电工技术第三章课件.pptx
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1、第三章第三章 正弦交流电路正弦交流电路3.1 正弦交流电的特征3.2 正弦交流电的相量表示法3.3 单一参数的正弦交流电路3.4 RLC串联电路3.5 RLC并联电路3.6日光灯电路及感性负载功率因数的提高。3.1 3.1 正弦交流电的特征正弦交流电的特征 大小和方向均随时间作周期性变化,且在一个周期内其平均值为零的电压、电流或电动势统称为交流电,如图3-1所示。大小和方向随时间按正弦规律变化的电压、电流或电动势统称为正弦交流电,如图3-1(a)所示。以正弦交流电源为激励,电路中产生的电流、电压均为正弦量,这样的电路称为正 弦交流电路。正弦交流电应用广泛正弦交流电应用广泛(1)正弦交流电易于产
2、生、转换和传输。交流电机结构简单,工作可靠,经济性好,可由火力发电机、风力发电机、水轮发电机、原子能发电机等方便地获得电能。可方便地通过变压器改变交流电的大小,为用户提供各种不同等级的电压。便于实现远距离输电(高压输电)。能保证安全用电(降低交流电压)。(2)利用电子设备(整流器)可方便地将交流电转换成直流电。3.1.1 3.1.1 正弦交流电的三要素正弦交流电的三要素misin()iIt图图3-2 3-2 正弦电量的正方向和波形图正弦电量的正方向和波形图 正弦交流电的数值随时间按正弦规律变化,方向也正弦交流电的数值随时间按正弦规律变化,方向也随时间反复变化。随时间反复变化。与该波形图相对应的
3、正弦电流与该波形图相对应的正弦电流i i的数学表达式为的数学表达式为正弦交流电动势、正弦交流电压的瞬时值表达式分别表正弦交流电动势、正弦交流电压的瞬时值表达式分别表示为示为mesin()eEtmusin()uUt最大值(振幅)最大值(振幅)正弦交流电瞬时值中的最大值也称为幅值。正弦交流电流、电动势、电压的最大值(或幅值)分别用Im、Em、Um 表示。周期、频率、角频率周期、频率、角频率周期、频率、角频率都可以表征正弦电量随时间变化的快慢。周期T:正弦量变化一次所需的时间称为周期,其单位为秒(s)。频率f:正弦量每秒变化的次数称为频率,其单位为赫兹(Hz)。角频率:正弦交流电每秒变化的电角度,其
4、单位为弧度/秒(rad/s)。1fT22 fT 某正弦交流电的频率f=50Hz,求其周期T和角频率110.02(s)20(ms)50Tf22 3.14 50314(rad/s)f 初相位初相位 正弦交流电在任一瞬时的电角度(t+u)、(t+i)、(t+e)等称为相位角,简称相位,其单位为弧度(rad)。当t=0时正弦电量的相位角称为初相位,简称初相。规定初相角绝对值都小于等于,即。如图3-4所示,由纵轴左边的零值点确定的初相角为i,由纵轴右边的零值点确定的初相角为i,根据初相角绝对值的规定,可判断该正弦电流的初相角应为i,而不是i。图3-4正弦电量的初相角 例3-2判断图3-5中正弦电量波形图
5、的初相角,并写出对应的瞬时值表达式。解:在图3-5(a)中,正弦电量的零点与计时起点重合,其初相角i=0。其对应的表达式为i=Imsint。在图3-5(b)中,正弦电量的零点在计时起点之前,其初相角为。其对应的表达式为misin()iItii0在图3-5(c)中,正弦电量的零点在计时起点之后,其初相角为i其对应的表达式为misin()iIt3.1.23.1.2同频率正弦交流电的相位关系同频率正弦交流电的相位关系 两个同频率正弦交流电的相位之差称为相位差,用字母 表示 musin()uUtmisin()iIt u、i的相位差为 uiuitt两个同频率正弦量的相位差 等于它们的初相位之差。两个同频
6、率正弦电量相位关系的几种情况两个同频率正弦电量相位关系的几种情况图图3-63-6两同频率正弦电量相位关系两同频率正弦电量相位关系例例3-3已知某元件的电流及其两端的电压是同频率的正弦量,角频率电压的最大值电流的最大值电压比电流超前60。314 rad/sm100 VUm10 AI试写出该正弦电压、电流的瞬时值表达式,并画出电压、电流的波形图。解:解:设以电流为参考正弦量,则i0 由已知条件知:ui60ui60060 电压、电流的瞬时值表达式如下:musin()100sin(31460)(V)uUttmisin()10sin(314)(A)iItt电压、电流的波形图如图3-7所示。3.1.33.
7、1.3正弦交流电的有效值正弦交流电的有效值 1有效值热效应相同的直流电数值称为正弦交流电的有效值。正弦交流电的有效值等效图如图3-8所示。设在相同的时间t内,两个完全相同的电阻R消耗的能量相同,则图3-8(b)中的直流电流I是图3-8(a)中交流电流i的有效值。热效应相同的直流电流I称为交流电流i的有效值。同理,交流电压、交流电动势的有效值分别用U、E表示。有效值可以确切地反映交流电的做功能力有效值与最大值的关系有效值与最大值的关系mm0.7072IIImm0.7072UUUmm0.7072EEE 例3-4一个耐压为220V的电容器是否可以接在220V交流电压的电路中使用呢?解:220V交流电
8、压是交流电的有效值,其最大值是m22220311(V)UU因为电容器承受的最大电压已经超过了它的耐压值,故该电容器不能在220V的交流电路中使用。例3-5已知msinuUtm310VU 50 Hzf,求电压的有效值U和t=0.125s时的瞬时值。m310220(V)22UU 解:解:t=0.125s时的瞬时值为msin2310sin(1000.125)310sin(12.5)310(V)uUft 3.2 3.2 正弦交流电的相量表示法正弦交流电的相量表示法用复数表示正弦量的方法称为相量表示法,简称相量法,相量法,又称符号法符号法。在正弦交流电路中,所有的电流和电压都是同频率的正弦量,故正弦量的
9、角频率不用考虑。复数正好能反映同频率正弦量的两个要素,故同频率正弦量的运算可以转化为复数运算。3.2.13.2.1复数及复数运算复数及复数运算1复数的表示形式及其相互转换(1 1)代数式)代数式复数A一般由实部和虚部组成。其代数形式(直角坐标形式)为A A=a a+j+jb bj1称为虚数单位(数学中用i表示)i表示)复数A=a+jb可用复平面上的一个点A(a,b)表示,用有向线段连接O和A,线段的末端带有箭头,成为一个矢量,则该矢量与复数A相对应,称为复数矢量,如图3-9所示。复数的模(即复数矢量的长度)为复数的幅角(即复数矢量与实轴的夹角)为22Aabarctanbaab矢量在实轴和纵轴上
10、的投影分别是复数的实部和复数的虚部和复数的虚部:cosaAsinbA(2 2)复数的三角函数形式)复数的三角函数形式(3 3)复数的指数形式)复数的指数形式j(cosjsin)AabA(代数式转为三角函数式)jjjjeeeecossin22j,j(cosjsin)eAAA(三角函数式转为指数式)根据尤拉公式根据尤拉公式得出得出(4 4)复数的极坐标形式)复数的极坐标形式jeAAA(指数式转为极坐标式)22jarctanbAababa(代数式转为极坐标式)cosjsinAAAA(极坐标式转为代数式)2 2复数的运算复数的运算(1 1)复数的加减运算)复数的加减运算设两个复数分别为A1=a1+jb
11、1,A2=a2+jb2,则121212()j()AAaabb(2 2)复数的乘、除运算)复数的乘、除运算 复数的乘法运算:两复数的模相乘,幅角相加121212()AAAA 复数的除法运算:两复数的模相除,幅角相减。111222()AAAA3 3复数相等复数相等两个复数相等的条件是:实部和实部相等,虚部和虚部相等,或者复数的模相等,复数的幅角相等。3.2.2 3.2.2 正弦量的相量表示法正弦量的相量表示法用相量表示正弦量用相量表示正弦量能表示正弦量特征的复数称为相量。为了与一般的复数相区别,相量用一个上面加黑点的大写英文字母表示,加黑点表示该相量是时间的函数。例如,表示正弦电流的相量,表示正弦
12、电压的相量,表示正弦电动势的相量。相量的模表示正弦量的有效值,相量的幅角表示正弦量的初相角。其中,模为最大值的相量称为最大值相量。相量图相量图表示正弦量的相量也可以在复平面上用矢量来表示,相量在复平面上的几何表示(矢量图)称为相量图。IUE例3-7 已知正弦电量的瞬时值表达式分别为e180 2sin(60)Vt10 2sin(30)Ait要求:(1)写出各正弦量对应的最大值相量和有效值相量。(2)画出各正弦量对应相量的相量图。解:(1)写出各正弦量对应的最大值相量和有效值相量。最大值相量:有效值相量:m=180 2 60 VEm=10 2 30 AIm120 230 VU=180 60 VE=
13、10 30 AI12030 VU,(2)画出各正弦量对应相量的相量图。最大值相量图:取相量的长度分别为正弦电量的最大值,在复平面上画出各正弦量对应的最大值相量图,如图3-10(a)所示。有效值相量图:取相量的长度分别为正弦电量的有效值,在复平面上画出各正弦量对应的有效值相量图,如图3-10(b)所示。省略复平面的有效值相量图:作相量图时复平面通常省略不画,只画出实轴所表示的参考方向,如图3-10(c)所示。今后遇到的相量图若不加特殊说明,均指省略复平面的有效值相量图。注意:单位相同的正弦电量对应相量的长度应成比例。图中各正弦量的频率必须一致,不同频率的正弦量不能画在同一个相量图上。相量计算例3
14、-8 已知正弦电流16 2sin(30)it28 2sin(60)it12iii求求方法1:用复数符号法(相量法)求总电流i。根据电流i1、i2的瞬时值表达式,写出其对应的相量的表达式。16 305.196j3I 28604j6.928I 用复数符号法求和,得到电流i对应的相量表达式 i12(5.196j3)(4j6.928)9.296j3.9281023.1 AIII写出电流i的瞬时值表达式。1023.1 AI10 2sin(23.1)Ait方法方法2 2:用图解法求总电流:用图解法求总电流i i 根据电流i1、i2的瞬时值表达式,写出对应的相量表达式。163 0AI2860 AI 画出 ,
15、用矢量求和法作出电流的相量图,如图(b)所示。由相量图确定正弦电流的有效值和初相位1I2I 10 AI 23.1 写出电流对应的相量表达式1023.1 AI 由电流的相量表达式写出电流的瞬时值表达式。10 2sin(23.1)Ait正弦交流电的正弦交流电的4 4种表示形式种表示形式正弦量和它的相量之间具有一一对应的关系,但不是相正弦量和它的相量之间具有一一对应的关系,但不是相等的关系等的关系ujuu2sin()euUtUUU3.33.3单一参数的正弦交流电路单一参数的正弦交流电路3.3.1 3.3.1 电阻元件的正弦交流电路电阻元件的正弦交流电路1 1电阻元件电压与电流的关系电阻元件电压与电流
16、的关系 在分析计算正弦交流电路时,必须把电路元件的参数R、L、C都考虑进去。在一定条件下,某一电特性为影响电路的主要因素时,其余电特性可以忽略,即构成单一参数的正弦交流电路模型。线性电阻元件的交流电路模型及电压、电流的正方向如图3-12(a)所示。musin()uUt设电阻两端的电压则电流为mumisin()sin()UuitItRR 电阻元件的电流及其两端的电压都是同频率的正弦量,它们的数量及相位关系介绍如下(1 1)数量关系)数量关系 有效值之间符合欧姆定律:瞬时值之间符合欧姆定律:mmUIRUIRuiR 最大值之间符合欧姆定律:(2 2)相位关系)相位关系ui图3-13 电阻元件电压、电
17、流的相位关系表达式 波形图 相量图(3 3)相量关系)相量关系uUUiII uuuUUIRRIRI若,则 UIR(4 4)相量模型)相量模型将正弦交流电路中的电压、电流用相量表示,电路元件的参数用复数表示,得到的电路模型称为相量模型。用相量模型表示的单一电阻参数电路如图3-12(b)所示。相量模型中电压相量与电流相量之比,称为复数阻抗,用Z表示,单位是欧姆。电阻元件的复阻抗UZRI这个复数阻抗Z只有实部,没有虚部。其大小相量形式的欧姆定律RZ 2 2功率功率因为交流电路中的电压、电流都是交变的,电阻吸收的功率也必定随时间变化。电阻在每一瞬时吸收的功率称为瞬时功率,用小写字母p表示。2sin()
18、2 sinuUtiIt,mm2m mm msin()sinsin(1 cos2)2cos2puiUt ItU ItU ItUIUIt结论:结论:p随时间变化;,电阻R为耗能元件。0p 交流电的瞬时功率在一个周期内的平均值称为平均功率,用P表示。(2 2)平均功率(有功功率)平均功率(有功功率)(1 1)瞬时功率)瞬时功率001d(1cos2)dTTPp tUIttUIT例3-9 某电阻元件的参数为8欧,接在 的交流电源上。试求:(1)通过电阻元件上的电流相量及电流i。(2)如果用电流表测量该电路中的电流,其读数为多少?电路消耗的功率是多少瓦?若电源的频率增大1倍,电压有效值及电路中消耗的功率又
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