直流電與交流電

任務(wù)四直流電與交流電

一、直流電1.直流電的概念所謂直流電是指在電路中，各部分電壓或電流的大小和方向均不隨時(shí)間發(fā)生變化。2.直流電路的概念所謂直流電路是指電路中僅有直流電源供電的電路。在直流電路中，電壓、電流、功率等物理量用大寫英文字母U、I、P標(biāo)識(shí)。3.理想直流電源理想直流電源有兩種表現(xiàn)形式:理想電壓源和理想電流源。由于在實(shí)際生產(chǎn)和生活中，我們遇到的多是電壓源，因此，我們只學(xué)習(xí)電壓源。直流電源交流電源直流電路交流電路

若一個(gè)電源向外電路提供的電壓大小和方向不隨時(shí)間產(chǎn)生變化，也不隨外電路的不同而不同，這樣的電壓源就稱為理想的直流電壓源。理想直流電壓源是一個(gè)理想的電路元件，其電路符號(hào)及伏安特性如圖4-1-1所示。

當(dāng)理想電壓源與外路接通后,如圖4-1-2所示。I+—US（a）理想電壓源電路符號(hào)0USUI（b）理想電壓源的伏安特性圖4-1-1理想電壓源也就是說(shuō)，理想電壓源向負(fù)載提供的電壓是恒定的，不會(huì)隨著負(fù)載的變化而變化；但是，理想電壓源本身不能確定它向負(fù)載提供的電流，該電流由電壓源與負(fù)載共同確定。理想電壓源提供的功率為：

要注意電壓源的電流方向是從“-”流入，從“+”流出。在電路中，電壓源并不總是提供電能。I+—USR圖4-1-2+U——

4.實(shí)際電壓源模型理想電壓源實(shí)際上是不存在的。實(shí)際的電壓源，其兩端電壓會(huì)隨著流過(guò)它的電流的變化而有所變化。實(shí)際的電壓源可以用一個(gè)理想電壓源和電阻相串聯(lián)的模型來(lái)表征，如圖4-1-3所示。

由上式可見(jiàn)：實(shí)際電壓源的端電壓是低于US的。電流越大，RS上的壓降越大，端電壓就越低。因此實(shí)際電壓源的內(nèi)阻越小，其特性也就越接近于理想電壓源。實(shí)際電壓源的伏安特性如圖4-1-3(b)所示。圖4-1-3實(shí)際電壓源(a)模型(b)伏安特性曲線

電壓源模型當(dāng)一個(gè)實(shí)際電壓源接上負(fù)載后，如圖4-1-4所示，這樣的電路稱為全電路。因?yàn)榍宜怨蚀耸椒Q為全電路歐姆定律。+US—RSRI+U—圖4-1-4全電路【例4.1】在圖4-1-4中，已知US為30V，U為25V，I為5A，求R及RS。在上圖中，很容易得到或即在電路中，任意閉合回路的電壓降的代數(shù)和恒等于零。這一結(jié)論稱為基爾霍夫電壓定律。+US—RSRI+U—圖4-1-4全電路

二、交流電1.交流電的概念所謂交流電是指在電路中，電壓或電流的大小和方向均隨時(shí)間發(fā)生周期性變化。2.交流電路的概念所謂交流電路是指電路中含有交流電源供電的電路。在交流電路中，電壓、電流、功率等物理量用小寫英文字母u、i、p標(biāo)識(shí)，以表示其大小和方向隨時(shí)間變化的特點(diǎn)。3.交流電源與直流電源一樣,交流電源也分為理想電壓源和實(shí)際電壓源，如圖4-2-1所示。與直流電源不同的是：us的大小與方向是隨時(shí)間呈現(xiàn)周期性的變化規(guī)律。i+—uS（a）理想交流電壓源符號(hào)+uS—RSi+u—圖4-2-1交流電源符號(hào)（b）實(shí)際交流電壓源符號(hào)4.正弦交流電隨時(shí)間按正弦規(guī)律變化的電壓和電流稱為正弦電壓和正弦電流，也稱正弦量。其瞬時(shí)表達(dá)式為：

在圖4-2-2所示的u、i關(guān)聯(lián)參考方向下，它們也符合歐姆定律，即：圖4-2-2振幅值角頻率初相角⑴正弦交流電的三要素(以正弦電流為例，其波形圖為圖4-2-3)①Im：瞬時(shí)值中的最大值(指絕對(duì)值)稱為正弦量的振幅值，又稱峰值。振幅值表示正弦量瞬時(shí)值變化的范圍或幅度。

圖4-2-3正弦電流的波形圖②ω：角頻率在正弦量的瞬時(shí)表達(dá)式中，ωt+θ稱為相位角或電工角，簡(jiǎn)稱相位或相角。正弦量在不同的瞬間，有著不同的相位，因而有著不同的狀態(tài)(包括瞬時(shí)值和變化趨勢(shì))。所以，相位反映了正弦量的每一瞬間的狀態(tài)或變化的進(jìn)程。相位的單位一般為弧度(rad)。

相位角變化的速度稱為角頻率，其單位為rad/s，即：

正弦量變化一周所需的時(shí)間稱為周期。通常用“T”表示，單位為秒(s)。

正弦量每秒鐘變化的周數(shù)稱為頻率，用“f”表示，單位為赫茲(Hz)。

顯然，周期和頻率互成倒數(shù)，即周期和頻率表示正弦量變化的快慢程度。周期越短，頻率越高，變化越快。直流量也可以看成f=0(T=∞)時(shí)的正弦量。

我國(guó)和世界上大多數(shù)國(guó)家都采用50Hz(T=0.02s)作為電力工業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)頻率(美、日等少數(shù)國(guó)家采用60Hz)，習(xí)慣上稱為工頻。從圖4-2-3中可以看到，相位變化2πrad，經(jīng)歷一個(gè)周期T，那么

可見(jiàn)，角頻率與頻率成正比、與周期成反比。③θ：初相角

t=0時(shí)，相位為θ，稱其為正弦量的初相角。初相角反映了正弦量在計(jì)時(shí)起點(diǎn)處的狀態(tài)，稱初始狀態(tài)。此時(shí)的瞬時(shí)值i(0)=Imsinθ，稱為初始值?！纠?.2】圖4-2-4給出正弦電壓和正弦電流的波形。寫出和的解析式并求出它們?cè)趖=100ms時(shí)的值。圖4-2-4例4.1圖

⑵正弦交流電的有效值交流電的有效值是根據(jù)它的熱效應(yīng)確定的。如某一交流電流i和I一直流電流分別通過(guò)同一電阻R,在一個(gè)周期T內(nèi)所產(chǎn)生的熱量相等，那么這個(gè)直流電流I的數(shù)值叫做交流電流的有效值。即

所以交流電的有效值等于它的瞬時(shí)值的平方在一個(gè)周期的平均值的算術(shù)平方根，所以有效值又叫方根均值（或叫均方根值）。將正弦交流電的瞬時(shí)表達(dá)式帶入上式，可以得到通常我們所說(shuō)的220V交流電就是指的有效值。有效值可以代替振幅值作為正弦量的一個(gè)要素。交流電氣設(shè)備銘牌上所標(biāo)的電壓值、電流值都是有效值。一般交流電壓表、交流電流表的標(biāo)尺都是按有效值刻度的。如不加以說(shuō)明，交流量的大小均指有效值。對(duì)于純電阻電路，交流電的有效值之間、振幅值之間均符合歐姆定律，即

U=RI

Um=RIm對(duì)于純電阻電路，功率的計(jì)算按有效值計(jì)算?！纠?.3】一電阻R=100Ω，通過(guò)的電流i(t)=1.41sin(ωt-30°)A。試求：(1)R兩端電壓U和u；(2)R消耗的功率P。

三、三相交流電概述一般發(fā)電廠的發(fā)電機(jī)發(fā)出的電是對(duì)稱的三相正弦交流電(有效值相等，相位差分別相差120°，三相電壓為eu、ev、ew，如圖4-3-1所示)。所以，我們看到的電力輸電線總是三根。圖4-3-1對(duì)稱的三相電源

在三相交流電力系統(tǒng)中,作為供電電源的發(fā)電機(jī)和變壓器的三相繞組的接法通常采用星形聯(lián)接方式，如圖4-3-2所示。

負(fù)載如何與電源連接,必須根據(jù)其額定電壓而定,具體如圖4-3-3所示。

圖4-3-2三相四線制系統(tǒng)

火線零線三相四線制線電壓：380V相電壓：220V

額定電壓為220V的單相負(fù)載(如電燈)，則應(yīng)接在相線與中性線之間。額定電壓為380V的單相負(fù)載，則應(yīng)接在相線與相線之間。對(duì)于額定電壓為380V的三相負(fù)載(如三相電動(dòng)機(jī))，則必須要與三根電源相線相接。圖4-3-3負(fù)載與電源的連接

【問(wèn)題2】開關(guān)動(dòng)力開關(guān)需要注意什么問(wèn)題？【問(wèn)題1】由圖4-3-3可以看到，電力開關(guān)接在火線一側(cè)，為什么？※直流電與交流電

小結(jié)直流電源交流電源直流電路交流電路電路各處的電壓、電流不隨時(shí)間發(fā)生變化電路各處的電壓、電流隨時(shí)間發(fā)生周期性變化U、I、Pu、i、p理想電源與實(shí)際電源※正弦交流電

小結(jié)振幅值角頻率初相角正弦交流電的三要素