電工基礎(chǔ)(第五版)第五章ppt勞動(dòng)版.ppt

5 1交流電的基本概念 5 2電容器和電感器 5 3單一參數(shù)交流電路 5 4RLC串聯(lián)電路 5 5RLC并聯(lián)電路 1 了解正弦交流電的產(chǎn)生和特點(diǎn) 2 理解正弦交流電的有效值 頻率 初相位及相位差的概念 3 掌握正弦交流電的三種表示方法 5 1交流電的基本概念 交流電的應(yīng)用 一 交流電的概念 交流電與直流電的根本區(qū)別是 直流電的方向不隨時(shí)間的變化而變化 交流電的方向則隨時(shí)間的變化而變化 電源只有一個(gè)交變電動(dòng)勢(shì)的交流電稱為單相交流電 穩(wěn)恒直流電正弦交流信號(hào)電視機(jī)顯像管計(jì)算機(jī)中的的偏轉(zhuǎn)電流方波信號(hào)直流電和交流電波形 右圖所示為某信號(hào)發(fā)生器輸出的信號(hào)電壓 其大小和方向都按正弦規(guī)律變化 所以稱為正弦交流電 右圖所示鋸齒波電流 方波電壓等 它們都是非正弦交流電 二 正弦交流電的產(chǎn)生 原理示意圖線圈截面圖實(shí)驗(yàn)用簡(jiǎn)易交流發(fā)電機(jī) 正弦交流電的產(chǎn)生 正弦交流電動(dòng)勢(shì)的瞬時(shí)值表達(dá)式也稱解析式 若從線圈平面與中性面成一夾角 0時(shí)開(kāi)始計(jì)時(shí) 則公式變?yōu)?實(shí)際應(yīng)用的發(fā)電機(jī) 旋轉(zhuǎn)磁極式發(fā)電機(jī)大型水力發(fā)電機(jī)組 三 表征正弦交流電的物理量 1 周期 頻率和角頻率 正弦交流電波形 1 周期正弦交流電每重復(fù)變化一次所需的時(shí)間稱為周期 用符號(hào)T表示 單位是秒 s 2 頻率正弦交流電在1s內(nèi)重復(fù)變化的次數(shù)稱為頻率 用符號(hào)f表示 單位是赫茲 Hz 周期和頻率互為倒數(shù) 即 經(jīng)驗(yàn)表明 在各種觸電事故中 直流電 高頻和超高頻電流對(duì)人體的傷害程度相對(duì)較小 而最常用的50Hz工頻交流電流對(duì)人體的傷害最大 因此使用時(shí)應(yīng)特別小心 3 角頻率正弦交流電每秒內(nèi)變化的角度 每重復(fù)變化一次所對(duì)應(yīng)的角度為2 即360 稱為角頻率 用符號(hào) 表示 單位是弧度 秒 rad s 角頻率與周期 頻率的關(guān)系為 2 最大值 有效值和平均值 1 最大值正弦交流電在一個(gè)周期所能達(dá)到的最大瞬時(shí)值稱為正弦交流電的最大值 又稱峰值 幅值 最大值用大寫字母加下標(biāo)m表示 如Em Um Im 從正弦交流電的反向最大值到正向最大值稱為峰 峰值 從正弦交流電的反向最大值到正向最大值稱為峰 峰值 交流電的峰值和峰 峰值 2 有效值讓交流電和穩(wěn)恒直流電分別通過(guò)大小相同的電阻 如果在交流電的一個(gè)周期內(nèi)它們產(chǎn)生的熱量相等 而這個(gè)穩(wěn)恒直流電的電壓是U 電流是I U I稱為相應(yīng)交流電的有效值 有效值用大寫字母表示 如E U I 交流電的有效值 正弦交流電的有效值和最大值之間有如下關(guān)系 電工儀表測(cè)出的交流電數(shù)值及通常所說(shuō)的交流電數(shù)值一般都是指有效值 3 平均值規(guī)定半個(gè)周期的正弦交流電平均值為正弦交流電的平均值 正弦電動(dòng)勢(shì) 電壓和電流的平均值分別用符號(hào)Ep Up Ip表示 正弦交流量的平均值用半個(gè)周期的平均值表示 平均值與最大值之間的關(guān)系是 有效值與平均值之間的關(guān)系是 3 相位與相位差 1 相位在式e Emsin t 0 中 t 0 表示正弦量隨時(shí)間變化的角度 稱為相位角 也稱相位或相角 它反映了交流電變化的進(jìn)程 式中 0為正弦量在t 0時(shí)的相位 稱為初相位 也稱初相角或初相 初相為正初相為負(fù)相位的正負(fù) 在書寫瞬時(shí)值表達(dá)式及進(jìn)行有關(guān)敘述時(shí) 相位及其相關(guān)概念有時(shí)可采用角度值表示 如上式所示 但由于角頻率 的單位是rad s 因此在進(jìn)行相關(guān)計(jì)算時(shí) 應(yīng)注意先將單位制統(tǒng)一 角度值與弧度制的換算關(guān)系為1 180rad 當(dāng)然 相位等概念也可以直接使用弧度制來(lái)表達(dá) 2 相位差兩個(gè)同頻率交流電的相位之差稱為相位差 用符號(hào) 表示 即超前和滯后同相反相正交 超前和滯后同相 反相正交兩個(gè)同頻率交流電的相位關(guān)系 正弦交流電的最大值反映了正弦交流電的變化范圍 角頻率反映了正弦交流電的變化快慢 初相位反映了正弦交流電的起始狀態(tài) 它們是表征正弦交流電的三個(gè)重要物理量 最大值 角頻率和初相位稱為正弦交流電的三要素 例 已知兩正弦電動(dòng)勢(shì)分別是 求 1 各電動(dòng)勢(shì)的最大值和有效值 2 頻率 周期 3 相位 初相位 相位差 4 波形圖 四 正弦交流電的相量圖表示法 兩個(gè)正弦交流電壓求和 相量圖也是正弦量的一種表示方法 其畫法是 1 確定參考方向 一般以直角坐標(biāo)系X軸正方向?yàn)閰⒖挤较?2 作一有向線段 其長(zhǎng)度對(duì)應(yīng)正弦量的有效值 與參考方向的夾角為正弦量的初相 若初相為正 則用從參考方向逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)得出的角度來(lái)表示 若初相為負(fù) 則用從參考方向順時(shí)針旋轉(zhuǎn)得出的角度來(lái)表示 相量圖 正弦量都可以用這樣一個(gè)長(zhǎng)度對(duì)應(yīng)有效值 與參考方向夾角對(duì)應(yīng)初相的有向線段來(lái)表示 這個(gè)量稱為相量 一般用 等符號(hào)來(lái)表示 將相同頻率的幾個(gè)正弦量的相量畫在同一個(gè)圖中 就可以采用平行四邊形法則來(lái)進(jìn)行它們的加減運(yùn)算 相量求和 應(yīng)用相量圖時(shí)注意以下幾點(diǎn) 1 同一相量圖中 各正弦交流電的頻率應(yīng)相同 2 同一相量圖中 相同單位的相量應(yīng)按相同比例畫出 3 一般取直角坐標(biāo)軸的水平正方向?yàn)閰⒖挤较?有時(shí)為了方便起見(jiàn) 也可在幾個(gè)相量中任選其一確定參考方向 并且不畫出直角坐標(biāo)軸 4 一個(gè)正弦量的相量圖 波形圖 解析式是正弦量的幾種不同的表示方法 它們有一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系 但在數(shù)學(xué)上并不相等 如果寫成 則是錯(cuò)誤的 一 相量圖表示法的由來(lái) 旋轉(zhuǎn)矢量能完全反映正弦交流電的三要素及變化規(guī)律 為了與一般的空間矢量相區(qū)別 把表示正弦交流電的這一矢量稱為相量 旋轉(zhuǎn)矢量與波形圖的對(duì)應(yīng)關(guān)系 二 非正弦交流電 方波三角波鋸齒波常見(jiàn)周期性非正弦交流電波形 矩形波正弦半波整流波正弦全波整流波常見(jiàn)周期性非正弦交流電波形 1 了解電容器的結(jié)構(gòu)和類型 理解容抗的概念 掌握電容 隔直流 通交流 阻低頻 通高頻 的特性 2 了解電感器的結(jié)構(gòu)和類型 理解感抗的概念 掌握電感 通直流 阻交流 通低頻 阻高頻 的特性 3 能正確使用萬(wàn)用表大致判斷電容器和電感器的好壞 5 2電容器和電感器 電容器通常簡(jiǎn)稱電容 電感器通常簡(jiǎn)稱電感 它們都是儲(chǔ)能元件 一 電容器 1 電容器的結(jié)構(gòu) 類型和符號(hào) 電容器的基本結(jié)構(gòu)紙介電容器 電容器的類型和符號(hào) 電力電容器 電解電容器 金屬膜電容器 滌綸電容器 瓷片電容器 云母電容器 單連可變電容器 雙連可變電容器 微調(diào)電容器 2 電容器的主要參數(shù) 1 電容量電容量是指電容器儲(chǔ)存電荷的能力 也簡(jiǎn)稱電容 它在數(shù)值上等于電容器在單位電壓作用下所儲(chǔ)存的電荷量 即 電容量定義示意圖 電容是電容器的固有屬性 它只與電容器的極板正對(duì)面積 極板間距離以及極板間電介質(zhì)的特性有關(guān) 而與外加電壓的大小 電容器帶電多少等外部條件無(wú)關(guān) 設(shè)平行板電容器極板正對(duì)面積為S 兩極板間的距離為d 則平行板電容器的電容可按下式計(jì)算 稱為極板間電介質(zhì)的介電常數(shù) 是電介質(zhì)自身的一個(gè)特性參數(shù) 其單位是F m 真空中的介電常數(shù) 0 某種介質(zhì)的介電常數(shù) 與 0之比稱為該介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù) 用 r表示 2 額定電壓電容器的額定電壓 也稱耐壓 是指 在規(guī)定溫度范圍內(nèi) 可以連續(xù)加在電容器上而不損壞電容器的最大直流電壓或交流電壓的有效值 3 電容器的充電和放電 1 電容器的充電 電容器充電充電電壓曲線充電電流曲線電容器的充電過(guò)程 2 電容器的放電 電容器放電放電電壓曲線放電電流曲線電容器的放電過(guò)程 電容器充放電達(dá)到穩(wěn)定值所需要的時(shí)間與R和C的大小有關(guān) 通常用R和C的乘積來(lái)描述 稱為RC電路的時(shí)間常數(shù) 用 表示 即 4 容抗 電容對(duì)交流電的阻礙作用當(dāng)電容器外接交流電時(shí) 電源與電容器之間不斷地充電和放電 電容器對(duì)交流電也會(huì)有阻礙作用 我們把電容對(duì)交流電的阻礙作用稱為容抗 用XC表示 容抗的單位也是歐姆 容抗的計(jì)算式為電容的容抗與頻率的關(guān)系可以簡(jiǎn)單概括為 隔直流 通交流 阻低頻 通高頻 因此電容也被稱為高通元件 5 電容器的連接 1 電容器的串聯(lián)即串聯(lián)電容器總電容的倒數(shù)等于各電容器的電容倒數(shù)之和 電容器串聯(lián) 2 電容器的并聯(lián)電容器儲(chǔ)存的總電荷量等于各電容器所帶電荷量之和 電容器并聯(lián) 二 電感器 1 電感器的結(jié)構(gòu) 類型和符號(hào) 空心電感器 有磁心或鐵心的電感器 微調(diào)電感器 有中心抽頭的電感線圈 2 電感器的主要參數(shù) 1 電感 2 品質(zhì)因數(shù) Q值 3 感抗 電感對(duì)交流電的阻礙作用電感對(duì)交流電的阻礙作用稱為感抗 用XL表示 感抗的單位也是歐姆 感抗的計(jì)算式為電感的感抗與頻率的關(guān)系可以簡(jiǎn)單概括為 通直流 阻交流 通低頻 阻高頻 因此電感也稱為低通元件 一 超級(jí)電容器 超級(jí)電容器結(jié)構(gòu)車用超級(jí)電容器 二 位移測(cè)量和液位測(cè)量 液位檢測(cè)計(jì)液位傳感器實(shí)物圖電容應(yīng)用于位置測(cè)量 位移測(cè)量 1 了解純電阻交流電路 純電感交流電路 純電容交流電路中電壓與電流之間的相位關(guān)系和數(shù)量關(guān)系 2 理解交流電路中瞬時(shí)功率 有功功率和無(wú)功功率的概念 3 理解電感和電容的儲(chǔ)能特性 5 3單一參數(shù)交流電路 一 純電阻交流電路 1 電流與電壓的關(guān)系 1 純電阻交流電路中 電阻中通過(guò)的電流也是一個(gè)與電壓同頻率的正弦交流電流 且與加在電阻兩端的電壓同相位 2 在純電阻交流電路中 電流與電壓的瞬時(shí)值 最大值 有效值都符合歐姆定律 2 功率在任一瞬間 電阻中電流瞬時(shí)值與同一瞬間電阻兩端電壓的瞬時(shí)值的乘積 稱為電阻獲取的瞬時(shí)功率 用pR表示 即電阻是一種耗能元件 電壓 電流相量圖電壓 電流 功率的波形圖純電阻交流電路 電路圖 用電阻在交流電一個(gè)周期內(nèi)消耗的功率的平均值來(lái)表示功率的大小 稱為平均功率 平均功率又稱有功功率 用P表示 單位仍是瓦特 W 二 純電感交流電路 1 電流與電壓的關(guān)系 電壓 電流相量圖電壓 電流 功率的波形圖純電感交流電路 電路圖 電流與電壓的有效值之間符合歐姆定律 即 感抗只是電壓與電流最大值或有效值的比值 而不是電壓與電流瞬時(shí)值的比值 即 這是因?yàn)閡和i的相位不同 2 功率 瞬時(shí)功率在一個(gè)周期內(nèi)吸收的能量與釋放的能量相等 也就是說(shuō)純電感電路不消耗能量 它是一種儲(chǔ)能元件 電路的平均功率為零 不同的電感與電源轉(zhuǎn)換能量的多少也不同 通常用瞬時(shí)功率的最大值來(lái)反映電感與電源之間轉(zhuǎn)換能量的規(guī)模 稱為無(wú)功功率 用QL表示 單位是乏 Var 其計(jì)算式為 無(wú)功功率并不是 無(wú)用功率 無(wú)功 的實(shí)質(zhì)是指能量發(fā)生互逆轉(zhuǎn)換 而元件本身并沒(méi)有消耗電能 實(shí)際上許多具有電感性質(zhì)的電動(dòng)機(jī)裝 變壓器等設(shè)備都是根據(jù)電磁轉(zhuǎn)換原理利用無(wú)功功率工作的 三 純電容交流電路 1 電流與電壓的關(guān)系 1 在純電容交流電路中 電壓比電流滯后90 即電流比電壓超前90 電壓 電流相量圖電壓 電流 功率的波形圖純電容交流電路 電路圖 2 電流與電壓的有效值之間符合歐姆定律 即2 功率由圖c所示功率曲線圖可知 電容也是一種儲(chǔ)能元件 純電容交流電路的平均功率為零 其無(wú)功功率為 1 理解交流電路中電抗 阻抗和阻抗角的概念 2 了解RLC串聯(lián)電路中電壓與電流之間的關(guān)系 3 了解RLC串聯(lián)諧振電路的特點(diǎn)及其應(yīng)用 5 4RLC串聯(lián)電路 一 電壓與電流的關(guān)系 RLC串聯(lián)電路 RLC串聯(lián)電路電壓和阻抗示意圖 式中X XL XC稱為電抗 稱為阻抗 單位都是 圖5 41中 稱為阻抗角 它就是總電壓與電流的相位差 即 電壓與電流有效值的乘積定義為視在功率 用S表示 單位為伏安 V A 視在功率S與有功功率P和無(wú)功功率Q的關(guān)系為式中cos PS稱為功率因數(shù) 電壓相量圖電壓三角形功率三角形RLC串聯(lián)電路的三個(gè)三角形 阻抗三角形 1 電感性電路 2 電容性電路 3 諧振電路 電容性電路相量圖諧振電路相量圖 二 串聯(lián)諧振1 諧振頻率2 品質(zhì)因數(shù)電路串聯(lián)諧振時(shí) 電感和電容兩端的電壓有可能大于電源電壓 因此串聯(lián)諧振也稱為電壓諧振 串聯(lián)電路的諧振曲線 在無(wú)線電技術(shù)中 常利用諧振電路從眾多的電磁波中選出我們所需要的信號(hào) 這一過(guò)程稱為調(diào)諧 收音機(jī)的調(diào)諧 一 RC移相電路 uo滯后ui角 uo超前ui角 RC移相電路 二 熒光燈電路1 熒光燈電路的組成 熒光燈電路的組成熒光燈的等效電路 2 熒光燈的啟輝過(guò)程 1 輝光放電 2 熱電子發(fā)射 3 產(chǎn)生高電壓 4 熒光燈點(diǎn)亮 1 了解RLC并聯(lián)電路中電壓與電流之間的相位關(guān)系和數(shù)量關(guān)系 2 了解RLC并聯(lián)諧振電路的特點(diǎn)和應(yīng)用 3 理解感性負(fù)載并聯(lián)電容提高功率因數(shù)的原理 5 5RLC并聯(lián)電路 一 電壓與電流的關(guān)系 RLC并聯(lián)電路 第一支路 電阻 電感串聯(lián)支路 電流i1的有效值為 滯后于u的相位角為 第二支路 電容支路 電流iC的有效值為 iC超前于電壓u的相位角為 1 相量圖 電感性電容性電阻性RLC并聯(lián)電路相量圖 2 電路的三種性質(zhì) 1 電感性電路當(dāng)時(shí) 總電壓超前總電流 2 電容性電路當(dāng)時(shí) 總電壓滯后總電流 3 諧振電路當(dāng)時(shí) 總電壓和總電流同相位 二 并聯(lián)諧振1 并聯(lián)諧振的頻率 諧振角頻率和諧振頻率近似為 2 并聯(lián)諧振的特點(diǎn) 1 電路的總阻抗最大 總電流最小 2 諧振時(shí)兩支路可能產(chǎn)生過(guò)電流并聯(lián)諧振也稱為電流諧振 3 并聯(lián)諧振的應(yīng)用 并聯(lián)諧振的應(yīng)用 三 提高功率因數(shù)的方法1 提高功率因數(shù)的意義 功率因數(shù)是高壓供電線路的運(yùn)行指標(biāo)之一 它反映了電源設(shè)備的容量利用率 功率因數(shù)可以用功率因數(shù)表測(cè)量 功率因數(shù)表 2 提高功率因數(shù)的方法 1 提高用電設(shè)備自身的功率因數(shù) 2 并接電容器補(bǔ)償 低壓配電柜中的電容器組 本章小結(jié) 1 正弦交流電的解析式 瞬時(shí)值表達(dá)式 為2 最大值 角頻率和初相位稱為正弦交流電的三要素 與三要素相關(guān)的主要概念還有 頻率 周期 有效值 平均值 3 電容對(duì)交流電的阻礙作用稱為容抗 用XC表示 容抗的單位也是歐姆 容抗的計(jì)算式為容抗與頻率的關(guān)系可以簡(jiǎn)單概括為 隔直流 通交流 阻低頻 通高頻 因此電容也被稱為高通元件 4 電容器串 并聯(lián)的特點(diǎn) 5 電感對(duì)交流電的阻礙作用稱為感抗 用XL表示 感抗的單位也是歐姆 感抗的計(jì)算式為感抗與頻率的關(guān)系可以簡(jiǎn)單概括為 通直流 阻交流 通低頻 阻高頻 因此電感也稱為低通元件 6 電容和電感都是儲(chǔ)能元件 7 單一參數(shù)交流電路的