交流电压表、交流电流表的标尺都是按有效值刻度的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 U = RI U Um m = RI= RIm m 对于纯电阻电路， 功率的计算按有效值计算。【例【例 4.3】一电阻R R=100，通过的电流i(t)=i(t)=1.41sin(t-30)A。 试求：(1) R R两端电压U U和u u； (2) R R消耗

14、的功率P P。 任务四任务四 直流电与交流电直流电与交流电项目教学团队项目教学团队a15 三、三相交流电概述三、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e eu u、e ev v、e ew w，如图4-3-1所示)。 所以，我们看到的电力输电线总是三根我们看到的电力输电线总是三根。 图 4-3-1 对称的三相电源 任务四任务四 直流电与交流电直流电与交流电项目教学团队项目教学团队a16 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。 负载如

15、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。 图 4-3-2 三相四线制系统 火线火线零线零线三相四线制三相四线制线电压：380V相电压：220V 任务四任务四 直流电与交流电直流电与交流电项目教学团队项目教学团队a17 额定电压为额定电压为220V的单相负载的单相负载(如电灯如电灯)，则应接在相线与中性，则应接在相线与中性线之间。额定电压为线之间。额定电压为380V的单相负载，则应接在相线与相线之间。的单相负载，则应接在相线与相线之间。对于额定电压为对于额定电压为380V的三相负载的三相负载(如三相电动机如三相电动机)，则必须要与三，则必须要与三根电源相线相接。根电源相线

16、相接。 图 4-3-3 负载与电源的连接 任务四任务四 直流电与交流电直流电与交流电项目教学团队项目教学团队a18【问题2】开关动力开关需要注意什么问题？【问题1】由图4-3-3可以看到，电力开关接在火线一侧，为什么？ 任务四任务四 直流电与交流电直流电与交流电项目教学团队项目教学团队a19 直流电与交流电 小小 结结直流电源直流电源交流电源交流电源直流电路直流电路交流电路交流电路电路各处的电电路各处的电压、电流不随压、电流不随时间发生变化时间发生变化电路各处的电压、电路各处的电压、电流随时间发生电流随时间发生周期性变化周期性变化U U、I I、P Pu u、i i、p p理想电源与理想电源与实际电源实际电源 任务四任务四 直流电与交流电直流电与交流电项目教学团队项目教学团队a20 正弦交流电 小小 结结)sin()(tUtum)sin()(tItim振幅值振幅值角频率角频率初相角初相角正弦交流电的三要素正弦交流电的三要素有效值有效值2mII 2mUU 角频率、频率、周期的关系角频率、频率、周期的关系fT22在纯电阻电路中，电压、电流的瞬时值或在纯电阻电路中，电压、电流的瞬时值或有效值之间符合欧姆定律有效值之