第二章交流电路

第二章交流电路第一页，共六十二页，2022年，8月28日第二章正弦交流电路

2.1正弦量与正弦电路2.3三相正弦交流电路

2.4输配电与安全用电简介2.2正弦交流电路分析2.5正弦交流电路实验实训第二页，共六十二页，2022年，8月28日第二章交流电路学习目标1．了解什么是交流电2．掌握交流电的三要素3．了解交流电路中电阻、电容和电感的特性

学习要求应知：交流电的概念；交流与直流的关系与区别；电感、电容元件与电阻元件的区别。应会：用万用表测量交流电路中的电压、电流；用欧姆定律和基尔霍夫定律分析电路中元件的电压、电流及电阻的关系。

第一节正弦交流电路第三页，共六十二页，2022年，8月28日一、什么是交流电

汽车电路都是直流电路，但是汽车交流发电机产生的电流，在没有整流之前是交流电流。许多大型汽车维修检测设备是用交流电作为电源的。

如果电压和电流的方向是按照正弦规律周期性变化的，就称为正弦交流电。大小和方向随时间改变的电压或电流统称交流电在电路图上所标的方向是指它们的参考方向。Tut提示：uTt0第四页，共六十二页，2022年，8月28日正弦交流电的优越性：便于传输；便于运算；有利于电器设备的运行等。

正弦交流电Tut正弦交流电也有正方向,一般按正半周的方向假设。

交流电路进行计算时，首先要规定物理量的正方向。实际方向和假设方向一致实际方向和假设方向相反ti正弦交流电的方向iuR00第五页，共六十二页，2022年，8月28日：

电流幅值（最大值）特征量:

2.1.1正弦量的时域表示法1.正弦量t：初相位（正弦量的三要素）：角频率正弦交流电压和电流等物理量，简称为正弦量。正弦电流随时间变化的函数表达式，简称时域表达式。第六页，共六十二页，2022年，8月28日

描述变化周期的几种方法1.周期

T：变化一周所需的时间

单位：秒，毫秒..正弦量特征量之——周期、频率和角频率3.角频率

ω：每秒变化的弧度

单位：弧度/秒2.频率

f：每秒变化的次数

单位：赫兹，千赫兹...iT2.正弦量的三要素0第七页，共六十二页，2022年，8月28日*电网频率：

中国50Hz

美国

、日本60Hz小常识*有线通讯频率：300-5000Hz

*无线通讯频率：30kHz-3×104MHz第八页，共六十二页，2022年，8月28日为正弦电流的最大值正弦量特征量之二——幅值与有效值最大值电量名称必须大写,下标加m。如：Um、Im在工程应用中，一般用有效值表示幅度。常用交流电表指示的电压、电流读数，就是被测物理量的有效值。标准电压220V，也是指供电电压的有效值。第九页，共六十二页，2022年，8月28日2．幅值与有效值正弦量在任一瞬间的值称为瞬时值，用小写字母来表示在相等的时间内，如果某交流电流和直流电流分别通过同样大小的电阻，产生的热量相等，那么这个周期性变化的电流i的有效值在数值上就等于这个直流电流。瞬时值中最大的值，称为幅值或最大值，用带下标m的大写字母来表示正弦电流、电压和电动势的大小往往不是用它们的幅值，而是用有效值来计量的。第十页，共六十二页，2022年，8月28日则有（均方根值）可得当

时，交流直流热效应相当电量必须大写如：U、I有效值有效值概念第十一页，共六十二页，2022年，8月28日

电器~220V最高耐压=300V

若购得一台耐压为300V的电器，是否可用于220V的交流电线路上?

该用电器最高耐压低于电源电压的最大值，所以不能用。有效值

U=220V最大值

Um

=220V=311V电源电压问题与讨论第十二页，共六十二页，2022年，8月28日正弦量特征量之三——初相位：

t=0时的相位，称为初相位或初相角。说明：

给出了观察正弦量的起点或参考点，常用于描述多个正弦波相互间的关系。i：正弦波的相位角或相位第十三页，共六十二页，2022年，8月28日例幅值：已知：频率：初相位：第十四页，共六十二页，2022年，8月28日例已知某正弦电流在t=0时为0.5A，其初相位为30度，试问该正弦量的有效值等于多少？第十五页，共六十二页，2022年，8月28日

两个同频率正弦量间的相位差(初相差)

t第十六页，共六十二页，2022年，8月28日两种(同频率）正弦信号的相位关系同相位

滞后相位落后相位领先超前第十七页，共六十二页，2022年，8月28日瞬时值表达式必须小写波形图i正弦量的表示方法：第十八页，共六十二页，2022年，8月28日符号说明瞬时值---小写u、i有效值---大写U、I最大值---大写+下标第十九页，共六十二页，2022年，8月28日1.

纯电阻电路uiR根据欧姆定律

设则电阻、电感、电容元件及其交流伏安特性第二十页，共六十二页，2022年，8月28日（1）频率相同（2）相位相同（3）

有效值关系：电阻电路中电流、电压的关系第二十一页，共六十二页，2022年，8月28日电阻电路中的功率

uiR（1）瞬时功率

p：瞬时电压与瞬时电流的乘积小写第二十二页，共六十二页，2022年，8月28日①（耗能元件）结论：②随时间变化③与

成比例ωtuipωt第二十三页，共六十二页，2022年，8月28日（2）平均功率（有功功率）P一个周期内的平均值

单位：W

uiR第二十四页，共六十二页，2022年，8月28日2.纯电感电路

基本关系式：iuL设则第二十五页，共六十二页，2022年，8月28日电感电路中电流、电压的关系（1）频率相同（2）相位相差

90°

（u

领先

i

90

°）iu设：第二十六页，共六十二页，2022年，8月28日（3）有效值感抗（Ω）定义：则：第二十七页，共六十二页，2022年，8月28日感抗（XL=ωL

）是频率的函数，

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。ωXLω=0时XL=0关于感抗的讨论直流E+_ReL+_R第二十八页，共六十二页，2022年，8月28日电感电路中的功率（1）瞬时功率

p：iuL第二十九页，共六十二页，2022年，8月28日储存能量P<0释放能量+P>0P<0uiuiuiuiiuL+PP>0ui第三十页，共六十二页，2022年，8月28日（2）平均功率P（有功功率）结论：纯电感不消耗能量，只和电源进行能量交换（能量的吞吐）。第三十一页，共六十二页，2022年，8月28日基本关系式:（约束方程）设：3.纯电容电路uiC则：第三十二页，共六十二页，2022年，8月28日（1）频率相同（2）相位相差90°（i超前

u90°

）电容电路中电流、电压的关系iu第三十三页，共六十二页，2022年，8月28日（3）有效值或容抗（Ω）令：则：I第三十四页，共六十二页，2022年，8月28日E+-ωe+-关于容抗的讨论直流是频率的函数，

表示电容电路中电压、电流有效值之间的关系，且只对正弦波有效。容抗ω＝0时第三十五页，共六十二页，2022年，8月28日电容电路中的功率（1）瞬时功率

p与电压计时点相同第三十六页，共六十二页，2022年，8月28日放电P<0释放能量充电p放电充电P>0储存能量uiuiuiuiiuωt可逆的能量转换过程第三十七页，共六十二页，2022年，8月28日（2）平均功率P结论：纯电容不消耗能量，只和电源进行能量交换（能量的吞吐）。第三十八页，共六十二页，2022年，8月28日（3）无功功率QQ的定义：电容瞬时功率所能达到的最大值。用以衡量电容电路中能量交换的规模。单位：乏var，千乏kvar第三十九页，共六十二页，2022年，8月28日单一参数正弦交流电路的分析计算小结电路参数电路图（正方向）复数阻抗电压、电流关系瞬时值有效值相量图相量式功率有功功率无功功率Riu设则u、i同相0LiuCiu设则设则u领先i90°u落后i90°00基本关系第四十页，共六十二页，2022年，8月28日第二节三相电路学习目标1．了解什么是三相交流电源2．掌握三相交流电源的星形联结3．了解三相交流电路中负载的连接方法（星形联结和三角形联结）学习要求应知：三相交流电源的概念和基本特性；三相交流电源的供电方式，三相三线与三相四线供电的使用要求。应会：三相负载的连接方法。三相电路在汽车本身的用处并不多，但是在汽车维修检测企业中应用很普遍。电力电源一般采用三相制。用电方面最主要的负载是交流电动机，大型汽车维修检测设备多数是由交流电动机驱动的，而交流电动机多数是三相的。第四十一页，共六十二页，2022年，8月28日

一、三相交流电源1．结构原理图2-6是三相交流发电机的原理图。它的主要组成部分是电枢和磁极。电枢是固定的，也称为定子。定子铁心的内圆周表面有槽，用以放置三相电枢绕组。每相绕组都是相同的，如图2-7所示。它们的始端(头)标以U1、V1、W1，末端(尾)标以U2、V2、W2。每个绕组的两边放置在相应的定子铁心的槽内。但要求绕组的始端之间或末端之间都彼此相隔120。。第四十二页，共六十二页，2022年，8月28日磁极是转动的，也称为转子。转子铁心上绕有励磁绕组，用直流励磁。选择合适的极面形状和励磁绕组的布置情况，可使空气隙中的磁感应强度按正弦规律分布。当转子由原动机带动，并匀速转动时，则每相绕组依次切割磁感线，产生电动势，因而在三相绕组上得出频率相同、幅值相等、相位互差120。的三相对称正弦电压，即

提示：三相交流电出现正幅值(或相应零值)的顺序称为相序。

进一步：发电和输配电一般都采用三相制。第四十三页，共六十二页，2022年，8月28日2．三相电源的连接方法发电机三相绕组的接法通常如图2—7所示，即将三个末端连在一起，这一连接点称为中性点或零点，用N表示，这种连接法称为星形联结。从中性点引出的导线称为中性线或零线。从始端Ul、Vl、W1引出的三根导线称为相线或端线，俗称火线。第四十四页，共六十二页，2022年，8月28日在图2-8中，每相始端与末端间的电压，即相线与中性线间的电压，称为相电压，其有效值一般用UP，表示。而任意两始端间的电压，即两相线间的电压，称为线电压，其有效值一般用UL表示。相电压和线电压的参考方向如图中所示。UL=√3UP第四十五页，共六十二页，2022年，8月28日提示：当发电机的绕组星形联结时，线电压与相电压频率相同，都是三相对称电压。相电压和线电压显然是不相等的，它们大小的关系是，线电压是相应相电压的√3倍。在相位上，线电压比相应的相电压超前30。。进一步：发电机(或变压器)的绕组星形联结时，可引出四根导线叫三相四线制，这样就可给负载提供两种电压。通常在低压配电系统中相电压为220V，线电压为380V。如负载对称(此时中性线中没有电流)，不一定都引出中性线，这种连接方法叫三相三线制。发电机(或变压器)的绕组星形联结时通常采用三相三线制。二、三相电路中负载的连接三相电路中负载的连接方法有两种，即星形联结和三角形联结。1．星形联结(1)三相四线制图2-9是三相四线制电路，设线电压为380V。照明负载(220V，单相负载)比较均匀地分配在各相之中，接在相线与中性线之间，三相电动机接在三根相线上。第四十六页，共六十二页，2022年，8月28日三相电路中的电流也有相电流与线电流之分。每相负载中的电流称为相电流，每根相线中的电流称为线电流。在负载为星形联结时，相电流等于线电流。电源相电压为每相负载电压，每相负载中的电流可分别求出。

第四十七页，共六十二页，2022年，8月28日提示：各相负载的电压与电流之间的相位差分剐为30。，线电流是相电流的√3倍，电路中负载对称是指各项阻抗相等(阻抗模和相位角相等)。电压和电流的相量图如图2-10所示。第四十八页，共六十二页，2022年，8月28日(2)三相三线制在三相电压对称的情况下，若负载也对称，那么负载相电流也是对称的，此时中性线中没有电流通过，这时中性线就不需要了，这就是如图2-11所示的三相三线制电路。因为生产上的三相负载(通常所见的是三相电动机)一般都是对称的，所以三相三线制电路的应用极为广泛。第四十九页，共六十二页，2022年，8月28日提示：负载不对称而又没有中性线时，负载的相电压就不对称。当负载的相电压不对称时，势必引起有的相电压过高，高于负载的额定电压；有的相电压过低，低于负载的额定电压，这都是不容许的，三相负载的相电压必须对称。进一步：中性线的作用是使星形联结的不对称负载的相电压对称。为了保证负载的柑电压对称，就不应让中性线断开。因此，中性线(指干线)内绝不允许接入熔断器或闸刀开关。操作：课后观察电动机线圈的连接。

2．三角形联结负载三角形联结的三相电路可用图2-12所示的电路来表示。电压和电流的参考方向都已在图中标出。因为各相负载都直接接在电源的线电压上，所以负载的相电压与电源的线电压相等。因此，不论负载对称与否，其相电压总是对称的。对称负载三角形联结时电压与电流的相量图如图2-13所示。

提示：负载三角形联结时，相电流和线电流是不一样的。线电流是相电流的√3倍，在相位上线电流比相应的相电流滞后30。。第五十页，共六十二页，2022年，8月28日进一步：三相电动机的绕组可以采用星形联结，也可以采用三角形联结，而照明负载一般采用星形联结(具有中性线)。操作：课后观察家用电表的连接线路。第五十一页，共六十二页，2022年，8月28日第二节安全用电常识学习目标1．了解发电和输电的基本原理2．了解电流会对人体造成的伤害3．了解触电的方式和类型4．掌握保护接地和保护接零的连接方法5．掌握安全使用汽车蓄电池的注意事项学习要求应知：发电和输电的基本原理；电流会对人体造成的伤害；触电的方式和类型。应会：保护接地和保护接零的连接方法；安全使用汽车蓄电池。第五十二页，共六十二页，2022年，8月28日一、发电、输电概述发电厂按其所利用的能源种类，可分为水力、火力、风力、核能、太阳能、沼气等。国产三相同步发电机的电压等级有400V／230V和3.15kV、6.3kV、10.5kV、13.8kV、15.75kV及18kV等多种。大中型发电厂大多建在产煤地区或水力资源丰富的地区附近，距离用电地区往往是几十公里、几百公里以至上千公里以上。所以，发电厂生产的电能要用高压输电线输送到用电地区，然后再降压分配给各用户。电能从发电厂传输到用户要通过导线系统，该系统称为电力网。送电距离愈远，要求输电线的电压愈高。我国国家标准中规定输电线的额定电压为35kV、110kV、220kV、330kV、500kV。如图2-14所示为输电线路的示意图。第五十三页，共六十二页，2022年，8月28日由输电线末端的变电所将电能分配给各工业企业和城市。企业设有中央变电所和车间变电所(小规模的企业往往只有一个变电所)。中央变电所接受送来的电能，然后分配到各车间，再由车间变电所或配电箱(配电屏)将电能分配给各用电设备。从车间变电所或配电箱(配电屏)到用电设备的低压配电线路的连接方式主要有放射式和树干式两种，如图2-15所示。当负载点比较分散而各个负载点又具有相当大的集中负载时，通常采用这种线路。第五十四页，共六十二页，2022年，8月28日提示：除交流输电外，还有直流(三相交流经三相半导体整流器变换为直流)输电，直流输电的能耗较小，无线电干扰较小，输电线路造价也较低。进一步：高压配电线路的额定电压有3kV、6kV和10kV三种。低压配电线路的额定电压是380V／220V。用电设备的额定电压大多是220V和380V，大功率电动机的电压是3000V和6000V，机床局部照明的电压是36V。

二、电流对人体的危害由于不慎触及带电体，产生触电事故，会使人体受到各种不同的伤害。根据伤害性质可分为电击和电伤两种。电击是指电流通过人体，使内部器官组织受到损伤，如果受害者不能迅速摆脱带电体，则最后会造成死亡事故。电伤是指在电弧作用下或熔丝熔断时，对人体外部的伤害，一般会造成烧伤、金属溅伤等。提示：电击所引起的伤害程度与人体电阻的大小有关，人体的电阻愈大，通过的电流愈小，伤害程度也就愈轻；通过人体的电流越大，流通时间愈长，伤害愈严重。第五十五页，共六十二页，2022年，8月28日进一步：一般情况下，当皮肤角质外层完好，并且很干燥时，人体电阻大约为10～100kΩ。当角质外层破坏时，人体电阻通常会降到800～1000Ω。通过人体的电流在O.05A以上时，就有生命危险。一般条件下，接触36V以下的电压时，通过人体的电流不会超过0.05A，所以把36V的电压作为安全电压。如果在潮湿的环境，安全电压还要规定得低一些，通常是24V和12V。操作：用万用表的电阻挡测量人自身的电阻。三、触电方式1．接触正常带电体(1)电源中性点接地的单相触电如图2-16所示。这时人体处于相电压之下，危险性较大。如果人体与地面的绝缘较好，危险性可以大大减小。第五十六页，共六十二页，2022年，8月28日(2)电源中性点不接地的单相触电如图2-17所示。这种触电也有危险。乍看起来，似乎电源中性点不接地时，不能构成电流通过人体的回路。其实不然，要考虑到导线与地面间的绝缘可能不良，甚至有一相接地，在这种情况下人体中就有电流通过。提示：在交流的情况下，导线与地面间存在的电容也可构成电流的通路。第五十七页，共六十二页，2022年，8月28日

(3)两相触电这种情况最为危险，因为人体处于线电压之下，但这种情况较少。2．接触正常情况下应不带电的金属体接触正常情况下应不带电的金属体部分是触电的另一种情形。例如，电机的外壳本来是不带电的，但由于绕组绝缘损坏，而与外壳接触，使它也带电。人手触及带电的电机(或其他电气设备)外壳，相当于单相触电。大多数触电事故属于这一种。提示：为了防止接触正常情况下应不带电金属体的触电事故，对电气设备常采用保护接地和保护接零(接中性线)的保护装置。四、接地和接零在低压配电系统中，电源(变压器)中性点有接地和不接地两种。接地的目的出于电力系统运行和安全的需要，这种接地称为工作接地，例如三相四线制电源中性点的接地。

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在低压配电系统电源中性点不接地的情况下，采用保护接地；在中性点接地的情况下，则采用保护接零。

1．保护接地保护接地就是在低压配电系统电源中性点不接地的情况下，将电气设备的金属外壳(正常情况下是不带电的)接地，图2-18(a)所示是电动机的保护接地，可分两种情况来分析。(1)当电动机某一相绕组的绝缘损坏使外壳带电，并且外壳未接地的情况下，人体触及外壳，相当于单相触电，这时接地电流(经过故障点流人地中的电流)的大小决定于人体电阻和绝缘电阻。当系统的绝缘性能下降时，就有触电的危险。(2)当电动机某一相绕组的绝缘损坏，使外壳带电，并且外壳接地的情况下，人体触及外壳时，由于人体的电阻与接地电阻并联，而通常人体电阻远大于接地电阻，所以通过人体的电流很小，不会有危险。这就是保护接地保证人身安全的作用。第五十九页，共六十二页，2022年，8月28日

2．保护接零保护接零就是在中性点接地情况下，将电气设备的金属外壳接到中性线(零线)上，图2-18(b)所示的是电动机的保护接零。当电动机某一相绕组的绝缘损坏而与外壳相接时，就形成单相短路，迅速将这一相中的熔丝熔断，因而外壳便不再带电。即使在熔丝熔断前，人体触及外壳，但由于人体电阻远大于线路电阻，所以通过人体的电流也是极为微小的。提示：在三相四线制系统中，由于负载往往不对称