交流电路基础及应用

1、5-15-1交流电的交流电的基本概念基本概念o一一. .什么是交流电什么是交流电o 交流电的方向随着时间的变化而变化交流电的方向随着时间的变化而变化. .o （电压的大小和方向都不随时间的变化而变化的电流称为稳恒直流电.）o 家庭电源插座上电压的波形,电压的大小和方向按正弦规律变化,所以称为正弦交流电正弦交流电.o二、交流电的产生二、交流电的产生 交流电可以由交流发电机提供，也可由交流发电交流电可以由交流发电机提供，也可由交流发电 机提供机提供. .也也可由震荡器产生可由震荡器产生. . 交流发电机交流发电机主要用于提供电能主要用于提供电能. . 震荡器震荡器主要用于产生各种交流信号主要用于产

2、生各种交流信号. . o瞬时值表达式o也称解析式o三、正弦交流电的周期、频率和角频率三、正弦交流电的周期、频率和角频率o四、正弦交流电的最大值、有效值和平均值四、正弦交流电的最大值、有效值和平均值. .o五、正弦交流电的相位与相位差五、正弦交流电的相位与相位差 5-2 5-2 正弦交流电的正弦交流电的相量图表示法相量图表示法o应用相量图时注意以下几点应用相量图时注意以下几点 ：o1、同一相量图中，各正弦交流电的频率应相同o2、同一相量图中，相同单位的相量应按相同比例画出o3、一般取直角坐标轴的水平正方向为参考方向逆时针转动的角度为正，反之为负。5-3 5-3 纯电阻电路o交流电路中如果只需考虑

3、电阻的作用这种电路称为交流电路中如果只需考虑电阻的作用这种电路称为纯电阻电路纯电阻电路 ( (如如白炽白炽灯灯, ,卤钨灯卤钨灯, ,电暖气电暖气, ,工业电阻炉工业电阻炉等的电路都可近似的看成是纯电阻电路等的电路都可近似的看成是纯电阻电路) ) o一、一、 电流与电压的相位关系电流与电压的相位关系 oi io在正弦电压的作用下电阻中通过的电流也是一个在正弦电压的作用下电阻中通过的电流也是一个同频率同频率的正弦的正弦交流电流且与加在电阻两旁的电压交流电流且与加在电阻两旁的电压同相位同相位. .RtRumUsino二、电流与电压的数量关系二、电流与电压的数量关系o 通过电阻的最大电流o同时除以得

4、：RUIRUmmI2o三、三、 功率功率 在任意瞬间电阻中电流瞬间值与同一瞬间的电阻两端电压的瞬间值的乘积，在任意瞬间电阻中电流瞬间值与同一瞬间的电阻两端电压的瞬间值的乘积，称为电阻获取的瞬间功率，用表示，即称为电阻获取的瞬间功率，用表示，即 RPtRUuiPmR22sino结论：结论： o 电阻总是要消耗功率因此 电阻是一种耗能元件 o通常用电阻在交流电一个周期内消耗的功率的平均值来表示功率的大小叫做平均功率.平均功率又称为有功功率,用P表示,单位仍是W 5-4 5-4 纯电感电路纯电感电路o一、电感对交电流的阻碍作用一、电感对交电流的阻碍作用o电感的感抗与频率的关系可以概括为：o 通直流，

5、阻交流，通低频，通直流，阻交流，通低频， 阻高频阻高频。o因此电容也被称为低通元件低通元件o二、电流与电压的关系二、电流与电压的关系o 由电阻很小的电感线圈组成的交流电路由电阻很小的电感线圈组成的交流电路, ,可以近似地看做是可以近似地看做是纯纯电感电路电感电路 o 在纯电感电路中，电流与电压成正比在纯电感电路中，电流与电压成正比, ,与感抗成反比，即与感抗成反比，即o o LXUIo感抗只是电压与电流最大感抗只是电压与电流最大值的比值，而不是电压与值的比值，而不是电压与电流瞬时值的比值，电流瞬时值的比值，Xl= Xl= 这是因为这是因为u u和和i i的相位不同的相位不同o三三 、功率、功率

6、o 纯电感电路不消耗能量纯电感电路不消耗能量, ,电感是一种电感是一种储能元件储能元件o 不同的电感与电源转换能量的多少也不同不同的电感与电源转换能量的多少也不同. .通常用瞬时功率的最大值来反映电感与电源通常用瞬时功率的最大值来反映电感与电源之间转换能量的规模，称为之间转换能量的规模，称为无功功率无功功率 用用 表示表示. .单位名称是乏，用符号单位名称是乏，用符号VarVar。o LQLLLLLXUXIIUQ22o无功功率并不是无功功率并不是“无用功率无用功率”，“无无功功”两字的含义是说它没有被消耗掉。两字的含义是说它没有被消耗掉。实际上许多具有电感性质的电动机变实际上许多具有电感性质的

7、电动机变压器等设备都是根据电磁转换原理利压器等设备都是根据电磁转换原理利用无功功率而工作的。用无功功率而工作的。 5-5 5-5 纯电容电路纯电容电路一、电容对交流电的阻碍作用一、电容对交流电的阻碍作用 电容器对交流电的阻碍作用叫做容抗，用Xc表示，单位。o电容的容抗与频率的关系可以概括为：o 隔直流，通交流，阻低频，隔直流，通交流，阻低频，通高频通高频。o因此电容也被称为高通元件高通元件o容抗的大小与那些因素有关：容抗的大小与那些因素有关：o（1 1）电容器的电容量越大，容抗越小。）电容器的电容量越大，容抗越小。o（2 2）交流电的频率越高，电容器的容量）交流电的频率越高，电容器的容量 越小

8、。越小。 计算式为：计算式为：fCCXC211二、电流与电压关系二、电流与电压关系o把电容器接到交流电源上，如果电容器的电阻和分把电容器接到交流电源上，如果电容器的电阻和分布电感可以忽略不计，可以把这种电路近似的看成布电感可以忽略不计，可以把这种电路近似的看成是是纯电容电路纯电容电路o在纯电感电路中，电流与电压成正在纯电感电路中，电流与电压成正比，与容抗成反比，即比，与容抗成反比，即o（这就是纯电容电路欧姆定律表达式。）（这就是纯电容电路欧姆定律表达式。）o设电压设电压 为参考正弦量，电流为参考正弦量，电流i i的瞬的瞬时值表达式为时值表达式为CXUItucCio三、功率三、功率o纯电容电路无

9、功功率为：CCCXUXIUIQ22容量为40F的电容接在 的电源上，试求：（1）电容的电抗（2）电流的有效值（3）电流的瞬时值表达式（4）电路的无功率Vtu)6314sin(22205-6 RLC5-6 RLC串联电路串联电路一、电压与电流关系oRLCRLC串联电路的总电压瞬时值等于多个元件上电压瞬串联电路的总电压瞬时值等于多个元件上电压瞬时值之和，即时值之和，即CLRuuuu二、电路的电感性、电容性、和电阻性o1、电感性电路o 当 时，则 阻抗角0,电路程电感性，电压超前电流 角。o2、电容性电路o 当 时，则 阻抗角0,电路程电容性，电压滞后电流 角。o3、电阻性电路o当 时，则 阻抗角0

10、,电路程电容性，电压滞后电流 角。CLXX CLUUCLXX CLUU CLXXCLUU 三、功率o在RLC串联电路中，只有电阻是消耗功率的，所以在RLC串联电路中的有功功率就是电阻上所消耗的功率，即o电路的无功功率为电感和电容上的无功功率之差即o o cosUIIUPRsin)(UIIUUQQQCLCLo电压与电流的有效值的乘积定义为电压与电流的有效值的乘积定义为视在功率视在功率，用用S S表示，单位为表示，单位为伏伏安（安（VAVA）。o视在功率视在功率S S与有功功率与有功功率P P和无功功率和无功功率Q Q的关系的关系为：为：o式中式中 ，称为，称为功率因数功率因数。sincos22S

11、QSPQPSSPcos 三相交流电路三相交流电路 现代电力工程上几乎都采用三相四线制。三相交流供电系统在发电、输电和配电方面较单相供电具有很多不可比拟的优点，主要表现在： 1.三相电机产生的有功功率为恒定值，因此电机的稳定性好。 2.三相交流电的产生与传输比较经济。 3.三相负载和单相负载相比，容量相同情况下体积要小得多。 由于上述优点，使三相供电在生产和生活中得到了极其广泛的应用。 三相定子绕组对称嵌放在定子铁心槽中。定子铁心)120sin()120sin(sinmCmBmAtEetEetEe尾端： X Y Z 三相交流电是由三相发电机产生的。发电机主要由定子和转子两大部分构成。定子绕组首端

12、： A B C转子铁心转子绕组转子绕组通电后产生磁场。转轴NS 三相定子绕组与旋转磁场相切割，感应对称三相电动势。 原动机带动转子绕轴旋转，形成气隙旋转磁场。 电路分析中很少用电动势，通常用电压来表示。以A相绕组的感应电压为参考正弦量，则发电机感应的对三相电压分别为：)120sin()120sin(sinmCmBmAtUutUutUu 1. 对称三相交流电的特点u0Tt120UB120 120三相电源Y接时的三个相电压显然是对称的！2. 三相电源的星形（Y）连接方式uAuBuC三相电源尾端连在一起三相电源首端分别向外引出端线，俗称火线。尾端公共点向外引出的导线称为中线，中线俗称零线。显然火线与

13、零线之间的电压等于发电机绕组的三相感应电压相电压 火线与火线之间的电压称为线电压。uABuBCuCA三相电源绕组作Y形连接时，可以向负载提供两种 电压。此种供电系统称为三相四线制。 数量上，线电压uAB是相电压uA的1.732倍；相位上，线电压超前与其相对应的相电压30电角！三相电源Y接时线、相电压之间的关系三个相电压对称电源的中性点总是接地的，因此相电压在数值上等于各相绕组首端电位。线电压与相电压之间的关系UB120120 120ACCACBBCBAABUUUUUUUUU电压等于两点电位之差-UB30AABAAB330cos21UUUU可得同理可得显然，电源Y接时的三个线电压也是对称的！UC

14、-30UA-303. 三相电源的三角形（）连接方式显然发电机绕组作接时只能向负载提供一种电压！三相电源首尾相接构成闭环在电源的三个连接点处分别外引三根火线。 显然，电源绕组作接时，线电压等于发电机绕组的三相感应电压。 发电机三相绕组作接时，不允许首尾端接反！否则将在三角形环路中引起大电流而致使电源过热烧损。uABuBCuCA三相电源绕组作接时，线电压等于电源绕组的感应电压。此种供电系统称为三相三线制。通常电源绕组的连接方式为星形。uAuCuB相线UU30 3plUU日常生活与工农业生产中，多数用户的电压等级为:V220 V380PlUU、V127 V220PlUU、 三相电源绕组连接成Y接方式

15、的最大优越性就是可向负载提供两种不同的电压，且其中线电压是发电机一相绕组感应电压的1.732倍！ 三相四线制供电系统两种电压一般表示为或验电笔的正确握法如下图示你能说出对称你能说出对称三相交流电的三相交流电的特征吗？特征吗？三相四线制供电体制三相四线制供电体制中，你能说出线、相中，你能说出线、相电压之间的数量关系电压之间的数量关系及相位关系吗？及相位关系吗？ 如何用验电笔或如何用验电笔或400V400V以上以上的交流电压表测出三相四线制的交流电压表测出三相四线制供电线路上的火线和零线？供电线路上的火线和零线？电笔头与被测导线接触时，使氖管发光的是火线，不发光的是零线。 利用一块电压表的测利用一

16、块电压表的测量，你能正确判断出火量，你能正确判断出火线和零线吗？线和零线吗？ 三相负载也有Y形和形两种连接方式。1. 三相负载的Y形连接Z NZZiA线电流由连接方式决定了相电流plIIYYuAuBuCY接时负载端电压等于电源相电压(1)对称三相负载满足ZZZZCBA称为对称三相负载。0CBANIIIIY接对称三相负载中通过的电流CCCBBBAAAZ Z ZUIUIUI；iNY接对称三相电流对称，因此 对称负载Y接时，由于中线电流为零，中线不起作用，可以拿掉！ 电源线电压为380V，对称三相负载Y接，Z=3+j4，求：各相负载中的电流及中线电流。 V220732. 13803lpUU设V022

17、0AUV120220BUV120220CU1 .53543jZA1 .53441 .5350220AAZUI根据对称关系：A1 .17344BIA9 .6644CI 对称三相电路的计算可归结为一相电路计算，其它两相根据对称关系可直接写出。0CBANIIII则有解得中线电流实用中，三相电动机、变压器等都是对称三相负载。已知电源线电压为380V。三相Y接照明负载均为“220V、40W”白炽灯50盏，求：U相开路，V相开25盏，W相灯全开时各相电流及中线电流。 (2)不对称三相负载CBAZZZ时，称之为不对称三相负载。 求解不对称三相负载电路时，只要电路中有中线，就可把各相按照单相电路的分析方法分别

18、计算，注意此时中线电流不等于零！U相开路相当于断路，有中线，V相和W相正常工作，电流分别为：照明电路A09. 92205040 A54. 42202540WVII，0UIUB 显然，中线保证了Y接不对称三相负载的相电压平衡。有了中线，各相情况互不影响。VIWINIA15088. 794. 382. 6)93. 387. 7()55. 427. 2()87. 755. 4()93. 327. 2(12009. 912054. 4NjjjjI中线电流由相量图分析 上述照明电路若中线因故断开，且发生：(1)一相断路；(2)一相短路；情况又如何？ (1)无中线一相断路时，其余两相相当于串联接于380V

19、线电压上：V127 V2532 .244 .484 .48380WVUU，2 .2450402204 .4825402202W2VRRV相、，W相均不能正常工作！(2)无中线一相短路时； 此时，V相和W相均通过短路相分别形成回路，各相端电压为380V，高于额定电压220V，显然都会被烧损。 负载不对称而又没有中线时，负载上可能得到大小不等的电压，当有的超过用电设备的额定电压时，可能烧损或减少使用寿命；而有的达不到额定电压不能正常工作。如前面所讲到的照明电路，由于中线断开且一相发生故障，由此造成各相负载的不对称。换句话讲，如果有中线，当一相发生故障时，其它无故障负载相仍能正常工作。因此，对通常工

20、作在不对称情况下的三相电路而言，中线绝对不允许断开！而且必须保证中线可靠。为确保中线在运行中不断开，中线上不允许安装保险丝和开关。2. 负载的形连接线电流三相负载首尾相接构成一个闭环，相电流)(CAABCAABAIIIII对三个结点列KCL方程可得：相量图分析Z Z ZCACABCBCABABUIUIUI； 接时负载的端电压等于电源线电压。由于三个线电压对称，因此三个相电流对称。ZZZiA由三个联结点分别向外引出端线。iABiBiCiBCiCA)(ABBCABBCBIIIII)(BCCABCCACIIIII(1)三相负载对称时-IBCIAICA-IBIAB-IC30 3030观察相量图可得：u

21、ABuBCuCA -IBCIAICA-IBIAB-IC303ABAII即：线、相电流的数量关系为：303BCBII303CACII相位上，线电流滞后相电流30。plII3(2)三相负载不对称时各相电流分别计算：CACACABCBCBCABABABZ Z ZUIUIUI；线、相电流之间不再有 倍的关系3BCCACABBCBCAABA IIIIIIIII；应根据分别计算。ZBCZABZCA指出图中各电指出图中各电表的读数。表的读数。某设备采用三相三线某设备采用三相三线制供电。当因故断掉制供电。当因故断掉一相时，能否认为是一相时，能否认为是两相供电了？两相供电了？ 三相照明电路如图示，如果中三相照明

22、电路如图示，如果中线在线在处断开，各相灯泡是否还处断开，各相灯泡是否还有电流通过？如果有电流通过时有电流通过？如果有电流通过时，各相灯负载还能正常发，各相灯负载还能正常发 光吗？光吗？为什么照明电路中为什么照明电路中一定要火线进开关？一定要火线进开关？ABCNS（b）V2 101010ABCA1 A2 V1 AN（a）101010BC V A2 A3 A1 V1 复习单相交流电路功率：1. 三相电路的功率 三相电路对称时，各种功率分别为：UISUIQUIP sin ,cos，)VA(33)Var(sin3sin3)W(cos3cos3PPPPPPIUIUSIUIUQIUIUPllllll 三相

23、电路不对称时，各种功率分别为：)VA( )()Var( )W( 2CL2321321QQPSQQQQPPPP其中容性Q为负值和连接方法和连接方法有无关系？有无关系？Y接时PP 3IIUUll，接时PP3 IIUUll，如何用两个瓦特表测三相电路的功率？W1W2ABCM3AIBICI 二瓦计法只适用于对称三相电路的功率测量。对于不对称三相电路的功率，应按照单相电路功率的测量方法，即逐个测量每一相功率。其中:)30cos( )30cos(BBC2AAC1IUPIUP，2.发配电概况 电能是由发电厂产生，通过输电线作远距离或近距离的输送。电力生产的过程，就是利用水能、煤、核能、风能等一次能源转化为效

24、率高、易传输、适用面广的电能，由于电能是由一次能源经人类加工而得到的，因此把电能称为二次能源。输 电 线 路电 能用 户电 力 网电 力 系 统发 电 机升 压 变 压 器降 压 变 压 器 电力系统中发电机、变压器、电力线路和用电设备等的投入和撤除都是在一瞬间完成的，所以，电力系统中电能的生产、 输送、 分配和消费是同时进行的。 利用燃煤(或石油、天然气)燃烧使汽轮机转动。 生产过程： 利用水的流量和落差使水轮机转动。 (1)电流对人体的危害3.安全用电当人体触及带电体承受过高的电压而导致死亡或局部受伤 的现象。触电依伤害程度不同可分为电击和电伤两种。指电流触及人体而使内部器官受到损害，它是

25、最危险的触 电事故。当电流通过人体时， 轻者使人体肌肉痉挛，产生 麻电感觉，重者会造成呼吸困难，心脏麻痹，甚至导致死 亡。 电击多发生在对地电压为220 V的低压线路或带电设备 上，因为这些带电体是人们日常工作和生活中易接触到的。由于电流的热效应、化学效应、机械效应以及在电流的作 用下使熔化或蒸发的金属微粒等侵入人体皮肤，使皮肤局 部发红、起泡、烧焦或组织破坏，严重时更能危及人命。 电伤多发生在1000 V及1000 V以上的高压带电体上。(2)伤害程度与电流强度之间的关系 对于工频交流电，按照人体对所通过大小不同的电流所呈现的反应，通常可将电流划分为三级。感知电流感知电流引起感觉的最小电流引

26、起感觉的最小电流1.1mA1.1mA0.7mA0.7mA摆脱电流摆脱电流人触电后能自主摆脱电源的最大电人触电后能自主摆脱电源的最大电流流 9mA9mA6mA6mA致命电流致命电流在较短时间内引起心室颤动、危及在较短时间内引起心室颤动、危及生命的电流生命的电流 与通电时间有与通电时间有关关 缺乏电气安全常识；违反操作规程；设备不合格；维修维护不及时；偶然因素等。 如果触电地点附近有电源，可立即断开开关、拔下插头或熔断器等。 如果事故现场离电源太远，可用有绝缘柄的电工钳或有干燥木柄的斧头切断电线。对于低压触电事故： 当电线搭接在触电者身上或被压在身下时，可使用非导电体，如木棒、竹竿、塑料棍等，去拨

27、开电源。应立即电话通知有关部门停电。 带上绝缘手套，穿上绝缘靴，用相应电压等级的绝缘工具拉开高压开关 抛掷裸金属导线使线路短路、接地，迫使保护装置动作，断开电源。 （1）救护人不可直接用手或其他导电及潮湿的物件作为救护工具，必须使用适当的绝缘工具。 （2）要防止触电者脱离电源后可能的摔伤。3. 人体触电的形式 在人体与大地之间互不绝缘情况下，人体的某一部位触及到三相电源线中的任意一根导线，电流从带电导线经过人体流入大地而造成的触电伤害。单相触电又可分为中性线接地和中性线不接地两种情况。 左图为中性点接地系统的单相触电； 右图为中性点不接地系统的单相触电。火线零线 电流通过人体的心脏，肺部、和中

28、枢神经系统的危险性比较大，特别是电流通过心脏时危险最大。所以从手到脚的电流途径最为危险。 在两相触电，也叫相间触电，这是指在人体与大地绝缘的情况下， 同时接触到两根不同的相线，或者人体同时触及到电气设备的两个不同相的带电部位时，电流由一根相线经过人体到另一根相线，形成闭合回路， 如图所示。 两相触电比单相触电更危险，因为此时加在人体心脏上的电压是线电压！哈！啊！啊！ 输电线路火线断线落地时，落地点的电位即导线电位，电流将从落地点流入地中。离落地点越远，电位越低。根据实际测量，在离导线落地点20 m以外的地方，由于入地电流非常小，地面的电位近似等于零。如果有人走近导线落地点附近，由于人的两脚电位

29、不同，则在两脚之间出现电位差，这个电位差叫作。距离电流入地点越近，人体承受的跨步电压越大；距离电流入地点越远，人体承受的跨步电压越小; 在20 m以外，跨步电压很小，可以看作为零。U不要在输电线附近搭晒湿衣服！不要随便扯拉电线！不要用湿毛巾擦洗正在使用的电器！ 触电能使人造成烧伤或死亡，但是事故的多数原因是人为造成的。用电中注意以下问题，可以预防触电事故。（1） 损坏的开关、插销等应赶快修理或更换，不能将就使用。（2） 不懂电气技术和一知半解的人，对电气设备不要乱拆、乱装，更不要乱接电线。（3） 灯头用的软线不要东拉西扯，灯头距地不要太低，扯灯照明时，不要往铁丝上搭。（4） 电灯开关最好用拉线开关，尤其是土地潮湿的房间里，不要用床头开关和灯头开关。（5） 屋内电线太乱或发生问题时，不能私自摆弄，一定要找电气承装部门或电工来改修。 （6） 拉铁丝搭东西时，注意不要接触到附近的电线。（7） 屋外电线和进户线要架设牢固，以免被风吹断，发生危险。（8） 外线折断时，不要靠近或用手去拿，应找人看守，赶快通知电工修理。（9） 不要用湿手、湿脚接触电气设备和开关插销，以免触电。（10） 大清扫时，不要用湿抹布擦