交流电路基础及应用.

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1、5-1交流电的 基本概念 o一.什么是交流电 o 交流电的方向随着时间的变化而变化. o （电压的大小和方向都不随时间的变化而变化的电流称为稳 恒直流电.） o 家庭电源插座上电压的波形,电压的大小和方向 按正弦规律变化,所以称为正弦交流电. o二、交流电的产生 交流电可以由交流发电机提供，也可由交流发电 机提供.也 可由震荡器产生. 交流发电机主要用于提供电能. 震荡器主要用于产生各种交流信号. o瞬时值表达式 o也称解析式 o三、正弦交流电的周期、频率和角频率 o四、正弦交流电的最大值、有效值和平均值. o五、正弦交流电的相位与相位差 5-2 正弦交流电的 相量图表示法 o应用相量图时注意

2、以下几点 ： o1、同一相量图中，各正弦交流电的频率应相同 o2、同一相量图中，相同单位的相量应按相同比例画出 o3、一般取直角坐标轴的水平正方向为参考方向逆时针转动的 角度为正，反之为负。 5-3 纯电阻电路 o交流电路中如果只需考虑电阻的作用这种电路称为纯电阻电路 (如白炽 灯,卤钨灯,电暖气,工业电阻炉等的电路都可近似的看成是纯电阻电路) o一、 电流与电压的相位关系 o i o在正弦电压的作用下电阻中通过的电流也是一个同频率的正弦 交流电流且与加在电阻两旁的电压同相位. o二、电流与电压的数量关系 o 通过电阻的最大电流 o同时除以 得： o三、 功率 在任意瞬间电阻中电流瞬间值与同一

3、瞬间的电阻两端电压的瞬间值的乘积 ，称为电阻获取的瞬间功率，用 表示，即 o结论： o 电阻总是要消耗功率因此 电阻是一种耗能元件 o通常用电阻在交流电一个周期内消耗的 功率的平均值来表示功率的大小叫做平 均功率.平均功率又称为有功功率,用P 表示,单位仍是W 5-4 纯电感电路 o一、电感对交电流的阻碍作用 o电感的感抗与频率的关系可以概 括为： o 通直流，阻交流，通低频， 阻高频。 o因此电容也被称为低通元件 o二、电流与电压的关系 o 由电阻很小的电感线圈组成的交流电路,可以近似地看做是纯 电感电路 o 在纯电感电路中，电流与电压成正比,与感抗成反比，即 o o o感抗只是电压与电流最

4、大 值的比值，而不是电压与 电流瞬时值的比值，Xl= 这是因为u和i的相位不同 o三 、功率 o 纯电感电路不消耗能量,电感是一种储能元件 o 不同的电感与电源转换能量的多少也不同. 通常用瞬时功率的最大值来反映电感与电源 之间转换能量的规模，称为无功功率 用 表示.单位名称是乏，用符号Var。 o o无功功率并不是“无用功率”，“无功” 两字的含义是说它没有被消耗掉。实 际上许多具有电感性质的电动机变压 器等设备都是根据电磁转换原理利用 无功功率而工作的。 5-5 纯电容电路 一、电容对交流电的阻碍作用 电容器对交流电的阻碍作 用叫做容抗，用Xc表示，单位 。 o电容的容抗与频率的关系可以概

5、 括为： o 隔直流，通交流，阻低频， 通高频。 o因此电容也被称为高通元件 o容抗的大小与那些因素有关： o（1）电容器的电容量越大，容抗越小。 o（2）交流电的频率越高，电容器的容量 越小。 计算式为： 二、电流与电压关系 o把电容器接到交流电源上，如果电容器的电阻和分 布电感可以忽略不计，可以把这种电路近似的看成 是纯电容电路 o在纯电感电路中，电流与电压成正 比，与容抗成反比，即 o（这就是纯电容电路欧姆定律表达式。） o设电压 为参考正弦量，电流i的瞬 时值表达式为 o三、功率 o纯电容电路无功功率为： 容量为40F的电容接在 的电源上，试求： （1）电容的电抗 （2）电流的有效值

6、（3）电流的瞬时值表达式 （4）电路的无功率 5-6 RLC串联电路 一、电压与电流关系 oRLC串联电路的总电压瞬时值等于多个元件上电压瞬 时值之和，即 二、电路的电感性、电容性、和电阻性 o1、电感性电路 o 当 时，则 阻抗角 0,电路程电感性，电压超前电流 角。 o2、电容性电路 o 当 时，则 阻抗角 0,电路程电容性，电压滞后电流 角。 o3、电阻性电路 o当 时，则 阻抗角 0,电路程电容性，电压滞后电流 角。 三、功率 o在RLC串联电路中，只有电阻是消耗功率的，所以 在RLC串联电路中的有功功率就是电阻上所消耗的 功率，即 o电路的无功功率为电感和电容上的无功功率之差即 o

7、o o电压与电流的有效值的乘积定义为视在功率 ，用S表示，单位为伏安（VA）。 o视在功率S与有功功率P和无功功率Q的关系 为： o式中 ，称为功率因数。 三相交流电路 现代电力工程上几乎都采用三相四线制。三相交流 供电系统在发电、输电和配电方面较单相供电具有很 多不可比拟的优点，主要表现在： 1.三相电机产生的有功功率为恒定值，因此电机的 稳定性好。 2.三相交流电的产生与传输比较经济。 3.三相负载和单相负载相比，容量相同情况下体积 要小得多。 由于上述优点，使三相供电在生产和生活中得到了 极其广泛的应用。 三相定子绕组对称嵌放 在定子铁心槽中。 定子铁心 尾端： X Y Z 3.1 3.

8、1 三相电源的连接方式三相电源的连接方式 三相交流电是由三相发电机产生的。发电机主要由定 子和转子两大部分构成。 A A X X B B Y Y C C Z Z 定子绕组 首端： A B C + + 转子铁心转子绕组 转子绕组通电后产生磁场 。 转轴 N S 三相定子绕组与旋转磁场相切 割，感应对称三相电动势。 原动机带动转子绕轴旋 转，形成气隙旋转磁场。 电路分析中很少用电动势，通常用电压来表示。以A 相绕组的感应电压为参考正弦量，则发电机感应的对三 相电压分别为： 1. 对称三相交流电的特点 u uA A u uB B u uC C u 0 T t 对称三相交流电最大值相等，频率相同，相位

9、互差对称三相交流电最大值相等，频率相同，相位互差120120。 120 UB U UA A U UC C 120 120 三相电源Y接时的三个相电压显然是对称的！ 2. 三相电源的星形（Y）连接方式 X X Y Y Z Z A A C C B B N N uA uB uC 三相电源尾 端连在一起 三相电源首端分别向外 引出端线，俗称火线。 尾端公共点向外引出的导线 称为中线，中线俗称零线。 显然火线与零线之间的 电压等于发电机绕组的 三相感应电压相电压 火线与火线之间的电压称为线电压。 uAB uBC uCA 结论结论：三相电源绕组作Y形连接时，可以向负载提供两种 电压。此种供电系统称为三相四

10、线制。 数量上，线电压uAB是相电压uA的1.732倍；相位上，线电 压超前与其相对应的相电压30电角！ 三相电源Y接时线、相电压之间的关系 三个相电压对称 电源的中性点总是接地的，因此相电 压在数值上等于各相绕组首端电位。 线电压与相电压之间的关系 UB U UA A U UC C 120 120 120 电压等于两 点电位之差 -UB U U ABAB 30 同理可得 U U BCBC U U CACA 显然，电源Y接时的三个线电压也是对称的！ UC- 30 UA - 30 3. 三相电源的三角形（）连接方式 显然发电机绕组作接时只能向负载提供一种电压！ 三相电源首尾 相接构成闭环 在电源

11、的三个连接点处 分别外引三根火线。 显然，电源绕组作接 时，线电压等于发电机绕 组的三相感应电压。 发电机三相绕组作接时，不允许首尾端接反！否则将在 三角形环路中引起大电流而致使电源过热烧损。 uAB uBC uCA 结论结论：三相电源绕组作接时，线电压等于电源绕组的感 应电压。此种供电系统称为三相三线制。通常电源 绕组的连接方式为星形。 X X Y Y Z Z uA uC uB A A B B C C B B C C A A 日常生活与工农业生产中，多数用户的电压等级为: 三相电源绕组连接成Y接方式的最大优越性就是可 向负载提供两种不同的电压，且其中线电压是发电 机一相绕组感应电压的1.73

12、2倍！ 三相四线制供电系统两种电压一般表示为 或 验电笔的正确握法如下图示 你能说出对称 三相交流电的 特征吗？ 你会做吗？你会做吗？ 三相四线制供电体制 中，你能说出线、相 电压之间的数量关系 及相位关系吗？ 如何用验电笔或400V以上 的交流电压表测出三相四线制 供电线路上的火线和零线？ 电笔头与被测导线接触时， 使氖管发光的是火线，不发 光的是零线。 利用一块电压表的测 量，你能正确判断出火 线和零线吗？ 3.2 3.2 三相负载的连接方式三相负载的连接方式 三相负载也有Y形和形两种连接方式。 1. 三相负载的Y形连接 Z A A C C B B N Z Z iA线电流 由连接方式决定了

13、 相电流 uA uB uC Y接时负载端电压等于电源相电压 (1)对称三相负载 满足 称为对称三相负载。 Y接对称三相负载中通过的电流 iN Y接对称三相电流对称，因此 对称负载Y接时，由 于中线电流为零，中线 不起作用，可以拿掉！ 电源线电压为380V，对称三相负载Y接，Z=3+j4， 求：各相负载中的电流及中线电流。 设 根据对称关系： 对称三相电路的计算可 归结为一相电路计算，其 它两相根据对称关系可直 接写出。 结论：结论： 则 有 解得 中线电流 实用中，三相电动机、变压器等都是对称三相负载。 已知电源线电压为380V。三相Y接照明负载均为“220V、 40W”白炽灯50盏，求：U相

14、开路，V相开25盏，W相灯全 开时各相电流及中线电流。 (2)不对称三相负载 时，称之为不对称三相负载。 求解不对称三相负载电路时，只要电路中有中线，就可把 各相按照单相电路的分析方法分别计算，注意此时中线电流 不等于零！ U相开路相当于断路， U U V V WW N N 有中线，V相 和W相正常工作，电流分别为： 应用实例应用实例照明电路 U U V V WW N N UB U UA A U UC C 显然，中线保证了Y接不对 称三相负载的相电压平衡。有 了中线，各相情况互不影响。 中线电流由相量图分析 问题及讨论问题及讨论 上述照明电路若中线因故断开， 且发生：(1)一相断路；(2)一相

15、短 路；情况又如何？ (1)无中线一相断路时， 其余两相相当于串联接于 380V线电压上： V相、，W相均不能正常工作！ 问题及讨论问题及讨论 (2)无中线一相短路时； U U V V WW N N 此时，V相和W相均通过短路相分别 形成回路，各相端电压为380V，高于 额定电压220V，显然都会被烧损。 负载不对称而又没有中线时，负载上可能得到大小不等的 电压，当有的超过用电设备的额定电压时，可能烧损或减少 使用寿命；而有的达不到额定电压不能正常工作。如前面所 讲到的照明电路，由于中线断开且一相发生故障，由此造成 各相负载的不对称。换句话讲，如果有中线，当一相发生故 障时，其它无故障负载相仍能正常工作。因此，对通常工作 在不对称情况下的三相电路而言，中线绝对不允许断开！而 且必须保证中线可靠。为确保中线在运行中不断开，中线上 不允许安装保险丝和开关。 关于中线的讨论关于中线的讨论 2. 负载的形连接 A A C C B B 线电流 三相负载首尾相接构成一个闭环， 相电流 对三个结点列KCL方程可得： 相量图分析 接时负载的端电压等于电 源线电压。由于三个线电压对 称，因此三个相电流对称。 Z Z Z iA 由三个联结点分别向外引出端线。 iAB iB iC iBC iCA (1)三相负载对称时 -IBC IA ICA- IB IAB - IC 观察相量图可得： uAB uBC