电工基础_交流电

1、复旦大学电工基础知识培训主讲教师：吴洪兵电子信息系晋城市高级技工学校电磁现象电现象的发现：公元前585年：古希腊泰勒斯第一次记载电现象；公元3世纪中国人（晋朝）记载：今人梳头，解着衣，有随梳解者，有光者，亦有喧声。晋城市高级技工学校磁现象的认识：中国四大发明之一：指南针，当时称为司南。 “方家以磁石磨针锋，则能方家以磁石磨针锋，则能指南，然常微偏东，不全南也。”梦溪笔谈梦溪笔谈(宋，沈括宋，沈括)晋城市高级技工学校电与磁的统一：电流的磁效应1820年4月，丹麦物理学家奥斯特通过实验，验证了通电导体周围存在磁场。晋城市高级技工学校“有史以来最伟大的实有史以来最伟大的实 验物理学家”. 法拉第法拉

2、第晋城市高级技工学校1831年，法拉第报告了电磁感应产生电流的实验，奠定了感应电流的基础。 晋城市高级技工学校 说明：将一条形磁铁放置在线圈中，当其静止时，检流计的指针不偏转，但其迅速插入或拔出时，检流计的指针会发生偏转，说明线圈中有电流，这种利用磁场产生电流的现象叫做电磁感应现象，产生的电流称为感应电流，产生的感应电动势称为感应电动势。晋城市高级技工学校交流电：大小和方向都周期性变化，在一个周期上的函数平均值为0.正弦交流电：按正弦规律变化的交流电。一、单相交流电晋城市高级技工学校晋城市高级技工学校交流电的周期、频率、角速度晋城市高级技工学校各国常见频率值：有线通信频率：300 5 000

3、Hz；中国 和欧洲国家 50 Hz，美国 、日本 60 Hz各国电网频率： 高频加热设备频率：200 kHz 300 kHz。 无线通讯频率：30 kHz 3104 MHz晋城市高级技工学校交流电的产生：交流电的产生：发电机产生的电压大小随线圈位置变化晋城市高级技工学校发电机产生的电压大小随线圈位置变化，这个位置电压最大。晋城市高级技工学校发电机产生的电压大小随线圈位置变化晋城市高级技工学校 i i = = I Im msinsin( (tt + +) )晋城市高级技工学校单项交流电路重要参数的计算单项交流电路重要参数的计算(1) 波形图 (2) 大小关系 U = R I Um = R Im

4、tOiuU I (3) 相量关系：晋城市高级技工学校(2) 平均功率 (有功功率):= U I (1cos2t) p dtP =T10T= U I (W) (1) 瞬时功率 p = ui = Um sint Im sint = Um Im sin2t 2.功率关系p0 耗能元件。p 与 u2 和 i2 成比例。O tp uiP晋城市高级技工学校(1) 频率关系: 同频率的正弦量;(2) 大小关系: Um =L Im U =L I 感抗 : XL =L = U / I U = XL I(3) 相位关系: u = i + 90 (4) 相量关系：1.电压、电流 的关系二.纯电感电路(5) 波形图:

5、(6) 相量图：U = U则：90I = I 0如 ：U = j XL I晋城市高级技工学校晋城市高级技工学校 例3.3.3 有一电感器,电阻可忽略不计,电感 L = 0.2 H。把它接到 220 V工频交流电源上工作，求电感的电流和无功功率？若改接到 100 V 的另一交流电源上，测得电流为 0.8 A，此电源的频率是多少？解:(1) 接到 220 V工频交流电源时XL = 2f L = 62.8 U22062.8XLI =A = 3.5 AQ = U I = 203.5 var = 770 var (2) 接到100 V 交流电源时XL2Lf = 100 Hz100U0.8IXL= 125

6、 晋城市高级技工学校三三. .纯电容电路纯电容电路晋城市高级技工学校(1) 瞬时功率: p0 电容储存电场能量(电能电场能量) p0 电容释放电场能量(电场能量电能)Q = U I = XC I 2(3) 无功功率:U 2XC=(var)2.功率关系(2) 平均功率(有功功率) P = 0p = U I sin2t晋城市高级技工学校 例 3.3.2 今有一只 47 F 的额定电压为 20 V 的无极性电容器，试问：(1) 能否接到 20 V 的交流电源上工作；(2) 将两只这样的电容器串联后接于工频 20 V 的交流电源上，电路的电流和无功功率是多少？(3) 将两只这样的电容器并联后接于1 0

7、00 Hz 的交流电源上，电路的电流和无功功率又是多少？解:故不可以接到 20 V 的交流电上。2 U = 1.41420 V = 28.8 VUm =(1) (2)C1 C2C1 + C2C = 23.5 FQ = U I = 200.15 var = 3 var 12f CXC = = 135.5 20U所以:135.5XCI =A = 0.15 A晋城市高级技工学校二、三相交流电源二、三相交流电源 三相交流电是交流电源的一种供电方式，和单相交流电相比，三相交流电具有以下优点： 一、三相发电机比体积相同的单相发电机输出的功率大。 二、三相发电机的结构简单，稍比单项发电机复杂，而使用、维护都

8、比较方便，且运转时比单相发电机的振动小。 三、在同样条件下输送同样大的功率时，特别是在远距离输电时，三相输电比单相输电节约材料。 因此，目前电能的产生、输送和分配几乎都采用三相交因此，目前电能的产生、输送和分配几乎都采用三相交流电，当有单相负载时，可以使用三相交流电中的任何一流电，当有单相负载时，可以使用三相交流电中的任何一相。相。 晋城市高级技工学校 目前电力工程上普遍采用目前电力工程上普遍采用由三个幅值相等、频由三个幅值相等、频率相同（率相同（我国电网频率为我国电网频率为50HZ50HZ），彼此之间相位互差），彼此之间相位互差120120o o的正弦电的正弦电压所组成的供电相系统。压所组成

9、的供电相系统。 在发电方面在发电方面：三相交流发电机比相同尺寸的单相交流发电机：三相交流发电机比相同尺寸的单相交流发电机容量大。容量大。 在输电方面在输电方面：如果以同样电压将同样大小的功率输送到同样：如果以同样电压将同样大小的功率输送到同样距离，三相输电线比单相输电线节省材料。距离，三相输电线比单相输电线节省材料。 在用电设备方面在用电设备方面：三相交流电动机比单相电动机结构简单、：三相交流电动机比单相电动机结构简单、体积小、运行特性好等等。因而三相制是目前世界各国的主要供电体积小、运行特性好等等。因而三相制是目前世界各国的主要供电方式。方式。三相电的优越性：三相电的优越性：晋城市高级技工学

10、校（是转动的，亦称（是转动的，亦称）（是固定的，亦称（是固定的，亦称）：定子铁心内圆周表面）：定子铁心内圆周表面 有槽，放入三相电枢绕组。有槽，放入三相电枢绕组。n+SN绕组+SN+SN+SN+SN+SN+SN+SN2L2L 3L3L 1L1L 三相绕组的三相电动势幅值相等三相绕组的三相电动势幅值相等, , 频率相同频率相同, , 彼此之间相位相差彼此之间相位相差120120。晋城市高级技工学校 三相交流电动势是由三相交流发电机产生，上图所示为三相交流发电机的示意图，它主要由转子和定子组成。转子式电磁铁，其磁极表面的磁场按正弦规律分布。定子铁心中嵌放三个在尺寸、匝数和绕法上完全相同的线圈绕组，

11、三相绕组始端分别用U1、V1、W1表示，末端用U2、V2、W2表示，分别成为U相、V相、W相，三个绕组在空间位置上彼此相隔120度。 当转子在原动机带动下以角速度作逆时针匀速转动时，三相定子绕组一次切割磁感线，产生三个对称的正弦交流电动势，其解析式为：晋城市高级技工学校U、V、W的波形图和向量图：的波形图和向量图：晋城市高级技工学校 三个电动势到达最大值（或零）的先后顺序称为相序，如果按UVWU的次序循环为正序；按UWVU的次序循环则为负序而且规定每相电动势的正方向是从线圈的末端指向始端。 根据三相对称交流电动势的向量图判断：晋城市高级技工学校三相电源的连接方式：三相电源的连接方式：uab=

12、ua - ububc =ub - uc uca = uc - ua相电压：线电压：线电压：ua=Umcostub=Umcon(t 120o)uc=Umcon(t +120o)图2-46 三相四线制AUA（黄）EANUABNBC（黑）（绿）（红）UCAUBCECEBUCUB晋城市高级技工学校 三相绕组末端相连的一点称中点或零点，一般用“N”表示。 从中点引出的线叫中性线（简称中线），由于中线一般与大地相连，通常又称为地线（或零线）。 从首端Ua、Ub、Uc引出的三根导线称相线（或端线）。由于它与大地之间有一定的电位差，一般通称火线。 由三根火线和一根地线所组成的输电方式称三相四线制。晋城市高级技

13、工学校相电压与线电压的关系300300300Uc.Ua.Ub.Uab.Ubc.Uca.晋城市高级技工学校 一般低压供电的线电压是380V, 它的相电压是 负载可根据额定电压决定其接法: 若负载额定电压是380 V, 就接在两根端线之间; 若额定电压是220V, 就接在端线和中线之间。必须注意: 不加说明的三相电源和三相负载的额定电压都是指线电压。 V2203/380晋城市高级技工学校 在三相四线制供电系统中,把零线的两个作用分开,即一根线做工作零线(N),另外用一根线专做保护零线(PE),这样的供电结线方式称为三相五线制供电方式.三相五线制包括三根相线、一根工作零线、一根保护零线.三相五线制的

14、接线方式如下图所示. 三相五线制：三相五线制：晋城市高级技工学校 在三相四线制供电中由于三相负载不平衡时和低压电网的零线过长且阻抗过大时，零线将有零序电流通过，过长的低压电网，由于环境恶化，导线老化、受潮等因素，导线的漏电电流通过零线形成闭合回路，致使零线也带一定的电位，这对安全运行十分不利。在零干线断线的特殊情况下,断线以后的单相设备和所有保护接零的设备产生危险的电压，这是不允许的。 如采用三相五线制供电方式，用电设备上所连接的工作零线N和保护零线PE是分别敷设的，工作零线上的电位不能传递到用电设备的外壳上，这样就能有效隔离了三相四线制供电方式所造成的危险电压,使用电设备外壳上电位始终处在“

15、地”电位，从而消除了设备产生危险电压的隐患。引入五线制的原因：引入五线制的原因：晋城市高级技工学校负载的连接方式：负载的连接方式：交流电路中的用电设备，大体可分为两类：交流电路中的用电设备，大体可分为两类： 一类一类是需要接在三相电源上才能正常工作的叫做是需要接在三相电源上才能正常工作的叫做三相负载三相负载,如果每相负如果每相负载的阻抗值和阻抗角完全相等，则为载的阻抗值和阻抗角完全相等，则为，如，如。 另一类另一类是只需是只需接单相电源的负载接单相电源的负载，它们可以按照需要接在三相电源的，它们可以按照需要接在三相电源的任意一相相电压或线电压上。对于电源来说它们也组成三相负载，但各相任意一相相

16、电压或线电压上。对于电源来说它们也组成三相负载，但各相的复阻抗一般不相等，所以不是三相对称负载。如的复阻抗一般不相等，所以不是三相对称负载。如晋城市高级技工学校UCICUABUCAABCUBCcUAUBIBaNNUaZaIaIAbIcUcUbIbZcZb图2-49 负载星形联接的三相四线制电路负载的负载的Y形连接：形连接：晋城市高级技工学校 目前在低压供电系统中多数采用三相四线制供电，如上图所示，三相四线制是把发电机三个线圈的末端连接在一起，称为一个公共点（称为中性点），用符号N表示，从中性点引出的输出电线称为中性线，简称中线。中线通常与大地相连，并把接地的中性点称为零点。而把接地的中性线称为

17、零线。工程上，零线或中线所用导线一般用黄绿相间色表示。 三相四线制中，端线与端线之间的电压称为线电压，端线与中线之间的电压称为相电压，相电压一般为220V，线电压为380V。晋城市高级技工学校CcCcCCcBbBbBBbAAAAaAaAAAZUZUIIZUZUIIZUZUZUII.1,;IIiiiiiipCcBbAa或晋城市高级技工学校CBANIIII.0.CBANIIII3晋城市高级技工学校 如果三相负载对称如果三相负载对称, , 中线中无电流中线中无电流, , 故可将中线除去故可将中线除去, , 而成为三而成为三相三线制系统。相三线制系统。 如果三相负载不对称如果三相负载不对称, , 中线

18、上就有电流中线上就有电流I IN N通过通过, , 此时中线是不能此时中线是不能被除去的被除去的, , 否则电气设备不能正常工作。否则电气设备不能正常工作。晋城市高级技工学校C三相四线制三相四线制380/220380/220伏伏 额定相电压为额定相电压为220伏的单相负载伏的单相负载 额定线电压为额定线电压为380伏的三相负载伏的三相负载晋城市高级技工学校1)负载端的线电压电源线电压2)负载的相电压电源相电压PL3UUPLII Y 联结时：联结时：CBANIIII 3)中线电流CCCBBBAAA ZUIZUIZUI AIBICINIaI+ZBZCZAAUBUCU+ 晋城市高级技工学校负载对称时

19、,中性线无电流,可省掉中性线。0CBAN IIII中中线线电电流流CBAZZZ 因因为为三三相相电电压压对对称称，且且所以负载对称时，三相电流也对称。 负载对称时，只需计算一相电流，其它两相电流可根据对称性直接写出。AIBICINI+ZBZCZAAUBUCU+ A15010A9010 A3010CBA III可可知知：如如：晋城市高级技工学校 C (1) A相短路:中性线断开时，求各相负载电压。 (2) A相断路: 中性线未断时，求各相负载电压； (3) A相断路: 中性线断开时，求各相负载电压。晋城市高级技工学校 此时负载中性点此时负载中性点V380V380ACBABCUUUU C+AU B

20、U CU 解：解：晋城市高级技工学校 B、C相灯仍承受相灯仍承受220V电压电压, 正常工作。正常工作。A7 .120210380CBBC RRUIV127107 .12BB IR UV254207 .12CC IR UIBC+ C晋城市高级技工学校 照明负载三相不对称，必须采用三相四线制供电方式，且中性线（指干线）内不允许接熔断器或刀闸开关。 晋城市高级技工学校 例2：某大楼电灯发生故障，第二层楼和第三层楼所有电灯都突然暗下来，而第一层楼电灯亮度不变，试问这是什么原因？这楼的电灯是如何联接的？同时发现，第三层楼的电灯比第二层楼的电灯还暗些，这又是什么原因？解: (1) 本系统供电线路图三三层

21、层二层二层CU+一层一层晋城市高级技工学校 (2) 当P处断开时，二、三层楼的灯串联接380V 电压，所以亮度变暗，但一层楼的灯仍承受220V电压亮度不变。(3) 因为三楼灯多于二楼灯即 , 分压小，所以三楼灯比二楼灯暗。解：(1)本系统供电线路图P 三层三层二层二层一层一层CU+晋城市高级技工学校负载的三角连接：负载的三角连接：UABUCAUBCUb cUcaZABIabUabZCAZBCIcaIbcIBabcABCIAIC图2-53负载三角形联接晋城市高级技工学校CAcaBCbcababUUUUUU. 由图 2 - 53可见, 不论负载对称与否, 负载的相电压总是对称的。 1UUP晋城市高

22、级技工学校CACACACACACABCBCBCBCBCBCABABABABABABABABABZUZUIZUZUIZUZUZUICACACABCBCBCABABABRXRXRXarctan,arctan,arctan晋城市高级技工学校RXzUIIIICABCABPPCABCABarctan3PII31晋城市高级技工学校图2-55负载三角形联接时的相量图(a)ICAIBCIABUABUCAUBCABCA(b)ICAIBCIABUABUCAUBCBC晋城市高级技工学校三相负载采用何种联接方式由三相负载采用何种联接方式由决定。决定。当负载额定电压等于电源当负载额定电压等于电源电压时采用电压时采用联接

23、；联接；当负载额定电压等于电源当负载额定电压等于电源电压时采用电压时采用联接。联接。晋城市高级技工学校三、保护接地和保护接零三、保护接地和保护接零 电力系统和电气装置的中性点，电气设备的外露导电部分通过导体与大地相连称为。接地的目的：一是保证人身安全，使人可能接触到的设备外露导电部分的电位基本降低到接近地电位，当人触及这些部位时，即使这些部位带电，因其电位与地电位基本接近，可以减少电击危险。二是保证电力系统正常、稳定运行。由接了地的变压器和发电机中性点引出的中性线称线。电器设备的某部分直接与线相连接叫作保护接零。保护接零也能起到与接地相似的安全保护作用晋城市高级技工学校保护接地的原理 在中性点不接地系统