电工实训单元4-单相正弦交流电课件.ppt

1、第四章第四章 单相正弦交流电单相正弦交流电单相正弦交流电串联电路单一RLC参数交流电路谐振电能计量与节能实训项目学学 习习 内内 容容单相正弦交流电单相正弦交流电观察与思考观察与思考v 直流电与交流电的区别是什么？v 日常生活中哪些用电器使用交流电？又有哪些使用直流电？v 你还记得直流电路的哪些知识？正弦交流电的产生正弦交流电的产生交流发电机：提供电能交流发电机：提供电能e=Emsint 正弦交流电压正弦交流电压u=Umsint 正弦交流电流正弦交流电流 i=Imsint 振荡器可产生各种交流信号 正弦交流电的三要素正弦交流电的三要素一、有效值、最大值一、有效值、最大值正弦交流电压正弦交流电压

2、u=Umsint 正弦交流电流正弦交流电流 i=Imsint 电动势电动势 e=Emsinti、u、e分别表示电流、电压、电分别表示电流、电压、电动势的瞬时值。动势的瞬时值。Im、Um和和Em分别表示电流、电压分别表示电流、电压和电动势的最大值。和电动势的最大值。mm707.02IIImm707.02UUUmm707.02EEE有效值有效值正弦交流电的三要素正弦交流电的三要素二、周期、频率和角频率二、周期、频率和角频率1、周期、周期T：单位是秒（：单位是秒（s）正弦交流电作周期性变化一次所需的时间正弦交流电作周期性变化一次所需的时间 2、频率、频率f：单位是赫兹（：单位是赫兹（Hz）每秒内变化

3、的次数每秒内变化的次数 3、角频率、角频率：单位是弧度秒（：单位是弧度秒（rads）正弦交流电每秒内变化的电角度正弦交流电每秒内变化的电角度 三者关系：三者关系：f=1/T 或 T=1/f =2f=2/T 2f 角频率反映了正角频率反映了正弦量的变化快慢弦量的变化快慢 正弦交流电的三要素正弦交流电的三要素三、相位、初相位和相位差三、相位、初相位和相位差)sin(1m1tEe)sin(2mtEe2相位：相位：1t2t初相位：初相位：12相位差：相位差：12 如图如图e e1 1的波形的波形超前超前e e2 2波形一定的相位差角波形一定的相位差角也可说也可说e e2 2 的波形的波形滞后滞后e e

4、1 1波形一定的相位差角波形一定的相位差角=初相位反映了正初相位反映了正弦量的起始位置弦量的起始位置 同相与反相同相与反相a)二者的初相位相等，则称它们同相位或二者的初相位相等，则称它们同相位或同相同相。b)一个交流电达到正的最大值时，另一个交流电同时达到一个交流电达到正的最大值时，另一个交流电同时达到负的最大值，则称它们反相位，简称负的最大值，则称它们反相位，简称反相反相。同相：相位差为同相：相位差为0；反相：相位差为反相：相位差为。正弦交流电的表示方法正弦交流电的表示方法一、解析表示法一、解析表示法)sin(emtEe)sin(umtUu)sin(imtIi根据解析式可以计算交流电任意瞬时

5、的数值根据解析式可以计算交流电任意瞬时的数值 正弦交流电的表示方法正弦交流电的表示方法二、波形表示法二、波形表示法波形图中可以直观反映出交流电的最大值、周期和初相位。波形图中可以直观反映出交流电的最大值、周期和初相位。正弦交流电的表示方法正弦交流电的表示方法三、旋转矢量表示法三、旋转矢量表示法特别注意特别注意:相量只表示正弦量，而不等于正弦量。相量只表示正弦量，而不等于正弦量。非正弦周期量不能用相量表示。非正弦周期量不能用相量表示。例题例题 例例：已知两正弦电动势分别为 和V )60 sin(10021001te求：（1）各电动势的最大值和有效值；（2）频率、周期；（3）相位、初相位、相位差；

6、（4）波形图。V )30-sin(100 2652teV 2100m1EV 265m2EV 100221001EV 6522652EHz 502100221ffs 0.02501121fTT解解（1）最大值）最大值有效值有效值（2）频频 率率周周 期期例题例题)60(1001t)30-(1002t 601 30290)30(6021（3）相）相 位位初相位初相位相位差相位差（4）波形图）波形图单一单一RLC参数交流电路参数交流电路观察与思考观察与思考 带电能表多孔插座带电能表多孔插座上上,单独插入电水壶单独插入电水壶电表读数累计增加明电表读数累计增加明显且均匀；单独插入显且均匀；单独插入控制变

7、压器电表读数控制变压器电表读数累计增加非常缓慢；累计增加非常缓慢；单独插入电容电表几单独插入电容电表几乎不增加读数。乎不增加读数。神奇现象神奇现象 当电风扇转速较当电风扇转速较慢时，电工师傅在慢时，电工师傅在风扇上并接一个电风扇上并接一个电容后转速很快升高容后转速很快升高了；当你的学习机了；当你的学习机噪音变得比较大时，噪音变得比较大时，维修工打开电源变维修工打开电源变换器并接一个电容换器并接一个电容后噪音明显减少。后噪音明显减少。神奇现象神奇现象纯电阻电路纯电阻电路一、电压和电流关系一、电压和电流关系 在纯电阻电路中：通在纯电阻电路中：通过电阻的电流和加在电过电阻的电流和加在电阻两端的电压具

8、有阻两端的电压具有相同相同的频率和相位的频率和相位，且电流，且电流与电压的有效值满足欧与电压的有效值满足欧姆定律姆定律 RUI 即：即：a a）电路图电路图 b b）电压电流波形图）电压电流波形图 c c）相量图）相量图 d d）功率曲线）功率曲线纯电阻电路纯电阻电路 二、功二、功 率率有功功率有功功率P P（即平均功率）：瞬时功率在一个周期内的平均值（即平均功率）：瞬时功率在一个周期内的平均值UIP 公式：公式：P P有功功率，单位为有功功率，单位为W W或或kWkW U U、I I均为正弦电压、电流的有效值，单位分别为均为正弦电压、电流的有效值，单位分别为V V和和A A 电阻电路中消耗的

9、电阻电路中消耗的电能量电能量为为UItPtWW W电能，单位为电能，单位为J J或或kWkWh h（即（即1 1度电）。度电）。公式：公式：纯电阻电路纯电阻电路例题：例题：一单相一单相220V220V、1000W1000W的电炉，接在的电炉，接在50Hz50Hz、220V220V的交的交流电源上，试求电炉的电阻、电流和使用流电源上，试求电炉的电阻、电流和使用8h8h消耗的电能是消耗的电能是多少度多少度?解：解：电炉的电阻电炉的电阻：R=U2/P=2202/1000=48.4()电炉的电流电炉的电流：I=P/U=1000/220=4.55(A)消耗的电能消耗的电能：W=Pt=10008=8(kW

10、h)纯电阻电路纯电阻电路三、典型应用三、典型应用电炉电路电炉电路 v 当开关置于低档时，当开关置于低档时，500W500W电热丝接入电路；电热丝接入电路；v 当开关置于中档时，当开关置于中档时，1000W1000W电热丝接入电路；电热丝接入电路；v 当开关置于高档时，当开关置于高档时，500W500W和和1000W1000W电热丝同时并联接电热丝同时并联接入电路，此时功率最大。入电路，此时功率最大。纯电容电路纯电容电路一、电压和电流的关系一、电压和电流的关系 在纯电容电路中，电流与电压成正比在纯电容电路中，电流与电压成正比 cXUI fccXc211X Xc c容抗，单位为容抗，单位为 容抗容

11、抗X Xc c不仅跟电容不仅跟电容C C的大小的大小有关，还跟电源频率有关有关，还跟电源频率有关 纯电容电路纯电容电路在纯电容电路在纯电容电路中电流比电压中电流比电压超前超前/2/2 电流电压波形及相量图电流电压波形及相量图 a a）电路图）电路图 b b）电压、电流波形图）电压、电流波形图 c c）相量图）相量图 d d）功率曲线）功率曲线纯电容电路纯电容电路二、功二、功 率率tUIttIUuipmm2sin)90sin(sin瞬时功率瞬时功率有功功率有功功率0P2IXUIQCC无功功率无功功率无功功率，单位为无功功率，单位为var var CQ例题：将一个例题：将一个2F2F的电容器接在的

12、电容器接在220V220V、50Hz50Hz的正弦交流电源上，的正弦交流电源上，试求通过电容器的电流试求通过电容器的电流I I、有功功率、有功功率P P和无功功率和无功功率Q QC C为多少？为多少？（提示：先计算出容抗（提示：先计算出容抗X XC C的值，然后分别套用的值，然后分别套用I I、P P和和Q Q的公式求解）的公式求解）纯电容电路纯电容电路三、典型应用三、典型应用 用于前后级放大电路之间的用于前后级放大电路之间的耦合，简称耦合，简称“隔直通交隔直通交”如如各种音视频设备的信号传输各种音视频设备的信号传输等等 用于单相电机的用于单相电机的90o90o移相，如移相，如吊扇、双筒洗衣机

13、电机等吊扇、双筒洗衣机电机等 纯电容电路纯电容电路三、典型应用三、典型应用 电子技术中用于电源的电子技术中用于电源的滤波，如计算机、打印滤波，如计算机、打印机等设备开关电源的整机等设备开关电源的整流输出等流输出等 应用于音频技术中，如应用于音频技术中，如中、高档音响的分频器中、高档音响的分频器等等 纯电感电路纯电感电路一、电压和电流关系一、电压和电流关系2i Isint eL=-u=-2Usin(t+90)通过线圈的电流与电源电通过线圈的电流与电源电压、自感电动势具有压、自感电动势具有相同相同的的频率频率。但是它们的相位。但是它们的相位不同，不同，电流滞后电压电流滞后电压9090 U=XLI=

14、LI=2fLIXL-感抗，单位感抗，单位 XL=L=2fL纯电感电路纯电感电路二、功二、功 率率瞬时功率：瞬时功率：p=ui=2UIsin（t+90）sint=UIsin2t 有功功率：有功功率：P=0 无功功率：无功功率：LXIUIQ2L瞬时功率为瞬时功率为正值正值时说明电感从电源时说明电感从电源吸收吸收能量，转换能量，转换为磁场能储存起来；瞬时值为为磁场能储存起来；瞬时值为负值负值说明电感又将磁说明电感又将磁场能转换为电能场能转换为电能返还返还给电源。通常用瞬时功率的最给电源。通常用瞬时功率的最大值来衡量大值来衡量电感与电源之间能量转换电感与电源之间能量转换的规模的规模 纯电感电路纯电感电

15、路例题：例题：正弦交流电源电压正弦交流电源电压U=220VU=220V，f=50Hzf=50Hz，接上电感，接上电感线圈的电感线圈的电感L=0.05HL=0.05H，电阻可忽略不计。试求通过线圈中，电阻可忽略不计。试求通过线圈中的电流的电流I I、有功功率、有功功率P P和无功功率和无功功率 为多少？为多少？LQ解：解：XL=L=2fL=2500.0515.71()I=U/XL=220/15.7114.0(A)P=0 QL=UI=22014=3080(var)串联电路串联电路21 UUU思考：思考：为什么为什么？RL串联电路串联电路一、电流和电压的关系一、电流和电压的关系222222()()R

16、LLLUUUIRIXIRXI Z总电压和电阻、电感元件上分压关系：总电压和电阻、电感元件上分压关系：总电流滞后总电压一个总电流滞后总电压一个角角 LLRUX=arctan=arctanURRL串联电路串联电路二、功率关系二、功率关系或或 I IU UR RI IP PR R2 2UIcosP 有功功率有功功率无功功率无功功率sin IUQ2LUIXIL视在功率视在功率22SUIPQ 在在RLRL串联的交流电路中，电阻消耗有功功率，电感与电源串联的交流电路中，电阻消耗有功功率，电感与电源交换无功功率。即交换无功功率。即RLRL串联的交流电路既消耗有功功率又占有电串联的交流电路既消耗有功功率又占有

17、电源功率源功率。将电源对此电路表现出的功率称为视在功率，它等于。将电源对此电路表现出的功率称为视在功率，它等于电流、电压有效值之乘积，用电流、电压有效值之乘积，用S S表示，单位为表示，单位为V VA A或或kVkVA A。RL串联电路串联电路例题：例题：一个电感线圈，一个电感线圈，L=25.5mHL=25.5mH，电阻，电阻R=6R=6，接于，接于电压电压220V220V的交流电源上，求电路中的电流的交流电源上，求电路中的电流I I、有功功率、有功功率、无功功率和视在功率。无功功率和视在功率。解：解：)8(8(101025.525.550503.143.142 2fLfL-3-32XL)10

18、(|Z|22(A)220/10|Z|U/I0.66/10|z|R/cos2904(W)0.622220UIcosP3872(var)0.822220UIsinQ)(484022220UISAV感抗感抗阻抗阻抗根据欧姆定律根据欧姆定律有功功率有功功率无功功率无功功率视在功率视在功率RL串联电路串联电路三、典型应用三、典型应用荧光灯电路荧光灯电路工作原理是：闭合开关工作原理是：闭合开关S S，启辉电压加在启辉器动、静触片之间产生，启辉电压加在启辉器动、静触片之间产生辉光放电，辉光放电，U U形双金属片受热膨胀，与静触片接触，电流流过灯丝预形双金属片受热膨胀，与静触片接触，电流流过灯丝预热。由于动、

19、静触片的接触，辉光放电停止，热。由于动、静触片的接触，辉光放电停止，U U形双金属片冷却而收形双金属片冷却而收缩，动、静触片突然断开，在镇流器的线圈上产生很高的自感电动势缩，动、静触片突然断开，在镇流器的线圈上产生很高的自感电动势与电源电压叠加后加在灯管的两端，使灯管内的惰性气体与水银蒸气与电源电压叠加后加在灯管的两端，使灯管内的惰性气体与水银蒸气电离产生辉光放电而导通。电离产生辉光放电而导通。RLC串联电路串联电路一、电流和电压的关系一、电流和电压的关系)90sin()90sin(sinsintXIutXIutRIutIiCmCLmLmRmCLRuuuuC CL LR RU UU UU UU

20、 U用相量表示用相量表示RLC串联电路串联电路端电压、电流的相位关系端电压、电流的相位关系 00arctan0LCuiRUUU00arctan0LCuiRUUU000uiCLUU CLUUCLUU（1）当 时（2）当 时（3）当 时RLC串联电路串联电路二、二、RLCRLC串联电路阻抗之间的关系串联电路阻抗之间的关系电压三角形电压三角形 2CL2)(UUUURIXXRCL22)(阻抗三角形阻抗三角形 RXXRXCLarctanarctan叫做叫做阻抗角阻抗角，也是端电压和电流的相位差，也是端电压和电流的相位差 RLC串联电路串联电路根据阻抗三角形分析电路的性质是电阻性、电感性还是电容性根据阻抗

21、三角形分析电路的性质是电阻性、电感性还是电容性 RLC串联电路串联电路三、功率关系三、功率关系（1）有功功率 IUPPRRcosUURcosUIP 因为因为而而所以所以coscos称为称为功率因数功率因数 （2）无功功率IUQIUQCCLLsin)(UIIUUQQQCLCL（3）视在功率UIS 22QPSS SP PU UU UZ ZR Rc co os sR RRLC串联电路串联电路例题：例题：在电阻、电感和电容串联电路中，电路中电流为在电阻、电感和电容串联电路中，电路中电流为6A6A，电，电阻上电压为阻上电压为80V80V，电容上电压为，电容上电压为180V,180V,电感上电压为电感上电

22、压为240V240V。电源频。电源频率为率为50Hz50Hz。试求：试求：（1 1）电源电压有效值）电源电压有效值U U；（2 2）电路参数）电路参数 R R、L L和和C C；（3 3）电流与电压的相位差。）电流与电压的相位差。解：（1）)(100)180240(80)(2222VUUUUCLR（2）)(3.13680IURR)(406240IUXLL13.05014.32402fXLL)(306180IUXCCF)(000106.0305014.32121CfXC（3）oCLRXX9.363.133040arctanarctan谐振谐振思考：思考：（1 1）你知道收音机是如何接收到各地电台

23、所）你知道收音机是如何接收到各地电台所发射出的无线电波的吗？发射出的无线电波的吗？（2 2）在一些电子产品或电力工程中，电源电）在一些电子产品或电力工程中，电源电压本身并不高，却经常发现电容器被意外高压压本身并不高，却经常发现电容器被意外高压击穿的情况，这些高压又来自哪里？如何有效击穿的情况，这些高压又来自哪里？如何有效避免？避免？RLC串联电路的谐振串联电路的谐振一、串联谐振条件一、串联谐振条件在在R R、L L、C C元件串联电路中，当元件串联电路中，当X XL LX XC C时，总电压与电流时，总电压与电流同相位，此时同相位，此时电路呈电阻电路呈电阻性质，这种现象称为谐振。性质，这种现象

24、称为谐振。CL001谐振角频率和谐振频率，用谐振角频率和谐振频率，用 、00fLC10LCf210注：（注：（1 1）f f0 0通常又称为电路的固有频率。通常又称为电路的固有频率。（2 2）电路发生串联谐振的条件是电源频率）电路发生串联谐振的条件是电源频率f f与电路固有频率与电路固有频率f f0 0相等。相等。RLC串联电路的谐振串联电路的谐振二、串联谐振特点二、串联谐振特点（1 1）谐振时电路的阻抗最小，且等效为纯电阻，故又称谐振阻抗谐振时电路的阻抗最小，且等效为纯电阻，故又称谐振阻抗 RXXRZCLo22)(（2 2）外加电压一定时，谐振时电路电流最大，称为谐振电流，且外加电压一定时，

25、谐振时电路电流最大，称为谐振电流，且电压与电流同相电压与电流同相 RUZUIo00RXXarctgCL（3 3）谐振时，电感上电压与电容上电压大小相等，相位相反。谐振时，电感上电压与电容上电压大小相等，相位相反。RIUUoR（4 4）谐振时，无功功率为零，电源供给的能量仅为电阻消耗的能量。谐振时，无功功率为零，电源供给的能量仅为电阻消耗的能量。0CLQQQRLC串联电路的谐振串联电路的谐振QUURLURXXIUoLLoLQUURCURXXIUoCCLoC1谐振电路的品质因数谐振电路的品质因数Q Q（1 1）Q Q值越大，电路的选频作用越好，但值越大，电路的选频作用越好，但Q Q值过大，则会值过

26、大，则会造成电路波形失真。造成电路波形失真。（2 2）电路发生串联谐振时，电感、电容上的电压将比总）电路发生串联谐振时，电感、电容上的电压将比总电压高很多倍，所以串联谐振又称为电压谐振。电压高很多倍，所以串联谐振又称为电压谐振。RLC串联电路的谐振串联电路的谐振三、通频带三、通频带一般规定，在输入信号不变的情况下，回路中电流下降到不小于谐一般规定，在输入信号不变的情况下，回路中电流下降到不小于谐振电流的振电流的0.7070.707倍的一段频率范围（如图所示的倍的一段频率范围（如图所示的f fH Hf fL L），称为谐振），称为谐振电路的通频带，简称电路的通频带，简称带宽带宽BWBW RLC串

27、联电路的谐振串联电路的谐振四、典型应用四、典型应用等效收音机的调谐电路收音机的调谐电路 LC并联电路谐振并联电路谐振一、并联谐振条件一、并联谐振条件在在L L、C C元件组成的并联电路中，回路端电压与总电流同相且回路元件组成的并联电路中，回路端电压与总电流同相且回路阻抗为纯电阻，电路的这种状态叫谐振状态。阻抗为纯电阻，电路的这种状态叫谐振状态。CLRL22)(LCLRLCf21121220并联谐振的频率并联谐振的频率：LC并联电路谐振并联电路谐振二、并联谐振特点二、并联谐振特点1 1）谐振时电路的阻抗最大，为）谐振时电路的阻抗最大，为RXRZLo222 2）谐振时电路总电流最小。线圈支路、电容

28、支路的电流可）谐振时电路总电流最小。线圈支路、电容支路的电流可 以以比总电流大很多倍，所以并联谐振又称为电流谐振比总电流大很多倍，所以并联谐振又称为电流谐振3 3）谐振时电路总的无功功率为零。）谐振时电路总的无功功率为零。LC并联电路谐振并联电路谐振三、典型应用三、典型应用中频选频电路中频选频电路 电能计量与节能电能计量与节能 对同样大小的负荷而言，采样并联补偿电容后所缴对同样大小的负荷而言，采样并联补偿电容后所缴纳的电费比补偿前要少得多。这是为什么？纳的电费比补偿前要少得多。这是为什么？神奇现象：神奇现象：电能计量电能计量一、电能一、电能电能是表示电流在一定时间内做功多少的物理量，也可简单地

29、理解为1kW的用电器在额定电压下连续工作1h 消耗电能为1kWh。1kWh=3.6106J二、用电计量二、用电计量电能计量装置包括各种类型电能表、计量用电压、电流互感器及其二次回路、电能计量柜(箱)等 电能计量电能计量三、电能表及其接线三、电能表及其接线DD862感应式电能表 DDS607单相电子式电能表 单相电能表接线 电能计量电能计量 例：例：电工抄表记录某住宅的电能表在6月底的示数为“33225”，7月底的示数为“33626”。那么该住宅7月份共用电多少度，若每度电按照0.5元计价，则该用户应付费多少？解：该用户7月份表计用电为：33626-33225=40.1kWh40 kWh（习惯称

30、作40度电）该用户需付费 400.5=20（元）功率因数提高功率因数提高 功率因数越低，该电源设备所发出的有功功率越小，电源设备的功率因数越低，该电源设备所发出的有功功率越小，电源设备的利用率越低。线路上的功率损耗也越大。利用率越低。线路上的功率损耗也越大。一、提高功率因数的意义一、提高功率因数的意义二、提高功率因数的方法二、提高功率因数的方法 在在R R、L L串联电路两端并联适当的电容串联电路两端并联适当的电容C C)tan(tan12UPC)tan(tan122PCUXUQCC无功容量无功容量Q Q C C 练习练习5.0cos19.0cosCQ有一盏荧光灯，接于有一盏荧光灯，接于220V220V、50Hz50Hz交流电源上，已知交流电源上，已知其功率为其功率为40W40W，若要把功率因数提高到到若要把功率因数提高到到，试求需补偿的无功功率，试求需补偿的无功功率