汽车电子技术单元3正弦交流电课件.ppt

1、 了解单相交流电路中的几个基本概念 理解和掌握R、L、C三大基本元件的伏安关系 熟悉提高功率因数的意义和方法 理解有功功率、无功功率及视在功率的概念 了解三相交流电的基本概念；熟悉三相电源和三相负载的两种连接方式；掌握对称三相交流电的概念及对称三相电路的分析与计算；理解中线的作用和两种连接方式下线、相电压，线、相电流之间的关系 了解安全用电的基本常识 大小和方向均随时间变化的电压或电流称为交流电。如等腰三角波矩形脉冲波正弦波 其中，大小和方向均随时间按正弦规律变化的电压或电流称为。正弦交流电广泛应用于工农业生产、科学研究及日常生活中，了解和掌握正弦交流电的特点，学会正弦交流电路的基本分析方法，

2、是本章学习的目的。1秒钟T=0.5sf=2Hz=4rad/sTf22 正弦量随时间按正弦规律变化，对应各个时刻的数值称为瞬时值，瞬时值是用正弦解析式表示的，即：)sin()sin(mmiutIitUu 是变量，注意要表示。瞬时值对应的表达式应是三角函数解析式。(1)瞬时值(2)最大值 正弦量振荡的最高点称为，用(或)表示。mU是指与正弦量热效应相同的直流电数值。Ri 两电流热效应相同，可理解为二者做功能力相等。我们把做功能力相等的直流电的数值 定义为相应交流电的。有效值是根据热效应相同的直流电数值而得，因此引用直流电的符号，即有效值用 或 表示。RI理论和实践都可以证明，正弦交流电的有效值和最

3、大值之间具有特定的数量关系，即：(3)有效值IIIUUU414.12 707.02mmm，显然，相位反映了正弦量随时间变化的整个进程。)sin(mutUu 确定了正弦量计时始的位置，初相规定。(1)相位(2)初相相位是随时间变化的电角度，是时间t 的函数。)sin(mutUu初相是对应 t=0时的确切电角度。正弦量与纵轴相交处若在正半周，初相为正。-正弦量与纵轴相交处若在负半周，初相为负。)sin(),sin(imumtIitUuiuiuiutttt)()(显然，两个同频率正弦量之间的相位之差，实际上等于它们的。已知，求电压与电流之间的相位差。不同频率的正弦量之间不存在相位差的概念。相位差不得

4、超过180!(3)相位差何谓正弦量的三何谓正弦量的三要素？它们各反要素？它们各反映了什么？映了什么？何谓反相？同相何谓反相？同相？相位正交？超？相位正交？超前？滞后？前？滞后？正弦量的三要素是指它的最大值、角频率和初相。最大值反映了正弦量的大小及做功能力；角频率反映了正弦量随时间变化的快慢程度；初相确定了正弦量计时始的位置。u1与与u2反相，即相位差为反相，即相位差为180；u3tu4u2u1uu3超前超前u190，或说，或说u1滞后滞后u390，二者为正交的相位关系。二者为正交的相位关系。u1与与u4同相，即相位差为零同相，即相位差为零。1.电阻元件（1）电阻元件上的电压、电流关系 iR u

5、电流、电压的瞬时值表达式Rui 相量图tIisin m设IRURIU mm或tUtRIusinsin mm则000IRURURUIU)(sin2)(sin2tUutIitUIUItItUiup2cossinsinmm1)瞬时功率 p则uituip0（2）电阻元件上的功率关系 2)平均功率 P(有功功率)tUIUItItUiup2cossinsinmm121040220 ,484100220224022100PURPUR由:可得瞬时功率在一个周期内的平均值:求“220V、100W”和“220V、40W”两灯泡的电阻。平均功率用大写！平均功率用大写！可见，额定电压相同时，瓦数越大的灯泡，其灯丝电阻

6、越小。而电压一定时，瓦数越大向电源吸取的功率越多，视其为大负载。学习时一定要区别大电阻和大负载这两个概念。2)平均功率 P(有功功率)把u i数量关系代入上式：RURIUIP223.电感元件（1）电感元件上的电压、电流关系 i uL电流、电压的瞬时值表达式dtdiLuL导出u、i的有效值关系式：tIisin m设LmmLm XILIU)90sin(cos)sin(LmmmLtUtLIdttIdLdtdiLu则上式称为上的Lu、i 最大值的数量关系为：LUfLUXUILLLL2IU相量图为：式中XL称为电感元件的电抗，简称感抗。感抗反映了电感元件对正弦交流电流的阻碍作用。单位也是。LUfLUXU

7、ILLLL2感抗与哪感抗与哪些因素有些因素有关？关？直流情直流情况下感况下感抗为多抗为多大？大？感抗与频率成正比，与电感量L成正比。直流情况下频率f等于零，因此感抗等于零，电感元件相当于短路。)cos(2)(sin2mtUutIitUItItUiup2sinsincosmm则uitu i 关联关联,吸收电能吸收电能;建立磁场建立磁场;p 0u i 非关联非关联,送出能量送出能量;释放磁能释放磁能;p 0u i 非关联非关联,送出能量送出能量;释放磁能释放磁能;p 0u i 非关联非关联,电容放电电容放电;释放能量释放能量;p 0u i 非关联非关联,电容放电电容放电;释放电能释放电能;p 0，

8、电路呈感性，u超前i一个角；CLUU 时，UX0，电路呈容性，u滞后i一个角；CLUU 时，UX=0，电路呈阻性，u和i同相，=0。IULURUCUUX=UL+UCIULURUCUUX=UL+UCUX=00IULURUCU同理：在含有L和C的电路中，出现总电压与电流同相的阻性电路时，称电路发生了。电路发生谐振时，情况比较特殊。由于谐振时电抗为零，所以阻抗最小；电压一定时谐振电流最大；在L和C两端将出现过电压情况等等。电力系统中的电压一般为380V和220V，若谐振发生出现过电压时，极易损坏电器，因此应避免谐振的发生。谐振现象被广泛应用在电子技术中。3.功率因数coscos SUIP：由 电力设

9、备如变压器、感应电动机、电力线路等，除从电力系统吸取有功功率外，还要吸取无功功率。无功功率仅完成电磁能量的相互转换，并不作功。无功和有功同样重要，没有无功，变压器不能变压，电动机不能转动，电力系统不能正常运行。但无功功率占用了电力系统发供电设备提供有功功率的能力，同时也增加了电力系统输电过程中的有功功率的损耗，导致用电功率因数降低。式中cos称为电路的功率因数。cos SP可得 世界各国电力企业对用户的用电功率因数都有要求，并按用户用电功率因数的高低在经济上给予奖惩。功率因数是电力技术经济中的一个重要指标。提高功率因数意味着：1)提高用电质量，改善设备运行条件，保证设备在正常条 件下工作，有利

10、于安全生产；2)可节约电能，降低生产成本，减少企业的电费开支。例 如：当cos=0.5时的损耗是cos=1时的4倍；3)提高企业用电设备利用率，充分发挥企业的设备潜力；4)减少线路的功率损失，提高电网输电效率；5)因发电机容量的限定，提高功率因数将意味着让发电机 多输出有功功率。1.避免感性设备的空载和减少其轻载；2.在线路两端并联适当电容。1.提高供电设备的利用率；2.减少线路上的能量损耗。1、电感元件在直流、高频交流电路中如何？2、电容元件在直流、高频交流电路中如何？3、无功功率能否认为是无用之功？如何正确理解无功功率的概念？有功功率、无功功率的单位相同吗？4、感抗、容抗和电阻有何相同？有

11、何不同？5、电压、电流相位如何时只吸收有功功率？只吸收无功功率时二者相位又如何？6、电容器的主要工作方式是什么？电容器的极间电压很大时，是否此时电流也一定很大？7、你能得出电容和电感两元件之间有哪些特点吗？8、提高功率因数的方法？CUICuiCUIXUiC）（；）（；）（；）（4 3 2 1LUILuiLUIXUim）（；）（；）（；）（4 3 2 1L1.电阻元件在交流电路中电压与电流的相位差是多少？判断下列表达式的正误。RuiRUiRUIRUim）（；）（；）（；）（4 3 2 12.纯电感元件在交流电路中电压与电流的相位差是多 少？感抗与频率有何关系？判断下列表达式的正误。3.纯电容元件

12、在交流电路中电压与电流之间的相位差是 多少？容抗与频率有何关系？判断表达式的正误。现代电力工程上几乎都采用三相四线制。三相交流供电系统在发电、输电和配电方面较单相供电具有很多不可比拟的优点，主要表现在：1.三相电机产生的有功功率为恒定值，因此电机的稳定性好。2.三相交流电的产生与传输比较经济。3.三相负载和单相负载相比，容量相同情况下体积要小得多。由于上述优点，使三相供电在生产和生活中得到了极其广泛的应用。三相定子绕组对称嵌放在定子铁心槽中。定子铁心)120sin()120sin(sinmCmBmAtEetEetEe尾端：X Y Z 三相交流电是由三相发电机产生的。发电机主要由定子和转子两大部

13、分构成。定子绕组首端：A B C转子铁心转子绕组转子绕组通电后产生磁场。转轴NS 三相定子绕组与旋转磁场相切割，感应对称三相电动势。原动机带动转子绕轴旋转，形成气隙旋转磁场。电路分析中很少用电动势，通常用电压来表示。以A相绕组的感应电压为参考正弦量，则发电机感应的对三相电压分别为：)120sin()120sin(sinmCmBmAtUutUutUu 1.对称三相交流电的特点u0Tt120UB120 120三相电源Y接时的三个相电压显然是对称的！2.三相电源的星形（Y）连接方式uAuBuC三相电源尾端连在一起三相电源首端分别向外引出端线，俗称火线。尾端公共点向外引出的导线称为中线，中线俗称零线。

14、显然火线与零线之间的电压等于发电机绕组的三相感应电压相电压 火线与火线之间的电压称为线电压。uABuBCuCA三相电源绕组作Y形连接时，可以向负载提供两种 电压。此种供电系统称为三相四线制。数量上，线电压uAB是相电压uA的1.732倍；相位上，线电压超前与其相对应的相电压30电角！三相电源Y接时线、相电压之间的关系三个相电压对称电源的中性点总是接地的，因此相电压在数值上等于各相绕组首端电位。线电压与相电压之间的关系UB120120 120ACCACBBCBAABUUUUUUUUU电压等于两点电位之差-UB30AABAAB330cos21UUUU可得同理可得显然，电源Y接时的三个线电压也是对称

15、的！UC-30UA-303.三相电源的三角形（）连接方式显然发电机绕组作接时只能向负载提供一种电压！三相电源首尾相接构成闭环在电源的三个连接点处分别外引三根火线。显然，电源绕组作接时，线电压等于发电机绕组的三相感应电压。发电机三相绕组作接时，不允许首尾端接反！否则将在三角形环路中引起大电流而致使电源过热烧损。uABuBCuCA三相电源绕组作接时，线电压等于电源绕组的感应电压。此种供电系统称为三相三线制。通常电源绕组的连接方式为星形。uAuCuB相线UU30 3plUU日常生活与工农业生产中，多数用户的电压等级为:V220 V380PlUU、V127 V220PlUU、三相电源绕组连接成Y接方式

16、的最大优越性就是可向负载提供两种不同的电压，且其中线电压是发电机一相绕组感应电压的1.732倍！三相四线制供电系统两种电压一般表示为或验电笔的正确握法如下图示你能说出对称你能说出对称三相交流电的三相交流电的特征吗？特征吗？三相四线制供电体制三相四线制供电体制中，你能说出线、相中，你能说出线、相电压之间的数量关系电压之间的数量关系及相位关系吗？及相位关系吗？如何用验电笔或如何用验电笔或400V400V以上以上的交流电压表测出三相四线制的交流电压表测出三相四线制供电线路上的火线和零线？供电线路上的火线和零线？电笔头与被测导线接触时，使氖管发光的是火线，不发光的是零线。利用一块电压表的测利用一块电压

17、表的测量，你能正确判断出火量，你能正确判断出火线和零线吗？线和零线吗？三相负载也有Y形和形两种连接方式。1.三相负载的Y形连接Z NZZiA线电流由连接方式决定了相电流plIIYYuAuBuCY接时负载端电压等于电源相电压(1)对称三相负载满足ZZZZCBA称为对称三相负载。0CBANIIIIY接对称三相负载中通过的电流CCCBBBAAAZ Z ZUIUIUI；iNY接对称三相电流对称，因此 对称负载Y接时，由于中线电流为零，中线不起作用，可以拿掉！已知电源线电压为380V。三相Y接照明负载均为“220V、40W”白炽灯50盏，求：U相开路，V相开25盏，W相灯全开时各相电流及中线电流。(2)

18、不对称三相负载CBAZZZ时，称之为不对称三相负载。求解不对称三相负载电路时，只要电路中有中线，就可把各相按照单相电路的分析方法分别计算，注意此时中线电流不等于零！U相开路相当于断路，有中线，V相和W相正常工作，电流分别为：照明电路A09.92205040 A54.42202540WVII，0UIUB 显然，中线保证了Y接不对称三相负载的相电压平衡。有了中线，各相情况互不影响。VIWINIA15088.794.382.6)93.387.7()55.427.2()87.755.4()93.327.2(12009.912054.4NjjjjI中线电流由相量图分析 上述照明电路若中线因故断开，且发生

19、：(1)一相断路；(2)一相短路；情况又如何？(1)无中线一相断路时，其余两相相当于串联接于380V线电压上：V127 V2532.244.484.48380WVUU，2.2450402204.4825402202W2VRRV相、，W相均不能正常工作！(2)无中线一相短路时；此时，V相和W相均通过短路相分别形成回路，各相端电压为380V，高于额定电压220V，显然都会被烧损。负载不对称而又没有中线时，负载上可能得到大小不等的电压，当有的超过用电设备的额定电压时，可能烧损或减少使用寿命；而有的达不到额定电压不能正常工作。如前面所讲到的照明电路，由于中线断开且一相发生故障，由此造成各相负载的不对称

20、。换句话讲，如果有中线，当一相发生故障时，其它无故障负载相仍能正常工作。因此，对通常工作在不对称情况下的三相电路而言，中线绝对不允许断开！而且必须保证中线可靠。为确保中线在运行中不断开，中线上不允许安装保险丝和开关。2.负载的形连接线电流三相负载首尾相接构成一个闭环，相电流)(CAABCAABAIIIII对三个结点列KCL方程可得：相量图分析Z Z ZCACABCBCABABUIUIUI；接时负载的端电压等于电源线电压。由于三个线电压对称，因此三个相电流对称。ZZZiA由三个联结点分别向外引出端线。iABiBiCiBCiCA)(ABBCABBCBIIIII)(BCCABCCACIIIII(1)

21、三相负载对称时-IBCIAICA-IBIAB-IC303030观察相量图可得：uABuBCuCA-IBCIAICA-IBIAB-IC303030303ABAII即：线、相电流的数量关系为：303BCBII303CACII相位上，线电流滞后相电流30。plII3(2)三相负载不对称时各相电流分别计算：CACACABCBCBCABABABZ Z ZUIUIUI；线、相电流之间不再有 倍的关系3BCCACABBCBCAABA IIIIIIIII；应根据分别计算。ZBCZABZCA指出图中各电指出图中各电表的读数。表的读数。某设备采用三相三线某设备采用三相三线制供电。当因故断掉制供电。当因故断掉一相时

22、，能否认为是一相时，能否认为是两相供电了？两相供电了？三相照明电路如图示，如果中三相照明电路如图示，如果中线在线在处断开，各相灯泡是否还处断开，各相灯泡是否还有电流通过？如果有电流通过时有电流通过？如果有电流通过时，各相灯负载还能正常发，各相灯负载还能正常发 光吗？光吗？为什么照明电路中为什么照明电路中一定要火线进开关？一定要火线进开关？ABCNS（b）V2 101010ABCA1 A2 V1 AN（a）101010BC V A2 A3 A1 V1 复习单相交流电路功率：1.三相电路的功率 三相电路对称时，各种功率分别为：UISUIQUIP sin ,cos，)VA(33)Var(sin3si

23、n3)W(cos3cos3PPPPPPIUIUSIUIUQIUIUPllllll 三相电路不对称时，各种功率分别为：)VA()()Var()W(2CL2321321QQPSQQQQPPPP其中容性Q为负值和连接方法和连接方法有无关系？有无关系？Y接时PP 3IIUUll，接时PP3 IIUUll，(1)电流对人体的危害当人体触及带电体承受过高的电压而导致死亡或局部受伤 的现象。触电依伤害程度不同可分为电击和电伤两种。指电流触及人体而使内部器官受到损害，它是最危险的触 电事故。当电流通过人体时，轻者使人体肌肉痉挛，产生 麻电感觉，重者会造成呼吸困难，心脏麻痹，甚至导致死 亡。电击多发生在对地电压

24、为220 V的低压线路或带电设备 上，因为这些带电体是人们日常工作和生活中易接触到的。由于电流的热效应、化学效应、机械效应以及在电流的作 用下使熔化或蒸发的金属微粒等侵入人体皮肤，使皮肤局 部发红、起泡、烧焦或组织破坏，严重时更能危及人命。电伤多发生在1000 V及1000 V以上的高压带电体上。(2)伤害程度与电流强度之间的关系 对于工频交流电，按照人体对所通过大小不同的电流所呈现的反应，通常可将电流划分为三级。感知电流感知电流引起感觉的最小电流引起感觉的最小电流1.1mA1.1mA0.7mA0.7mA摆脱电流摆脱电流人触电后能自主摆脱电源的最大人触电后能自主摆脱电源的最大电流电流 9mA9

25、mA6mA6mA致命电流致命电流在较短时间内引起心室颤动、危在较短时间内引起心室颤动、危及生命的电流及生命的电流 与通电时间有与通电时间有关关 缺乏电气安全常识；违反操作规程；设备不合格；维修维护不及时；偶然因素等。如果触电地点附近有电源，可立即断开开关、拔下插头或熔断器等。如果事故现场离电源太远，可用有绝缘柄的电工钳或有干燥木柄的斧头切断电线。对于低压触电事故：当电线搭接在触电者身上或被压在身下时，可使用非导电体，如木棒、竹竿、塑料棍等，去拨开电源。应立即电话通知有关部门停电。带上绝缘手套，穿上绝缘靴，用相应电压等级的绝缘工具拉开高压开关 抛掷裸金属导线使线路短路、接地，迫使保护装置动作，断

26、开电源。（1）救护人不可直接用手或其他导电及潮湿的物件作为救护工具，必须使用适当的绝缘工具。（2）要防止触电者脱离电源后可能的摔伤。（3）人体触电的形式 在人体与大地之间互不绝缘情况下，人体的某一部位触及到三相电源线中的任意一根导线，电流从带电导线经过人体流入大地而造成的触电伤害。单相触电又可分为中性线接地和中性线不接地两种情况。左图为中性点接地系统的单相触电；右图为中性点不接地系统的单相触电。火线零线 电流通过人体的心脏，肺部、和中枢神经系统的危险性比较大，特别是电流通过心脏时危险最大。所以从手到脚的电流途径最为危险。在两相触电，也叫相间触电，这是指在人体与大地绝缘的情况下，同时接触到两根不

27、同的相线，或者人体同时触及到电气设备的两个不同相的带电部位时，电流由一根相线经过人体到另一根相线，形成闭合回路，如图所示。两相触电比单相触电更危险，因为此时加在人体心脏上的电压是线电压！哈！啊！啊！输电线路火线断线落地时，落地点的电位即导线电位，电流将从落地点流入地中。离落地点越远，电位越低。根据实际测量，在离导线落地点20 m以外的地方，由于入地电流非常小，地面的电位近似等于零。如果有人走近导线落地点附近，由于人的两脚电位不同，则在两脚之间出现电位差，这个电位差叫作。距离电流入地点越近，人体承受的跨步电压越大；距离电流入地点越远，人体承受的跨步电压越小;在20 m以外，跨步电压很小，可以看作

28、为零。U不要在输电线附近搭晒湿衣服！不要随便扯拉电线！不要用湿毛巾擦洗正在使用的电器！触电能使人造成烧伤或死亡，但是事故的多数原因是人为造成的。用电中注意以下问题，可以预防触电事故。（1）损坏的开关、插销等应赶快修理或更换，不能将就使用。（2）不懂电气技术和一知半解的人，对电气设备不要乱拆、乱装，更不要乱接电线。（3）灯头用的软线不要东拉西扯，灯头距地不要太低，扯灯照明时，不要往铁丝上搭。（4）电灯开关最好用拉线开关，尤其是土地潮湿的房间里，不要用床头开关和灯头开关。（5）屋内电线太乱或发生问题时，不能私自摆弄，一定要找电气承装部门或电工来改修。（6）拉铁丝搭东西时，注意不要接触到附近的电线。

29、（7）屋外电线和进户线要架设牢固，以免被风吹断，发生危险。（8）外线折断时，不要靠近或用手去拿，应找人看守，赶快通知电工修理。（9）不要用湿手、湿脚接触电气设备和开关插销，以免触电。（10）大清扫时，不要用湿抹布擦电线、开关和插销，也不要用水冲洗电线及各种用电器具、电灯和收音机等。电力系统和电气装置的中性点，电气设备的外露导电部分通过导体与大地相连称为。接地的目的：一是保证人身安全，使人可能接触到的设备外露导电部分的电位基本降低到接近地电位，当人触及这些部位时，即使这些部位带电，因其电位与地电位基本接近，可以减少电击危险。二是保证电力系统正常、稳定运行。由接了地的变压器和发电机中性点引出的中性

30、线称线。电器设备的某部分直接与线相连接叫作保护接零。保护接零也能起到与接地相似的安全保护作用。（4）保护接地和保护接零 在中性点不接地系统中，设备外壳不接地且意外带电，外壳与大地间存在电压，人体触及外壳，人体将有电容电流流过，如图(a)所示。RrIdZIdRrIdZIdRbIr(a)(b)如果将外壳接地，人体与接地体相当于电阻并联，流过每一通路的电流值将与其电阻的大小成反比。人体电阻通常为600 1000，而接地电阻通常小于4，因此流过人体的电流很小，这样就完全能保证人体的安全，如图(b)所示。当设备正常工作时，外露部分不带电，人体触及外壳相当于触及零线，无危险，如图所示。采用保护接零时，应注

31、意不宜将保护接地和保护接零混用，而且中性点工作接地必须可靠。在电源中性线做了工作接地的系统中，为确保保护接零的可靠，还需相隔一定距离将中性线或接地线重新接地，称为。IDABCO 在实际工作中，常有一些不规则的保护接地和接零，甚至是错误的保护接地和接零，起不到保护作用或作用不可靠，甚至导致相反作用使事故范围扩大。常见的错误联接如下：1、将家用电器的金属外壳用导线和自来水管联接 此种保护措施是不可靠的，甚至是危险的。因为陆地低压电网采用的是系统中性点接地的供电方式，自来水管的接地电阻远达不到国家规定的要求，尤其采用屋顶水箱供水的自来水管，接地电阻更大。一旦用电器外壳带电，势必导致触电危险，也可能导

32、致其它用电器带电。2、同一系统中存在两种不同的保护方式 在同一段母线供电的线路中，一部分设备采用保护接地，另一部分采用保护接零，在此种状况下，一旦当某一接地设备的金属外壳漏电而导致零线电位上升，将会使外壳和零线相接的所有处于接零状态下的设备外壳带电。在中性点接地的三相四线制供电系统中应注意：220VFU火线L工作零线N保护零线E设备没有接零保护正确的接零保护错误的接零保护指出下图中各电指出下图中各电器的连接方式。器的连接方式。何谓三相负载？何谓何谓三相负载？何谓单相负载？单相负载单相负载？单相负载的三相连接方式又是的三相连接方式又是指的什么？指的什么？三相电器铭牌上标三相电器铭牌上标示的额定功率是指示的额定功率是指输入的电功率吗？输入的电功率吗？ABCN三相照明电路三相照明电路和三相动力电和三相动力电路功率的测量路功率的测量方法相同吗？方法相同吗？