電工基礎(chǔ)(第五版)第五章ppt勞動(dòng)版.ppt

1、51 交流電的基本概念 52 電容器和電感器 53 單一參數(shù)交流電路 54 RLC串聯(lián)電路 55 RLC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。,51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

2、,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

3、,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(xiě)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

4、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(xiě)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

5、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(shū)寫(xiě)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= /180 rad。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

6、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(huà)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挤较颉?(2)作一有向線段,其長(zhǎng)度對(duì)應(yīng)正弦量

7、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(huà)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(huà)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

8、一確定參考方向,并且不畫(huà)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(xiě)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(lèi)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(lèi)

9、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。,52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(lèi)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(lèi)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

10、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,(

11、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

12、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(lèi)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(chē)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

13、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。,53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

14、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

15、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

16、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。,54RLC 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=XLXC稱為電抗, 稱為阻抗,單位都是。圖541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(VA)。 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

17、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

18、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。,55RLC 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