電工與電子技術(shù)基礎(chǔ)（第三版）課件：正弦交流電路

正弦交流電路§3—3?§3—1正弦交流電的基本概念§3—2?正弦交流電的表示方法純電阻電路§3—4?純電感電路§3—5?§3—6??§3—7??純電容電路串聯(lián)電路并聯(lián)電路§3—8??三相交流電的基本概念§3—9??安全用電常識§3—1正弦交流電的基本概念一、交流電的產(chǎn)生及交流電概念如圖所示為交流發(fā)電機(jī)的工作示意圖，當(dāng)線圈在勻強(qiáng)磁場中以角速度ω逆時(shí)針勻速轉(zhuǎn)動時(shí)，由于導(dǎo)線切割磁感線，線圈中將產(chǎn)生感應(yīng)電動勢（見圖）。當(dāng)線圈平面垂直于磁感線時(shí)，各邊都不切割磁感線，沒有感應(yīng)電動勢產(chǎn)生，此平面稱為中性面。交流發(fā)電機(jī)交流發(fā)電機(jī)工作示意圖交流發(fā)電機(jī)原理圖正弦交流電的產(chǎn)生過程交流電與直流電的根本區(qū)別是：直流電的方向不隨時(shí)間的變化而變化，交流電的方向和大小隨時(shí)間的變化而變化。直流電和交流電波形a）直流電?b）正弦交流電二、交流電的感應(yīng)電動勢和感應(yīng)電流設(shè)磁感應(yīng)強(qiáng)度為B，磁場中線圈一邊的長度為l，線圈從中性面開始轉(zhuǎn)動，經(jīng)過時(shí)間t，線圈轉(zhuǎn)過的角度為ωt，這時(shí)，其單側(cè)線圈切割磁感線的線速度v與磁感線的夾角也為ωt，所產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢e1?=?Blvsinωt。所以整個(gè)線圈所產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢為e?=?2Blvsinωt其中，2Blv

為感應(yīng)電動勢的最大值，設(shè)為Em，則e?=?Emsinωt上式為正弦交流電電動勢的瞬時(shí)值表達(dá)式，也稱為解析式。三、表征交流電的物理量1.周期、頻率和角頻率（1）周期交流電每重復(fù)變化一次所需的時(shí)間，稱為交流電的周期。用符號T

表示，單位是秒（s）（見圖）。正弦交流電的周期游樂場摩天輪（2）頻率交流電在1秒內(nèi)重復(fù)變化的次數(shù)，稱為交流電的頻率。用符號f

表示，單位是赫茲（Hz）。頻率與周期的關(guān)系如下：（3）角頻率正弦交流電1秒內(nèi)變化的電角度，用符號ω

表示，單位是弧度/秒（rad/s）2.最大值、有效值和平均值（1）最大值正弦交流電在一個(gè)周期所能達(dá)到的最大瞬時(shí)值，又稱峰值或幅值（見圖）。最大值用大寫字母加下標(biāo)m表示，如Em、Um、Im。正弦交流電的最大值（2）有效值有效值是這樣規(guī)定的：使交流電和直流電加在同樣阻值的電阻上，若在相同的時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生的熱量相同，就把這一直流電的數(shù)值叫作該交流電的有效值（見圖）。交流電的有效值3.相位與相位差（1）相位在e=?Emsin（ωt?+?φ0）中，（ωt?+?φ0）表示在任意時(shí)刻線圈平面與中性面所成的角度，這個(gè)角度稱為相位角，也稱相位或相角，它反映了交流電變化的進(jìn)程。其中，φ0為正弦量t=0時(shí)的相位，稱為初相位，也稱初相角或初相。（2）相位差兩個(gè)同頻率交流電的相位之差稱為相位差，用符號Δφ

表示，即Δφ?=（ωt+?φ1）-（ωt?+?φ2）=?φ1?-?φ2兩個(gè)同頻率交流電的相位差就等于它們的初相之差。最大值、角頻率和初相位稱為正弦交流電的三要素?！?—2正弦交流電的表示方法一、解析式法解析式法是用正弦函數(shù)來表示交流電的方法，它是正弦交流電的基本表示方法。其一般表示形式為e?=?Emsin（ωt?+?φ0）u?=?Umsin（ωt?+?φ0）i?=?Imsin（ωt?+?φ0）二、波形圖法波形圖法是用正弦函數(shù)圖像來表示正弦交流電的方法，例如正弦交流電壓

的波形圖如圖所示。正弦交流電波形圖表示法三、相量圖表示法正弦交流電也可以用相量圖來表示，相量圖表示法就是用一個(gè)在直角坐標(biāo)中繞原點(diǎn)不斷旋轉(zhuǎn)的相量來表示正弦交流電的方法。旋轉(zhuǎn)矢量與波形圖的關(guān)系?有效值相量圖§3—3?純電阻電路交流電路如果只有電阻，這種電路稱為純電阻電路（見圖a），如電熱爐、白熾燈等都可以近似地看成是純電阻電路。純電阻電路a）電路圖?b）相量圖?c）波形圖?d）功率曲線圖

二、功率電阻是耗能元件。通常用電阻在交流電一個(gè)周期內(nèi)消耗的功率的平均值來表示功率的大小，稱為平均功率，又稱有功功率，用P表示，單位仍是W。電壓、電流用有效值表示時(shí)，平均功率P的計(jì)算與直流電路相同，即§3—4?純電感電路一、電壓與電流的關(guān)系1.電壓與電流的數(shù)量關(guān)系由電阻很小的電感線圈組成的交流電路，可以近似地看作純電感電路。當(dāng)電感對交流電的阻礙作用用感抗表示、交流電壓和電流用有效值表示時(shí)，電感兩端電壓與電感電流的大小關(guān)系具有歐姆定律的形式，即2.電壓與電流的相位關(guān)系電壓超前電流90°，電壓、電流相量圖如圖b所示。純電感交流電路a）電路圖?b）相量圖?c）波形圖?d）功率曲線圖二、功率瞬時(shí)功率在一個(gè)周期內(nèi)吸收的能量與釋放的能量相等，也就是說純電感電路不消耗能量，電感是一種儲能元件。通常用瞬時(shí)功率的最大值來反映電感與電源之間轉(zhuǎn)換能量的規(guī)模，稱為無功功率，用QL

表示，單位名稱是乏，符號為var，其計(jì)算式為§3—5?純電容電路一、電壓與電流的關(guān)系純電容電路歐姆定律的表達(dá)式為電流超前電壓90°，電壓、電流相量圖如圖b所示。二、功率純電容電路的功率曲線如圖d所示。與電感一樣，電容也是儲能元件，純電容電路不消耗功率，平均功率為零。純電容電路的無功功率為純電容交流電路a）電路圖?b）相量圖?c）波形圖?d）功率曲線圖§3—6?串聯(lián)電路一、RL串聯(lián)電路1.電壓與電流的關(guān)系RL串聯(lián)電路總電壓瞬時(shí)值等于各個(gè)元件上電壓瞬時(shí)值之和，即u?=?uR?+?uL對應(yīng)的相量關(guān)系為從相量圖可以看出，日光燈等效電路（RL串聯(lián)電路）RL串聯(lián)電路相量圖2.功率（1）有功功率整個(gè)電路消耗的有功功率等于電阻消耗的有功功率，即P?=?URI根據(jù)圖所知UR?=?Ucosφ，代入上式得P=?URI?=?UIcosφ（2）無功功率整個(gè)電路的無功功率也就是電感上的無功功率，即

Q＝ULI＝UIsinφ。（3）視在功率電源輸出的總電流與總電壓有效值的乘積叫作電路的視在功率，用S

表示，即

S?=?UI。為了區(qū)別于有功功率和無功功率，視在功率的單位為V·A。RLC串聯(lián)電路二、RLC串聯(lián)電路1.電壓與電流的關(guān)系RLC串聯(lián)電路的總電壓瞬時(shí)值等于各個(gè)元件上電壓瞬時(shí)值之和，即對應(yīng)的相量關(guān)系為RLC串聯(lián)電路相量圖a）UL>UC?b）UL<UC?c）UL=UC由上式可知，當(dāng)R、L、C參數(shù)不同時(shí)，RLC串聯(lián)電路可能出現(xiàn)以下三種情況：（1）電感性電路當(dāng)XL>XC

時(shí)，則UL>UC，阻抗角φ>0，電路呈電感性。（2）電容性電路當(dāng)XL<XC

時(shí)，則UL<UC，阻抗角φ<0，電路呈電容性。（3）電阻性電路當(dāng)XL=XC

時(shí)，則UL=UC，阻抗角φ=0，電路呈電阻性。電感和電容的無功功率正好互相補(bǔ)償，這種電路狀態(tài)稱為串聯(lián)諧振。2.功率（1）有功功率RLC串聯(lián)電路的有功功率即為電阻消耗的功率，即：P

＝URI＝UIcosφ（2）無功功率Q=QL-QC=ULI-UCI=I2（XL-XC）=Uisinφ（3）視在功率視在功率即電源輸出功率S?=?UI。視在功率S

與有功功率P和無功功率Q

的關(guān)系為§3—7?并聯(lián)電路一、電流與電壓的關(guān)系總電流

I確定后，電路的功率可根據(jù)下式求得并聯(lián)電路相量圖并聯(lián)諧振電路二、并聯(lián)諧振1.并聯(lián)諧振總電流與電壓同相，電路呈電阻性，這時(shí)的電路狀態(tài)為并聯(lián)諧振狀態(tài)，簡稱并聯(lián)諧振。2.并聯(lián)諧振的特點(diǎn)（1）總阻抗最大，且為純電阻性，其值為（2）總電流最小，且與電壓同相，其值為§3—8三相交流電的基本概念插座面板a）三相插座?b）單相插座一、三相交流電的產(chǎn)生三相交流發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)示意圖如圖所示，它主要由定子和轉(zhuǎn)子組成。轉(zhuǎn)子是電磁鐵，定子有三個(gè)繞組（U1U2、V1V2和W1W2），它們在空間位置上彼此相隔120°，轉(zhuǎn)子在原動機(jī)帶動下以角速度ω

做勻速轉(zhuǎn)動時(shí)，三相定子繞組切割磁感線，產(chǎn)生三個(gè)對稱的正弦交流電動勢。三個(gè)正弦交流電動勢的最大值相等，頻率相同，相位彼此相差120°，其解析式如圖a所示，波形圖如圖b所示。三相交流發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖三相交流電的解析式和波形圖a）解析式?b）波形圖二、三相四線制發(fā)電機(jī)的每個(gè)繞組各接上一個(gè)負(fù)載，就得到三個(gè)獨(dú)立的單相電路，構(gòu)成三相六線制。將發(fā)電機(jī)三個(gè)繞組的末端連在一起，成為一個(gè)公共點(diǎn)（稱為中性點(diǎn)），從中性點(diǎn)引出一條輸電線，稱為中性線，簡稱中線，用N表示。中性線通常與大地相連，稱為零線。從發(fā)電機(jī)三個(gè)繞組的始端引出的輸電線，稱為相線，俗稱火線，用L1、L2、L3表示。三相四線制供電可送出兩種電壓，一種是相線與相線之間（如L1、L2、L3之間）的電壓，稱為線電壓，分別為uUV、uVW、uWU；另一種是相線與零線之間（如L1、L2、L3與N之間）的電壓，稱為相電壓，分別為uU、uV、uW。三相四線制電路

單相交流電三、三相負(fù)載的聯(lián)結(jié)在實(shí)際生產(chǎn)和日常生活中，把接在三相電源上的負(fù)載統(tǒng)稱為三相負(fù)載，并且把各相負(fù)載相同的三相負(fù)載稱為三相對稱負(fù)載。如果三相負(fù)載不同，則稱為三相不對稱負(fù)載。

三相負(fù)載的星形聯(lián)結(jié)

三相負(fù)載的三角形聯(lián)結(jié)§3—9?安全用電常識一、觸電類型1.單相觸電人站在大地上，人體觸及一根相線（或漏電的電氣設(shè)備），而電源中性點(diǎn)是接地的，此時(shí)電流通過人體流入大地，人體承受的電壓是相電壓220?V（見圖）。單相觸電2.兩相觸電人體同時(shí)觸及兩根相線，此時(shí)電流從一根相線通過人體流到另一根相線，作用于人體的電壓是線電壓380?V，危險(xiǎn)性比單相觸電更大（見圖）。兩相觸電3.跨步電壓觸電在高壓導(dǎo)線斷落掉地處，在大地周圍形成電場（見圖），當(dāng)人走進(jìn)電場區(qū)域，兩腳踩在A、B兩點(diǎn)時(shí)，由于A、B的電場強(qiáng)度不同，便形成跨步電壓?？绮诫妷河|電二、安全電流與電壓1.影響人體觸電受傷害程度的因素（1）電流的大小和持續(xù)的時(shí)間觸電電流越大，持續(xù)的時(shí)間越長，對人體的傷害越嚴(yán)重。（2）觸電路徑最危險(xiǎn)的觸電路徑是從左手到腳。（3）電流種類50

Hz的工頻交流電流對人體的傷害最大。（4）人體電阻其中皮膚越潮濕，人體電阻越小。2.安全電壓加在人體上一定時(shí)間內(nèi)不致造成傷害的電壓稱為安全電壓。通常規(guī)定交流36?V及以下、直流48

V及以下為安全電壓。三、防止觸電的技術(shù)措施1.保護(hù)接地將電氣設(shè)備的金屬外殼與大地可靠地連接，稱為保護(hù)接地（見圖）。它適用于1?kV以下中性點(diǎn)不接地的三相供電系統(tǒng)。保護(hù)接地示意圖計(jì)算機(jī)電源線2.保護(hù)接零將電氣設(shè)備在正常情況下不帶電的外露導(dǎo)電部分與供電系統(tǒng)中的零線相接，稱為保護(hù)接零（見圖）。保護(hù)接零適用于中性點(diǎn)直接接地的三相供電系統(tǒng)。保護(hù)接零示意圖3.漏電保護(hù)器當(dāng)電氣設(shè)備漏電時(shí)，人觸及漏電的外殼，也會造成觸電事故。為了防止設(shè)備漏電而造成的觸電，需要安裝漏電保護(hù)器。漏電保護(hù)器工作原理四、安全用電注意事項(xiàng)1.判斷電線或用電設(shè)備是否帶電，必須用驗(yàn)電器，絕不允許用手觸摸。2.在檢修電氣設(shè)備或更換熔體時(shí)，應(yīng)切斷電源。3.根據(jù)需要選擇熔斷器的熔絲直徑。4.安裝照明線路時(shí)，開關(guān)和明裝插座離地面一般不低于1.3?m，暗裝插座離地面一般不低于0.3?m。5.在電力線路附近，不要安裝電視機(jī)的天線，不要放風(fēng)箏和打鳥。6.發(fā)現(xiàn)電線或電氣設(shè)備起火，應(yīng)迅速切斷電源。五、觸電急救1.切斷電源發(fā)生觸電