电工基础-第三章课件.ppt
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1、 掌握交流电的三要素、单相交流电路中电压与电流的关系、三相交流电路的分析和计算。第三章 正弦交流电路目目 录录目目 录录 直流电是指方向不随时间变化的电流、电压或电动势。大小不随时间变化的直流电称为恒定直流电,如图3-1a所示;大小随时间变化的直流电称为脉动直流电,如图3-1b所示。交流电是指大小和方向均随时间做周期变化的电流、电压或电动势,分为正弦交流电和非正弦交流电两大类。正选交流电按正弦规律变化,如图3-1所示;非正弦交流电不按正弦规律变化,如图3-1d所示。图3-1 直流电和交流电的波形a)恒定直流电 b)脉动直流电 c)正弦交流电 d)非正弦交流电 正弦交流点由正弦交流发电机产生,其
2、结构示意图如图3-2a所示。图3-2 交流发电机a)示意图 b)剖面图 正弦交流电的解析式)sin(mtEe 图3-3 正弦电动势波形1.瞬时值、最大值、有效值和平均值 (1)瞬时值和最大值 正弦交流电随时间按正弦规律变化,其任一瞬间的值称为瞬时值。通常以小写字母e、u、i分别表示电动势、电压和电流的瞬时值。正弦量的最大值是指交流瞬时值中的最大值,也称为振幅值、峰值。通常用大写字母加下标“m”表示,如 、等。(2)有效值 让直流电流和交流电流分别通过阻值完全相同的电阻,如果在相同的时间内,两个电阻产生的热量相等,我们就把这个直流电流的数值定义为交流电流的有效值。电动势、电压和电流的有效值分别用
3、大写字母E、U、I表示。mEmUmI mmmmmm707.02707.02707.02IIIUUUEEE (3)平均值 交流电的平均值是指由零点开始的半个周期内的平均值,如图3-4所示。平均值用大写字母加下标“av”表示,如 、等。avEavUavImmavmmavmmav637.02637.02637.02IIIUUUEEE 2.周期、频率和角频率 (1)周期 指交流电重复变化一次所需的时间,用T 表示,周期的单位是秒(s)s10s1s10ms163图3-4 交流电的周期和平均值 (2)频率 指交流电每秒钟重复变化的次数,用f 表示。频率的单位 是赫兹(Hz),简称赫。Hz10kHz1Hz1
4、0MHz16频率和周期的关系是Tf1(3)角频率 指交流电每秒钟变化的弧度数,用表示tfT223.相位、初相位和相位差(1)相位 电角度(t+)为交流电的相位,其单位是弧度或度。相位反映了交流电变化的进程。(2)初相位 交流电在t=0时所具有的相位称为初相位,简称初相,用表示,单位是弧度或度。习惯上规定初相的绝对值不超过180。(3)相位差 所谓相位差,是指两同频率交流电的初相之差,即 21 1)0时,称 超前 (或 滞后 )。此时,比 先到达最大值 (或零值),如图3-5a所示。2)0时,称 滞后 (或 超前 )。此时,比 先到达最大值 (或零值)。21211e1e2e2e2e1e1e2em
5、E2e1e2e1emE 3)0时,称 与 同相。此时,和 同时到达最大值 (或零值),如图3-5b所示。4)180时,称 与 反相。此时,一个交流电达到正的最大值时,另一个达到负的最大值,如图3-5c所示。212121211e2e2e1emE1e2e 图3-5 交流电的初相和相位差a)e1超前e2 b)e1 与e2 同相 c)e1 与e2反相 例3-2 某电工用双踪示波器测得两同频率正弦交流电压的波形如图3-6所示。若此时示波器面板上的“时间选择”开关位于“0.5ms/div”位置,“Y 轴坐标”位于“10V/div”位置。试指出电压 和 的周期、频率、最大值、有效值以及相位差,写出其瞬时表达
6、式。2u1u图3-6 例 3-2 题图 解 由示波器所示电压波形可知:(1)、的周期相同,即 ,因此有频率角频率 1u2ums3ms)65.0(21TTTHz333Hz10311321Tfffrad/s2091rad/s33314.32221f(2)最大值 相应的有效值为 V30V)310(mlUV20V)210(m2UV2.21V2302ml1UUV1.14V2202m22UU(3)由图3-6可见,比 先达到最大值,因此 在相位上超前 ,其相位差为设 的初相 ,则 的初相 。(4)应用以上结论,可得电压 和 的瞬时表达式分别为 1u2u1u2u60211u2u6021u2u02V2091si
7、n301tu V)602091sin(202tu 图3-7 正弦量的旋转相量表示法 例3-3 已知三相交流为 ,,试作它们的相量图,并求解 (1)作相量 作图时,规定以正横轴为起点,逆时针角度为正,顺时针角度为负。作出 、的相量 、和 如图3-8所示。(2)求相量和 即 。V314sin2201tu V)120314sin(2202tuV)120314sin(2203tu321uuuu2u3u1u1mU2mU3mU0321uuuu图3-8 例3-3的相量图 tUusinRmRtItRURuisinsinRmRmRRRUIRmRmRUIRR 图3-9 纯电阻电路a)电路图 b)波形图 c)相量图
8、1)纯电阻电路中,电阻两端的电压和电流是同频率的正弦量,并且相位相同。2)电压和电流的有效值(幅值)之间的关系符合欧姆定律。(2)电路的功率和能量转换 交流电路中,功率表达式为 P=ui瞬时功率)2cos1(sinRR2RmRmRRRtIUtIUiuP平均功率或有功功率RURIIUP2R2RRR 例3-4 功率为60W的白炽灯,接在u=311sin(314t+120)V 的电源上,试求电流有效值的大小。如电源电压保持不变,频率改为5000Hz,试问电流如何变化?解 电阻电压的有效值为 电流有效值为 频率改为5000Hz时,因电阻与频率无关,所以电流不变。V220V23112RmRUUA27.0
9、V220W60RRUPI(1)电压和电流的关系 二、纯电感电路交流负载是电阻很小的线圈的电路属于纯电感电路。纯电感电路取电感电压与电流参考方向一致。设电感中的电流为电感两端的电压为 称为电感的感抗tIisinLmL)90sin()90sin(LmLmLtUtLIufLLX2LLX 式中交流电的角频率(rad/s);f 交流电的频率(Hz);L线圈的电感(H)。电流和电压的有效值关系为LLLXUI 图3-10 纯电感电路a)电路图 b)波形图 c)相量图 1)电感电压和电流是同频率的正弦量,相位上电压超前电90。2)电压有效值(幅值)、电流有效值(幅值)与感抗之间的关系符合欧姆定律关系。(2)电
10、路的功率和能量转换 根据交流电路瞬时功率的关系式Pui,对于纯电感电路有:tIUttIUiuP2sinsin)90sin(lLLmLmLLL 在交流电路中,电感线圈只起能量转换的作用,它本身并不消耗能量,其平均功率P=0。用瞬时功率的最大值来衡量能量交换的速率,称为无功功率。L2LL2LLLLXUXIIUQ无功功率的单位是乏(var)var10vark13 例3-5 已知一线圈的电感为0.2H,其电阻可以忽略。现将它接到 的正弦交流电源上,求电源频率为50Hz时线圈的感抗、电流和无功功率。若电源电压不变,频率提高到5000Hz,求这时的感抗和电流。解 当f=50Hz时8.622.05014.3
11、22LfLXA159.0A8.6210LLLXUIvar59.1var159.010LLLIUQtVusin210 当f=5000Hz时62802.0500014.322LfLXmA59.1A00159.0A628010LLLXUI(1)电压和电流的关系 忽略电容器损耗的电路称为纯电容电路。三、纯电容电路取电容器两端电压与电流参考方向一致。设电容器两端的电压为电容器中的电流为电流和电压的最大值关系为tuusincmc)90sin()90sin(cmcmctItCUiCcmcmcmXUCUI 称为电容器的容抗fCCX211CCX式中 交流电的角频率(rad/s);f 交流电的频率(Hz);C 电
12、容器的容量(F)。电流和电压的有效值关系为CCCXUI1)电容器电压和电流是同频率的正弦量,相位上电流超前 电压90。2)电压有效值(幅值)、电流有效值(幅值)与容抗之间 的关系符合欧姆定律关系。图3-11 纯电容电路a)电路图 b)波形图 c)相量图电容器与电源之间能量交换的最大速率称电容器的无功功率用 表示,其单位是乏(var)。C2CC2CCCCXUXIIUQCQ例3-6 一个电容为50F的电容器,接到频率为50Hz,电压为100V的正弦交流电源上,求容抗、电流和无功功率。若电源电压不变,频率提高到5000Hz,求这时的容抗和电流。解 当f=50Hz时当f=5000Hz时7.631050
13、5014.321216CfCXA57.1A7.63100CCCXUIvar157var1057100CCCIUQ634.010505014.321216CfCXA157A637.0100CCCXUI电路阻抗电压电流关系功 率有效值关系相位关系纯电阻电路电阻R纯电感电路感抗纯电容电路抗容RLLCCRLCURUXUXIII1C2fCX有功功率无功功率 L2XfL.RI.RU.LU.LI.CU.CI02RRRRRQRIIUPLLLLLLXIIUQP20CCCCCCXIIUQP20有功功率无功功率 有功功率无功功率 表3-1 单一参数电路的比较 一、电阻和电感串联电路 RL串联电路如图3-12a所示,
14、取电压和电流的参考方向一致,(1)作相量图 作相量图如图3-12-b所示。图3-12 电阻、电感串联电路a)电路图 b)相量图1.电压和电流的关系 (2)求相量和ZIXRIIXIRUUU2L2222L2R)()(ZR、L串联电路的阻抗()2L2XRZ由于阻抗不是正弦量,所以阻抗三角形不标箭头。1)RL串联电路中,总电压超前电流。RLUUarctanarctanRL 图3-13 电压、阻抗、功率三角形a)电压三角形 b)阻抗三角形 c)功率三角形 2)总电压的有效值与电流有效值以及阻抗之间满足欧姆定律关系。ZUI 2.电路的功率和能量转换(1)平均功率RIIUPP2RRcosRUUcosUIP(
15、2)无功功率sinL2LLUIXIIUQQ(3)视在功率UIS 因为功率不是正弦量,所以功率三角形不标箭头。22QPS cosSP电路的功率因数。例3-7 一个交流接触器线圈的等效电阻为200,电感为10H,接在50Hz、220V的交流电源上,求通过线圈的电流。若将此接触器误接在220V的直流电源上,将会出现什么后果(线圈额定电流为 80 mA)?解 交流接触器线圈电路可等效为RL串联电路,如图3-12a所示。(1)接50Hz、220V的交流电源时线圈感抗为线圈阻抗为3140)105014.32(2LfLX31463140200222L2XRZ 线圈电流为mAVZUI703146220此时,线
16、圈电流小于额定电流,接触器正常工作。(2)接触器误接220V的直流电源时,线圈感抗 ,阻抗 ,因此有线圈电流 此时,由于流过线圈电流大于额定电流,接触器将因过热而损坏。0LX200RZA1.1200V220ZUI 二、电阻和电容串联电路 (1)作相量图 图3-14 电阻、电容串联电路1.电压和电流的关系 ZIXRIIXIRUUU2C22C22C2R)()(Z RC 串联电路的阻抗()。2C2XRZ 图3-15 电压、阻抗、功率三角形a)电压三角形 b)阻抗三角形 c)功率三角形 1)RC 串联电路中,总电压滞后电流。2)总电压的有效值与电流有效值以及阻抗 之间满足欧姆定律关系。RCUU1arc
17、tanarctanRCZUI Z2.电路的功率和能量转换(1)平均功率RIIUPP2RRcosRUUcosUIP (2)无功功率 sinC2CCUIXIIUQQ(3)视在功率22QPUIS电路的功率因数为SPZRUcosRU 例3-9 在电子仪表中,常利用RC 串联电路组成移相电路。如图3-16a所示,已知输入电压的频率f=800Hz,电阻R=2.4k,为了使输出电压超前输入电压60,求电容C。图3-16 例3-9题图 a)电路图 b)相量图 解 根据题意作相量图,如图3-16b所示。设电流 的初相为零,由于输出电压 取自于电阻R,与电流 同相,所以输出电压 。超前输入电压 的角度,就是电流
18、超前输入电压的角度 。根据已知条件,。III0U0UiU60 由图3-16b所示,有即所以 即C=0.047F时,输出电压超前输入电压60。在移相电路中,改变R、C 可获得不同的移相角。RXUUC0Ctan415760tan2400tanCRXF047.0415780014.32121CfXC1.电压和电流的关系 三、电阻、电感、电容串联电路 式中 RLC 串联电路的阻抗()。(1)作相量图(2)求相量和ZIXXRIUUUU2CL22CL2R)()(Z2CL2)(XXRZ 图3-17 电阻、电感、电容串联电路a)电路图 b)相量图 c)相量图CULULUCU1)RLC 串联电路中,总电压与电流
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