《电工基础》(劳动第五版).pptx

第五章 单相交流电,第五章 单相交流电,第五章 单相交流电,*,第五章 单相交流电,*,第五章 单相交流电,*,第五章 单相交流电,*,第五章 单相交流电,*,第五章 单相交流电,*,第五章 单相交流电,*,第五章 单相交流电,*,第五章 单相交流电,*,第五章 单相交流电,*,51,交流电基本概念,52,电容器和电感器,53,单一参数交流电路,54 RLC,串联电路,55 RLC,并联电路,1/89,1.,了解正弦交流电产生和特点。,2.,了解正弦交流电有效值、频率、初相位及相位差概念。,3.,掌握正弦交流电三种表示方法。,51,交流电基本概念,2/89,交流电应用,3/89,一、交流电概念,交流电与直流电根本区分是,:,直流电方向不随时间改变而改变,交流电方向则随时间改变而改变。,电源只有一个交变电动势交流电称为,单相交流电,。,稳恒直流电 正弦交流信号 电视机显像管 计算机中,偏转电流 方波信号,直流电和交流电波形,4/89,右图所表示为某信号发生器输出信号电压,其大小和方向都按正弦规律改变,所以称为,正弦交流电,。,右图所表示锯齿波电流、方波电压等,它们都是,非正弦交流电,。,5/89,二、正弦交流电产生,原理示意图 线圈截面图,试验用简易交流发电机,6/89,正弦交流电产生,7/89,正弦交流电动势,瞬时值表示式,也称,解析式,。,若从线圈平面与中性面成一夹角,0,时开始计时,则公式变为,8/89,实际应用发电机,旋转磁极式发电机,大型水力发电机组,9/89,三、表征正弦交流电物理量,1.,周期、频率和角频率,正弦交流电波形,10/89,(1),周期,正弦交流电每重复改变一次所需时间称为,周期,用符号,T,表示,单位是秒,(s),。,(2),频率,正弦交流电在,1s,内重复改变次数称为,频率,用符号,f,表示,单位是赫兹,(Hz),。,周期和频率互为倒数,即,11/89,经验表明,在各种触电事故中,直流电、高频和超高频电流对人体伤害程度相对较小，而最惯用,50Hz,工频交流电流对人体伤害最大，所以使用时应尤其小心。,12/89,(3),角频率,正弦交流电每秒内改变角度,(,每重复改变一次所对应角度为,2,即,360),称为,角频率,用符号,表示,单位是弧度,/,秒,(rad/s),。,角频率与周期、频率关系为,:,13/89,2.,最大值、有效值和平均值,(1),最大值,正弦交流电在一个周期所能到达最大瞬时值称为正弦交流电,最大值,(,又称,峰值,、,幅值,),。最大值用大写字母加下标,m,表示,如,E,m,、,U,m,、,I,m,。,从正弦交流电反向最大值到正向最大值称为,峰,峰值,。,14/89,从正弦交流电反向最大值到正向最大值称为,峰,峰值,。,交流电峰值和峰,峰值,15/89,(2),有效值,让交流电和稳恒直流电分别经过大小相同电阻,假如在交流电一个周期内它们产生热量相等,而这个稳恒直流电电压是,U,电流是,I,U,、,I,称为对应交流电,有效值,。有效值用大写字母表示,如,E,、,U,、,I,。,交流电有效值,16/89,正弦交流电有效值和最大值之间有以下关系,:,电工仪表测出交流电数值及通常所说交流电数值普通都是指有效值。,17/89,(3),平均值,要求半个周期正弦交流电平均值为正弦交流电,平均值,。正弦电动势、电压和电流平均值分别用符号,E,p,、,U,p,、,I,p,表示。,正弦交流量平均值用半个周期平均值表示,18/89,平均值与最大值之间关系是,:,有效值与平均值之间关系是,:,19/89,3.,相位与相位差,(1),相位,在式,e,=,E,m,sin(,t,+,0,),中,(,t,+,0,),表示正弦量随时间改变角度,称为,相位角,也称,相位,或,相角,它反应了交流电改变进程。式中,0,为正弦量在,t,=0,时相位,称为,初相位,也称,初相角,或,初相,。,20/89,初相为正 初相为负,相位正负,21/89,在书写瞬时值表示式及进行相关叙述时,相位及其相关概念有时可采取角度值表示,如上式所表示。但因为角频率,单位是,rad/s,所以在进行相关计算时,应注意先将单位制统一。角度值与弧度制换算关系为,1=,/,180 rad,。当然,相位等概念也能够直接使用弧度制来表示。,22/89,(2),相位差,两个同频率交流电相位之差称为,相位差,用符号,表示,即,超前和滞后,同相,反相,正交,23/89,超前和滞后 同相,反相 正交,两个同频率交流电相位关系,24/89,正弦交流电最大值反应了正弦交流电改变范围,角频率反应了正弦交流电改变快慢,初相位反应了正弦交流电起始状态。它们是表征正弦交流电三个主要物理量。,最大值,、,角频率,和,初相位,称为,正弦交流电三要素,。,25/89,【,例,】,已知两正弦电动势分别是,:,。求,:,(1),各电动势最大值和有效值,;,(2),频率、周期,;,(3),相位、初相位、相位差,;,(4),波形图。,26/89,四、正弦交流电相量图表示法,两个正弦交流电压求和,27/89,相量图也是正弦量一个表示方法。其画法是,:,(1),确定参考方向,普通以直角坐标系,X,轴正方向为参考方向。,(2),作一有向线段,其长度对应正弦量有效值,与参考方向夹角为正弦量初相。,若初相为正,则用从参考方向逆时针旋转得出角度来表示；若初相为负,则用从参考方向顺时针旋转得出角度来表示。,相量图,28/89,正弦量都能够用这么一个长度对应有效值、与参考方向夹角对应初相有向线段来表示,这个量称为,相量,普通用 、等符号来表示。,将相同频率几个正弦量相量画在同一个图中,就能够采取,平行四边形法则,来进行它们加减运算。,相量求和,29/89,应用相量图时注意以下几点,:,1.,同一相量图中,各正弦交流电频率应相同。,2.,同一相量图中,相同单位相量应按相同百分比画出。,3.,普通取直角坐标轴水平正方向为参考方向,有时为了方便起见,也可在几个相量中任选其一确定参考方向,而且不画出直角坐标轴。,4.,一个正弦量相量图、波形图、解析式是正弦量几个不一样表示方法,它们有一一对应关系,但在数学上并不相等,假如写成,则是错误。,30/89,一、相量图表示法由来,旋转矢量能完全反应正弦交流电三要素及改变规律。,为了与普通空间矢量相区分,把表示正弦交流电这一矢量称为,相量,。,旋转矢量与波形图对应关系,31/89,二、非正弦交流电,方波 三角波 锯齿波,常见周期性非正弦交流电波形,32/89,矩形波 正弦半波整流波 正弦全波整流波,常见周期性非正弦交流电波形,33/89,1.,了解电容器结构和类型,了解容抗概念，掌握电容“隔直流，通交流，阻低频，通高频”特征。,2.,了解电感器结构和类型,了解感抗概念,掌握电感“通直流，阻交流，通低频，阻高频”特征。,3.,能正确使用万用表大致判断电容器和电感器好坏。,52,电容器和电感器,34/89,电容器通常简称,电容,电感器通常简称,电感,它们都是,储能元件,。,一、电容器,1.,电容器结构、类型和符号,电容器基本结构,纸介电容器,35/89,电容器类型和符号,电力电容器,电解电容器,金属膜电容器,涤纶电容器,瓷片电容器,云母电容器,单连可变电容器,双连可变电容器,微调电容器,36/89,2.,电容器主要参数,(1),电容量,电容量,是指电容器储存电荷能力,也简称,电容,它在数值上等于电容器在单位电压作用下所储存电荷量,即,电容量定义示意图,37/89,电容是电容器固有属性,它只与电容器极板正对面积、极板间距离以及极板间电介质特征相关；而与外加电压大小,电容器带电多少等外部条件无关。,38/89,设平行板电容器极板正对面积为,S,两极板间距离为,d,则平行板电容器电容可按下式计算,:,称为极板间电介质,介电常数,是电介质本身一个特征参数,其单位是,F/m,。真空中介电常数,0,某种介质介电常数,与,0,之比称为该介质,相对介电常数,用,r,表示。,39/89,(2),额定电压,电容器,额定电压,(,也称,耐压,),是指,在要求温度范围内,能够连续加在电容器上而不损坏电容器最大直流电压或交流电压有效值。,40/89,3.,电容器充电和放电,(1),电容器充电,电容器充电 充电电压曲线 充电电流曲线,电容器充电过程,41/89,(2),电容器放电,电容器放电 放电电压曲线 放电电流曲线,电容器放电过程,电容器充放电到达稳定值所需要时间与,R,和,C,大小相关。通惯用,R,和,C,乘积来描述,称为,RC,电路,时间常数,用,表示,即,:,42/89,4.,容抗,电容对交流电妨碍作用,当电容器外接交流电时,电源与电容器之间不停地充电和放电,电容器对交流电也会有妨碍作用,我们把电容对交流电妨碍作用称为,容抗,用,X,C,表示,容抗单位也是欧姆（,）,。,43/89,容抗计算式为,电容容抗与频率关系能够简单概括为：隔,直流,通交流,阻低频,通高频,。所以电容也被称为,高通元件,。,44/89,5.,电容器连接,(1),电容器串联,即串联电容器总电容倒数等于各电容器电容倒数之和。,电容器串联,45/89,(2),电容器并联,电容器储存总电荷量等于各电容器所带电荷量之和。,电容器并联,46/89,二、电感器,1.,电感器结构、类型和符号,空心电感器,有磁心或铁心电感器,微调电感器,有中心抽头电感线圈,47/89,2.,电感器主要参数,(1),电感,(2),品质因数（,Q,值,）,3.,感抗,电感对交流电妨碍作用,电感对交流电妨碍作用称为,感抗,用,X,L,表示。感抗单位也是欧姆,(),。,感抗计算式为,电感感抗与频率关系能够简单概括为：,通直流,阻交流,通低频,阻高频,所以电感也称为,低通元件,。,48/89,一、超级电容器,超级电容器结构,车用超级电容器,49/89,二、位移测量和液位测量,液位检测计,液位传感器实物图,电容应用于位置测量,位移测量,50/89,1.,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相位关系和数量关系。,2.,了解交流电路中瞬时功率、有功功率和无功功率概念。,3.,了解电感和电容储能特征。,53,单一参数交流电路,51/89,一、纯电阻交流电路,1.,电流与电压关系,(1),纯电阻交流电路中,电阻中经过电流也是一个与电压同频率正弦交流电流,且与加在电阻两端电压同相位。,(2),在纯电阻交流电路中,电流与电压瞬时值、最大值、有效值都符合欧姆定律。,52/89,2.,功率,在任一瞬间,电阻中电流瞬时值与同一瞬间电阻两端电压瞬时值乘积,称为电阻获取,瞬时功率,用,p,R,表示,即,电阻是一个,耗能元件,。,53/89,电压、电流相量图 电压、电流、功率波形图,纯电阻交流电路,电路图,54/89,用电阻在交流电一个周期内消耗功率平均值来表示功率大小,称为,平均功率,。平均功率又称,有功功率,用,P,表示,单位仍是瓦特,(W),。,55/89,二、纯电感交流电路,1.,电流与电压关系,电压、电流相量图 电压、电流、功率波形图,纯电感交流电路,电路图,56/89,电流与电压有效值之间符合欧姆定律,即,感抗只是电压与电流最大值或有效值比值,而不是电压与电流瞬时值比值,即,这是因为,u,和,i,相位不一样。,57/89,2.,功率,瞬时功率在一个周期内吸收能量与释放能量相等,也就是说纯电感电路不消耗能量,它是一个,储能元件,。电路平均功率为零。,不一样电感与电源转换能量多少也不一样,通惯用瞬时功率最大值来反应电感与电源之间转换能量规模,称为,无功功率,用,Q,L,表示,单位是乏,(Var),。其计算式为,58/89,无功功率并不是“无用功率”,“,无功”实质是指能量发生互逆转换,而元件本身并没有消耗电能。实际上许多含有电感性质电动机装、变压器等设备都是依据电磁转换原理利用无功功率工作。,59/89,三、纯电容交流电路,1.,电流与电压关系,(1),在纯电容交流电路中,电压比电流滞后,90,即电流比电压超前,90,。,60/89,电压、电流相量图 电压、电流、功率波形图,纯电容交流电路,电路图,61/89,(2),电流与电压有效值之间符合欧姆定律,即,2.,功率,由图,c,所表示功率曲线图可知,电容也是一个储能元件。,纯电容交流电路平均功率为零,其无功功率为,62/89,1.,了解交流电路中电抗、阻抗和阻抗角概念。,2.,了解,RLC,串联电路中电压与电流之间关系。,3.,了解,RLC,串联谐振电路特点及其应用。,54,RLC,串联电路,63/89,一、电压与电流关系,RLC,串联电路,RLC,串联电路电压和阻抗示意图,64/89,式中,X,=,X,L,X,C,称为,电抗,称为,阻抗,单位都是,。图,541,中,称为,阻抗角,它就是总电压与电流相位差,即,65/89,电压与电流有效值乘积定义为,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,关系为,式中,cos,=,PS,称为功率因数。,66/89,电压相量图 电压三角形 功率三角形,RLC,串联电路三个三角形,阻抗三角形,67/89,(1),电感性电路,(2),电容性电路,(3),谐振电路,电容性电路相量图 谐振电路相量图,68/89,二、串联谐振,1.,谐振频率,2.,品质因数,电路串联谐振时,电感和电容两端电压有可能大于电源电压,所以串联谐振也称为,电压谐振,。,串联电路谐振曲线,69/89,在无线电技术中,常利用谐振电路从众多电磁波中选出我们所需要信号,这一过程称为,调谐,。,收音机调谐,70/89,一、,RC,移相电路,u,o,滞后,u,i,角,u,o,超前,u,i,角,RC,移相电路,71/89,二、荧光灯电路,1.,荧光灯电路组成,荧光灯电路组成,荧光灯等效电路,72/89,2.,荧光灯启辉过程,(1),辉光放电,(2),热电子发射,73/89,(3),产生高电压,(4),荧光灯点亮,74/89,1.,了解,RLC,并联电路中电压与电流之间相位关系和数量关系。,2.,了解,RLC,并联谐振电路特点和应用。,3.,了解感性负载并联电容提升功率因数原理。,55,RLC,并联电路,75/89,一、电压与电流关系,RLC,并联电路,第一支路,(,电阻、电感串联支路,),电流,i,1,有效值为,:,滞后于,u,相位角为,:,。,第二支路,(,电容支路,),电流,i,C,有效值为,:,i,C,超前于电压,u,相位角为,:,。,76/89,1.,相量图,电感性 电容性 电阻性,RLC,并联电路相量图,77/89,2.,电路三种性质,(1),电感性电路,当 时，总电压超前总电流。,(2),电容性电路,当 时，总电压滞后总电流。,(3),谐振电路,当 时,总电压和总电流同相位。,78/89,二、并联谐振,1.,并联谐振频率,谐振角频率友好振频率近似为,:,2.,并联谐振特点,(1),电路总阻抗最大,总电流最小,(2),谐振时两支路可能产生过电流,并联谐振也称为,电流谐振,。,79/89,3.,并联谐振应用,并联谐振应用,80/89,三、提升功率因数方法,1.,提升功率因数意义,功率因数是高压供电线路运行指标之一,它反应了电源设备容量利用率。功率因数能够用功率因数表测量。,功率因数表,81/89,2.,提升功率因数方法,(1),提升用电设备本身功率因数,(2),并接电容器赔偿,低压配电柜中电容器组,82/89,本章小结,1.,正弦交流电解析式,(,瞬时值表示式,),为,2.,最大值、角频率和初相位称为正弦交流电三要素。与三要素相关主要概念还有,:,频率,；周期 ；有效值,；平均值 。,83/89,3.,电容对交流电妨碍作用称为容抗,用,X,C,表示,容抗单位也是欧姆,(),。容抗计算式为,容抗与频率关系能够简单概括为,:,隔直流,通交流,阻低频,通高频。所以电容也被称为高通元件。,84/89,4.,电容器串、并联特点,85/89,5.,电感对交流电妨碍作用称为感抗,用,X,L,表示。感抗单位也是欧姆,(),。感抗计算式为,感抗与频率关系能够简单概括为,:,通直流,阻交流,通低频,阻高频,所以电感也称为低通元件。,6.,电容和电感都是储能元件。,86/89,7.,单一参数交流电路特征见表。,8.,多个,参数,交流电路中,电路总电压,U,=,IZ,；有功功率,P,=,Ui,cos,；无功功率,Q,=,UI,sin,;,视在功率,S,=,UI,；其中,cos,为功率因数。,87/89,9.,在,RLC,串联电路中,阻抗 。当,X,L,=,X,C,时,电路总电流与总电压同相,电路呈电阻性,称为串联谐振，又称为电压谐振。此时总阻抗最小，总电压最小,但电感和电容两端电压会大大超出电源电压。,串联谐振时,频率,；电路品质因数 。,88/89,10.,在,RLC,并联电路中,当电感线圈支路与电容支路电流关系为 时，电路总电流与总电压同相，电路呈电阻性，称为并联谐振，又称为电流谐振。此时总阻抗最大，总电流最小，但电感或电容支路电流会大大超出总电流。,并联谐振时，频率 ；电路品质因数 。,89/89,