汽车电工电子技术2

汽车电工电子技术汽车交流电路项目二任务一

单相正弦交流电认知一、正弦交流电的基本概念（一）正弦量与正弦电路在项目一中，我们讨论的电压和电流的大小和方向均不随时间变化，故称其为稳恒直流电，简称直流电。直流电的波形图如图2-1（a）所示。在实际中，我们还经常遇到电压、电流随时间变化的情况。当其大小随时间变化，而方向不随时间变化时，称为脉动直流电，如图2-1（b）所示。（a）稳恒直流电

（b）脉动直流电

图2-1直流电波形图（a）正弦波

（b）方波

（c）三角波

（d）锯齿波

图2-2交流电波形图

如果电压或电流的大小和方向都随时间在变化，则称为交流电。由交流电组成的电路称为交流电路。在交流电路中，若电流与电压的大小和方向是随时间按正弦规律变化的，由此产生的电流、电压波形称为正弦波，如图2-2（a）所示。正弦波电路也称为正弦交流电路，工程上常用的交流电也是指正弦交流电。随时间按正弦规律变化的电压和电流等物理量统称为正弦量。交流电的波形除正弦波以外，还有方波、三角波、锯齿波等，它们的图形如图2-2（b）、（c）、（d）所示。（二）正弦交流电的特征参数下面以图2-3所示的正弦电流为例，介绍正弦量的三要素。正弦电流的一般表达式为（2-1）式（2-1）中，幅值Im、角频率ω和初相位称为正弦量的三要素。图2-3正弦电流的波形1．周期、频率和角频率周期与频率互为倒数，即（2-2）正弦量在一秒内变化的电角度称为角频率，用ω表示，单位为rad/s。因为一个周期内经历了2π弧度，所以角频率为（2-3）2．瞬时值、幅值和有效值正弦量在任一瞬间的值称为瞬时值，用小写字母表示。例如，i，u，e分别表示电流、电压及电动势的瞬时值。瞬时值中的最大值称为幅值或最大值，它是正弦量在整个振荡过程中达到的最大值，用大写字母加下标m表示。例如，Im，Um，Em分别表示电流、电压及电动势的幅值。（2-4）若交流电流为正弦量，即，则其有效值为（2-5）同理，电压和电动势的有效值为（2-6）

称为相位角或相位，它反映了正弦量的变化进程。

时的相位称为初相位角或初相位。初相位与计时起点的选择有关，计时起点不同，初相位就不同，正弦量的初始状态也就不同。计时起点可以根据需要任意选择，通常规定初相位在其主值范围内取值，即（2-7）两个同频率正弦量的相位之差或初相位之差称为相位差，用表示，则（2-8）

若两正弦量的相位差

，则称两者同相，如图2-4（a）所示。若两正弦量到达某一确定状态（如零值或最大值）的先后次序不同，则称先到达者为超前，后到达者为滞后。如图2-4（b）所示，因，所以称u超前i，或i滞后u。若两正弦量的相位差，则称两者正交，如图2-4（c）所示。若两正弦量的相位差，则称两者反相，如图2-4（d）所示。（a）

（b）（c）

（d）二、正弦交流电的表示方法（一）解析法用正弦函数式表示正弦交流电随时间变化的关系的方法称为解析法。正弦交流电的电流、电压和电动势的解析式分别为（2-9）式中：——表示电流、电压、电动势的瞬时值；——表示电流、电压、电动势的最大值；——表示电流、电压、电动势的角频率；——表示电流、电压、电动势的初相位。解

由式（2-6）得此正弦交流电电压的最大值为例2-1已知一正弦交流电的电压为220V，在时的瞬时值为，频率为50Hz，试写出其交流电电压的解析表达式。当时，电压的瞬时值为，由式（2-9）得即得或由式（2-3）得该正弦交流电电压的角频率为最后得到的交流电电压表达式为（二）图像法几种常见的正弦交流电波形如图2-5所示。

（a）

（b）

（c）

（d）

图2-5图像法（三）旋转矢量表示法图2-6正弦交流电的旋转矢量表示法（a）电流最大值矢量（b）电动势有效值矢量（c）电压和电动势有效值矢量

图2-7正弦交流电的矢量图三、单一元件的正弦交流电路（一）纯电阻电路1．纯电阻电路中电流与电压的关系在交流电路中只考虑电阻作用的电路称为纯电阻电路，如图2-8（a）所示。在纯电阻电路中电流与电压是同频率、同相位的正弦量，它们的波形图和失量图如图2-8（b）、（c）所示。

（a）电路图

（b）波形图

（c）矢量图

图2-8纯电阻电路通过实验证明：在纯电阻电路中，电流、电压和电阻三者任一时刻都符合欧姆定律。例如，在电阻两端加上交流电压，然后测量其电流值，则对于瞬时值有（2-10）对于最大值有（2-11）对于有效值有（2-12）所以在交流电作用下纯电阻电路的电流瞬时值表达式为例2-2将一个电阻值为220Ω的电阻接到的电源上，求通过此电阻的电流是多少?解由电源电压可知则电阻两端的电压有效值为通过电阻的电流有效值为由于电流与电压同相，电流的解析式为2．纯电阻电路的功率我们把电压瞬时值和电流瞬时值的乘积称为瞬时功率，用小写字母p表示，即所以纯电阻正弦交流电路的瞬时功率表达式为通过公式可做出瞬时功率随时间变化的曲线，如图2-9所示。图2-9纯电阻电路功率纯电阻电路的有功功率等于电压有效值和电流有效值的乘积，用公式表示为（2-13）（二）纯电容电路1．容抗纯电容电路如图2-10所示，在通过交流电时，电源与电容器之间不断地充电和放电，此时电容器会对交流电有阻碍作用，我们把这种阻碍作用称为电容电抗，简称容抗，用符号表示，单位为Ω（欧［姆］）。图2-10纯电容电路容抗的大小与电源的频率及电容器的电容量成反比，用公式表示为（2-14）式中：XC——电容器的容抗；f——交流电源的频率；ω——交流电源的角频率；C——电容器的电容量。2．纯电容电路中电流与电压的关系在电容两端加上交流电压，然后测量其电流值，则可发现，在纯电容交流电路中，电流和电压的最大值（或有效值）符合欧姆定律，即或（2-15）（2-16）纯电容电路的电流与电压的相位关系为：电路两端电压滞后电流，或者说电流超前电压。电压与电流的波形图如图2-11所示，矢量图如图2-12所示。图2-11纯电容电路波形图图2-12纯电容电路矢量图因此，纯电容交流电路的电流瞬时值表达式为3．纯电容电路的功率1）瞬时功率纯电容交流电路的瞬时功率为2）有功功率根据图2-13可知，瞬时功率p的波形在横坐标上、下的面积是相等的，因此电容的有功功率，所以电容不消耗能量，只是将能量不停地吸收和释放，它是个储能元件。图2-13纯电容电路功率3）无功功率虽然电容器不消耗电能，但是它与电源之间无时无刻不在进行着能量交换，即电容器的充电和放电。为了反映这种可逆的能量所转换的量，把单位时间内能量转换的最大值（即瞬时功率的最大值）称为电容的无功功率，用符号表示，单位V·A（伏安），曾用单位var（乏），用公式表示为（2-17）将代入式（2-17）中，可得（2-18）（三）纯电感电路1．感抗图2-14纯电感电路感抗的大小与电源的频率及电感器的电感量成正比，用公式表达为（2-19）2．纯电感电路中电流与电压的关系在电感两端加上交流电压，然后测量其电流值，则可发现，在纯电感交流电路中，电流和电压的最大值（或有效值）符合欧姆定律，即或（2-20）（2-21）图2-15纯电感电路波形图图2-16纯电感电路矢量图纯电感交流电路的电流瞬时值表达式为3．纯电感电路的功率1）瞬时功率纯电感交流电路的瞬时功率为2）有功功率根据图2-17可知，瞬时功率p的波形在横坐标上、下的面积是相等的，因此电感的有功功率，所以电感不消耗能量，只是将能量以磁场能的形式储存在线圈内部，它同电容一样是储能元件。图2-17纯电感电路功率3）无功功率同电容一样，为了反映纯电感交流电路中能量转换的量，把单位时间内能量转换的最大值（即瞬时功率的最大值）称为电感的无功功率，用符号表示，单位为V·A，用公式表示为（2-22）将代入式（2-22）中，可得（2-23）四、典型正弦交流电路的分析（一）RLC串联电路由电阻R、电感L和电容C元件组成的串联电路称为RLC串联电路，如图2-18所示。图2-18RLC串联电路1．RLC串联电路中电流与电压的关系

（a）

（b）

（c）图2-19RLC串联电路的相量图总电压有效值与各分电压有效值之间的关系为（2-24）图2-19（a）所示的总电压与电流间的相位差为（2-25）2．RLC串联电路的阻抗（2-26）

（a）

（b）图2-20RLC串联电路的阻抗三角形（2-27）3．RLC串联电路的功率电路的瞬时功率为（2-28）电路的有功功率即平均功率为（2-29）（2-30）

（a）

（b）

图2-21RLC串联电路的功率三角形

（2-31）（2-32）（2-33）（二）RLC并联电路由电阻R、电感L和电容C元件组成的并联电路称为RLC并联电路，如图2-22所示。图2-22RLC并联电路1．RLC并联电路中电流与电压的关系设交流电路的电压为根据前文学过的单一元件电压与电流特性，可分别得到电阻R、电感L和电容C上各自的电流为根据基尔霍夫电流定律（KCL）知，RLC并联电路中的总电流为据此可作出电路中电压和各支路电流的相量图，如图2-23所示。图2-23相量图如图2-23所示，假定图中，则（2-34）2．RLC并联电路的性质3．RLC并联电路的功率图2-24功率三角形（三）交流电路的功率因数1．功率因数的意义2．提高功率因数的方法任务二

三相正弦交流电路认知一、三相交流电动势的产生三相交流电就是由三个频率相同，最大值相等，相位上互差的正弦交流电动势组成的电路，这3个电动势称为三相对称电动势。

（a）外形图

（b）内部原理图

图2-27三相交流发电机（2-35）（2-36）（a）波形图

（b）相量图图2-28三相正弦交流电的波形图和相量图由于这三相交流电压的最大幅值相等，频率相同，彼此对称且都相隔。因此，这三相电压的瞬时值和相量之和都为零，即（2-37）二、三相电源的连接（一）星形连接法对于高压远距离输电线路，因中线上各电压瞬时值为零，故还可以省掉这根中线，通常采用三相三线制供电系统，用“Y”表示，它只提供线电压，不提供相电压。这两种供电系统如图2-29所示。

（a）低压三相四线制——形连接

（b）高压三相三线制——Y形连接

图2-29三相正弦交流电源星形连接图从图2-29中可以看出，线电压与相电压的关系为（2-38）用相量关系表示为（2-39）

若以A相的相电压为参考相量，则三个相电压的相量表达式即为式（2-36），即，，。线电压与相电压的相量关系为（2-40）它们的相量图如图2-30所示。图2-30星形线电压与相电压的相量图如图2-30所示，线电压与相电压有效值的关系为即（2-41）（二）三角形连接法从图2-31可以看出，当三相电源作三角形连接时，线电压等于相电压，它只能向外界提供一种电压。即（2-42）图2-31三角形连接法

相量图如图2-32所示，其相量表达式为（2-43）图2-32三角形连接法的相量图由此可以看出，在三角形连接中，三相电源的线电压是对称的，线电压的有效值等于相电压的有效值，即（2-44）

（a）C相绕组接反

（b）C相接对的相量图

（c）C相接反的相量图图2-33三角形连接法绕组接反的后果三、三相负载的连接（一）三相负载的星形连接（a）三相负载的星形连接原理图

（b）电压相量图图2-34三相负载的星形连接负载的线电压与相电压的关系为（2-45）设以A相为基准相量，则其他各相电压的相量为（2-46）用通用公式表示为（2-47）如图2-35所示，三相负载在星形连接时其线电流等于相电流，即图2-35三相负载星形连接的电压电流关系图中线电流与各相电流之间的关系为（2-48）图2-36电流相量图对于三相电路中的每一相来说，就是一个单相电路。所以在这个单相电路中，其相电流和相电压的关系是（2-49）

图2-37电压、电流的相量图（2-50）当三相交流负载的星形连接中，三相电压对称，而三相负载也对称时，流过各相负载中的电流也应该是对称的，即（2-51）由此可以作出中线电流与各相电流相应的相量图，如图2-38所示。图2-38对称负载的电流相量图

从相量图中可知，当三相负载对称并作星形连接时，中线上的电流为零，即（2-52）图2-39三相对称负载的“Y”形电路在实际工程中，根据电源和负载都相互对称的特点，只需求出其中一相的电流，即可直接推出其他两相电流。当阻抗为感性负载时，其相电流在相位上滞后该相电压。（二）三相负载的三角形连接将三相负载分别接在三相电源的两根相线之间的连接方式称为负载的三角形连接，用“△”表示。如图2-40（a）所示为三相负载的三角形连接原理图，如图2-40（b）所示为这种接法的实际电路图。（a）三相负载的三角形连接原理图

（b）单相负载与三相电机电路图图2-40三相负载的三角形连接图从图中可以看出，当三相负载作三角形连接时，电源的线电压等于负载的相电压。即（2-53）且无论负载是否对称，其三个相电压总是对称（相等）的。写成通用式即为（2-54）负载作三角形连接后就会产生相电流和线电流。相电流是流经每相负载的电流，分别用，和表示，它们的大小为（2-55）负载的线电流是指电源线流进的电流，分别用，和表示，它的方向规定由A线指向B线，B线指向C线，C线指向A线。根据基尔霍夫电流定律（KCL），负载的线电流和相电流的关系为（2-56）其相量形式为（2-57）图2-41线电流与相电流的相量图如果三个负载对称，即，则这时各相电流也对称，即（2-58）设以相电流A为基准，即，根据相量合成法，可得线电流与相电流的相量关系式为（2-59）因此对三角形连接的对称负载来说，线电流和相电流的数量关系为（2-60）将负载相电压再考虑进去后，可作出三相负载三角形连接的相电压、相电流、线电流三者之间关系的相量图，如图2-42所示。图2-42负载的相电压、相电流、线电流相量图任务三

汽车交流发电机一、汽车交流发电机概述图2-43汽车发电机作用原理图二、汽车交流发电机的结构汽车交流发电机主要由转子、定子、整流器和整流板（又称元件板）、前后端盖、电刷装置和风扇等组成。如图2-44所示为国产JF系列硅整流发电机的结构图。图2-44国产JF系列硅整流发电机的结构图（一）转子转子能产生旋转的磁场，它主要由两块爪极、磁场绕组、集电环及轴等组成，如图2-45所示。图2-45汽车交流发电机的转子1—集电环；2—转子轴；3—爪极；4—磁轭；5—磁场绕组（二）定子定子是产生和输出交流电的部件，主要由定子