第五章單相交流電

1、第五章第五章 單相交流電單相交流電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)電路第五章第五章 單相交流電單相交流電1.了解正弦交流電的產生和特點。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。5151交流電的基本概念交流電的基本概念第五章第五章 單相交流電單相交流電交流電的應用第五章第五章 單相交流電單相交流電一、交流電的概念一、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直流電的方向不隨時間的變化而變化間的變化而變化, ,交流電的方向則隨時間的變化而變化。交流電的方向則隨時間的

2、變化而變化。電源只有一個交變電動勢的交流電稱為單相交流電單相交流電。穩(wěn)恒直流電 正弦交流信號 電視機顯像管 計算機中的 的偏轉電流 方波信號直流電和交流電波形第五章第五章 單相交流電單相交流電右圖所示為某信號發(fā)生器輸出的信號電壓,其大小和方向都按正弦規(guī)律變化,所以稱為正弦交流電正弦交流電。右圖所示鋸齒波電流、方波電壓等,它們都是非正弦交流電非正弦交流電。第五章第五章 單相交流電單相交流電二、正弦交流電的產生二、正弦交流電的產生原理示意圖 線圈截面圖實驗用簡易交流發(fā)電機第五章第五章 單相交流電單相交流電正弦交流電的產生第五章第五章 單相交流電單相交流電正弦交流電動勢的瞬時值表達式瞬時值表達式也稱

3、解析式解析式。若從線圈平面與中性面成一夾角0 時開始計時,則公式變?yōu)榈谖逭碌谖逭?單相交流電單相交流電實際應用的發(fā)電機實際應用的發(fā)電機旋轉磁極式發(fā)電機 大型水力發(fā)電機組第五章第五章 單相交流電單相交流電三、表征正弦交流電的物理量三、表征正弦交流電的物理量1.1.周期、頻率和角頻率周期、頻率和角頻率正弦交流電波形第五章第五章 單相交流電單相交流電(1)周期正弦交流電每重復變化一次所需的時間稱為周期周期,用符號T 表示,單位是秒(s)。(2)頻率正弦交流電在1s內重復變化的次數(shù)稱為頻率頻率,用符號f 表示,單位是赫茲(Hz)。周期和頻率互為倒數(shù),即 第五章第五章 單相交流電單相交流電經驗表明,在各

4、種觸電事故中,直流電、高頻和超高頻電流對人體的傷害程度相對較小，而最常用的50Hz工頻交流電流對人體的傷害最大，因此使用時應特別小心。第五章第五章 單相交流電單相交流電(3)角頻率正弦交流電每秒內變化的角度(每重復變化一次所對應的角度為2,即360)稱為角頻率角頻率,用符號 表示,單位是弧度/秒(rad/s)。角頻率與周期、頻率的關系為:第五章第五章 單相交流電單相交流電2.2.最大值、有效值和平均值最大值、有效值和平均值(1)最大值正弦交流電在一個周期所能達到的最大瞬時值稱為正弦交流電的最大值最大值(又稱峰值峰值、幅值幅值)。最大值用大寫字母加下標m 表示,如Em、Um、Im。從正弦交流電的

5、反向最大值到正向最大值稱為峰峰峰值峰值。第五章第五章 單相交流電單相交流電從正弦交流電的反向最大值到正向最大值稱為峰峰峰值峰值。交流電的峰值和峰峰值第五章第五章 單相交流電單相交流電(2)有效值讓交流電和穩(wěn)恒直流電分別通過大小相同的電阻,如果在交流電的一個周期內它們產生的熱量相等,而這個穩(wěn)恒直流電的電壓是U ,電流是I, U 、I 稱為相應交流電的有效值有效值。有效值用大寫字母表示,如E、U 、I。交流電的有效值第五章第五章 單相交流電單相交流電正弦交流電的有效值和最大值之間有如下關系:電工儀表測出的交流電數(shù)值及通常所說的交流電數(shù)值一般都是指有效值。第五章第五章 單相交流電單相交流電(3)平均

6、值規(guī)定半個周期的正弦交流電平均值為正弦交流電的平均值平均值。正弦電動勢、電壓和電流的平均值分別用符號Ep、Up、Ip表示。正弦交流量的平均值用半個周期的平均值表示第五章第五章 單相交流電單相交流電平均值與最大值之間的關系是:有效值與平均值之間的關系是:第五章第五章 單相交流電單相交流電3.3.相位與相位差相位與相位差(1)相位在式e=Emsin (t+0)中, (t+0)表示正弦量隨時間變化的角度,稱為相位角相位角,也稱相位相位或相角相角,它反映了交流電變化的進程。式中0 為正弦量在t=0時的相位,稱為初相位初相位,也稱初相角初相角或初相初相。第五章第五章 單相交流電單相交流電初相為正 初相為

7、負相位的正負第五章第五章 單相交流電單相交流電在書寫瞬時值表達式及進行有關敘述時,相位及其相關概念有時可采用角度值表示,如上式所示。但由于角頻率的單位是rad/s,因此在進行相關計算時,應注意先將單位制統(tǒng)一。角度值與弧度制的換算關系為1= /180 rad。當然,相位等概念也可以直接使用弧度制來表達。第五章第五章 單相交流電單相交流電(2)相位差兩個同頻率交流電的相位之差稱為相位差相位差,用符號 表示,即超前和滯后超前和滯后同相同相反相反相正交正交第五章第五章 單相交流電單相交流電超前和滯后 同相反相 正交兩個同頻率交流電的相位關系第五章第五章 單相交流電單相交流電正弦交流電的最大值反映了正弦

8、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重要物理量。 最大值最大值、角頻率角頻率和初相位初相位稱為正弦交流電的三要素正弦交流電的三要素。第五章第五章 單相交流電單相交流電【例】 已知兩正弦電動勢分別是: 。求:(1)各電動勢的最大值和有效值;(2)頻率、周期;(3)相位、初相位、相位差;(4)波形圖。第五章第五章 單相交流電單相交流電四、正弦交流電的相量圖表示法四、正弦交流電的相量圖表示法兩個正弦交流電壓求和第五章第五章 單相交流電單相交流電相量圖也是正弦量的一種表示方法。其畫法是:(1)確定參考方向,一般以直角坐標系X

9、軸正方向為參考方向。(2)作一有向線段,其長度對應正弦量的有效值,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針旋轉得出的角度來表示；若初相為負,則用從參考方向順時針旋轉得出的角度來表示。相量圖第五章第五章 單相交流電單相交流電正弦量都可以用這樣一個長度對應有效值、與參考方向夾角對應初相的有向線段來表示,這個量稱為相量相量,一般用 、 、 等符號來表示。將相同頻率的幾個正弦量的相量畫在同一個圖中,就可以采用平行四邊形法則平行四邊形法則來進行它們的加減運算。相量求和第五章第五章 單相交流電單相交流電應用相量圖時注意以下幾點:1.同一相量圖中,各正弦交流電的頻率應相同。2.同一相

10、量圖中,相同單位的相量應按相同比例畫出。3.一般取直角坐標軸的水平正方向為參考方向,有時為了方便起見,也可在幾個相量中任選其一確定參考方向,并且不畫出直角坐標軸。4.一個正弦量的相量圖、波形圖、解析式是正弦量的幾種不同的表示方法,它們有一一對應的關系,但在數(shù)學上并不相等,如果寫成 ,則是錯誤的。第五章第五章 單相交流電單相交流電一、相量圖表示法的由來一、相量圖表示法的由來旋轉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相量。旋轉矢量與波形圖的對應關系第五章第五章 單相交流電單相交流電二、非正弦交流電二、非正弦交流電方波 三角波 鋸齒

11、波常見周期性非正弦交流電波形第五章第五章 單相交流電單相交流電矩形波 正弦半波整流波 正弦全波整流波常見周期性非正弦交流電波形第五章第五章 單相交流電單相交流電1.了解電容器的結構和類型,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.了解電感器的結構和類型,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.能正確使用萬用表大致判斷電容器和電感器的好壞。5252電容器和電感器電容器和電感器第五章第五章 單相交流電單相交流電電容器通常簡稱電容電容,電感器通常簡稱電感電感,它們都是儲能元件儲能元件。一、電容器一、電容器1.1.電容器的結構、類型和符號電容器

12、的結構、類型和符號電容器的基本結構 紙介電容器第五章第五章 單相交流電單相交流電電容器的類型和符號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電容器第五章第五章 單相交流電單相交流電2.2.電容器的主要參數(shù)電容器的主要參數(shù)(1)電容量電容量電容量是指電容器儲存電荷的能力,也簡稱電容電容,它在數(shù)值上等于電容器在單位電壓作用下所儲存的電荷量,即電容量定義示意圖第五章第五章 單相交流電單相交流電電容是電容器的固有屬性,它只與電容器的極板正對面積、極板間距離以及極板間電介質的特性有關；而與外加電壓的大小,電容器帶電多少等外部條件無關。第五章第五章 單相

13、交流電單相交流電設平行板電容器極板正對面積為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算:稱為極板間電介質的介電常數(shù)介電常數(shù),是電介質自身的一個特性參數(shù),其單位是F/m。真空中的介電常數(shù)0,某種介質的介電常數(shù)與0 之比稱為該介質的相對介電常數(shù)相對介電常數(shù),用r 表示。第五章第五章 單相交流電單相交流電(2)額定電壓電容器的額定電壓額定電壓(也稱耐壓耐壓)是指,在規(guī)定溫度范圍內,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。第五章第五章 單相交流電單相交流電3.3.電容器的充電和放電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

14、的充電過程第五章第五章 單相交流電單相交流電(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程電容器充放電達到穩(wěn)定值所需要的時間與R 和C 的大小有關。通常用R 和C 的乘積來描述,稱為RC電路的時間常數(shù)時間常數(shù),用 表示,即:第五章第五章 單相交流電單相交流電4.容抗電容對交流電的阻礙作用當電容器外接交流電時,電源與電容器之間不斷地充電和放電,電容器對交流電也會有阻礙作用,我們把電容對交流電的阻礙作用稱為容抗容抗,用XC 表示,容抗的單位也是歐姆（）。第五章第五章 單相交流電單相交流電容抗的計算式為電容的容抗與頻率的關系可以簡單概括為：隔直流直流, ,通交通交流流, ,

15、阻低頻阻低頻, ,通高頻通高頻。因此電容也被稱為高通元件高通元件。第五章第五章 單相交流電單相交流電5.5.電容器的連接電容器的連接(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)之和。電容器串聯(lián)第五章第五章 單相交流電單相交流電(2)電容器的并聯(lián)電容器儲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)第五章第五章 單相交流電單相交流電二、電感器二、電感器1.1.電感器的結構、類型和符號電感器的結構、類型和符號空心電感器有磁心或鐵心的電感器微調電感器有中心抽頭的電感線圈第五章第五章 單相交流電單相交流電2.2.電感器的主要參數(shù)電感器的主要參數(shù)(1)電感(2)品質因數(shù)（ Q 值

16、值）3.3.感抗感抗電感對交流電的阻礙作用電感對交流電的阻礙作用電感對交流電的阻礙作用稱為感抗感抗,用XL表示。感抗的單位也是歐姆()。感抗的計算式為電感的感抗與頻率的關系可以簡單概括為：通直流通直流, ,阻交阻交流流, ,通低頻通低頻, ,阻高頻阻高頻,因此電感也稱為低通元件低通元件。第五章第五章 單相交流電單相交流電一、超級電容器一、超級電容器超級電容器結構 車用超級電容器第五章第五章 單相交流電單相交流電二、位移測量和液位測量二、位移測量和液位測量液位檢測計 液位傳感器實物圖電容應用于位置測量位移測量第五章第五章 單相交流電單相交流電1.了解純電阻交流電路、純電感交流電路、純電容交流電路

17、中電壓與電流之間的相位關系和數(shù)量關系。2.理解交流電路中瞬時功率、有功功率和無功功率的概念。3.理解電感和電容的儲能特性。5353單一參數(shù)交流電路單一參數(shù)交流電路第五章第五章 單相交流電單相交流電一、純電阻交流電路一、純電阻交流電路1.1.電流與電壓的關系電流與電壓的關系(1)純電阻交流電路中,電阻中通過的電流也是一個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,電流與電壓的瞬時值、最大值、有效值都符合歐姆定律。第五章第五章 單相交流電單相交流電2.2.功率功率在任一瞬間,電阻中電流瞬時值與同一瞬間電阻兩端電壓的瞬時值的乘積,稱為電阻獲取的瞬時功率瞬時功率

18、,用pR 表示,即電阻是一種耗能元件耗能元件。第五章第五章 單相交流電單相交流電電壓、電流相量圖 電壓、電流、功率的波形圖純電阻交流電路電路圖第五章第五章 單相交流電單相交流電用電阻在交流電一個周期內消耗的功率的平均值來表示功率的大小,稱為平均功率平均功率。平均功率又稱有功功率有功功率,用P 表示,單位仍是瓦特(W)。第五章第五章 單相交流電單相交流電二、純電感交流電路二、純電感交流電路1.1.電流與電壓的關系電流與電壓的關系電壓、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第五章第五章 單相交流電單相交流電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

19、值,而不是電壓與電流瞬時值的比值,即 ,這是因為u 和i 的相位不同。第五章第五章 單相交流電單相交流電2.2.功率功率瞬時功率在一個周期內吸收的能量與釋放的能量相等,也就是說純電感電路不消耗能量,它是一種儲能元件儲能元件。電路的平均功率為零。不同的電感與電源轉換能量的多少也不同,通常用瞬時功率的最大值來反映電感與電源之間轉換能量的規(guī)模,稱為無功功無功功率率,用QL表示,單位是乏(Var)。其計算式為第五章第五章 單相交流電單相交流電無功功率并不是“無用功率”,“無功”的實質是指能量發(fā)生互逆轉換,而元件本身并沒有消耗電能。實際上許多具有電感性質的電動機裝、變壓器等設備都是根據(jù)電磁轉換原理利用無

20、功功率工作的。第五章第五章 單相交流電單相交流電三、純電容交流電路三、純電容交流電路1.電流與電壓的關系(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。第五章第五章 單相交流電單相交流電電壓、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第五章第五章 單相交流電單相交流電(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,電容也是一種儲能元件。純電容交流電路的平均功率為零,其無功功率為第五章第五章 單相交流電單相交流電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系。3.了解RLC串聯(lián)諧振電路的特點

21、及其應用。5454RLC RLC 串聯(lián)電路串聯(lián)電路第五章第五章 單相交流電單相交流電一、電壓與電流的關系一、電壓與電流的關系RLC串聯(lián)電路RLC串聯(lián)電路電壓和阻抗示意圖第五章第五章 單相交流電單相交流電式中X=XLXC稱為電抗電抗, 稱為阻抗阻抗,單位都是。圖541中, 稱為阻抗角阻抗角,它就是總電壓與電流的相位差,即第五章第五章 單相交流電單相交流電電壓與電流有效值的乘積定義為視在功率視在功率,用S 表示,單位為伏安(VA)。視在功率S 與有功功率P 和無功功率Q 的關系為式中cos=PS 稱為功率因數(shù)。第五章第五章 單相交流電單相交流電電壓相量圖 電壓三角形 功率三角形RLC串聯(lián)電路的三個

22、三角形阻抗三角形第五章第五章 單相交流電單相交流電(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 諧振電路相量圖第五章第五章 單相交流電單相交流電二、串聯(lián)諧振二、串聯(lián)諧振 1. 1.諧振頻率諧振頻率2.2.品質因數(shù)品質因數(shù)電路串聯(lián)諧振時,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電壓諧振。串聯(lián)電路的諧振曲線第五章第五章 單相交流電單相交流電在無線電技術中,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,這一過程稱為調諧調諧。收音機的調諧第五章第五章 單相交流電單相交流電一、一、RCRC移相電路移相電路uo滯后ui角 uo超前ui角RC移相電路第五章第

23、五章 單相交流電單相交流電二、熒光燈電路二、熒光燈電路 1. 1.熒光燈電路的組成熒光燈電路的組成熒光燈電路的組成 熒光燈的等效電路第五章第五章 單相交流電單相交流電2.2.熒光燈的啟輝過程熒光燈的啟輝過程(1)輝光放電(2)熱電子發(fā)射第五章第五章 單相交流電單相交流電(3)產生高電壓(4) 熒光燈點亮第五章第五章 單相交流電單相交流電1.了解RLC并聯(lián)電路中電壓與電流之間的相位關系和數(shù)量關系。2.了解RLC并聯(lián)諧振電路的特點和應用。3.理解感性負載并聯(lián)電容提高功率因數(shù)的原理。5555RLC RLC 并聯(lián)電路并聯(lián)電路第五章第五章 單相交流電單相交流電一、電壓與電流的關系一、電壓與電流的關系RL

24、C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: 。第五章第五章 單相交流電單相交流電1.1.相量圖相量圖電感性 電容性 電阻性RLC并聯(lián)電路相量圖第五章第五章 單相交流電單相交流電2.2.電路的三種性質電路的三種性質(1)電感性電路當 時，總電壓超前總電流。(2)電容性電路當 時，總電壓滯后總電流。(3)諧振電路當 時,總電壓和總電流同相位。第五章第五章 單相交流電單相交流電二、并聯(lián)諧振二、并聯(lián)諧振 1. 1.并聯(lián)諧振的頻率并聯(lián)諧振的頻率諧振角頻率和諧振頻率近似為:2.2.并聯(lián)諧振的特點并聯(lián)諧振的特點(1)電路的總阻抗最大,總電流最小(2)諧振時兩支路可能產生過電流并聯(lián)諧振也稱為電流諧振電流諧振。第五章第五章 單相交流電單相交流電3.3.并聯(lián)諧振的應用并聯(lián)諧振的應用并聯(lián)諧振的應用第五章第五章 單相交流電單相交流電三、提高功率因數(shù)的方法三、提高功率因數(shù)的方法 1. 1.提高功率因數(shù)的意義提高功率因數(shù)的意義功率因數(shù)是高壓供電線路的運行指標之一,它反