正弦交流电.ppt

2019年11月9日星期六,一、交流电的基本概念及参数,交流电是指电路中的电动势、电压及电流的大小和方向都随时间变化。若大小和方向随时间按一定规律作周期性变化，这样的交流电叫周期性交流电。周期性交流电中应用最广泛的是按正弦规律变化的交流电。,2019年11月9日星期六,1、正弦交流电的数值,（1）瞬时值,正弦交流电在变化过程中，任意确定时刻t的数值，称为正弦交流电的瞬时值，如图所示， t1时刻的e1值即为瞬时值。瞬时值用小写符号e、u、i表示。,2019年11月9日星期六,正弦交流电的瞬时值数学表达式：,（1-32）,2019年11月9日星期六,（2）最大值,正弦交流电的最大值又称振幅值，也可称为峰值。是指在交流电变化过程中，正弦交流电出现的最大的瞬时值，用符号em、im、um表示。,2019年11月9日星期六,2019年11月9日星期六,（3）有效值,在工程应用时，正弦交流电的大小用有效值表示。正弦交流电的有效值是根据正弦交流电流与直流电流的热效应相等来定义的。就是说，一个交流电流和一个直流电流，分别通过同一电阻，如果经过相同时间产生同样的热量，则这个直流电流的大小等效为这个交流电的有效值。有效值用大写符号e、u、i表示。,2019年11月9日星期六,正弦交流电的有效值与最大值的数量关系,（1-33）,（1-34）,（1-35）,2019年11月9日星期六,电气设备的名牌上所注明的额定电压、额定电流，以及各种交流电器仪表（如交流电流表、交流电压表等）的测量值都是有效值。220v的交流电压就是有效值，其最大值为311v。,2019年11月9日星期六,2、频率和角频率,（1）周期,指正弦交流电每循环一次所经历的时间。就是说正弦交流电从0值到最大值，再到0值，接着变化到负的最大值，然后回到0值。此过程所经历的时间称为周期，用符号t表示。单位为秒（s）。,2019年11月9日星期六,（2）频率,是指正弦交流电在单位时间（s）内完成循环的次数，用符号f 表示，单位为赫兹（hz）。我国工业用电的标准频率是50hz，英国、美国、日本等国家为60 hz，故一般把50 hz或60 hz称为工频。,（1-36）,2019年11月9日星期六,（3）角频率,表示正弦交流电的交流电压和电流变化快慢的物理量。角频率是指单位时间内正弦量循环变化的弧度数（这里是指电弧度），用符号表示，单位是弧度/秒（rad/s）。角频率与频率及周期的关系式：,2019年11月9日星期六,（1-37）,由上式可知，工频（50hz）的角频率=314 （rad/s）；t=1/50=0.02（s）。,2019年11月9日星期六,3、正弦交流量的相位、初相位与相位角,正弦交流电是随时间变化的量，它的初始值、变化进程以及多个频率正弦量之间的相互关系，用初相位、相位与相位差来表示。,（1）相位与瞬时值,正弦交流电的表达式为：,（1-38）,2019年11月9日星期六,式中，在不同的时刻t，具有不同的 值，对应不同的正弦交流电的瞬时值。 称为正弦交流电的相位角，简称相位。它的大小表示交流电变化的进程。,（1-38）,2019年11月9日星期六,（2）初相位与初值,t=0时的相位角为正弦量的初相位角，称为初相位，用符号 表示，单位是弧度或度。在式 中， 角就是正弦交流电势t=0时的初相角,下图中电流i1的初相位 , i2的初相角,2019年11月9日星期六,i1,i2,2019年11月9日星期六,初相位的大小决定了正弦量初值的大小，是反映正弦量的初值的重要参数。,正弦交流量的最大值（振幅）、角频率和初相角称为正弦量的三要素。所以，只要掌握正弦交流电的最大值（振幅）、角频率和初相位，就可以确切地表达出正弦交流电的特征。,2019年11月9日星期六,（3）相位差、相位超前与滞后,在交流电路中，用相位差来表示同频率正弦量的相位关系，以区别两者之间在时间上的先后顺序。,若两个同频率的正弦量,（1-39）,（1-40）,2019年11月9日星期六,则它们之间的相位之差称为相位差，用符号表示。即,（1-41）,上式说明，两个同频率正弦交流量的相位差等于其初相位之差，相位差与初相位有关，与计时点和角频率无关。,2019年11月9日星期六,若0，表示相对计时起点t=0而言，u先到达零值（或最大值），i后到达零值（或最大值）；,两者的相互顺序是u超前i一个角，或者i滞后u一个角。,2019年11月9日星期六,在下图中i1超前i2， 。,2019年11月9日星期六,若两个同频率的正弦交流量初相位相等，即 ,叫做同相；初相角相互有1800（弧度）的相位差，即 叫做互为反相。,2019年11月9日星期六,2019年11月9日星期六,4、正弦量的相量表示法,通过上述讨论可知，正弦量可以用瞬时值表达式和波形图表示但是用这两种方法对正弦电路分析和计算就十分复杂，一般采用相量分析法。,在线性交流电路中，若电源的频率一定，则电路中的电压、电流均是以同一频率变化的正弦量，故分析和计算交流电路时，只需要确定幅值和初相位这两个要素就可以了。,2019年11月9日星期六,根据数学可知，复数是由复数的大小（又称复数的模）和复数的幅角两个量来决定的。,如果让复数的大小表示正弦量的幅值（或有效值），复数的幅角表示正弦量的初相角，那么利用这个复数的形式就可以表示正弦量的两个要素了。,2019年11月9日星期六,2019年11月9日星期六,2019年11月9日星期六,2019年11月9日星期六,由于相量表示法的基础是复数，所以进行相量运算时，应依据复数运算规则。,2019年11月9日星期六,二、单相交流电路,用导线把负载（电动机、电热器等）与交流电源连接起来，所组成的电路叫做交流电路。交流电路的负载一般用电阻r、电感l、电容c这三个参数表示。其中：,2019年11月9日星期六,表示电路中消耗电能的参数。电路中的热损耗，通常归结于电阻。由于交流电存在着集肤效应等影响，在交流电路中的电阻一般比在直流电路中要大，并且频率越高越显著。,电阻r ：,2019年11月9日星期六,表示电路中具有存储磁场能量特征负载的参数。电感在交流电流的作用下，会因电磁现象而产生感应电动势。因此，对通过电感的电流起到推迟其变化的阻碍作用。,电感l：,2019年11月9日星期六,表示电路中具有存储电场能量特征负载的参数。由于交流电压的变化，电容要随着外加电压的变化而反复充电、放电。因此，对通过电容两端电压起到推迟其变化的阻碍作用。,电容c：,2019年11月9日星期六,在任何一个交流电路中，r、l、c这三个参数都同时存在，但是在实际电路中，往往可以根据它们效应的强弱，略去其中某一个参数或两个参数。同时，为了计算方便，假定导线上的r、l、c都可忽略不计，把电路中的参数都看成集中参数来分析。,2019年11月9日星期六,1、纯电阻电路,2019年11月9日星期六,（1）电压和电流,纯电阻电路中，电压和电流是同相位的，而且均按正弦规律变化。它们的波形图和相量图如下图：,2019年11月9日星期六,电流与电压的关系为,（1-42）,2019年11月9日星期六,由上式可知，在电阻电路内，电流的有效值等于电压的有效值除以电阻。,（2）有功功率,功率等于电压与电流的乘积。在交流电路中由于电压和电流都是交变量，功率为时间t的函数，称为瞬时功率，用“p”表示。瞬时功率在一个周期内平均值称为平均功率或有功功率，用“p”表示。,2019年11月9日星期六,纯电阻电路的有功功率等于该电路的电压有效值与电流有效值的乘积，单位是w或kw.,p = ui （1-43）,2019年11月9日星期六,例题1-11,有一电压u = 20sint（v）、负载电阻r=4的纯电阻电路。求电路电流的瞬时值、有效值及其有功功率。,解：瞬时电流,电压有效值,电流有效值,有功功率,2019年11月9日星期六,例题1-12,试求：（1）220v/200w灯泡的灯丝电阻是多少？ （2）220v/100w灯泡的灯丝电阻又是多少？,解：因为 所以,（1）220v/200w灯丝电阻,2019年11月9日星期六,（2）220v/100w灯丝电阻,2019年11月9日星期六,2、纯电感电路,电机、变压器等电器设备，就是由许多绕组所组成的，具有一定电感。如果绕组的电阻很小，可以忽略不计时，则由此类电器组成的电路，就可看成是一纯电感电路。纯电感电路实际上是不存在的。我们研究这种电路，主要是了解电感在电路中的作用，为以后研究复杂电路打下理论基础。,2019年11月9日星期六,波形图,2019年11月9日星期六,2019年11月9日星期六,（1）电压有效值和电流有效值,电感电路的电压有效值与电流有效值的比值为,式中l表示电感对交流电电抗作用。简称感抗，以“xl”表示，单位为。即,（1-45）,（1-44）,2019年11月9日星期六,一个电感线圈的感抗，只在一定频率下才是常量，频率越高则感抗越大，这是因为电流的频率越高，即变动越快，则感应电势就越大的缘故。对于恒定的直流来说，频率为零，感抗亦为零，故恒定直流电路中不考虑电感这个参数。电感有短路直流的作用。,2019年11月9日星期六,（2）功率,在纯电感电路中，只有电感与电源间的能量交换，而没有能量消耗，这种电感与电源间的能量交换规律，用无功功率q表示。无功功率的单位称乏（var），其值等于电压与电流有效值的乘积。,（1-46）,2019年11月9日星期六,3、纯电容电路,将电容器接在交流电源上，就组成一电容性电路。如果电路中的电阻很小可以忽略不计时，这个电路叫做纯电容电路，如图所示。,2019年11月9日星期六,2019年11月9日星期六,电压达到0点时，电流达到最大值。,2019年11月9日星期六,（1）电压和电流有效值的关系,纯电容电路电压与电流有效值的比是：,（1-47）,式中， ，表示电容对交流电的电抗作用，简称容抗，以“xc”表示，单位为。即,2019年11月9日星期六,一个电容器的容抗，只在一定频率下才是常量，频率越高则容抗越小，这是因为充、放电进行得越快，在同样电压下单位时间内移动的电荷也越多，以致电流越大的缘故。频率等于零，容抗无穷大，故电容有隔离直流的作用，在直流电路中相当于开路。,2019年11月9日星期六,（2）功率,纯电容与纯电感一样，仅与电源进行能量交换，而没有能量消耗。电容充电，是它吸收电能并将其转换成电场能储存起来；电容放电，是将其储存的电能返还给电源。因此，电容元件本身并不消耗能量，仅与电源交换能量。,2019年11月9日星期六,用无功功率q表示能量交换的规模。其表达式为电压和电流有效值的乘积：,（1-48）,下面的表为纯电阻、纯电感和纯电容交流电路的主要特性比较。,2019年11月9日星期六,电流（设电压 为 ）,三角函数式,2019年11月9日星期六,4、电阻、电感和电容串联的电路,交流输电线可以看作是一个电阻和电感串联的交流电路。当电流通过输电线时，在电阻和电感上都有电压损失。如果输电线比较长，输送功率又比较大，输电线电阻和电感以及输送的电流都比较大，可能使输电线上的电压损失超过允许的限度，使得负荷端的电压过低。为了解决这个问题，可以在电路中串联电容器，叫做串联补偿。这种电路就是电阻、电感、电容串联的电路。,2019年11月9日星期六,电阻、电感和电容串联电路如图所示。当通过电路的电流 i=imsint 时，根据以上对纯电阻电路、纯电感电路及纯电容电路的分析，可知电阻两端产生的电压降与电流同相，有效值为：u = ir,在电感两端产生的电压降，超前于电流900，有效值为： ul= ixl,在电容两端产生的电压降，滞后于电流900，有效值为： uc= ixc,2019年11月9日星期六,2019年11月9日星期六,2019年11月9日星期六,2019年11月9日星期六,2019年11月9日星期六,因为ul与uc相位相差1800，所以总电压的有效值为：,式中,2019年11月9日星期六,“z”的绝对值 叫做电路的总电抗，单位为。它由电阻“r”和电抗“x”两部分组成。三者之间的关系可以通过阻抗三角形来记忆。如图所示。其中电抗部分的大小由xl与xc之差来决定。即,2019年11月9日星期六,由上式可知，r、l、c串联电路总电压u与电流 i 之间的相位差与电路参数有关，在r、l、c电路中：,2019年11月9日星期六,当xlxc时：,，电压超前电流，电路呈现电感电路性质；,，电压滞后电流，电路呈现电容电路性质；,当xlxc时：,电路的电抗部分等于零,故此时阻抗最小（z=r），电流最大，电流与电压同相位，电路呈纯电阻电路性质。,当xl=xc时：,2019年11月9日星期六,r、l、c串联电路计算功率的一般表达式为：,有功功率：,2019年11月9日星期六,无功功率：,在正弦交流电路中，电压有效值与电流有效值的乘积称为视在功率，用符号s表示。,视在功率：,视在功率单位时伏安（va）或千伏安（kva）。其计算公式为：,2019年11月9日星期六,视在功率是表示电气设备额定容量的参数。一般的交流气设备都是根据额定电压和额度电流来设计的，所以其视在功率有一确定的值，又叫设备的容量。例如变压器的容量是用额定电压和额定电流的乘积来表示的。,2019年11月9日星期六,2019年11月9日星期六,上式表明功率因数是一个负荷（如异步电动机）所需要的有功功率和视在功率的比值。如，电灯、电炉的功率因数 ，说明它们只消耗有功功率。异步电动机的功率因数比较低，一般在0.70.85左右，说明它们需要一定数量的无功功率。,2019年11月9日星期六,因此，对发电厂来说，就必须在输出有功功率的同时也输出无功功率。在输出功率中，有功功率和无功功率个占多少，不是决定于发电机，而是取决于负荷的需要，即取决于负荷的功率因数。如果负荷功率因数过低，就表示在输出功率中，无功功率的比例很大，这对于电力系统的运行是很不利的。,2019年11月9日星期六,例题1-13,在rc串联电路中，交流电压的有效值为50v，已知电阻r=20，容抗xc=15，求电路中电流和各元件的电压。,2019年11月9日星期六,总电流,电阻上的电压,电容上的电压,2019年11月9日星期六,例题1-14,已知电容、电感组成串联电路，电感中的电阻为r=250,l=