《汽车电工电子技术第2版》-单元二

任务2.1正弦交流电路2.1.1正弦交流电的基本知识2.1.1.1交流电的特征如图2-1所示，交流电是大小和方向均随时间做周期性变化的电压、电流或电动势。2.1.1.2交流电的主要优点(1)交流电可用变压器来改变其电压的大小，便于远距离输电和向用户提供各种不同等级的电压;(2)交流电机比同功率的直流电机构造简单、成本低、工作可靠;(3)交流电经过整流装置可转换为汽车、电车、电镀、电子设备等需要的直流电。所以，交流电在生产和生活中得到广泛的应用下一页返回任务2.1正弦交流电路2.1.1.3交流电的量值如果只用某一瞬时的数值来表示交流电的大小是不确切的，而应以“最大值”、“有效值”和“平均值”来描述它，来表示交流电的大小。这是对交流电的各种不同含义的量值而言。(1)瞬时值。(2)幅值或最大值。(3)有效值(4)平均值2.1.2正弦量的三要素及有效值正弦交流电是指大小和方向均随时间做正弦函数曲线周期性变化的交流电。正弦交流电可以用正弦函数或余弦函数表示，本书选用正弦函数表示正弦交流电。正弦交流电动势、电压、电流等物理量常称为正弦量。上一页下一页返回任务2.1正弦交流电路2.1.2.1正弦量的三要素正弦交流电压和电流的大小方向是随时间而变化的，电路中标注的正方向代表它们的正半周方向，所以负半周时，电压或电流的正方向与实际方向相反，故为负值。2.1.2.2正弦量的有效值在相同的时间里，一个正弦量(如正弦电流i通过一电阻元件R)与某一直流量(如直流I通过同一电阻元件R)所做的功相等，则该直流量就是正弦交流量的有效值。2.1.2.3正弦量的相位差两同频率正弦量的相位差等于它们的初相之差。一般规定在180电角度范围内取值。上一页下一页返回任务2.1正弦交流电路2.1.3正弦量的四种表示方法2.1.3.1解析式(瞬时值表达式)表示法解析式法用正弦函数或余弦函数表示正弦交流电的瞬时值，本书中一律采用正弦函数表示正弦交流电的瞬时值。如正弦电流i=Imsin(cot+cp)(A)，从给定正弦量的瞬时值表达式中即可找出它的三个要素:幅值(或最大值)、角频率(或周期或频率)和初相角甲，从而可以确定正弦量的零值起点s和计时起点(即坐标原点0)的位置。2.1.3.2波形图表示法由正弦量的瞬时值表达式绘出它的波形图时，图中纵坐标是正弦量的瞬时值，横坐标表示正弦量变化进程的弧度wt(rad)或时间t(a}。从波形图中可以找出正弦量的三要素。上一页下一页返回任务2.1正弦交流电路2.1.3.3相量表示法用复数的模表示正弦量的幅值或有效值，用复数的辐角表示正弦量的初相角，来分析计算正弦交流电。为了与一般复数区别，将这种用于表示正弦交流电的复数，称为相量，并在大写字母上加一点来表示相量。2.1.3.4相量图表示法相量在复平面上的图2-3称为相量图。相量在复平面上的图形称为相量图，是按照几个同频率正弦量的大小和相位关系用初始位置的有向线段画出的几个相量的图形。相量图中有向线段的长度表示正弦量的幅值或有效值.上一页下一页返回任务2.1正弦交流电路因此可以分为幅值相量图和有效值相量图;有向线段与实轴正向的夹角表示初相;有向线段以角频率。按照逆时针方向匀速转动。后两种表示法是分析和计算交流电路常用的方法。它的优点是:(1)只有同频率的正弦量可以画在同一相量图上，如图2-4(b)所示，相量图可直观快捷地解决一些特殊的交流电路问题;(2)相量法可准确无误地计算复杂交流电路问题;(3)相量图合成时应遵循平行四边形法则，即以表示两个正弦量的相量作为邻边画出平行四边形，则该平行四边形中与两个相量共顶点的对角线相量表示合成相量。上一页返回任务2.2单相正弦交流电路2.2.1单一参数的正弦交流电路2.2.1.1纯电阻电路只含有电阻元件的交流电路叫做纯电阻电路，如含有白炽灯、电炉、电烙铁等的电路。(1)电压、电流的瞬时值关系这说明，正弦交流电压和电流的幅值之间满足欧姆定律。(2)电压、电流的有效值关系电压、电流的有效值关系又叫做大小关系。下一页返回任务2.2单相正弦交流电路由于纯电阻电路中正弦交流电压和电流的幅值之间满足欧姆定律，因此把等式两边同时除以，即得到有效值关系，即I=U/RU=RL(2-7)(3)相位关系电阻的两端电压;，与通过它的电流i同相，其波形图和相量图如图2-4所示。2.2.1.2纯电感电路(1)电感对交流电的阻碍作用感抗:反映电感对交流电流阻碍作用程度的参数叫做感抗。纯电感电路中通过正弦交流电流的时候，所呈现的感抗为，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.上一页下一页返回任务2.2单相正弦交流电路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，例如铁心电感用于“通直流、阻交流”的电感线圈叫做低频扼流圈;用于“通低频、阻高频”的电感线圈叫做高频扼流圈。(2)电感电流与电压的关系电感电流与电压的大小关系I=U/Xl(2一8)显然，感抗与电阻的单位相同，都是欧姆。上一页下一页返回任务2.2单相正弦交流电路电感电压比电流超前90(或/2),即电感电流比电压滞后90，如图2-5所示。2.2.1.3纯电容电路(1)电容对交流电的阻碍作用容抗:反映电容对交流电流阻碍作用程度的参数叫做容抗。容抗按下式计算:Xc=1/wC=1/2xfC(2一9)容抗和电阻、感抗的单位一样，也是欧姆(几)。在电路中，用于“通交流、隔直流”的电容叫做隔直电容器;用于“通高频、阻低频”将高频电流成分滤除的电容叫做高频旁路电容器。上一页下一页返回任务2.2单相正弦交流电路(2)电流与电压的关系电容电流与电压的大小关系I=U/Xc电容电流与电压的相位关系电容电流比电压超前90(或Tr/2),即电容电压比电流滞后90，如图2-6所示.2.2.2R一L一C串联交流电路2.2.2.1R-L一C串联电路由电阻、电感、电容相串联构成的电路叫做R-L一C串联电路如图2-8所示。1.在任一时刻总电压u的瞬时值。2.作出相量图，如图2-10所示.上一页下一页返回任务2.2单相正弦交流电路2.2.2.2R-L一C串联电路的阻抗上式称为阻抗三角形关系式，阻抗三角形的关系如图2-9所示。2.2.2.3R-L-C串联电路的性质根据总电压与电流的相位差(即阻抗角为司为正、为负、为零三种情况)电压与电流的相量关系如图2-10所示。2.2.2.4串联谐振电路工作在谐振状态下的电路称为谐振电路，谐振电路在电子技术与工程技术中有着)’一泛的应用。谐振电路最为明显的特征是电路性质呈电阻性，即电路的等效阻抗为Z=R，总电压u与总电流L同相。上一页下一页返回任务2.2单相正弦交流电路2.2.2.5R-L串联电路与R一C串联电路1.R一L串联电路只要将R一L一C串联电路中的电容C短路去掉，即令Xc=0，Uc=0，则有关R一L一C串联电路的公式完全适用于R一L串联电路。2.R一C串联电路只要将R一L一C串联电路中的电感L短路去掉，即令XL=0,U=0，则有关R一L一C串联电路的公式完全适用于R一C串联电路。2.2.3R一L一C并联交流电路2.2.3.1R一L一C并联电路电压、电流关系由电阻、电感、电容相并联构成的电路叫做R,L,C并联电路。如图2-11所示。上一页下一页返回任务2.2单相正弦交流电路2.2.3.2R一L一C并联电路的性质同样是根据电压与电流的相位差(即阻抗角司为正、为负、为零三种情况。2.2.3.3R,L并联与R,C并联电路在讨论R一L一C并联电路的基础上，容易分析R,L并联和R,C并联电路的电流情况，只需将R,L,C并联电路中的电容开路去掉(1=0}即可获得R,L并联电路;若将R,L,C并联电路中的电感开路去掉,即可获得R,C并联电路。有关R,L,C并联电路的公式对这两种电路一也完全适用。2.2.3.4电感线圈和电容的并联电路1.R一L串联再与电容C并联，如图2-13所示2.电感线圈和电容并联电路的相量图如图2-14所示。上一页下一页返回任务2.2单相正弦交流电路2.2.3.5并联谐振电路的特点1.谐振频率对LC并联谐振是建立在条件下的，即电路的感抗X,R,Q,叫做谐振回路的空载U值，实际电路一般都满足该条件.理论上可以证明LC并联谐振角频率wo与频率f0分别为2.谐振阻抗谐振时电路阻抗达到最大值，且呈电阻性。谐振阻抗和电流分别为3.谐振电流电路处于谐振状态，总电流为最小值上一页下一页返回任务2.2单相正弦交流电路即谐振时各支路电流为总电流的Q倍，所以LC并联谐振又叫做电流谐振。4.通频带理论分析表明，并联谐振电路的通频带为2.2.4阻抗的串并联计算(拓展知识)2.2.4.1阻抗的串并联计算方法对于R-L一C串、并联正弦交流电路，可以应用相量解析法和相量图解法进行分析计算。1.相量解析法(1)已知R-L一C串联电路的参数和输入端电压u=Usin(apt+cp)时，求回路电流i和各元件的电压u,ui.和u。上一页下一页返回任务2.2单相正弦交流电路(2)已知R一L一C并联电路的参数和输入电流i=sin(cot+cp)，求输入端电压。和各元件中的电流ig，i，i.2.相量图法相量图法是根据元件电路电流的相量关系，作出电压与电流的相量图，再利用相量图中电压、电流、相量之间的三角关系来分析计算正弦稳态响应。这种分析方法，对于求相位差、有效值和定性分析，显得方便直观。还可以进行定量计算，能避免烦琐的运算(1)作电压电流的相量图①因串联电路，以电流I=ILO。为参考相量按一定比例尺在图中作出相量;上一页下一页返回任务2.2单相正弦交流电路②根据电感元件R的伏安关系;③根据电感元件L的伏安关系;④根据Ils=II+IIh，作出以相量和I为邻边的平行四边形，连接共顶点对角线做出相量;(2)根据相量图的三角关系求U,Us和的相位差。2.2.4.2复杂正弦交流电路的分析计算1.应用相量法进行分析复杂正弦交流电路，应用相量法进行分析计算。相量法就是应用正弦量的相量表示R,L,C元件的阻抗与导纳形式，将时域正弦交流电路变换为相量模型。上一页下一页返回任务2.2单相正弦交流电路在相量模型的基础上，根据两类约束的相量形式，正弦相量交流电路响应模型中的电压和电流相量就可以仿照直流电阻电路中分析方法来进行分析计算，如应用等效化简的方法、节点分析法、网孔分析法、戴维南定理和诺顿定理的方法和叠加定理的方法等。通过分析计算，得出相量形式的待求响应量，最后反变换为以t为函数的正弦电压和正弦电流，从而可以解出正弦交流电路中的电压和电流.应该指出:等效化简法、节点分析法、网孔分析法、戴维南定理和诺顿定理应用和叠加定理应用等电路的基本分析方法，在电阻电路分析应用中的概念、原则和注意问题，在相量法中同样适用.上一页下一页返回任务2.2单相正弦交流电路2.相量法分析计算中的复数运算应用相量法列出的电路方程是复数代数方程，电压和电流的相量是复数，阻抗和导纳一也是复数。因此，运用相量法分析正弦交流电路时，不可避免要进行复数计算。熟练地掌握复数及其运算，成为学习正弦交流电路分析的基础。2.2.5功率与功率因数2.2.5.1有功功率(平均功率)P有功功率又叫平均功率。交流电的瞬时功率不是一个恒定值，功率在一个周期内的平均值叫做有功功率，它是指在电路中电阻部分所消耗的功率，以字母P表示，即上一页下一页返回任务2.2单相正弦交流电路有功功率的单位为千瓦(kW)或瓦特(W)2.2.5.2无功功率在具有电感(或电容)的电路里，电感(或电容)在半周期的时间里把电源的能量变成磁场(或电场)的能量贮存起来，在另外半周期的时间里又把贮存的磁场(或电场)能量送还给电源。它们只是与电源进行能量交换，并没有真正消耗能量。我们把电感(或电容)与电源交换能量的幅值叫做无功功率，以字母P表示.2.2.5.3视在功率(表观功率)S视在功率又称为表观功率，通常用它来表述交流设备的额定容量，以字母5表示，即上一页下一页返回任务2.2单相正弦交流电路S=UI(2一59)视在功率的单位为千伏安(KVA)或伏安(VA)o三者功率之间的关系:(即有功功率、无功功率、视在功率的关系)如图2-15所示。2.2.5.4功率因数coscp1.功率因数的定义二端网络的平均功率P与视在功率5之比，定义为该网络的功率因数，用希腊字母入表示，即网络的阻抗角甲决定功率因数入的数值，称为功率因数角。上一页下一页返回任务2.2单相正弦交流电路对于负载的功率因数，决定于负载的阻抗角;对于电源的功率因数，则决定于电源端口外部电路的阻抗角。由于coy=coscp，故不论甲是正值，还是负值，功率因数始终为非负值.2.电感性和电容性负载的功率因数由于无论负载阻抗角是正值还是负值，功率因数始终为非负值。因此，从功率因数入的数值上分辨不出电路负载的性质是电感性负载还是电容性负载。所以，我们对于这两种不同性质负载的功率因数，就应该加以注明。功率因数表显示的超前与滞后，能够反映电路中电压与电流的相位关系，从而判断电路负载的性质3.提高功率因数的意义在电技术中，功率因数入是一个重要的参数。特别在电力系统中，功率因数是重要的技术指标，有其重要的经济意义.上一页下一页返回任务2.2单相正弦交流电路(1)发电设备的利用率与供电网络的功率因数有关。提高功率因数，能提高发电设备的利用率。由此可见，在高功率因数运行时，能向负载提供较多的功率，从而提高发电设备的利用率。(2)电力输电线路上的功率损耗与功率因数有关。提高功率因数，能减少线路的损耗，提高输电的能力。4.提高功率因数的措施在供电系统中，提高负载的功率因数，就是在感性负载的两端并联电容器。上一页下一页返回任务2.2单相正弦交流电路负载所需的感性无功功率，由接地的并联电容器产生的容性无功功率进行补偿，从而减少了由电源通过输电线路传输的无功功率，使输电线路中的电流减少，并使感性负载电流滞后电压的相位减小，从而提高了负载的功率因数。这种提高功率因数的方法，称为无功补偿，并联的电容器则称为补偿电容。上一页返回任务2.3三相交流电路2.3.1三相交流电源自从十九世纪末发明三相交流电机和三相变压器以来，三相正弦交流电之所以获得如此长期广泛的应用，是因为一方面大量使用的三相变压器和三相交流电动机构造简单，易于制造，价格便宜，而且工作特性能满足实际的要求;另一方面是因为三相电压的变换方便，输电效率高，适用于远距离输送。因此研究三相正弦交流电路的基本规律，对于解决实际问题具有十分重要的意义。2.3.1.1对称三相交流电源的产生三相交流电动势是由三相交流发电机产生的。如图2一16所示是三相交流发电机的原理示意图。每一个绕组叫做发电机的一相，放置在空间上相差120。的发电机定子铁心凹槽里固定不动。下一页返回任务2.3三相交流电路转子铁心上绕有励磁绕组，通入直流电后产生磁场，该磁场磁感强度在定子与转子之间的气隙中按正弦规律分布。当转子由原动机带动，并以角速率。匀速顺时针旋转时，每个定子绕组依次切割磁力线产生频率相同、幅值相同的正弦电动势，但相位依次相差120，如图2-17所示是三相对称电动势的波形图和相量图，以U相为参考可表示为:上一页下一页返回任务2.3三相交流电路2.3.1.2三相交流电的相序从波形图中可以看出，三相电动势达到最大值(或零值)时具有一定的次序，这种先后次序叫做三相交流电的相序。相序有顺相序和逆相序两种，按U->V->1V的次序循环称为顺相序;按U->1V->V的次序循环称为逆相序。相序由电枢的旋转方向来决定、通常都是采用顺相序。由于三相交流电的幅值相等、频率相同、彼此间的相位差也相同，所以可以得出它们的瞬时值或相量的和为零。三相电动势的幅值相等、频率相同、相位彼此也相差120，这种电动势称为三相对称电动势上一页下一页返回任务2.3三相交流电路2.3.1.3三相电源的连接三相电源的连接方式有星形(丫形)和三角形(△形)两种1.三相电源的星形连接将三相发电机三相绕组的末端Uz,Vz,Wz(相尾)连接在一点，始端U,,V,,W,(相头)分别与负载相连，这种连接方法叫做星形(丫形)连接。通常用到的发电机三相绕组的接法如图2一18(a)所示.2.三相电源的三角形连接将三相发电机的第二绕组始端与第一绕组的末端相连、第三绕组始端与第二绕组的末端相连、第一绕组始端与第三绕组的末端相连，并从三个始端引出三根导线分别与负载相连，这种连接方法叫做三角形(△形)连接，如图2一19所示.显然这时线电压等于相电压，即上一页下一页返回任务2.3三相交流电路UL=U(2-71)这种供电方式只用三根相线，称为“三相三线制”。2.3.2三相负载的连接三相负载的连接方式有两种，按照电源额定电压与负载的需求，确定采用星形或三角形联结。这两种都为三相负载常用的连接方式。对称三相负载是指各相负载的电阻、电抗分别相等的负载，否则为不对称三相负载。2.3.2.1三相负载的星形(丫形)连接:负载做丫形连接时，一般采用三相四线制丫形接法。如图2-20所示。上一页下一页返回任务2.3三相交流电路2.3.2.2三相负载的三角形(△形)连接负载△形连接的特点:负载做△形连接时，三相负载的相电压即为电源的线电压，Un=UL(2一74)只有当三相负载对称时，三个相电流才对称，三个线电流也才是对称的。且有2.3.3三相功率的计算2.3.3.1三相电路的有功功率三相电路的有功功率为各相有功功率之和，即:上一页下一页返回任务2.3三相交流电路式中甲是II与I,间的相位差，亦即负载的阻抗角。2.3.3.2三相电路的无功功率负载不对称时Q=QA+QB+Qc负载对称时Q=Usinq2.3.3.3三相电路的视在功率2.3.4安全用电2.3.4.1电流对人体的作用1.角虫电人体因触及高电压的带电体而承受过大的电流，以致引起死亡或局部受伤的现象称为触电。上一页下一页返回任务2.3三相交流电路触电事故表明，频率为50-100Hz的电流最危险，通过人体的电流超过50mA频)时，就会产生呼吸困难、肌肉痉挛、中枢神经遭受损害从而使心脏停止跳动以至死亡;电流流过大脑或心脏时，最容易造成死亡事故。触电伤人的主要因素是电流，但电流值又取决于作用到人体上的电压和人体的电阻值通常人体的电阻为800SL至几万欧不等。通常规定36V以下的电压为安全电压，对人体安全不构成威胁。2.常见的触电方式常见的触电方式有单相触电和两相触电。人体同时接触两根相线，形成两相触电，这时人体受380V的线电压作用，最为危险。单相触电是人体在地面上，而触及一根相线,电流通过人体流入大地造成触电。上一页下一页返回任务2.3三相交流电路此外，某些电气设备由于导电绝缘破损而漏电时，人体触及外壳一也会发生触电事故。2.3.4.2常用的安全措施为防止发生触电事故，除应注意开关必须安装在火线上以及合理选择导线与熔丝外，还必须采取以下防护措施。1.正确安装用电设备电气设备要根据说明和要求正确安装，不可马虎。带电部分必须有防护罩或放到不易接触到的高处，以防触电。2.电气设备的保护接地把电气设备的金属外壳用导线和埋在地中的接地装置连接起来，叫做保护接地，适用于中性点不接地的低压系统中。上一页下一页返回任务2.3三相交流电路电气设备采用保护接地以后，即使外壳因绝缘不好而带电，这时工作人员碰到机壳就相当于人体和接地电阻并联，而人体的电阻远比接地电阻大，因此流过人体的电流就很微小，保证了人身安全。3.电气设备的保护接零保护接零就是在电源中性点接地的三相四线制中，把电气设备的金属外壳与中性线连接起来。这时，如果电气设备的绝缘损坏而碰壳，由于中性线的电阻很小，所以短路电流很大，立即使电路中的熔丝烧断，切断电源，从而消除触电危险。4.使用漏电保护装置漏电保护装置的作用主要是防止由漏电引起的触电事故和单相触电事故;其次是防止由漏电引起火灾事故以及监视或切除一相接地故障。有的漏电保护装置还能切除三相电动机的断相运行故障。上一页返回任务2.4技能训练2.4.1安全用电常识一、实训目的1.了解安全用电常识，遵守实训安全操作规程，安全第一，防患于未然。2.掌握常用仪器、仪表、工具的工作原理和规范使用方法。3.掌握常用电子元器件的识别和检测方法。二、重点与难点重点:掌握安全用电常识;难点:能够应急处理意外事故。下一页返回任务2.4技能训练三、实训步骤1.实训是学习《汽车电工电子应用》课程的一个重要实践性环节，着重培养学生的动手能力和应用理论解决实际问题能力。通过理实一体化教学，仿、训、作、学、教可以使学生较完整地、系统地学习《汽车电工电子应用》理论，从而获得在电工电子技术方面必备的操作技能，并起到巩固、扩展所学理论知识的作用。2.电工电子实验室安全用电须知3.家庭安全用电须知4.怎样预防常见用电事故5.如何应急处置触电事故上一页下一页返回任务2.4技能训练2.4.2日光灯电路的装接及功率因数的提高一、实训目的1.学会正确使用交流电压表、交流电流表、功率表和自藕调压器;2.掌握日光灯的工作原理及装接方法;3.掌握交流电路参数的测量方法;4.了解提高感性负载功率因数的方法。二、实训设备与器材1.实训工作台(含交直流电源)一台2.数字万用表一个上一页下一页返回任务2.4技能训练3.自藕