电工电子技术基础及技能训练单元3.ppt

《电工电子技术基础及技能训练单元3.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《电工电子技术基础及技能训练单元3.ppt（73页珍藏版）》请在淘文阁 - 分享文档赚钱的网站上搜索。

1、电工电子技术基础电工电子技术基础及技能训练及技能训练主编主编 王欣王欣 王兆霞王兆霞全国高职高专院校规划教材精品与示范系列o掌握正弦量的特征，尤其是频率、幅值、初相位、相掌握正弦量的特征，尤其是频率、幅值、初相位、相掌握正弦量的特征，尤其是频率、幅值、初相位、相掌握正弦量的特征，尤其是频率、幅值、初相位、相位差和有效值的概念。位差和有效值的概念。位差和有效值的概念。位差和有效值的概念。o学会正弦量的各种表示方法，了解各种表示方法相互学会正弦量的各种表示方法，了解各种表示方法相互学会正弦量的各种表示方法，了解各种表示方法相互学会正弦量的各种表示方法，了解各种表示方法相互间的关系。间的关系。间的关

2、系。间的关系。o掌握电阻、电感、电容的物理性质；掌握单一参数电掌握电阻、电感、电容的物理性质；掌握单一参数电掌握电阻、电感、电容的物理性质；掌握单一参数电掌握电阻、电感、电容的物理性质；掌握单一参数电路中电压、电流和功率的关系。路中电压、电流和功率的关系。路中电压、电流和功率的关系。路中电压、电流和功率的关系。o正确理解阻抗和复阻抗的概念，会用相量图和复数式正确理解阻抗和复阻抗的概念，会用相量图和复数式正确理解阻抗和复阻抗的概念，会用相量图和复数式正确理解阻抗和复阻抗的概念，会用相量图和复数式分析和计算简单的交流电路。分析和计算简单的交流电路。分析和计算简单的交流电路。分析和计算简单的交流电路

3、。o正确理解交流电路中有功功率、无功功率、视在功率正确理解交流电路中有功功率、无功功率、视在功率正确理解交流电路中有功功率、无功功率、视在功率正确理解交流电路中有功功率、无功功率、视在功率和功率因数的含义，了解串联谐振、提高功率因数的和功率因数的含义，了解串联谐振、提高功率因数的和功率因数的含义，了解串联谐振、提高功率因数的和功率因数的含义，了解串联谐振、提高功率因数的意义，学会提高功率因数的方法。意义，学会提高功率因数的方法。意义，学会提高功率因数的方法。意义，学会提高功率因数的方法。单元单元单元单元3 3 正弦交流电路分析正弦交流电路分析正弦交流电路分析正弦交流电路分析学习要点学习要点学习

4、要点学习要点oo3.1 3.1 3.1 3.1 正弦交流电的基本概念与认知正弦交流电的基本概念与认知正弦交流电的基本概念与认知正弦交流电的基本概念与认知oo3.1.13.1.13.1.13.1.1正弦交流电的基本物理量正弦交流电的基本物理量正弦交流电的基本物理量正弦交流电的基本物理量oo3.1.23.1.23.1.23.1.2正弦量的表示方法正弦量的表示方法正弦量的表示方法正弦量的表示方法oo3.2 3.2 3.2 3.2 单一参数交流电路分析单一参数交流电路分析单一参数交流电路分析单一参数交流电路分析oo3.2.13.2.13.2.13.2.1纯电阻交流电路纯电阻交流电路纯电阻交流电路纯电阻

5、交流电路oo3.2.23.2.23.2.23.2.2纯电感交流电路纯电感交流电路纯电感交流电路纯电感交流电路oo3.2.33.2.33.2.33.2.3纯电容交流电路纯电容交流电路纯电容交流电路纯电容交流电路oo3.3 RLC3.3 RLC3.3 RLC3.3 RLC串联的交流电路分析串联的交流电路分析串联的交流电路分析串联的交流电路分析oo3.3.13.3.13.3.13.3.1电路中电压与电流的关系电路中电压与电流的关系电路中电压与电流的关系电路中电压与电流的关系oo3.3.23.3.23.3.23.3.2电路中的电功率电路中的电功率电路中的电功率电路中的电功率oo3.3.33.3.33.

6、3.33.3.3串联谐振串联谐振串联谐振串联谐振单元单元3 正弦交流电路分析正弦交流电路分析3.43.4复阻抗的串复阻抗的串/并联分析并联分析3.4.13.4.1复阻抗的串联复阻抗的串联3.4.23.4.2复阻抗的并联复阻抗的并联3.53.5提高功率因数的意义和方法提高功率因数的意义和方法3.5.13.5.1提高功率因数的意义提高功率因数的意义3.5.23.5.2提高功率因数的方法提高功率因数的方法1、交流电的基本概念、交流电的基本概念随时间按正弦规律变化的电动势、电压、电流统称为正弦交随时间按正弦规律变化的电动势、电压、电流统称为正弦交流电，简称流电，简称交流电。交流电。表达式为：表达式为：

7、正弦量正弦量3.1.1正弦交流电的基本物理量正弦交流电的基本物理量3.1 3.1 正弦交流电的基本概念与认知正弦交流电的基本概念与认知正弦交流电的基本概念与认知正弦交流电的基本概念与认知以正弦电流为例：以正弦电流为例：幅值幅值、角频率角频率和和初相初相称为正弦量的的三要素。称为正弦量的的三要素。波形波形正弦交流电的三要素正弦交流电的三要素幅值幅值角频率角频率相位相位初相角初相角:简称简称初相初相瞬时值瞬时值 角频率角频率角频率角频率：正弦量每秒变化的电角度，单位：弧度正弦量每秒变化的电角度，单位：弧度/秒秒 (rad/s)角频率与周期及频率的关系：角频率与周期及频率的关系：周期周期周期周期T

8、T：正弦量变化一周所需的时间，单位：秒（：正弦量变化一周所需的时间，单位：秒（S）频率频率频率频率f f：正弦量每秒变化的周数，单位：赫兹（正弦量每秒变化的周数，单位：赫兹（Hz）周期与频率的关系：周期与频率的关系：2、周期、频率、角频率、周期、频率、角频率3 3、瞬时值、瞬时值、幅值、有效值幅值、有效值 1）瞬时值：）瞬时值：正弦量在任一时刻的值称为瞬时值，常用小写字母 表示，它是随着时间变化而变化。2）幅值：）幅值：正弦量在一个周期内会有两次达到最大值（峰值），那么该值称 为幅值，常用大写字母 表示 需要注意的是无论是瞬时值还是幅值都只是正弦量某一个特定时刻的数值，不能用来表示正弦交流电的

9、大小。那么该如何表示其大小呢，因此规定交流电的有效值来计量它的大小。3 3）有效值）有效值：根据热效应原理，让周期电流和直流电流I分别通过两个阻值相等的电阻R，如果在相同的时间T内，两个电阻产生的热量相等，则称该直流电流I的值定义为周期电流i的有效值。根据其定义有对于正弦电流，因 ，所以正弦电流的有效值为：同理，正弦电压、电动势的有效值为：有效值常用大写字母U、I、E表示相位相位：正弦量表达式中的角度：正弦量表达式中的角度初相位（角）初相位（角）：t=0时刻的相位时刻的相位相位差相位差：两个同频率正弦量的相位之差，其：两个同频率正弦量的相位之差，其值等于它们的初相之差。如值等于它们的初相之差。

10、如相位差为：相位差为：4、相位、初相角、相位差、相位、初相角、相位差3.1.2正弦量的表示方法正弦量的表示方法1、波形图表示正弦量可以用一个正弦变化的波形图来表示，根据3.1.1的学习可知，一个正弦量只要确定出三要素，那么该正弦量也就确定出来，而波形图恰恰都能完整的把该三要素表示出来。如图所示。u图正弦量的波形图图正弦量的波形图ie2、瞬时表达式法正弦量是时间的函数，它的瞬时表达式（三角函数式）在3.1.1中已经叙述过。对应于上图的波形，它们的瞬时表达式分别为：3、相量式表示法、相量式表示法复数复数A可用复平面上的有向线段来表示。该有向线段的可用复平面上的有向线段来表示。该有向线段的长度长度a

11、称为复数称为复数A的的模模模模，模总是取正值。该有向线段与实，模总是取正值。该有向线段与实轴正方向的夹角轴正方向的夹角称为复数称为复数A的的辐角辐角辐角辐角。根据以上关系式及欧拉公式根据以上关系式及欧拉公式复数复数A的实部的实部a1及虚部及虚部a2与与模模a及辐角及辐角的关系为：的关系为：代数型代数型三角函数型三角函数型指数型指数型极坐标型极坐标型可将复数可将复数A表示成代数型、三角函数型、指表示成代数型、三角函数型、指数型和极坐标型数型和极坐标型4种形式。种形式。复数的四则运算：复数的四则运算：设两复数为：设两复数为：(1)相等。若相等。若a1=b1，a2=b2，则则A=B。(2)加减运算：

12、加减运算：(3)乘除运算：乘除运算：将复数将复数Imi乘上旋转因子乘上旋转因子1t，其模其模不变，辐角随时间均匀增加。即在复平面上不变，辐角随时间均匀增加。即在复平面上以角速度以角速度逆时针旋转，其在虚轴上的投影等逆时针旋转，其在虚轴上的投影等于于Imsin(t+i)，正好是用正弦函数表示的正好是用正弦函数表示的正弦电流正弦电流i。可见复数。可见复数Imi与正弦电流与正弦电流i=Imsin(t+i)是相互对应的关系，可用复数是相互对应的关系，可用复数Imi来表示正弦电流来表示正弦电流i，记为：记为：并称其为相量。并称其为相量。正弦量正弦量相量相量有效值相量和值幅相量的关系有效值相量和值幅相量的

13、关系：相量图：相量图：把几个同频率的正弦量，根据它们的大把几个同频率的正弦量，根据它们的大小和初相，用相量分别画在同一坐标平面的图形小和初相，用相量分别画在同一坐标平面的图形4、相量图表示法、相量图表示法例例1：已知正弦电压试写出它们的相量式：已知正弦电压试写出它们的相量式3.2.13.2.1纯电阻交流电路纯电阻交流电路根据根据 欧姆定律欧姆定律 设设则则 uRiR3.2单一参数交流电路分析单一参数交流电路分析a.频率相同频率相同b.相位相同相位相同c.有效值关系有效值关系：1 1、电压与电流的关系、电压与电流的关系d.相量关系相量关系:或或e.相量图：相量图：2 2、电阻上的功率关系、电阻上

14、的功率关系（1）瞬时功率瞬时功率 PR：瞬时电压与瞬时电流的乘积瞬时电压与瞬时电流的乘积 uRiR小写小写1.（耗能元件）（耗能元件）结论：结论：2.随时间变化随时间变化tuiPRt（2）平均功率（有功功率）平均功率（有功功率）P PR R：瞬时功率在一个周期内的平均值。瞬时功率在一个周期内的平均值。大写大写 uRiR所以：所以：3.2.23.2.2纯电感交流电路纯电感交流电路 基本基本关系式关系式：iuL设设则则1 1、电压与电流的关系、电压与电流的关系 a.频率相同频率相同 b.相位相差相位相差 90（u 领先领先 i 90）iu设：设：c.有效值有效值:感抗感抗（）定义：定义：则：则：d

15、.相量关系相量关系:则：则：或：或：e.相量图相量图:感抗（感抗（XL=L=2 f L)是频率的函数，是频率的函数，表示电感电路表示电感电路中电压、电流有效值之间的关系，且只对正弦波有效中电压、电流有效值之间的关系，且只对正弦波有效。XL关于感抗的讨论关于感抗的讨论e+_LRf=0,f=0,=0 时时XL=0直流直流E+_R2 2、电感上的功率关系、电感上的功率关系（1）瞬时功率瞬时功率 PL：iuLL储存储存能量能量释放释放能量能量可逆的可逆的能量转换能量转换过程过程P 0ui+P 0P 0（2）平均功率平均功率 PL（有功功率）有功功率）结论：结论：纯电感不消耗能量纯电感不消耗能量，只和电

16、源进行能量交换。，只和电源进行能量交换。（3 3）无功功率无功功率 QLQ 的单位：乏、千乏的单位：乏、千乏(varvar、kvar)kvar)QL 的定义：为了衡量电感与电源之间能量交换的的定义：为了衡量电感与电源之间能量交换的规模大小，把电感与电源间能量交换的最大值（即规模大小，把电感与电源间能量交换的最大值（即瞬时功率的最大值）。瞬时功率的最大值）。基本关系式基本关系式:设设：3.2.33.2.3纯电容交流电路纯电容交流电路uciC则：则：a.频率相同频率相同b.相位相差相位相差 90 （u 落后落后 i 90）1 1、电压与电流的关系、电压与电流的关系iuc.有效值有效值或或 容抗容抗

17、（）定义：定义：则：则：I d.相量关系相量关系则：则：或：或：e.相量关系相量关系E+-e+-直流直流0 时时 关于容抗的讨论关于容抗的讨论 是频率的函数，是频率的函数，表示电容表示电容电路中电压、电流有效值之间的关系，且只对正弦波电路中电压、电流有效值之间的关系，且只对正弦波有效有效。容抗容抗2、电容上的功率关系、电容上的功率关系（1）瞬时功率瞬时功率 PC：uciCuiuiuiui充电充电p放电放电放电放电P 0储存储存能量能量tiu(2)平均功率平均功率 PC(3)无功功率无功功率 QCQC 的单位：乏、千乏的单位：乏、千乏(varvar、kvar)kvar)QC 的定义：为了衡量电容

18、与电源之间能量交换的的定义：为了衡量电容与电源之间能量交换的规模大小，把电容与电源间能量交换的最大值（即规模大小，把电容与电源间能量交换的最大值（即瞬时功率的最大值）。瞬时功率的最大值）。已知：已知：C 1F求：求：I 、i解：解：电流有效值电流有效值例例uiC求电容电路中的电流求电容电路中的电流瞬时值瞬时值i 领先于领先于 u 90电流有效值电流有效值若若则则3.3.1电路中电压与电流的关系电路中电压与电流的关系uRLCi3.3 RLC串联交流电路分析串联交流电路分析相量方程式：相量方程式：则则RLC设设（参考相量）（参考相量）注意：注意：而根据后面所学习的电压三角形而根据后面所学习的电压三

19、角形可得可得R-L-C串联交流电路串联交流电路-相量图相量图RLC先画出参先画出参考相量考相量电压电压三角形三角形Z：复阻抗复阻抗实部为电阻实部为电阻虚部为电抗虚部为电抗容抗容抗感抗感抗令：复阻抗令：复阻抗则则RLC相量表达式：相量表达式：其中，电抗其中，电抗 是一个复数，但并不是正弦交流是一个复数，但并不是正弦交流量，上面量，上面不能加点不能加点。Z在方程式中只在方程式中只是一个运算工具是一个运算工具。Z Z说明：说明：RLC关于复数阻抗关于复数阻抗 Z Z 的讨论的讨论由由可得：可得：结论：结论：的模为电路总电压和总电流有效值之比，的模为电路总电压和总电流有效值之比，而而的辐角则为的辐角则

20、为总电压和总电流的相位差。总电压和总电流的相位差。（a a）Z和总电流、总电压的关系和总电流、总电压的关系（b b）Z Z 和电路性质的关系和电路性质的关系阻抗角阻抗角一定时电一定时电路性质由参路性质由参数决定数决定 当当 时时，表示表示 u 超前超前 i 一个一个 电路呈感性电路呈感性当当 时，时，表示表示 u、i同相同相 位，位，电路呈电阻性电路呈电阻性当当 时时，表示表示 u 落后落后 i 一个一个 电路呈容性电路呈容性（c c）阻抗（阻抗（Z Z）三角形三角形阻抗阻抗三角形三角形（d d）阻抗三角形和电压三角形的关系阻抗三角形和电压三角形的关系电压三电压三角形角形阻抗三阻抗三角形角形相

21、相似似3.3.2 电路中的功率关系电路中的功率关系（1）瞬时功率瞬时功率 （2）平均功率平均功率 P（有功功率）有功功率）uRLCi平均功率平均功率P与总电压与总电压U、总电流总电流 I 间的关系：间的关系：-功率因数功率因数 其中：其中：总电压总电压总电流总电流u 与与 i 的夹角的夹角 在在 R、L、C 串联的电路中，串联的电路中，储能元件储能元件L、C 虽然虽然不消耗能量不消耗能量，但存在能量交换，但存在能量交换，交换的规模用无功交换的规模用无功功率来表示。其大小为：功率来表示。其大小为：（3）无功功率无功功率 Q：（4）视在功率）视在功率 S：电路中总电压与总电流有效值的乘积。电路中总

22、电压与总电流有效值的乘积。单位：伏安、千伏安单位：伏安、千伏安PQ（有助记忆）（有助记忆）S注：注：SU I 可用来衡量发电机可能提供的最大功可用来衡量发电机可能提供的最大功率（额定电压率（额定电压额定电流）额定电流）视在功率视在功率（5）功率三角形：功率三角形：无功功率无功功率有功功率有功功率注意：注意：当电路中有多个负载时，在计算当电路中有多个负载时，在计算总的功率时有总的功率时有电压三角形SQP功率三角形阻抗三角形阻抗三角形RLCR3.3.3串联谐振串联谐振1、谐振的条件与频率RLC串联电路发生的谐振条件为：所以串联谐振的频率：1）串联谐振时 ,电路的阻抗 最小，在一定的电压下，电路中的

23、电流有效值此时最大。如果偏离谐振频率，阻抗都会明显增大，如图所示。都是随频率f变化的曲线，两曲线的交点即为谐振频率 。谐振的电流为 由于谐振时阻抗最小，所以 为最大值。如偏离谐振频率时，电流将会明显减小。这种把谐振频率附近的信号选择出来的特性称之为电路的选择性。电流I随f变化的曲线如图 2）串联谐振时，电感、电容上的电压可以比总电压大许多倍。因为谐振时，所以电感和电容上的电压分别为又由于谐振时，通过上式可得那么这个比值Q称为谐振回路的品质因数。当 时，则品质因数Q很高，电感或电容上的电压比电源电压可高出几十倍甚至几百倍，所以串联谐振又称为电压谐振。3.4.1复阻抗的串联复阻抗的串联Z1Z2+-

24、+-+-上式表明，复阻抗的串联计算与直流电路中电阻串上式表明，复阻抗的串联计算与直流电路中电阻串联的计算方法一致。联的计算方法一致。分压公式分压公式3.4 复阻抗的串复阻抗的串/并联分析并联分析3.4.2复阻抗的并联复阻抗的并联上式表明，复阻抗的并联计算与直流电路中电阻并上式表明，复阻抗的并联计算与直流电路中电阻并联的计算方法一致。联的计算方法一致。分流公式分流公式Z1Z2+-3.5.1提高功率因数的意义提高功率因数的意义日常生活中很多负载为感性的，其等效电路及相量关日常生活中很多负载为感性的，其等效电路及相量关系如下图。系如下图。uiRLCOS I当当U、P 一定时，一定时，P=PR=UIC

25、OS 其中消耗的有功功率为：其中消耗的有功功率为：3.3.5 5 提高功率因数的意义和方法提高功率因数的意义和方法提高功率因数的意义和方法提高功率因数的意义和方法负负载载iu说明：说明：由负载性质决定。与电路的参数由负载性质决定。与电路的参数和频率有关，与电路的电压、电流无关。和频率有关，与电路的电压、电流无关。功率因数功率因数 和电路参数的关系和电路参数的关系RZ常用电路的功率因数常用电路的功率因数纯电阻电路纯电阻电路纯电感电路或纯电感电路或纯电容电路纯电容电路R-L-C串联电路串联电路电动机电动机 空载空载 满载满载 日光灯日光灯（R-L-C串联电路）串联电路）3.5.2提高功率因数的方法提高功率因数的方法提高功率因数的原则提高功率因数的原则：必须保证原负载的工作状态不变。即：加至负必须保证原负载的工作状态不变。即：加至负载上的电压和负载的有功功率不变。载上的电压和负载的有功功率不变。提高功率因数的措施提高功率因数的措施:uiRL并电容并电容C设原电路的功率因数为设原电路的功率因数为 cos L，要求补偿到，要求补偿到cos （设（设 U、P 为已知）为已知）RLC+-那么并联多大的电容合适呢，根据公式有：式中 并联电容之前负载的功率因数角；并联电容之后电路的功率因数角；负载使用的功率，单位为W。