《电工电子技术-赵景波-第2章》由会员分享，可在线阅读，更多相关《电工电子技术-赵景波-第2章（88页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、 理解正弦量的3要素 相位差 有效值等概念与物理意义 并会求解计算 了解参考正弦量的意义及应用 了解正弦量的相量表示方法 理解电阻 电感和电容的相量形式的伏安关系及其意义 了解感抗频率特性与容抗频率特性的意义 理解KCL KVL的相量形式及其应用 了解串 并联谐振 理解和会计算正弦稳态电路的平均功率 了解提高功率因数的意义 掌握提高功率因数的方法 掌握三相电路中电源及负载的连接方法 掌握相电压与线电压 相电流与线电流在对称三相电路中的相互关系 掌握对称三相电路电压 电流和功率计算 理解安全用电的基本概念 掌握安全用电的基本知识和安全用电的基本措施 掌握触电现场的一些必要的抢救技能 第2章正弦交
2、流电路 2 1正弦交流电的基本知识2 2单一参数正弦交流电路2 3简单正弦交流电路的分析2 4三相正弦交流电路2 5安全用电技术2 6实验1RLC电路的阻抗特性和谐振电路2 7实训简单照明电路的装接2 8实验2功率因数的提高2 9实验3三相电路中负载的连接2 10实验4三相功率的测量 本章大纲 2 1正弦交流电的基本知识 在电路中 电压 电流的大小和方向都不随时间变化的电流称为直流电 电压 电流的大小和方向随时间变化的电流称为交流电 中图 a 所示为稳恒直流电流 图 b 所示为波动直流电流 图 c 所示为正弦交流电流 图 d 所示为非正弦交流电流 图2 1电流的变化曲线 2 1 1正弦交流电的
3、特征参数 1幅值正弦交流电在变化过程中任一瞬间所对应的数值称为瞬时值 用小写字母e u i表示 瞬时值中最大的数值称为正弦交流电的幅值或最大值 用大写字母加下标 m maximum 表示 如Em Um Im 2周期和频率正弦量完整变化一周所需的时间 称为周期 用T表示 单位是秒 s 每秒内变化的周数称为频率 用f表示 单位是赫兹 简称赫 Hz 常用的单位还有千赫 kHz 和兆赫 MHz 很多国家包括我国 都采用50Hz作为电力系统的供电频率 有些国家如美国 日本等采用60Hz 这种供电频率称为工业频率 简称工频 3初相位 在t 0时的相位称为初相位 简称初相 它决定了正弦量的初始值 一般初相位
4、用 180 180 或者 来表示 如果不在这个范围内 则应通过恰当地转化变成这个范围内 当正弦波形的起始点在时间原点0的左侧时 初相位为 当正弦波形的起始点在时间原点0的右侧时 初相位为 当正弦波形的起始点与时间原点0重合时 初相位为零 4相位差 2个同频率的交流电的相位角之差称为它们的相位差 事实上 2个交流电的相位差等于它们的初相差 5有效值 在交流电路中 一般所讲的电压或电流的大小都是指有效值 常用的交流电流表和交流电压表的读数 也是被测电量的有效值 例如最常见的供电电压220V就是有效值 正弦量的相量表示法的基础是复数 下面对复数及其运算进行简要的回顾 1 复数的定义由实数a1和虚数j
5、a2代数和构成的数称为复数 如果用A表示 即A a1 ja2其中 为虚部单位 a1为复数A的实部 a2为复数A的虚部 a1 a2 R 2 复数平面以实数数轴和虚数数轴为坐标轴而构成的平面称为复数平面 简称复平面 如图2 4所示 其中 1 表示实数数轴 j 表示虚数数轴 2 1 2复数 一个复数可用下面5种形式来表示 代数形式 A a1 ja2 用复平面上的点表示 如图中的坐标点A所示 用复平面上的向量表示 如图中的向量所示 其中 角是向量A的辐角 a是向量A的模 三角函数形式 复数A的模等于a 角是复数A的辐角 3 复数的表示形式 下面以电压相量为例来说明 如图所示 在复平面上有向量OA 设定
6、它的模等于正弦交流电压e1的幅值Em 它OA的辐角等于e1的初相位 4 旋转矢量表示法 2 1 3正弦量的相量表示 只要作用在线性电路的各个电源都是同频率的正弦量 则电路中的电流和电压也一定是同频率的正弦量 这意味着在待求的正弦电流和正弦电压的三要素中 频率为已知量 不必再考虑 只需要求出振幅和初相位2个要素 待求的正弦量便可以完全确定 根据正弦电路的这一特点 可以用一个复数来反映正弦量的振幅和初相位 把这个复数称作此正弦量的相量 2 2单一参数正弦交流电路 交流电路与直流电路的不同之处在于 分析各种交流电路不但要确定电路中电压与电流之间的大小关系 而且要确定它们之间的相位关系 同时还要讨论电
7、路中的功率问题 为分析复杂的交流电路 首先应掌握单一参数 电阻 电感 电容 元件电路中电压与电流之间的关系 因为其他电路均可看成是单一参数元件电路的组合 由于交流电路中的电压和电流都是交变的 因而有2个作用方向 为分析电路方便 常把其中的一个方向规定为正方向 且在同一电路中的电压和电流以及电动势的正方向完全一致 由白炽灯 电烙铁和电阻器等组成的交流电路都可近似看成是纯电阻电路 在这些电路中 当外加电压一定时 影响电流大小的主要因素是电阻R的值 如图所示 2 2 1纯电阻电路 由电阻很小的电感线圈组成的交流电路 可近似地看成是纯电感电路 图2 13 a 所示为由一个线圈构成的纯电感电路 2 2
8、2电感与纯电感电路 纯电感电路及电压和电流的波形图和相量图 电容是一种能够储存电场能量的元件 一个电容器 当忽略它的电阻和电感时 可以认为它是一个理想的电容元件 2 2 3电容与纯电容电路 纯电容电路及电压和电流的波形图和相量图 2 2 4基尔霍夫定律的相量表示 同分析直流电路一样 分析交流电路的基本依据依然是基尔霍夫电流定律 KCL 和基尔霍夫电压定律 KVL 如前所述 正弦交流电路中只有瞬时值和相量形式满足KCL和KVL 即对于任一节点 对于任一回路 2 3简单正弦交流电路的分析 前面讨论了3种参数各自在交流电路中的特性 而在实际电路中 往往同时包含有2种 甚至3种元件组成的电路 因此 有
9、必要在相量形式的电路元件约束基础上来讨论元件组合的综合特性及作用 2 3 1RLC串联电路 2 3 2RLC并联电路 2 3 3正弦交流电路中的功率和功率因数 在交流电路中 相位差起着很重要的作用 由于二端网络的电流与电压之间有相位差 使交流电路的功率出现能量交换 因此 对一般交流电路功率的分析要比对直流电路功率的分析复杂得多 需要引入新的概念 如有功功率 平均功率 无功功率 视在功率和功率因数等 图2 26正弦交流电路 1 无源二端网络的瞬时功率和有功功率 在正弦交流电路中 由于有电感或电容的存在 一般情况是电压和电流两正弦量的频率相同 但两者有一定的相位差 设通过二端网络的电流及二端网络电
10、压的表示式为 瞬时功率 有功功率 2 无源二端网络的无功功率 电路中的电感元件和电容元件有能量储放 与电源之间要交换能量 所以电路中也存在无功功率 设通过二端网络的电流及二端网络电压的表示式为 Q反映了电路中储能元件与电源进行能量交换规模的大小 当时 即感性电路时 Q 0 当 即容性电路时 Q 0 所以无功功率的正负与电路的性质有关 因为电感元件的电压超前于电流90 电容元件的电压滞后于电流90 无功功率 3 无源二端网络的视在功率 二端网络两端电压有效值和电流有效值的乘积称为视在功率 用S表示 即视在功率具有重要的实用意义 电源 如发电机和变压器等 在铭牌上都标出它的输出电压和输出电流的额定
11、值UN和IN 这就是说 电源的视在功率是给定的 至于输出的有功功率 不取决于电源本身 而是取决于和电源相连的二端网络 因此视在功率可作为描写电源特征的物理量之一 电源的视在功率 也称为电源的额定容量 简称容量 用户须根据用电设备的视在功率来选用与它配套的电源 4 功率因数 功率因数是正弦交流电路中一个很重要的物理量 它反映了二端网络的性质 也涉及到电源的 利用率 如果功率因数pf 1 表示二端网络和电源之间不存在能量互换 这时有功功率等于视在功率 电源最大限度地输出有功功率 电源得到充分利用 如果功率因数pf 1 电路和电源之间出现能量互换 这时有功功率小于视在功率 电源的利用率降低 2 3
12、4正弦交流电路中的谐振 在凡含有电感和电容的电路中 因感抗和容抗都是频率的函数 所以当改变电感元件 电容元件的参数或电源的频率时 感抗和容抗就会发生变化 引起电压与电流之间的相位差的变化 当电路的电压 电流同相位 即电路呈电阻性时 称电路的这种状态为谐振 谐振在电子技术中也有着广泛的应用 1 串联谐振 谐振频率完全是由电路本身的参数决定的 是电路本身的固有性质 每一个RLC串联电路都对应一个谐振频率 当电源的频率一定时 改变电路的参数L或C 可以使电路发生谐振 当电路参数一定时 改变电源频率 也可使电路发生谐振 图2 30RLC串联电路及电压与电流相量图 如图2 33所示 有一个电容器C与一个
13、线圈L并联的电路 R表示线圈的电阻 L表示线圈的电感 该电路谐振时 其电流 电压同相位 即阻抗角为零 可以通过阻抗推出其谐振条件 2 并联谐振 图2 33LC并联电路图2 34并联谐振的频率特性及相量图 2 4 1 三相电源 三相正弦交流电路 2 4 在现代电力系统中 大多数采用三相制供电 和单相交流电比较 在相同容量下 三相发电机的尺寸比单相发电机要小 三相发电机的结构简单 并且价廉耐用 维护方便 运转平稳 在输送同样大的功率时 三相输电线会比单相输电线造价低 还有许多需要大功率直流电源的用户 通常利用三相整流来获得波形平滑的直流电压 因此 大量的实际问题归结于三相交流电路的分析与计算 本章
14、主要介绍三相电路的特点 着重讨论三相负载的连接使用问题 三相正弦交流电路 简称三相制 三相电源由有效值相等 频率相同而相位互差120 的3个正弦电压源按一定方式连接起来供电的体系 三相电源是由三相交流发电机产生的 如图为三相交流发电机的示意图 它主要由定子和转子组成 定子铁芯中嵌放了AX BY CZ三个相同的对称线圈 这里所说的 相同 和 对称 是指三个线圈在尺寸 匝数和绕法上完全相同 空间上彼此相隔120 的电角度 三相绕组始端分别用A B C表示 末端用X Y Z表示 三相交流发电机的示意图及电动势的正方向称为A相 B相 C相 颜色一般用黄色 绿色 红色表示 1 三相电源的产生 转子是电磁
15、铁 其磁极表面的磁场按正弦规律分布 当转子在原动机的带动下以角速度作逆时针匀速转动时 则定子的每相绕组依次切割磁力线 其中产生频率相同 幅值 或有效值 相等的正弦电动势 电动势的参考方向选定为从绕组的末端指向始端 当N极的轴线正转到A处时 A相的电动势达到正的幅值 经过120 后 N极轴线转到B处 B相的电动势达到正的幅值 同理 再由此经过120 后 C相的电动势达到正的幅值 其波形如图3 2 a 所示 所以 比在相位上超前120 比在相位上超前120 比在相位上又超前120 如果以A相为参考 则可得出 将三相电源的尾端X Y Z连在一起 首端A B C引出作输出线 这种连接称为三相电源的星形
16、连接 也称Y形连接 常用 Y 标记 如图3 3 a 所示 2 三相绕组的连接 三相交流发电机所发出的三相电必须采取适当的连接方法才能发挥三相交流电的功效 于是三相发电机的绕组有星形连接和三角形连接2种连接方法 目前大型发电机通常采用星形连接 1 星形连接 从首端A B C引出的输电线叫做端线或相线 俗称火线 有时为了简便 常常只画出4根输电线表示相序 如图3 3 b 所示 三相四线制可输送2种电压 一种是相线与中线之间的电压 称为相电压 另一种是相线与相线之间的电压 称为线电压规定线电压的方向是由A线指向B线 B线指向C线 C线指向A线 用相量形式表示为 将对称三相电源中的3个绕组按相序依次连接 由3个连接点引出3条端线 这样的连接方式称为三角形连接 常用 标记 三角形连接是三相三线制供电 2 三角形连接 三相电源作三角形连接时 线电压等于相电压 即 或 三相负载的星形联接是指把三相负载的一端连接在一起 它常与三相电源的中线联接 把三相负载的另一端分别与三相电源的三根相线联接 2 4 2 三相负载 接在三相电源上的负载统称为三相负载 通常把各相负载相同的三相负载叫做对称三相负载 如三相
