1、单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四
2、级,第五级,*,第一章电学基础知识,本章导读,第一节,电路,第二节,电流,第三节,电压与电位,第四节,电动势,第五节,电阻,第六节,欧姆定律,第七节,焦耳定律,第八节,电功与电功率,下一页,返回,本章导读,本章为电学基础知识,主要介绍电路的定义和组成,讲述电路中的基本物理量和基本定律,包括电压、电流、电位、电动势等重要概念;欧姆定律、焦耳定律等基本定律;电流的方向和电位的计算等知识点。,返回,第一节电路,电路是电流通过的路径,是由各种元器件按一定方式连接起来的总体。,图,1-1,就是一个简单的电路,它是由灯泡、开关、导线和电池四部分组成的。当开关闭合的时候,灯泡会变亮,而当开关断开的时候,灯泡
3、会熄灭。这是因为在开关闭合的时候,电路中有了电流,电流通过电路流过灯泡从而使灯泡工作。当开关断开的时候,电路中就没有了电流,从而使灯泡失去了电流而停止工作。,下一页,返回,第一节电路,在,图,1-1,电路中,各个元件都实现了不同的功能:电池是产生电能的源泉,我们把它称作电源;灯泡消耗了电能,我们称它为负载;导线起到了传输的作用,它把电能从电源传送到了负载当中;开关控制电路中的电流何时能通过导线传输,何时不能传输。,因此,我们可以发现电路是由电源、导线、负载和开关四元件组成的。,1.电源,电源是提供电能的设备。它的作用是将其他形式的能量转化为电能,并把电能源源不断地提供给负载。常见的电源有电池、
4、发电机等。,上一页,下一页,返回,第一节电路,2.导线,导线是用来连接电源与负载的。电路通过导线构成一个闭合的回路,起着输送和分配电能的重要作用。一般常用的导线是铝导线或铜导线。,3.负载,负载是各种用电设备的总称。它的作用是将电能转换为其他形式的能量。,4.开关,开关是控制电路的闭合与断开的。通过开关来影响负载的工作情况。常见的开关有按钮、闸刀开关等。,电路通常有三种状态:通路、断路和短路。,上一页,下一页,返回,第一节电路,通路是指处处连通的电路。通路状态下电路中有电流流过。图1-1所示开关闭合时电路就是处于通路状态。,断路是指电路中有某处断开,不能形成一个电流的回路。断路状态下电路中没有
5、电流,,图,1-1,所示开关打开的状态。,短路是指电流从电源正极流出后不经过负载直接流回电源负极的情况(如,图,1-3,所示)。短路状态下,电路中的电流要比通路状态下大很多倍,很容易烧毁电源,一般不允许出现这种情况。,图,1-1,所示的是电气设备的实物图形表示的实际电路。它的优点是形象直观,但是画起来很复杂,不便于分析和研究。于是,为了电路分析和研究的方便,实际设备往往被抽象成一些理想的模型,并用特定的图形符号表示。电路图就是用这些统一的图形符号画出的电路模型图。如,图,1-2,就是图1-1的电路模型图。电路中常用的部分图形符号如下,表,1-1,所示。,上一页,返回,第二节电流,电流是指电荷的
6、定向移动。电流的大小称为电流强度(简称电流,符号为I),是指单位时间内通过导线某一截面的电荷量,每秒通过一库仑的电量称为一安培(A)。安培是国际单位制中所有电性的基本单位。除了A,常用的单位有毫安(mA)及微安(A)。,一、电流的方向,物理上规定电流的方向是正电子的流动方向或者负电子的流动的反方向。在金属导体中,电流是靠电子的定向移动产生的,而电子是带负电荷的,所以我们也可以理解成电流的方向是负电荷移动的方向。而在某些液体或者气体中,电流则是正或负离子在电场力作用下有规则的运动形成的。综合以上两种情况就会发现,电流的方向没有一个统一判定的标准,于是规定正电荷的运动方向为电流的方向。,下一页,返
7、回,第二节电流,虽然电流的方向规定为正电荷的运动方向,然而在复杂电路的分析中,电路中电流的实际方向很难判断出来。有时,电流的实际方向还会不断改变。因此,很难在电路中标明电流的实际方向。为此,在分析或计算电路时,常可任意规定某一方向作为电流的参考方向或正方向,并用箭头表示在电路图上。规定了参考方向以后,电流就是一个代数量了。若电流的实际方向与参考方向一致(如,图,1-4(a),所示),则电流为正值;若两者相反(如,图,1-4(b),所示),则电流为负值。这样,就可以利用电流的参考方向和正、负值来标明电流的实际方向。要注意的是,在未规定参考方向的情况下,电流的正、负号是没有意义的。,上一页,下一页
8、返回,第二节电流,电流的参考方向除了用箭头在电路图上表示外,还可用双下标表示,如对某一电流用is。表示其参考方向由a指向b,如,图,1-4(c),所示。用i,ba,表示其参考方向由b指向a,如,图,1-4(d,)所示。显然,两者相差一个负号,即:,上一页,下一页,返回,第二节电流,二、电流的大小,电流的大小由在一定时间内通过导体横截面的电荷量的多少决定。在相同的时间内通过导体横截面的电荷量越多就表示流过该导体的电流越强,反之则越弱。电流的强弱用电流强度来衡量,通常规定:单位时间内通过导体横截面的电荷量为电流强度,用字母1表示。若在t秒内通过导体的横截面的电荷量是Q,则电流可以表达为:,上一页
9、下一页,返回,第二节电流,电流的单位是安培,简称安,用字母A表示,电荷量的单位是库仑,简称库,用C表示。若在is内通过导体横截面的电荷量为1C,则电流强度就是lAo,常用的电流的单位还有kA(千安)、mA(毫安)、wA(微安),它们之间的换算关系为:,上一页,下一页,返回,第二节电流,电流分为直流电流和交流电流两大类:凡是大小和方向都不随时间变化的电流,称为稳恒电流,简称直流(简写作DC);凡是大小和方向都随时间变化的电流,称为交变电流,简称交流(简写作AC)。,交流电流的大小是随时间变化的,可以在一个很短时间t内研究它的大小。在t时间内,若导体横截面的电荷量的变化是Q,则瞬间电流i为:,上
10、一页,下一页,返回,第二节电流,例1-1某导体在五分钟内通过的电荷量为9C,求导体中的电流是多少毫安?,上一页,下一页,返回,第二节电流,三、电流的密度,电流密度是指流过单位横截面积的电流。,在直流电路中,电流是均匀分布在导体横截面积上的,电流的密度表示为:,从上式可以看出,同一电流1流过导体,导体横截面积S越小,则电流密度J越大,反之电流密度则越小。,上一页,下一页,返回,第二节电流,四、电流的测量,电流的测量常用工具是电流表。按照电流表测量范围的不同有安培表、毫安表、微安表等之分,在表盘上分别用A,mA,A标明。,电流表的使用规则:,1.电流表要串联在电路中(否则短路);,2.电流要从“+
11、接线柱入,从“一”接线柱出(否则指针反转);,3.被测电流不得超过电流表的量程(否则损坏电流表);,4.绝对不允许不经过用电器而把电流表连到电源的两极上(否则短路)。,上一页,返回,第三节电压与电位,一、电压,大家都知道,水在管中所以能流动,是因为有着高水位和低水位之间的差别而产生的一种压力,水才能从高处流向低处。城市中使用的自来水,所以能够一打开水门,就能从管中流出来,也是因为自来水的贮水塔比地面高,或者是由于用水泵推动水产生压力差的缘故。,电也是如此,电流所以能够在导线中流动,也是因为在电流中有着高电位和低电位之间的差别。,下一页,返回,第三节电压与电位,从另外的角度说,电压是由于带电导
12、体周围存在着电场,电场力对处在电场中的电荷有力的作用,若电场力使电荷沿电场的方向产生了移动,我们就说电场力对电荷做了功,而衡量电场力做功本领大小的物理量就是电压。如,图,1-5,示,电场力将处在电场中的正电荷Q从a点移动到了b点所做的功为。,则A与电荷量Q的比值就称为电场中a,b两点之间的电压,用符号U,ab,表示。,上一页,下一页,返回,第三节电压与电位,电压的单位是伏特,用符号V表示。,规定电场力把1C电荷量的正电荷从a点移动到b点,如果所做的功为1J,那么a,b两点之间的电压就是1V。除伏特外电压的常用单位还有kV(千伏),mV(毫伏),V(微伏)。,上一页,下一页,返回,第三节电压与电
13、位,二、电压的测量,电路中的电压可以用电压表来测量,电压表的使用要注意以下几点:,1.电压表要并联在被测电路两端;,2.电流必须从“+”接线柱流入,从“一”接线柱流出。若电压表接线柱接反了,则电压表的指针会向相反方向偏转,易使指针打弯,甚至损坏电压表;,3.被测电压不要超过电压表的量程。在不能预先估计被测电压值的情况下,可以用“试触法”来判断被测电压是否超过电压表的量程;,4.电压表可以直接并联在电源的两极上,测出的是电源两极间的电压。,上一页,下一页,返回,第三节电压与电位,三、电位,空间中某一点的电位是把单位正电荷从无限远处(假设此处电位为零)带到该点时所消耗的电能。电位是电能的强度因素,
14、它的单位是伏特(简称伏,用V表示,是voltage的缩写)。电位用符号表示。设空间中有两个位置1和2,其电位分别为扒和姆,则位置1对于位置2的电位差=1-2;相应,其电位降E=1-2。后者在电化学中用得较多,称作电势,在工业或日常生活中也常称作电压(voltage)。,上一页,下一页,返回,第三节电压与电位,由于电压是对电路中某两点而言的,在分析比较复杂的电路时,特别是在分析电子电路时,要一一说明电路中每两点之间的电压往往很繁琐,如果利用电位的概念进行分析则显得比较方便。如果在电路中任选一点为参考点,那么电路中某点的电位就是该点到参考点之间的电压。也就是说某点的电位等于电场力将单位正电荷从该点
15、移动到参考点所做的功。如图1-5所示,以o点为参考点,则a点的电位为:,上一页,下一页,返回,第三节电压与电位,规定参考点的电位为零,所以说参考点又叫零电位点。高于参考点的电位是正电位,低于参考点的电位是负电位。,上一页,下一页,返回,第三节电压与电位,三、电压与电位的关系,在,图,1-5,中,以O点为参考点时,则a点与b点的电位分别为:,Um。表示电场力把单位正电荷从a点移动到。点所做的功,在数值上等于电场力把单位正电荷从a点移动到b点所做的功(Uab)加上从b点移动到。点所做的功(Uba),即:,上一页,下一页,返回,第三节电压与电位,由此可以得出结论:电路中任意两点之间的电压就是两点之间
16、的电位之差,所以电压又称为电位差。,上一页,下一页,返回,第三节电压与电位,例1-2在,图,1-6,所示的部分电路中,试求a,b两点的电位和电压Uab.,上一页,下一页,返回,第三节电压与电位,例1-3在,图,1-7,中,设Uco=8V,Ucd=3V。试分别以。点和。点作为参考点,求d点电位和d,。两点之间的电压Udo.,上一页,下一页,返回,第三节电压与电位,由上面的计算可以得到结论:如果参考点改变了,则各点的电位也随之改变,各点的电位与参考点的选择有关。但是不管参考点如何变化,两点间的电压是不会改变的。通常情况下我们把大地看作参考点,也就是把大地的电位规定为零,而在电子仪器和设备中常把金属
17、机壳和电路的公共接点的电位规定为零电位。,上一页,下一页,返回,第三节电压与电位,零电位的符号是(表示接大地)、(表示电路的公共接点或者设备的金属外壳接地)。所以,今后在电路中凡见到上述符号,就应认为该点的电位是零电位。,由式(1-7)可知,如果Pm Pn,则呱0,表明a点到b点的电位在降低;如果a b、则Uab 0时,材料的电阻随温度的升高而增加,这类材料称为正温度系数材料;当 0时,表明电流的实际方向与参考方向一致;当I U,C,。即X,L,X,C,由相量图可以看出电感电压和电容电压相位相反,我们把电感电压和电容电压之和称为电抗电压,用u,x,表示:,上一页,下一页,返回,第四节串联正弦交
18、流电路,如,图,5-26b,所示组成电压三角形,由它们可以求出总电压的有效值:,上一页,下一页,返回,第四节串联正弦交流电路,从相量图还可以得到端电压超前于电流的相位差,即电路的阻抗角:,上一页,下一页,返回,第四节串联正弦交流电路,上式称为阻抗三角形关系式,Z叫做R-L-C串联电路的阻抗,其中X=XL-X。叫做电抗。阻抗和电抗的单位均是欧姆()。,阻抗三角形的关系如,图,5-27,所示。,上一页,下一页,返回,第四节串联正弦交流电路,3.电路的功率和功率因数,在RLC的串联电路中的瞬时功率是三个元件的瞬时功率之和,即,在RLC的串联电路中,只有电阻元件消耗功率,电阻元件消耗的功率就等于电路中
19、的有功功率,即:,上一页,下一页,返回,第四节串联正弦交流电路,电路中的电感和电容元件要与电源交换能量,相应的总电路的无功功率就是电感和电容上的无功功率之差.即:,在交流电路中,电压有效值与电流有效值的乘积是视在功率,所以在RLC电路中同样适用,所以有:,上一页,下一页,返回,第四节串联正弦交流电路,有功功率、无功功率和视在功率之间组成功率三角形,如,图,5-25(b),所示。,在这里功率因数的定义同样适用,所以在RLC电路中的功率因数为:,例5-11在电阻、电容和电感串联的电路中,已知R=20,L=10mH,C=10F,u=50*1.414 sin(2500t+30)V。试求:,上一页,下一
20、页,返回,第四节串联正弦交流电路,(1)电路的感抗、容抗和阻抗;,(2)电压与电流的相位差;,(3)电路的电流I,并写出解析式;,(4)电阻上的电压Ux、电感上的电压UL、电容上的电压Uc,并写出它们的解析式;,(5)作出相量图,并分析电路的性质。,上一页,下一页,返回,第四节串联正弦交流电路,(5)相量图如,图,5-28,所示。,因为=-36.8 0,所以电路呈电容性。,上一页,返回,第五节谐振电路,所谓谐振,是指在含有电容和电感的电路中,当调节电路的参数或电源的频率,使电路的总电压和总电流相位相同时,整个电路的负载呈电阻性。这时电路就发生了谐振。谐振分为串联谐振和并联谐振。,一、串联谐振电
21、路,1.串联谐振的条件,在含有电感和电容的交流电路中,在一定的条件下,电路的端电压与电流同相的现象,叫做谐振。谐振现象广泛应用于无线电技术和有线通信方面,但在某些场合又必须防止发生谐振。,在RLC串联电路发生的谐振叫做串联谐振。在上一节中已经提到,当X,L,=X。时,即电路的感抗和容抗相等时,电路的端电压和电流同相,发生谐振,所以串联谐振的条件是:,下一页,返回,第五节谐振电路,由此可见,在电源的频率、电路的电感、电路的电容三者之中,任意调节一个都可使三者之间满足谐振条件,达到谐振。我们把调节达到谐振的过程叫做调谐。,(1)在电路的参数L,C一定时,通过改变电路的频率进行调谐,由式(5-57)
22、可得,达到调谐所需要的电源角频率为:,上一页,下一页,返回,第五节谐振电路,上式中的to又叫做电路的谐振频率,也叫固有振荡频率,因为在电路的参数L,C一定时,电路要达到振荡所需要的频率是固有的。,(2)当电源的频率一定时,通过改变电感或电容调谐,则要使电路达到谐振所需的电感或电容为:,上一页,下一页,返回,第五节谐振电路,在实际的电路中,若是不想电路发生谐振,可选择电路的参数L,C和电源的频率f之间不满足上述条件,从而达到消除谐振的目的。,2.串联谐振的特.点,电路发生谐振时,电路中的端电压和总电流同相,电路的电抗为零,阻抗角为零,无功功率为零,整个电路对外电路表现为电阻性。以上这些都是谐振电
23、路区别于非谐振电路的特点。,综上所述,串联谐振的特点是:,(1)串联谐振时,电路的阻抗最小,电路呈纯阻性,即:,上一页,下一页,返回,第五节谐振电路,(2)电路中的电流最大,电流与电压同相,=0。谐振电流为:,(3)电阻两端电压等于总电压,电感与电容两端的电压相等,相位相反,且为总电压的Q倍。,上一页,下一页,返回,第五节谐振电路,上式中的Q叫做电路的品质因数,它只和电路的参数R,L,C有关系。(注意:品质因数规定用Q表示,无功功率也是用Q表示的,计算时要注意分清),。它的计算公式为:,上一页,下一页,返回,第五节谐振电路,(4)在串联谐振时,电感和电容上可能产生很高的电压。,由于一般的串联电
24、路中的电阻R值很小,由上式可知电路中的Q值总是大于1的,而且其值一般为几十,有的可达几百,所以串联谐振时,电感和电容上可能产生比总电压高出Q倍的高压,因此串联谐振又称为电压谐振。谐振时电路总的无功功率为零,电源与电路之间不再进行能量的交换,电源只提供电阻所消耗的能量,而电感和电容之间进行磁场能与电场能的交换。在通信工程和无线电技术中,就常利用这一特点使所接受的微弱信号变强。在电力工程上,常常要避免发生串联谐振现象,以免出现过电压、大电流损坏电感线圈、电容器及其他电器元件和设备。,上一页,下一页,返回,第五节谐振电路,例5-12某收音机的输人回路(即调谐回路),可以简化为一个线圈和一个可变电容器
25、串联的电路。线圈的电感L=0.233 mH,可变电容器的变化范围是42.5pF360pF。试求:此串联电路谐振频率的范围。,上一页,下一页,返回,第五节谐振电路,二、并联谐振电路,1.并联谐振的条件,在并联电路中,电路的端电压和总电流同相的现象叫做并联谐振。,在上一节中我们知道在RL串联再与C并联的电路中,当I,L,Sin1=Ic时,电路这时的状态称为并联谐振,因为:,又有,上一页,下一页,返回,第五节谐振电路,从上式可以看出,在RL串联再与C并联的电路中,要想调谐可以通过改变参数R,CL或。的值,式(5-65)表明当电路的R,L,。的值一定时,通过改变电容进行调谐。,当电路的R,C,L参数一
26、定时,通过改变电源频率调谐,则通过式(5-65)可以解出达到谐振所需要的角频率为:,上一页,下一页,返回,第五节谐振电路,2.并联谐振的特.点,并联谐振的特点有以下三点:,(1)当通过改变电容达到谐振时,电路的总阻抗是最大的,且是纯阻性的,其值为:,(2)电路中的总电流为最大,且与电压同相,其值为:,上一页,下一页,返回,第五节谐振电路,(3)因电感支路的无功分量和电容支路的无功分量完全相同,且为总电流的Q倍,所以并联谐振又称为电流谐振。这里Q和串联谐振是一样的,都是表示电路的品质因数,它只和电路的参数R,L,C有关系,在电路中,Q值总是远大于1.,上一页,返回,第六节电阻、电感串联再与电容并
27、联的电路,在电力系统中,大多数的负载是异步电动机,它的电路相当于电阻、电感串联电路。在实际的应用中为了提高电路的功率因数,常常把电容器和它并联,这样就构成了,图,5-29,所示的电阻与电感串联再与电容并联的电路。在这里我们主要讨论电阻与电感串联再与电容并联电路中的电流、电压和功率以及在这种电路中的三种电路性质。,一、电路中的电流、电压,设电阻为R、电感为L的串联支路与电容为C的电容器并联,接到有效值为U、角频率为。的正弦交流电压上。电阻、电感串联支路的电流i,L,的有效值:,下一页,返回,第六节电阻、电感串联再与电容并联的电路,由前面的知识可知,端电压u比i1相位超前,超前的相位差为:,由前面
28、的知识可知,端电压u比电容支路的电流i。滞后90 。下面我们来分析这个电路的相量图。规定总电流i的正方向与端电压的正方向一致,如,图,5-29(a),所示,根据基尔霍夫第一定律有:,上一页,下一页,返回,第六节电阻、电感串联再与电容并联的电路,为了求出总电流i,我们作出电路的相量图,同,所以通常以端电压为参考正弦量,如,图,5-29,为有功分量i,,和无功分量i,,参照相量图,可得在并联电路中,因为并联支路的端电压相(b)所示。在RL支路中,把i,L,电流分解i,L1,和i,L2,的有效值分别是:,电容支路的电流只有无功分量,没有有功分量,所以有:总电流的有功分量iv等于l,L,的有功分量,其
29、有效值为:Iv=I,L,COS 1;总电流的无功分量l,等于两个支路电流无功分量之和,因为i,L1,和l,C,反相,所以其有效值为:,上一页,下一页,返回,第六节电阻、电感串联再与电容并联的电路,二、电路的功率,因为电容支路不消耗功率,电路的总的有功功率尸就是感性支路的有功功率,即:,上一页,下一页,返回,第六节电阻、电感串联再与电容并联的电路,三、电路的三种性质,按电路的参数及电源频率进行区分,电路有三种情况:,例5-13如,图,5-29(a),所示,电阻R=20 ,电感L=100mH,电容C=40 F。如电源频率为工频,电压为220V,求电路中的总电流I.,上一页,下一页,返回,第六节电阻
30、电感串联再与电容并联的电路,上一页,返回,第七节提高功率因数的方法和意义,一、提高功率因数的方法,由于用户的功率因数是和各个用电设备的功率因数有关,而负载里大部分是感性阻抗,所以才使用户的功率因数降低。因此,要想提高功率因数,可以从以下两方面考虑:,1.提高自然功率因数。也就是提高用电设备自身的功率因数,包括合理选择电器设备,尽量避免用电设备在轻载或空载状态下运行,因为一般的电动机(如感应电机),在空载时,coscp仅为0.20.3,而在满载时,cos则可以达到0.830.85。合理安排工艺流程,在条件允许的情况下尽量使用同步电动机。,下一页,返回,第七节提高功率因数的方法和意义,2.通过人
31、工补偿提高功率因数。最常用的是并联电容器补偿。就是人为地在感性负载两端并联加入电容性的补偿装置(例如:电容器、同步电动机等),使总电流与端电压间的相位差得到减小,达到提高功率因数的目的。最常用的电容器补偿装置是静电电容器,如图5-30所示。这样就可以使电感中的磁场能量与电容器的电场能量进行交换,从而减少电源与负载能量的互换。在感性负载两端并联一个合适的电容后,对提高电路的功率因数十分有效。借助相量图分析方法容易证明:对于额定电压为U、额定功率为P、工作频率为f的感性负载R-L来说,将功率因数从cos1提高到cos2,所需并联的电容为:,上一页,下一页,返回,第七节提高功率因数的方法和意义,例5
32、14标有“220V,40W”的日光灯接到220V的工频交流电源上。现要使其功率数由0.5提高到0.9,试问应并联多大的电容C?,上一页,下一页,返回,第七节提高功率因数的方法和意义,二、提高功率因数的意义,在电力工程中,不管是大的电力系统,还是一个车间的供电线路,都是采用并联的恒压供电方式,即用电设备都是并联在供电线路上,若全部用电设备都是白炽灯,电炉等电阻性的有功负载时,电压和电流是同相的,则cos=1是最大的,根本就不存在提高功率因数的问题。,但是在实际的用电设备中,电阻负载只占一小部分,大部分是感性负载,例如:感应电动机、电焊机、电磁抱闸、继电器、日光灯镇流器等。这些感性负载都是从电网
33、吸取感性电流,导致总电流比总电压滞后的角度很大,造成用户的功率因数很低。,上一页,下一页,返回,第七节提高功率因数的方法和意义,功率因数低会引起下列不良后果。,(1)负载的功率因数低,使电源设备的容量不能充分利用。因为电源设备(发电机、变压器等)是依照它的额定电压与额定电流设计的。例如一台容量为S=100kVA的变压器,若负载的功率因数cos =1时,则此变压器就能输出100kW的有功功率;若cos =0.6时,则此变压器只能输出60kW了,也就是说变压器的容量未能充分利用。,上一页,下一页,返回,第七节提高功率因数的方法和意义,(2)在一定的电压U下,向负载输送一定的有功功率P时,负载的功率
34、因数越低,输电线路的电压降和功率损失越大。这是因为输电线路电流I=P/(Ucos ),当cos 较小时,I必然较大。从而输电线路上的电压降也要增加,因电源电压一定,所以负载的端电压将减少,这要影响负载的正常工作。从另一方面看,电流1增加,输电线路中的功率损耗也要增加。因此,提高负载的功率因数对合理科学地使用电能以及国民经济的提高都有着重要的意义。,上一页,返回,图5-1直流电路,返回,图5-2交流电路,返回,图5-3单相交流电的产生,返回,图5-4交流电的周期,返回,图5-5电动势的波形图,返回,图5-6相位和相位差,返回,图5-7正弦量的相位关系,返回,图5-8,返回,图5-9相量图表示原理
35、返回,图5-10,返回,图5-11纯电阻电路,返回,图5-12电阻电压u与电流i的波形图和相量图,返回,图5-13纯电阻电路功率波形,返回,图5-14纯电容电路及电流电压相量图,返回,图5-15纯电容参数波形,返回,图5-16纯电感电路,返回,图5-17电感电路中电压、电流和功率波形,返回,图5-18电压电流相量图,返回,图5-19 RL串联电路,返回,图5-20 RL串联电路的相量图,返回,图5-21 RL串联阻抗和功率三角形,返回,图5-22串联电路,返回,图5-23 RC串联电路相量图,返回,图5-24 RC串联阻抗和功率三角形,返回,图5-25例5-10,返回,图5-26 RLC串联
36、电路图和相量图,返回,图5-27 RLC串联电路的阻抗三角形,返回,图5-28例5-12相量图,返回,图5-29 RL串与C并的电路图和相量图,返回,图5-30感性负载并接电容器,返回,第六章三相正弦交流电,本章导读,第一节,三相正弦交流电动势的产生,第二节,电源绕组和负载的连接,第三节,对称三相电路的分析与计算,第四节,三相电路的功率计算与测量,第五节,三相交流电动机,下一页,返回,本章导读,单相交流电是由单相交流发电机所产生,而三相交流电是由三相交流发电机所产生。三相正弦交流电是目前世界上应用最为广泛的交流电,其电源由三相发电机产生(通常单相交流电源多是从三相交流电源中获得)。,与尺寸相同
37、的单相发电机相比,三相发电机输出功率要大;三相发电机和变压器的结构制造简单,使用和维护比较方便,运转时比单相发电机振动要小;在同样条件下输送相同功率时,特别是远距离输电时,三相输电线路比单相输电线路可节约25%左右的线材。这些优点使得三相交流电在实际生产和生活中得到广泛的应用。,返回,第一节三相正弦交流电动势的产生,一、三相正弦交流电动势的产生,发电机从原理上讲是根据电磁感应定律,利用导体切割磁力线产生电动势而工作的。即导体与磁场之间必须产生相对运动。实际中,大、中型发电机的磁极是旋转的,而绕组是静止的。,下一页,返回,第一节三相正弦交流电动势的产生,如,图,6-1,所示,在定子中有三个绕组,
38、它们的匝数相同,在空间位置上互差1200(即各绕组轴线互差120,对称分布在电枢铁心上。三个绕组的始端分别命名为U1,V1,W1,其末端分别命名为U2,V2,W20假设电磁铁磁极表面的磁通密度是按正弦规律分布的,当转子以均匀角速度旋转时,各绕组上将分别产生正弦电动势eu.ev.ew。由于三个绕组绕在同一个电枢上,且各绕组的匝数均相同,所以三个电动势具有相同的角频率和相同的最大值Em。又由于各绕组相对于磁极来说,它们的起始位置不同,在空间位置互差120,因而它们所产生的三个电动势在时间上也互差1/3周期(120)。即U相绕组最先出现电动势的正的最大值,则V相绕组将在电枢转过120“时才会出现电动
39、势的正的最大值。依次类推,W相电动势正的最大值要在电枢转过240“时才会出现。,这样就产生了幅值相同、频率相同,在相位上互差120的三相正弦交流电。,上一页,下一页,返回,第一节三相正弦交流电动势的产生,二、三相正弦交流电动势的表示方法,由于三个正弦电动势的频率相同,最大值相等,而且相位彼此相差1200(或1/3周期)。设电动势的最大值均为Em,角频率为,并以U相为参考正弦量,设其初相位为零,则三相正弦电动势可表示为:,上一页,下一页,返回,第一节三相正弦交流电动势的产生,三、三相正弦交流电动势的特征和相序,1.三相正弦电动势的特征,(1)具有相同的幅值(最大值),(2)具有相同的频率(角速度
40、),(3)相位互差120,2.三相正弦交流电动势的相序,三相电动势达到正的最大值或零值的次序,或者说从超前相到滞后相的轮换次序叫做相序。在,图,6-2,中,当转子按逆时针方向旋转,三相电动势达到正最大值的顺序为eu.ev.ew,其相序为U,V,W,通常叫做正序(或顺序);若最大值出现的顺序为U,W,V,通常叫做负序(或逆序)。工程上通用的相序是正序。,上一页,返回,第二节电源绕组和负载的连接,一、三相电源绕组的连接,三相电源的连接方法比单相电源要复杂。这是由于三相发电机可以看成三个单相电源。这些电源与电源之间将会有不同的连接方式,而不同的连接方式又会导致电压、电流关系的不同。通常在三相电源中,
41、有三角形()和星形(Y)两种接法。,1.三相电源绕组的三角形连接,将电源每相的末端依次与滞后相的始端相连,则形成闭合的三角形,这种连接方式称为三角形接法,用表示,如,图,6-3,示。显然,在三角形连接中是不会有中性点和中性线的,因此,对于这种连接只存在三相三线制。,在三相电源作三角形连接时,线电压和相电压的数量关系为:,下一页,返回,第二节电源绕组和负载的连接,如果三相电动势为对称三相正弦电动势,则三角形闭合回路的总电动势等于零,这时电源绕组内部不存在环流,如果三相电动势为不对称三相正弦电动势,则三角形闭合回路的总电动势不等于零,此时,即使没有外部负载,也会因为各相绕组本身的阻抗很小,使闭合回
42、路内产生很大的环流,使绕组过热,甚至烧毁。因此,三相发电机绕组一般不采用三角形接法而采用下面要提到的星形接法。,上一页,下一页,返回,第二节电源绕组和负载的连接,2.三相电源绕组的星形连接,将三相发电机中三相绕组的末端U2,V2,W2连接在一起,始端U1,V1,W1引出线作为输出线,这种连接方法称为星形接法,用Y表示。从始端U1,V1,W1引出的三根线称为相线,也就是平时经常说的火线;末端接成的一点称为中性点,用N表示;从中性点引出的输出线称为中性线。低压供电系统的中性点是直接接地的,我们把接地的中性点称为零点,把接地的中性线称为零线。220V交流供电系统就是中性点接地的系统。在工程中,U,V
43、W三根相线分别用黄、绿、红三种颜色加以区别。,我们把有中性线的星形接法叫做三相四线制,如,图,6-4,所示。没有中性线的星形接法叫做三相三线制,如,图,6-5,所示。,上一页,下一页,返回,第二节电源绕组和负载的连接,现在我们利用相量法来研究三相电源绕组接成星形时,线电压与相电压的关系。,一般电源的阻抗都很小,所以不论电源绕组中有没有电流,我们常认为电源各相电压的大小就等于相对应的电动势。由于通常情况下电源三相电动势是对称的,所以电源三相电压也是对称的,即大小相等、频率相同、相位差为120。,根据基尔霍夫电压定律:,上一页,下一页,返回,第二节电源绕组和负载的连接,线电压与相电压的相量图如,
44、图,6-6,示。,由图可见,线电压也是对称的,并且在相位上比相应的相电压超前30.,至于线电压和相电压的关系,也可以从,图,6-6,量图中得出。,上一页,下一页,返回,第二节电源绕组和负载的连接,变压器的绕组接成三相四线制(有中性线的星形接法),可以给负载提供两种电压,一种是相电压,一种是线电压。目前我国电力电网的低压供电系统中的线电压为380V,相电压为220V,常写作“电源电压380/220V。,三相变压器绕组有时采用三角形接法,但要求在连接前必须先检查三相绕组的对称性及接线顺序。,上一页,下一页,返回,第二节电源绕组和负载的连接,二、三相负载的连接,在三相负载中,各相负载的大小可能相同,
45、也可能不同。所以我们把三相负载进行分类,通常把各相负载相同的三相负载称为对称三相负载,例如,三相电动机、三相变压器、三相电炉等。如果三相负载不相同,就称为不对称三相负载,例如,三相照明电路的负载。,在三相电路中,如果三相电源和三相负载都对称,则称为对称三相电路;反之,则称为不对称三相电路。根据不同的要求,三相负载有星形(Y)连接和三角形()连接两种方式。,上一页,下一页,返回,第二节电源绕组和负载的连接,1.三相负载的星形连接,把三相负载分别接在三相电源的一根相线和中性线之间的接法,称为三相负载的星形(Y)连接。如,图,6-7,所示。,为了分析问题方便,先作如下规定:,(1)每相负载两端的电压
46、称为负载的相电压,简称相电压,用U、表示。,(2)忽略输电线上的电压降,负载是相电压就等于电源的相电压,即U,Y相,=U,相,。,(3)三相负载的线电压就是电源的线电压。,(4)流过每相负载的电流称为相电流,用I,Y相,表示;流过端线的电流称为线电流,用I,Y线,表示;流过中性线的电流称为中性线电流,用I,N,表示。,现在对对称三相负载的星形接法进行分析。,上一页,下一页,返回,第二节电源绕组和负载的连接,在对称三相电压作用下,流过对称三相负载中每相的电流应相等,即:,而且每相电流的相位差应为120。由基尔霍夫第一定律,中性线电流等于三相电流的矢量和,由于三相电流大小相等、相位互差120,所以
47、三相电流矢量和为零。也就是说中性线电流IN为零,此时取消中性线也不影响三相对称电路的工作,三相四线制也就变成三相三线制。通常在高压输电时,由于三相负载都是对称的三相变压器,所以都采用三相三线制输电。,在对称三相负载的星形接法中,线电压与相电压之间、线电流与相电流之间存在以下关系,即:,上一页,下一页,返回,第二节电源绕组和负载的连接,但是,当三相负载不对称时,各相电流的大小不一定相等,相位差也不一定为120。所以不对称三相负载的中线电流不等于零。但通常中线电流比相电流小得多,所以中性线的截面积可小些。由于低压供电系统中的三相负载经常变动(如照明电路中的灯具经常开关,单相空调、冰箱的启动与停止)
48、当中性线存在时,它能平衡各相电压保证三相负载为三个互不影响的独立电路,此时各相负载的相电压等于电源的相电压,不会因负载的变化而变化。但是当中性线断开后,各相电压就不相等了。经实际测量证明,阻抗小的相电压低,阻抗大的相电压高,这就可能烧坏接在相电压升高的这相中的电器。所以在三相负载不对称的低压供电系统中,不允许在中性线上安装熔断器或开关,以免中性线断开引起事故。另一方面我们也要力求三相负载平衡以减小中性线的电流。如在三相照明电路中,应将单相负载平均分接在三相上,而不是全部集中在某一相上或两相上。,上一页,下一页,返回,第二节电源绕组和负载的连接,2.三相负载的三角形连接,如果把三相负载分别接在
49、三相电源的每两根相线之间,就称为三相负载的三角形连接。,如,图,6-8,所示。,由于作三角形连接的各相负载是直接接在两根相线之间的,因此负载的相电压就是线电压,即U,线,=U,相,。,在对称三相电压作用下,流过对称三相三角形负载中每相的电流应相等,而且每相电流的相位差应为120。由基尔霍夫电流定律,线电流等于相电流的矢量和。,线电流与相电流的相量图如,图,6-9,所示。,根据基尔霍夫电流定律可知:,上一页,下一页,返回,第二节电源绕组和负载的连接,由图可见,线电流也是对称的,并且在相位上比相应的相电流滞后30 。,至于线电流和相电流的关系,也可以从,图,6-9,相量图中得出。,在对称三相负载的
50、三角形接法中,线电压与相电压之间、线电流与相电流之间存在以下关系:,上一页,下一页,返回,第二节电源绕组和负载的连接,由上可知,负载作三角形连接时的相电压比作星形连接时的相电压要高1.732倍。因此,三相负载接到三相电源中,应作三角形连接还是星形连接,要根据三相负载的额定电压而定。如果各相负载的额定电压为380伏,则应作三角形连接;若各相负载的额定电压为220伏,则应作星形连接。,上一页,返回,第三节对称三相电路的分析与计算,一、对称负载星形连接的分析与计算,在三相四线制中,因为有中性线的存在,对于其中每一相来说就是一个单相电路,工作情况与单相交流电路相同。在对称的三相电路中,各相负载的数值和