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1、电工电子技术与技能 （非电类 少学时）,人民邮电出版社,第3单元 认识正弦交流电路,知识目标： 理解正弦交流电的三要素表示法 掌握电容、电感元器件的特性 掌握纯电阻、纯电容、纯电感电路规律 掌握RL 串联电路的规律 了解三相交流电路的规律 理解有效值、功率因数、有功功率、无功功率、视在功率等概念 技能目标： 正确使用示波器、交流电流电压表、钳形电流表等测量交流电 正确安装荧光灯电路 学会提高交流电路功率因数的方法 掌握三相负载的星形接法和三角形接法,任务1 认识交流电,一、正确使用示波器 二、用示波器观测交流信号 三、用交流电流表、交流电压表测量交流信号 四、用钳形电流表测量交流电流,所谓交流
2、电，是指大小和方向随时间变化的电流、电压和电动势。通常使用的交流电主要是按正弦规律变化的交流电，称为正弦交流电，以正弦交流电作为信号源的电路就是正弦交流电路。观测交流电通常使用的仪器是示波器，本任务先从示波器的使用开始来认识交流电。,一、正确使用示波器,示波器是用于直接观测信号波形的仪器，可以测量信号的幅度、频率，比较相位。,观察示波器面板（见图3.1）。示波器面板通常由3 个区域组成，即显示部分、X 轴系统和Y 轴系统。,示波器面板常用按钮和旋钮功能介绍（见图3.2）。,1显示部分 电源开关 辉度旋钮 聚焦旋钮和辅助聚焦旋钮 标尺亮度旋钮 2Y 轴系统 显示方式选择开关 极性Y A 开关 内
3、触发Y B 开关 V/div 微调开关,3X 轴系统 t/div 微调开关 扩展10 开关 内外开关 AC、AC（H）、DC 开关 高频、触发、自动开关,二、用示波器观测交流信号,X 轴方向代表时间轴；Y 轴方向代表电信号幅度值。,表示交流电的物理量正弦交流电的三要素。 （1）反映交流电大小（幅度）的物理量。 最大值交流信号瞬时能达到的最大幅度（见图3.5），对应于表达式中的U m。 瞬时值任一时刻交流信号的大小，对应于表达式中的u。 有效值衡量交流电有效幅度的物理量。当把一个直流电流（或电压）与一个交流电流（或电压）分别通过同一电阻，若二者使得电阻在相同的通电时间内产生的热量相同，则表明该交
4、流电与该直流电效果相当，该直流电流（或电压）值等于该交流电流（或电压）的有效值。 （2）反映交流电变化快慢的物理量。 周期一个完整的正弦波形所经过的时间（见图3.5），符号为T，单位为秒（s）。,频率1s 时间内完成的正弦波的个数，符号为f，单位为赫兹（Hz）。 角频率2f，符号为，单位为弧度/ 秒（rad/s）。 周期、频率、角频率三者的关系为 T=1/f =2f （3）用以比较交流电变化步调的物理量。 相位（或位相）表达式中代表角度部分t+0，单位为rad 或（）（弧度或角度）。 初相位0代表t=0 时刻的相位。,（1）有效值、最大值、瞬时值均可表示交流电的幅度，但代表的含义不同，三者用不
5、同的符号表示。 有效值大写字母，如U、I。 最大值大写字母加下标m，如Um、Im。 瞬时值 小写字母，如u，i。 （2）有效值与最大值的关系。,（3）同相与反相。 同相 两个同频率的正弦交流信号的相位差为零，二者变化步调一致（见图3.9）。 反相 两个同频率的正弦交流信号的相位差为180，二者变化步调相反（见图3.10）。,阅读材料,市电及工频电源 市电即人们常说的交流电（用符号“AC”表示），也就是由国家电网提供的交流电源，包含电压、电流、频率等要素，其频率可分为50Hz 与60Hz 两种，电压一般为220V，也有部分国家和地区为110V，我国市电标准为“220V50Hz”。 工频指工业上用
6、的交流电源的频率。工频是电气质量的重要指标之一，一般是指市电的频率，中国电力工业的标准频率定为50Hz，有些国家或地区定为60Hz。,三、用交流电流表、交流电压表测量交流信号,交流电流表是用来测量交流电流的仪表，其使用方法与直流电流表基本相同，不同之处是不必考虑电流表串联接入电路时的电流表极性。对于高电压或大电流电路，不能直接将交流电流表串入电路，而必须通过电流互感器进行测量（关于电流互感器的使用方法可参阅有关资料）。 交流电压表是用来测量交流电压的仪表，其使用方法与直流电压表基本相同，不同之处在于电压表并接到电路两端时不必考虑电压表极性。对于高压电路不能直接将电压表并接到电路两端，而必须通过
7、电压互感器间接进行测量（关于电压互感器的使用方法可查阅有关资料）。,交流电流表和交流电压表测量得到的是交流电流和交流电压的有效值。,四、用钳形电流表测量交流电流,钳形电流表是一种在不断开电路的情况下就能测量交流电流的专用电流表。通常用普通电流表测量电流时，需要将电路切断后才能将电流表接入进行测量，这很麻烦，有时正常运行的用电器电路也不允许这样做，此时，使用钳形电流表就可以在不切断电路的情况下测量电流，如图3.14 所示。,注意： 钳形电流表在使用前需要进行机械调零、清洁钳口、选择合理的量程挡等工作，在不使用时，应将量程旋钮置于最大量程挡。,任务2 认识单一参数正弦交流电路的规律,一、认识电容器
8、 二、认识电感器 三、认识纯电阻、纯电容、纯电感电路的规律,一、认识电容器,电容器是能储存电荷的元件。电容器的结构两个相互靠近而又彼此绝缘的导体。最简单的电容器是由两块相互平行、彼此靠近但中间填充绝缘介质的金属板组成的，它的电路符号为 。电容器的参数包括容量和额定电压。 （1）容量：C=Q/U，单位为法拉（F）。 式中，Q 为电容器极板上的电荷量（C），U 为电容器两个极板之间的电压（V）。,（2）额定电压（电容器的耐压）：电容器能保持两极板之间处于绝 缘状态而所能加的最大电压。 平行板电容器（见图3.17）的容量为 式中，S 为两极板正对的面积（m2）；d 为两极板间的距离（m）； 为两极板
9、间绝缘介质的介电常数（F/m）。,（1）电容器的性质 通交流隔直流，通高频阻低频。 （2）电容器对于电流的阻碍作用容抗 ，单位为。,用万用表判别电容器的好坏（见图3.20）。 将万用表的转换开关拨至欧姆挡，将两支表笔分别搭接电容器的两个管脚（对于电解电容器，要注意黑表笔搭接“+”极，红表笔搭接“”极），观察指针偏转情况。,（1）指针先有一定的偏转，然后又快速地回到表盘最左端说明电容器性能正常。 （2）指针偏转一定角度后停于表盘中间某一位置说明电容器漏电，绝缘性能差（所指示电阻为漏电电阻）。 （3）指针偏转到零欧姆处（表盘最右端）电容器内部短路。,二、认识电感器,电感器是一种储存磁场能的元件，它
10、的主要形式是线圈，分无心线圈（线圈中无铁心）和有心线圈（线圈中有铁心）两类，其图形符号如图3.22 所示。 电感元件的符号为L，其主要参数是电感量，单位为亨利，简称亨（H）。,（1）通直流阻交流，通低频阻高频。 （2）电感器对电流的阻碍作用：感抗XL=L=2fL，单位为。,用万用表检查电感线圈。 将万用表置于R10 挡，红、黑表笔分别搭接电感线圈的两端，观察万用表指针偏转情况。,万用表指针指向不同位置分别说明什么问题？ （1）指针偏转至表盘最右端，阻值为零，说明电感线圈内部短路。 （2）指针未动，阻值为无穷大，说明电感内部开路。 （3）指针偏转至中间某一位置，有一定电阻，说明电感线圈正常。,电
11、阻、电抗与阻抗 交流电路中将电阻器、电感器、电容器对于电流的阻碍作用统称为阻抗，用符号Z 表示，单位为。感抗、容抗统称电抗，用X 表示，对于RLC 串联电路而言，电阻R、电抗X、阻抗Z三者的关系为,三、认识纯电阻、纯电容、纯电感电路的规律,纯电阻电路中电流和电压变化步调一致，二者同相，且不受信号频率影响（见图3.26）。,在纯电容电路中，电流超前电压90（见图3.28）。,在纯电感电路中，电压超前电流90（见图3.29）。,电容器的串并联,（1）电容器串联后的总电容。电容器串联相当于增大了电容极板间距，使总电容减小，同时使总的耐压增大。,（2）电容器并联后的总电容。电容器并联相当于增大了电容极
12、板的面积，所以增大了总电容。 C1+ C2=C,交流电路的功率 1纯电容的功率,（2）平均功率pC=0。 （3）纯电容不消耗电能，只是将电流能与电场能进行相互转换。,2纯电感的功率,（2）平均功率pL=0。 （3）纯电感不消耗电能，只是将电流能与磁场能进行相互转换。,3交流电路的3 种功率,（1）有功功率P 电路元件在一个交流周期内瞬时功率的平均值，单位是瓦特（W）。 电阻元件P 0，说明电阻元件消耗电能，做功。 电容、电感元件P=0，说明电容、电感元件未消耗电能，前半周期和后半周期分别做正功及负功，总的平均值即有功功率P=0。 （2）无功功率Q 电容、电感元件瞬时功率的最大值，反映电容（电感
13、） 元件与电源之间能量交换速率的最大值，单位是仝（var），即 QL=ULI QC=UCI （3）视在功率S 电源可能提供的功率，即电源容量，单位是伏安（VA），即 S=UI,任务3 认识RL串联电路的规律,实际的电感元件、电容元件均含有一定的电阻值，所以在分析时，必须考虑电阻因素，而将它们等效为电阻器与电感器、电容器的串联或并联。 荧光灯电路所使用的镇流器就是一种实际的电感元件，本任务将从常用的荧光灯电路的安装、测量分析入手来认识RL 串联电路的规律，并由此了解其他类似电路的分析方法。,一、安装荧光灯电路 二、测算荧光灯电路的功率 三、测算功率因数，提高电源利用率 四、安装荧光灯单相电度表电
14、路,一、安装荧光灯电路,荧光灯的工作原理。,1各元件的作用 （1）荧光灯管由玻璃管、灯丝、灯丝引脚等组成，管内抽真空后充入少量惰性气体，管内壁涂有荧光粉。 （2）镇流器是含有铁心的电感线圈。 （3）启辉器主要由氖泡和与之并联的电容器构成。氖泡内包含一只双金属动触片和一个静触片，同时氖泡内充有氖气。在正常情况下，双金属动触片与静触片不接触，当两个触片之间有一定电压时，氖气会产生辉光放电，从而使双金属动触片受热膨胀变形而与静触片接触。,2主要工作过程 当荧光灯接通电源时，电源电压全部加在启辉器两端，启辉器两个电极间产生辉光放电，使双金属动触片受热膨胀而与静触片接触。电源经镇流器、灯丝和启辉器等构成
15、通路，使灯丝加热，约1 2s后，由于启辉器的两个电极接触使启辉器辉光放电停止，双金属动触片冷却恢复原状使两个触片分离。在启辉器两个电极断开的瞬间，电流被突然切断，由于电磁感应作用，在镇流器两端会产生一个自感电动势，其方向与电源电压方向相同，由于启辉器两个电极的突然分开，感应电动势数值很大，因此当它与电源电压叠加后就形成一个很高的瞬时电压，这个高电压加在了预热后的荧光灯两端的灯丝之间，灯丝发射的大量电子在高电压作用下使管内惰性气体电离而放电，产生大量的紫外线激发管壁上的荧光粉使之发出近似日光的光束，故又称日光灯。荧光灯点亮后灯管相当于一个纯电阻负载，镇流器相当于一个电感器，可以限制电路中的电流。
16、其等效电路如图3.36 所示。,图3.36 中，L 为镇流器的电感，R 为荧光灯灯管等效电阻+ 镇流器线圈电阻。 这是R 与L 串联的电路，习惯上称为RL 串联电路。,二、测算荧光灯电路的功率,（1）在交流电路中，由于电阻元件和电感元件起着不同的作用，前者是耗能元件（将电能转换为热能，消耗能量，单向转换），后者是储能元件（可以将电能转换为磁场能，又可以将所储存的磁场能释放出来转换为电能，不消耗能量，双向转换），因此直流电路中适用的电流、电压、电功率等规律在交流电路中不一定适用。 （2）RL 串联电路的电压关系（见图3.39）如下：,瞬时值u=uR+uL 有效值U UR+UL，而是符合所谓的电压三角形关系如图3.40（a）所示，即 图中， 表示RL 串联电路总电压比电流超前的角度。 （3）RL 串联电路中的阻抗关系符合所谓的阻抗三角形关系如图3.40（b）所示，即 式中，ZRL 串联电路的总阻
