（中职）电工技术基础与技能（第2版）项目六正弦交流电(1)电子课件（）.ppt

Y CF（中职）电工技术基础与技能（第2版）项目六正弦交流电(1)电子课件 现代技术中广泛应用的电能大部分是交流电，如发电厂提供的电能、生活生产用电、科学实验用电等。另外，一些需要直流电的场合，也常常是用整流设备把交流电变换成直流电。大小和方向都随时间做周期性变化的电动势、电压和电流，统称为交流电。在交流电作用下的电路称为交流电路。常用的交流电是按正弦规律随时间变化的，称为正弦交流电。本文讨论的交流电和交流电路，除特别指明外都是指正弦交流电和正弦交流电路。项目六 正弦交流电路1了解什么是正弦交流电及其产生过程。2掌握正弦交流电的三要素。3掌握正弦交流电的表示方法。4掌握纯电阻电路中电压与电流的关系。5掌握纯电阻电路的功率。6理解电感对交流电的阻碍作用。7掌握纯电感电路中电压与电流的关系。8掌握纯电感电路的功率。9理解电容对交流电的阻碍作用。10掌握纯电容电路中电压与电流的关系。11掌握纯电容电路的功率。1熟练使用万用表测量单相交流电压。2正确使用信号源。3正确使用示波器观察正弦交流电的波形。4掌握电烙铁的使用和维护。5能熟练地安装日光灯电路。6能对日光灯电路的常见故障进行维修。7测量纯电容电路中电压与电流。8.了解配电的含义，会安装配电板。任务一 正弦交流电的基本概念一、正弦交流电的产生过程 法拉第发现电磁感应现象使人类“磁生电”的梦想成真。发电机就是根据电磁感应原理制成的。正弦交流电由交流发电机产生。图6-1所示就是最简单的交流发电机的原理示意图，可用来说明交流发电机工作的基本原理。图6-1(a)交流发电机原理示意图 如图6-1（a）所示，线圈abcd在匀强磁场中绕固定轴匀速转动，把线圈的两根引线接到随线圈一起转动的两个铜环上，铜环通过电刷与电流表相连接。当线圈每旋转一周时，指针就左右摆动一次。这就表明旋转的线圈里产生了感应电流，并且感应电流的大小和方向都随时间作周期性变化线圈中有交流电产生。图6-1（b）所示的是线圈的截面图。线圈abcb以角速度沿逆时针方向匀速转动，当线圈转动到线圈平面与磁力线垂直位置时，线圈ab边和cd边的线速度方向都与磁力线平行，导线不切割磁感线，所以线圈中没有感应电流产生，我们把线圈平面与磁感线垂直的位置叫中性面。设起始时刻，线圈平面与中性面的夹角为0，t时刻线圈平面与中性面夹角为t0。从图中可以看出，cd边运动速度v与磁力线方向的夹角也是t0。设cd边的长度为l，磁场的磁感应强度为B，则由于cd边作切割磁力线运动所产生的感应电动势为图6-1(b)交流发电机原理示意图ecdBlvsin(t0)同样的道理，ab边产生的感应电动势为 ead Blvsin(t0)由于这两个感应电动势是串联的，所以整个线圈产生的感应电动势为e ecd ead 2Blvsin(t0)Emsin(t0)式中，Em=2Blv 是感应电动势的最大值，又叫振幅。一、正弦交流电的产生过程 公式e Emsin（t0）叫电动势的瞬时值表达式，i Imsin（t0）u Umsin（t0）分别是电流和电压的瞬时值表达式。它们统称为交流电的解析式，都是正弦量。交流电的变化规律除了用解析式表示外，还能用波形图直观地表示出来。如图6-2所示是e Emsin（t0）的波形图。图6-2 正弦量的波形图一、正弦交流电的产生过程二、交流电的三要素1最大值正弦交流电瞬时值表达式为e Emsin(t0)u Umsin(t0)i Imsin(t0)其中，正弦符号前面的系数称为这些正弦量的最大值，它是交流电瞬时值中所能达到的最大值，又叫做振幅。从正弦交流电的波形图可知，交流电完成一次周期性变化时，正、负最大值各出现一次。在交流电解析式中，正弦符号后面的量（t 0），称为交流电的相位，又称相角。因为（t 0）里含有时间t，所以相位是随时间变化的量。当t 0时，相位等于0，叫做初相位（简称初相），它反映了正弦交流电起始时刻的状态。初相的大小和时间起点的选择有关，正弦量的初相不同，初始值就不同，到达最大值和某一特定值所需的时间也不同。注意：习惯上初相的绝对值用小于180的角度表示。凡大于180的正角就改用负角表示，如270改用90来表示；图6-3所示是几种初相不同的正弦波。初相为的波形图如图6-3（a）所示。初相的波形图与图6-3（a）相比，仅在于纵轴向右平移了一个角，如图6-3（b）所示。初相的波形与图6-3（a）相比，仅在于纵轴向左平移了一个角，如图6-3（c）所示。2初相角频率是描述正弦交流电变化快慢的物理量。我们把交流电每秒钟变化的电角度，叫做交流电的角频率，用字母表示，单位是弧度/秒（rad/s）。在工程中，常用周期或频率来表示交流电变化的快慢。交流电完成一次周期性变化所需的时间，叫做交流电的周期，用字母T表示，单位是秒（s）。交流电在1s内完成的周期变化的次数，称为交流电的频率，用字母f表示，单位是赫兹（Hz），简称赫。根据定义，周期和频率互为倒数，即3角频率、周期和频率因为交流电完成1次周期变化所对应的电角度为2，所用时间为T，所以角频率与周期T和频率f的关系是我国采用50Hz作为电力标准频率，也称为工频交流电，其周期是0.02s，即20ms，角频率是100 rad/s或314rad/s，电流方向每秒钟变化100次。任何一个正弦量的最大值、角频率和初相确定后，就可以写出它的解析式，计算出这个正弦量任一时刻的瞬时值。因此，最大值、频率（或周期、角频率）和初相为正弦量的三要素。或4正弦交流电的相位差设两个同频率的正弦交流电u Umsin(t u)i Imsin(t i)式中，(t u)是电压u的相位；(t i)是电流i的相位。两个同频率正弦量的相位之差，叫做它们的相位差，用 表示，即(t u)(t i)ui上式表明：两个同频率正弦量的相位差等于它们的初相之差，是个常量，不随时间而改变。相位差是描述同频率正弦量相互关系的重要特征量，它表征两个同频率正弦量变化的步调，即在时间上超前或滞后到达正、负最大值或零值关系。4正弦交流电的相位差我们规定，用绝对值小于的角度来表示相位差。图6-4所示为两个同频率正弦交流电压和电流的相位关系。图6-4（a）中，相位差，称为电压u超前电流i角度，或称电流i滞后电压u角度。它表示电压u比电流i要早到达正（或负）最大值或零值的时间是。图6-4（b）中，u和i1具有相同的初相位，即相位差，称u与i1同相；而u和i2相位正好相反，称为反相，即u与i2的相位差为180。如果两个正弦交流电的相位差，那么称两者为正交。5正弦交流电的有效值和平均值交流电和直流电具有不同的特点，但是从能量转换的角度来看，二者是可以等效的。因此引入有效值来表示交流电的大小。如果交流电和直流电通过同样阻值的电阻，在同一时间内产生的热量相等，即热效应相同，就把该直流电的数值称为交流电的有效值。交流电动势和交流电压的有效值也可以用同样的方法来确定，用E、U、I表示交流电的有效值。正弦交流电的有效值和最大值的关系是我国照明电路的电压是220V，其最大值是311V，因此接入220V交流电路的用电器耐压值必须是超过311V一定数值。电工、电子技术中，有时要求交流电的平均值。交流电压或电流在半个周期内所有瞬时值的平均数，称为该交流电压或电流的平均值。理论和实践都可以证明：交流电的平均值是最大值的，即为最大值的0.637。因此，平均值是有效值的0.9倍。注意：常用的测量交流电的各种仪表，所指示的数字均为有效值。电动机和电器的铭牌上标的也都是有效值。【例6-1】已知交流电压（V），（V）。求各交流电的最大值、有效值、平均值、角频率、频率、周期、初相和它们之间的相位差，指出它们之间的“超前”或“滞后”关系。解：（1）最大值（V），（V）（2）有效值（V），（V）（3）平均值（V），（V）（4）角频率（5）频率f1 f2/2 314/2 50Hz（6）周期T1 T2 1/f 1/50 0.02s（7）初相，（8）相位差所以，电压u1滞后u2电角度90。三、正弦交流电的表示方法1波形图表示法如图6-5所示，横坐标表示角度t（或时间t），纵坐标表示随时间变化的电动势、电压和电流的瞬时值，这就是正弦交流电的波形图表示法。波形图的优点是它不仅可以反映出交流电的最大值、初相及角频率，还可以看出交流电随时间的变化趋势，以及同频率的不同正弦量间的超前和滞后关系。2解析式表示法解析式表示法即函数表示法，如图6-5所示正弦电动势的解析式为 e Emsin（t）如果知道了交流电的有效值（或最大值）、频率（或周期）和初相，就可以确定它的解析式。解析式的优点是：可以方便地算出交流电任何瞬间的值。图6-5交流电的波形图3正弦交流电的旋转向量表示法如图6-6所示，以坐标原点O为端点作一条有向线段，线段的长度为正弦量的最大值Em，旋转向量的起始位置与x轴正方向的夹角为正弦量的初相0，它以正弦量的角频率为角速度，绕原点O逆时针匀速转动，则在任一瞬间，旋转向量在纵轴上的投影就等于该时刻正弦量的瞬时值。旋转向量既可以反映正弦量的三要素，又可以通过它在纵轴上的投影求出正弦量的瞬时值。旋转向量可以完整地表示正弦量。如果有向线段的长为正弦量的有效值，就称为有效值向量，用、表示。在同一坐标系中，画出几个同频率的正弦量的旋转向量，它们以相同的角速度逆时针旋转，各旋转向量间的夹角（相位差）不变，相对位置不变，各个旋转向量是相对静止的。因此，将它们作为静止情况处理，并不影响分析和计算结果，正弦量用旋转向量来表示就可以简化为用向量来表示。图6-6正弦量的旋转向量表示法在同一坐标系中，画出几个同频率的正弦量的旋转向量，它们以相同的角速度逆时针旋转，各旋转向量间的夹角（相位差）不变，相对位置不变，各个旋转向量是相对静止的。因此，将它们作为静止情况处理，并不影响分析和计算结果，正弦量用旋转向量来表示就可以简化为用向量来表示。同频率的几个正弦量的向量可以画在同一图上，这样的图叫向量图。有效值向量用符号、表示，最大值向量用、表示。【例6-2】作出下列电流、电压、电动势的向量图。（V）（V）（V）解：（1）作基准线x轴，如图6-7所示。（2）确定比例单位。（3）从O作三条射线，与基准线的夹角分别是、和。（4）在三条线段上截取线段，使线段的长度符合e、u、i的有效值与比例单位的比例，并在线段末加上箭头。3正弦交流电的旋转向量表示法要进行同频率正弦量加、减运算，先作出与正弦量相对应的向量，再用平行四边形法则求和，向量和的长度表示正弦量和的最大值（如果用有效值向量表示，则为有效值），向量和与x轴正方向的夹角为正弦量的初相，角频率不变。3正弦交流电的旋转向量表示法【例6-3】已知：（A），求i1、i2的和。解：（1）如图6-8所示作出与i1、i2相对应的向量、，并作平行四边形，画出对角线。（2）由平行四边形法则知（3）由于I1=I2=10A，并且和与x轴正方向的夹角均为，从图中可以看出X轴上下各为一个等边三角形,即（A）（A）（4）与水平轴正方向一致，即初相角为0，所以（A）若求两矢量的差时，如，可改为求()，即将画为反方向向量，再与相加。注意：只有同频率正弦量才能画在同一向量图中，也只有同频率正弦量才能借助平行四边形法则进行加减运算。（A），一、单相插座的认知与交流电压的测量1插座插座一般不用开关控制，始终带电。插座插孔的分类和极性如图6-9所示。双孔插座水平安装时左零右火；竖直排列时下零上火；三孔插座左零右火上地；三相四孔插座，下面三个较小的孔分别接三相电源的相线，上面较大的孔接保护地线。2交流电压测量将结果填入表6-1中。表6-1万用表测量教室单相交流电压值测 量 内 容 250V 挡 500V 挡单相交流电压二、低频信号发生器的使用下面以AT8602B函数信号发生器（以后简称信号发生器）为例，介绍低频信号发生器的使用。信号发生器能产生频率为0.2Hz2MHz的正弦波、矩形波和三角波的信号电压。它的频率比较稳定，输出幅度可调。1信号发生器面板结构的认识AT8602B函数信号发生器面板如图所示。2信号发生器面板旋钮及按键功能（如表6-2所示）旋钮、开关、数码显示名 称功 能旋钮、开关、数码显示名 称功 能函数信号的输出端输出信号的最大幅度为：20Vp-p（1M 负载）函数波形选择按钮按下该键钮可由五位LED 的最高位数码循环显示波形输出占空比调节函数波形占空比调节旋钮，调节范围20%80%“频段”挡位选择按钮由五位LED 最后一位循环显示数码17个频段频率显示输出波形频率显示窗口：为5位LED 数码管显示，单位为Hz 或kHz，分别由两个发光二极管显示幅度显示输出波形幅度显示：为三位LED 数码管显示，显示单位为Vp-p或mVp-p，分别由两个发光二极管显示，显示值为空载时信号幅度的电压峰-峰值，对于50 负载，数值应为显示值的二分之一输出频率调节旋钮对每挡频段内的频率进行微调“确认”按钮当其他按钮已置位后即可按此按钮。本仪器即可开始运行，并出现选择的函数波形幅度调节旋钮调节范围大于20dB“复位”按钮当仪器出错时，按此按钮可复位重新开始工作衰减按钮20dB 的衰减、40dB 的衰减3技术性能（1）输出频率：0.2Hz2MHz，按每挡十倍频程覆盖率分类，共分7挡，具体如下。1挡0.22Hz；2挡220Hz；3挡20200Hz；4挡200Hz2kHz；5挡220kHz；6挡20200kHz；7挡200kHz2MHz。（2）输出信号阻抗：50。（3）输出信号波形：正弦波、三角波、方波。（4）输出信号幅度（1M 负载）：正弦波：不衰减（118Vp-p）4%10%连续可调。方波：不衰减（120Vp-p）4%10%连续可调。三角波：不衰减（116Vp-p）10%连续可调。说明：对于50 负载，数值应为上述值的二分之一。（5）函数输出占空比调节20%80%，5%连续可调。（6）信号频率稳定度：0.1%/min。以上（4）（6）项测试条件是：10kHz频率输出，整机预热20min。（7）电源适应性及整机功耗：电压110V/220V 10%，50Hz/60Hz 5%，功耗小于等于20W。（8）工作环境温度040。4信号发生器的使用（1）开机：插入220V交流电源线后，按下开关，整机开始通电。（2）按频率挡位（RAGE）选择适合频率挡位，在按此钮时，频率显示窗口5位LED码的最后一位循环显示的是挡位号17。（3）按波形选择按钮(WAVE)，LED窗口出现循环显示：显示1表示正弦波，显示2表示方波，显示3表示三角波。（4）按“确认”键，仪器开始输出波形，LED窗口显示频率，并同时在另一窗口显示幅度。（5）调节“调频”（FADJ）和“调幅”（AADJ）及衰减旋钮（ATT）并根据显示调整到自己所需要的频率和幅度。（6）“OUT”输出所需要的函数波形。5注意事项函数信号发生器上所有开关及旋钮都有一定的调节限度，调节时用力要适当。三、双踪示波器的使用及注意事项1GOS-620CH双踪示波器面板控制及功能说明GOS-620CH双踪示波器的最大灵敏度为5mV/div，最大扫描速度为，并可扩展10倍使扫描速度达到20ns/div。该示波器采用6英寸并带有刻度的矩形CRT，操作简单，稳定可靠。其面板如图6-11所示。2示波器的使用（1）寻找扫描光迹。接通电源开关，若显示屏上不出现光点或扫描线，可按表6-3进行操作。开关或旋钮 名 称 位 置开关或旋钮名 称 位 置（2）亮度旋钮INTENSITY亮度适中位置（11）水平位移置中间位置（14）触发方式置自动扫描（AUTO）方式（3）聚焦旋钮置适中位置，使扫描线清晰（23）、（28）垂直位移置中间位置2示波器的使用（2）出现扫描线后，从CH1或CH2加入电信号，若波形不出现请按表6-4操作。开关或旋钮 名 称 位 置 开关或旋 钮 名 称 位 置（CH2）（29）耦合选择开关置“AC”或“DC”（19）、（30）衰减开关顺时针旋转使幅值减小，逆时针旋转使幅值增加，波形幅值适中即可定量分析时，微调旋钮置锁定位置2示波器的使用（3）波形不稳定，请按表6-5操作。开关或旋钮名称 位 置开关或旋钮名称 位 置（15）内触发选择开关电信号从CH1 通道输入置CH1，信号从CH2通道输入置CH2，双通道输入时任选CH1 或CH2（13）电平电平锁定顺时针旋到底2示波器的使用（4）观察信号波形。将调好的电信号（信号发生器）接到示波器Y轴输入端（CH1或CH2）上。按表6-3表6-5调节示波器各旋钮开关，观察稳定的波形。（5）测量正弦波电压。在示波器上调节出大小适中、稳定的正弦波形，如图6-12所示。选择其中一个完整的波形，先测算出正弦波电压峰-峰值Up-p，即Up-p=（峰-峰值在垂直方向占的格数）（衰减开关V/div）（探头衰减率）然后求出正弦波电压有效值U为U=2示波器的使用（6）测量正弦波周期和频率。在示波器上调节出大小适中、稳定的正弦波形，选择其中一个完整的波形，先测算出正弦波的周期T，即T=（一个周期在水平方向占的格数）（挡位Time/div）然后求出正弦波的频率f=（7）测量正弦波的相位差。两个信号之间相位差的测量可以利用仪器的双踪显示功能进行。如图6-13给出了两个具有相同频率的超前和滞后的正弦波信号用双踪示波器显示的例子。此时，“内触发源”开关必须置于超前信号相连接的通道，同时调节扫描时间因数开关“Time/DIV”，使显示的正弦波波形大于1个周期，如图6-13所示。一个周期占6格，则1格刻度代表波形相位60，故相位差=相位差水平占的格数2/一个周期水平方向占的格数=1.5360/6=903用双踪示波器测量观察波形按图6-14所示连接交流电路，利用双踪示波器观察测量电压的波形，并填写表6-6。其中R1R2100，C 3.310 F，L 50100mH，频率1kHz。表6-6观察测量电压的波形序号操 作 波 形 说 明1测量观察ac 间的波形，指出波形中的幅度、周期和频率2观察de 间的波形，指出波形中的幅度、周期和频率3观察ae、de 间的波形，说明相位关系，分清楚超前与滞后的概念注意：可以将图6-14中电容和电感的位置调换一下继续测量。