單元三單相正弦交流電路

1、單元三單相正弦交流電路知識目標(biāo) 理解正弦交流電的基本物理量及相互關(guān)系。 掌握正弦交流電的表示方法。 掌握單一參數(shù)交流電路中電壓、電流關(guān)系。 會(huì)用相量圖分析電阻器、電感器、電容器串聯(lián)的交流電路。 了解諧振電路的特點(diǎn)，掌握諧振條件、諧振頻率的計(jì)算。 了解RC電路瞬態(tài)過程和換路定律。能力目標(biāo) 會(huì)用示波器觀察正弦交流電波形。 熟練使用交流電壓表、電流表進(jìn)行交流電路的測量。 掌握熒光燈電路的組成及各部分作用，會(huì)連接熒光燈電路。 掌握照明電路配電板的組成，會(huì)安裝照明電路配電板。任務(wù)一 正弦交流電的基本物理量任務(wù)二 基本正弦交流電路任務(wù)三 串聯(lián)正弦交流電路任務(wù)四 交流電路的諧振任務(wù)一 正弦交流電的基本物理量

2、任務(wù)目標(biāo) 認(rèn)識正弦交流電，會(huì)用示波器觀察正弦交流電波形。 理解正弦交流電的基本物理量及相互關(guān)系。 掌握正弦交流電的表示方法。任務(wù)分析正弦交流電的表示法及三要素是分析正弦交流電路的基礎(chǔ)，理解掌握好本節(jié)知識對單相、三相正弦交流電路的學(xué)習(xí)極為重要。一、認(rèn)識正弦交流電用示波器可以觀察到正弦交流電的波形如圖3.3所示。圖3.2 觀察正弦交流電的實(shí)物接線圖 圖3.3 正弦交流電的波形正弦交流電可以用波形圖表示，也可以用三角函數(shù)式（或稱解析式、瞬時(shí)值表達(dá)式）表示。以正弦電流為例，其波形圖和三角函數(shù)式分別如圖3.4和式所示。圖3.4 正弦交流電流波形圖二、周期、頻率和角頻率1周期正弦交流電每完成一個(gè)循環(huán)所需要

3、的時(shí)間叫周期，用符號T表示，單位為秒（s）。2頻率正弦交流電在1s內(nèi)完成的周期數(shù)叫頻率，用符號f表示，單位為赫茲（Hz）。3角頻率正弦交流電在單位時(shí)間內(nèi)變化的弧度數(shù)叫做角頻率，用符號表示 三、瞬時(shí)值、最大值和有效值1瞬時(shí)值正弦交流電在某一瞬間的大小叫瞬時(shí)值，電動(dòng)勢、電壓和電流的瞬時(shí)值分別用小寫字母e、u、i表示。2最大值正弦交流電變化時(shí)出現(xiàn)的最大瞬時(shí)值叫最大值。電動(dòng)勢、電壓和電流的最大值分別用大寫字母加下標(biāo)m表示，如Em、Um、Im等，如圖3.5所示。圖3.5 正弦交流電的瞬時(shí)值、最大值3有效值由于交流電的大小隨時(shí)間變化，因此無法用某一瞬間的值表示交流電的大小。在電工技術(shù)中通常用有效值表示交流

4、電的大小。圖3.6 正弦交流電有效值的定義根據(jù)理論計(jì)算，正弦量的有效值是最大值的0.707倍，即四、相位、初相位和相位差1相位交流電每一時(shí)刻都是變化的，交流電在t時(shí)刻所對應(yīng)的角度，即式中的（ ）稱為相位角，簡稱相位。 2初相位t=0時(shí)的相位叫初相位，即式 中的0。 圖3.9 初相位的3種情況（1）交流電i1的初相位10。（2）交流電i2的初相位20。（3）交流電i3的初相位3=0。 3相位差 兩個(gè)同頻率正弦量的相位之差叫做相位差。如圖3.9所示交流電表達(dá)式為五、正弦交流電的三要素稱最大值、頻率和初相位為正弦交流電的三要素。 六、正弦交流電的相量表示法相量是平面直角坐標(biāo)系中的一條有向線段。（1）

5、該線段的長度等于正弦量的有效值。（2）該線段與X軸正方向的夾角等于正弦量的初相位。之所以稱這個(gè)有方向的線段為相量 圖3.11 正弦交流電的相量表示法七、非正弦交流電實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目四 交流電的簡單測試任務(wù)目標(biāo) 熟悉實(shí)訓(xùn)室工頻電源的配置。 會(huì)使用示波器觀察正弦交流電的波形，并能讀出交流電的頻率和最大值。 熟練使用萬用表測量交流電壓。一、熟悉實(shí)訓(xùn)室工頻電源的配置圖3.13 實(shí)訓(xùn)臺(tái)上工頻電源的配置二、認(rèn)識示波器圖3.14 HH4310型雙蹤示波器前面板圖任務(wù)二 基本正弦交流電路任務(wù)目標(biāo) 掌握基本正弦交流電路中電流、電壓的關(guān)系。 理解感抗、容抗的概念。 理解基本正弦交流電路功率的分析和計(jì)算。任務(wù)分析任何復(fù)雜的

6、交流電路都是由基本交流電路組合而成的，因此，學(xué)會(huì)基本正弦交流電路的分析方法非常重要，為學(xué)習(xí)各種復(fù)雜的交流電路打下基礎(chǔ)。一、純電阻電路在交流電路中，只含有純電阻負(fù)載，而沒有電感和電容的電路叫純電阻電路，如圖3.15所示。 圖3.15 純電阻電路 1電壓和電流的關(guān)系設(shè)加在電阻兩端的電壓為，在任一瞬間通過電阻的電流i與電阻兩端的電壓uR仍滿足歐姆定律，即（1）數(shù)值關(guān)系： 最大值有效值可見，電流、電壓的瞬時(shí)值、最大值和有效值都符合歐姆定律。 （2）相位關(guān)系：電流與電壓同相。其波形和相量圖如圖3.17所示。2功率電阻的有功功率為二、純電感電路1電壓和電流的關(guān)系（1）數(shù)值關(guān)系感抗與電感L以及電源頻率成正比

7、，用公式表示為 （2）相位關(guān)系若設(shè)電感線圈中通過的電流為2功率電感元件是一種儲(chǔ)能元件，在電路中只與電源進(jìn)行能量交換，但不消耗電能，因此，其有功功率為零，即P=0。電感元件和電路交換能量的大小，通常用其瞬時(shí)功率的最大值來衡量，由于這部分功率沒有被消耗掉，所以稱為無功功率，用符號Q表示，單位為乏（var）。電感的無功功率可以用式（3-9）計(jì)算三、純電容電路1電壓和電流的關(guān)系（1）數(shù)值關(guān)系圖3.25 純電容電路（2）相位關(guān)系在純電容電路中，電流超前電壓90。若設(shè)電容端電壓為圖3.27 純電容電路中電壓與電流的相位關(guān)系2功率實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目五 認(rèn)識單相正弦交流電路任務(wù)目標(biāo) 認(rèn)識信號發(fā)生器、單相調(diào)壓器、鉗形電流

8、表等儀器儀表。 會(huì)通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證電阻、電感、電容元件上的電壓與電流之間的數(shù)量關(guān)系。 會(huì)使用示波器觀察電阻、電感、電容元件上的電壓與電流之間的相位關(guān)系。一、認(rèn)識低頻信號發(fā)生器二、認(rèn)識單相調(diào)壓器 圖3.29 低頻信號發(fā)生器前面板 圖3.30 單相調(diào)壓器三、交流電壓、電流的測量1交流電壓的測量測量交流電壓應(yīng)采用交流電壓表（或萬用表）。測量時(shí)，將交流電壓表與被測電路并聯(lián)。交流電壓表的端鈕無“+”、“”之分，接線時(shí)無須考慮被測電壓的極性，交流電壓表的指示值為被測電壓的有效值。2交流電流的測量測量交流電流應(yīng)采用交流電流表。測量時(shí)，將交流電流表與被測電路串聯(lián)。交流電流表的端鈕無“+”、“”之分，接線時(shí)無須考慮

9、被測電流的實(shí)際方向，交流電流表的指示值為被測電流的有效值。四、認(rèn)識鉗形電流表圖3.31 鉗形電流表任務(wù)三 串聯(lián)正弦交流電路任務(wù)目標(biāo) 會(huì)用相量圖分析串聯(lián)正弦交流電路。 理解電壓三角形、阻抗三角形和功率三角形的含義。任務(wù)分析相量圖分析法是交流電路的基本分析方法，其最大優(yōu)點(diǎn)是直觀：將抽象的電路問題轉(zhuǎn)化為數(shù)學(xué)問題解三角形。應(yīng)緊緊抓住相量圖這個(gè)工具，教會(huì)學(xué)生分析電路的方法，提高學(xué)生研究問題、解決問題的能力是本節(jié)課的宗旨。一、RL串聯(lián)電路由電阻、電感串聯(lián)所組成的電路，叫做RL串聯(lián)電路，如圖3.38所示。 圖3.38 RL串聯(lián)電路 1電壓和電流的關(guān)系設(shè)RL串聯(lián)電路中電流的瞬時(shí)值表達(dá)式為 圖3.39 RL串聯(lián)

10、電路相量圖（1）數(shù)值關(guān)系（2）相位關(guān)系2功率（1）有功功率（2）無功功率（3）視在功率（4）功率因數(shù)二、RC串聯(lián)電路由電阻、電容串聯(lián)所組成的電路，叫做RC串聯(lián)電路，如圖3.43所示。RC串聯(lián)電路的電壓三角形、阻抗三角形和功率三角形分別如圖3.44所示。 圖3.43 RC串聯(lián)電路 圖3.44 RC串聯(lián)電路的三角形三、瞬態(tài)過程1瞬態(tài)過程電路從一種穩(wěn)定狀態(tài)向另一種新的穩(wěn)定狀態(tài)的轉(zhuǎn)變過程稱為瞬態(tài)過程，也稱為過渡過程。2換路定律而以t=0表示換路前的終了瞬間，t=0+表示換路后的初始瞬間，當(dāng)換路時(shí)，由于電感元件儲(chǔ)存的磁場能 和電容元件儲(chǔ)存的電場能 不能突變。因此，換路時(shí)，電感電流iL不能突變，電容電壓u

11、C不能突變。這一結(jié)論叫做換路定律，即 uC(0+)=uC(0)iL(0+)=iL(0)3RC電路的瞬態(tài)過程（1）RC電路的零狀態(tài)響應(yīng)（充電過程）在圖3.46中，將開關(guān)合到1位，觀察檢流計(jì)和電壓表的讀數(shù)可見。 圖3.46 RC電路的瞬態(tài)過程 （2）RC電路的零輸入響應(yīng)（放電過程）電容器充電結(jié)束后，再將開關(guān)合到2位，觀察檢流計(jì)和電壓表的讀數(shù)可見：（3）RC電路的時(shí)間常數(shù)RC電路瞬態(tài)過程的時(shí)間長短取決于電路中電阻和電容的乘積RC的大小。 =RC 任務(wù)四 交流電路的諧振 任務(wù)目標(biāo) 了解串聯(lián)、并聯(lián)諧振電路的特點(diǎn)、利用與防護(hù)。 掌握諧振條件、諧振頻率的計(jì)算。任務(wù)分析諧振現(xiàn)象在無線電接收裝置中得到廣泛應(yīng)用，

12、利用LC諧振的原理，從而保證了最大限度的接收某一頻率的電磁波，從收音機(jī)到電視機(jī)，甚至手機(jī)都是這樣。因此，理解LC諧振原理具有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義。一、串聯(lián)諧振1諧振條件和諧振頻率RLC串聯(lián)電路發(fā)生諧振的條件是電路中的電抗為零，即諧振時(shí)的頻率為可見，諧振頻率f0的大小是由電路中電感量L和電容量C決定的，因此，也叫固有頻率。 2串聯(lián)諧振電路的特點(diǎn)串聯(lián)諧振電路具有以下特點(diǎn)。（1）阻抗最小，且為純電阻，即 =R。（2）電路中的電流最大，且與電壓同相，即（3）電感與電容兩端的電壓相等，其大小為總電壓的Q倍，即式中的Q稱為串聯(lián)諧振電路的品質(zhì)因數(shù)，其大小為3串聯(lián)諧振的應(yīng)用與防護(hù)在無線電工程中，串聯(lián)諧振非常有用

13、，由于外來的無線電信號非常微弱，通過串聯(lián)諧振可把某一頻率信號放大幾十倍甚至幾百倍，把它從眾多的電磁波中選擇出來，這一過程稱為調(diào)諧。 圖3.51 收音機(jī)的調(diào)諧電路二、并聯(lián)諧振為了提高諧振電路的選擇性，常常需要較高的品質(zhì)因數(shù)Q值，當(dāng)信號源內(nèi)阻較小時(shí)可采用串聯(lián)諧振電路。如信號源內(nèi)阻很大，品質(zhì)因數(shù)就很低，選擇性會(huì)明顯變壞，這種情況下，可采用并聯(lián)諧振。圖3.52 并聯(lián)諧振電路1諧振條件和諧振頻率諧振條件為諧振頻率為圖3.53 并聯(lián)諧振電路接線圖2并聯(lián)諧振電路的特點(diǎn)并聯(lián)諧振電路具有以下特點(diǎn)。（1）阻抗最大，且為純電阻。（2）電路中的總電流最小，且與電壓同相。（3）電感或電容支路的電流比電路總電流大許多倍，

14、所以并聯(lián)諧振又叫做電流諧振。3并聯(lián)諧振的應(yīng)用在電子技術(shù)中常利用并聯(lián)諧振電路組成選頻器或振蕩器，如圖3.54所示。圖3.54 并聯(lián)諧振電路構(gòu)成的選頻器實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目六 認(rèn)識交流串聯(lián)電路任務(wù)目標(biāo) 熟悉交流電壓表、電流表的使用方法。 通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證交流串聯(lián)電路中，總電壓與各元件上電壓之間的數(shù)值關(guān)系。 熟悉示波器的使用方法，會(huì)用示波器觀察交流串聯(lián)電路的電壓、電流相位差。RLC串聯(lián)交流電路總電壓與各分電壓的關(guān)系如下。（1）瞬時(shí)值（2）相量值（3）有效值實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目七 常用電光源認(rèn)識與熒光燈安裝任務(wù)目標(biāo) 了解常用電光源的構(gòu)造和工作原理。 掌握熒光燈電路的組成及各部件的作用。 能繪制熒光燈電路圖，會(huì)按圖紙要求安裝熒

15、光燈電路，并能排除簡單故障。一、常用電光源1白熾燈圖3.59 常用電光源2熒光燈3節(jié)能燈二、熒光燈電路的組成及工作原理1認(rèn)識熒光燈電路各組成部件熒光燈電路由燈管、鎮(zhèn)流器、起輝器及開關(guān)組成，如圖3.60所示。（1）燈管 圖3.60 熒光燈電路 圖3.61 熒光燈燈管結(jié)構(gòu)（2）鎮(zhèn)流器（3）起輝器2熒光燈電路工作原理當(dāng)開關(guān)閉合后，電源電壓加在起輝器的兩極之間，使起輝器中的氖管放電而發(fā)出輝光，輝光產(chǎn)生的熱量使U形觸片膨脹彎曲，與靜觸片接觸而使電路接通，于是鎮(zhèn)流器和燈絲中就有電流通過。電路接通后，起輝器中的氖管停止放電，U形觸片冷卻收縮，兩個(gè)觸片分離，電路自動(dòng)斷開。在電路突然斷開的瞬間，鎮(zhèn)流器兩端產(chǎn)生一

16、個(gè)瞬時(shí)高電壓，這個(gè)電壓和電源電壓一起加在燈管兩端，使燈管中的水銀蒸氣產(chǎn)生弧光放電，弧光放電時(shí)產(chǎn)生的紫外線激發(fā)了燈管壁上的熒光粉使燈管發(fā)光。實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目八 照明電路配電板的安裝任務(wù)目標(biāo) 了解照明電路配電板的組成。 了解電能表、開關(guān)、保護(hù)裝置等器件的結(jié)構(gòu)、性能和用途。 會(huì)安裝照明電路配電板。一、照明電路配電板的組成配電板、配電箱是連接電源與用電設(shè)備的中間裝置，它除了分配電能外，還具有對用電設(shè)備進(jìn)行控制、測量、指示及保護(hù)等功能。 照明電路配電板結(jié)構(gòu)比較簡單，由單相電能表、電源開關(guān)、熔斷器等組成，如圖3.65所示。圖3.65 照明電路配電板的組成二、認(rèn)識電能表1單相感應(yīng)式電能表電能表又叫做電度表，是用來計(jì)量在一段時(shí)間內(nèi)負(fù)載消耗電能的測量儀表。電能表有單相電能表和三相電能表兩種，單相用電電路（如照明電路）選用單相電能表。圖3.66所示為單相感應(yīng)式電能表的外形及結(jié)構(gòu)。圖3.66 單相感應(yīng)式電能表的外形及結(jié)構(gòu)電能表的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖3.66（b）所示，主要由驅(qū)動(dòng)元件、轉(zhuǎn)動(dòng)元件、制動(dòng)元件和計(jì)度器4部分組成。 2電子式電能表隨著電子工業(yè)的發(fā)展，電能表正在向高智能、高精度、高可靠性和全自動(dòng)計(jì)費(fèi)的方向發(fā)展，近年來，電子式電能表（見圖3.68）已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用。 圖3.67 單相電能表的接線圖 圖3.68 電子式電能表電子式電能表的優(yōu)點(diǎn)主要如下。（1）精度高、誤