第三章交流电

1、第三章第三章 交流电交流电3-1 交流电的基本概念交流电的基本概念3-2 电容器和电感器电容器和电感器3-3 单一参数交流电路单一参数交流电路3-4 RLC串联电路串联电路3-5 三相交流电三相交流电3-6 变压器变压器第三章第三章 交流电交流电3-1 交流电的基本概念交流电的基本概念1了解正弦交流电的产生。2理解正弦交流电的周期、频率、最大值、有效值、相位及相位差的概念。3掌握正弦交流电的解析式表示法和波形图表示法。学习目标学习目标第三章第三章 交流电交流电交流电与直流电的根本区别是：直流电的方向不随直流电的方向不随时间的变化而变化，而交流电的方向则随着时间的变时间的变化而变化，而交流电的方

2、向则随着时间的变化而变化化而变化。按正弦规律变化的交流电称为正弦交流电正弦交流电，通常所说交流电就是正弦交流电，文字符号用“AC”表示，图形符号用“”表示。不按正弦规律变化的交流电称为非正弦交流电非正弦交流电。第三章第三章 交流电交流电稳恒直流电、正弦交流电和非正弦交流电的波形稳恒直流电、正弦交流电和非正弦交流电的波形稳恒直流电正弦交流电非正弦交流电锯齿波方波第三章第三章 交流电交流电一、交流电的产生一、交流电的产生作为能源使用的交流电是由交流发电机提供的。其单侧线圈所产生的感应电动势为e=BLVsin，即 e= BLVsint。a)结构图 b)线圈位置图 交流发电机原理图交流电的产生第三章第

3、三章 交流电交流电二、正弦交流电的周期、频率和角频率二、正弦交流电的周期、频率和角频率1周期周期交流电每重复变化一次所需的时间称为周期，用符号T表示，单位是秒（s）。正弦交流电波形第三章第三章 交流电交流电2频率频率 交流电在1秒内重复变化的次数称为频率，用符号f表示，单位是赫兹（Hz）。根据定义可知，周期和频率互为倒数，即Tf1或 fT1第三章第三章 交流电交流电3角频率角频率 正弦交流电每秒内变化的电角度称为角频率，用符号表示。单位是弧度/秒（rad/s）因为正弦交流电变化一周可用2弧度（或360）来计量，所以角频率为：= T2= 2f 第三章第三章 交流电交流电三、正弦交流电的最大值和有

4、效值三、正弦交流电的最大值和有效值1最大值最大值正弦交流电在一个周期所能达到的最大瞬时值称为正弦交流电的最大值（又称峰值、幅值）。最大值用大写字母加下标m表示，如Em、Um、Im。第三章第三章 交流电交流电2有效值有效值使交流电和直流电加在同样阻值的电阻上，如果在相同的时间内产生的热量相等，就把这一直流电的大小叫做相应交流电的有效值。有效值用大写字母表示，如E、U、I。 第三章第三章 交流电交流电交流电的有效值第三章第三章 交流电交流电正弦交流电的有效值和最大值之间有如下关系：有效值 = 最大值0.707最大值 电工仪表测出的交流电数值及通常所说的交流电数值都是指有效值。21第三章第三章 交流

5、电交流电四、正弦交流电的相位与相位差四、正弦交流电的相位与相位差1相位相位在 式中， 表示在任意时刻线圈平面与中性面所成的角度，这个角度称为相位角相位角，也称相位相位或相角相角，它反映了交流电变化的进程。式中为正弦量在t=0时的相位，称为初相位初相位，也称初相角初相角或初相初相。 m0sin()eEt0()t第三章第三章 交流电交流电相位的正负a）初相为正 b）初相为负第三章第三章 交流电交流电2相位差相位差两个同频率交流电的相位之差称为相位差，用符号表示，即若两个交流电同时达到零值或最大值，即两者的初相位相等，则称它们同相位，简称同相；若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

6、大值，即它们的初相位相差180，则称它们反相位，简称反相；若两个正弦交流电相位差=90，则称它们正交。 2121tt第三章第三章 交流电交流电两个同频率交流电的相位关系两个同频率交流电的相位关系波形图相位关系e1超前e2（e2滞后e1）e1与e2同相第三章第三章 交流电交流电波形图相位关系e1与e2反相e1与e2正交两个同频率交流电的相位关系两个同频率交流电的相位关系( (续续) )第三章第三章 交流电交流电3-2 电容器和电感器电容器和电感器1了解电容器的结构和类型，理解电容量的概念和决定平行板电容器电容量大小的因素。2理解电容器的充、放电特性，能用万用表大致判断大容量电容器的质量好坏。学习

7、目标学习目标第三章第三章 交流电交流电3理解容抗的概念，掌握电容“隔直流，通交流，阻低频，通高频”的特性。4了解电感器的结构和类型，理解电感量的概念。5理解感抗的概念，掌握电感“通直流，阻交流，通低频，阻高频”的特性。第三章第三章 交流电交流电一、电容器一、电容器1电容器的结构和类型电容器的结构和类型电容器的基本结构 纸介电容器 第三章第三章 交流电交流电电容器按电容量是否可变，分为固定电容器和可变电容器。单连可变电容器 四联可变电容器 微调电容器 常用可变电容器示例第三章第三章 交流电交流电电解电容器 金属膜电容器 涤纶电容器 圆片电容器 云母电容器常用固定电容器示例第三章第三章 交流电交流

8、电按绝缘介质的不同又可分为空气、纸质、云母、陶瓷、涤纶、聚苯乙烯、金属化纸质、电解、金属钽电容等。电容器的图形符号如下图所示。电容器的图形符号第三章第三章 交流电交流电2电容量电容量电容量是指电容器储存电荷的能力，它在数值上等于电容器在单位电压作用下所储存的电荷量，即电容的单位是法拉（F），常用较小的单位有微法（F）和皮法（pF）。UQC 电容量定义示意图第三章第三章 交流电交流电3平行板电容器平行板电容器电容是电容器的固有属性，它只与电容器的极板正对面积、极板间距离以及极板间电介质的特性有关；而与外加电压的大小，电容器带电多少等外部条件无关。式中S、d、C的单位分别是m2、m、F，介电常数的

9、单位是F/m。dSC第三章第三章 交流电交流电平行板电容器的结构电容器的结构第三章第三章 交流电交流电真空中的介电常数 ，某种介质的介电常数与0之比，称该介质的相对介电常数相对介电常数，用 表示 。用介电常数较大的物质作为电容器的电介质可显著增大电容，而且能做成很小的极板间隔，因而应用很广。任何两个导体之间都存在着电容。rF/m1086.8120分布电容第三章第三章 交流电交流电4电容器的主要性能参数电容器的主要性能参数（1）标称容量电容器的标称容量是指电容器外壳表面标出的电容量值。（2）允许偏差电容器的允许偏差与电阻器类似，常见的有5%、10%、20%几种，分别用J、K和M表示。第三章第三章

10、 交流电交流电（3）额定电压电容器的额定电压（也称耐压）是指，在规定温度范围内，可以连续加在电容器上而不损坏电容器的最大直流电压或交流电压的有效值。 第三章第三章 交流电交流电5电容器的充电和放电电容器的充电和放电（1）电容器的充电a）电容器充电 b）充电电压曲线 c）充电电流曲线电容器的充电过程第三章第三章 交流电交流电（2）电容器的放电a）电容器放电 b）放电电压曲线 c）放电电流曲线电容器的放电过程第三章第三章 交流电交流电6电容器的简易检测电容器的简易检测电容器的简易检测电容器的简易检测第三章第三章 交流电交流电表针偏转情况说明表针先向右偏转，然后向左回摆到底（阻值无穷大处），电容器正

11、常表针向左回摆不到底，而是停在某一刻度上，该阻值即为电容器的漏电阻值。此值越小，说明漏电越严重表针向右偏转到欧姆零位后不再回摆，电容器内部短路表针无偏转和回转，电容器内部可能已断路，或电容量很小，不足以使表针偏转测量结果说明测量结果说明第三章第三章 交流电交流电7容抗容抗电容对交流电的阻碍作用电容对交流电的阻碍作用当电容器外接交流电时，电源与电容器直接不断地充电和放电，电容器对交流电也会有阻碍作用，通常把电容对交流电的阻碍作用称为容抗，用XC表示，容抗的单位也是欧姆（）。电容的容抗与频率的关系可以简单概括为：隔直流，通交流，阻低频，通高频。因此电容也被称为高通元件。fCCXC211第三章第三章

12、 交流电交流电 电容在汽车电路中的应用电容在汽车电路中的应用 一、超级电容器一、超级电容器超级电容器结构 车用超级电容器超级电容公交车第三章第三章 交流电交流电二、电容器用于位移测量和液位测量二、电容器用于位移测量和液位测量c）b）a）电容应用于位置测量a)位移测量 b)液位测量 c)液位传感器实物图第三章第三章 交流电交流电三、电容器在汽车点火控制电路中的应用三、电容器在汽车点火控制电路中的应用传统点火系统中的电容器 DB-71F型点火控制器电路第三章第三章 交流电交流电二、电感器二、电感器1电感器的结构、类型和符号电感器的结构、类型和符号电感器的基本结构是用铜导线绕成的圆筒状线圈。线圈的内

13、腔有空的，也有是铁芯或铁氧体芯。 a）空心电感器 b）铁心电感器 c）铁氧体心电感器电感器的基本结构第三章第三章 交流电交流电名称实物符号空心电感器有磁心或铁心的电感器微调电感器有中心抽头的电感线圈电感器的外形和图形符号电感器的外形和图形符号第三章第三章 交流电交流电2电感器的主要参数电感器的主要参数（1）电感量电感量是反映电感器抗拒电流变化能力的一个物理量。电感量用符号L表示，单位是亨利，用字母H表示。实际常取毫亨（ ）和微亨（ ）作为电感量的单位，换算关系如下： 电感量也简称电感。361H10 mH10 HmHH第三章第三章 交流电交流电（2）品质因数品质因素也称Q值，是衡量电感器储存能量

14、损耗率的一个物理量。它在数值上等于电感器在某一频率的交流电压下工作时，所呈现的感抗与其等效损耗电阻之比。品质因数的高低与电感器的直流电阻、线圈骨架和内芯材料以及工作频率等有关，具体关系如下： RfLRLQ2第三章第三章 交流电交流电（3）分布电容电感器的相邻线圈之间相当于电容器的两个极板，因此在某种意义上具有电容器的结构，这种情况称为分布电容。通常情况下，分布电容对电感是有害的，一般情况下分布电容容量比较小，在皮法级，但在工作频率较高时分布电容的影响不可忽视。分布电容第三章第三章 交流电交流电3互感器互感器互感器是一种特殊的电感器，与普通电感器不同之处是互感器有两个或两个以上绕组，它利用互感原

15、理使交流电从一个绕组传向另一个（或几个）绕组，以实现电能或信号的“隔空”传递。各种变压器、电压互感器、电流互感器、钳形电流表等都是利用互感原理制成的。第三章第三章 交流电交流电a)多绕组变压器 b）钳形电流表 c) 电流互感器 d) 电流互感器 e) 收音机中的中频变压器 互感原理的应用示例 第三章第三章 交流电交流电4感抗感抗电感对交流电的阻碍作用电感对交流电的阻碍作用电感对交流电的阻碍作用称为感抗，用XL表示。感抗的单位也是欧姆（）。线圈自感系数越大，感抗越大；交流电频率越高，线圈感抗也越大。 电感的感抗与频率的关系感抗与频率的关系可以简单概括为：“通直流，通直流，阻交流，通低频，阻高频阻

16、交流，通低频，阻高频”，因此电感也称为低通元件低通元件。L L2 LfX第三章第三章 交流电交流电3-3 单一参数交流电路单一参数交流电路1了解纯电阻交流电路、纯电感交流电路、纯电容交流电路中电压与电流之间的相位关系和数量关系。2理解交流电路中瞬时功率、有功功率和无功功率的概念。3理解电感和电容的储能特性。学习目标学习目标第三章第三章 交流电交流电一、纯电阻交流电路一、纯电阻交流电路纯电阻电路 a) 电路图 b) 波形图 c) 功率曲线图第三章第三章 交流电交流电1电流与电压的相位相同电流与电压的相位相同实验表明，在正弦电压作用下，电阻中通过的电流也是一个同频率的正弦交流电流，且与加在电阻两端

17、的电压同相位同相位。2电流与电压之间符合欧姆定律电流与电压之间符合欧姆定律在纯电阻电路中，电流与电压的瞬时值、最大值、有效值都符合欧姆定律。 RUImmRtUmRuisin RUI 第三章第三章 交流电交流电3平均功率平均功率在任一瞬间，电阻中电流瞬时值与同一瞬间的电阻两端电压的瞬时值的乘积，称为电阻获取的瞬时功率，用 表示，即由于电流和电压同相，所以PR在任一瞬间的数值都大于或等于零，这就说明电阻总是要消耗功率，因此，电阻是一种耗能元件耗能元件。 第三章第三章 交流电交流电由于瞬时功率时刻变动，不便计算，通常用电阻在交流电一个周期内消耗的功率的平均值来表示功率的大小，叫做平均功率平均功率。平

18、均功率又称有功功率有功功率，用P表示，单位仍是瓦（W）。电压、电流用有效值表示时，平均功率P的计算与直流电路相同，即P = UI = I2R = RU2 第三章第三章 交流电交流电二、纯电感交流电路二、纯电感交流电路纯电感电路a）电路图 b）波形图 c）功率曲线图第三章第三章 交流电交流电1电流与电压的关系电流与电压的关系（1）在纯电感电路中，电感两端的电压比电流超前90，即电流比电压滞后90。（2）电流与电压的有效值之间符合欧姆定律，即LXUI 纯电感电路中电流与电压的相位关系第三章第三章 交流电交流电2无功功率无功功率在纯电感交流电路中，瞬时功率有时为正，有时为负，平均功率为零。即，在一个

19、周期内电感吸收的能量与释放的能量相等，可见纯电感电路不消耗能量，它是一种储能元件。 第三章第三章 交流电交流电通常用瞬时功率的最大值来反映电感与电源之间转换能量的规模，称为无功功率，用QL表示，单位是乏（Var）。其计算式为 无功功率并不是无功功率并不是“无用功率无用功率”，“无功无功”的实质是指能的实质是指能量的互逆转换。量的互逆转换。 LLLLLXUXIIUQ22第三章第三章 交流电交流电三、纯电容交流电路三、纯电容交流电路1电流与电压的关系电流与电压的关系纯电容电路a) 电路图 b) 波形图 c) 功率曲线图第三章第三章 交流电交流电（1）在纯电容电路中，电压比电流滞后90，即电流比电压

20、超前90。（2）电流与电压的有效值之间符合欧姆定律，即cXUI 纯电容电路中电流与电压的相位关系第三章第三章 交流电交流电2平均功率平均功率在纯电容交流电路中，瞬时功率有时为正，有时为负，平均功率为零。即，在一个周期内电容吸收的能量与释放的能量相等，可见纯电容电路也不消耗能量，它是也一种储能元件。纯电容电路的无功功率为CCCXUXIUIQ22第三章第三章 交流电交流电3-4 RLC串联电路串联电路1 理解交流电路中电抗、阻抗和阻抗角的概念。2了解RLC串联电路中电压与电流之间的相位关系和数量关系。3了解电压三角形、阻抗三角形和功率三角形的应用。4 理解视在功率和功率因数的概念，了解提高功率因数

21、的意义和方法。学习目标学习目标第三章第三章 交流电交流电一、电压与电流的关系一、电压与电流的关系RLC串联电路 RLC串联电路电压和阻抗示意图 电压三角形、阻抗三角形和功率三角形RLC串联电路相量图第三章第三章 交流电交流电RLC串联电路的总电压瞬时值等于多个元件上电压瞬时值之和，即由于uR、uL和uC的相位不同，所以总电压的有效值不等于各个元件上电压有效值之和。理论分析表明，总电压的有效值应按下式计算：将UR = IR、UL = IXL、UC = IXC代入上式，可得CLRuuuu22)(CLRUUUUIZXRIXXRIUCL2222)(第三章第三章 交流电交流电 式中X = XLXC，称为

22、电抗电抗，称为阻抗阻抗，单位是。称为阻抗角阻抗角，它就是总电压与电流的相位差，即 为了便于记忆，用3个三角形分别表示总电压U与分电压UR、UL、UC的关系，阻抗Z与电阻R、电抗X的关系，视在功率S与有功功率P、无功功率Q的关系。RXXUUUCLRCLarctanarctan第三章第三章 交流电交流电在RLC串联电路中，由于R、L、C参数以及电源频率f的不同，电路可能出现以下三种情况：（1）电感性电路当XLXC时，则ULUC，阻抗角0，电路呈电感性，电压超前电流角。（2）电容性电路当XL XC时，则UL UC，阻抗角0，电路呈电容性，电压滞后电流角。第三章第三章 交流电交流电（3）电阻性电路当X

23、L= XC时，则UL= UC，阻抗角=0，电路呈电阻性，且总阻抗最小，电压和电流同相。电感和电容的无功功率恰好相互补偿。电路的这种状态称为串联谐振。第三章第三章 交流电交流电二、功率和功率因数二、功率和功率因数电压与电流有效值的乘积定义为视在功率，用S表示，单位为伏安（VA）。 视在功率S与有功功率P和无功功率Q的关系为 式中 称为功率因数22QPScosSP sinSQ SPcos第三章第三章 交流电交流电三、功率因数的提高三、功率因数的提高1提高功率因数的意义提高功率因数的意义 功率因数是高压供电线路的运行指标之一。为了减少电能损耗，改善供电质量，就必须提高功率因数。第三章第三章 交流电交

24、流电2提高功率因数的方法提高功率因数的方法（1）提高用电设备自身的功率因数（2）并接电容器补偿低压配电柜中的电容器组第三章第三章 交流电交流电3-5 三相交流电三相交流电1.了解三相交流电的产生和特点，掌握三相四线制电源的线电压与相电压的关系，理解中线的作用。2.了解三相对称负载星形和三角形连接的特点和应用。3.了解汽车三相交流发电机的原理和结构。学习目标学习目标第三章第三章 交流电交流电一、三相交流电的产生一、三相交流电的产生三相交流发电机示意图a）定子、转子横截面图 b) 定子绕组空间结构图 c) 三相绕组及其电动势 正弦交流电的产生三相交流发电机（旋转电枢式）三相交流发电机（旋转磁极式）

25、发电机、电动机第三章第三章 交流电交流电当转子在原动机带动下以角速度作逆时针匀速转动时，三相定子绕组依次切割磁感线，产生三个对称的正弦交流电动势 。若以U相为参考正弦量，可得三相正弦交流电动势eU，eV，ew的解析式如下：eU = Emsin（t+0）VeV = Emsin（t120）VeW = Emsin（t+120）V第三章第三章 交流电交流电三相对称电动势的波形图 三相对称交流电动势到达最大值的先后次序称为相序相序。如按UVWU的次序循环称为正序正序；按UWVU的次序循环则称为负序负序。第三章第三章 交流电交流电二、三相交流电的供电方式二、三相交流电的供电方式1三相四线制供电三相四线制供

26、电（1）中性点、中性线和零点、零线中性点和中性线 第三章第三章 交流电交流电接地的中性点称为零点，接地的中性线称为零线。在工程上，零线或中性线一般采用淡蓝色或黑色。零点和零线三相四线制第三章第三章 交流电交流电（2）相线、相电压和线电压由三相绕组的始端U1、V1、W1引出的3根输电线称为相线或端线，俗称火线。常用L1、L2、L3表示。 相线与中性线之间的电压称为相电压，相线与相线之间的电压称为线电压，线电压的大小等于相电压的 倍。3相线、相电压和线电压第三章第三章 交流电交流电2三相五线制供电三相五线制供电三相五线制是在三相四线制的基础上，另增加一根专用保护线（也称保护零线）与接地网相连，能更

27、好地起到保护作用。保护零线一般用黄绿相间色作为标志。按照规范，单相三孔插座的接线必须遵循左零（N）右相（L）上接地（PE）的原则。第三章第三章 交流电交流电三相五线制供电第三章第三章 交流电交流电3三相三线制供电三相三线制供电三相三线制就是三相电源星形联结时，中性线不引出，有3根相线对外供电。三相三线制供电第三章第三章 交流电交流电三、三相负载的连接方式三、三相负载的连接方式接在三相电源上的负载统称为三相负载。通常把各相负载相同的三相负载称为对称三相负载对称三相负载，如三相电动机、大功率三相电路等。如果各相负载不同，就称为不对称三不对称三相负载相负载，如三相照明电路中的负载。 第三章第三章 交

28、流电交流电1三相负载的星形联结三相负载的星形联结把三相负载分别接在三相电源的一根相线和中线之间的接法称为三相负载的星形连接（常用“Y”标记）。三相负载的星形联结第三章第三章 交流电交流电负载的相电压等于电源的相电压，电源的线电压为负载相电压的下来 倍，即在星形连接的三相负载中，线电流与相电流大小相等： 三相对称负载星形连接时中线电流为零 。在三相负载不对称的低压供电系统中，不允许在中线上安装熔断器或开关 。3YYUU相线3相相相线ZUIIYYY第三章第三章 交流电交流电2三相负载的三角形联结三相负载的三角形联结把三相负载分别接在三相电源每两根相线之间的接法称为三角形联结（常用“” 标记）。三相负载的三角形联结第三章第三章 交流电交流电负载的相电压和电源的线电压大小相等，即：三个相电流和三个线电流都是数值相等且相位互差120的三相对称电流 。线电流和相电流的关系为 ：线电流总是滞后于相应的相电流30。 线相UU相线II3第三章第三章 交流电交流电汽车三相