《電工技術(shù)》PPT課件.ppt

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U1 U2 n1 n2 電工技術(shù) 磁路與鐵磁材料 電工技術(shù) 第一章電路的基本概念和基本定律第二章電工測(cè)量第三章電路的分析方法第四章單相正弦交流電路第五章三相正弦交流電路第六章動(dòng)態(tài)電路的分析第七章磁路與變壓器第八章異步電動(dòng)機(jī)第九章繼電接觸器控制系統(tǒng) 第1章電路的基本概念和基本定律 教學(xué)目的和要求 1 知道電路的組成 作用和三種工作狀態(tài) 2 理解電流 電位 電壓 電動(dòng)勢(shì)的物理概念及其參考方向的意義 3 掌握串聯(lián)電阻分壓 并聯(lián)電阻分流及混聯(lián)電阻的計(jì)算方法 4 熟練掌握歐姆定律 基爾霍夫定律 5 熟練掌握電功率 電能 電位的計(jì)算 關(guān)鍵詞 電路電流電位電壓電動(dòng)勢(shì)電阻電功率電能 目錄 1 1電路的基本概念 電源 電器 電路元件 按照一定的方式聯(lián)接起來(lái) 構(gòu)成了電流的通路 稱之為電路 也叫網(wǎng)絡(luò) 實(shí)際電路的組成方式多種多樣 但通常由電源 或信號(hào)源 負(fù)載和中間環(huán)節(jié)3部分組成 1 1 1電路的組成1 電源電源是指電路中供給電能的裝置 電源的作用是將其他形式的能量轉(zhuǎn)換為電能 2 負(fù)載負(fù)載是指用電設(shè)備 如電燈 電爐 電動(dòng)機(jī) 揚(yáng)聲器等 它的作用是將電能轉(zhuǎn)換為其他形式的能量 3 中間環(huán)節(jié)中間環(huán)節(jié)是連接電源和負(fù)載的部分 用來(lái)傳輸 分配 控制電能 處理信號(hào) 如變壓器 輸電線 放大器 開(kāi)關(guān)等 1 1 2電路的作用 電路通常有兩個(gè)作用 一是用來(lái)輸送 分配和轉(zhuǎn)換電能 所謂電路分析 就是在已知電路結(jié)構(gòu)和元件參數(shù)的條件下 討論電路的激勵(lì)與響應(yīng)之間的關(guān)系 根據(jù)電路中使用的電源不同 電路可分為直流電路和交流電路 如果電路中電源電壓是恒定不變的 該電路稱為直流電路 如果電源電壓隨時(shí)間交替變化 稱為交流電路 1 2電路的基本物理量 1 2 1電流在物理學(xué)中講過(guò) 電荷 電子或離子 在電場(chǎng)力或其他外力 電磁力 化學(xué)力等 作用下 在電路中有規(guī)則地定向運(yùn)動(dòng) 形成了電流 電流的大小是用單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)導(dǎo)體某一截面的電荷量量度的 稱為電流強(qiáng)度 簡(jiǎn)稱電流 用i表示 設(shè)在dt時(shí)間內(nèi) 通過(guò)導(dǎo)體某一截面S的電荷量為dq 則電流強(qiáng)度為 通常規(guī)定 正電荷的定向移動(dòng)方向?yàn)殡娏鞯恼较?金屬導(dǎo)體中自由電子定向移動(dòng)方向與電流的方向相反 電流強(qiáng)度I與電荷量q的關(guān)系式為 式中q是在時(shí)間t內(nèi)通過(guò)導(dǎo)體橫截面S的電量 電流強(qiáng)度的單位是mA 毫安 和 A 微安 分析 計(jì)算較復(fù)雜電路時(shí) 開(kāi)始往往難以判斷電路中電流的實(shí)際方向 通?？梢允孪热我膺x定某一方向作為電流的正方向也稱參考方向 把電流看成代數(shù)量進(jìn)行計(jì)算 如果計(jì)算后該電流值為正值 說(shuō)明電流的實(shí)際方向與參考方向相同 反之 電流值為負(fù)值 則電流的實(shí)際方向與參考方向相反 如圖1 3所示 圖1 3電流的參考方向和實(shí)際方向 1 2 2電位 電荷在電場(chǎng)或電路中具有一定的能量 電場(chǎng)力將單位正電荷從某一點(diǎn)A沿任意路徑移到參考點(diǎn)所做的功稱為該點(diǎn)的電位或電勢(shì) 即 計(jì)算電位必須有一個(gè)參考點(diǎn)才能確定它的具體數(shù)值 參考點(diǎn)的電位一般規(guī)定為零 高于參考點(diǎn)的電位為正 低于參考點(diǎn)的電位為負(fù) 參考點(diǎn)是可以任意選定的 但一經(jīng)選定之后 各點(diǎn)電位的計(jì)算即以該點(diǎn)為準(zhǔn) 電路中電位相等的點(diǎn)稱為等電位點(diǎn) 1 2 3電壓 電路中某兩點(diǎn)間的電位之差稱為電壓 在國(guó)際單位制中 電勢(shì) 電壓的單位是V 伏特 簡(jiǎn)稱伏 與電流一樣 電壓也分為直流電壓 交流電壓 電壓的實(shí)際方向?yàn)楦唠娢稽c(diǎn)指向低電位點(diǎn) 所以電壓又稱為電壓降 簡(jiǎn)稱壓降 在分析與計(jì)算電路時(shí) 電壓與電流一樣選定參考方向 在元件或電路兩端用 表示電壓參考方向 號(hào)表示參考高電位端 號(hào)表示參考低電位端 在選定參考方向下 電壓的參考方向與實(shí)際方向相同時(shí) 電壓值為正 電壓的參考方向與實(shí)際方向相反時(shí) 電壓值為負(fù) 如圖1 4所示 而電壓的實(shí)際方向是客觀存在的 不會(huì)因電壓的參考方向不同而改變 a U 0 b U 0圖1 4電壓的參考方向與實(shí)際方向 電流的參考方向的選定與電壓參考方向的選定是獨(dú)立無(wú)關(guān)的 但為方便起見(jiàn) 對(duì)一段電路或一個(gè)電路元件 如果選定電流參考方向與電壓參考方向一致時(shí) 稱為關(guān)聯(lián)參考方向 簡(jiǎn)稱關(guān)聯(lián)方向 如果選定電流參考方向與電壓參考方向相反 稱為非關(guān)聯(lián)參考方向 簡(jiǎn)稱非關(guān)聯(lián)方向 1 2 4電動(dòng)勢(shì) 將單位正電荷從電源的負(fù)極移到正極所做的功 稱為電源的電動(dòng)勢(shì) 用符號(hào)E表示 電動(dòng)勢(shì)的單位也是V 電動(dòng)勢(shì)是衡量電源做功能力的一個(gè)物理量 電動(dòng)勢(shì)的正方向規(guī)定為在電源內(nèi)部自低電位端指向高電位端 也就是電位升高的方向 1 2 5電阻 1 導(dǎo)體的電阻自然界中 根據(jù)物質(zhì)導(dǎo)電能力的強(qiáng)弱 一般可分為導(dǎo)體 半導(dǎo)體和絕緣體 其中 導(dǎo)電性能良好的物質(zhì)叫導(dǎo)體 其內(nèi)部存在著大量的自由電荷 導(dǎo)電性能很差的物質(zhì)叫絕緣體 其內(nèi)部幾乎沒(méi)有自由電荷 導(dǎo)電性能介于導(dǎo)體與絕緣體之間的物質(zhì)稱為半導(dǎo)體 常用的電阻單位還有k 千歐 M 兆歐 2 電阻定律導(dǎo)體的電阻不僅和導(dǎo)體的材料種類有關(guān) 而且還和導(dǎo)體的尺寸有關(guān) 式中 L的單位為m S的單位為m2 R的單位為 叫做導(dǎo)體的電阻率 單位是 m 電阻的倒數(shù) G 1 R 稱為電導(dǎo) 是表示物體導(dǎo)電能力的一個(gè)物理量 電導(dǎo)的單位是1 或稱為S 西門(mén)子 簡(jiǎn)稱西 3 電阻與溫度的關(guān)系 通常導(dǎo)體的電阻隨溫度的增加而增大 式中 R1是起始溫度t1時(shí)的導(dǎo)體電阻 R2是溫度增加到t2時(shí)的導(dǎo)體電阻 叫電阻溫度系數(shù) 單位是1 它等于溫度上升1 時(shí) 每歐導(dǎo)體電阻所增加的數(shù)值 例1 2 電機(jī)制造廠制造大型電機(jī)時(shí) 在內(nèi)部放置一個(gè)鉑絲電阻元件 以便及時(shí)測(cè)出電機(jī)內(nèi)部溫度 現(xiàn)已知20 時(shí)元件的電阻R1 49 5 運(yùn)行到某一時(shí)刻測(cè)出元件的電阻R2 60 9 求此時(shí)電機(jī)內(nèi)部的溫度 解據(jù)表1 1查得鉑絲的溫度系數(shù) 0 00398 由式可得此時(shí)電機(jī)內(nèi)部的溫度為78 1 3電路的歐姆定律 1 3 1一段電路的歐姆定律 在一段沒(méi)有電動(dòng)勢(shì)而只有電阻的電路中 電流I的大小與電阻R兩端的電壓U高低成正比 與電阻值R的大小成反比 這就是一段電路的歐姆定律 此定律可用下式表示 引入電導(dǎo)后 歐姆定律還可以寫(xiě)成 電阻R是一個(gè)常數(shù) R就是線性電阻 由線性元件構(gòu)成的電路叫做線性電路 含有非線性元件的電路叫做非線性電路 1 3 2 閉合電路的歐姆定律 上兩式就是閉合電路歐姆定律的表達(dá)式 式中IR0稱為電源的內(nèi)部壓降 或稱內(nèi)阻壓降 U稱為電源的端電壓 例1 3 如圖1 12所示 電源的電動(dòng)勢(shì)E 12V 電源的內(nèi)阻R0 0 5 負(fù)載電阻R 10 當(dāng)開(kāi)關(guān)K合上后 試求 1 流過(guò)電流表的電流I 電阻R兩端的電壓U 電源的內(nèi)部壓降U0各為多大 2 當(dāng)R 0時(shí) 電路中的I U U0各為多大 3 當(dāng)R 時(shí) 電路中的I U U0各為多大 解 1 2 當(dāng)R 0時(shí) 外電路處于短路狀態(tài) 此時(shí)有 3 當(dāng)R 時(shí) 外電路處于開(kāi)路狀態(tài) 此時(shí)有 由上述計(jì)算可以看到 因電源內(nèi)阻一般比較小 當(dāng)負(fù)載電阻等于零時(shí) 通過(guò)電源的電流很大 這時(shí)電源很容易損壞 應(yīng)該避免 圖1 12 例1 3附圖 1 4電功率與電能 電路中電流通過(guò)用電設(shè)備時(shí) 電能將轉(zhuǎn)換成其他形式的能量而做功 單位時(shí)間內(nèi)電流所做的功稱為電功率 簡(jiǎn)稱功率 用符號(hào)P表示 設(shè)在dt時(shí)間內(nèi)電路轉(zhuǎn)換的電能為dW 則有 1 4 1電功率 在直流電路中 用電設(shè)備的電功率P與電源的電壓U 通過(guò)的電流I及負(fù)載電阻的關(guān)系可表示為 在國(guó)際單位制中 電功率的單位是W 瓦特 簡(jiǎn)稱瓦 還可采用kW 千瓦 和mW 毫瓦 表示 例1 4 計(jì)算圖1 13所示電源的功率 說(shuō)明它是吸收功率還是發(fā)出功率 解圖1 13 a 中 U 15V I 2A 且U與I為關(guān)聯(lián)參考方向 故P UI 15 2 30 W 0 吸收功率 此時(shí)電源處于充電狀態(tài) 圖1 13 b 中 U與I也為關(guān)聯(lián)參考方向 故P UI 15 2 30 W 0 發(fā)出功率 電源處于對(duì)外供電狀態(tài) 圖1 13 c 中 U與I的參考方向不一致 故P UI 15 2 30 W 0 電源吸收功率 圖l 13 例1 4附圖 1 4 2電能 用電設(shè)備在t1 t2的一段時(shí)間內(nèi)消耗的電能W為 在直流電路中 負(fù)載上的功率不隨時(shí)間變化 用電設(shè)備工作一定時(shí)間t之后消耗的電能W可用下式表示 W Pt當(dāng)功率的單位用kW 千瓦 時(shí)間的單位用h 小時(shí) 表示時(shí) 電能的單位為kWh 千瓦時(shí) 習(xí)慣上稱度 1KWh 3 6 106J 1 4 3電流的熱效應(yīng) 當(dāng)電流通過(guò)金屬導(dǎo)體時(shí) 導(dǎo)體會(huì)發(fā)熱 這是因?yàn)殡娏魍ㄟ^(guò)導(dǎo)體時(shí) 要克服導(dǎo)體電阻的阻礙作用而做功 促使導(dǎo)體分子的熱運(yùn)動(dòng)加劇 就有部分電能轉(zhuǎn)換為內(nèi)能 使導(dǎo)體的溫度升高 發(fā)出熱量 把這種由電能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能而放出熱量的現(xiàn)象 叫做電流的熱效應(yīng) 在導(dǎo)體中 若電能全部轉(zhuǎn)化成內(nèi)能 則在一段時(shí)間內(nèi) 導(dǎo)體所發(fā)出的熱量就等于同一時(shí)間內(nèi)所耗用的電能 因此 有Q W Pt UIt I2Rt如果電路中通過(guò)的是交流電流i 則在時(shí)間t內(nèi)通過(guò)電阻R產(chǎn)生的熱量用焦耳定律可表示為 單位時(shí)間內(nèi)電流通過(guò)產(chǎn)生的熱量 通常稱為電熱功率 其表示為PQ Q t I2R 例題1 5 如圖1 14所示 加在內(nèi)阻r 4 的電動(dòng)機(jī)上的電壓為220V 通過(guò)電動(dòng)機(jī)的電流為5A 求 1 電動(dòng)機(jī)消耗的電功率P 2 電動(dòng)機(jī)消耗的熱功率PQ 3 通電10分鐘電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的熱量Q 4 電動(dòng)機(jī)的效率 解 1 負(fù)載是非純電阻電路 電功率為P UI 220 5 1100 W 2 電動(dòng)機(jī)消耗的電熱功率為PQ I2r 52X4 100 W 3 電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的熱量為Q PQt I2rt 100 x600 60000 J 4 電動(dòng)機(jī)將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的功率為pj p pq 1100 100 1000 W 效率為 pJ p 1000 1100 0 91 91 圖1 14 例題1 5附圖 1 5電路的工作狀態(tài) 1 5 1空載狀態(tài) 處于空載狀態(tài)時(shí)電路具有下列特征 1 5 2短路狀態(tài) 處于短路時(shí)電路具有下列特征 1 5 3負(fù)載工作狀態(tài) 處于負(fù)載狀態(tài)時(shí)電路具有下列特征 例1 6 如圖1 15所示 已知E 12V r0 0 3 導(dǎo)線電阻R1 0 4 負(fù)載電阻RL 8 9 求 1 電路在正常工作情況下的電流I 2 當(dāng)負(fù)載兩端發(fā)生短路時(shí) 電源通過(guò)的電流I S 3 當(dāng)電源兩端發(fā)生短路時(shí) 電源通過(guò)的電流I S 解 圖1 15 例1 6附圖 1 6電路的聯(lián)結(jié) 1 6 1電阻的串聯(lián) 兩個(gè)或兩個(gè)以上電阻依次相聯(lián) 中間無(wú)分支的連接方式叫電阻的串聯(lián) 1 串聯(lián)電路的性質(zhì) 1 串聯(lián)電路中流過(guò)每個(gè)電阻的電流都相等 即 2 串聯(lián)電路兩端的總電壓等于各電阻兩端的電壓之和 即 3 串聯(lián)電路的等效電阻 即總電阻 等于各串聯(lián)電阻之和 即 4 串聯(lián)電路的總功率等于各串聯(lián)電阻功率之和 即 2 串聯(lián)電路的分壓作用 在串聯(lián)電路中 電壓的分配與電阻成正比 即電阻值越大的電阻所分配到的電壓越大 反之電壓越小 3 電阻串聯(lián)的應(yīng)用 電阻串聯(lián)的應(yīng)用很廣泛 在實(shí)際工作中常見(jiàn)的應(yīng)用有 1 用幾種電阻串聯(lián)來(lái)獲得阻值較大的電阻 2 采用幾個(gè)電阻構(gòu)成分壓器 使同一電源能供給幾種不同的電壓 3 當(dāng)負(fù)載的額定電壓低于電源電壓時(shí) 可用串聯(lián)的辦法來(lái)滿足負(fù)載接入電源的需要 4 利用串聯(lián)電阻的方法來(lái)限制和調(diào)節(jié)電路中電流的大小 5 在電工測(cè)量中 廣泛應(yīng)用串聯(lián)電阻的方法來(lái)擴(kuò)大電壓表的量程 1 6 2 電阻的并聯(lián) 兩個(gè)或兩個(gè)以上電阻接在電路中相同的兩點(diǎn)之間的連接方式 叫電阻的并聯(lián)電路 1 并聯(lián)電路的性質(zhì) 1 并聯(lián)電路中各電阻兩端的電壓相等 且等于電路兩端的電壓 2 并聯(lián)電路中的總電流等于各電阻中的電流之和 即 3 并聯(lián)電路的等效電阻 即總電阻 的倒數(shù)等于各并聯(lián)電阻的倒數(shù)之和 即 4 并聯(lián)電路消耗的功率的總和等于相并聯(lián)各電阻消耗功率之和 即 2 并聯(lián)電路的分流作用 在并聯(lián)電路中 電流的分配與電阻成反比 即阻值越大的電阻所分配到的電流越小 反之電流越大 3 電阻并聯(lián)的應(yīng)用電阻并聯(lián)的應(yīng)用也非常廣泛 在實(shí)際工作中常見(jiàn)的主要應(yīng)用有 1 凡是工作電壓相同的負(fù)載幾乎全是并聯(lián) 2 用并聯(lián)電阻來(lái)獲得某一較小電阻 3 在電工測(cè)量中 廣泛應(yīng)用并聯(lián)電阻的方法來(lái)擴(kuò)大電流表的量程 1 6 3電阻的混聯(lián) 實(shí)際應(yīng)用的電路大多包含串聯(lián)電路和并聯(lián)電路 既有電阻的串聯(lián)又有電阻的并聯(lián)的電路叫電阻的混聯(lián)電路 計(jì)算混聯(lián)電路的等效電阻的步驟大致如下 1 先要把電路整理和化簡(jiǎn)成容易看清的串聯(lián)或并聯(lián)關(guān)系 2 根據(jù)簡(jiǎn)化的電路進(jìn)行計(jì)算 例1 7 用滑動(dòng)變阻器接成分壓電路 用于調(diào)整負(fù)載電阻電壓的高低 如圖1 19所示 已知變阻器的額定值為100 3A 輸入電壓U 220V RL 50 試問(wèn) 1 當(dāng)R2 50 時(shí) 輸出電壓UL是多少 2 當(dāng)R2 75 時(shí) 輸出電壓UL是多少 分壓器能否安全工作 解 1 當(dāng)R2 50 時(shí) 從圖1 19可知 R2與RL并聯(lián) 再與R1串聯(lián) R1 50 等效電阻為 電阻器R1中的電流I為 負(fù)載電阻RL中的電流IL為 圖1 19 例1 7附圖 2 當(dāng)R2 75 時(shí) R1 25 則 電阻器R1中的電流I為 負(fù)載電阻RL中的電流IL為 從計(jì)算可知 由于I 4A 大于滑動(dòng)變阻器的額定電流 所以分壓器不能安全工作 1 7基爾霍夫定律 1 支路沒(méi)有分支的電路稱為支路 2 節(jié)點(diǎn)三條或三條以上支路的交點(diǎn)稱為節(jié)點(diǎn) 3 回路電路中任意一個(gè)閉合路徑稱為回路 回路由一條或多條支路組成 4 網(wǎng)孔回路平面上不含支路的回路叫網(wǎng)孔 1 7 1基爾霍夫電流定律 對(duì)于電路中任一節(jié)點(diǎn) 在任一時(shí)刻流入節(jié)點(diǎn)的電流之和等于流出該節(jié)點(diǎn)的電流之和 即流經(jīng)任意一個(gè)節(jié)點(diǎn)上的電流的代數(shù)和恒等于零 通常規(guī)定流入節(jié)點(diǎn)的電流前面取正號(hào) 流出節(jié)點(diǎn)的電流前面取負(fù)號(hào) 例1 8 圖1 20所示電路中 已知I1 0 2A I2 0 3A I3 0 1A I4 0 7A 求I5解 由KCL可得 即 圖1 20 例1 8附圖 1 7 2基爾霍夫電壓定律 對(duì)于電路中的任一回路 從回路中任意一點(diǎn)出發(fā)沿該回路繞行一周 則在此方向上的電勢(shì)上升之和等于電勢(shì)下降之和 電壓 電流的參考方向與回路繞行方向一致時(shí)電壓取正號(hào) 相反時(shí)取負(fù)號(hào) 電動(dòng)勢(shì)的參考方向與回路繞行方向一致時(shí)取負(fù)號(hào) 相反時(shí)取正號(hào) 例1 9 如圖1 21所示電路中 求I1 I2 I3 I4和U 解 1 根據(jù)KCL對(duì)節(jié)點(diǎn)a可得 I1 6 10 0即I1 10 6 4 A 對(duì)節(jié)點(diǎn)b可得I1 2 I2 0即I2 I1 2 4 2 6 A 對(duì)節(jié)點(diǎn)c可得 I2 4 I3 0即I3 I2 4 6 4 2 A 對(duì)節(jié)點(diǎn)d可得I4 10 I3 0即I4 I3 10 2 10 8 A 2 根據(jù)KVL可得 E I2R1 U 10R2 0即U 10R2 E I2R1 10X2 12 6 X1 14 V 圖1 21 例1 9附圖 1 8電路中電位的計(jì)算 電位是一個(gè)相對(duì)量 要確定電位必須在電路中先選擇一個(gè)參考點(diǎn) 令參考點(diǎn)的電位為零 那么電路中任一點(diǎn)的電位就是該點(diǎn)到參考點(diǎn)的電壓 例1 10 在圖1 22電路中 分別以a點(diǎn)和b點(diǎn)為參考點(diǎn) 計(jì)算電路中各點(diǎn)的電位 解圖1 22 a 電路中 以a點(diǎn)為參考點(diǎn) Ua 0則Uc Ua Uca 6X10 60 V Uc Uca 60 V Ub Ua Uba 5X8 40 V Ub Uba 40 V Ud Uda 5X2 10 V 圖1 22 b 電路中 以b點(diǎn)為參考點(diǎn) Ub 0 則Ua Uab 5X8 40 v Uc Ucb Uca Uab 60 40 100 V Ud Udb 50 V 圖1 22 例1 10附圖 例1 11 電路如圖1 23所示 已知E1 6V E2 4V R1 4 R2 R3 2 試求A點(diǎn)電位UA 解 先求電流I1 I2以B點(diǎn)為參考點(diǎn) 因I3 0所以UA I3R3 E2 I2R2 0 4 2X1 2 V 或UA I3R3 E2 I1R1 E1 0 4 4X1 6 2 V 圖1 23 例1 11附圖 從以上兩個(gè)例題可以看出 在計(jì)算電路中各點(diǎn)電位時(shí) 要注意以下兩點(diǎn) 1 電路中某一點(diǎn)電位等于該點(diǎn)與參考點(diǎn)之間的電壓 2 參考點(diǎn)選得不同 電路中各點(diǎn)的電位值隨著改變 但是任意兩點(diǎn)間的電壓值是不變的 所以各點(diǎn)電位的高低是相對(duì)的 而兩點(diǎn)間的電壓值是絕對(duì)的 本章小結(jié) 一 電路的基本概念1 電路按其作用通常由電源 負(fù)載和中間環(huán)節(jié)三部分組成 電路有開(kāi)路 短路和負(fù)載三種狀態(tài) 2 電流 電壓參考方向是事先選定的一個(gè)方向 如果選定電流的參考方向?yàn)閺臉?biāo)有電壓 十 端指向 端 則稱電流與電壓的參考方向?yàn)殛P(guān)聯(lián)參考方向 3 電路中任意一點(diǎn)的電位值隨著參考點(diǎn)的改變而改變 而電路中任意兩點(diǎn)的電位差 電壓 與參考點(diǎn)的改變無(wú)關(guān) 兩者的關(guān)系為 Uab Ua Ub4 電動(dòng)勢(shì)是衡量電源做功能力的一個(gè)物理量 電動(dòng)勢(shì)的正方向規(guī)定為在電源內(nèi)部自低電位端指向高電位端 也就是電位升高的方向 5 電阻定律 它還與溫度有關(guān) 電阻值與所通過(guò)電流無(wú)關(guān)的稱為線性電阻 否則稱為非線性電阻 電阻的倒數(shù)稱為電導(dǎo) 是表示物體導(dǎo)電能力的一個(gè)物理量 6 功率指電能量對(duì)時(shí)間的變化率 即 直流電路中P UI 在關(guān)聯(lián)方向下P 0表示吸收功率 P O表示元件發(fā)出功率 7 串聯(lián)電路的性質(zhì) 1 串聯(lián)電路中流過(guò)每個(gè)電阻的電流都相等 即 2 串聯(lián)電路兩端的總電壓等于各電阻兩端的電壓之和 即 3 串聯(lián)電路的等效電阻 即總電阻 等于各串聯(lián)電阻之和 即 4 串聯(lián)電路的總功率等于各串聯(lián)電阻功率之和 即 串聯(lián)電阻具有分壓作用 8 并聯(lián)電路的性質(zhì) 1 并聯(lián)電路中各電阻兩端的電壓相等 且等于電路兩端的電壓 即 2 并聯(lián)電路中的總電流等于各電阻中的電流之和 即 3 并聯(lián)電路的等效電阻 即總電阻 的倒數(shù)等于各并聯(lián)電阻的倒數(shù)之和 即 4 并聯(lián)電路消耗的功率的總和等于相并聯(lián)各電阻消耗功率之和 即 并聯(lián)電阻具有分流作用 二 電路的基本定律1 電路的歐姆定律 1 一段電路的歐姆定律 2 閉合電路的歐姆定律2 焦耳定律3 基爾霍夫定律是研究復(fù)雜電路各支路電流和回路電壓之間的關(guān)系的基本定律 1 基爾霍夫電流定律 簡(jiǎn)稱KCL I 0 2 基爾霍夫電壓定律 簡(jiǎn)稱KVL U 0 第2章電工測(cè)量 教學(xué)目的和要求 了解電工測(cè)量?jī)x表的分類 結(jié)構(gòu)和工作原理 學(xué)會(huì)用萬(wàn)用表測(cè)電流 電壓和電阻 掌握電壓表 電流表 功率表的使用 理解電度表 兆歐表的使用 目錄 2 1電工測(cè)量?jī)x表的分類 1 根據(jù)被測(cè)量的性質(zhì)分類電流表 毫安表 微安表 電壓表 千伏表 功率表 千瓦表 歐姆表 兆歐表 電度表2 根據(jù)電工測(cè)量?jī)x表的動(dòng)作原理分類可分為磁電式 電磁式 電動(dòng)式 整流式 感應(yīng)式等類型 3 根據(jù)電工測(cè)量?jī)x表測(cè)量電流的種類分類可分為直流儀表 用 或DC表示 交流儀表 用 或AC表示 交直流兩用儀表 4 根據(jù)電工測(cè)量?jī)x表的準(zhǔn)確度等級(jí)分類 電工儀表測(cè)量的準(zhǔn)確度級(jí)別不同分為0 1級(jí) 0 2級(jí) 0 5級(jí) 1級(jí) 1 5級(jí) 2 5級(jí) 4 0級(jí)七種 一般0 1級(jí)和0 2級(jí)儀表用來(lái)作標(biāo)準(zhǔn)儀器 以校準(zhǔn)其他工作儀表 而實(shí)驗(yàn)中多用0 5級(jí)到2 5級(jí)儀表 2 2萬(wàn)用表2 2 1磁電式萬(wàn)用表 2 2 2數(shù)字式萬(wàn)用表 使用時(shí)的注意事項(xiàng) 嚴(yán)禁在測(cè)量高壓 100V以上 或強(qiáng)電流 0 5A以上 時(shí)撥動(dòng)量程開(kāi)關(guān) 測(cè)量交流時(shí) 交流電壓或電流的頻率不得超過(guò)45Hz 500Hz的范圍 否則測(cè)量結(jié)果不準(zhǔn)確 測(cè)量電阻時(shí) 嚴(yán)禁帶電測(cè)量 數(shù)字萬(wàn)用表使用完畢后 應(yīng)將量程開(kāi)關(guān)置于電壓最高量程 再關(guān)電源 不得在高溫 暴曬 潮濕 灰塵大等惡劣環(huán)境下使用或存放數(shù)字萬(wàn)用表 長(zhǎng)期不用時(shí) 應(yīng)將萬(wàn)用表內(nèi)電池取出 2 3電流與電壓的測(cè)量 2 3 1電流的測(cè)量電流表應(yīng)與被測(cè)電路串聯(lián) 為了減小電流表內(nèi)阻造成的誤差 電流表的內(nèi)阻要盡可能小 因此使用時(shí)切不可將它并聯(lián)在電路中 否則造成短路 將電流表燒壞 在使用時(shí)務(wù)須特別注意 1 直流電流的測(cè)量2 交流電流的測(cè)量 2 3 2電壓的測(cè)量 電壓表是用來(lái)測(cè)量電源 負(fù)載或電路中某段端電壓的 應(yīng)和被測(cè)電路并聯(lián) 為了使被測(cè)電路不因接入電壓表而受影響 電壓表的內(nèi)阻應(yīng)盡可能大 如果誤將電壓表串聯(lián)在電路中 則得不到要測(cè)量的電壓 1 直流電壓的測(cè)量2 交流電壓的測(cè)量交流電壓通常用電磁式電壓表進(jìn)行測(cè)量 可借助與電壓互感器測(cè)量較高的交流電壓 2 4功率的測(cè)量 2 4 1單相交流和直流功率的測(cè)量 2 4 2三相功率的測(cè)量 在實(shí)際工程和日常生活中 由于廣泛采用的是三相交流系統(tǒng) 因此 三相功率測(cè)量也就稱為基本的測(cè)量 三相功率的測(cè)量?jī)x表 大多采用單相功率表 也有采用三相功率表 其測(cè)量方法有一表法 二表法 三表法及直接三相功率表法四種 2 5電度表及電能的測(cè)量 2 5 1電度表及其接線方式 2 5 2電能的測(cè)量 電能的組成包括有功電能和無(wú)功電能兩部分 有功電能可用有功電度表進(jìn)行測(cè)量 無(wú)功電能可用無(wú)功電度表進(jìn)行測(cè)量 通常進(jìn)行的是有功電能的測(cè)量 2 6兆歐表的使用 2 6 1兆歐表的工作原理兆歐表又稱搖表 是一種測(cè)量高電阻的儀表 經(jīng)常用它測(cè)量電氣設(shè)備的絕緣電阻 其表盤(pán)刻度以兆歐 M 為單位 2 6 2絕緣電阻的測(cè)量 絕緣電阻的一般測(cè)量方法是將兆歐表平穩(wěn)放置 然后將被測(cè)絕緣電阻的兩端接在兆歐表的 線 L 和 地 E 兩端鈕上 均速 額定轉(zhuǎn)速 搖動(dòng)發(fā)電機(jī) 當(dāng)指針?lè)€(wěn)定后 讀取比率表中的數(shù)值 即為被測(cè)絕緣電阻的值 1 測(cè)量前應(yīng)檢查兆歐表在 線 地 短接及開(kāi)路是否為0和 若不是 則應(yīng)調(diào)整 2 為獲取準(zhǔn)確的測(cè)量結(jié)果 要求手搖發(fā)電機(jī)在額定轉(zhuǎn)速下工作一分鐘后進(jìn)行讀數(shù) 3 用兆歐表時(shí) 由于發(fā)電機(jī)端口電壓能達(dá)千伏級(jí) 所以要注意測(cè)量安全 本章小結(jié) 一 電工測(cè)量?jī)x表的類型電工測(cè)量?jī)x表按其動(dòng)作原理可分為磁電式 電磁式 電動(dòng)式 整流式 熱電式等幾種 一般可以用來(lái)測(cè)量電流 電壓 電阻 功率 功率因素 電能量等參數(shù) 二 常用的測(cè)量?jī)x表1 萬(wàn)用表又稱萬(wàn)能表 是一種多功能攜帶式電工儀表 它有磁電式和數(shù)字式兩大類 2 電流的測(cè)量是用電流表來(lái)實(shí)現(xiàn)的 電壓的測(cè)量是用電壓表來(lái)實(shí)現(xiàn)的 電流表和電壓表的量程是可以改變的 3 功率的測(cè)量分為單相功率測(cè)量和三相功率測(cè)量 單相功率是利用單相功率表實(shí)現(xiàn)的 三相功率測(cè)量方法有一表法 二表法 三表法及三相功率表法四種 4 電度表分為單相電度表和三相電度表 單相電能測(cè)量用單相電度表實(shí)現(xiàn) 三相電能測(cè)量有三種方法 一是在對(duì)稱負(fù)載情況下用一只單相電度表測(cè)量 二是利用三只單相電度表分別測(cè)量 三是利用三相電度表進(jìn)行測(cè)量 5 兆歐表又稱為搖表 它是一種測(cè)量大電阻的儀表 它是利用內(nèi)部電壓回路和電流回路共同作用來(lái)工作的 第3章電路的分析方法 3 1電壓源 電流源及其等效變換 3 1 1電壓源 電壓源具有以下特點(diǎn) 電壓源兩端的電壓us t 為確定的時(shí)間函數(shù) 與流過(guò)的電流無(wú)關(guān) 當(dāng)us為直流電壓源時(shí) 如果內(nèi)阻R0 0 兩端的電壓us t 不變 us t U 我們把這個(gè)電壓源稱為理想的電壓源 3 1 2電流源 電流is t 是確定的時(shí)間函數(shù) 與電流源兩端的電壓無(wú)關(guān) 在直流電流源的情況下 如果內(nèi)阻R0 0 輸出的電流是恒值 is t i 我們把這個(gè)電流源稱為理想的電流源 目錄 3 1 3實(shí)際電源兩種模型的等效變換 實(shí)際電源可用兩種電路模型來(lái)表示 一種為理想電壓源和一電阻 內(nèi)阻R0 的串聯(lián)模型 還有一種為理想電流源和電阻 內(nèi)阻R0 的并聯(lián)模型 如圖3 9所示 實(shí)際電源的這兩種電路模型 對(duì)外電路是相互等效的 圖3 9 電壓源與電流源等效變換時(shí)應(yīng)注意 1 電壓源與電流源的等效變換關(guān)系只對(duì)外電路而言 內(nèi)部是不等效的 2 變換時(shí) 兩種電路模型的極性必須一致 3 理想電壓源與理想電流源不能等效變換 例3 1 如圖3 12 a 所示電路 化簡(jiǎn)為一個(gè)電壓源與一個(gè)電阻串聯(lián)的形式 解 該電路是兩個(gè)實(shí)際電壓源并聯(lián) 對(duì)電路先把2個(gè)實(shí)際電壓源分別等效成電流源 如圖3 12 b 所示 其中 然后2個(gè)電流源并聯(lián) 如圖3 12 c 所示 其中 由圖3 12 c 電流源等效成圖3 12 d 電壓源電路 其中 a b c d 圖3 12 例3 1附圖 例3 2 如圖3 13 a 所示電路 將其化簡(jiǎn)為一個(gè)電壓源與一個(gè)電阻串聯(lián)的形式 解 該電路是兩個(gè)實(shí)際電流源串聯(lián) 對(duì)電路先把兩個(gè)實(shí)際電流源分別等效成電壓源 如圖3 13 b 所示 其中 兩個(gè)電壓源串聯(lián)方向相反 E2 E1 0 內(nèi)阻R0 R01 R02 15 就得到圖3 13 c 所示的等效電路 a b c 圖3 13 例3 2附圖 3 2支路電流法 支路電流法是分析 計(jì)算復(fù)雜電路的一個(gè)基本方法 該方法以電路中各支路電流為待求量 根據(jù)基爾霍夫電流定律和電壓定律分別列出電流和電壓方程 而后求解得出各支路電流 支路電流法的解題步驟為 1 標(biāo)出各支路電流的參考方向及網(wǎng)孔的繞行方向 如果不能確定電流的實(shí)際方向 可先假定一個(gè)方向 根據(jù)計(jì)算出的電流值的正負(fù) 可判別電流實(shí)際方向 2 根據(jù)基爾霍夫電流定律列出各節(jié)點(diǎn)的電流方程 如果電路中有n個(gè)節(jié)點(diǎn) 則列出 n 1 個(gè)獨(dú)立電流方程 3 根據(jù)基爾霍夫電壓定律列出回路的電壓方程 如果電路中有n個(gè)節(jié)點(diǎn) y條支路 則需要y個(gè)獨(dú)立方程才能解出各支路電流 而電流方程已經(jīng)列出了 n 1 個(gè) 所以回路電壓方程應(yīng)當(dāng)有y n 1 個(gè) 通常 選取電路的網(wǎng)孔作為回路 列出的方程定為獨(dú)立方程 4 求解聯(lián)立方程組 得出各支路電流 例3 3 圖3 15所示電路中 已知E1 10V R1 6 R2 4 R3 2 IS 4A 試求各支路電流I1 I2 I3 解 1 由圖3 15可知 有三條支路 兩個(gè)節(jié)點(diǎn) 兩個(gè)網(wǎng)孔 各支路電流的參考方向和回路饒行方向如圖3 15所示 根據(jù)KCL列出 2 1 個(gè)節(jié)點(diǎn)電流方程為 2 根據(jù)KVL列出電壓方程 對(duì)網(wǎng)孔1可得 對(duì)網(wǎng)孔2可得 已知 3 將已知數(shù)據(jù)代入上述方程 解聯(lián)立方程組 解得 圖3 15 例3 3附圖 3 3結(jié)點(diǎn)電壓法 所謂結(jié)點(diǎn)電壓法 就是在給定的電路中 任取一個(gè)結(jié)點(diǎn)作為參考點(diǎn) 此結(jié)點(diǎn)為零電位 電路中任一結(jié)點(diǎn)與參考點(diǎn)之間的電壓稱為節(jié)點(diǎn)電壓 以節(jié)點(diǎn)電壓為求解對(duì)象 根據(jù)KCL列出各節(jié)點(diǎn)電流方程 進(jìn)而求出支路電壓和支路電流 節(jié)點(diǎn)電壓法的解題步驟為 1 任意指定一個(gè)節(jié)點(diǎn)為參考點(diǎn) 設(shè)節(jié)點(diǎn)電壓U為未知量 2 根據(jù)彌爾曼定理求出節(jié)點(diǎn)電壓U 3 根據(jù)歐姆定律求出各支路電流 彌爾曼定理 例3 4 試用節(jié)點(diǎn)電壓法計(jì)算圖3 17中各電流 解 電路中有a b兩個(gè)節(jié)點(diǎn) 以b為參考點(diǎn) 設(shè)節(jié)點(diǎn)電壓為U 根據(jù)彌爾曼定理 各支路電流 圖3 17 例3 4 3 4疊加定理 在線性電路中 如果有多個(gè)獨(dú)立電源同時(shí)作用時(shí)在任何一條支路產(chǎn)生的電壓或電流 都等于電路中各個(gè)獨(dú)立電源單獨(dú)作用時(shí)在該支路所產(chǎn)生的電壓或電流的代數(shù)和 這就是疊加原理 應(yīng)用疊加原理解題的步驟為 1 將原電路圖等效成各個(gè)獨(dú)立源單獨(dú)作用的分電路圖 2 在各分電路圖中標(biāo)出與原電路圖中一致的支路電流或電壓的參考方向 然后求解支路電流或電壓 3 將求出的各分電路的支路電流或電壓求代數(shù)和 例3 5 試用疊加原理求圖3 19 a 所示電路中的電流I 解 根據(jù)疊加原理 可分別求出電壓源E和電流源IS單獨(dú)作用時(shí)的電流 然后在進(jìn)行疊加 圖3 19 b 中 將電流源開(kāi)路 則 圖3 19 c 中 將電壓源短路 則 疊加得 注意 電功率不能疊加 請(qǐng)同學(xué)們自行驗(yàn)證 圖3 19 例3 5附圖 3 5等效電源定理 所謂有源二端網(wǎng)絡(luò) 就是指具有兩個(gè)出線端的內(nèi)含獨(dú)立電源的部分電路 不含獨(dú)立電源的二端網(wǎng)絡(luò)則稱為無(wú)源二端網(wǎng)絡(luò) 有源二端網(wǎng)絡(luò)對(duì)外電路的作用可以用一個(gè)等效電源代替 由此得出兩個(gè)定理 一個(gè)是戴維南定理 一個(gè)是諾頓定理 3 5 1戴維南定理 所謂戴維南定理 是指任何一個(gè)線性有源二端網(wǎng)絡(luò) 如圖3 2l a 所示 對(duì)外電路的作用都可以用一個(gè)理想電壓源E和電阻R0串聯(lián)來(lái)等效代替 如圖3 21 b 所示 其中電壓源的電壓等于有源二端網(wǎng)絡(luò)兩端點(diǎn)間的開(kāi)路電壓U0 電阻R0等于該二端網(wǎng)絡(luò)中所有獨(dú)立電源不作用時(shí)無(wú)源二端網(wǎng)絡(luò)的等效電阻 圖3 21戴維南定理的示意圖 應(yīng)用戴維南定理解題步驟為 1 畫(huà)出待求量所在支路去掉后的電路 并求開(kāi)路電壓U0 2 畫(huà)出全部獨(dú)立源均為零值時(shí)的電路 并求端口處的等效電阻R0 3 畫(huà)出戴維南等效電源電路 求出待求量 例3 6 計(jì)算圖3 22 a 所示電路中的I 解 計(jì)算有源二端網(wǎng)絡(luò)的開(kāi)路電壓U0 將電阻Ra斷開(kāi) 得到如圖3 22 b 所示的有源二端網(wǎng)絡(luò) 圖 b 中 則 求無(wú)源二端網(wǎng)絡(luò)的等效電阻Rab 將電壓源短路 如圖3 22 c 所示 按戴維南定理畫(huà)出等效電壓源電路如圖3 22 d 所示 將Ra接上 得 a b c d 圖3 22 例3 6附圖 3 5 2諾頓定理 所謂諾頓定理 是指任何一個(gè)有源二端網(wǎng)絡(luò) 如圖3 23 a 所示 總可以用一個(gè)理想電流源Is和電阻R0并聯(lián)來(lái)等效代替 如圖3 23 b 所示 電流源的電流等于原有源二端網(wǎng)絡(luò)在端口處的短路電流Isc 電阻R0等于原有源二端網(wǎng)絡(luò)所有獨(dú)立源均為零值時(shí) 在端口開(kāi)路時(shí)求得的網(wǎng)絡(luò)的等效電阻 應(yīng)用諾頓定理解題的步驟為 1 畫(huà)出待求量所在支路短路后的電路 并求短路電流ISC 2 畫(huà)出全部獨(dú)立源均為零值時(shí)的電路 并求待求量所在支路開(kāi)路時(shí)的端口處的等效電阻R0 同戴維南定理求R0一樣 3 畫(huà)出諾頓等效電源電路 求出待求量 a b 圖3 23 例3 7 試用諾頓定理計(jì)算圖3 24 a 所示電路中通過(guò)R1的電流I值 已知R1 4 R2 5 R3 10 E1 10V E2 8V 解 將R1短路 畫(huà)出圖3 24 b 求Isc 利用疊加原理 分別畫(huà)出圖3 24 b 的等效電路圖3 24 c 和圖3 24 d 由圖3 24 c 求得 圖3 24 由圖3 24 d 求得 R2短路 疊加得 畫(huà)出圖3 24 e 求等效電阻R0 畫(huà)出圖3 24 f 根據(jù)分流原理求I 總結(jié) 戴維南定理是有源二端網(wǎng)絡(luò)的等效電壓源定理 諾頓定理是有源二端網(wǎng)絡(luò)的等效電流源定理 如果把用戴維南定理求出的等效電壓源變換為一個(gè)等效電流源 即得到諾頓定理 3 5 3負(fù)載獲得最大功率的條件 任何一個(gè)電源或有源二端網(wǎng)絡(luò)都可以變換為一個(gè)電動(dòng)勢(shì)E和內(nèi)阻R0串聯(lián)的等效電源 如圖3 25所示 圖3 25 負(fù)載獲得的功率為 令 求得負(fù)載獲得最大功率的條件是 當(dāng)負(fù)載電阻與電源內(nèi)阻相等時(shí) 負(fù)載獲得最大功率 這種工作狀態(tài)稱為負(fù)載與電源匹配 此時(shí)電源內(nèi)阻上消耗的功率和負(fù)載獲得的功率相等 故電源效率只有50 所以 負(fù)載最大功率為 本章小結(jié) 電路分析是指已知電路結(jié)構(gòu)和元件參數(shù) 求各支路的電流和電壓 分析和計(jì)算復(fù)雜電路的方法有 電壓源與電流源等效變換 支路電流法 節(jié)點(diǎn)電壓法 疊加原理 等效電源定理等 1 電壓源與電流源的等效變換任何一個(gè)電源都可以用E和R0串聯(lián)的電壓源表示 也可以用IS和R0并聯(lián)的電流源表示 只要E ISR0 則這兩種表示方法對(duì)外電路等效 可以互換 2 支路電流法以支路電流為未知量 根據(jù)基爾霍夫電流定律 KCL 和基爾霍夫電壓定律 KVL 列結(jié)點(diǎn)的電流方程和回路的電壓方程 聯(lián)立方程 解出未知電流 注意在列方程時(shí)要保證各方程是獨(dú)立的 3 節(jié)點(diǎn)電壓法設(shè)結(jié)點(diǎn)電壓U為未知量 根據(jù)彌爾曼定理求出節(jié)點(diǎn)電壓U 根據(jù)歐姆定律求出各支路電流 彌爾曼定理公式 4 疊加原理在具有多個(gè)電源的線性電路中 任意一條支路的電流或電壓等于各電源單獨(dú)作用時(shí)所產(chǎn)生電流或電壓的代數(shù)和 各電源單獨(dú)作用時(shí) 就是假設(shè)其余電源都為零 理想電壓源短路 理想電流源開(kāi)路 疊加原理更重要的一點(diǎn)在于它是分析線性電路的基礎(chǔ) 許多定理 原理均由它導(dǎo)出 疊加的概念廣泛應(yīng)用于線性電路的許多方面 注意 計(jì)算功率時(shí)不能用疊加原理 5 等效電源定理任何一個(gè)線性有源二端網(wǎng)絡(luò)都可以對(duì)外等效為一個(gè)電源 1 戴維南定理任何一個(gè)線性有源二端網(wǎng)絡(luò) 可以用一個(gè)理想電壓源E和電阻R0串聯(lián)來(lái)等效代替 等效電壓源中E Uab R0 Rab 2 諾頓定理任何一個(gè)線性有源二端網(wǎng)絡(luò) 可以用一個(gè)理想電流源Is和電阻R0并聯(lián)來(lái)等效代替 等效電流源中Is Iab R0 Rab如果把用戴維南定理求出的等效電壓源變換為一個(gè)等效電流源 即得到諾頓定理 3 負(fù)載獲得最大功率的條件是 RL R0負(fù)載最大功率為 第4章單相正弦交流電路 教學(xué)目的和要求1 理解正弦量的特征 周期 頻率 有效值 初相位和相位差的概念 2 熟悉正弦量的各種表示方法 重點(diǎn)掌握用相量圖分析和計(jì)算電路的方法 3 熟練掌握電阻 電感 電容元件交流電路的特征 4 掌握由RLC串聯(lián)電路得出交流電路的歐姆定律的一般形式及電壓 阻抗 功率三角形 能分析與計(jì)算簡(jiǎn)單的單相交流電路 5 掌握阻抗串 并聯(lián)的特點(diǎn) 6 掌握交流電路功率因數(shù)提高的方法 7 了解諧振電路的條件和特征 目錄 4 1正弦交流電的基本概念 4 1 1周期頻率角頻率1 周期交流信號(hào)變化一次所需的時(shí)間稱為周期 用T表示 其單位是s 秒 還有用ms 毫秒 s 微秒 計(jì)量時(shí)間的 2 頻率1s內(nèi)信號(hào)重復(fù)變化的次數(shù)稱為頻率 用f表示 其單位是Hz 赫茲 還有用kHz 千赫 茲 MHz 兆赫 茲 計(jì)量頻率的 3 角頻率正弦交流電每秒內(nèi)變化的電角度稱為角頻率 用 表示 單位是rad s 弧度每秒 也表示正弦交流電變化的快慢 因?yàn)?個(gè)周期經(jīng)過(guò)的角度 2 rad 3600 故角頻率與頻率 周期三者之間的關(guān)系為 2 f4 1 2瞬時(shí)值最大值有效值瞬時(shí)值u t Umsin t u 2 最大值正弦交流電瞬時(shí)值中的最大值 它反映該正弦量變化的幅度 不隨時(shí)間變化 通常用大寫(xiě)英文字母加下腳標(biāo)表示 如Im Um Em分別表示正弦交流電流 交流電壓 交流電動(dòng)勢(shì)的最大值 3 有效值I 0 707Im在交流電路中 用電壓表 電流表測(cè)量出來(lái)的電壓 電流值一般情況下均為有效值 通常 工作在交流電路中的電器設(shè)備的額定電壓 額定電流值也是有效值 4 1 3相位初相位相位差 1 相位初相位i t Imsin t i 式中 t i 稱為正弦量的相位 亦稱相位角 它反映了正弦量隨時(shí)間變化進(jìn)程 相位角 t i 中的 i是t O時(shí)的相位 稱為初相位 簡(jiǎn)稱初相 相位和初相位的單位都是rad 弧度 或0 度 正弦交流電的最大值 角頻率 初相位是構(gòu)成正弦交流電的三要素 2 相位差 t u t i u i 4 2正弦量的相量表示 4 2 1復(fù)數(shù)及其運(yùn)算1 復(fù)數(shù)2 復(fù)數(shù)的運(yùn)算 4 2 2相量表示法 我們把表示正弦量的復(fù)數(shù)稱為相量 這種表示方法稱為相量表示法 u Umsin t u 可用相量表示為U U u在正弦交流電路中 相量是滿足基爾霍夫定律的 4 2 3基爾霍夫定律的相量形式 I 0 U 0 4 3正弦交流電路的電路元件 4 3 1電阻元件U IRP UI I2R4 3 2電感元件u Ldi dt若i Imsin t則u Im Lcos t Im Lsin t 900 Umsin t 900 瞬時(shí)功率p ui Umsin t 900 Imsin t UmImsin tcos t UmImsin2 t 2 UIsin2 t平均功率P 0無(wú)功功率為了衡量電感元件與電源之間存在的能量交換的最大速率 定義電感的瞬時(shí)功率的幅值為無(wú)功功率 用QL表示 即QL ULI I2XL 4 3 3電容元件 1 電壓與電流的關(guān)系 2 功率 1 瞬時(shí)功率p ui Umsin tImsin t 900 UmImsin tcos t UmImsin t 2 UIsin2 t 2 平均功率p 1 T 0TUIsin2 tdt 0 3 無(wú)功功率Qc Ucl I2XC電容元件的電路中 電容兩端的電壓與流過(guò)電容的電流都為同頻率的正弦量 4 4RLC串聯(lián)交流電路 1 RLC串聯(lián)電路電壓與電流的相位關(guān)系如下 1 當(dāng)XL Xc時(shí) X 0 O 電壓超前于電流 電路呈電感性 稱為感性電路 2 當(dāng)XL Xc時(shí) X O 0 電壓滯后于電流 電路呈電容性 稱為容性電路 3 當(dāng)XL Xc時(shí) X 0 0 Z R 電壓與電流同相 電路呈電阻性 2 功率 l 瞬時(shí)功率p UIcos UIcos 2 t 2 平均功率P UIcos I2R 3 無(wú)功功率電感元件與電容元件不消耗功率 電路中的無(wú)功功率為Q QL Qc I UL Uc UIsin 4 視在功率將電壓和電流有效值的乘積UI稱為視在功率 用S表示 S UI 4 5阻抗的聯(lián)接 4 5 1阻抗的串聯(lián)在正弦交流電路中 阻抗的連接形式是多樣的 同直流電路中的一個(gè)無(wú)源電阻網(wǎng)絡(luò)可以用一個(gè)電阻等效一樣 一個(gè)RLC元件構(gòu)成的無(wú)源網(wǎng)絡(luò)也可以用一個(gè)阻抗等效 Z Z1 Z2 Zn4 5 2阻抗的并聯(lián)n個(gè)阻抗并聯(lián) 根據(jù)并聯(lián)電路的特點(diǎn)推出等效阻抗Z等于n個(gè)并聯(lián)的阻抗倒數(shù)之和 即1 Z 1 Z1 1 Z2 4 5 3阻抗的混聯(lián)在正弦交流電路中還有包含阻抗串聯(lián)和阻抗并聯(lián)的電路 既有阻的抗串聯(lián)又有阻抗的并聯(lián)的電路叫阻抗的混聯(lián) 阻抗混聯(lián)電路的串聯(lián)部分具有串聯(lián)的性質(zhì) 并聯(lián)部分具有并聯(lián)的性質(zhì) 計(jì)算阻抗混聯(lián)的等效阻抗時(shí) 可參考混聯(lián)電阻的計(jì)算方法 分清各阻抗的連接關(guān)系 再根據(jù)串 并聯(lián)電路的基本性質(zhì) 對(duì)阻抗逐步進(jìn)行合并 對(duì)電路進(jìn)行等效簡(jiǎn)化 畫(huà)出等效電路圖 最后計(jì)算出電路的總阻抗 4 6功率因數(shù)的提高 4 6 1提高功率因素的意義cos 低 線路損耗大 cos 低 電源的利用率低 4 6 2提高功率因數(shù)方法提高功率因數(shù)cos 的最簡(jiǎn)便的辦法 是利用電容與感性負(fù)載相并聯(lián) 其電路圖和相量圖如圖4 22所示 這樣就可以使電感中的磁場(chǎng)能量與電容的電場(chǎng)能量交換 從而減少電源與負(fù)載間能量的互換 圖4 22功率因數(shù)的提高 功率因數(shù)從COS 1提高到COS 2時(shí)需并入的電容器C的電容值為C P1 U2 tan 1 tan 2 所需的電容無(wú)功功率值為Qc UIc P1 tan 1 tan 2 注意 感性負(fù)載的功率因數(shù)并未提高 但整個(gè)電路的功率因數(shù)提高了 4 7電路的諧振 諧振現(xiàn)象是正弦交流電路的一種特定的工作狀態(tài) 在具有電感和電容的電路中 電路的端電壓與流過(guò)電路電流的相位一般是不同的 若調(diào)整電路中電感L 電容C的大小或改變電源的頻率 使電路端電壓和流過(guò)的電流同相位 電路呈電阻性 這種狀態(tài)稱為諧振現(xiàn)象 處于諧振狀態(tài)的電路稱為諧振電路 諧振電路在電工 電子技術(shù)中應(yīng)用廣泛 但諧振時(shí)又可能破壞系統(tǒng)的正常工作 應(yīng)引起充分重視 諧振電路分為串聯(lián)諧振和并聯(lián)諧振 4 7 1串聯(lián)諧振 電路處在串聯(lián)諧振時(shí) 具有下列特征 1 電源電壓與電路中的電流同相 00 電路呈電阻性 電源供給電路的能量全部被電阻消耗 電感中磁場(chǎng)能與電容中電場(chǎng)能發(fā)生能量交換 2 串聯(lián)阻抗最小 電流最大 這時(shí)由于Z R 故電流I U R最大 3 因?yàn)閄L Xc 所以UL Uc UL與Uc相位相反 互相抵消 對(duì)整個(gè)電路不起作用 電阻上電壓就等于電源電壓U UR 4 但是 UL與Uc的單獨(dú)作用不能忽略 當(dāng)XL Xc R時(shí) UL Uc UR 又因諧振時(shí)U UR 所以UL Uc U 可見(jiàn) 當(dāng)電路發(fā)生諧振時(shí) 會(huì)出現(xiàn)電感和電容上的電壓UL Uc超過(guò)電源電壓U許多倍的現(xiàn)象 因此串聯(lián)諧振又稱電壓諧振 4 7 2并聯(lián)諧振 并聯(lián)諧振時(shí) 電路具有以下待征 1 電路兩端電壓與電流同相位 電路呈電阻性 2 電路的并聯(lián)阻抗最大 電流最小 這時(shí)由于Z R 因此 當(dāng)電壓U一定時(shí) 電路中的電流I U R達(dá)到最小 3 電感電流與電容電流大小相等 相位相反 互為補(bǔ)償 電路總電流等于電阻支路電流 4 各并聯(lián)支路的電流為j 0CU j 0CRI在并聯(lián)諧振時(shí) IL Ic 但它們可以比并聯(lián)總電流大許多倍 因此 并聯(lián)揩振也稱電流諧振 本章小結(jié) 1 按正弦規(guī)律變化的交流電稱為正弦交流電 例如u Umsin t十 2 正弦交流電的三要素 最大值 初相角 角頻率 頻率 3 角頻率 2 f 頻率f 周期T 4 相位差反映兩個(gè)同頻正弦交流電在相位上超前或滯后的關(guān)系 初相與計(jì)時(shí)起點(diǎn)有關(guān) 相位差不隨計(jì)時(shí)起點(diǎn)而變 它等于兩個(gè)同頻正弦交流電的初相角之差 5 有效值 U I E 6 正弦交流電有四種表示方法 函數(shù)式 波形圖 相量式 相量圖 根據(jù)需要選擇適當(dāng)?shù)男问?7 阻抗的連接8 提高功率因數(shù)的方法9 諧振電路 第5章三相正弦交流電路 5 1三相交流電路的基本概念 三相電源一般是由三個(gè)頻率相同 幅值相等 初相依次相差1200的正弦交流電源 按一定的方式連接組成的 它一般有三相發(fā)電機(jī)提供 圖5 1是一臺(tái)三相發(fā)電機(jī)的原理圖 它的主要部分是磁極和電樞 磁極是轉(zhuǎn)動(dòng)的 亦稱轉(zhuǎn)子 電樞是固定的 亦稱定子 定子鐵心的內(nèi)圓周表面由沖有槽的硅鋼片疊成 槽內(nèi)用以放置三相電樞繞組 第一相電動(dòng)勢(shì)達(dá)到最大值 第二相需轉(zhuǎn)過(guò)1 3周 即1200 后 其電動(dòng)勢(shì)才能達(dá)到最大值 也就是第一相電動(dòng)勢(shì)超前第二相電動(dòng)勢(shì)相位1200 同理 第二相電動(dòng)勢(shì)超前第三相電動(dòng)勢(shì)1200相位 第三相電動(dòng)勢(shì)又超前第一相電動(dòng)勢(shì)1200相位 這三個(gè)電壓頻率相同 幅值相等 相位互差1200 組成對(duì)稱三相電源 圖5 1三相交流發(fā)電機(jī)原理圖 目錄 三相電壓的瞬時(shí)表達(dá)式為 以u(píng)a作為參考正弦量 其中 um為每相電壓的幅值 為有效值 三相電壓的相量分別為 三相電壓的波形圖和相量圖分別如圖5 2和圖5 3所示 圖5 2三相電壓的波形 圖5 3三相電壓的相量 對(duì)稱三相電壓的瞬時(shí)值之和 對(duì)稱三相電源的電壓之和 相量和瞬時(shí)值的代數(shù)和 恒為零 在這里 對(duì)稱的含意是 頻率相同 幅值相等 初相互差1200 上述結(jié)論同樣適用于三相對(duì)稱電流 因此可以說(shuō) 任何對(duì)稱三相正弦量之和恒為零 三相電壓達(dá)到最大值或零值的次序 或者說(shuō)從超前相到滯后相的次序稱為相序 在圖5 1和圖5 2中 a相電壓超前b相 b相電壓又超前c相 這時(shí)的相序?yàn)閍 b c 通常稱這種相序?yàn)檎嘈蚧蝽樝嘈?若a相電壓超前c相 c相電壓又超前b相 這時(shí)的相序?yàn)閍 c b 則稱為負(fù)相序或逆相序 5 2三相電源的連接方式 三相電路是由三相電源 三相負(fù)載及它們的連接線組成的 因?yàn)樗ㄈ齻€(gè)電源和三個(gè)負(fù)載 所以其連接方式比單相電路復(fù)雜 電源之間的連接方式的不同 它們的電壓 電流之間的關(guān)系也隨之不同 一般來(lái)講 三相電路中電源可接成星形 Y 和三角形 5 2 1三相電源的星形連接 即將三相末端連在一起 這一連接點(diǎn)稱為中點(diǎn)或零點(diǎn) 用O表示 這種連接法稱為星形連接 從中性點(diǎn)引出的導(dǎo)線稱為中性線 從三相始端a b c引出的三根導(dǎo)線稱為相線或端線 俗稱火線 1 相電壓與線電壓之間的關(guān)系 在對(duì)稱三相星形電源中 線電壓也是對(duì)稱的 其有效值時(shí)相電壓的倍 即 火線與中線間的電壓 稱為相電壓 它的有效值用Ua Ub Uc或一般用Up表示 而任意兩始端間的電壓 也就是兩火線間的電壓 稱為線電壓 它的有效值用Uab Ubc Uca或一般用UL表示 各相電動(dòng)勢(shì)的正方向 選定為自繞組的末端指向始端 相電壓的正方向 選定為自始端指向末端 中點(diǎn) 線電壓的正方向 例如Uab 是自a端指向b端 5 2 2三相電源的三角形連接 如果在三相電源和負(fù)載中 對(duì)電源和負(fù)載均按各相的次序順次相接 即將各相的首尾依次串聯(lián) 則電源形成一個(gè)閉合的三角形如圖5 6 圖5 6電源的三角形連接 在三角形連接中 不可能再有中點(diǎn)和中線 三角形連接只有三相三線制 1 三角形連接時(shí)的相電壓與線電壓的關(guān)系三角形連接時(shí)相電壓與線電壓相等 2 相電流和線電流的關(guān)系在對(duì)稱三相三角形電源中 線電流也是對(duì)稱的 其有效值是相電流的倍 即 5 3三相負(fù)載的連接方式 我們平時(shí)所見(jiàn)到的用電器統(tǒng)稱為負(fù)載 負(fù)載按它對(duì)電源的要求分為單相負(fù)載和三相負(fù)載 單相負(fù)載就是指只需單相電源供電的設(shè)備 如電燈 電爐 電烙鐵等 三相負(fù)載時(shí)只需要三相電源供電的設(shè)備 如三相異步電動(dòng)機(jī) 三相變壓器 大功率電爐等 在三相電路中 如果各相阻抗相同 即 Z1 Z2 Z3 Z 該三相負(fù)載稱為對(duì)稱三相負(fù)載 相應(yīng)的電路稱為對(duì)稱三相電路 而各相阻抗不同的三相負(fù)載稱為不對(duì)稱三相負(fù)載 相應(yīng)的電路稱為不對(duì)稱三相電路 三相電路中負(fù)載的連接方法也有兩種 星形 Y 連接和三角形 連接 三相電源的輸電方式有三相四線制 由三根火線和一根地線組成 通常在低壓配電系統(tǒng)中采用 由三根火線所組成的輸電方式稱三相三線制 5 3 1三相負(fù)載的星形連接 三相電路中的電流也有相電流和線電流之分 每相負(fù)載中的電流稱為相電流 每根火線中的電流稱為線電流 在星形連接的三相電路中 相電流等于線電流 中線電流為三條火線電流之和 當(dāng)三相負(fù)載對(duì)稱時(shí) 可將中線省去 這樣 三相四線制就簡(jiǎn)化為三相三線制 當(dāng)三相負(fù)載不對(duì)稱時(shí) 各相電流的大小就不相等了 相位差也不一定相差1200 因此 中性相電流就不為零 此時(shí)中性線絕不可斷開(kāi) 例5 1 如圖5 14所示的負(fù)載為星形連接的對(duì)稱三相電路 電源線電壓為380V 每相負(fù)載的電阻為 電抗為 試求 1 在正常情況下 每相負(fù)載的相電壓和相電流 2 第三相負(fù)載短路時(shí) 其余兩相負(fù)載的相電壓和相電流 3 第三相負(fù)載斷路時(shí) 其余兩相負(fù)載的相電壓和相電流 解 1 在正常情況下 由于三相負(fù)載對(duì)稱 中性線電流為零 故省去中性線 并不影響三相電路的工作 所以 各相負(fù)載的相電壓仍為對(duì)稱的電源相電壓 即 每相負(fù)載的阻抗為 所以 每相的相電流為 2 第三相負(fù)載短路時(shí) 線電壓通過(guò)短路線直接加在第一相和第二相的負(fù)載兩端 所以 這兩相的相電壓等于線電壓 即 從而求出相電流為 3 第三相負(fù)載斷路時(shí) 第一 二兩相負(fù)載串聯(lián)后接在線電壓上 由于兩相阻抗相等 所以 相電壓為線電壓的一半 即 于是得到這兩相的相電流為 圖5 14 例5 1附圖 5 3 2三相負(fù)載的三角形連接 在三相電路中 負(fù)載按各相的次序順次相接 即將各相的首尾依次串聯(lián) 形成閉合的三角形 然后再將電源和負(fù)載的相應(yīng)端點(diǎn)連接起來(lái) 這樣便構(gòu)成如圖5 15所示的三角形連接的三相電路 每相負(fù)載的電壓和電流的正方向已經(jīng)標(biāo)出 在三角形連接中 不可能再有中點(diǎn)和中線 因此三角形連接只有三相三線制 5 15負(fù)載三角形連接的三相電路 三角形連接不論負(fù)載對(duì)稱與否 其相電壓總是對(duì)稱的 相電壓等于線電壓 即 三角形三相對(duì)稱電路中 即線電流是相電流的倍 各線電流在相位上比各相應(yīng)的相電流滯后300 又因?yàn)橄嚯娏魇菍?duì)稱的 所以 線電流也是對(duì)稱的 各線電流之間的相位差也是1200 綜上所述 三相負(fù)載既可以連成星形連接 也可以連成三角形連接 具體如何連接 應(yīng)根據(jù)負(fù)載的額定電壓和電源的電壓而定 例5 2 如圖5 15所示 有一三角形連接的對(duì)稱負(fù)載 每相的電阻R 6 感抗XL 8 電源電壓對(duì)稱 設(shè)uAB 220sin t V 試求 1 各相電流IP和各線電流IL以及各相的相位差角 2 寫(xiě)出各線電流的瞬時(shí)值表示式 解 1 因?yàn)樨?fù)載對(duì)稱 只需計(jì)算一相即可 三角形連接 所以相電流 線電流 相電流滯后與對(duì)應(yīng)的相電壓 角 即 2 線電流iA滯后相電流iAB300 又iAB滯后于uAB530 所以 因?yàn)榫€電流對(duì)稱 則有 5 15負(fù)載三角形連接的三相電路 5 4三相電路的功率 不論負(fù)載是星形連接或是三角形連接 總的有功功率必定等于有功功率之和 當(dāng)負(fù)載對(duì)稱時(shí) 每相的有功功率是相等的 因此三相功率為 式中角是相電壓與相電流之間的相位差 當(dāng)對(duì)稱負(fù)載是星形連接時(shí) 當(dāng)對(duì)稱負(fù)載是三角形連接時(shí) 不論對(duì)稱負(fù)載是星形連接或是三角形連接 三相無(wú)功功率 三相無(wú)功視在功率 例5 3 有一三相電動(dòng)機(jī) 每相的等效電阻 等效感抗 試求在下列兩種情況下電動(dòng)機(jī)的相電流 線電流以及從電源輸入的功率 并比較所得結(jié)果 1 繞組聯(lián)成星形接于的三相電源上 2 繞組聯(lián)成三角形接于的三相電源上 解 1 因?yàn)槭切切芜B接 2 比較 1 2 的結(jié)果 在兩種連接法中 相電壓 相電流及功率都沒(méi)有改變 僅線電流在 2 情況下增大了在 1 情況下的倍 5 5安全用電 5 5 1觸電的有關(guān)知識(shí) 人體因觸及高電壓的帶電體而承受過(guò)大的電流 以致引起死亡或局部受傷的現(xiàn)象稱為觸電 人觸電死亡的原因是 當(dāng)通過(guò)人體的電流超過(guò)人能忍受的安全數(shù)值時(shí) 肺便停止呼吸 心肌失去收縮跳動(dòng)的功能 導(dǎo)致心臟的心室顫動(dòng) 血泵 不起作用 全身血液循環(huán)停止 血液循環(huán)停止之后 引起胞組織缺氧 在10 15秒種內(nèi) 人便失去知覺(jué) 再過(guò)幾分鐘 人的神經(jīng)細(xì)胞開(kāi)始麻痹 繼而死亡 5 5 2安全電壓 人體與帶電體接觸時(shí) 對(duì)人體各部位組織 如皮膚 心臟 呼吸器官和神經(jīng)系統(tǒng) 不會(huì)造成任何損害的電壓叫做安全電壓 我國(guó)根據(jù) 實(shí)用電工手冊(cè) 推薦 人體安全電流 交流30mA 直流50mA 故得安全電壓 交流36V 直流50V 人體接觸時(shí)不會(huì)引起生命危險(xiǎn)的電壓 一般指低于36伏以下的電壓 但應(yīng)注意 在潮濕的環(huán)境里 安全電壓值應(yīng)低于36V 采用更低的24V或12V電壓才安全 另外 有的同學(xué)還可能誤認(rèn)為 只要某用電器兩端的電壓不超過(guò)36V 人就可以隨便觸及用電器的帶電部分而不發(fā)生觸電事故 這是不對(duì)的 因?yàn)橛秒娖鲀啥说碾妷汉图釉谌梭w上的電壓是兩回事 綜上所述 在正常情況下 只有加在人體上不同部位之間的電壓不高于36V才是安全的 5 5 3觸電事故的種類 觸電方式主要分單線觸電 兩線觸電 跨步電壓觸電等三種 單線觸電是指人接觸帶電的電氣設(shè)備任何一相引起的觸電 在中點(diǎn)不接地系統(tǒng)中 單線觸電是電流經(jīng)過(guò)人體對(duì)地形成回路 如圖5 16所示 兩線觸電是指人體兩處同時(shí)觸及