电阻电感电容电路教育课件.ppt

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,*,*,电阻电感电容电路PPT讲座,在实际生活中，白炽灯、电烙铁、电阻炉,一、电阻元件,2,（一）电阻的实物展示,3,CR,碳膜固定电阻器,绕线,电阻,MF,金属膜固定电阻器,水泥,电阻,金属膜电阻,RJ13,4,热敏电阻,光敏电阻,5,湿敏、光敏电阻,压敏电阻,6,顶调电位器,合成碳膜电位器,同轴电位器,微调电位器,7,（二）电阻元件的,伏安,特性（直流）,线性电阻的伏安特性,非线性电阻(二极管)的伏安特性,0,u,i,0,i,R,u,R,8,0,i,R,u,R,0,u,i,线性电阻的伏安特性,非线性电阻(二极管)的伏安特性,9,0,u,i,0,i,R,u,R,线性电阻的伏安特性,非线性电阻(二极管)的伏安特性,10,在电阻电路中，当电压与电流为关联参考方向，电流的大小与电阻两端的电压成正比，与电阻值成反比。即欧姆定律可用下式表示：,U,I,11,三）交流特性,（一）电压与电流的相位关系,若加在电阻两端的正弦电压初相为零，即,12,则，通过电阻的电流瞬时值应为：,13,结论：在电压作用下，电阻中通过的电流也是一个同频率的正弦电流，且加在电阻两端的电压同相。,14,电阻元件瞬时功率的波形图,失量图,15,（二）电流与电压的数量关系,若把上式两边同除以,结论：,在纯电阻电路中，电压与电流的有效值符合欧姆定律,16,（三）电阻元件的功率,1）瞬时功率,电阻中某一时刻消耗的电功率叫做,瞬时功率,，它等于电压,u,与电流,i,瞬时值的乘积，并用小写字母,p,表示。,在任何瞬时，恒有,p,0，说明电阻只要有电流就消耗能量，将电能转为热能，它是一种耗能元件。,电阻元件瞬时功率的波形图,17,平均功率（有功功率）：一个周期内取用功率的平均值，即平均功率，又称有功功率。,PU,R,II,2,RU,R,2,/R,18,练习,1.计算一个PZ220V，60W电灯的泡的阻值。,2.当一个PZ220V，30W和一PZ220V，100W的电灯泡串联会有什么现象。,19,附加,20,电阻的规格标注法,21,色标口诀,22,二电感,23,案例1,各种加工机械，如车床、铣床、刨床、磨床及大型加工机械（龙门铣床、龙门刨床）等，应用最多的是电机类负载。交流异步电动机的等效电路如图所示。,案例2,在照明电路中使用的白炽灯为纯电阻性负载，日光灯属于感性负载，家用风扇为单相交流电动机，它的等效电路如图所示。,（一）实物展示,24,25,（二）电感元件的图形、文字符号,线圈中通过一定数量的变化电流，线圈产生感应电动势大小的能力就称为线圈的电感量，简称电感。电感常用字母“,L,”表示。,电感的SI单位是亨利，简称亨，通常用符号“,H,”表示。常用单位还有“,H,”“,mH,”，它们的换算关系如下：,1H=106H=103 mH,线圈,带磁芯连续可调线圈,磁芯线圈,磁芯有单隙的线圈,带固定抽头的线圈,26,（三）电感元件的特性,任何导体当有电流通过时，在导体周围就会产生磁场；如果电流发生变化，磁场也随着变化，而磁场的变化又引起感应电动势的产生。这种感应电动势是由于导体本身的电流变化引起的，称为自感。当线圈中的电流发生变化时，自感电动势总是阻止电流的变化。,27,(四）电感的电压,设L中流过的电流为 i=I,m,sint，,L上的自感电动势e,L,=-L,di,/,dt,由图示标定的方向，电压瞬时值为,这表明，纯电感电路中通过正弦电流时，电感两端电压也以同频率的正弦规律变化，而且在相位上超前于电流/2电角。纯电感电路的相量图如图 所示。,28,29,如用相量表示电压与电流的关系,I,U,电容电路相量图,30,电压最大值为,U,Lm,=LI,m,电压有效值为,U,L,=LI,（五）电感的感抗,X,L,=L=2fL,31,X,L,称感抗，单位是。与电阻相似，感抗在交流电路中也起阻碍电流的作用。这种阻碍作用与频率有关。当L一定时，频率越高，感抗越大。在直流电路中，因频率f=0，其感抗也等于零。,32,（1）瞬时功率 第1、3个T/4期间，p0,表示线圈从电源处吸收能量；在第2、4个T/4期间，p0,表示线圈向电路释放能量。,2）平均功率（有功功率）P瞬时功率表明，在电流的一个周期内，电感与电源进行两次能量交换，交换功率的平均值为零，即纯电感电路的平均功率为零。,（六）功率,33,3）无功功率Q,纯电感线圈和电源之间进行能量交换的最大速率，称为纯电感电路的无功功率。用Q表示。,Q,L,=U,L,I=I,2,X,L,(2-17),无功功率的单位是VA(在电力系统，惯用单位为乏(var)。,34,（2）感抗的概念,电感具有对交流电流起阻碍作用的物理性质，所以称为,感抗,，用,X,L,表示，,即,感抗是表示线圈对交流电流阻碍作用的大小。,从,X,L=2,fL,可知，感抗的大小与线圈本身的电感量,L,和通过线圈电流的频率有关。,f,越高，,X,L越大，意味着线圈对电流的阻碍作用越大；,f,越低，,X,L越小，即线圈对电流的阻碍作用也越小。当,f,=0时,X,L=0，表明线圈对直流电流相当于短路。这就是线圈本身所固有的,“,直流畅通，高频受阻,”,作用。,35,U,电感电路相量图,如用相量表示电压与电流的关系，则为,I,36,（3）电感元件的功率,1）瞬时功率,可见，电感元件的,瞬时功率,p,L,仍是一个按正弦规律变化的正弦量，只是变化频率是电源频率的两倍。,2）平均功率,纯电感条件下电路中仅有能量的交换而没有能量的损耗。,37,工程中为了表示能量交换的规模大小，将电感瞬时功率的最大值定义为电感的,无功功率,，简称感性无功功率，用Q,L,表示。,即,Q,L,的基本单位是,乏,（var）,。,无功功率并不是“无用”的功率，它的含义是表示电源与电感性负载之间能量的交换。许多设备在工作中都和电源存在着能量的交换。如异步电动机、变压器等要要依靠大市场的变化来工作，磁场的变化会引起磁场能量的变化，这就说明设备和电源之间存在能量的交换。因此发电机除了发出有功功率以外，还要发出适量的无功功率以满足这些设备的需要。,38,（3）电容元件的功率,1）瞬时功率,电容元件瞬时功率的变化规律：,电容元件的瞬时功率是一个幅值为UI，以2的角频率随时间而变化的交变量，其变化波形如图所示。,在正弦交流电作用下，纯电容元件不断地与电源进行能量交换，但却不消耗能量。,电容瞬时功率的波形图,39,2）平均功率,由上图可见，纯电容元件的,平均功率P=0,.,虽然纯电容不消耗功率，但是它与电源之间存在能量交换。为了表示能量交换的规模大小，将电容瞬时功率的最大值定义为电容的无功功率，或称容性无功功率，用,Q,C,表示，即,Q,C,的单位也是乏（var）。,40,4.4.2 电阻、电感、电容串联电路,1,RLC,串联电路,（1）,RLC,串联电路的电压电流关系,R,i,C,+,-,L,u,根据KVL定律可列出,设电路中的电流为,则电阻元件上的电压u,R,与电流同相，即,电感元件上的电压u,L,比电流超前,90，即,电容元件上的电压u,C,比电流滞后,41,U,I,U,U,U,U,U,U,L,C,+,L,C,R,C,电源电压为,=,相量图,由电压相量所组成的直角三角形，称为,电压三角形.,U,U,U,U,L,C,+,R,电压三角形,利用这个电压三角形，可求得电源电压的有效值，即,=,也可写为,42,（2）电路中的阻抗及相量图,|Z|,R,X,X,L,C,-,阻抗三角形,电路中电压与电流的有效值（或幅值）之比为 。,它的单位也是欧姆，也具有对电流起阻碍作用的性质，我们称它为电路的,阻抗模,，,用,代表，即,=,=,、,R,、（,-,）三者之间的关系也可用一个直角三角形,阻抗三角形,表示。,相位差,也可从电压三角形得出，即,=arctan,arctan,43,如用相量表示电压与电流的关系，则为,=,式中的,称为电路的阻抗，用大写的,Z,表示,Z,=,=,=,阻抗的幅角,即为电流与电压之间的相位差。,为正；对容性电路，,为负。,对感性电路，,R,i,X,C,+,-,X,L,U,用阻抗形式表示的,RLC,电路图,44,4.4.3 电阻、电感、电容并联电路,R,i,C,+,-,L,u,i,L,i,C,RL,支路中的电流为,=arctan,电容支路中的电流为,总电流相量等于两条支路中电流的相量和,45,例4.12有一,RLC,串联的交流电路，已知R=，X,L,=,XC=,I=A,试求电路两端电压U。,因为是,RLC,串联交流电路，因此,Z=,=,而 I=,所以,U,=,ZI,=,46,45 谐振电路,案例4.4,在无线电技术中常应用串联谐振的选频特性来选择信号。收音机通过接收天线，接收到各种频率的电磁波，每一种频率的电磁波都要在天线回路中产生相应的微弱的感应电流。为了达到选择信号的目的，通常在收音机里采用如图所示的谐振电路。,(a)接收器的调谐电路 (b)等效电路,47,4.5.1 串联谐振,1,谐振条件,R,i,X,C,+,-,X,L,U,总阻抗,当,为某一值，恰好使感抗,X,L,和容抗,X,C,相等时，则,X,=0，此时电路中的电流和电压同相位，电路的阻抗最小，且等于电阻（,Z,=,R,）。电路的这种状态称为谐振。由于是在,RLC,串联电路中发生的谐振，故又称为,串联谐振,。,RLC,串联电路,对于,RLC,串联电路，谐振时应满足以下条件,或,为谐振角频率，用,0,表示，则,电路发生谐振的频率称为,谐振频率。,48,2谐振电路分析,当电路发生谐振时，,X,=0，因此|Z|=,R,，即此时电路的阻抗最小，因而在电源电压不变的情况下，电路中的电流将在谐振时达到最大，其数值为,由于电源电压与电路中电流同相，因此电路对电源呈现电阻性，电源供给电路的能量全被电阻所消耗，电源与电路之间不发生能量的互换。能量的互换只发生在电感线圈与电容器之间。,I,U,U,U,U,R,=,L,C,RLC,串联谐振相量图,因为,当,X,L,=X,C,R,时，,U,L,和,U,C,都高于电源电压,U,。,因为串联谐振时,U,L和,U,C可能超过电源电压许多倍，所以串联谐振也称,电压谐振,。,49,例4.16在电阻、电感、电容串联谐振电路中，,L,=mH，,C,=pF，品质因数,Q,=，交流电压的有效值,U,=mV。试求：,（1）电路的谐振频率,f,0,。,（2）谐振时电路中的电流,I,。,（3）电容上的电压,U,C,。,（1）电路的谐振频率,（2）由于品质因数,故 R=,谐振时，电流为 I=U/R=,（3）电容两端的电压是电源电压的,Q,倍，即,U,C,=QU=,50,4.5.2 并联谐振,1,R,、,L,、,C,并联谐振电路,（1）谐振条件,+,U,-,I,I,B,I,R,I,L,I,C,RLC,并联谐振电路,电路的总电流相量,=,要使电路发生谐振，上式虚部为零，因此应,满足下列条件,即,谐振频率,为,I,R,I,I,U,C,L,相量图,51,（2）谐振电路特点,在,RLC,并联电路中，当,X,L,=,X,C,，即,时，从电源流出的电流最小，,电路的总电压与总电流同相，我们把这种现象称为,并联谐振,。,谐振时，电路中电流与电压同相，电路呈现阻性，谐振电流,并联谐振电路也引入品质因数,Q,，且与串联回路的,Q,值一样：,并联谐振电路的,特点,。,并联谐振电路的总阻抗最大。这与串联谐振电路相反。,并联谐振电路的总电流最小。这与串联谐振电路相反。,谐振时，回路阻抗为纯电阻，回路端电压与总电流同相。这与串联谐振电路相同。,RLC,并联谐振电路的特点有些与串联谐振电路相似，有些与串联谐振电路相反。,52,46,正弦交流电路中的功率,案例4.5,电类设备及其负载都要提供或吸收一定的功率。如某台变压器提供的容量为250kVA，某台电动机的额定功率为2.5kW，一盏白炽灯的功率为60W等等。由于电路中负载性质的不同，它们的功率性质及大小也各自不一样。前面所提到的感性负载就不一定全部都吸收或消耗能量。所以我们要对电路中的不同功率进行分析。,案例4.6,电力系统中的负载大多是呈感性的。这类负载不单只消耗电网能量，还要占用电网能量，这是我们所不希望的。日光灯负载内带有电容器就是为了减小感性负载占用电网的能量。这种利用电容来达到减小占用电网能量的方法称为无功补偿法，也就是后面我们提到的提高功率因数。,54,4.6.1 正弦交流电路中的功率,瞬时功率,Z,i,+,-,u,在电流、电压关联参考方向下，瞬时功率,由上可见，瞬时功率由两部分组成，,一部分是,恒定分量,，是一个与时间无关的量；另一部分是,正弦分量,，其频率为电源频率的两倍。,交流电路中的功率,因,所以,55,2平均功率（有功功率）,负载是要消耗电能的，其所消耗的能量可以用平均功率来表示。将一个周期内瞬时功率的平均值称为,平均功率,，也称,有功功率,。,纯电阻电路时，电压与电流同相，即,当电路为纯电感或纯电容电路时，电流与电压的相位差均为90,o,角均为电路负载的阻抗角，也就是电路中电压与电流的相位差。当负载一定时,cos,是一常数，称之为负载的功率因数，,角则称为,功率因数角,。,=0，,cos,=1，,P,，cos,=0,56,3无功功率,电路中的电感元件与电容元件要与电源之间进行能量交换，,在感性电路中，由于,为正值，所以Q为正值，即QLQC；在容性电路中，,为负值，所以Q为负值，,即Q,L,Q,C,。,显然，在既有电感又有电容的电路中，总的无功功率为QL与QC的代数和，即,Q,=,Q,L,-,Q,C,4视在功率,我们把额定电压与额定电流的乘积称为视在功率，,S,=,UI,视在功率常用来表示电器设备的容量，其单位为,伏安,。,某变频器铭牌,57,5功率三角形,将交流电路表示电压间关系的电压三角形的各边乘以电流,I,即成为,功率三角形,。,P,、,Q,、,S,三者之间的关系：,S,P,Q,6功率因数,功率因数cos，其大小等于有功功率与视在功率的比值，在电工技术中，一般用表示，当负载为纯电阻负载时，cos=1；但对大部分负载而言，功率因数一般在01之间：,电气设备,功率因数,计算机,0.6,异步电动机,0.60.9,工频感应加热炉,0.10.3,日光灯,0.50.6,58,例4.20 已知电阻,R,=，电感,L,=mH，电容,C,=F，串联后接到电压,V的电源上。求电路的,P,、,Q,和,S,。,电路的阻抗,根据,V，可知电压相量,V,因此电流相量为,电路的平均功率,电路的无功功率,电路的视在功率,59,462 功率因数的提高,案例4.7 在生产和生活中使用的电气设备大多属于感性负载，它们的功率因数都较低。如供电系统的功率因数是由用户负载的大小和性质决定的，在一般情况下，供电系统的功率因数总是小于1。,例如，变压器容量1000kVA，,cos,=1时能提供1000kW的有功功率，而在cos=0.7时则只能提供700kW的有功功率。,60,1功率因数低的危害,I,I,C,L,U,I,1,1)使发电设备容量不能充分利用。,2)增加输电线路上的损耗。,2提高功率因数的方法,常用的方法是在感性负载的两端,并联电容器,。,R,i,+,-,L,u,i,L,C,i,C,电路图,U,I,I,C,L,I,1,相量图,在电感性负载上并联了电容器以后，减少了电源与负载之间的能量互换。这时电感性负载所需的无功功率，大部分或全部由电容器供给，就是说能量的互换现在主要发生在电感性负载与电容器之间，因而使发电机容量能得到充分利用。,其次，由相量图可见，并联电容器以后线路电流也减小了，因而减小了功率损耗。,61,本 章 小 结,1.正弦交流电的基本概念,（1）正弦交流电的,三要素,（2）正弦交流电的有效值与最大值之间有 的关系。,（3）两个同频率正弦量的初相位角之差，称为,相位差,。两同频率的正弦量有同相、反相、超前和滞后的关系。,2.正弦交流电的表示法,正弦交流电可用,解析式、波形图和相量图,（相量复数式）三种方法来表示。,62,3正弦交流电路中单个参数元件的规律,元件名称,相量关系,有效值关系,相位关系,相量图,电阻,R,电感,L,电容,C,4,RLC,串联的交流电路,电压电流相量关系：,复阻抗：,阻抗模：,阻抗角：,63,5谐振电路,RLC,串联谐振电路:,谐振条件：,或,谐振频率：,6正弦交流电路的功率,有功功率：,无功功率：,视在功率：,7功率因数的提高,提高电路的功率因数对提高设备利用率和节约电能有着重要意义。一 般采用在感性负载两端并联电容器的方法来提高电路的功率因数。,64,本章结束,65,