汽车电学基础第2章 交流电路

正弦量可用下式表示为其波形如图2-2所示。
上式中的角度称为正弦量的相位角或相位，它反映出正弦量变 化的进程。当相位角随时间连续变化时，正弦量的瞬时值随之连续 变化，当t=0时的相位角称为初相位角或初相位。
提示：在一个正弦交流电路中，电压u和电流i的频率是相同的，初 相位不一定相同。 进一步：两个同频率正弦量的相位角之差或初相位角之差，称为相 位角差或相位差。当两个同频率正弦量的计时起点改变 时，它们的相位和初相位不同，所以它们的变化步调是不 一致的，即不是同时到达正的幅值或零值。一般称为相位 超前或者滞后。 三、交流电路中电阻、电感、电容的特性 1．电阻元件的交流电路 图2-3是一个ห้องสมุดไป่ตู้性 电阻元件的交流电路。 在电阻元件的交流电路 中，电流和电压是同相 的。电压和电流的参考 方向是关联参考方 向。两者的关系由欧姆 定律确定，即 u=iR
提示：各相负载的电压与电流之间的相位差分剐为30。，线电流是 相电流的√3倍，电路中负载对称是指各项阻抗相等(阻抗模 和相位角相等)。 电压和电流的相量图如图2-10所示。
(2)三相三线制 在三相电压对称的情况下，若负载也对称，那么负载相电流也 是对称的，此时中性线中没有电流通过，这时中性线就不需要了， 这就是如图2-11所示的三相三线制电路。因为生产上的三相负载(通 常所见的是三相电动机)一般都是对称的，所以三相三线制电路的应 用极为广泛。
提示：负载不对称而又没有中性线时，负载的相电压就不对称。当 负载的相电压不对称时，势必引起有的相电压过高，高于负 载的额定电压；有的相电压过低，低于负载的额定电压，这 都是不容许的，三相负载的相电压必须对称。 进一步：中性线的作用是使星形联结的不对称负载的相电压对称。 为了保证负载的柑电压对称，就不应让中性线断开。因 此，中性线(指干线)内绝不允许接入熔断器或闸刀开关。 操作：课后观察电动机线圈的连接。 2．三角形联结 负载三角形联结的三相电路可用图2-12所示的电路来表示。 电压和电流的参考方向都已在图中标出。因为各相负载都直接 接在电源的线电压上，所以负载的相电压与电源的线电压相等。因 此，不论负载对称与否，其相电压总是对称的。对称负载三角形联 结时电压与电流的相量图如图2-13所示。 提示：负载三角形联结时，相电流和线电流是不一样的。线电 流是相电流的√3倍，在相位上线电流比相应的相电流滞后30。。
二、三相电路中负载的连接
三相电路中负载的连接方法有两种，即星形联结和三角形联 结。 1．星形联结 (1)三相四线制 图2-9是三相四线制电路，设线电压为380V。照明负载(220V，单相 负载)比较均匀地分配在各相之中，接在相线与中性线之间，三相电 动机接在三根相线上。
三相电路中的电流也有相电流与线电流之分。每相负载中的 电流称为相电流，每根相线中的电流称为线电流。在负载为星形 联结时，相电流等于线电流。 电源相电压为每相负载电压，每相负载中的电流可分别求出。
提示：三相交流电出现正幅值(或相应零值)的顺序称为相序。 进一步：发电和输配电一般都采用三相制。
2．三相电源的连接方法 发电机三相绕组的接法通常如图2—7所示，即将三个末端连在 一起，这一连接点称为中性点或零点，用N表示，这种连接法称为星 形联结。从中性点引出的导线称为中性线或零线。从始端Ul、Vl、 W1引出的三根导线称为相线或端线，俗称火线。
进一步：三相电动机的绕组可以采用星形联结，也可以采用三角形 联结，而照明负载一般采用星形联结(具有中性线)。 操作：课后观察家用电表的连接线路。
在图2-8中，每相始端与末端间的电压，即相线与中性线间的电 压，称为相电压，其有效值一般用Up，表示。而任意两始端间的电 压，即两相线间的电压，称为线电压，其有效值一般用UI表示。相 电压和线电压的参考方向如图中所示。
提示：当发电机的绕组星形联结时，线电压与相电压频率相同，都 是三相对称电压。相电压和线电压显然是不相等的，它们大 小的关系是，线电压是相应相电压的√3倍。在相位上，线电 压比相应的相电压超前30。。 进一步：发电机(或变压器)的绕组星形联结时，可引出四根导线叫 三相四线制，这样就可给负载提供两种电压。通常在低压 配电系统中相电压为220V，线电压为380V。 如负载对称(此时中性线中没有电流)，不一定都引出中性线， 这种连接方法叫三相三线制。发电机(或变压器)的绕组星形联结时 通常采用三相三线制。
一、三相交流电源
1．结构原理 图2-6是三相交流发电机的原理图。它的主要组成部分是电枢 和磁极。 电枢是固定的，也称为定子。定子铁心的内圆周表面有槽，用 以放置三相电枢绕组。每 相绕组都是相同的，如图 2-7所示。它们的始端(头) 标以U1、V1、W1，末端(尾) 标以U2、V2、W2。每个绕 组的两边放置在相应的定 子铁心的槽内。但要求绕 组的始端之间或末端之间 都彼此相隔120。。
由此可知，在电阻元件电路中，电压幅值(或有效值)与电流幅 值(或有效值)的比值，就是电阻R。 知道了电压与电流的变化规律和相互关系后，便可计算出电路 中的功率。 在任意瞬间，电压瞬时值与电流瞬时值的乘积，称为瞬时功 率，用小写字母p代表，即 p=ui 提示：由于在电阻元件的交流电路中u与i同相，它们同时为 正，同时为负，所以瞬时功率总是正值，即p>0。瞬时功率为正，这 表示外电路从电源取用能量，即电阻元件从电源取用电能而转换为 热能。 操作：用万用表检测。通过一个接到频率为50Hz，电压有效值 为10V的正弦电源上的1000Ω的电阻元件的电流，与保持电压值不 变，而电源频率改变为500Hz时通过的电流是相等的(交流电源由信 号发生器提供)。
二、正弦交流电的三要素
一个正弦量可以由频率(或周期)、幅值(或有效值)和初相位三 个特征或要素来确定。 1．频率与周期 正弦量变化一次所需的时间称为周期(T)。每秒内变化的次数称为 频率(f)，它的单位是赫兹 (Hz)。频率是周期的倒数，即 f =1/T 我国和大多数国家都采用50Hz作为电力标准频率，有些国家(如 美国、日本等)采用60Hz。这种频率在工业上应用广泛，习惯上也称 为工频。通常的交流电动机和照明设备都采用这种频率。 正弦量变化的快慢除用周期和频率表示外，还可用角频率来表 示。因为一周期内经历了2π rad，所以角频率为 ω=2π/T=2πf 它的单位是弧度／秒(rad／s)。
2．幅值与有效值 正弦量在任一瞬间的值称为瞬时值，用小写字母来表示，如i、u 及e分别表示电流、电压及电动势的瞬时值。瞬时值中最大的值，称 为幅值或最大值，用带下标m的大写字母来表示，如Im、Um及Em分别 表示电流、电压及电动势的幅值。它的数学表达式为 i=Imsin(ωt) 正弦电流、电压和电动势的大小往往不是用它们的幅值，而是用有效值 来计量的。 有效值是通过电流的热效应来规定的，无论交流还是直流，只要它们在 相等的时间内通过同一电阻并且两者产生的热效应相等，就把它们看作是相 等的。就是说，在相等的时间内，如果某交流电流和直流电流分别通过同样 大小的电阻，产生的热量相等，那么这个周期性变化的电流i的有效值在数 值上就等于这个直流电流。根据上述，可得
由此可得出周期电流的有效值
电流为正弦量时,即i=Imsin(ωt),则
因为
提示：有效值都用大写字母表示，和表示直流的字母一样。一般所 讲的正弦电压或电流的大小，例如交流电压380V或220V，都 是指它的有效值。一般交流电流表和电压表的刻度也是根据 有效值来确定的。 3．初相位 正弦量是随时间而周期性变化的，正弦量所取的计时起点不同， 正弦量的初始值就不同，到达幅值或某一特定值所需的时间也就不 同。
3．电容元件的交流电路 图2-5是一个线性电容元件的交流电路，电流i和电压u的参考方向 如图中所示。 如果在电容器的两端加一正弦电压u=Umsin(ωt)，则电流i也是一 个同频率的正弦量。在电容元件电路中，在相位上电流比电压超前 90。。 在电容元件电路中，电容对电流变化起阻碍作用所以称为容 抗，用Xc代表。容抗Xc与电容C、电流的频率?成反比。所以电容元 件对高频电流所呈现的容抗很小，可视作短路；而对直流所呈现的 容抗很大，可视作开路，电容元件有隔断直流的作用。 提示：我们规定：当电流比电压滞后时，其相位差Ψ为正；当 电流比电压超前时，其相位差Ψ为负。这样规定便于说明电路是电 感性的还是电容性的。纯电容交流电路中，电流超前电压，其相位 差Ψ为负，电路为电容性。
第二章 交流电路
第一节 正弦交流电路
学习目标
1．了解什么是交流电 2．掌握交流电的三要素 3．了解交流电路中电阻、电容和电感的特性
学习要求
应知：交流电的概念；交流与直流的关系与区别；电感、电容元件与电阻 元件的区别。 应会：用万用表测量交流电路中的电压、电流；用欧姆定律和基尔霍夫定 律分析电路中元件的电压、电流及电阻的关系。
一、什么是交流电
大小和方向随时间改变的电压或电流统称交流电，其波形如图2-1 所示。如果电压和电流的方向是按照正弦规律周期性变化的，就称 为正弦交流电。在电路图上所标的方向是指它们的参考方向。 提示：汽车电 路都是直流电路， 但是汽车交流发电 机产生的电流，在 没有整流之前是交 流电流。在汽车维 修企业中，许多大 型汽车维修检测设备是用交流电作为电源的。 交流电路中，有用直流电路的概念无法理解和分析的物理现 象，因此，在学习时必须建立交流的概念，否则容易引起错误。
2．电感元件的交流电路 图2-4是一个线性电感元件的交流电路。
当电感线圈中通过交流电流i时，产生自感电动势e，设电流为参考 正弦量，根据基尔霍夫电压定律得出，电压也是一个同频率的正弦 量。在电感元件电路中，在相位上电流比电压滞后90。。
在电感元件电路中，电压幅值(或有效值)与电流幅值(或有效值) 的比值为ωL，它的单位为欧姆。ω为角频率，L为电感量。当电压 一定时，L愈大，则电流愈小，对交流电流起阻碍作用。 感抗XL与电感L、频率?厂成正比。因此，电感线圈对高频电流 的阻碍作用很大，而对直流则可视作短路。 提示：感抗只是电压与电流幅值或有效值之比，而不是它们的 瞬时值之比，这与电阻电路不一样。在这里电压与电流之间成导数 的关系，而不是成正比关系。 提示：纯电感交流电路中，电压超前电流，其相位差为正，电 路为电感性。 进一步：电感元件的交流电路中，没有能量消耗，只有电源与 电感元件间的能量互换，电感元件交流电路的瞬时功率为p=ui。 操作：用万用表检测。把一个0.1H的电感元件接到频率为 50Hz，电压有效值为10V的正弦电源上，该元件通过的电流，与保持 电压值不变，而电源频率改变为500Hz时通过的电流将不一样。在电 压有效值一定时，频率愈高，通过电感元件的电流有效值愈小。