轮机员培训教案正弦交流电路.ppt

《轮机员培训教案正弦交流电路.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《轮机员培训教案正弦交流电路.ppt（85页珍藏版）》请在三一文库上搜索。

1、正弦交流电路,天津理工大学海运学院 2013.4,第二节 正弦交流电路,一、正弦交流电的基本概念,二、交流电路中的电阻、电感、电容元件,三、三相交流电源基本概念,四、三相负载的连接方式,1. 理解正弦量的特征及其各种表示方法； 2. 理解电路基本定律的相量形式及阻抗； 熟练掌握计算正弦交流电路的相量分析法， 会画相量图。； 3. 掌握有功功率和功率因数的计算,了解瞬时 功率、无功功率和视在功率的概念； 4.了解串、并联谐振的条件及特征； 5.了解提高功率因数的意义和方法。,基本要求,基本要求： 1. 搞清对称三相负载Y和联结时相线电压、 相线电流关系。 2. 掌握三相四线制供电系统中单相及三相

2、负载 的正确联接方法，理解中线的作用。 3. 掌握对称三相电路电压、电流及功率的计算。,一、正弦交流电的基本概念,正弦量： 随时间按正弦规律做周期变化的量。,+,_,正弦交流电的优越性： 便于传输；易于变换 便于运算； 有利于电器设备的运行； . . . . .,正半周,负半周,1.瞬时值,设正弦交流电流：,幅值、角频率、初相角称为正弦量的三要素。,2.幅值（最大值）与有效值,有效值：与交流热效应相等的直流定义为交流电的有效值。,幅值：Im、Um、Em,则有,交流,直流,同理：,注意： 交流电压、电流表测量数据为有效值,交流设备名牌标注的电压、电流均为有效值,3.频率与周期,周期T：变化一周所

3、需的时间 （s）,角频率：,（rad/s）,4.初相位与相位差,相位：,初相位： 表示正弦量在 t =0时的相角。,反映正弦量变化的进程。,如：,若,电压超前电流,两同频率的正弦量之间的初相位之差。,相位差 ：,电流超前电压,电压与电流同相,电流超前电压 ,电压与电流反相, 不同频率的正弦量比较无意义。, 两同频率的正弦量之间的相位差为常数， 与计时的选择起点无关。,注意:,5.相量图,瞬时值表达式,前两种不便于运算，重点介绍相量表示法。,波形图,.正弦量的表示方法,相量,2.正弦量用旋转有向线段表示,设正弦量:,若:有向线段长度 =,则:该旋转有向线段每一瞬时在纵轴上的投影即表示相应时刻正弦

4、量的瞬时值。,有向线段与横轴夹角 = 初相位,u0,3. 正弦量的相量表示,复数表示形式,设A为复数:,实质：用复数表示正弦量,式中:,(2) 三角式,(3) 指数式,可得:,由欧拉公式:,设正弦量:,相量: 表示正弦量的复数称相量,电压的有效值相量,实际应用中，多采用有效值相量,相量只是表示正弦量，而不等于正弦量。,注意:,？,只有正弦量才能用相量表示， 非正弦量不能用相量表示。,只有同频率的正弦量才能画在同一相量图上。,相量的书写方式, 模用最大值表示 ，则用符号：,相量的两种表示形式,相量图: 把相量表示在复平面的图形, 实际应用中，模多采用有效值，符号：,可不画坐标轴,如：已知,“j”

5、的数学意义和物理意义,设相量,旋转 因子：,正误判断,1.已知：,？,有效值,？,3.已知：,复数,瞬时值,j45,？,最大值,？,？,负号,正弦量的三种表示法,三角函数式,反映正弦量的全貌包括三个要素。,相量式,反映正弦量两个要素。,翻页,返回,相量表示法,1. 电压与电流的关系,设,大小关系：,相位关系 ：,u、i 相位相同, 频率相同,相位差 ：,1. 电阻元件的交流电路,二、交流电路中的电阻、电感、电容元件,大小关系：,相位关系 ：,u、i 相位相同,相量形式的欧姆定律,瞬时功率在一个周期内的平均值,大写,平均功率(有功功率)P,单位:瓦（W）,注意：通常铭牌数据或测量的功率均指有功功

6、率。,功率的计算与直流电路一样,基本关系式：, 频率相同, U =I L, 电压超前电流90,相位差,1. 电压与电流的关系,2. 电感元件的交流电路,设：,或,则:,感抗(), 电感L具有通直阻交的作用,定义：,有效值:,感抗XL是频率的函数,电感元件相量形式的欧姆定律,大小关系：U =I LIXL,相位关系：电感电压超前电流90,储能,放能,储能,放能, 电感L是储能元件。,结论： 纯电感不消耗能量，只和电源进行能量转换。,可逆的能量 转换过程,用以衡量电感电路中能量交换的规模。用瞬时功率达到的最大值表征，即,单位：var,(3) 无功功率 Q,瞬时功率 ：,电感元件储能,根据基尔霍夫定律

7、可得：,将上式两边同乘上 i ，并积分，则得：,即电感将电能转换为磁场能储存在线圈中，当电流增大时，磁场能增大，电感元件从电源取用电能；当电流减小时，磁场能减小，电感元件向电源放还能量。,磁场能,电流与电压的变化率成正比。,基本关系式：,1.电流与电压的关系, 频率相同, I =UC,电流超前电压90,相位差,则：,3. 电容元件的交流电路,设：,或,则:,容抗（）,定义：,有效值,所以电容C具有隔直通交的作用,容抗XC是频率的函数,电容元件相量形式的欧姆定律,大小关系： I =UC U/XC或 U =I/C IXC,相位关系：电容电流超前电压90,瞬时功率 ：,充电,放电,充电,放电,所以电

8、容C是储能元件。,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)。,同理，无功功率等于瞬时功率达到的最大值。,(3) 无功功率 Q,单位：var,为了同电感电路的无功功率相比较，这里也设,则：,即电容将电能转换为电场能储存在电容中，当电压增大时，电场能增大，电容元件从电源取用电能；当电压减小时，电场能减小，电容元件向电源放还能量。,电场能,电容元件储能,本节所讲的均为线性元件，即R、L、C都是常数。,指出下列各式中哪些是对的，哪些是错的？,在电阻电路中：,在电感电路中：,在电容电路中：,【练习】,单一参数电路中的基本关系,小 结,单一参数正弦交流电路的分析计算小结,电路 参数,电

9、路图 (参考方向),电阻(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,R,i,u,u、 i 同相,0,L,C,u超前 i 90,0,0,+,-,i,u,+,-,i,u,+,-,u滞后 i 90,设：,则,(1) 瞬时值表达式,根据KVL可得：,1. 电流、电压的关系,4. RLC串联电路,(2)相量法,则,总电压与总电流 的相量关系式,1)相量式,令,则,Z 的模表示 u、i 的大小关系，辐角（阻抗角）为 u、i 的相位差。,Z 是一个复数，不是相量，上面不能加点。,阻抗,相量形式的 欧姆定律,注意,根据,电路参数与电路性质的关系：,阻抗模：,阻抗角：,阻

10、抗三角形、电压三角形、功率三角形,将电压三角形的有效值同除I得到阻抗三角形,将电压三角形的有效值同乘I得到功率三角形,平均功率P （有功功率）,单位: W,总电压,总电流,u 与 i 的夹角,无功功率Q,单位：var,总电压,总电流,u 与 i 的夹角,根据电压三角形可得：,根据电压三角形可得：,正误判断,？,？,？,？,在RLC串联电路中，,？,？,？,？,？,？,？,？,？,？,谐振,在同时含有L 和C 的交流电路中，如果总电压和总电流同相，称电路处于谐振状态。此时电路与电源之间不再有能量的交换，电路呈电阻性。,掌握谐振时电路的特点,谐振的概念：,或：,即,谐振条件：,谐振时的角频率,串联

11、谐振电路,1. 谐振条件,或,电路发生谐振的方法：,(1)电源频率 f 一定，调参数L、C 使 fo= f；,2. 谐振频率,(2)电路参数LC 一定，调电源频率 f，使 f = fo,或：,可得谐振频率为：,根据谐振条件：,3. 串联谐振特征,当电源电压一定时：,(2) 电流最大,电路呈电阻性，能量全部被电阻消耗， 和 相互补偿。即电源与电路之间不发生能量互换。,(4) 可能出现高电压,电阻电压：UR = Io R = U,大小相等、相位相差180,电容、电感电压：,当 时：,有：,UC 、UL将大于 电源电压U,令：,所以串联谐振又称为电压谐振。,相量图：,如Q=100,U=220V,则在

12、谐振时,所以电力系统应避免发生串联谐振。,但在无线电工程中常利用谐振获得较高电压,4.串联谐振应用举例,接收机的输入电路,为来自3个不同电台(不同频率) 的电动势信号；,5.功率因数的提高,5.1功率因数 :对电源利用程度的衡量。,的意义：电压与电流的相位差，阻抗的辐角， 功率因数角,(1) 电源设备的容量不能充分利用,若用户： 则电源可发出的有功功率为：,若用户： 则电源可发出的有功功率为：,而需提供的无功功率为:,所以 提高 可使发电设备的容量得以充分利用,无需提供无功功率。,（2）增加线路和发电机绕组的功率损耗,(费电),设输电线和发电机绕组的电阻为 :,所以提高 可减小线路和发电机绕组

13、的损耗。,5.2 功率因数cos 低的原因,日常生活中多为感性负载-如电动机、日光灯，其等效电路及相量关系如下图。,40W220V白炽灯,40W220V日光灯,供电局一般要求用户的,(2) 提高功率因数的措施:,5.3提高功率因数的方法,必须保证原负载的工作状态不变。即： 加至负载上的电压和负载的有功功率不变。,在感性负载两端并电容,(1) 提高功率因数的原则：,结论,并联电容C后：,(2) 原感性支路的工作状态不变:,(3) 电路总的有功功率不变,因为电路中电阻没有变， 所以消耗的功率也不变。,4. 并联电容值的计算,相量图:,又由相量图可得：,即:,图4.1.1 三相交流发电机示意图,三、

14、三相交流电源基本概念,1. 三相电压的产生,工作原理：电磁感应定律,图4.1.2 三相绕组示意图,图4.1.3电枢绕组及其电动势,三相电动势瞬时表示式,相量表示,: 直流励磁的电磁铁,对称三相电动势的瞬时值之和为 0,三相交流电到达正最大值的顺序称为相序。,最大值相等 频率相同 相位互差120,称为对称三相电动势,三个正弦交流电动势满足以下特征,2. 三相电源的星形联接,(1) 联接方式,中性线(零线、地线),中性点,端线(相线、火线),相电压：端线与中线间（发电机每相绕组）的电压,线电压：端线与端线间的电压,、Up,、Ul,(2) 线电压与相电压的关系,根据KVL定律,由相量图可得,相量图,

15、30,同理,3. 三相电源的三角形联接,A(Z),B(X),C(Y),结论：三相电源形联接时，线电压相电压,四、三相负载的连接方式,三相负载,不对称三相负载： 不满足 ZA =ZB = ZC 如由单相负载组成的三相负载,三相负载,分类,三相负载的联接 三相负载也有 Y和 两种接法，至于采用哪种方法 ，要根据负载的额定电压和电源电压确定。,三相负载连接原则 （1） 电源提供的电压=负载的额定电压； （2） 单相负载尽量均衡地分配到三相电源上。,1. 负载星形联结的三相电路,线电流：流过端线的电流,相电流：流过每相负载的电流,结论： 负载 Y联 结时，线电 流等于相电 流。,(1) 联结形式,N

16、电源中性点,N负载中性点,Y: 三相三线制,负载对称,相电流对称,(2) 对称负载Y联结三相电路的计算,1)负载端的线电压电源线电压 2)负载的相电压电源相电压,3)线电流相电流,Y 联结时：,4)中线电流,对称负载 Y 联结带中性线时, 可将各相看作单相电路计算,负载对称时，只需计算一相电流，其它两相电流可根据对称性直接写出。,结论,（1）不对称负载Y联结又未接中性线时，负载相电压不再对称，且负载电阻越大，负载承受的电压越高。 （2） 中线的作用：保证星形联结三相不对称负载的相电压对称。 （3）照明负载三相不对称，必须采用三相四线制供电方式，且中性线（指干线）内不允许接熔断器或刀闸开关。,1

17、.对称三相负载星形联结时, 三相负载的电压对称，且中线电流为零，此时可省去中线。 2.不对称三相负载星形联结且无中性线时, 三相负载的相电压不对称。 3. 照明负载三相不对称，必须采用三相四线制供电方式，且中性线上不允许接刀闸和熔断器。,1. 联结形式,2. 负载三角形联结的三相电路,线电流: 流过端线的电流,相电流: 流过每相负载的电流 、 、,(1) 负载相电压=电源线电压,即: UP = UL,一般电源线电压对称，因此不论负载是否对称，负载相电压始终对称, 即,2. 分析计算,相电流：,线电流：,UAB=UBC=UCA=Ul=UP,线电流不等于相电流,(2) 相电流 (ZAB=ZBC=ZCA=Z),相电流：,线电流：,(3) 线电流,负载对称时, 相电流对称,线电流也对称,三相负载的联接原则,负载的额定电压 = 电源的线电压,负载的额定电压 = 电源线电压,应使加于每相负载上的电压等于其额定电压，而与电源的联接方式无关。,