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电工技术基础实用第五章正弦交流电路
第五章
正弦交流电路
正弦交流电的应用范围非常广泛。发电厂发出 的电压是正弦电压;常用的音频信号发生器输出的 信号是正弦信号;语音广播及电视技术中所用的 “高频载波”或“超高频载波”是正弦波。目前, 我国使用的所有电能几乎都是以正弦交流电形式产 生的,即便需要用直流电的场合,大多数也是将正 弦交流电通过整流设备变换为直流电的。因此,学 习研究正弦交流电具有重要的现实意义。
第五章 正弦交流电路
第五章 正弦交流电路
5.1 5.2 5.3 5.4 5.5 正弦电压和电流的基本概念 正弦量的表示法 单一参数的交流电路 RLC串联交流电路 三相交流电源
第五章
正弦交流电路
学习目的:
1、了解正弦交流电的三要素和复阻抗的连接形式。 2、掌握正弦量的相量表示法,交流电路的分析方法。 3、了解三相电源的联结方法,掌握三相电路的分析和 计算的方法。 学习重点: 正弦量的三要素,正弦量的相量表示法,R、 L、C串联交流电路
(a) (b) (c) 图 5期性变化的, 所以电路图上所标极性“+”、“-”是参考方向。正 弦电压、电流和电动势统称为正衔量。一般可用 正弦时间函数式表示如下(此处以电压为例) u=Umsin(wt+∮) (5.1) 式(5.1)中u称为瞬时值,Um称为最大值,w称为角频 率,∮称为初相位或初相角.它们可以确切描述正弦 交流电在某一时刻的状态,这三个量被称为交流电 的三要素。下面着重讨论三要素并介绍一些相关 物理量。
根据这一定义有: T 0 Ri2dt=RI2T
有效值用大写字母I、U、E表示,与直流电字母 相同,但它表示的是交流电的有效值,即表示了交流 电的大小。在实用中,凡未作特殊说明时所用的电流、 电压、电动势的值,均指有效值。如经常使用的220V 照明电压,380V动力电压,电机电器铭牌所标电流、 电压及电流表、电压表所测数据,均指有效值。
任何两个同频率的正弦量之间相位之差或初相位之差称为 相位差,用∮表示。设有两个同频率的正弦交流电流 i1=Im1 sin(wt+ ∮01) i2=Im2 sin(wt+ ∮02) 即 ∮=(wt+ ∮01 )-( wt+ ∮02 )= ∮01- ∮02 由此可见,两个同频率的正弦交流电的相位差与时间无关, 在正弦量变化过程中的任一时刻都是一个常数。它表明了 两个正弦量之间在时间上的超前或滞后关系。在实际应用 中,规定用绝对值小于π的角来表示相位差。
图 5.1 直流电流
在直角坐标系中,用横坐标表示时间t,纵坐标表示 交流电的瞬时值,把某一时刻t和与之对应的u或i作为平 面直角坐标系中的点,用光滑的曲线把这些点连接起来, 就得到交流电u(t)或i(t)随时间变化的曲线,即波形 图。通过它可以直观地了解电流和电压随时间变化的规律。 图5.2所示为几种常见交流电的电流波形图。
5.1.1 周期、频率和角频率
(1)周期。正弦交流电循环变化一周所用的时间 叫做周期,用T表示,单位是秒(s)。 (2)频率。正弦交流点在1s内完成循环变化的次 数叫频率,用f表示,单位为赫兹(Hz)。在我国, 电力用交流电选用50Hz。即在1s内,交流电可完 成50个周期的变化,这种交流电频率又称为工频。 在电工与电子技术上,频率还用于千(kHz)、兆 赫(MHz)等单位。
5.1.3相位、初相位和相位差
交流电是随时间变化的,在不同时刻t,具有 不同的(wt+ ∮ )值,对应的就得到交流电不同的瞬时 值。 (wt+ ∮ )称为交流电的相位角或相位。把t=0这 一时刻的相位角称为初相位角,简称初相位,即式中的∮。 对于同一个正弦量而言,初相位与所选的计时起点有关, 所选的计时起点不同,交流电的初始值就不同,到达最大 值或某个特定值所需要时间就不同。那么在计算与分析交 流电路时,同一个电路中的所有正弦只能有一个共同的计 时起点,通常把初相位为零的正弦量称为参考正弦量。
它们的换算关系是
1kHz=1000Hz 1MHz=1000 kHz=1000000 Hz 从周期和频率的定义可知,它们互为倒数,即 f=1/T 可以看出,周期和频率都是表征交流电变化快慢 的物理量。周期越长,频率越低,则交流电变化 越慢。
(3)角频率
交流电每1s所经历的电角度叫交流电的角频率,用符 号w表示,单位为弧度每秒(rad/s)。角频率和周期、频 率有如下关系 w=2π/T=2πf 式中 2π—线圈转动一周电角度的变化量,单位是弧 度,符号为rad; T—周期,单位是秒,符号为s; f—频率,单位是赫兹,符号为Hz; w—角频率,单位是弧度每秒,符号为rad/s。 对于交流市电,频率f=50Hz,则有 T=1/f=0.02, w=2πf=2×3.14×50 rad/s=314 rad/s
5.1 正弦电压和电流的基本概念
在直流电路中,电流、电压的大小和方向都不随时间 变化,如图5.1所示。在交流电路中,电流、电压的大小 和方向随时间作周期性变化,这样的电流、电压分别叫做 交变电流、交变电压,统称为交流电。大小和方向随时间 按正弦规律变化的电压和电流,称作正弦交流电。交流电 的电流或电压在变化过程的任一瞬间,都有确定的大小和 方向,叫做交流电的瞬时值,分别用小写字母i、u来表示。
如果∮= ∮01- ∮02>0,那么i1超前i2,或者说i2 滞 后i1。它表明当电流i1达到最大值时,电流i2要经 过∮ /w以后,才能达到最大值,如图5.3(a)所示。 如果∮= ∮01- ∮02<0,则电流i1滞后i2,或者说i2 超前i1,即当i2达最大值时, i1要再过∮ /w以后, 才能达最大值。如图5.3(b)所示。如果两个正弦交 流电的相位差∮=0,那么称两者为同相,如图5.3 (c)所示。
5.1.2瞬时值、最大值和有效值
正弦量在任一瞬时的值称为瞬时值,用小写英文字母 u、i、e表示,它是随时间变化的。正弦量在一个周期内 有二次到达最大值,又称幅值,用带有下标“m”的大写 字母Im、Um、Em表示。正弦交流电的瞬时值、最大值都不 能确切反映交流电在能量转换方面的效果,为此,引入有 效值。有效值表示一个直流电流与一个正弦交流电流分别 通过阻值相等的电阻R时,在相同的通电时间内,若两者 在电阻R上所产生的热量相等,此时这个直流电的数值即 等于该交流电的有效值。