《汽车电工电子技术》 课件 项目二汽车电源交流电路的分析与测量

汽车电工电子技术-2-项目二汽车电源交流电路的分析与测量

任务一正弦交流电路分析任务二汽车交流发电机的拆解与检测任务三汽车整流电路的分析

凡大小和方向随时间作周期性变化的电流、电压和电动势称为交流电流、交流电压和交流电动势，统称交流电。交流电分为正弦交流电和非正弦交流电两种。正弦交流电：指随时间按正弦规律变化的交流电。一、正弦交流电3.1.1正弦量的三要素1.

正弦交流电的周期、频率和角频率角频率ω

正弦量单位时间内变化的弧度数。角频率与周期及频率的关系：周期T

正弦量完整变化一周所需要的时间。频率f

正弦量在单位时间内变化的次数。周期与频率的关系：3.1.1正弦量的三要素1.

正弦交流电的周期、频率和角频率3.1.1正弦量的三要素（1）

正弦交流电的周期、频率和角频率3.1.1正弦量的三要素周期与频率的关系：3.1.1正弦量的三要素角频率ω

正弦量单位时间内变化的弧度数。周期与频率的关系：1.表征正弦交流电的物理量最大值角频率初相位正弦交流电的三要素（2）正弦量的瞬时值、最大值和有效值瞬时值

正弦交流电在某一瞬间的大小称为瞬时值，通常用解析式表示：如最大值

最大的瞬时值称为最大值。ut0指与交流电热效应相同的直流电数值。R

iit时间内在R上产生的热量为Q例我们就把与交流电热效应相同的直流电流I的数值称为i的有效值。有效值可以确切地反映交流电的作功能力。理论和实际都可以证明R

II通过Rt时间内也产生Q热量有效值正弦量解析式中随时间变化的电角度(ωt+φ)称为相位，相位是时间的函数，反应了正弦量随时间变化的整个进程。相位t=0时的相角φ，初相确定了正弦量计时始的位置。初相的取值范围在-π~π之间3.

正弦交流电的相位和初相初相ut0例相位初相u、i的相位差为：

显然，相位差实际上等于两个同频率正弦量之间的初相之差。相位差两个同频率正弦量之间相位的差值称为它们的相位差u1与u2反相，即相位差为180°；ωtu4u2u1uu3超前u190°，或说u1滞后u390°，二者为正交的相位关系。u1与u4同相，即相位差为零。介绍几个有关相位差的概念：u3相位差2.正弦量的向量表示法

正弦量还可以用一个称为相量的有方向的线段表示。该线段的长度等于正弦电量的有效值，该线段与横坐标轴正方向的夹角等于正弦量的初相角。j

应用相量图时注意以下几点：(1)同一相量图中，各正弦交流电的频率应相同。(2)同一相量图中，相同单位的相量应按相同比例画出。(3)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。(4)用相量表示正弦交流电后，它们的加、减运算可按平行四边形法则进行。i=uR（1）电阻元件上的电压、电流关系iR

u电压、电流的瞬时值表达式为：

由两式可推出，电阻元件上电压、电流的相位上存在同相关系；数量上符合欧姆定律，即：I=UR二、单一元件交流电路的特性

1.纯电阻元件交流电路（a）电路图

（b）波形图

（c）向量图

（2）

功率

瞬时功率p瞬时功率用小写！则平均功率（有功功率）P(一个周期内的平均值)

P=UI

平均功率代表了电路实际消耗的功率，因此也称之为有功功率。（1）电感元件上的电压、电流关系设通过L中的电流为

则L两端的电压为

相位上电压超前电流90°电压电流之间的数量关系：ULm=ImωL=ImXL其中XL是电感电抗，简称感抗，单位是欧姆。L+–uiUL=IωL=IXL2.纯电感元件交流电路电感元件的电压电流有效值关系为

XL=2πfL=ωL，虽然式中感抗和电阻类似，等于元件上电压与电流的比值，但它与电阻有所不同，电阻反映了元件上耗能的电特性，而感抗则是表征了电感元件对正弦交流电流的阻碍作用，这种阻碍作用不消耗电能，只能推迟正弦交流电流通过电感元件的时间。XL与频率成正比；与电感量L成正比。直流下频率f=0，所以XL=0。L

相当于短路。（a）电路图

（b）波形图

（c）向量图

（3）电感元件的功率有功功率P=0，电感元件不耗能！

无功功率QL

（单位为乏尔Var）无功功率QL反映了电感元件与电源之间能量交换的规模。（1）

电容元件上的电压、电流关系设加在C上的电压则C中通过的电流在相位上电流超前电压90°。电压电流之间的数量关系：ILm=UmωC=Um/XC其中XC是电容电抗，简称容抗，单位也是欧姆。C+–ui3.纯电容元件交流电路（2）容抗的概念其中：IC=U

C=U/XC电容元件电压电流有效值关系为XC与频率成反比；与电容量C成反比，因此频率越高电路中容抗越小，这被称作电容元件的通交作用，高频电路中电容元件相当于短路。

直流下频率f=0，所以XC=∞。我们说电容元件相当于开路。（隔直作用）

容抗反映了电容元件对正弦交流电流的阻碍作用。只有在一定频率下，电容元件的容抗才是常数。（a）电路图

（b）波形图

（c）向量图

（3）电容元件的功率有功功率P=0，电容元件不耗能！

无功功率QL

（单位为乏尔Var）无功功率QL反映了电容元件与电源之间能量交换的规模。•×ו1.三相交流电源

NSXBYCZA三绕组在空间位置互差120o定子转子转子装有磁极并以

的速度旋。三个线圈中便产生三个单相电动势。三相交流发电机示意图尾端：

XYZ首端：

ABC↓↓↓三、三相交流电路对称三相交流电波形图u0TuAuBuCωt

对称三相交流电的特征：大小相等，频率相同，相位互差120º。120°120°120°UBUAUC对称三相电压相量图三相电动势达到最大值的先后顺序称为相序。正相序：U—V—W；负相序（或逆相序）：W—V—UN中点或零点N相线中线或零线相线相线线电压相电压三相四线制供电系统UVWU1W1V1U2V2W2三相电源Y接时可向负载提供两种电压线电压Ul相电压UP2.三相电源的连接方式三相电源的星形（Y）连接每相绕组两端的电压。

线电压：

任意两根相线之间的电压。

线电压和相电压的关系：A．线电压和相电压的数量关系：

B．线电压和相电压的相位关系：线电压超前对应的相电压30°。相电压：

三相电源的三角形连接

将三相电源内每相绕组的末端和另一相绕组的始端依次相连的连接方式，称为三相电源绕组的三角形（Δ形）连接。线电压和相电压的关系：

若三相电动势为三相对称电动势，则三角形闭合回路的总电动势等于零，即3.三相负载的连接方式三相负载的一端连在一起与零线相接；另一端分别与火线相接的方式称为：星形接法负载有两种接法:UWV

NZZZUWVZZZ三相负载的首尾相连成一个闭环，然后与三根火线相接的方式称为：三角形接法(1)负载的Y形连接:UWV

NZZZuUuVuW线电流iWiViU相电流Y接负载的端电压等于电源相电压；负载中通过的电流称为相电流IP；iN中线电流

三相电源对称、三相Y接负载也对称的情况下，三相负载电流也是对称的，此时中线电流为零。火线上通过的电流称为线电流Il；中线上通过的电流称为中线电流IN；各相负载中通过的电流分别为：中线电流：

显然（2）负载的Δ形连接:uUVuVWuWUΔ接负载的端电压等于电源线电压；负载中通过的电流称为相电流IP；火线上通过的电流称为线电流Il；各相负载中通过的电流分别为：各线电流与相电流的关系为：UWVZZZ线电流iWiViU相电流iUViVWiWU电流相量图-IBCIAICA-IBIAB-IC线、相电流关系为：

三相电源对称、三相Y接负载也对称的情况下，三相负载中的相电流iAB、iBC、iCA也是对称的，火线上通过的三个线电流iA、iB、iC也对称。由相量图还可看出，在三相对称情况下，线电流是相电流的倍，相位滞后与其相对应的相电流30°。任务一正弦交流电路分析项目内容和步骤1.使用万用表测量交流电压要求：观察电工电子实验台上信号源部分面板结构，调整交流电源的输出电压。选择万用表交流电压挡的适当量程，将万用表并联在交流电源两端，测量其电压值。2.使用示波器观测交流信号要求：正确连接交流电源与示波器，调整示波器相关旋钮，使之显示清晰、稳定波形。使用示波器准确读取交流电压的峰-峰值和周期。

汽车上的三相交流发电机是汽车的主电源它提供汽车运行时的所有用电器的电量，交流电经整流器整流后变为直流电，供给汽车电器使用，所以我们大家一起认识交流发电机任务二汽车交流发电机的拆解与检测一、汽车交流发电机1.后端盖

2.电刷架

3.电刷

4.电刷弹簧压盖

5.硅二极管

6.元件板（散热板）7.转子总成

8.定子总成

9.前端盖

10.风扇

11.V带轮1.交流发电机的构造

转子转子的功用是产生旋转磁场。转子由爪极、磁轭、磁场绕组、集电环、转子轴组成，见图。转子轴上压装着两块爪极，两块爪极各有六个鸟嘴形磁极,爪极空腔内装有磁场绕组(转子线圈)和磁轭。集电环由两个彼此绝缘的铜环组成，集电环压装在转子轴上并与轴绝缘，两个集电环分别与磁场绕组的两端相连。定子定子的功用是产生交流电。定子由定子铁心和定子绕组成。定子铁心由内圈带槽的硅钢片叠成，定子绕组的导线就嵌放在铁心的槽中。定子绕组有三相，三相绕组采用星形接法，产生三相交流电。三相绕组的必须按一定要求绕制,才能使之获得频率相同、幅值相等、相位互差120°的三相电动势。3.整流器(1)作用：将定子绕组产生的三相交流电动势转换为脉动直流电。(2)组成：6只硅整流二极管。4.前后端盖(1)组成：铝合金压铸，为非导磁材料，轻便，便于安装、拆下。(2)作用：支撑相关部件。5.电刷与滑环接触，接通励磁电路。6.风扇在发电机工作时，强制通风冷却发电机内部。2.交流发电机的工作原理

交流发电机的励磁方式1)当发电机输出电压高于蓄电池电压，励磁方式为自励。2)当发电机输出电压低于蓄电池电压，励磁方式为他励。发电机特殊的励磁方式是由其转子磁极剩磁较弱的特性决定的。

1.定子绕组的检测

二、交流发电机的检测（a）定子绕组的电阻检测

（b）定子绕组的绝缘检测图

2.转子绕组的检测

（a）转子绕组的电阻检测（b）转子绕组的绝缘检测图（a）正极管的检测（b）负极管的检测

3.硅整流管的检测

三、安全用电

1.安全用电基础知识

（1）触电危害

1）电伤电伤是指电流的热效应、化学效应、机械效应对人体外表造成的局部伤害，最常见的有电灼伤、电烙印、皮肤金属化三种类型。2）电击电击是指电流通过人体而造成的内部器官在生理上的反应和病变。触电对人体的伤害程度取决于通过人体电流的大小。当通过人体的工频电流超过50mA，且通过时间超过1s时，可能造成生命危险。

安全电压：36V以下（2）常见的触电形式

1）单相触电单相触电是指人体在地面或其他接地体上，人体的某一部分触及一相带电体的触电事故。2）两相触电两相触电是指人体两处同时触及两相带电体而发生的触电事故，电流从一根相线经过人体流至另一根相线。3）跨步电压触电输电线断线落地或者外壳接地的电气设备绝缘损坏而漏电时，电流在落地点或接地体周围地面产生强大的电场。当人走过落地点周围时，其两脚间会承受一定的电压，称为跨步电压。保护接地保护接零

2.电气安全防护

（1）保护接地：在中性点不接地的三相电源系统中，保护接地就是把电气设备的金属外壳与地做可靠的金属连接。（2）保护接零：保护接零就是在中性点接地的系统中，将电气设备在正常情况下不带电的金属部分与零线做良好的金属连接。

3.触电急救

（1）口对口人工呼吸法：迅速解开触电人的衣服、裤带，松开上身的衣服，使其胸部能自由扩张，不妨碍呼吸，使触电人仰卧，不垫枕头，头先侧向一边清除其口腔内的异物，救护人员位于触电人头部的左边或右边，用一只手捏紧其鼻孔，不使漏气，另一只手托在触电者颈后，将颈部上抬。救护人员做深呼吸后，紧贴触电人的嘴巴，向他大口吹气，然后放松捏着鼻子的手，让气体从触电者的肺部排出。如此反复进行，每5s一次（吹气2s，停3s），直到触电者苏醒为止。

（2）胸外挤压心脏法：使触电人仰卧，解开触电人的衣裤，清除口腔内异物，使其胸部能自由扩张。救护人员位于触电人一边，最好是跨跪在触电人的腰部，将右手的掌根放在心窝稍高一点的地方（掌根放在胸骨的下二分之一部位），中指指尖对准锁骨间凹陷处边缘，左手压在右手上，呈两手交叠状。掌跟用力下压3～4cm，然后突然放松，让胸部自行弹起，每分钟100次为宜，必须坚持连续进行，不可间断。一、二极管的识别与检测

任务三汽车整流电路的分析1.半导体基本知识

具有晶体结构的纯净半导体称为本征半导体。晶体通常具有规则的几何形状，在空间中按点阵（晶格）排列。最常用的半导体材料为硅（Si）和锗（Se）。

＋4＋4＋4＋4＋4＋4＋4＋4＋4从共价键晶格结构来看，每个原子外层都具有8个价电子。但价电子是相邻原子共用，所以稳定性并不能象绝缘体那样好。在游离走的价电子原位上留下一个不能移动的空位，叫空穴。

受光照或温度上升影响，共价键中价电子的热运动加剧，一些价电子会挣脱原子核的束缚游离到空间成为自由电子。

由于热激发而在晶体中出现电子空穴对的现象称为本征激发。

本征激发的结果，造成了半导体内部自由电子载流子运动的产生，由此本征半导体的电中性被破坏，使失掉电子的原子变成带正电荷的离子。

由于共价键是定域的，这些带正电的离子不会移动，即不能参与导电，成为晶体中固定不动的带正电离子。＋＋＋4＋4＋4＋4＋4＋4＋4＋4＋4受光照或温度上升影响，共价键中其它一些价电子直接跳进空穴，使失电子的原子重新恢复电中性。

价电子填补空穴的现象称为复合。

参与复合的价电子又会留下一个新的空位，而这个新的空穴仍会被邻近共价键中跳出来的价电子填补上，这种价电子填补空穴的复合运动使本征半导体中又形成一种不同于本征激发下的电荷迁移，为区别于本征激发下自由电子载流子的运动，我们把价电子填补空穴的复合运动称为空穴载流子运动。

本征半导体虽然有自由电子和空穴两种载流子，但由于数量极少导电能力仍然很低。如果在其中掺入某种元素的微量杂质，将使掺杂后的杂质半导体的导电性能大大增强。+五价元素磷(P)＋4＋4＋4＋4＋4＋4＋4＋4＋4P掺入磷杂质的硅半导体晶格中，自由电子的数量大大增加。因此自由电子是这种半导体的导电主流。

在室温情况下，本征硅中的磷杂质等于10-6数量级时，电子载流子的数目将增加几十万倍。掺入五价元素的杂质半导体由于自由电子多而称为电子型半导体，也叫做N型半导体。＋4＋4＋4＋4＋4＋4＋4＋4＋4三价元素硼(B)B+掺入硼杂质的硅半导体晶格中，空穴载流子的数量大大增加。因此空穴是这种半导体的导电主流。

一般情况下，杂质半导体中的多数载流子的数量可达到少数载流子数量的1010倍或更多，因此，杂质半导体比本征半导体的导电能力可增强几十万倍。

掺入三价元素的杂质半导体，由于空穴载流子的数量大大于自由电子载流子的数量而称为空穴型半导体，也叫做P型半导体。在P型半导体中，多数载流子是空穴，少数载流子是自由电子，而不能移动的离子带负电。－2.PN结及其单向导电性

PN结形成的过程中，多数载流子的扩散和少数载流子的漂移共存。开始时多子的扩散运动占优势，扩散运动的结果使PN结加宽，内电场增强；另一方面，内电场又促使了少子的漂移运动：削弱了内电场，使PN结变窄。最后，扩散运动和漂移运动达到动态平衡，空间电荷区的宽度基本稳定，即PN结形成。PN结的单向导电性3.二极管

使用二极管时，必须注意极性不能接反，否则电路非但不能正常工作，还有毁坏管子和其他元件的可能。（1）基本结构

（2）

二极管的伏安特性U(V)0.500.8-50-25I(mA)204060

(

A)4020

二极管的伏安特性是指流过二极管的电流与两端所加电压的函数关系。二极管既然是一个PN结，其伏安特性当然具有“单向导电性”。

二极管的伏安特性呈非线性，特性曲线上大致可分为四个区：

外加正向电压超过死区电压(硅管0.5V，锗管0.1V)时，内电场大大削弱，正向电流迅速增长，二极管进入正向导通区。硅二极管的正向导通电压约为0.7V，锗二极管的正向导通电压约为0.3V。死区正向导通区反向截止区

当外加正向电压很低时，由于外电场还不能克服PN结内电场对多数载流子扩散运动的阻力，故正向电流很小，几乎为零。这一区域称之为死区。

外加反向电压超过反向击穿电压UBR时，反向电流突然增大，二极管失去单向导电性，进入反向击穿区。反向击穿区反向截止区内反向饱和电流很小，可近似视为零值。（3）

二极管的主要参数

1）最大整流电流IDM：指二极管长期运行时，允许通过的最大正向平均电流。其大小由PN结的结面积和外界散热条件决定。

2）最高反向工作电压URM：指二极管长期安全运行时所能承受的最大反向电压值。手册上一般取击穿电压的一半作为最高反向工作电压值。

3）反向电流IR：指二极管未击穿时的反向电流。IR值越小，二极管的单向导电性越好。反向电流随温度的变化而变化较大，这一点要特别加以注意。

4）最大工作频率fM：此值由PN结的结电容大小决定。若二极管的工作频率超过该值，则二极管的单向导电性能将变得较差。（3）

二极管的识别与检测1）从外观判别二极管的极性

二极管的正、负极性一般都标注在其外壳上，有时会将二极管的图形直接画在其外壳上。两引脚若是轴向引出，则在二极管外壳上印有标记，有时在负端以色环（点）标志，用以区分正负极。2）万用表检测普通二极管的极性

万用表测量二极管极性是根据二极管正向电阻小，反向电阻大的特点，用万用表的R100或R1k档测量二极管的正、反向电阻。若两次阻值相差很大，说明该二极管性能良好。并根据测量电阻小的那次的表棒接法，判断出与黑表棒连接的是二极管的正极，与红表棒连接的是二极管的负极。（2）万用表检测普通二极管的极性

万用表测量二极管极性是根据二极管正向电阻小，反向电阻大的特点，用万用表的R100或R1k档测量二极管的正、反向电阻。若两次阻值相差很大，说明该二极管性能良好。并根据测量电阻小的那次的表棒接法，判断出与黑表棒连接的是二极管的正极，与红表棒连接的是二极管的负极。I(mA)40302010

0-5-10-15-20(μA)0.40.8－12－8－4U(V)

稳压二极管的反向电压几乎不随反向电流的变化而变化，这就是稳压二极管的显著特性。D

稳压二极管是一种特殊的面接触型二极管，其反向击穿可逆。正向特性与普通二极管相似反向击穿特性ΔIZΔUZ（1）

稳压二极管实物图图符号及文字符号

显然稳压管的伏安特性曲线比普通二极管的更加陡峭。4.特殊二极管

为了发挥稳压管的稳压作用，在使用时要注意以下几点：1）稳压管使用时必须加反向电压即正极接低电位，负极接高电位。2）稳压管在电路中应与被稳压的负载并联连接。3）为防止稳压管反向工作电流超过最大值而过热损坏，使用时必须串联限流电阻。汽车仪表稳压电路

发光二极管是一种能把电能直接转换成光能的固体发光元件。发光二极管和普通二极管一样，管芯由PN结构成，具有单向导电性。实物图图符号和

文字符号D

发光管正常工作时应正向偏置，因发光管属于功率型器件，因此死区电压较普通二极管高，其正偏工作电压至少要在1.3V以上。（2）

发光二极管（3）光敏二极管

PN结顶部由玻璃窗口的金属材料封装或用透明树脂封装，以便于接受光的照射。在PN结受到光线照射时，可以激发产生电子空穴对，从而提高了少数载流子的浓度。无光照时，反向电流很小；有光照时，反向电流急剧增加，且光照越强，反向电流越大。（a）外形（b）符号（c）伏安特性曲线将交流电变换成脉动的直流电1.单相半波整流电路

u2正半周，二极管VD导通，忽略管压降时，输出电压UO等于u2。VDIOTRLUOu2u1u2ωt0uoωt0u2

u2负半周，二极管VD反偏截止，UO等于0。电路实现了半波整流。二、汽车交流发电机整流器电路流过整流二极管的平均电流：二极管承受的反向峰值电压为：

常用于整流电流较小、对脉动要求不高的电子仪器和家用电器中。电路特点：结构简单，输出电流适中；输出电压脉动较大，整流效率低。输出电压平均值：aTbVDRLuO+-单相桥式整流电路VD1-VD4为整流元件,组成桥式结构电源变压器负载TrRLuou1VD4VD2VD1VD3u2ABCD2.单相桥式整流电路+−u1u2TVD4VD2VD1VD3RLuo（1）正半周时电流通路承受反压截止VD1和VD3导通，VD2和VD4截止。u2uo−+u1u2TVD4VD2