工信版（中职）电工技术基础与技能（第8章）电子课件.pptx

Y CF（中职）电工技术基础与技能（第8 章）电子课件电工技术基础与技能 电工技术基础与技能 目录 目录目 录第一章 认识实训室与安全用电第二章 电路的基本概念第三章 直流电路分析第四章 静电场与电容第五章 电磁应用技术第六章 单相正弦交流电路第七章 三相交流电路第八章 非正弦周期电量的应用第九章 低压电器与控制电路电工技术基础与技能 电工技术基础与技能 第八章 第八章非正弦周期电量的应用第八章8-1 谐波的概念 在工程中，除了按正弦规律变化的周期电量之外，更多的是不按正弦规律变化的周期电量。如我们熟悉的语言、音乐等电信号就是非正弦电量。图8-1给出了几种常见的非正弦电量波形。图a所示是矩形波，在数字电路中作为数字信号；图b所示是锯齿波，在电视机、示波器的扫描电路中应用；图c所示是尖脉冲；可作为晶闸管的触发信号；图d所示是全波整流电路的输出电压波形。图中这些非正弦交流电量各有各的用途，是正弦交流电不能替代的。严格地说，真正按正弦规律变化的电量是比较少的，而大部分电量都是非正弦电量。这些非正弦电量有的是工作需要（如以上提到的几种波形），有的是工作中产生了干扰，使正弦波形发生了歧变。电工技术基础与技能 电工技术基础与技能 第八章 第八章电工技术基础与技能 电工技术基础与技能 第八章 第八章 如三相工频交流电，因电路中接入了大功率整流设备，使波形发生歧变，由正弦波变为了非正弦波。非正弦周期电量有什么特点呢？和正弦周期电量有什么关系呢？他的大小、有效值及功率怎样计算？这些都是我们应该知道的。实验导入：将两台低频正弦波信号发生器的输出端串联后接到示波器的输入端，连接电路如图8-2a所示。将其中一台的输出电压调整为1V，频率调整为50Hz；另一台的输出电压调整为0.3V，频率调整为150Hz，此时示波器上的显示波形如图8-26所示。由图中可见，此波形是一非正弦电压波形，它是由50Hz和150Hz两个正弦交流电压叠加而成。50Hz和150Hz这两个正弦交流电压称为这个非正弦电压的谐波。由此可以设想：由两个（或多个）正弦电量可以叠加出一个非正弦周期电量，哪么一个非正弦周期电量，是否可以分解为多个正弦电量相叠加呢？由理论和实验均可以证明：任何一个非正弦周期电量，都可以分解为多个正弦周期电量相叠加的形式。电工技术基础与技能 电工技术基础与技能 第八章 第八章8.1.1 谐波的产生电工技术基础与技能 电工技术基础与技能 第八章 第八章 由以上分析可知，除去标准的正弦波之外，其它任何波形都含有谐波。这些 含有谐波的非正弦波，一类是根据工程的需要由电路产生的；另一类是电路在工 作中产生的干扰波形。在现代的各个用电领域，真正的正弦波是很少的，更多的是含有谐波的非正弦波，因此，我们了解谐波的概念是非常有意义的。a）连接图 b）叠加波形 图8-2 谐波实验电路1.单方向脉动周期电量的分解 图8-3a 是一个单向半波整流电压波形，它在一个周期内只有半个正弦波形，是一个单方向脉动周期电量。它可以分解为直流分量（图8-3b）和一系列正弦交流分量（图8-3c、d、e）相叠加。其中直流分量是半波整流电压波形的平均值（凡是单方向流动的周期电量，都含有直流分量）。图8-3c称为基波，它的频率和单方向脉动周期电量的频率相同，幅度也最大；其余称为高次谐波，高次谐波的规律是：电压频率越高幅度越小。电工技术基础与技能 电工技术基础与技能 第八章 第八章8.1.2 谐波的分解图8-3 谐波分解电工技术基础与技能 电工技术基础与技能 第八章 第八章电工技术基础与技能 电工技术基础与技能 第八章 第八章2.交流周期电量的分解 图8-4是交流周期矩形波分解和叠加的情况，由图中可见，交流周期电量分解后没有直流分量（也可以认为直流分量为0）。图8-4a是取了叠加量的前3项，即只取到5次谐波，合成曲线如图中虚线所示。由图中可见，基波的幅度最大，频率最低；3次谐波的幅度是基波的1/3，频率是基波的3倍；5次谐波的幅度是基波的1/5，频率是基波的5倍。其合成波形的形状和矩形波还有一定的差距。图8-4b是取了叠加量的前6项，取到11次谐波，合成波形已经非常接近矩形波了。图8-4 谐波合成示意图电工技术基础与技能 电工技术基础与技能 第八章 第八章该视频是由谐波合成一个矩形波，再由矩形波生成频谱的全过程。通过以上分析，应建立起如下概念：1.任何一个非正弦周期电量，都是由基频正弦波和多个高次谐 波电量相叠加的结果。2.单方向脉动周期电量含有直流分量和交流分量；而交流周期电量只含有正弦交流分量而不含有直流分量。3.非正弦周期电量的谐波频率越高，其幅度越小，即起主要作用的是谐波的前几项。4.非正弦电量的波形和正弦电量的波形差别越大，这个非正弦电量的谐波越丰富，在电路中占用的频带越宽。电工技术基础与技能 电工技术基础与技能 第八章 第八章1.高次谐波的用途 在自然界中刮风、下雨、电闪雷鸣，人们用耳朵一听就能区分出来，为什么能够区分呢？就是这些声音中除了基波之外，它的高次波不同。也就是高次谐波是区分不同物理量的主要组成部分。图8-5a是电子琴发出的钢琴的声音的电压波形图；图8-5b是电子琴发出的长笛的声音的电压波形图。两个图的基波频率相同，高次谐波不同，所以我们能够区分出两种声音的区别。电工技术基础与技能 电工技术基础与技能 第八章 第八章8.1.3 高次谐波的用途和危害（a）钢琴电压波形（b）长笛电压波形（c）数字电路电压波形（d）正弦波电压波形 图8-5c是数字电路信号电压波形图，数字信息量就是“有”或“无”，用矩形波信号表示非常恰当，但矩形波信号中也含有大量的高次谐波，如果将高次谐波滤除，变成正弦信号，就会使电路出现误动作。图8-5d是正弦信号电压波形图，不含有谐波，频率单一，是信号源、三相交流电采用的波形。正弦交流电因为没有高次谐波，工作没有噪音和电磁干扰。8.1.3 高次谐波的用途和危害2.高次谐波的危害 所谓高次谐波的危害，是指无用的噪音和不需要的谐波成分。我们这里单指三相交流电网中的高次谐波成分。我国三相电网中交流电是按50Hz正弦规律变化的交流电量，所有工作在电网上的电器都要按照50Hz进行设计。如电动机、变压器、电磁铁、电抗器、功率因数补偿器等。这些交流电器无例外的都是由电路三大器件（电阻、电感、电容）组成，电感的感抗，电容的容抗都是频率的函数。电工技术基础与技能 电工技术基础与技能 第八章 第八章8.1.3 高次谐波的用途和危害 图8-6是三相交流电受到干扰后的波形图，由波形图可见，在50Hz正弦波中叠加上了很大的高次谐波成分。高次谐波会使电动机的铁心中磁偶极子振动加剧引起发热，绕组中电流出现趋肤效应使绕组发热加剧；电容器中流过的电流增加，引起电容发热鼓包，严重时出现爆炸。高次谐波对电子电器干扰更为严重，造成动作失误、死机、控制精度下降等。国家电网规定，三相电网中的高次谐波成分不能超过5%。超过了就要采取措施将其滤除。8.1.3 高次谐波的用途和危害结论 1.自然界中的周期交流量除了单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谐波组成，基波反映的是物理量的轮廓，高次谐波反映的是物理量的细节。图8-5中的钢琴和长笛的声音，基波相同，高次谐波不同。现在进入智能时代，一切物理量都是通过电脑来控制，电脑是由电子电路组成的，处理的是电信号，也就是说一切非电物理量的波形都要转换为电量的波形来处理，所以我们研究交流电的谐波也是研究非电物理量的谐波。电工技术基础与技能 电工技术基础与技能 第八章 第八章8.1.3 高次谐波的用途和危害 2.三相交流电是国民经济建设的动力源，输出是标准的正弦交流电。随着科技的发展和社会的需要，很大一部分电能是通过二次处理再供给用电设备应用。如变频器、各种充电器等，都是将交流电整流为直流电，在整流过程中就在电网中产生了大量的高次谐波。如图8-6所示就是因为整流电路造成的电网谐波。因为电网中的谐波已经产生了很大的负面影响，就催生了一个新的产业，电磁滤波和无谐波整流技术。凡是对电网产生高次谐波的设备，都要加装滤波器或者采用无谐波整流。确保国家电网的谐波含量不超过5%。电工技术基础与技能 电工技术基础与技能 第八章 第八章通过上述简要的介绍，希望给大家建立起谐波的基本概念。电工技术基础与技能 电工技术基础与技能 第八章 第八章 活学活用学习理论的目的就是就是为了更好的指导实践 8.2 谐波概念的工程应用【案例1B超的检测原理】案例叙述：医院B超诊断仪，是探测人体内部器官结构形状有无变化的仪器。人体腹内器官肉眼是看不到的，医生借助于B超的诊断，将人体的内部器官显示在计算机的显示屏上，供医生进行医学诊断。图8-7 B超测量电工技术基础与技能 电工技术基础与技能 第八章 第八章【案例1B超的检测原理】案例分析：B超是基于声音的反射原理，当物体接受到声音时会出现反射，反射声音的幅度和频率与物体的结构形状有关系。B超的探头发出含有高次谐波的一个“频带”超声波，同时探头又接收返回的超声波。人体内部器官结构形状不同，返回的超声波频率和幅度不同，据此，根据返回的超声波幅度和频率在计算机显示屏上形成图像，这个图像就是当前器官的形状，医生将器官图像和正常器官进行比较，做出医学诊断。电工技术基础与技能 电工技术基础与技能 第八章 第八章 案例叙述：人的听力出现衰退可佩戴助听器。助听器是一个电子产品，随着电子技术的智能化，助听器可以按照听力损失的不同程度进行针对性的补偿，下图是助听器外形和补偿原理图【案例2助听器】电工技术基础与技能 电工技术基础与技能 第八章 第八章案例分析：人的正常听力在20Hz20kHz范围内，声音的频率在100Hz4kHz以内。听到的声音的大小和声音的功率成正比（用分贝dB表示）。图8-8b是听力频谱图，图中标出了听力的频率和幅度，按“香蕉图”分布，即图8-8b中的“正常听力区”。当人的听力低于了正常听力区，有些频率就听不到了，影响正常的交流。声音的低频段出现听力超出正常听力区，表现为小的声音听不见；高频段低于了正常听力区，表现为小的声音听不清。图8-8b中的“实测听力线”的1.5kHz以上部分出现了听力较重的损失，即造成听音时有些字听不清。图8-8b中的“补偿听力线”是助听器将损失听力部分的声音放大，使听者达到正常的听力水平。【案例3J2459学生示波器校准信号的取得】电工技术基础与技能 电工技术基础与技能 第八章 第八章案例叙述：在一个非正弦波形中，除了基波之外，就是高次谐波。如果我们想得到标准的正弦基波，可以采用滤波的方法将高次谐波滤除。有一种J2459 学生示波器，如图8-5a所示，该示波器的校准信号是取自工频交流电，因工频交流电的波形含有大量的谐波，通过图8-5b所示低通滤波器将高次谐波滤除。电工技术基础与技能 电工技术基础与技能 第八章 第八章图8-5b 波形图图8-5a 外形图电工技术基础与技能 电工技术基础与技能 第八章 第八章案例分析：图8-9b是一个R、C分压电路，通过两级分压，将10V降为5V，通过电容将高次谐波滤除。电阻的阻值和频率无关，而电容的容抗是频率的函数，即频率越高，电容上分得的电压越低。根据此原理，由 R、C 组成串联降压滤波电路。电网中的高次谐波主要来自整流电路，整流电路产生的最低谐波为5次谐波，即频率为250Hz，幅值为基波的20%。滤波电路只要将5次谐波滤除，高于5次以上的谐波就没有问题了。图中8-9b滤波电路设计为输入10V输出，输出5V，2级降压滤波电路。电阻R=1k，电容C=4.3F，50Hz时容抗为750；250Hz时容抗为150。根据5次谐波电容的容抗是基波的1/5（150/750=1/5），则1级滤波后谐波电压幅度降为20%1/5=4%，2级滤波降基波的0.8%。即输出端只有0.8%的谐波成分，波形相当不错了。结论：一般电容滤波要连接成RC串联形式。但R有电损，在大电流应用时损耗太大，人们就把R去掉，更换为电感。在直流电路中，不用串联电阻，在电路上并联电容，就会得到很好的滤波效果。电工技术基础与技能 电工技术基础与技能 第八章 第八章电工技术基础与技能 电工技术基础与技能 第八章 第八章【案例4变频器交流滤波】案例叙述：工业变频器，见图8-10所示。是用于三相交流异步电动机调速的电力电子电器。三相交流异步电动机是一个性能非常优秀的电动机，因为不能调速，限制了其应用范围。变频器的出现，改变了其三相交流异步电动机的命运，该电动机和变频器组合应用时，取代了直流电动机，在电动机的应用领域一统天下。变频器在协助交流笼型异步电动机一统天下的同时，存在一个软肋，就是输入端的整流电路使电网产生大量的高次谐波；输出端输出的是PWM脉宽调制波，调制频率在10kHz以上，产生大量的高次谐波，除了对电动机产生干扰之外，对周围的弱电电器也产生辐射和感应干扰。消除变频器应用中出现的电磁谐波，是应用变频器的一项重要任务。电工技术基础与技能 电工技术基础与技能 第八章 第八章图8-10 变频器控制系统连接图电工技术基础与技能 电工技术基础与技能 第八章 第八章 案例分析：消除三相交流电流中的高次谐波，最简单的方法就是加装交流电抗器。1.在输入端加装交流电抗 见图8-10，在输入端加装电抗器后，电流波形明显得到了改善。2.在输出端加装交流电抗器 加装电抗器后，高次谐波电流基本上被滤除，大大降低了变频器输出端的电磁干扰。电工技术基础与技能 电工技术基础与技能 第八章 第八章低压电器与控制电路第九章