直流電與交流電

任務四直流電與交流電

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標識。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。由于在實際生產(chǎn)和生活中，我們遇到的多是電壓源，因此，我們只學習電壓源。直流電源交流電源直流電路交流電路

若一個電源向外電路提供的電壓大小和方向不隨時間產(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理想的電路元件，其電路符號及伏安特性如圖4-1-1所示。

當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，理想電壓源向負載提供的電壓是恒定的，不會隨著負載的變化而變化；但是，理想電壓源本身不能確定它向負載提供的電流，該電流由電壓源與負載共同確定。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.實際電壓源模型理想電壓源實際上是不存在的。實際的電壓源，其兩端電壓會隨著流過它的電流的變化而有所變化。實際的電壓源可以用一個理想電壓源和電阻相串聯(lián)的模型來表征，如圖4-1-3所示。

由上式可見：實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。實際電壓源的伏安特性如圖4-1-3(b)所示。圖4-1-3實際電壓源(a)模型(b)伏安特性曲線

電壓源模型當一個實際電壓源接上負載后，如圖4-1-4所示，這樣的電路稱為全電路。因為且所以故此式稱為全電路歐姆定律。+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標識，以表示其大小和方向隨時間變化的特點。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+uS—RSi+u—圖4-2-1交流電源符號（b）實際交流電壓源符號4.正弦交流電隨時間按正弦規(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。其瞬時表達式為：

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：瞬時值中的最大值(指絕對值)稱為正弦量的振幅值，又稱峰值。振幅值表示正弦量瞬時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表達式中，ωt+θ稱為相位角或電工角，簡稱相位或相角。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)(包括瞬時值和變化趨勢)。所以，相位反映了正弦量的每一瞬間的狀態(tài)或變化的進程。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=∞)時的正弦量。

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

可見，角頻率與頻率成正比、與周期成反比。③θ：初相角

t=0時，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時起點處的狀態(tài)，稱初始狀態(tài)。此時的瞬時值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在t=100ms時的值。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)它的熱效應確定的。如某一交流電流i和I一直流電流分別通過同一電阻R,在一個周期T內(nèi)所產(chǎn)生的熱量相等，那么這個直流電流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值的平方在一個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表達式帶入上式，可以得到通常我們所說的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要素。交流電氣設備銘牌上所標的電壓值、電流值都是有效值。一般交流電壓表、交流電流表的標尺都是按有效值刻度的。如不加以說明，交流量的大小均指有效值。對于純電阻電路，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對于純電阻電路，功率的計算按有效值計算。【例4.3】一電阻R=100Ω，通過的電流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)電機發(fā)出的電是對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的單相負載(如電燈)，則應接在相線與中性線之間。額定電壓為380V的單相負載，則應接在相線與相線之間。對于額定電壓為380V的三相負載(如三相電動機)，則必須要與三根電源相線相接。圖4-3-3負載與電源的連接

【問題2】開關(guān)動力開關(guān)需要注意什么問題？【問題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、電流不隨時間發(fā)生變化電路各處的電壓、電流隨時間發(fā)生周期性變化U、I、Pu、i、p理想電源與實際電源※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