《 城市轨道交通电工电子（第2版）》（课件） 项目3 正弦交流电路

项目3正弦交流电路项目导读正弦交流电路在城市轨道交通系统中有着非常广泛的应用。这是因为与直流电相比，正弦交流电具有电压可变，便于输送、分配和使用等优点；同时，与直流电气设备相比，交流电气设备具有结构简单、经济性好且维修方便等优点。

因此，城市轨道交通系统大量使用了正弦交流电气设备，以便更好地实现其运输功能。本项目将针对正弦交流电路的特点，对其具体的应用和分析方法展开介绍。知识目标020103掌握正弦交流电的三要素及其相量表示。掌握RLC串联电路中电压与电流的关系及功率的计算。掌握电路中发生串联谐振和并联谐振时的条件及特征。0405掌握提高功率因数的意义及方法。掌握三相交流电的产生原理及功率计算方法。能力目标0201能够使用示波器测量和分析正弦交流信号。能够正确连接三相正弦交流电源和三相负载。03能够测量单相、三相正弦交流电路的功率。思政目标020103养成执着专注、科学严谨的工匠精神。养成脚踏实地、求真务实的工作作风。坚定实现中华民族伟大复兴的中国梦的理想信念。CONTENTS1正弦交流电2单相正弦交流电路3三相正弦交流电路正弦交流电任务3.1任务引入城市电网可通过变电站向城市轨道交通系统提供正弦交流电，从而使城市轨道交通系统能够正常运行。一般情况下，城市轨道交通系统用电设备的额定频率为50Hz，其额定电压因设备实际工作情况的不同而不同。以上所介绍的频率、电压等都是衡量正弦交流电的重要因素。那么，正弦交流电是如何产生的？衡量正弦交流电的因素又有哪些呢？3.1.1正弦交流电的产生图3-1单相交流发电机的原理模型图3-2正弦交流电动势的波形3.1.2正弦交流电的三要素3.1.2正弦交流电的三要素周期、频率、角频率均为衡量正弦交流电变化快慢的物理量。周期为正弦交流电完成一次循环变化所用的时间，一般用字母T来表示，单位为秒（s）。频率为正弦交流电在单位时间内做周期性循环变化的次数，一般用字母f表示，单位为赫兹（Hz）。根据定义，周期与频率互为倒数。频率为正弦交流电在单位时间内做周期性循环变化的次数，一般用字母f表示，单位为赫兹（Hz）。01周期、频率、角频率02振幅、有效值图3-3有效值示意图3.1.2正弦交流电的三要素正弦交流电在一个周期内能够达到的最大值即为振幅，一般用标有下标m的大写字母表示。振幅反映了正弦交流电变化的幅度。有效值是衡量交流电做功能力的物理量。3.1.2正弦交流电的三要素03初相位与相位差3.1.2正弦交流电的三要素3.1.2正弦交流电的三要素图3-4相位差的四种情况3.1.2正弦交流电的三要素例题解3.1.3正弦交流电的表示方法01解析法解析法就是利用解析式表示正弦交流电的方法。02图像法图像法是指在平面直角坐标系中，用纵坐标表示瞬时值、横坐标表示电角度，从而得到正弦交流电对应图像的方法。图像可以直观地表示瞬时值随电角度变化的函数关系，从而形象地表达物理规律。03相量法3.1.3正弦交流电的表示方法相量法是指将正弦交流电的振幅作为相量长度，初相位作为相量的幅角（向量与实轴正方向所成的角），从而得到正弦交流电对应相量的表示方法。例如任务实施----测量正弦交流电任务准备实验器材准备：双踪示波器、信号发生器、频率计各1台，交流毫伏表1块，双踪示波器专用同轴电缆若干，导线若干。实施步骤1．双踪示波器的自检图3-7双踪示波器的控制面板双踪示波器的控制面板如图3-7所示，请根据以下步骤对双踪示波器进行自检。实施步骤2．正弦交流信号的测量表3-1正弦交流信号的测量数据（一）表3-2正弦交流信号的测量数据（二）老师根据学生的实际表现情况进行评分，并将评分结果填入表3-3中。表3-3正弦交流信号的测量评分表任务评价序号内容评分标准分值得分1总体表现遵守课堂纪律和实训规定，服从老师管理，主动思考并积极参与讨论，否则酌情扣分20分

2实际操作正确接线，正确使用仪器、仪表，否则每错1处扣10分20分

3实施结果表3-1、表3-2中测量值和计算值正确，否则每错1处扣5分50分

4安全文明作业严格执行安全操作规程，否则每错1处扣5分；不得损坏仪器、仪表，否则扣10分10分

总分

单相正弦交流电路任务3.2任务引入单相正弦交流电路的电压、电流随时间呈周期性变化，因而电阻、电感、电容等元件在单相正弦交流电路中起到的作用与在直流电路中不完全相同。例如，电容在直流电路中起到开路作用，而在单相正弦交流电路中则会起到“通高频阻低频”的作用。那么，除电容外，电阻、电感等元件在单相正弦交流电路中起到什么作用？在电阻、电感、电容等元件串/并联的正弦交流电路中，电流、电压又有哪些变化规律呢？1．纯电阻电路纯电阻电路是只有电阻负载的正弦交流电路，也是日常生活中最常见的电路。例如，白炽灯、电热器、电饭锅等都可看成是电阻，它们工作时与正弦交流电源相连，组成纯电阻电路，如图3-8所示。3.2.1单一参数的正弦交流电路图3-8纯电阻电路2．纯电感电路纯电感电路是只有电感负载的正弦交流电路，是一种理想电路，如图3-9所示。日常生活中常见的电感线圈有变压器和电机的线圈、日光灯的镇流器等。3.2.1单一参数的正弦交流电路图3-9纯电感电路3．纯电容电路纯电容电路是只有电容负载的正弦交流电路，如图3-10所示。工程上常用的电容常以空气、云母、绝缘纸、陶瓷等材料作为极板间的绝缘介质，当忽略其漏电电阻和引线电感时，可将其看作是纯电容元件。3.2.1单一参数的正弦交流电路图3-10纯电容电路3.2.1单一参数的正弦交流电路单一参数正弦交流电路特性的比较如表3-4所示。表3-4单一参数正弦交流电路特性的比较3.2.2RLC串联电路图3-11RLC串联电路RLC串联电路是指电阻、电感、电容串联组成的正弦交流电路，如图3-11所示。1．电压与电流的关系3.2.2RLC串联电路2．串联谐振现象3.2.2RLC串联电路3.2.2RLC串联电路RLC并联电路是指电阻、电感、电容并联组成的正弦交流电路，如图3-16所示。3.2.3RLC并联电路图3-16

RLC并联电路3.2.3RLC并联电路1．电压与电流的关系3.2.3RLC并联电路2．并联谐振现象表3-5RLC串联/并联电路特性的比较3.2.4正弦交流电路的功率1．瞬时功率图3-18电压、电流及瞬时功率随时间变化的曲线3.2.4正弦交流电路的功率2．有功功率（平均功率）和功率因数3.2.4正弦交流电路的功率3．无功功率3.2.4正弦交流电路的功率4．视在功率3.2.4正弦交流电路的功率4．视在功率3.2.4正弦交流电路的功率图3-20RLC串联电路例题3.2.4正弦交流电路的功率解3.2.4正弦交流电路的功率解01提高功率因数的意义3.2.5提高功率因数在城市轨道交通电力系统中，电路多为感性电路，且功率因数较低，一般会遇到以下两个问题：02提高功率因数的方法3.2.5提高功率因数当电路的功率因数过低时，可通过在感性（或容性）负载两端并联电容（或电感）的方法来提高功率因数，如图3-21所示。图3-21感性负载并联电容时的电路图3-22感性负载并联电容时的电流相量图任务实施----提高单相正弦交流电路的功率因数任务准备实验器材准备：功率表、交流毫伏表、交流电流表、交流电压表、功率因数表各1块，功率因数提高实验电路板1块，220V单相正弦交流电源1台，自耦调压器、镇流器、启辉器、日光灯各1个，1μF、2.2μF、4.7μF电容器各1个，导线若干。实施步骤（1）根据图3-23所示日光灯电路，将各类实验器材连接起来。图3-23日光灯电路实施步骤（2）将S1、S2、S3断开，接通220V单相正弦交流电源。将所有测量结果填入表3-6中。表3-6日光灯电路的测量与计算结果（一）表3-7日光灯电路的测量与计算结果（二）（3）操作开关，使电路分别并联电容。并将测量结果填入表3-7中。老师根据学生的实际表现情况进行评分，并将评分结果填入表3-8中。表3-8提高电路功率因数实验评分表任务评价序号内容评分标准分值得分1总体表现遵守课堂纪律和实训规定，服从老师管理，主动思考并积极参与讨论，否则酌情扣分20分

2实际操作正确连接电路，正确使用仪器、仪表，否则每错1处扣5分；正确操作开关，使电路并联的电容连接正确，否则每错1处扣10分30分

3实施结果表3-6、表3-7中测量与计算的结果正确，否则每错1处扣5分40分

4安全文明作业严格执行安全操作规程，否则每错1处扣5分；不得损坏仪器、仪表，否则扣10分10分

总分

三相正弦交流电路任务3.3任务引入目前，外部电源主要通过三相正弦交流电路向城市轨道交通系统供电。与单相正弦交流电路相比，三相正弦交流电路具有更多的优点。例如，在相同功率条件下，三相交流发电机比单相交流发电机性能好、尺寸小、成本低；在电机尺寸相同的条件下，三相交流发电机的输出功率比单相交流发电机高；在输电距离、输送功率等相同的条件下，三相输电比单相输电更能节约材料等。因此，三相正弦交流电路具有更高的实际应用价值。那么，三相正弦交流电是如何产生的？三相正弦交流电路有哪些连接方式？其负载又有哪些特点呢？1三相正弦交流电源的产生3.3.1三相正弦交流电源图3-24三相交流发电机的组成图3-25定子绕组的结构1三相正弦交流电源的表示方法3.3.1三相正弦交流电源将三相正弦交流电压用波形图和相量图表示，如图3-26所示。3.3.1三相正弦交流电源（a）波形图（b）相量图图3-26三相正弦交流电压的波形图和相量图3三相正弦交流电源的星形连接3.3.1三相正弦交流电源3.3.1三相正弦交流电源图3-27三相正弦交流电源的星形连接4三相正弦交流电源的三角形连接3.3.1三相正弦交流电源

三相正弦交流电源的三角形（△）连接是指将一相绕组的始端与另一相绕组的末端依次连接，再从三个接点处分别引出三条相线的连接方式，如图3-29所示。图3-29三相正弦交流电源的三角形连接3.3.2三相负载的连接1三相负载的星形连接3.3.2三相负载的连接将三相负载的末端与三相正弦交流电源的中性线相连，并把三相负载的三个首端分别接到三相正弦交流电源的三条相线上，这种连接方式称为三相负载的星形连接，如图3-30所示。图3-30负载做星形连接的三相四线制电路不论哪种连接方式，负载在同一相始末两端之间的电压都称为负载的相电压，在两相始端之间的电压都称为负载的线电压；流过负载的电流都称为相电流，有效值用表示；流过相线的电流都称为线电流。3.3.2三相负载的连接2三相负载的三角形连接3.3.2三相负载的连接将三相负载分别连接到三相正弦交流电源的两条相线之间，这种连接方式称为三相负载的三角形连接，如图3-32所示。图3-32负载做三角形连接的三相正弦交流电路3.3.2三相负载的连接1．有功功率3.3.3三相正弦交流电路的功率与单相正弦交流电路相同，三相正弦交流电路的功率除包括瞬时功率外，还包括有功功率、无功功率和视在功率。2．无功功率3.3.3三相正弦交流电路的功率3．视在功率3.3.3三相正弦交流电路的功率例题3.3.3三相正弦交流电路的功率解3.3.3三相正弦交流电路的功率解1）三相四线制电路的功率测量3.3.3三相正弦交流电路的功率（1）对称的三相四线制电路中各相的功率相同。具体方法为：将功率表的电流线圈串联在相线上，电压线圈的电源端与电流线圈的电源端相连，另一端连接在中性线上。这种测量方法称为一表法，电路的总功率等于该测量值的三倍。（2）非对称的三相四线制电路中各相的功率不同。具体方法为：将三个功率表分别连接在三条相线上，连接方式与一表法相同。这种测量方法称为三表法，电路的总功率等于三个测量值之和。4．功率的测量3.3.3三相正弦交流电路的功率图3-33三相三线制电路的功率测量2）三相三线制电路的功率测量如图3-33所示，对于三相三线制电路，可将两个功率表的电流线圈分别串联在任意两条相线上；电压线圈的电源端与电流