工學(xué)情境二任務(wù)三RlC電路探究課件

1、情境三 任務(wù)三 R-L-C電路的研究 （多參數(shù)組合的正弦交流電路）知識(shí)目標(biāo)：1：理解掌握基本電路元件在交流電路中的特性；2：掌握R-L-C串聯(lián)電路諧振的條件及特性。 能力目標(biāo) 1：能使用電工工具安裝簡(jiǎn)單電力電路；2：能利用儀器測(cè)試R-L-C串聯(lián)電路的諧振頻率。 第1頁(yè)，共41頁(yè)。情境三 任務(wù)三 R-L-C電路的研究 （1） R-L-C串并聯(lián)電路的研究 I U URajXLRjXC UL UCb電路相量模型 1、R、L、C串聯(lián)電路的相量分析法 設(shè) 可得 對(duì)假想回路列相量形式的KVL方程：為電路參考相量 式中 復(fù)阻抗Z的模值對(duì)應(yīng)正弦交流電路中的阻抗|Z|，幅角對(duì)應(yīng)總電壓與電流的相位差。阻抗 |Z|

2、反映了多參數(shù)串聯(lián)電路對(duì)正弦交流電流總的阻礙作用。阻抗的單位是歐姆。第2頁(yè)，共41頁(yè)。IULURUCURLC串聯(lián)電路相量圖式中由相量圖可導(dǎo)出幾個(gè)三角形UURUX電壓三角形ZRj(XL-XC)由相量圖可以看出：UX=UL+UCI=阻抗三角形I2=功率三角形復(fù)功率SSP j(QL-QC) 注意：上述三角形都是按照感性電路畫(huà)出的。其中復(fù)功率的模對(duì)應(yīng)電路的總功率S，通常稱為視在功率(表觀功率)。對(duì)R、L、C串聯(lián)電路進(jìn)行相量分析第3頁(yè)，共41頁(yè)。UURUX電壓三角形ZRj(XL-XC)阻抗三角形功率三角形SP j(QL-QC) 電壓三角形是相量圖。它不僅定性反映各電壓間的數(shù)量關(guān)系，還可反映各電壓間的相位關(guān)

3、系。 阻抗三角形不是相量圖！它的各條邊僅僅反映了各個(gè)復(fù)阻抗之間的數(shù)量關(guān)系。 功率三角形也不是相量圖！其各邊也是僅僅表明了各種功率之間的數(shù)量關(guān)系。第4頁(yè)，共41頁(yè)。2. 多參數(shù)組合串聯(lián)電路的功率 觀察三個(gè)三角形可看出：同相位的電壓和電流構(gòu)成了有功功率P，顯然這是由電阻元件耗能的電特性決定的。 P的單位是瓦特。有功功率的能量轉(zhuǎn)換過(guò)程是不可逆的。 由幾個(gè)三角形還可看出：正交關(guān)系的電壓和電流構(gòu)成的是無(wú)功功率Q，電感元件的QL為正；電容元件的QC為負(fù)。 Q的單位是乏爾。無(wú)功功率的能量轉(zhuǎn)換過(guò)程可逆。 視在功率是電路中的總功率，它包含了有功功率和無(wú)功功率。 S的單位是伏安。視在功率表征電源或設(shè)備的總?cè)萘?。?/p>

4、5頁(yè)，共41頁(yè)。有關(guān)電路性質(zhì)的討論由可知，電路的性質(zhì)取決于電抗UX。當(dāng)時(shí)，UX0，電路呈感性，u超前i一個(gè)角；時(shí)，UXUC，則總電壓超前電流一個(gè)角，若ULUC，則總電壓滯后電流一個(gè)角，若UL=UC時(shí)總電壓與電流同相，相位差=0，電路出現(xiàn)串聯(lián)諧振（后面專(zhuān)門(mén)討論）。第11頁(yè)，共41頁(yè)。3. 功率因數(shù) 電力設(shè)備如變壓器、感應(yīng)電動(dòng)機(jī)、電力線路等，除從電力系統(tǒng)吸取有功功率外，還要吸取無(wú)功功率。無(wú)功功率僅完成電磁能量的相互轉(zhuǎn)換，并不作功。無(wú)功和有功同樣重要，沒(méi)有無(wú)功，變壓器不能變壓，電動(dòng)機(jī)不能轉(zhuǎn)動(dòng)，電力系統(tǒng)不能正常運(yùn)行。但無(wú)功功率占用了電力系統(tǒng)發(fā)供電設(shè)備提供有功功率的能力，同時(shí)也增加了電力系統(tǒng)輸電過(guò)程中的

5、有功功率的損耗，導(dǎo)致用電功率因數(shù)降低。式中cos稱為電路的功率因數(shù)?？傻?世界各國(guó)電力企業(yè)對(duì)用電功率因數(shù)都有要求，并按用電功率因數(shù)的高低在經(jīng)濟(jì)上給予獎(jiǎng)懲。第12頁(yè)，共41頁(yè)。 功率因數(shù)是電力技術(shù)經(jīng)濟(jì)中的一個(gè)重要指標(biāo)。提高功率因數(shù)意味著：1)提高用電質(zhì)量，改善設(shè)備運(yùn)行條件，保證設(shè)備在正常條 件下工作，有利于安全生產(chǎn)；2)可節(jié)約電能，降低生產(chǎn)成本，減少企業(yè)的電費(fèi)開(kāi)支。例 如：當(dāng)cos=0.5時(shí)的損耗是cos=1時(shí)的4倍；3)提高企業(yè)用電設(shè)備利用率，充分發(fā)揮企業(yè)的設(shè)備潛力；4)減少線路的功率損失，提高電網(wǎng)輸電效率；5)因發(fā)電機(jī)容量的限定，提高功率因數(shù)將意味著讓發(fā)電機(jī) 多輸出有功功率。為什么要提高功率

6、因數(shù)？第13頁(yè)，共41頁(yè)。1. 避免感性設(shè)備的空載和減少其輕載；提高功率因數(shù)的方法2. 在線路兩端并聯(lián)適當(dāng)電容。提高功率因數(shù)的意義1. 提高供電設(shè)備的利用率；2. 減少線路上的能量損耗。第14頁(yè)，共41頁(yè)。 一臺(tái)功率為1.1kW的感應(yīng)電動(dòng)機(jī)，接在220V、50Hz的電路中，電動(dòng)機(jī)需要的電流為10A，求：(1)電動(dòng)機(jī)的功率因數(shù)；(2)若在電動(dòng)機(jī)兩端并聯(lián)一個(gè)79.5F的電容器，電路的功率因數(shù)為多少？（1）（2）設(shè)未并聯(lián)電容前電路中的電流為I1；并聯(lián)電容后，電動(dòng)機(jī)中的電流不變，仍為I1，但電路中的總電流發(fā)生了變化，由I1變成I。電流相量關(guān)系為：畫(huà)電路相量圖分析：UIICI1IC第15頁(yè)，共41頁(yè)。U

7、IICI1IC可見(jiàn)，電路并聯(lián)了電容C后，功率因數(shù)由原來(lái)的0.5提高到了0.845，電源利用率得以提高。第16頁(yè)，共41頁(yè)。檢驗(yàn)學(xué)習(xí)結(jié)果1. RL串聯(lián)電路接到220V的直流電源時(shí)功率為1.2KW，接在220V、50 Hz的電源時(shí)功率為0.6KW，試求它的R、L值。2. 如果誤把額定值為工頻“220V”的接觸器接到直流“220V”電源上，會(huì)出現(xiàn)什么現(xiàn)象？分析：RL在直流下相當(dāng)純電阻，所以R=2202120040.3;工頻下：3. 并聯(lián)電容器可以提高電路的功率因數(shù)，并聯(lián)電容器的容量越大，功率因數(shù)是否被提得越高？為什么？會(huì)不會(huì)使電路的功率因數(shù)為負(fù)值？是否可以用串聯(lián)電容器的方法提高功率因數(shù)？不可以！并的

8、電容量大，cos不一定高會(huì)由于過(guò)電壓而燒損第17頁(yè)，共41頁(yè)。思考與練習(xí) 已知交流接觸器的線圈電阻為200，電感量為7.3H，接到工頻220V的電源上。求線圈中的電流I=?如果誤將此接觸器接到U=220V的直流電源上，線圈中的電流又為多少？如果此線圈允許通過(guò)的電流為0.1A，將產(chǎn)生什么后果？分析接到工頻電源220V時(shí)接觸器線圈感抗XL=2fL=3147.3=2292如誤接到直流220V時(shí) 此時(shí)接觸器線圈中通過(guò)的電流是它正常條件下額定電流的11倍，因過(guò)電流線圈將燒損。第18頁(yè)，共41頁(yè)。練習(xí)端的電壓，從而達(dá)到調(diào)速的目的。已知電動(dòng)機(jī)電阻為190，感抗為260，電源電壓為工頻220V?，F(xiàn)要使電動(dòng)機(jī)上

9、的電壓降為180V，求串聯(lián)電感線圈的電感量L應(yīng)為多大(假定此線圈無(wú)損耗電阻)？能否用串聯(lián)電阻來(lái)代替此線圈？試比較兩種方法的優(yōu)缺點(diǎn)。分析電動(dòng)機(jī)電阻和電感上的電壓分別為電動(dòng)機(jī)中通過(guò)的電流串聯(lián)線圈端電壓在電扇電動(dòng)機(jī)中串聯(lián)一個(gè)電感線圈可以降低電動(dòng)機(jī)兩第19頁(yè)，共41頁(yè)。若用電阻代替線圈，則串聯(lián)電阻端電壓串聯(lián)電阻的阻值為 比較兩種方法，串聯(lián)電阻的阻值為電動(dòng)機(jī)電阻的二分之一還要多些，因此需多消耗功率:P=0.559210633W，這部分能量顯然對(duì)用戶來(lái)講是要計(jì)入電表的。而串聯(lián)的線圈本身銅耗電阻很小，一般不需要消耗多少有功功率。所以，對(duì)用戶來(lái)講，用串聯(lián)線圈的方法降低電壓比較合適。串聯(lián)線圈電感量第20頁(yè)，共4

10、1頁(yè)。 任務(wù)三 （2） R-L-C諧振電路的研究學(xué)習(xí)目標(biāo)： 1.理解R、L、C串聯(lián)和并聯(lián)電路的諧振概念。 2.掌握串聯(lián)諧振與并聯(lián)諧振的條件與特點(diǎn)。 3.了解諧振的應(yīng)用及危害。 4.能夠正確使用信號(hào)發(fā)生器、示波器及萬(wàn)用表學(xué)習(xí)重點(diǎn)：RLC串聯(lián)諧振、并聯(lián)諧振的條件與特點(diǎn)。學(xué)習(xí)難點(diǎn)：RLC串聯(lián)、并聯(lián)的諧振特性。情境三第21頁(yè)，共41頁(yè)。 將電阻R=5，電感L=0.159H, 電容C=63.7F串聯(lián)接在工頻220V市電兩端，在電感和電容兩端就將產(chǎn)生2000V以上的高壓，會(huì)對(duì)人身及用電設(shè)備產(chǎn)生危害。 產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因是因?yàn)榘l(fā)生了串聯(lián)諧振。（實(shí)訓(xùn)中測(cè)出），諧振電路在無(wú)線電工程和電子測(cè)量技術(shù)等許多領(lǐng)域應(yīng) 用

11、非常廣泛，同時(shí)諧振產(chǎn)生的高電壓會(huì)對(duì)人身及用電設(shè)備產(chǎn)生危害，研究諧振的目的在于掌握這一客觀規(guī)律，以便在生產(chǎn)實(shí)踐中充分地利用它，同時(shí)也要防止它可以造成的危害。情境三 任務(wù)三 第二 諧振電路的研究學(xué)習(xí)導(dǎo)入第22頁(yè)，共41頁(yè)。諧振的概念 含有電感L 和電容C 的電路，如果無(wú)功功率得到完全的補(bǔ)償，即端口電壓和電流出現(xiàn)同相現(xiàn)象時(shí)，此時(shí)電路的功率因數(shù)cos=1，稱電路處于諧振狀態(tài)。 諧振電路在無(wú)線電工程和電子測(cè)量技術(shù)等許多電路中應(yīng)用非常廣泛。諧振串聯(lián)諧振：含有L和C的串聯(lián)電路出現(xiàn)u、i同相；并聯(lián)諧振：含有L和C的并聯(lián)電路出現(xiàn)u、i同相。第23頁(yè)，共41頁(yè)。由串諧電路復(fù)阻抗：據(jù)前所述，諧振時(shí)u、i同相，=0：

12、電抗等于0時(shí)，必定有感抗與容抗相等：一、 串聯(lián)諧振串諧條件由串諧條件又可得到串諧時(shí)的電路頻率為：1、串聯(lián)諧振的條件jXLRjXC第24頁(yè)，共41頁(yè)。 f0是RLC串聯(lián)諧振電路的固有頻率，只與電路的參數(shù)有關(guān)，與信號(hào)源無(wú)關(guān)。 特性阻抗是衡量串諧電路性能的一個(gè)重要指標(biāo)： 由此可得串聯(lián)電路發(fā)生諧振的方法：調(diào)整信號(hào)源的頻率，使它等于電路的固有頻率；信號(hào)源頻率不變，調(diào)整L和C值的大小，使電路中的固有頻率等于信號(hào)源的頻率。 串聯(lián)諧振的條件第25頁(yè)，共41頁(yè)。2、串聯(lián)諧振的特征及品質(zhì)因數(shù)：(1)電流與電壓同相位，電路呈現(xiàn)電阻性；(2)阻抗最小，電流最大。因?yàn)橹C振時(shí)，電抗X=0，故Z=R+jX=R，其值最小，電

13、路中的電流I=U/R=I0為最大；(3)電感的端電壓 與電容的端電壓 大小相等，相位相反，相互補(bǔ)償，外加電壓與電阻上的電壓相平衡，即 = ；(4)電感或電容的端電壓可能大大超過(guò)外加電壓。電感或電容的端電壓與外電壓之比為 : 稱為電路的品質(zhì)因數(shù)。IULURUC第26頁(yè)，共41頁(yè)。品質(zhì)因數(shù)Q是衡量串諧電路性能的另一個(gè)重要指標(biāo)： 品質(zhì)因數(shù)Q的大小可達(dá)幾十至幾百，一般為50200。電路在串聯(lián)諧振狀態(tài)下，電路的感抗或容抗往往比電阻大得多，因此： 由于諧振電路的品質(zhì)因數(shù)很高，所以可知?jiǎng)討B(tài)元件兩端的電壓在諧振狀態(tài)下要比外加的信號(hào)源電壓大得多，因此通常也將串聯(lián)諧振稱為電壓諧振。特性阻抗是衡量串諧電路性能的一個(gè)

14、重要指標(biāo)：第27頁(yè)，共41頁(yè)。3、 串聯(lián)諧振電路的頻率特性與通頻帶（1）阻抗與頻率之間的特性曲線RLC串聯(lián)電路的阻抗為：阻抗及其各部分用曲線可表示為：|Z|、R、X0RLC10|Z| 由RLC串聯(lián)電路的阻抗特性曲線可看出：電阻R不隨頻率變化；感抗XL與頻率成正比；容抗XC與頻率成反比，阻抗|Z|在諧振之前呈容性（電抗為負(fù)值），諧振之后呈感性（電抗為正值），諧振發(fā)生時(shí)等于電阻R，此時(shí)電路阻抗為純電阻性質(zhì)。第28頁(yè)，共41頁(yè)。（2）通頻帶 在無(wú)線電技術(shù)中，要求電路具有較好的選擇性，常常需要采用較高Q值的諧振電路。f00fI0I1 但是，實(shí)際的信號(hào)都具有一定的頻率范圍，如電話線路中傳輸?shù)囊纛l信號(hào)，頻

15、率范圍一般為3.4KHz，廣播音樂(lè)的頻率大約是30Hz15KHz。這說(shuō)明實(shí)際的信號(hào)都占有一定的頻帶寬度。為了不失真地傳輸信號(hào)，保證信號(hào)中的各個(gè)頻率分量都能順利地通過(guò)電路，通常規(guī)定當(dāng)電流衰減到最大值的0.707倍時(shí)，所對(duì)應(yīng)的一段頻率范圍稱為通頻帶B。 其中f2和f1是通頻帶的上、下邊界。第29頁(yè)，共41頁(yè)。實(shí)踐和理論都可以證明：可見(jiàn)通頻帶與諧振頻率有關(guān)，由于品質(zhì)因數(shù) 品質(zhì)因數(shù)Q愈大，通頻帶寬度愈窄，曲線愈尖銳，電路的選擇性能愈好； Q值愈小，通頻帶寬度愈大，曲線愈平坦，選擇性能愈差；但Q值過(guò)高又極易造成通頻帶過(guò)窄而使傳輸信號(hào)不能完全通過(guò)，從而造成失真。 顯然通頻帶B和品質(zhì)因數(shù)Q是一對(duì)矛盾，實(shí)際當(dāng)

16、中如何兼顧二者，應(yīng)具體情況具體分析。結(jié)論第30頁(yè)，共41頁(yè)。4. 串聯(lián)諧振回路的能量特性設(shè)串諧時(shí)回路電流為：電阻上的瞬時(shí)功率為：電源向電路供出的瞬時(shí)功率為： 可見(jiàn)，諧振狀態(tài)下電源供給電路的有功功率全部消耗在 電阻元件上。諧振時(shí)L上的磁場(chǎng)能量諧振時(shí)C上的電場(chǎng)能量第31頁(yè)，共41頁(yè)。 諧振時(shí)磁場(chǎng)能量和電場(chǎng)能量的總和 此式說(shuō)明，在串聯(lián)諧振狀態(tài)下，由于電感元件兩端的電壓與電容元件兩端的電壓大小相等、相位相反，因此，電感元件儲(chǔ)存磁場(chǎng)能量時(shí)，恰逢電容元件放電；電感元件釋放磁場(chǎng)能量時(shí)又恰逢電容元件充電，兩個(gè)動(dòng)態(tài)元件上不斷地進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換，在整個(gè)串聯(lián)諧振的過(guò)程中，存儲(chǔ)能量的總和始終保持不變。第32頁(yè)，共41頁(yè)。

17、 二 并聯(lián)諧振 串聯(lián)諧振回路適用于信號(hào)源內(nèi)阻等于零或很小的情況，如果信號(hào)源內(nèi)阻很大，采用串聯(lián)諧振電路將嚴(yán)重地降低回路的品質(zhì)因素，使選擇性顯著變壞（通頻帶過(guò)寬）。這樣就必須采用并聯(lián)諧振回路。 右圖所示為并聯(lián)諧振電路的一般形式，當(dāng)電路出現(xiàn)總電流和路端電路同相位時(shí)，稱電路發(fā)生并聯(lián)諧振。（1） 并聯(lián)諧振電路的諧振條件L-j1CjR并諧條件為：第33頁(yè)，共41頁(yè)。（2） 并聯(lián)諧振電路的基本特征1.并聯(lián)諧振發(fā)生時(shí)，電路阻抗最大(導(dǎo)納最小)，且 呈純電阻性（理想情況r=0時(shí)，阻抗無(wú)窮大）；2.并聯(lián)諧振發(fā)生時(shí)，由于阻抗最大，因此當(dāng)電路中 總電流一定時(shí)，路端電壓最大，且與電流同相。3.并聯(lián)時(shí)電感、電容支路出現(xiàn)過(guò)

18、電流現(xiàn)象，其兩支 路電流分別為電路總電流的Q倍；Q為電路的品質(zhì)因數(shù)：兩支路電流:第34頁(yè)，共41頁(yè)。I問(wèn)：在串聯(lián)諧振電路中，何時(shí)電路呈感性、電阻性、容性？（3）并聯(lián)諧振電路的諧振特性曲線為：感性容性電阻性第35頁(yè)，共41頁(yè)。 三 諧振電路的應(yīng)用1. 用于信號(hào)的選擇2. 用于元器件的測(cè)量3. 提高功率的傳輸效率 信號(hào)在傳輸?shù)倪^(guò)程中，不可避免要受到一定的干擾，使信號(hào)中混入了一些不需要的干擾信號(hào)。利用諧振特性，可以將大部分干擾信號(hào)濾除。 Q表就是一個(gè)典型的例子。利用諧振電路特性，可以測(cè)量出電感性元器件上Q值的大小及電感量的大小。 利用諧振狀態(tài)下，電感的磁場(chǎng)能量與電容的電場(chǎng)能量實(shí)現(xiàn)完全交換這一特點(diǎn)，電源輸出的功率全部消耗在負(fù)載電阻上，從而實(shí)現(xiàn)最大功率傳輸。第36頁(yè)，共41頁(yè)。已知RLC串聯(lián)電路中的L=0.1mH，C=1000pF，R為10，電源電壓US=0.1mV，若電路發(fā)生諧振，求：電路的f0、Q、UC0和I0。應(yīng)用舉例一 第37頁(yè)，共41頁(yè)。RLC串諧回路中的L=310H，欲接收載波f=540KHz的電臺(tái)信號(hào)，問(wèn)這時(shí)的調(diào)諧電容C=？若回路Q=50時(shí)該臺(tái)信號(hào)感應(yīng)電壓為1mV，同時(shí)進(jìn)入調(diào)諧回路的另一電臺(tái)信號(hào)頻率為600KHz，其感應(yīng)電壓也為1mV ，問(wèn)兩信號(hào)在回路中產(chǎn)生的電流各為多大？(1)由諧振頻率公式可得：應(yīng)用舉