汽車電工電子技術(shù)2

汽車電工電子技術(shù)汽車交流電路項目二任務(wù)一

單相正弦交流電認(rèn)知一、正弦交流電的基本概念（一）正弦量與正弦電路在項目一中，我們討論的電壓和電流的大小和方向均不隨時間變化，故稱其為穩(wěn)恒直流電，簡稱直流電。直流電的波形圖如圖2-1（a）所示。在實際中，我們還經(jīng)常遇到電壓、電流隨時間變化的情況。當(dāng)其大小隨時間變化，而方向不隨時間變化時，稱為脈動直流電，如圖2-1（b）所示。（a）穩(wěn)恒直流電

（b）脈動直流電

圖2-1直流電波形圖（a）正弦波

（b）方波

（c）三角波

（d）鋸齒波

圖2-2交流電波形圖

如果電壓或電流的大小和方向都隨時間在變化，則稱為交流電。由交流電組成的電路稱為交流電路。在交流電路中，若電流與電壓的大小和方向是隨時間按正弦規(guī)律變化的，由此產(chǎn)生的電流、電壓波形稱為正弦波，如圖2-2（a）所示。正弦波電路也稱為正弦交流電路，工程上常用的交流電也是指正弦交流電。隨時間按正弦規(guī)律變化的電壓和電流等物理量統(tǒng)稱為正弦量。交流電的波形除正弦波以外，還有方波、三角波、鋸齒波等，它們的圖形如圖2-2（b）、（c）、（d）所示。（二）正弦交流電的特征參數(shù)下面以圖2-3所示的正弦電流為例，介紹正弦量的三要素。正弦電流的一般表達(dá)式為（2-1）式（2-1）中，幅值Im、角頻率ω和初相位稱為正弦量的三要素。圖2-3正弦電流的波形1．周期、頻率和角頻率周期與頻率互為倒數(shù)，即（2-2）正弦量在一秒內(nèi)變化的電角度稱為角頻率，用ω表示，單位為rad/s。因為一個周期內(nèi)經(jīng)歷了2π弧度，所以角頻率為（2-3）2．瞬時值、幅值和有效值正弦量在任一瞬間的值稱為瞬時值，用小寫字母表示。例如，i，u，e分別表示電流、電壓及電動勢的瞬時值。瞬時值中的最大值稱為幅值或最大值，它是正弦量在整個振蕩過程中達(dá)到的最大值，用大寫字母加下標(biāo)m表示。例如，Im，Um，Em分別表示電流、電壓及電動勢的幅值。（2-4）若交流電流為正弦量，即，則其有效值為（2-5）同理，電壓和電動勢的有效值為（2-6）

稱為相位角或相位，它反映了正弦量的變化進(jìn)程。

時的相位稱為初相位角或初相位。初相位與計時起點的選擇有關(guān)，計時起點不同，初相位就不同，正弦量的初始狀態(tài)也就不同。計時起點可以根據(jù)需要任意選擇，通常規(guī)定初相位在其主值范圍內(nèi)取值，即（2-7）兩個同頻率正弦量的相位之差或初相位之差稱為相位差，用表示，則（2-8）

若兩正弦量的相位差

，則稱兩者同相，如圖2-4（a）所示。若兩正弦量到達(dá)某一確定狀態(tài)（如零值或最大值）的先后次序不同，則稱先到達(dá)者為超前，后到達(dá)者為滯后。如圖2-4（b）所示，因，所以稱u超前i，或i滯后u。若兩正弦量的相位差，則稱兩者正交，如圖2-4（c）所示。若兩正弦量的相位差，則稱兩者反相，如圖2-4（d）所示。（a）

（b）（c）

（d）二、正弦交流電的表示方法（一）解析法用正弦函數(shù)式表示正弦交流電隨時間變化的關(guān)系的方法稱為解析法。正弦交流電的電流、電壓和電動勢的解析式分別為（2-9）式中：——表示電流、電壓、電動勢的瞬時值；——表示電流、電壓、電動勢的最大值；——表示電流、電壓、電動勢的角頻率；——表示電流、電壓、電動勢的初相位。解

由式（2-6）得此正弦交流電電壓的最大值為例2-1已知一正弦交流電的電壓為220V，在時的瞬時值為，頻率為50Hz，試寫出其交流電電壓的解析表達(dá)式。當(dāng)時，電壓的瞬時值為，由式（2-9）得即得或由式（2-3）得該正弦交流電電壓的角頻率為最后得到的交流電電壓表達(dá)式為（二）圖像法幾種常見的正弦交流電波形如圖2-5所示。

（a）

（b）

（c）

（d）

圖2-5圖像法（三）旋轉(zhuǎn)矢量表示法圖2-6正弦交流電的旋轉(zhuǎn)矢量表示法（a）電流最大值矢量（b）電動勢有效值矢量（c）電壓和電動勢有效值矢量

圖2-7正弦交流電的矢量圖三、單一元件的正弦交流電路（一）純電阻電路1．純電阻電路中電流與電壓的關(guān)系在交流電路中只考慮電阻作用的電路稱為純電阻電路，如圖2-8（a）所示。在純電阻電路中電流與電壓是同頻率、同相位的正弦量，它們的波形圖和失量圖如圖2-8（b）、（c）所示。

（a）電路圖

（b）波形圖

（c）矢量圖

圖2-8純電阻電路通過實驗證明：在純電阻電路中，電流、電壓和電阻三者任一時刻都符合歐姆定律。例如，在電阻兩端加上交流電壓，然后測量其電流值，則對于瞬時值有（2-10）對于最大值有（2-11）對于有效值有（2-12）所以在交流電作用下純電阻電路的電流瞬時值表達(dá)式為例2-2將一個電阻值為220Ω的電阻接到的電源上，求通過此電阻的電流是多少?解由電源電壓可知則電阻兩端的電壓有效值為通過電阻的電流有效值為由于電流與電壓同相，電流的解析式為2．純電阻電路的功率我們把電壓瞬時值和電流瞬時值的乘積稱為瞬時功率，用小寫字母p表示，即所以純電阻正弦交流電路的瞬時功率表達(dá)式為通過公式可做出瞬時功率隨時間變化的曲線，如圖2-9所示。圖2-9純電阻電路功率純電阻電路的有功功率等于電壓有效值和電流有效值的乘積，用公式表示為（2-13）（二）純電容電路1．容抗純電容電路如圖2-10所示，在通過交流電時，電源與電容器之間不斷地充電和放電，此時電容器會對交流電有阻礙作用，我們把這種阻礙作用稱為電容電抗，簡稱容抗，用符號表示，單位為Ω（歐［姆］）。圖2-10純電容電路容抗的大小與電源的頻率及電容器的電容量成反比，用公式表示為（2-14）式中：XC——電容器的容抗；f——交流電源的頻率；ω——交流電源的角頻率；C——電容器的電容量。2．純電容電路中電流與電壓的關(guān)系在電容兩端加上交流電壓，然后測量其電流值，則可發(fā)現(xiàn)，在純電容交流電路中，電流和電壓的最大值（或有效值）符合歐姆定律，即或（2-15）（2-16）純電容電路的電流與電壓的相位關(guān)系為：電路兩端電壓滯后電流，或者說電流超前電壓。電壓與電流的波形圖如圖2-11所示，矢量圖如圖2-12所示。圖2-11純電容電路波形圖圖2-12純電容電路矢量圖因此，純電容交流電路的電流瞬時值表達(dá)式為3．純電容電路的功率1）瞬時功率純電容交流電路的瞬時功率為2）有功功率根據(jù)圖2-13可知，瞬時功率p的波形在橫坐標(biāo)上、下的面積是相等的，因此電容的有功功率，所以電容不消耗能量，只是將能量不停地吸收和釋放，它是個儲能元件。圖2-13純電容電路功率3）無功功率雖然電容器不消耗電能，但是它與電源之間無時無刻不在進(jìn)行著能量交換，即電容器的充電和放電。為了反映這種可逆的能量所轉(zhuǎn)換的量，把單位時間內(nèi)能量轉(zhuǎn)換的最大值（即瞬時功率的最大值）稱為電容的無功功率，用符號表示，單位V·A（伏安），曾用單位var（乏），用公式表示為（2-17）將代入式（2-17）中，可得（2-18）（三）純電感電路1．感抗圖2-14純電感電路感抗的大小與電源的頻率及電感器的電感量成正比，用公式表達(dá)為（2-19）2．純電感電路中電流與電壓的關(guān)系在電感兩端加上交流電壓，然后測量其電流值，則可發(fā)現(xiàn)，在純電感交流電路中，電流和電壓的最大值（或有效值）符合歐姆定律，即或（2-20）（2-21）圖2-15純電感電路波形圖圖2-16純電感電路矢量圖純電感交流電路的電流瞬時值表達(dá)式為3．純電感電路的功率1）瞬時功率純電感交流電路的瞬時功率為2）有功功率根據(jù)圖2-17可知，瞬時功率p的波形在橫坐標(biāo)上、下的面積是相等的，因此電感的有功功率，所以電感不消耗能量，只是將能量以磁場能的形式儲存在線圈內(nèi)部，它同電容一樣是儲能元件。圖2-17純電感電路功率3）無功功率同電容一樣，為了反映純電感交流電路中能量轉(zhuǎn)換的量，把單位時間內(nèi)能量轉(zhuǎn)換的最大值（即瞬時功率的最大值）稱為電感的無功功率，用符號表示，單位為V·A，用公式表示為（2-22）將代入式（2-22）中，可得（2-23）四、典型正弦交流電路的分析（一）RLC串聯(lián)電路由電阻R、電感L和電容C元件組成的串聯(lián)電路稱為RLC串聯(lián)電路，如圖2-18所示。圖2-18RLC串聯(lián)電路1．RLC串聯(lián)電路中電流與電壓的關(guān)系

（a）

（b）

（c）圖2-19RLC串聯(lián)電路的相量圖總電壓有效值與各分電壓有效值之間的關(guān)系為（2-24）圖2-19（a）所示的總電壓與電流間的相位差為（2-25）2．RLC串聯(lián)電路的阻抗（2-26）

（a）

（b）圖2-20RLC串聯(lián)電路的阻抗三角形（2-27）3．RLC串聯(lián)電路的功率電路的瞬時功率為（2-28）電路的有功功率即平均功率為（2-29）（2-30）

（a）

（b）

圖2-21RLC串聯(lián)電路的功率三角形

（2-31）（2-32）（2-33）（二）RLC并聯(lián)電路由電阻R、電感L和電容C元件組成的并聯(lián)電路稱為RLC并聯(lián)電路，如圖2-22所示。圖2-22RLC并聯(lián)電路1．RLC并聯(lián)電路中電流與電壓的關(guān)系設(shè)交流電路的電壓為根據(jù)前文學(xué)過的單一元件電壓與電流特性，可分別得到電阻R、電感L和電容C上各自的電流為根據(jù)基爾霍夫電流定律（KCL）知，RLC并聯(lián)電路中的總電流為據(jù)此可作出電路中電壓和各支路電流的相量圖，如圖2-23所示。圖2-23相量圖如圖2-23所示，假定圖中，則（2-34）2．RLC并聯(lián)電路的性質(zhì)3．RLC并聯(lián)電路的功率圖2-24功率三角形（三）交流電路的功率因數(shù)1．功率因數(shù)的意義2．提高功率因數(shù)的方法任務(wù)二

三相正弦交流電路認(rèn)知一、三相交流電動勢的產(chǎn)生三相交流電就是由三個頻率相同，最大值相等，相位上互差的正弦交流電動勢組成的電路，這3個電動勢稱為三相對稱電動勢。

（a）外形圖

（b）內(nèi)部原理圖

圖2-27三相交流發(fā)電機（2-35）（2-36）（a）波形圖

（b）相量圖圖2-28三相正弦交流電的波形圖和相量圖由于這三相交流電壓的最大幅值相等，頻率相同，彼此對稱且都相隔。因此，這三相電壓的瞬時值和相量之和都為零，即（2-37）二、三相電源的連接（一）星形連接法對于高壓遠(yuǎn)距離輸電線路，因中線上各電壓瞬時值為零，故還可以省掉這根中線，通常采用三相三線制供電系統(tǒng)，用“Y”表示，它只提供線電壓，不提供相電壓。這兩種供電系統(tǒng)如圖2-29所示。

（a）低壓三相四線制——形連接

（b）高壓三相三線制——Y形連接

圖2-29三相正弦交流電源星形連接圖從圖2-29中可以看出，線電壓與相電壓的關(guān)系為（2-38）用相量關(guān)系表示為（2-39）

若以A相的相電壓為參考相量，則三個相電壓的相量表達(dá)式即為式（2-36），即，，。線電壓與相電壓的相量關(guān)系為（2-40）它們的相量圖如圖2-30所示。圖2-30星形線電壓與相電壓的相量圖如圖2-30所示，線電壓與相電壓有效值的關(guān)系為即（2-41）（二）三角形連接法從圖2-31可以看出，當(dāng)三相電源作三角形連接時，線電壓等于相電壓，它只能向外界提供一種電壓。即（2-42）圖2-31三角形連接法

相量圖如圖2-32所示，其相量表達(dá)式為（2-43）圖2-32三角形連接法的相量圖由此可以看出，在三角形連接中，三相電源的線電壓是對稱的，線電壓的有效值等于相電壓的有效值，即（2-44）

（a）C相繞組接反

（b）C相接對的相量圖

（c）C相接反的相量圖圖2-33三角形連接法繞組接反的后果三、三相負(fù)載的連接（一）三相負(fù)載的星形連接（a）三相負(fù)載的星形連接原理圖

（b）電壓相量圖圖2-34三相負(fù)載的星形連接負(fù)載的線電壓與相電壓的關(guān)系為（2-45）設(shè)以A相為基準(zhǔn)相量，則其他各相電壓的相量為（2-46）用通用公式表示為（2-47）如圖2-35所示，三相負(fù)載在星形連接時其線電流等于相電流，即圖2-35三相負(fù)載星形連接的電壓電流關(guān)系圖中線電流與各相電流之間的關(guān)系為（2-48）圖2-36電流相量圖對于三相電路中的每一相來說，就是一個單相電路。所以在這個單相電路中，其相電流和相電壓的關(guān)系是（2-49）

圖2-37電壓、電流的相量圖（2-50）當(dāng)三相交流負(fù)載的星形連接中，三相電壓對稱，而三相負(fù)載也對稱時，流過各相負(fù)載中的電流也應(yīng)該是對稱的，即（2-51）由此可以作出中線電流與各相電流相應(yīng)的相量圖，如圖2-38所示。圖2-38對稱負(fù)載的電流相量圖

從相量圖中可知，當(dāng)三相負(fù)載對稱并作星形連接時，中線上的電流為零，即（2-52）圖2-39三相對稱負(fù)載的“Y”形電路在實際工程中，根據(jù)電源和負(fù)載都相互對稱的特點，只需求出其中一相的電流，即可直接推出其他兩相電流。當(dāng)阻抗為感性負(fù)載時，其相電流在相位上滯后該相電壓。（二）三相負(fù)載的三角形連接將三相負(fù)載分別接在三相電源的兩根相線之間的連接方式稱為負(fù)載的三角形連接，用“△”表示。如圖2-40（a）所示為三相負(fù)載的三角形連接原理圖，如圖2-40（b）所示為這種接法的實際電路圖。（a）三相負(fù)載的三角形連接原理圖

（b）單相負(fù)載與三相電機電路圖圖2-40三相負(fù)載的三角形連接圖從圖中可以看出，當(dāng)三相負(fù)載作三角形連接時，電源的線電壓等于負(fù)載的相電壓。即（2-53）且無論負(fù)載是否對稱，其三個相電壓總是對稱（相等）的。寫成通用式即為（2-54）負(fù)載作三角形連接后就會產(chǎn)生相電流和線電流。相電流是流經(jīng)每相負(fù)載的電流，分別用，和表示，它們的大小為（2-55）負(fù)載的線電流是指電源線流進(jìn)的電流，分別用，和表示，它的方向規(guī)定由A線指向B線，B線指向C線，C線指向A線。根據(jù)基爾霍夫電流定律（KCL），負(fù)載的線電流和相電流的關(guān)系為（2-56）其相量形式為（2-57）圖2-41線電流與相電流的相量圖如果三個負(fù)載對稱，即，則這時各相電流也對稱，即（2-58）設(shè)以相電流A為基準(zhǔn)，即，根據(jù)相量合成法，可得線電流與相電流的相量關(guān)系式為（2-59）因此對三角形連接的對稱負(fù)載來說，線電流和相電流的數(shù)量關(guān)系為（2-60）將負(fù)載相電壓再考慮進(jìn)去后，可作出三相負(fù)載三角形連接的相電壓、相電流、線電流三者之間關(guān)系的相量圖，如圖2-42所示。圖2-42負(fù)載的相電壓、相電流、線電流相量圖任務(wù)三

汽車交流發(fā)電機一、汽車交流發(fā)電機概述圖2-43汽車發(fā)電機作用原理圖二、汽車交流發(fā)電機的結(jié)構(gòu)汽車交流發(fā)電機主要由轉(zhuǎn)子、定子、整流器和整流板（又稱元件板）、前后端蓋、電刷裝置和風(fēng)扇等組成。如圖2-44所示為國產(chǎn)JF系列硅整流發(fā)電機的結(jié)構(gòu)圖。圖2-44國產(chǎn)JF系列硅整流發(fā)電機的結(jié)構(gòu)圖（一）轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)子能產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)的磁場，它主要由兩塊爪極、磁場繞組、集電環(huán)及軸等組成，如圖2-45所示。圖2-45汽車交流發(fā)電機的轉(zhuǎn)子1—集電環(huán)；2—轉(zhuǎn)子軸；3—爪極；4—磁軛；5—磁場繞組（二）定子定子是產(chǎn)生和輸出交流電的部件，主要由定子