（中職）電工技術(shù)基礎(chǔ)與技能（第8章）電子課件

1、正版課件 內(nèi)容可修改（中職）電工技術(shù)基礎(chǔ)與技能（第8章）電子課件電工技術(shù)基礎(chǔ)與技能 目錄目 錄第一章 認識實訓(xùn)室與安全用電第二章 電路的基本概念第三章 直流電路分析第四章 靜電場與電容第五章 電磁應(yīng)用技術(shù)第六章 單相正弦交流電路第七章 三相交流電路第八章 非正弦周期電量的應(yīng)用第九章 低壓電器與控制電路電工技術(shù)基礎(chǔ)與技能 第八章非正弦周期電量的應(yīng)用第八章8-1 諧波的概念 在工程中，除了按正弦規(guī)律變化的周期電量之外，更多的是不按正弦規(guī)律變化的周期電量。如我們熟悉的語言、音樂等電信號就是非正弦電量。圖8-1給出了幾種常見的非正弦電量波形。圖a所示是矩形波，在數(shù)字電路中作為數(shù)字信號；圖b所示是鋸齒波

2、，在電視機、示波器的掃描電路中應(yīng)用；圖c所示是尖脈沖；可作為晶閘管的觸發(fā)信號；圖d所示是全波整流電路的輸出電壓波形。圖中這些非正弦交流電量各有各的用途，是正弦交流電不能替代的。 嚴格地說，真正按正弦規(guī)律變化的電量是比較少的，而大部分電量都是非正弦電量。這些非正弦電量有的是工作需要（如以上提到的幾種波形），有的是工作中產(chǎn)生了干擾，使正弦波形發(fā)生了歧變。電工技術(shù)基礎(chǔ)與技能 第八章電工技術(shù)基礎(chǔ)與技能 第八章 如三相工頻交流電，因電路中接入了大功率整流設(shè)備，使波形發(fā)生歧變，由正弦波變?yōu)榱朔钦也ā７钦抑芷陔娏坑惺裁刺攸c呢？和正弦周期電量有什么關(guān)系呢？他的大小、有效值及功率怎樣計算？這些都是我們應(yīng)該知

3、道的。實驗導(dǎo)入： 將兩臺低頻正弦波信號發(fā)生器的輸出端串聯(lián)后接到示波器的輸入端，連接電路如圖8-2a所示。將其中一臺的輸出電壓調(diào)整為1V，頻率調(diào)整為50Hz；另一臺的輸出電壓調(diào)整為0.3V，頻率調(diào)整為150Hz，此時示波器上的顯示波形如圖8-26所示。由圖中可見，此波形是一非正弦電壓波形，它是由50Hz和150Hz兩個正弦交流電壓疊加而成。50Hz和150Hz這兩個正弦交流電壓稱為這個非正弦電壓的諧波。 由此可以設(shè)想：由兩個（或多個）正弦電量可以疊加出一個非正弦周期電量，哪么一個非正弦周期電量，是否可以分解為多個正弦電量相疊加呢？由理論和實驗均可以證明：任何一個非正弦周期電量，都可以分解為多個正

4、弦周期電量相疊加的形式。電工技術(shù)基礎(chǔ)與技能 第八章8.1.1 諧波的產(chǎn)生電工技術(shù)基礎(chǔ)與技能 第八章 由以上分析可知，除去標準的正弦波之外，其它任何波形都含有諧波。這些 含有諧波的非正弦波，一類是根據(jù)工程的需要由電路產(chǎn)生的；另一類是電路在工 作中產(chǎn)生的干擾波形。在現(xiàn)代的各個用電領(lǐng)域，真正的正弦波是很少的，更多的是含有諧波的非正弦波，因此，我們了解諧波的概念是非常有意義的。 a）連接圖 b）疊加波形 圖8-2 諧波實驗電路1.單方向脈動周期電量的分解 圖8-3a 是一個單向半波整流電壓波形，它在一個周期內(nèi)只有半個正弦波形，是一個單方向脈動周期電量。它可以分解為直流分量（圖8-3b）和一系列正弦交流

5、分量（圖8-3c、d、e）相疊加。其中直流分量是半波整流電壓波形的平均值（凡是單方向流動的周期電量，都含有直流分量）。圖8-3c稱為基波，它的頻率和單方向脈動周期電量的頻率相同，幅度也最大；其余稱為高次諧波，高次諧波的規(guī)律是：電壓頻率越高幅度越小。 電工技術(shù)基礎(chǔ)與技能 第八章8.1.2 諧波的分解圖8-3 諧波分解電工技術(shù)基礎(chǔ)與技能 第八章電工技術(shù)基礎(chǔ)與技能 第八章2. 交流周期電量的分解 圖8-4是交流周期矩形波分解和疊加的情況，由圖中可見，交流周期電量分解后沒有直流分量（也可以認為直流分量為0）。圖8-4a是取了疊加量的前3項，即只取到5次諧波，合成曲線如圖中虛線所示。由圖中可見，基波的幅

6、度最大，頻率最低；3次諧波的幅度是基波的1/3，頻率是基波的3倍；5次諧波的幅度是基波的1/5，頻率是基波的5倍。其合成波形的形狀和矩形波還有一定的差距。圖8-4b是取了疊加量的前6項，取到11次諧波，合成波形已經(jīng)非常接近矩形波了。圖8-4 諧波合成示意圖電工技術(shù)基礎(chǔ)與技能 第八章該視頻是由諧波合成一個矩形波，再由矩形波生成頻譜的全過程。通過以上分析，應(yīng)建立起如下概念： 1.任何一個非正弦周期電量，都是由基頻正弦波和多個高次諧 波電量相疊加的結(jié)果。 2.單方向脈動周期電量含有直流分量和交流分量；而交流周期電量只含有正弦交流分量而不含有直流分量。 3.非正弦周期電量的諧波頻率越高，其幅度越小，即

7、起主要作用的是諧波的前幾項。 4.非正弦電量的波形和正弦電量的波形差別越大，這個非正弦電量的諧波越豐富，在電路中占用的頻帶越寬。電工技術(shù)基礎(chǔ)與技能 第八章1.高次諧波的用途 在自然界中刮風(fēng)、下雨、電閃雷鳴，人們用耳朵一聽就能區(qū)分出來，為什么能夠區(qū)分呢？就是這些聲音中除了基波之外，它的高次波不同。也就是高次諧波是區(qū)分不同物理量的主要組成部分。 圖8-5a是電子琴發(fā)出的鋼琴的聲音的電壓波形圖；圖8-5b是電子琴發(fā)出的長笛的聲音的電壓波形圖。兩個圖的基波頻率相同，高次諧波不同，所以我們能夠區(qū)分出兩種聲音的區(qū)別。電工技術(shù)基礎(chǔ)與技能 第八章8.1.3 高次諧波的用途和危害（a）鋼琴電壓波形 （b）長笛電

8、壓波形（c）數(shù)字電路電壓波形 （d）正弦波電壓波形 圖8-5c是數(shù)字電路信號電壓波形圖，數(shù)字信息量就是“有”或“無”，用矩形波信號表示非常恰當，但矩形波信號中也含有大量的高次諧波，如果將高次諧波濾除，變成正弦信號，就會使電路出現(xiàn)誤動作。 圖8-5d是正弦信號電壓波形圖，不含有諧波，頻率單一，是信號源、三相交流電采用的波形。正弦交流電因為沒有高次諧波，工作沒有噪音和電磁干擾。8.1.3 高次諧波的用途和危害2.高次諧波的危害 所謂高次諧波的危害，是指無用的噪音和不需要的諧波成分。我們這里單指三相交流電網(wǎng)中的高次諧波成分。我國三相電網(wǎng)中交流電是按50Hz正弦規(guī)律變化的交流電量，所有工作在電網(wǎng)上的電

9、器都要按照50Hz進行設(shè)計。如電動機、變壓器、電磁鐵、電抗器、功率因數(shù)補償器等。 這些交流電器無例外的都是由電路三大器件（電阻、電感、電容）組成，電感的感抗，電容的容抗都是頻率的函數(shù)。 電工技術(shù)基礎(chǔ)與技能 第八章8.1.3 高次諧波的用途和危害 圖8-6是三相交流電受到干擾后的波形圖，由波形圖可見，在50Hz正弦波中疊加上了很大的高次諧波成分。高次諧波會使電動機的鐵心中磁偶極子振動加劇引起發(fā)熱，繞組中電流出現(xiàn)趨膚效應(yīng)使繞組發(fā)熱加?。浑娙萜髦辛鬟^的電流增加，引起電容發(fā)熱鼓包，嚴重時出現(xiàn)爆炸。高次諧波對電子電器干擾更為嚴重，造成動作失誤、死機、控制精度下降等。國家電網(wǎng)規(guī)定，三相電網(wǎng)中的高次諧波成分

10、不能超過5%。超過了就要采取措施將其濾除。8.1.3 高次諧波的用途和危害結(jié)論 1.自然界中的周期交流量除了單一的正弦交流量之外，更多的是非正弦交流量。 非正弦交流量是由基波和高次諧波組成，基波反映的是物理量的輪廓，高次諧波反映的是物理量的細節(jié)。圖8-5中的鋼琴和長笛的聲音，基波相同，高次諧波不同。 現(xiàn)在進入智能時代，一切物理量都是通過電腦來控制，電腦是由電子電路組成的，處理的是電信號，也就是說一切非電物理量的波形都要轉(zhuǎn)換為電量的波形來處理，所以我們研究交流電的諧波也是研究非電物理量的諧波。電工技術(shù)基礎(chǔ)與技能 第八章8.1.3 高次諧波的用途和危害 2.三相交流電是國民經(jīng)濟建設(shè)的動力源，輸出是

11、標準的正弦交流電。隨著科技的發(fā)展和社會的需要，很大一部分電能是通過二次處理再供給用電設(shè)備應(yīng)用。如變頻器、各種充電器等，都是將交流電整流為直流電，在整流過程中就在電網(wǎng)中產(chǎn)生了大量的高次諧波。如圖8-6所示就是因為整流電路造成的電網(wǎng)諧波。 因為電網(wǎng)中的諧波已經(jīng)產(chǎn)生了很大的負面影響，就催生了一個新的產(chǎn)業(yè)，電磁濾波和無諧波整流技術(shù)。凡是對電網(wǎng)產(chǎn)生高次諧波的設(shè)備，都要加裝濾波器或者采用無諧波整流。確保國家電網(wǎng)的諧波含量不超過5%。電工技術(shù)基礎(chǔ)與技能 第八章通過上述簡要的介紹，希望給大家建立起諧波的基本概念。電工技術(shù)基礎(chǔ)與技能 第八章 活學(xué)活用學(xué)習(xí)理論的目的就是就是為了更好的指導(dǎo)實踐 8.2 諧波概念的工

12、程應(yīng)用【案例1B超的檢測原理】案例敘述：醫(yī)院B超診斷儀，是探測人體內(nèi)部器官結(jié)構(gòu)形狀有無變化的儀器。人體腹內(nèi)器官肉眼是看不到的，醫(yī)生借助于B超的診斷，將人體的內(nèi)部器官顯示在計算機的顯示屏上，供醫(yī)生進行醫(yī)學(xué)診斷。圖8-7 B超測量電工技術(shù)基礎(chǔ)與技能 第八章【案例1B超的檢測原理】案例分析： B超是基于聲音的反射原理，當物體接受到聲音時會出現(xiàn)反射，反射聲音的幅度和頻率與物體的結(jié)構(gòu)形狀有關(guān)系。B超的探頭發(fā)出含有高次諧波的一個“頻帶”超聲波，同時探頭又接收返回的超聲波。人體內(nèi)部器官結(jié)構(gòu)形狀不同，返回的超聲波頻率和幅度不同，據(jù)此，根據(jù)返回的超聲波幅度和頻率在計算機顯示屏上形成圖像，這個圖像就是當前器官的形

13、狀，醫(yī)生將器官圖像和正常器官進行比較，做出醫(yī)學(xué)診斷。電工技術(shù)基礎(chǔ)與技能 第八章 案例敘述：人的聽力出現(xiàn)衰退可佩戴助聽器。助聽器是一個電子產(chǎn)品，隨著電子技術(shù)的智能化，助聽器可以按照聽力損失的不同程度進行針對性的補償，下圖是助聽器外形和補償原理圖【案例2助聽器】電工技術(shù)基礎(chǔ)與技能 第八章案例分析： 人的正常聽力在20Hz20kHz范圍內(nèi)，聲音的頻率在100Hz4kHz以內(nèi)。聽到的聲音的大小和聲音的功率成正比（用分貝dB表示）。圖8-8b是聽力頻譜圖，圖中標出了聽力的頻率和幅度，按“香蕉圖”分布，即圖8-8b中的“正常聽力區(qū)”。 當人的聽力低于了正常聽力區(qū)，有些頻率就聽不到了，影響正常的交流。聲音的

14、低頻段出現(xiàn)聽力超出正常聽力區(qū)，表現(xiàn)為小的聲音聽不見；高頻段低于了正常聽力區(qū)，表現(xiàn)為小的聲音聽不清。圖8-8b中的“實測聽力線”的1.5kHz以上部分出現(xiàn)了聽力較重的損失，即造成聽音時有些字聽不清。圖8-8b中的“補償聽力線”是助聽器將損失聽力部分的聲音放大，使聽者達到正常的聽力水平?！景咐?J2459學(xué)生示波器校準信號的取得】電工技術(shù)基礎(chǔ)與技能 第八章案例敘述： 在一個非正弦波形中，除了基波之外，就是高次諧波。如果我們想得到標準的正弦基波，可以采用濾波的方法將高次諧波濾除。 有一種J2459 學(xué)生示波器，如圖8-5a所示，該示波器的校準信號是取自工頻交流電，因工頻交流電的波形含有大量的諧波，通

15、過圖8-5b所示低通濾波器將高次諧波濾除。電工技術(shù)基礎(chǔ)與技能 第八章圖8-5b 波形圖圖8-5a 外形圖電工技術(shù)基礎(chǔ)與技能 第八章案例分析： 圖8-9b是一個R、C分壓電路，通過兩級分壓，將10V降為5V，通過電容將高次諧波濾除。電阻的阻值和頻率無關(guān)，而電容的容抗是頻率的函數(shù)， ，即頻率越高，電容上分得的電壓越低。根據(jù)此原理，由 R、C 組成串聯(lián)降壓濾波電路。電網(wǎng)中的高次諧波主要來自整流電路，整流電路產(chǎn)生的最低諧波為5次諧波，即頻率為250Hz，幅值為基波的20%。濾波電路只要將5次諧波濾除，高于5次以上的諧波就沒有問題了。 圖中8-9b濾波電路設(shè)計為輸入10V輸出，輸出5V，2級降壓濾波電路

16、。電阻R=1k，電容C=4.3F，50Hz時容抗為750；250Hz時容抗為150。根據(jù)5次諧波電容的容抗是基波的1/5（150/750=1/5），則1級濾波后諧波電壓幅度降為20%1/5=4%，2級濾波降基波的0.8%。即輸出端只有0.8%的諧波成分，波形相當不錯了。 結(jié)論： 一般電容濾波要連接成RC串聯(lián)形式。但R有電損，在大電流應(yīng)用時損耗太大，人們就把R去掉，更換為電感。在直流電路中，不用串聯(lián)電阻，在電路上并聯(lián)電容，就會得到很好的濾波效果。電工技術(shù)基礎(chǔ)與技能 第八章電工技術(shù)基礎(chǔ)與技能 第八章【案例4變頻器交流濾波】 案例敘述：工業(yè)變頻器，見圖8-10所示。是用于三相交流異步電動機調(diào)速的電力電子電器。三相交流異步電動機是一個性能非常優(yōu)秀的電動機，因為不能調(diào)速，限制了其應(yīng)用范圍。變頻器的出現(xiàn)，改變了其三相交流異步電動機的命運，該電動機和變頻器組合應(yīng)用時，取代了直流電動機，在電動機的應(yīng)用領(lǐng)域一統(tǒng)天下。變頻器在協(xié)助交流籠型異步電動機一統(tǒng)天下的同時，存在一個軟肋，就是輸入端的整流電路使電網(wǎng)產(chǎn)生大量的高次諧波；輸出端輸出的是PWM脈寬調(diào)制波，調(diào)制頻率在10kHz以上，產(chǎn)生大量的高次諧波，