电工电子技术及应用整本书课件电子教案.ppt

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基尔霍夫定律及应用,第一节电路及电路模型,电路是电流的通路，是为了某种需要由电工设备或电路元件按一定方式组合而成。,电路模型,手电筒的电路模型,为了便于分析电路,一般要将实际电路模型化，用理想电路元件或其组合来模拟实际电路中的器件，从而构成与实际电路相对应的电路模型。,例：手电筒,R,+,R,o,E,S,+,U,I,电池,导线,灯泡,开关,手电筒由电池、灯,泡、开关和筒体组成。,理想电路元件主要有电阻元件、电感元件、电容元件和电源元件等。,手电筒的电路模型,R,+,R,o,E,S,+,U,I,电池,导线,灯泡,开关,电池,是电源元件，其参数为电动势,E,和内阻,R,o,；,灯泡,主要具有消耗电能的性质，是电阻元件，其参数为电阻,R,；,筒体,用来连接电池和灯泡，其电阻忽略不计，认为是无电阻的理想导体。,开关,用来控制电路的通断。,今后分析的都是指电路模型，简称电路。在电路图中，各种电路元件都用规定的图形符号表示。,(1),实现电能的传输、分配与转换,(2),实现信号的传递与处理,放大器,扬声器,话筒,电路的作用,发电机,升压,变压器,降压,变压器,电灯,电动机电炉,.,输电线,第二节,电路的主要物理量及相互关系,物理中对基本物理量规定的方向,1.,电路基本物理量的实际方向,物理量,实 际 方 向,电流,I,正电荷运动的方向,电动势,E,(,电位升高的方向,),电压,U,(,电位降低的方向,),高电位,低电位,单 位,kA,、,A,、,mA,、,A,低电位,高电位,kV,、,V,、,mV,、,V,kV,、,V,、,mV,、,V,(2),参考方向的表示方法,电流：,U,ab,双下标,电压：,(1),参考方向,I,E,+,_,在分析与计算电路时，对电量任意假定的方向。,I,ab,双下标,2.,电路基本物理量的参考方向,a,R,b,箭 标,a,b,R,I,正负极性,+,a,b,U,U,+,_,实际方向与参考方向,一致,，电流,(,或电压,),值为,正值,；,实际方向与参考方向,相反,，电流,(,或电压,),值为,负值,。,(3),实际方向与,参考方向的关系,注意：,在参考方向选定后，电流,(,或电压,),值才有正负之分。,若,I,=5A,，,则电流从,a,流向,b,；,例：,若,I,=5A,，则电流从,b,流向,a,。,a,b,R,I,a,b,R,U,+,若,U,=5V则电压的实际方向从,a,指向,b,；,若,U,=5V,，则电压的实际方向从,b,指向,a,。,1,）电流定义,带电粒子或电荷在电场力作用下的定向运动,形成电流。,单位时间内流过导体截面的电荷量定义为电流强度。,2,）电流的单位,A,（安培）、,mA(,毫安）、,A,（微安）,3,、,电流,3,）电流的实际方向,正电荷运动的方向。,(,客观存在）,R,i,ab,a,b,电流的方向可用箭头表示,也可用字母顺序表示,(),1,）电位,定义：,电场力把单位正电荷从一点移到,参考点,所做,的功。,单位：,V,（伏特）、,kV,（千伏）、,mV(,毫伏）,（电路中电位,参考点：,接地点，,V,o,=04,、,电压,二、电压,电场力把单位正电荷,从一点移到另一点所,做的功。,单位：,定义：,V,（伏特）、,kV,（千伏）、,mV(,毫伏）,实际方向：,由,高,电位端,指向低,电位端,也可用字母顺序表示,(),，,R,U,A,B,也可用,+,，,-,号表示。,电压的方向可用箭头表示,+,U,-,定义：,电源力把单位正电荷从,“,-”,极,板经电源内部移到,“,+”,极板所,做的功。,单位：,5,、,电动势,V,（伏特）、,kV,（千伏）、,mV(,毫伏）,实际方向：,由,低,电位端,指向高,电位端,电动势的方向用,+,，,-,号表示，,R,+,I,E,U,+,-,也可用箭头表示。,U=E6,、电阻,1,）电阻的定义：导体对电流的阻碍作用，用字母,R,表示，单位为欧,姆,（,）。金属导体的电阻大小可用下式计算,=,式中，,l,为导体长度,(m),；,A,为导体横截面积（,m,2,）；,为导体电阻率（,m,）；各种不同金属材料的电阻率,是不同的。,2,）应用：在常用的导电材料中，银、铜、铝的电阻率都很小，即对电流的阻碍作用小。其中铜、铝被广泛用来制造各种导线，电机、变压器、电器的线圈及各种导电元器件。电阻率比较高的材料主要用来制造各种电阻元件，例如镍铬合金及铁铬铝合金的电阻率较高，并有长期承受高温的能力，因此常用来制造各种电热器件，如电炉、电熨斗、电热水器、电吹风等的发热电阻丝常用的滑线电阻、绕线电阻等也用镍、铬合金制造。,7,、,欧姆定律,U,、,I,参考方向相同时，,U,、,I,参考方向相反时，,R,U,+,I,R,U,+,I,表达式中有两套正负号：,式前的正负号由,U,、,I,参考方向的关系确定；,U,、,I,值本身的正负则说明实际方向与参考,方向之间的关系。,通常取,U,、,I,参考方向相同。,U,=,RI,U,=,RI,解：,对图,(a),有,U,=,RI,例：,应用欧姆定律对下图电路列出式子，并求电阻,R,。,对图,(b),有,U,=,RI,R,U,6V,+,2A,R,+,U,6V,I,(a),(b),I,2A,电路端电压与电流的关系称为伏安特性。,遵循欧姆定律的电阻称为线性电阻，它表示该段电路电压与电流的比值为常数。,I,/,A,U,/,V,o,线性电阻的伏安特性,线性电阻的概念：,线性电阻的伏安特性是一条过原点的直线。,第三节电阻的连接,一、电阻的串联,特点,:,1),各电阻一个接一个地顺序相联；,两电阻串联时的分压公式：,R,=,R,1,+,R,2,3),等效电阻等于各电阻之和；,4),串联电阻上电压的分配与电阻成正比。,R,1,U,1,U,R,2,U,2,I,+,+,+,R,U,I,+,2),各电阻中通过同一电流；,应用：,降压、限流、调节电压等。,二、电阻的并联,两电阻并联时的分流公式：,(3),等效电阻的倒数等于各电阻倒数之和；4),并联电阻上电流的分配与电阻成反比。,特点,:,(1),各电阻连接在两个公共的结点之间；,R,U,I,+,I,1,I,2,R,1,U,R,2,I,+,(2),各电阻两端的电压相同；,应用：,分流、调节电流等。,三、电阻的混联,实际应用中有时会遇到既有电阻串联又有电阻并联的电路，称为电阻的混联电路，如图所示。解混联电路，必须首先分清哪些是串联电阻，哪些是并联电阻，再运用前面学过的串联及并联电阻电路的特点去求解。对图中电路而言，其等效电阻（总电阻）,R,可用下式计算,R=R,1,+R,2,+,第四节电路的工作状态、开路及短路,开关闭合,接通电源与负载,负载端电压,U,=,IR,特征,:,一工作状态（负载状态）,电流的大小由负载决定。,在电源有内阻时，,I,U,。,或,U,=,E,R,0,I,电源的外特性,E,U,I,0,当,R,0,R,时，则,U,E,，表明当负载变化时，电源的端电压变化不大，即带负载能力强。,开关闭合,接通电源与负载。,负载端电压,U,=,R,I,特征,:,一、工作状态（负载状态）,电流的大小由负载决定。,在电源有内阻时，,I,U,。,或,U,=,E,R,o,I,UI,=,EI,R,o,I,P,=,P,E,P,负载,取用,功率,电源,产生,功率,内阻,消耗,功率,电源输出的功率由负载决定。,负载大小的概念,:,负载增加指负载取用的,电流和功率增加,(,电压一定,),。,电源与负载的判别,U,、,I,参考方向不同，,P,=,UI,0,，,电源,；,P,=,UI,0,，,负载,。,U,、,I,参考方向相同，,P,=,UI,0,，,负载,；,P=UI,0,，,电源,。,1.,根据,U,、,I,的,实际方向判别,2.,根据,U,、,I,的,参考方向判别,电源：,U,、,I,实际方向相反，即电流从,“,+,”,端流出，,（发出功率）,；,负载：,U,、,I,实际方向相同，即电流从,“,-,”,端流出。,（吸收功率）,。,电气设备的额定值,额定值,:,电气设备在正常运行时的规定使用值,电气设备的三种运行状态,欠载,(,轻载,),：,I I,N,，,P I,NP P,N,(,设备易损坏,),额定工作状态：,I=I,N,，,P=P,N,(,经济合理安全可靠,),1.,额定值反映电气设备的使用安全性；,2.,额定值表示电气设备的使用能力。,例：,灯泡：,U,N,=,220V,，,P,N,=,60W,电阻：,R,N,=,100,，,P,N,=,1 W,特征,:,开关 断开,二、,开路状态,I=,0,电源端电压,(,开路电压,),负载功率,U,=U,0,=E,P,=,0,1.,开路处的电流等于零；,I,=0,2.,开路处的电压,U,视电路情况而定。,电路中某处断开时的特征,:,I,+,U,有,源,电,路,电源外部端子被短接,三、,短路状态,特征,:,电源端电压,负载功率,电源产生的能量全被内阻消耗掉,短路电流（很大）,U,=,0,P,E,=,P=R,0,I,P,=,0,1.,短路处的电压等于零；,U,=0,2.,短路处的电流,I,视电路情况而定。,电路中某处短路时的特征,:,I,+,U,有,源,电,路,第五节,基尔霍夫定律及应用,支路：,电路中的每一个分支。,一条支路流过一个电流，称为支路电流。,节点：,三条或三条以上支路的联接点。,回路：,由支路组成的闭合路径。,网孔：,内部不含支路的回路。,I,1,I,2,I,3,b,a,+,-,E,2,R,2,+,-,R,3,R,1,E,1,1,2,3,例,1,：,支路：,ab,、,bc,、,ca,共,6,条）,回路：,abda,、,abca,、,adbca,（共,7,个）,节点,：,a,、,b,、,c,、,d,(,共,4,个）,网孔：,abd,、,abc,、,bcd,（共,3,个）,a,d,b,c,E,+,G,R,3,R,4,R,1,R,2,I,2,I,4,I,G,I,1,I,3,I,一、,基尔霍夫第一定律,电流定律,(,KCL),1,定律,即,:,入,=,出,在任一瞬间，流向任一节点的电流等于流出该节点的电流。,实质,:,电流连续性的体现。,或,:,=0,I,1,I,2,I,3,b,a,+,-,E,2,R,2,+,-,R,3,R,1,E,1,对节点,a,：,I,1,+,I,2,I,3,或,I,1,+,I,2,I,3,=0,基尔霍夫电流定律,（,KCL,）,反映了电路中任一节点处各支路电流间相互制约的关系。,电流定律可以推广应用于包围部分电路的任一假设的闭合面。,2,推广,I,=?,例,:,广义,节,点,I,=0,I,A,+,I,B,+,I,C,=0,A,B,C,I,A,I,B,I,C,2,+,_,+,_,I,5,1,1,5,6V,12V,在任一瞬间，沿任一回路绕行方向，回路中各段电压的代数和恒等于零。,二,基尔霍夫第二定律,电压定律（,KVL,),1,定律,即：,U,=0,在任一瞬间，从回路中任一点出发，沿回路绕行一周，则在这个方向上电位升之和等于电位降之和。,对回路,1,：,对回路,2,：,E,1,=,I,1,R,1,+,I,3,R,3,R,2,I,2,+,R,3,I,3,=,E,2,或,R,1,I,1,+,R,3,I,3,E,1,=0,或,R,2,I,2,+,R,3,I,3,E,2,=0,I,1,I,2,I,3,b,a,+,-,E,2,R,2,+,-,R,3,R,1,E,1,1,2,基尔霍夫电压定律,（,KVL,）,反映了电路中任一回路中各段电压间相互制约的关系。,1,列方程前,标注,回路绕行方向；,电位升,=,电位降,E,2,=,U,BE,+,R,2,I,2,U,=0,R,2,I,2,E,2,+,U,BE,=0,2,应用,U,=0,列方程时,，项前符号的确定：,如果规定电位降取正号，则电位升就取负号。,3.,开口电压可按回路处理,注意：,1,对回路,1,：,E,1,U,BE,E,+,B,+,R,1,+,E,2,R,2,I,2,_,例：,对网孔,abda,：,对网孔,acba,：,对网孔,bcdb,：,R,6,R,6,I,6,R,3,I,3,+,R,1,I,1,=0,R,2,I,2,R,4,I,4,R,6,I,6,=0,R,4,I,4,+,R,3,I,3,E,=0,对回路,adbca,，沿逆时针方向绕行,：,R,1,I,1,+,R,3,I,3,+,R,4,I,4,R,2,I,2,=0,应用,U,=0,列方程,对回路,cadc,，沿逆时针方向绕行,：,R,2,I,2,R,1,I,1,+,E,=0,a,d,b,c,E,+,R,3,R,4,R,1,R,2,I,2,I,4,I,6,I,1,I,3,I,三、,支路电流法,支路电流法：,以支路电流为未知量、应用基尔霍夫,定律（,KCL,、,KVL,）列方程组求解。,对上图电路,支,路数：,b,=3,节点数：,n,=2,1,2,b,a,+,-,E,2,R,2,+,-,R,3,R,1,E,1,I,1,I,3,I,2,3,回路数,=3,单孔回路（网孔）,=2,若用支路电流法求各支路电流应列出三个方程,1.,在图中标出各支路电流的参考方向，对选定的回路,标出回路绕行方向。,2.,应用,KCL对结点,列出,(,n,1),个独立的节点电流,方程。,3.,应用,KVL,对回路,列出,b,(,n,1),个,独立的回路,电压方程,（,通常可取,网孔,列出,）,。,4.,联立求解,b,个方程，求出各支路电流。,b,a,+,-,E,2,R,2,+,-,R,3,R,1,E,1,I,1,I,3,I,2,对节点,a,：,例,1,：,1,2,I,1,+,I,2,I,3,=0,对网孔,1,：,对网孔,2,：,R,1,I,1,+,R,3,I,3,=,E,1,R,2,I,2,+,R,3,I,3,=,E,2,支路电流法的解题步骤,:,(1),应用,KCL,列,(,n,-1),个节点电流方程,因支路数,b,=6,，,所以要列,6,个方程。,(2),应用,KVL,选网孔列回路电压方程,(3),联立解出,I,G,支路电流法是电路分析中最基本的方法之一，但当支路数较多时，所需方程的个数较多，求解不方便。,例,2,：,a,d,b,c,E,+,G,R,3,R,4,R,1,R,2,I,2,I,4,I,G,I,1,I,3,I,对节点,a,：,I,1,I,2,I,G,=0,对网孔,abda,：,R,G,I,G,R,3,I,3,+,R,1,I,1,=0,对节点,b,：,I,3,I,4,+,I,G,=0,对节点,c,：,I,2,+,I,4,I,=0,对网孔,acba,：,R,2,I,2,R,4,I,4,R,G,I,G0,对网孔,bcdb,：,R,4,I,4,+,R,3,I,3,=,E,试求检流计中的电流,I,G,。,R,G,第六节 电路元件,由于在电路分析计算中，只研究电能与负载之间的相互能量转换关系，因此对电路实行控制、保护、测量的辅助环节一般均予忽略，不加考虑。这样就可以把理想电路的元件按负载及电源而分为理想无源元件和理想电源元件两大类。,一、理想无源元件,理想无源元件包括理想电阻元件、理想电容元件、理想电感元件三种。简称电阻元件（电阻）、电容元件（电容）和电感元件（电感）。这样，电阻、电容和电感这三个名词既代表了三种电路元件，又是表征它们量值和大小的实际元、器件。其中电阻是表征电路中消耗电能的元件，电容是表征电路中储存电场能的元件，电感是表征电路中储存磁场能的元件。,二、理想电源元件,理想电源元件是从实际电源中抽象出来的。当实际电源本身的功率损耗可忽略不计而只起电源作用时，这种电源便可以用一个理想电源来表示，理想电源可理想电压源和理想电流源两种。,1,、理想,电压源（恒压源）,电压源模型,由上图电路可得,:,U,=,E R,0,I,若,R,0,=0,理想电压源,:,U,E,U,0,=,E,电压源的外特性,I,U,I,R,L,R,0,+,-,E,U,+,理想电压源是由电动势,E,和内阻,R,0,串联的电源的电路模型。,若,R,0,R,L,，,I,I,S,，可近似认为是理想电流源。,电流源,电流源模型,R,0,U,R,0,U,I,S,+,理想电流源（恒流源,),例,1,：,(2),输出电,流是一定值，恒等于电流,I,S,；,(3),恒流源两端的电压,U,由外电路决定。,特点,:,(1),内阻,R,0,=,；,设,I,S,=10 A,，接上,R,L,后，恒流源对外输出电流。,R,L,当,R,L,=1,时，,I,=10A,，,U,=10 V,当,R,L,=10,时，,I,=10A,，,U,=100V,外特性曲线,I,U,I,S,O,I,I,S,U,+,_,电流恒定，电压随负载变化。,3,、实际,电压源与实际电流源的,等效变换,由图,a,：,U,=,E,R,0,I,由图,b,：,UR,0,I,S,R,0,I,I,R,L,R,0,+,E,U,+,电压源,等效变换条件,:,E,=,R,0,I,S,R,L,R,0,U,R,0,U,I,S,I,+,电流源,等效变换,时，两电源的,参考方向,要一一对应。,理想电压源与理想电流源之间无等效关系。,电压源和电流源的等效关系只,对,外,电路而言，,对电源,内部则是,不等效的。,注意事项：,例：当,R,L,=,时，,电压源的内阻,R,0,中不损耗功率，,而电流源的内阻,R,0,中则损耗功率。,任何一个电动势,E,和某个电阻,R,串联的电路，,都可化为一个,电流为,I,S,和这个电阻并联的电路。,R,0,+,E,a,b,I,S,R,0a,b,R,0,+,E,a,b,I,S,R,0,a,b,第,二,章 交流电路,第一节 正弦交流电量的三要素,第二节 正弦交流电的表示法及简单运算,第三节 单一参数正弦交流电路,第四节 串联交流电路,第五节 功率因数的意义及提高方法,第六节 三相交流电路,第一节,正弦交流电量的三要素,正弦量：,随时间按正弦规律做周期变化的量。,R,u,+,_,_,_,i,u,+,_,正弦交流电的优越性：,便于传输；易于变换,便于运算；,有利于电器设备的运行；,.,正半周,负半周,R,u,+,_,第一节,正弦交流电量的三要素,设正弦交流电流：,角频率：,决定正弦量变化快慢,幅值：,决定正弦量的大小,幅值、角频率初相角成为正弦量的三要素。,初相角：,决定正弦量起始位置,I,m,2,T,i,O,一、交流电的,周期、频率和角频率,周期,T,：,变化一周所需的时间 （,s,）,角频率：,（,rad/s,）,频率,f,：,（,Hz,）,T,*,无线通信频率：,30 kHz 3,0,GMHz,*,电网频率：,我国,50 Hz,，美国,、日本,60 Hz,*,高频炉频率：,200 300 kHZ,*,中频炉频率：,500 8000 Hz,i,O,二、交流电的瞬时值、最大值和有效值,1.,瞬时值,交流电在变化过程中某一时刻的值称为瞬时值。规定用英文小写字母,、,等表示。瞬时值是时间的函数，只有具体指出哪一时刻，才能求出确切的数值与方向。,2.,最大值,数值最大的瞬时值称最大值（又称峰值），用带有下标,m,的英文大写字母表示，如,、,和 等。,3.,有效值,正弦交流电在实际中常用有效值来计量，如铭牌所示的参数及仪表指示值一般都是指有效值。,有效值是根据电流的热效应来定义的，即某一交流电流通过电阻,R,，经过一周期所产生的热量与另一直流电流通过相同电阻经过相同时间所产生的热量相等，即以此直流电流的数值作为交流电流的有效值。按照规定，有效值用英文大写字母表示，如 、,、,等。,峰值与有效值,有效值：,与交流热效应相等的直流定义为交流电的有效值。,峰值：,I,m,、,U,m,、,E,m,则有,交流,直流,峰值必须大写,下标加,m,。,同理：,有效值必须大写,注意：,交流电压、电流表测量数据为有效值,交流设备名牌标注的电压、电流均为有效值,给出了观察正弦波的起点或参考点,。,:,1,、,相位：,2,、初相位：,表示正弦量在,t,=0,时的相角。,反映正弦量变化的进程。,i,O,三、交流电的相位、初相位和相位差,如：,若,电压超前,电流,两,同频率,的正弦量之间的初相位之差。,3,、相位差,：,u,i,u,i,t,O,电流超前电压,电压与电流,同相,电流超前电压,电压与电流反相,u,i,t,u,i,O,u,i,t,u,i,90,O,u,i,t,u,i,O,t,u,i,u,i,O,不同频率的正弦量比较无意义。,两同频率的正弦量之间的相位差为常数，,与计时的选择起点无关。,注意,:,t,O,第二节,正弦量的表示法及简单运算,三角函数式表示法,波形图表示法,.,正弦量的表示方法,必须,小写,相量表示法,u,O,2.,正弦量用旋转有向线段表示,设正弦量,:,若,:,有向线段长度,=,有向线段以速度,按逆时针方向旋转,则,:,该旋转有向线段每一瞬时在纵轴上的投影即表示相应时刻正弦量的瞬时值。,有向线段与横轴夹角,=,初相位,u,0,x,y,O,O,1.,电压与电流的关系,设,大小关系：,相位关系：,u,、,i,相位相同,根据欧姆定律,:,频率相同,相位差 ：,矢量图,第三节 单一参数正弦交流交流电路R,u,+,_,一、纯电阻电路,2.,功率关系,(1),瞬时功率,p,：,瞬时电压与瞬时电流的乘积,小写,结论,:,（耗能元件）,且随时间变化。,p,i,t,u,O,t,p,O,i,u,瞬时功率在一个周期内的平均值,大写,(2),平均功率,(,有功功率,),P,单位,:,瓦（,W,）,P,R,u,+,_,p,p,t,O,注意：通常铭牌数据或测量的功率均指有功功率。,基本,关系式：,频率相同,U,=,I,L,电压超前电流,90,相位差,1.,电压与电流的关系,二、纯,电感电路,设：,+,-,e,L,+,-,L,u,t,u,i,i,O,或,则,:,感抗,(),电感,L,具有通直阻交的作用,直流：f=,0,X,L,=0,，电感,L,视为,短路,定义：,有效值,:,交流：,f,X,L,感抗,X,L,是频率的函数,矢量图,超前,根据：,O,2.,功率关系,(1),瞬时功率,(2),平均功率,L,是非耗能元件,储能,p,0,分析：,瞬时功率,：,+,p,0,p,0,充电,p,0,充电,p,X,C,时,，,0,，,u,超前,i,呈,感性,当,X,L,X,C,时，,0,，,u,滞后,i,呈,容性,当,X,L,=,X,C,时，,=,0,，,u.,i,同相,呈,电阻性,由电路参数决定。,2.,功率关系,储能元件上的瞬时功率,耗能元件上的瞬时功率,在每一瞬间,电源提供的功率一部分被耗能元件消耗掉,一部分与储能元件进行能量交换。,(1),瞬时功率,设：,R,L,C,+,_,+,_,+,_,+,_,(2),平均功率,P,（有功功率）,单位,:W,总电压,总电流,u,与,i,的夹角,cos,称为功率因数，用来衡量对电源的利用程度。,(3),无功功率,Q,单位：,var,总电压,总电流,u,与,i,的夹角,根据电压三角形可得：,电阻消耗的电能,根据电压三角形可得：,电感和电容与电源之间的能量互换,(4),视在功率,S,电路中总电压与总电流有效值的乘积。,单位：,VA,注：,S,N,U,N,I,N,称为发电机、变压器 等供电设备的容量，可用来衡量发电机、变压器可能提供的最大有功功率。,P,、,Q,S,都不是正弦量，不能用矢量表示。,阻抗三角形、,电压三角形、,功率三角形,S,Q,P,将电压三角形的有效值同除,I,得到阻抗三角形,将电压三角形的有效值同乘,I,得到功率三角形,R,例,1,：,已知,:,求,:(1),电流的有效值,I,与瞬时值,i,;(2),各部分电压的有效值与瞬时值；,(3),作相量图；,(4),有功功率,P,、无功功率,Q,和视在功率,S,。,在,RLC,串联交流电路中，,解：,(1),(2),通过计算可看出：,而是,(3),相量图,(4),或,(4),或,呈容性,第五节,功率因数,的意义及提高方法,一,.,功率因数,:,对电源利用程度的衡量,。,X,+,-,的,意义：电压与电流的相位差，阻抗的辐角,时,电路中发生能量互换,出现无功,当,功率,这样引起两个问题,:,(1),电源设备的容量不能充分利用,若用户：则电源可发出的有功功率为：,若用户：则电源可发出的有功功率为：,而需提供的无功功率为,:,所以,提高 可使发电设备的容量得以充分利用,无需提供的无功功率。,二,.,功率因数,cos,低的原因,（,2,）增加线路和发电机绕组的功率损耗,(,费电,),所以要求,提高电网的功率因数对国民经济的发展有重要的意义。,设输电线和发电机绕组的电阻为,:,要求,:,(,、,定值,),时,所以,提高 可减小线路和发电机绕组的损耗。,(,导线截面积,),日常生活中多为,感性负载,-,如电动机、日光灯，其等效电路及矢量关系如下图。,矢量图,+,-,+,-,+,-,感性等效电路,40W220V,白炽灯,例,40W220V,日光灯,供电局一般要求用户的,否则受处罚,。,常用电路的功率因数,纯电阻电路,R-L-,C,串联电路,纯,电感电路或,纯电容电路,电动机,空载,电动机 满载,日光灯,（,R,-,L,串联电路）,三,.,功率因数的,提高,(2),提高功率因数的措施,:,必须保证,原负载的工作状态不变。,即：,加至负载上的电压和负载的有功功率不变。,在感性负载两端并电容,I,(1),提高功率因数的原则：,+,-,结论,并联电容,C,后：,(2),原感性支路的工作状态不变,:,不变,感性支路的,功率因数,不变,感性支路的电流,(3),电路总的有功功率不变,因为电路中电阻没有变，,所以消耗的功率也不变。,(1),电路的总电流 ，电路总功率因数,I,电路总视在功率,S,四,.,并联电容值的计算,相量图,:,又由矢量图可得：,即,:,+,-,思考题,:,1.,电感性负载采用串联电容的方法是否可提高功率因数,为什么,?,2.,原负载所需的无功功率是否有变化,为什么,?,3.,电源提供的无功功率是否有变化,为什么,?,例,1:,解：,(1),（,2,）如将 从,0.95,提高到,1,，试问还需并多,大的电容,C,。,（,1,）如将功率因数提高到,需要,并多大的电容C,求并,C,前后的线路的电流。,一感性负载,其功率,P,=10kW,，,接在电压,U,=220V,=50Hz,的电源上,。,即,即,求并,C,前后的线路电流,并,C,前,:,可见,:cos,1,时再继续提高，则所需电容值很大（不经济），所以一般不必提高到,1,。,并,C,后,:,(2),从,0.95,提高到,1,时所需增加的电容值,例,2:,解：,(1),电源提供的电流为：,电源的额定电流为：,(1),该电源供出的电流是否超过其额定电流？,已知电源,U,N,=220V,=50Hz,，,S,N,=10kV,A,向,P,N,=6kW,U,N,=220V,，的感性负载供电，,(2),如并联电容将 提高到,0.9,，电源是否还有,富裕的容量？,例,2:,该电源供出的电流超过其额定电流。,（,2,）如将 提高到,0.9,后，电源提供的电流为：,该电源还有富裕的容量。即还有能力再带负载；所以提高电网功率因数后，将提高电源的利用率。,第,六节,三相交流电路,本节要求：,1.,搞清对称三相负载,Y,和,联结时相线电压、相线,电流关系。,2.,掌握三相四线制供电系统中单相及三相负载的正,确联接方法，理解中线的作用。,3.,掌握对称三相电路电压、电流及功率的计算。,三相交流发电机示意图,一、,三相电源,1.,三相电源的产生,工作原理：动磁生电,(,尾端,),+,e,U,e,V,e,W,U2,U1,V1,V2,W1,W2,(,首端,),+,+,+,+,_,_,e,e,U1,U2,三相绕组示意图,电枢绕组及其电动势,定子,转子,W2,U1,U2,V2,N,S,W1,-,+,V1,三相电动势瞬时表示式,铁心,（作为导磁路经）,三相绕组,匝数相同,空间排列互差,120,:,直流励磁的电磁铁,定子,转子,发电机结构,对称三相电动势的瞬时值之和为,0,三相交流电到达正最大值的顺序称为相序。,最大值相等,频率相同,相位互差,120,称为对称三相电动势,三个正弦交流电动势满足以下特征,供电系统三相交流电的相序为,U,V,W,2.,三相电源的星形联结,(1),联接方式,中性线,(,零线、地线,),中性点端线,(,相线、火线,),在低压系统,中性点通常接地，所以也称地线。,相电压,：端线与中性线间（发电机每相绕组）的电压,线电压,：端线与端线间的电压,、,U,p,+,+,+,、,U,l,U2,Y,Z,N,V,W,U,e,U,+,e,W,+,e,V,+,+,+,+,(2),线电压与相电压的关系,根据,KVL,定律,由相量图可得,相量图,30,U,X,Y,Z,N,V,W,e,U,+,e,W,+,e,V,+,+,+,+,+,+,+,同理,3.,三相电源的三角形联结,+,+,+,V,U,W,三相负载,不对称三相负载：,不满足,Z,U,=,Z,V,=,Z,W,如由单相负载组成的三相负载,对称三相负载：Z,U,=,Z,V,=,Z,W,如,三相电动机,二,.,三相负载,分类,单相负载：,只需一相电源供电,照明负载、家用电器,负载,三相负载：,需三相电源同时供电,三相电动机等,三相负载的联接,三相负载也有,Y,和,两种接法，至于采用哪种方法，要根据负载的额定电压和电源电压确定。,三相负载连接原则,（,1,）电源提供的电压,=,负载的额定电压；（,2,）单相负载尽量均衡地分配到三相电源上。,U,V,电源,W,保险丝,三相四线制,380/220,伏,N,额定相电压为,220,伏的单相负载,额定线电压为,380,伏的三相负载,三相负载星形联结,线电流：,流过端线的电流,相电流：,流过每相负载的电流,结论：,负载,Y,联,结时，线电,流等于相电,流。,Y:,三相三线制,Y,N,：三相四线制,(1),联结形式,+,Z,V,Z,W,Z,U,N,N,+,+,N,负载中性点,N,电源中性点,(2),负载,Y,联结三相电路的计算,1),负载端的线电压电源线电压,2),负载的相电压电源相电压,3),线电流相电流,Y,联结时：,4),中线电流,负载,Y,联结带中性线时,可将各相分别看作单相电路计算,+,Z,V,Z,W,Z,U,N,N,+,+,负载对称时,中性线无电流,可省掉中性线。,(3),对称负载,Y,联结三相电路的计算,所以负载对称时，,三相电流也对称。,负载对称时，只需计算一相电流，其它两相电流可根据对称性直接写出。,+,Z,V,Z,W,Z,U,N,N,+,+,N,+,+,+,+,例,1,：,N,+,+,+,N,R,U,R,V,R,W,U,W,V,若,R,U,=,R,V,=,R,W,=5,，求线电流及中性线电,若,R,U,=5,R,V,=10,R,W,=20,求线电流及,一星形联结的三相电路，电源电压对称。设电源线电压 。负载为,电灯组，,流,I,N,;,中性线电流,I,N,。,中性线电流,解：,已知：,(1),线电流,三相对称,N,+,+,+,N,R,U,R,V,R,W,U,W,V,(2),三相负载不对称,（,R,U,=5,、,R,V,=10,、,R,W,=20,）,分别计算,各线电流,中性线电流,例,2,：照明系统故障分析,解,:,(,1,),U,相短路,1),中性线未断,N,R,U,R,W,R,V,U,V,N,W,此时,U,相短路电流很大，将,U,相熔断丝熔断，而,V,相和,W,相,未受影响，其相电压,仍为,220V,正常工作。,在上例中，试分析下列情况,(1)U,相短路,:,中性线未断时，求各相负载电压；,中性线断开时，求各相负载电压。,(2)U,相断路,:,中性线未断时，求各相负载电压；,中性线断开时，求各相负载电压。,此情况下，,B,相和,C,相的电灯组由于承受电压上所加的电压都超过额定电压（,220V),，这是不允许的。,2),U,相短路,中性线断开,时,此时负载中性点,N,即为,U,因此负载各相电压为,U,V,N,W,N,i,U,i,W,i,V,+,+,+,(2)U,相断路,2),中性线断开,V,、,W,相灯仍承受,220V,电压,正常工作。,1),中性线未断,变为单相电路，,如图,(b),所示,由图可求得,I,V,W,U,U,U,V,+,+,(b),N,R,U,R,W,R,V,U,V,N,W,(a),结论,（,1,）不对称负载,Y,联结又未接中性线时，负载相电压不再对称，且负载电阻越大，负载承受的电压越高。,（,2,）中线的作用：保证星形联结三相不对称负载的相电压对称。,（,3,）照明负载三相不对称，必须采用三相四线制供电方式，且中性线（指干线内不允许接熔断器或刀闸开关。,1.,联结形式,三相,负载的三角形联结,线电流,:,流过端线的电流,相电流,:,流过每相负载的电流,、,Z,UV,Z,VW,Z,WU,U,W,V,+,+,+,线电流不等于相电流,(2),相电流,(1),负载相电压,=,电源线电压,即,:,U,P,=,U,L,一般电源线电压对称，因此不论负载是否对称，负载相电压始终对称,即,2.,分析计算,相电流：,线电流：,U,UV,=,U,VW,=,U,WU,=,U,L,=,U,P,Z,UV,Z,VW,Z,WU,U,W,V,+,+,+,相量图,VW,AB,WU,VW,UV,WU,30,负载对称时,相电流对称,，即,V,W,(3),线电流,由相量图可求得,为此线电流也对称，即 。,线电流比相应的相电流,滞后,30,。,三相负载的联接原则,负载的额定电压,=,电源的线电压,应作,联结,负载的额定电压,=,电源线电压,应作,Y,联结,应使加于每相负载上的电压等于其额定电压，而与电源的联接方式无关。,三相电动机绕组可以联结成星形，也可以联结成三,角形，而照明负载一般都联结成星形（具有中性线）。,四、,三相功率,无论负载为,Y,或,联结，每相有功功率都应为,P,p,=,U,p,I,p,cos,p,对称负载,联结时：,同理,对称负载,Y,联结时：,相电压与相,电流的相位差,当负载对称时：,P=,3,U,p,I,p,cos,p,所以,有一三相电动机,每相的等效电阻,R,=29,等效,感抗,X,L,=21.8,试求下列两种情况下电动机的相电流、,线电流以及从电源输入的功率，并比较所得的结果：,(1),绕组联成星形接于,U,L,=380 V,的三相电源上,;,(2),绕组联成三角形接于,U,L,=220 V,的三相电源上。,例,1:,解,:,(1),(2),比较,(1),(2),的结果,:,有的电动机有两种额定电压,如,220/380 V,。,当电源电压为,380 V,时,电动机的绕组应联结成星形；,当电源电压为,220 V,时,电动机的绕组应联结成三角形。,在三角形和星形两种联结法中,相电压、相电流,以及功率都未改变,