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PAGEPAGE38单相正弦交流电路的基本知识本章的学习重点:正弦交流电路的基本概念;正弦量有效值的概念和定义,有效值与最大值之间的数量关系;三大基本电路元件在正弦交流电路中的伏安关系及功率和能量问题。3.1正弦交流电路的基本概念1、学习指导(1)正弦量的三要素正弦量随时间变化、对应每一时刻的数值称为瞬时值,正弦量的瞬时值表示形式一般为解析式或波形图。正弦量的最大值反映了正弦量振荡的正向最高点,也称为振幅。正弦量的最大值和瞬时值都不能正确反映它的作功能力,因此引入有效值的概念:与一个交流电热效应相同的直流电的数值定义为这个交流电的有效值。正弦交流电的有效值与它的最大值之间具有确定的数量关系,即。周期是指正弦量变化一个循环所需要的时间;频率指正弦量一秒钟内所变化的周数;角频率则指正弦量一秒钟经历的弧度数,周期、频率和角频率从不同的角度反映了同一个问题:正弦量随时间变化的快慢程度。相位是正弦量随时间变化的电角度,是时间的函数;初相则是对应t=0时刻的相位,初相确定了正弦计时始的位置。正弦量的最大值(或有效值)称为它的第一要素,第一要素反映了正弦量的作功能力;角频率(或频率、周期)为正弦量的第二要素,第二要素指出了正弦量随时间变化的快慢程度;初相是正弦量的第三要素,瞎经确定了正弦量计时始的位置。一个正弦量,只要明确了它的三要素,则这个正弦量就是唯一地、确定的。因此,表达一个正弦量时,也只须表达出其三要素即可。解析式和波形图都能很好地表达正弦量的三要素,因此它们是正弦量的表示方法。(2)相位差相位差指的是两个同频率正弦量之间的相位之差,由于同频率正弦量之间的相位之差实际上就等于它们的初相之差,因此相位差就是两个同频率正弦量的初相之差。注意:不同频率的正弦量之间是没有相位差的概念而言的。相位差的概念中牵扯到超前、滞后、同相、反相、正交等术语,要求能够正确理解,要注意超前、滞后的概念中相位差不得超过±180°;同相即两个同频率的正弦量初相相同;反相表示两个同频率正弦量相位相差180°,注意180°在解析式中相当于等号后面的负号;正交表示两个同频率正弦量之间的相位差是90°。2、学习检验结果解析(1)何谓正弦量的三要素?三要素各反映了正弦量的哪些方面?解析:最大值(或有效值)反映了正弦量的作功能力;角频率(或周期、频率)反映了正弦量随时间变化的快慢程度;初相确定了正弦量计时始的位置,它们是正弦量的三要素。(2)一个正弦电流的最大值为100mA,频率为2000Hz,这个电流达到零值后经过多长时间可达50mA?解析:由题目给出的条件可知,此正弦电流的周期等于由零值到达50mA需经历的时间为一个周期T是2π,所以(3)两个正弦交流电压u1=U1msin(ωt+60°)V,u2=U2msin(2ωt+45°)V。比较哪个超前哪个滞后?解析:这两个正弦量由于不属于同频率的正弦量,因此它们之间无法比较相位差。(4)有一电容器,耐压值为220V,问能否用在有效值为180V的正弦交流电源上?解析:这个电容器若接在有效值为180V的电源上,则该电源的最大值为180×1.414≈255V,这个值大于电容器的耐压值220V,因此不能把它用在有效值为180V的正弦交流电源上。(5)一个工频电压的初相为30Ο,在时的值为(-268)V,试求它的有效值。解析:可写出该正弦量的解析式为:把和瞬时值-268代入上式可得:后解得此电压的有效值为:U≈379V3.7把L=51mH的线圈(其电阻极小,可忽略不计),接在电压为220V、频率为50Hz的交流电路中,要求:(1)绘出电路图;(2)求出电流I的有效值;(3)求出XL。L220V~L220V~习题3.7电路示意图i(2)电流有效值为A(3)线圈感抗为3.8在50微法的电容两端加一正弦电压V。设电压u和i为关联参考方向,试计算瞬间电流和电压的数值。解:通过电容的电流最大值为t=T/6时:Vt=T/4时:Vt=T/2时:VAXC+220V-~电路图I3.9CXC+220V-~电路图I解:电路图如右图所示。电流的有效值为电容器的容抗为3.10具有电阻为4欧和电感为25.5毫亨的线圈接到频率为50赫、电压为115伏的正弦电源上。求通过线圈的电流?如果这只线圈接到电压为115伏的直流电源上,则电流又是多少?解:线圈在115V正弦交流电源作用下的阻抗为通过线圈的电流有效值为若这只线圈接到电压为115V的直流电源上,电流为3.11如图所示,各电容、交流电源的电压和频率均相等,问哪一个安培表的读数最大?哪一个为零?为什么?图3.13题图3.13题3.11电路-(a)u-(c)u(b)ECCCA1CA2A3U解:电容对直流相当于开路,因此A2表的读数为零;(c)图总电容量大于(a)图电容量,根据I=UωC可知,在电源电压和频率均相等的情况下,A3表的读数最大。3.12一个电力电容器由于有损耗的缘故,可以用R、C并联电路表示。在工程上为了表示损耗所占的比例常用来表示,δ称为损耗角。今有电力电容器,测得其电容C=0.67微法,其等值电阻R=21欧。试求50赫时这只电容器的为多少?解:工频50Hz情况下+U-I线圈在直流情况下的作用LR+u-i+U-I线圈在直流情况下的作用LR+u-i线圈在交流情况下的作用R|Z|解:电路图如右图所示。线圈的电阻为线圈的阻抗为则线圈的电感为试题库一、填空题(建议较易填空每空0.5分,较难填空每空1分)1、正弦交流电的三要素是指正弦量的、和。2、反映正弦交流电振荡幅度的量是它的;反映正弦量随时间变化快慢程度的量是它的;确定正弦量计时始位置的是它的。3、已知一正弦量,则该正弦电流的最大值是A;有效值是A;角频率是rad/s;频率是Hz;周期是s;随时间的变化进程相位是;初相是;合弧度。4、正弦量的值等于它的瞬时值的平方在一个周期内的平均值的,所以值又称为方均根值。也可以说,交流电的值等于与其相同的直流电的数值。5、两个正弦量之间的相位之差称为相位差,频率的正弦量之间不存在相位差的概念。6、实际应用的电表交流指示值和我们实验的交流测量值,都是交流电的值。工程上所说的交流电压、交流电流的数值,通常也都是它们的值,此值与交流电最大值的数量关系为:。7、电阻元件上的电压、电流在相位上是关系;电感元件上的电压、电流相位存在关系,且电压电流;电容元件上的电压、电流相位存在关系,且电压电流。8、的电压和电流构成的是有功功率,用P表示,单位为;的电压和电流构成无功功率,用Q表示,单位为。9、能量转换中过程不可逆的功率称功功率,能量转换中过程可逆的功率称功功率。能量转换过程不可逆的功率意味着不但,而且还有;能量转换过程可逆的功率则意味着只不。10、正弦交流电路中,电阻元件上的阻抗=,与频率;电感元件上的阻抗=,与频率;电容元件上的阻抗=,与频率。二、判断下列说法的正确与错误(建议每小题1分)1、正弦量的三要素是指它的最大值、角频率和相位。()2、超前为45°电角。()3、电抗和电阻的概念相同,都是阻碍交流电流的因素。()4、电阻元件上只消耗有功功率,不产生无功功率。()5、从电压、电流瞬时值关系式来看,电感元件属于动态元件。()6、无功功率的概念可以理解为这部分功率在电路中不起任何作用。()7、几个电容元件相串联,其电容量一定增大。()8、单一电感元件的正弦交流电路中,消耗的有功功率比较小。()三、单项选择题(建议每小题2分)1、在正弦交流电路中,电感元件的瞬时值伏安关系可表达为()A、B、u=jiωLC、2、已知工频电压有效值和初始值均为380V,则该电压的瞬时值表达式为()A、VB、VC、V3、一个电热器,接在10V的直流电源上,产生的功率为P。把它改接在正弦交流电源上,使其产生的功率为P/2,则正弦交流电源电压的最大值为()A、7.07VB、5VC、10V4、已知A,)A,则()A、i1超前i260°B、i1滞后i260°C、相位差无法判断5、电容元件的正弦交流电路中,电压有效值不变,当频率增大时,电路中电流将()A、增大B、减小C、不变6、电感元件的正弦交流电路中,电压有效值不变,当频率增大时,电路中电流将()A、增大B、减小C、不变7、实验室中的交流电压表和电流表,其读值是交流电的()。A、最大值B、有效值C、瞬时值8、314μF电容元件用在100Hz的正弦交流电路中,所呈现的容抗值为()A、0.197ΩB、31.8ΩC、5.1Ω9、在电阻元件的正弦交流电路中,伏安关系表示错误的是()A、B、U=IRC、10、某电阻元件的额定数据为“1KΩ、2.5W”,正常使用时允许流过的最大电流为()A、50mAB、2.5mAC、250mA11、u=-i=5cosA、25°B、95°C、115°12、周期T=1S、频率f=1Hz的正弦波是()A、4cos314tB、6sin(5t+17°)C、4cos2πt四、简答题(建议每小题3~5分)1、电源电压不变,当电路的频率变化时,通过电感元件的电流发生变化吗?2、某电容器额定耐压值为450伏,能否把它接在交流380伏的电源上使用?为什么?3、你能说出电阻和电抗的不同之处和相似之处吗?它们的单位相同吗?4、无功功率和有功功率有什么区别?能否从字面上把无功功率理解为无用之功?为什么?5、从哪个方面来说,电阻元件是即时元件,电感和电容元件为动态元件?又从哪个方面说电阻元件是耗能元件,电感和电容元件是储能元件?6、正弦量的初相值有什么规定?相位差有什么规定?7、直流情况下,电容的容抗等于多少?容抗与哪些因素有关?8、感抗、容抗和电阻有何相同?有何不同?9、额定电压相同、额定功率不等的两个白炽灯,能否串联使用?10、如何理解电容元件的“通交隔直”作用?五、计算分析题(根据实际难度定分,建议每题在6~12分范围)1、试求下列各正弦量的周期、频率和初相,二者的相位差如何?(1)3sin314t;(2)8sin(5t+17°)2、某电阻元件的参数为8Ω,接在V的交流电源上。试求通过电阻元件上的电流i,如用电流表测量该电路中的电流,其读数为多少?电路消耗的功率是多少瓦?若电源的频率增大一倍,电压有效值不变又如何?(8分)3、某线圈的电感量为0.1亨,电阻可忽略不计。接在V的交流电源上。试求电路中的电流

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