电工基础-项目二

1、项目二 正弦交流电路的分析与测试1目录项目相关知识项目实施Part 1Part 2Part 3项目分析基础训练Part 42Part 1Part 2Part 3Part 4项目相关知识项目实施项目分析基础训练34Part 1Part 2Part 3Part 4项目相关知识项目实施项目分析基础训练5交流电定义6交流电定义图中哪些是交流电？哪些是直流电？（a）恒流电流（b）脉动电流（c）正弦电流（d）方波电流7交流电定义在交流电路中，有电流通过的导线是相线（俗称火线），用L表示；无电流通过的导线是零线，用N表示。所以当测电笔触及导线金属芯时，如果氖管发亮，说明该导线是相线；如果氖管不亮，说明该导线

2、是零线，如图所示。图中的两孔电源插座符合“左零右火”的要求。8正弦交流电三要素大小和方向随时间按正弦规律变化的交流电称为正弦交流电，正弦电压和正弦电流等物理量统称为正弦量。图中所示的电流波形为正弦波。式（2-1）为正弦交流电流的瞬时值表达式。角频率、振幅、初相位确定以后，正弦交流电流就被唯一确定下来了。因此，角频率（频率或周期）、振幅（有效值）、初相称为正弦交流电的三要素。9角频率正弦交流电可用周期、频率、角频率来表示变化的速率（快慢）。正弦交流电流（或电压）完成一次循环变化所用的时间称为周期，用字母T表示，单位为秒（s）。显然，正弦交流电流（或电压）相邻的两个最大值（或相邻的两个最小值）之间

3、的时间间隔即为周期。正弦交流电流（或电压）在单位时间内作周期性循环变化的次数称为频率，用字母f表示，单位为赫兹（Hz）。根据定义，周期与频率互为倒数。10角频率11幅值我国工业和民用交流电源电压的有效值为220 V，频率为50 Hz，因而通常将这一交流电压简称为工频电压。美国工业和民用交流电源电压的有效值也为220 V，频率为60 Hz。12幅值如果正弦交流电流i通过电阻R在一个周期内产生的热量，与相同时间内直流电流I通过电阻R产生的热量相等，那么就把这一直流电流I的数值称为交流电流i的有效值。正弦交流电流的有效值为：正弦交流电压的有效值为：正弦交流电动势的有效值为：13初相(+)称为正弦电流

4、的相位角，简称相位，它能反映出正弦量变化的进程。t=0时的相位角称为初相位角，简称初相位或初相。规定初相的绝对值不能超过。14初相已知某正弦交流电压为u=311sin314t V，试求该电压的最大值、频率、角频率和周期各为多少？解：由题可知，电压的最大值为角频率为 频率为周期为 15相位差两个相同频率的正弦信号出现正值的时间有先有后，“步调”不完全一致，我们就认为它们之间有相位差。相位差指两个同频率正弦信号的相位之差。16相位差17正弦量可以用振幅相量表示，即用正弦量的振幅值作为相量长度，用初相角作为相量的幅角。18有效值相量表示法是用正弦量的有效值作为相量的长度，仍用初相角作为相量的幅角。1

5、920纯电阻电路是最简单的交流电路，在日常生活和工作中接触到的白炽灯、电炉、电烙铁等，都属于电阻性负载，它们与交流电源连接组成纯电阻电路。在纯电阻电路中，电压与电流的关系可以用瞬时值、波形图和相量表示。21（1）瞬时值表示22（2）波形图表示在纯电阻电路中，电阻元件的电压与电流的波形图如图所示。23（3）相量表示在纯电阻电路中，用相量表示电压与电流的关系为：电阻元件的电压与电流的相量图如图所示。2425变压器和电机的线圈、日光灯的整流器等都是电感线圈，当它们的电阻值非常小，可以忽略不计时，可以认为它们是纯电感线圈。纯电感线圈与交流电源连接组成纯电感电路，26（1）瞬时值表示27（2）波形图表示

6、电感对交流电流起阻碍作用的能力称为感抗，用XL表示，单位为，其表达式为：28（3）相量表示用相量表示电压与电流的关系为：29纯电容元件是理想化的电容器，即忽略电容器的漏电现象，也不考虑介质的损耗。纯电容元件与交流电源连接组成纯电容电路，在纯电容电路中，电压与电流的关系可以用瞬时值、波形图和相量表示。30（1）瞬时值表示比较电压和电流的关系式可见：电容两端的电压u和电流i也是同频率的正弦量，电流的相位超前电压90。31（2）波形图表示电压与电流在数值上满足关系式： 32（2）波形图表示电容对交流电流起阻碍作用的能力称为容抗，用XC表示，单位为，其表达式为：33（3）相量表示用相量表示电压与电流的

7、关系为：34特性名称电阻R电感L电容C阻抗特性阻抗电阻R感抗XL = L容抗XC = 1/(C)直流特性呈现一定的阻碍作用通直流，阻交流（相当于短路）通交流，隔直流（相当于开路）交流特性呈现一定的阻碍作用通低频，阻高频通高频，阻低频伏安关系大小关系UR = RIRUL = XLILUC = XCIC相位关系（电压与电流相位差） = 0 = 90 = 90353637由电压相量所组成的直角三角形，称为电压三角形。利用这个电压三角形，可求得电源电压的有效值。38394041由KCL定律得出电流的相量形式为：42RLC并联电路的复导纳为：复导纳的模为：复导纳的导纳角为：4344内容RLC串联电路RL

8、C并联电路等效阻抗阻抗大小阻抗角电压或电流关系大小关系电路性质感性电路容性电路谐振电路45负载的瞬时功率是随时间变化的。可以看出瞬时功率有时为正，有时为负。当负载功率为正值时，表示负载从电源吸收能量；当负载功率为负值时，表示从负载中的储能元件（如电感、电容）中释放出能量送回电源。瞬时功率的单位为瓦特（W）。46瞬时功率的平均值称为平均功率，也叫有功功率，它是电路能源消耗的表现，4748由于电路中有储能元件电感和电容，它们虽不消耗功率，但与电源之间要进行能量交换，这种能量交换的规模用无功功率Q表示，对于任意一个无源二端网络，其无功功率可定义为：49在电路中既有电感元件又有电容元件时，无功功率相互

9、补偿，它们在电路内部先相互交换一部分能量后，不足部分再与电源进行交换，则无源二端网络的无功功率为：无源二端网络的无功功率是电感元件的无功功率与电容元件的无功功率的代数和。QL为正值，QC为负值，Q为一代数量，可正可负，单位为乏（var）。50在交流电路中，端电压与电流有效值的乘积称为视在功率，用S表示，即：视在功率的单位为伏安（VA）或千伏安（kVA）。51视在功率S通常用来表示电气设备的容量，说明电气设备可能转换的最大功率。由于电源设备（如变压器、发电机等）所发出的有功功率随负载的功率因数变化，不是一个常数，因此电源设备通常只用视在功率表示其容量，而不是用有功功率表示。52有功功率P、无功功

10、率Q、视在功率S之间存在如下关系S，P，Q构成一个直角三角形，称为功率三角形。53在如图所示的RLC串联电路中，电阻为30 W，电感为127 mH，电容为40 F，电路两端的电压u=311sin314t V。试求（1）电路的阻抗值；（2）电流的有效值；（3）各元件两端电压的有效值；（4）电路的有功功率、无功功率、视在功率。54在如图所示的RLC串联电路中，电阻为30 W，电感为127 mH，电容为40 F，电路两端的电压u=311sin314t V。试求（1）电路的阻抗值；（2）电流的有效值；（3）各元件两端电压的有效值；（4）电路的有功功率、无功功率、视在功率。55在如图所示的RLC串联电路

11、中，电阻为30 W，电感为127 mH，电容为40 F，电路两端的电压u=311sin314t V。试求（1）电路的阻抗值；（2）电流的有效值；（3）各元件两端电压的有效值；（4）电路的有功功率、无功功率、视在功率。56在电力系统中，发电厂发出有功功率的同时也输出着无功功率。二者在总功率中各占多少不是取决于发电机，而是取决于负载的功率因数。负载功率因数的大小是由负载的性质决定的。电力系统中的大多数负载，如异步电动机、日光灯等都是感性负载，功率因数较低，会引起下述两方面问题。57提高功率因数即在不改变原负载工作状态的条件下，设法减小线路电流。提高功率因数的方法很多，由于生产实际中大多数负载都是感

12、性的，所以往往采用在负载两端并联合适的电容元件补偿的方法（容性负载一般采用并联电感补偿）。585960提示功率表的电压量程和电流量程根据被测负载的电压和电流来确定，要大于被测电路的电压、电流值。只有保证电压线圈和电流线圈都不过载，测量的功率值才准确，功率表也不会被烧坏。61下图（a）所示为D34-W型功率表面板图，该表有四个电压接线柱，其中一个带有“*”标的接线柱为公共端，另外三个是电压量程选择端，有25 V，50 V，100 V量程。四个电流接线柱，没有标明量程，需要通过对四个接线柱的不同连接方式改变量程，即：通过活动连接片使两个0.25 A的电流线圈串联，得到0.25 A的量程，如图（b）

13、所示。通过活动连接片使两个0.25 A的电流线圈并联，得到0.5 A的量程，如图（c）所示。（a）功率表面板图 （b）两电流线圈串联 （c）两电流线圈并联62提示用功率表测量功率时，需使用四个接线柱，两个电压线圈接线柱和两个电流线圈接线柱，电压线圈要并联接入被测电路，电流线圈要串联接入被测电路。通常情况下，电压线圈和电流线圈的带有“*”标端应短接在一起，否则功率表除反偏外，还有可能损坏。当根据电路参数，选择电压量程为50V，电流量程为0.25 A时，功率表的实际连线如图所示。6364提示（1）功率表在使用过程中应水平放置。（2）仪表指针如不在零位时，可利用表盖上零位调整器调整。（3）测量时，如

14、遇仪表指针反向偏转，应改变仪表面板上的“+”、 “”换向开关极性，勿互换电压接线，以免使仪表产生误差。（4）功率表与其他指示仪表不同，指针偏转大小只表明功率值，并不显示仪表本身是否过栽，有时表针虽未达到满度，只要U或I之一超过该表的量程就会损坏仪表。故在使用功率表时，通常需接入电压表和电流表进行监控。（5）功率表所测功率值包括了其本身电流线圈的功率损耗，所以在作准确测量时，应从测得的功率中减去电流线圈消耗的功率，才是所求负载消耗的功率。65（6）D34-W型、D51型功率表量程、内阻、每格所代表的功率值见下表。D34-W型功率表D51型功率表电压量程内阻电压量程内阻25 V50 V100 V7

15、5 V150 V300 V600 V电流量程0.25 A0.01 W0.02 W0.04 W0.25 W0.50 W1.00 W2.00 W0.5 A0.02 W0.04 W0.08 W0.50 W1.00 W2.00 W4.00 W66Part 1Part 2Part 3Part 4项目相关知识项目实施项目分析基础训练6768序号名称型号与规格数量备注1双踪示波器12低频脉冲信号发生器13交流毫伏表0600 V14频率计169正弦交流信号和方波脉冲信号是常用的电激励信号，可分别由低频信号发生器和脉冲信号发生器提供。正弦信号的波形参数是幅值Um、周期T（或频率f ）和初相；脉冲信号的波形参数是

16、幅值Um、周期T及脉宽tk。本任务器材能提供频率范围为20 Hz50 kHz的正弦波及方波，并有6位LED数码管显示信号的频率。正弦波的幅度值在05 V之间连续可调，方波的幅度为13.8 V可调。70电子示波器是一种信号图形观测仪器，可测出电信号的波形参数。从荧光屏的Y轴刻度尺并结合其量程分挡（Y轴输入电压灵敏度V/div分挡）选择开关读得电信号的幅值；从荧光屏的X轴刻度尺并结合其量程分挡（时间扫描速度t/div分挡）选择开关，读得电信号的周期、脉宽、相位差等参数。一台双踪示波器可以同时观察和测量两个信号的波形和参数。71（1）双踪示波器的自检72（2）正弦波信号的观测73频率计读数所测项目正

17、弦波信号频率的测定50 Hz1 500 Hz20 000 Hz示波器“t/div”旋钮位置一个周期占有的格数信号周期（s）计算所得频率（Hz）交流毫伏表读数所测项目正弦波信号幅值的测定0.1 V1 V3 V示波器“V/div”位置峰-峰值波形格数峰-峰值计算所得有效值74（3）方波脉冲信号的观察和测定75提示（1）示波器的辉度不要过亮。（2）调节仪器旋钮时，动作不要过快、过猛。（3）调节示波器时，要注意触发开关和电平调节旋钮的配合使用，以使显示的波形稳定。（4）做定量测定时，“t/div”和“V/div”的微调旋钮应旋置“标准”位置。76提示（5）为防止外界干扰，信号发生器的接地端与示波器的接

18、地端要相连（称共地）。（6）不同品牌的示波器，各旋钮、功能的标注不尽相同，任务实施前请详细阅读所用示波器的说明书。（7）任务实施前应认真阅读信号发生器的使用说明书。77787980序号名称型号与规格数量备注1低频信号发生器12交流毫伏表0600 V13双踪示波器1自备4频率计15试验线路元件16电阻30 181在正弦交变信号的作用下，R，L，C电路元件在电路中的抗流作用与信号的频率有关。R，L，C元件阻抗频率特性的测定电路如右图所示。图中的r是提供测量回路电流用的标准小电阻，由于r的阻值远小于被测元件的阻抗值，因此可以认为AB之间的电压就是被测元件R，L或C两端的电压，流过被测元件的电流则可由

19、r两端的电压除以r得到。82838485提示（1）交流毫伏表属于高阻抗电表，测量前必须先调零。（2）测量时，示波器的“V/div”和“t/div”的微调旋钮应旋置“校准”位置。86878889序号名称型号规格数量备注1单相交流电源0220 V2三相自耦调压器3交流电压表4交流电流表5单相功率表6万用表7镇流器220 V/30 W8启辉器与30 W灯管配用9日光灯管220 V/30 W10电容器1 F，2.2 F，4.7 F311电流插座若干12功率因数表113功率因数提高试验线路板190日光灯电路由灯管、镇流器及启辉器三部分组成。灯管在工作时可认为是一个电阻负载R。镇流器是一个交流铁芯线圈，可

20、等效为一个电感很大的感性负载（r，L串联）。灯亮后，启辉器就不起作用了。因此，日光灯电路实际上是一个R，L串联电路，等效电路如右图所示。91当接通220 V交流电源时，电源电压通过镇流器施加于启辉器两电极上，使极间气体导电，可动电极（双金属片）与固定电极接触。由于两电极接触不再产生热量，双金属片冷却复原使电路突然断开，此时镇流器产生一较高的自感电动势经回路施加于灯管两端，而使灯管迅速起燃，电流经镇流器、灯管而流通。灯管起燃后，两端压降较低，启辉器不工作，日光灯正常工作。9293（1）按图所示的试验电路接线，电源电压取自试验装置配电屏上的220 V电源端，功率因数表的接线方式与功率表相同，电流线圈串入电路中，电压线圈并入电路（图中未画出）。接线完毕经指导老师检查后，方可接通市电电源。94（