中职教育-《电工技术基础与技能》第5章 正弦交流电.ppt

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当电网中的电压或电流波形不是理想的正弦波时,即说明其中含有频率高于50 Hz的 电压或电流成分,我们将频率高于50 Hz的电压或电流成分称为谐波。当谐波频率为 工频的整数倍时,称其为整数次谐波。
在分析计算非正弦周期波作用下的线性电路的电压和电流时,可先将其分解,然 后根据叠加定理分别计算各分量单独作用时的电压和电流,最后将计算结果叠加,这 一方法称为谐波分析法。
量的瞬时值,如图所示。
正弦交流电的旋转矢量表示法
5.3.3 旋转矢量法
用旋转矢量法表示正弦量时,不可能把每一瞬间的位置都画出来,若正弦 量的频率相同,矢量的旋转速度一样,它们的相对位置就不变。因此,只需画 出它的起始位置与x轴正方向的夹角(初相)和几个关键点,如最大值、x=0、 y=0处,就可以基本表达出正弦量的主要特征,而角速度ω则完全不必画出。
5.3 正弦交流电的表示方法
5.3.1 解析式法
用正弦函数式表示正弦交流电随时间变化的关系的方法称为解析式法。正 弦交流电的电流、电压和电动势的解析式分别为
i Im sin(t i0) u Um sin(t u0 ) e Em sin(t e0 )
式中: i ,u ,e ——表示电流、电压、电动势的瞬时值;
在正弦量的三要素中,当频率已知和确定后,只要求出最大值(振幅)和 初相,这个正弦量也就确定了。根据正弦电路的这一特点,我们可以用一个与 之对应的矢量来表示正弦量的最大值(振幅)和初相。
为了与一般矢量相区别,我们通常在相应的大写字母上加一点“ g ”来
表示正弦交流电的旋转矢量。例如, I&m ,U&m ,E&m 分别是正弦交流电的电流矢量、 电压矢量和电动势矢量。当然也用这种方法表示正弦交流电的有效值参数 I&,U&,E& 。
尼古拉·特斯拉
5.2.2 最大值(振幅)和有效值
3.有效值 交流电的有效值是根据电流的热效应来确定的。即在相同的电阻R中,分别通入 直流电和交流电,在经过一个交流周期的时间内,如果它们在电阻上产生的热量相等, 则用此直流电的数值表示交流电的有效值。一般电气设备铭牌上所标明的额定电压和 额定电流,交流电表上所指示的电压、电流读数等,就是指被测量的交流电的有效值。 如电压220 V,就是指供电电压的有效值。 交流电的有效值规定用大写字母表示,如E,I,U。有效值与最大值的关系分别为
相位和初相的单位是弧度,但一般习惯用角度表示。计算时须将 t 和 0 化成
相同的单位。初相 0 的变化范围一般为 剟0 。
5.2.3 相位、初相和相位差
3.相位差
两个相同变化快慢的正弦交流电的相位之差称为相位差,用 表示。它表明了
两个正弦量到达最大值的先后差距。 例如,当一个正弦交流电的电压和电流分别用下式表示时
正弦交流电的矢量图
(c)电压和电动势有效值矢量
5.4 非正弦周期波
前面讨论的交流电压和电流都是按正弦规律变化的。但在实际中,还经常遇到不 按正弦规律做周期性变化的电压或电流波形,如方波、三角波、锯齿波等,称为非正 弦周期波。
正弦周期波 f (t) 一般可分解为
f (t) A0 A1m sin(t 01) A2m sin(2t 02 ) … Akm sin(kt 0k ) …
f 1 T
单位时间内交流电变化的角度称为正弦量的角频率。工程上常用弧度来表示角
度,所以角频率的单位是弧度/秒(rad/s),用字母ω表示。角频率、频率与周期之
间的关系为
2 f 2 T
图(a)正弦交流电的周期
5.2.2 最大值(振幅)和有效值
1.瞬时值 瞬时值是用来表征正弦交流电变化大小的物理量。正弦交流电在变化过程中任一 时刻的大小称为该交流电的瞬时值,一般用小写字母e,u,i分别表示正弦交流电的 电动势、电压和电流。 2.最大值(振幅) 在一个周期变化范围内,瞬时值的最大数值称为正弦交流电的最大值,用大写字 母加下标“m”表示,如Em,Um,Im分别代表电动势、电压和电流的最大值。 交流电的最大值又称为交流电的幅值,或振幅、峰值等,它在工程上有着重要的 实际意义。例如,我们常说的用电设备的耐压值就是指它能够承受的最大工作电压, 当交流电的最大值超过了它的耐压值时,该电器就可能被击穿烧坏。
泰山核电站
5.3.3 旋转矢量法
这样,按照正弦量的大小和相位关系就可以用初始位置的有向线段在复平 面上画出矢量的图形,这种图形称为矢量图。在矢量图上,矢量的长度就是正 弦量的最大值或有效值,矢量与正实轴的夹角就是正弦量的初相 0 。图中列 举了几个正弦量的矢量图。
(a)电压最大值矢量
(b)电流有效值矢量
式中: A0 ——不随时间变化,称为零次谐波(直流分量); A1m sin(t 01) ——频率与 f (t) 的频率相同,称为基波或一次谐波(交流分量);
A2m sin(2t 02 ) ——频率为 f (t) 频率的二倍,称为二次谐波(交流分量); Akm sin(kt 0k ) ——频率为 f (t) 频率的k倍,称为k次谐波(交流分量)。
第5章 正弦交流电
5.1 正弦交流电的产生 5.2 正弦交流电的基本物理量 5.3 正弦交流电的表示方法 5.4 非正弦周期波 实训项目
学习目标
✓理解正弦交流电的产生及其基本概念。 ✓理解正弦交流电的特征,特别是有效值、频率、初相及相位差的概念。 ✓理解正弦交流电的各种表示方法(解析式法、波形图法和旋转矢量法)及对应关系。 ✓能够正确使用示波器观测正弦交流信号。 ✓了解非正弦周期波的概念和分解方法。
简单地讲,谐波分析就是对一个已知波形的信号,求出它所包含的各次谐波分量 的最大值(振幅)和初相,并且写出各次谐波分量的表达式,最后将这些表达式相加。
实训项目 用示波器观测交流电波形
1.认识示波器
显示屏
功能控制键区
插孔
1.认识示波器
CH15扩展
垂直输入方式
CH1垂直位移
CH2垂直位移
CH25扩展 水平位移
两个正弦交流电波形
5.2.1 周期、频率和角频率
1.周期
什么是交流电的周期呢?我们把交流电每循环变化一次所需要的时间称为周期。
周期用符号T来表示,单位是秒(s),如图(a)所示。
2.频率
单位时间内交流电变化的次数称为频率。频率用字母f表示,单位是赫兹(Hz)。
周期与频率的关系是互为倒数,即
3.角频率
5.2.2 最大值(振幅)和有效值
4.平均值 在电工电路中,有时还需要求出某个时段内的平均效应。因此规定,交流电在半 个周期内所有瞬时值的平均大小称为交流电的平均值,分别用 E ,I ,U 表示。下图是 以电流为例来说明的交流电的平均值图形。 理论和实践都证明,正弦交流电的平均值与最大值的关系为
E
Im ,Um ,Em ——表示电流、电压、电动势的最大值;
——表示电流、电压、电动势的角频率;
i0 ,u0 ,e0 ——表示电流、电压、电动势的初相。
5.3.1 解析式法
【例】已知一正弦交流电的电压为220 V,在t=0时的瞬时值为 110 2 V , 频率为50 Hz,试写出其交流电电压的解析表达式。
解:
这里的220 V指的是有效值,要转换成最大值。从t=0时的瞬时值可求出初相,再由频率即可 求出角频率。
此正弦交流电电压的最大值为
Um 2U 220 2 V
当t=0时,电压的瞬时值为 110 2 V,得
110 2 220 2 sinu0

sin u0
1 2

u0 30° 或 u0 150°
例如,如果要表示一个正弦量 u Um sin(t u0 ) ,我们可以以坐标原点O 为端点作一条有向线段,以此线段的长度为正弦量的最大值 Um ,以旋转矢
量的起始位置与x轴正方向的夹角为初相 u0 ,以线段绕原点逆时针旋转的角 速度为 ,这样在任一瞬时,有向线段在纵坐标轴上的投影就是该时刻正弦
2
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Em , I
2
Im

U
2
U
m
正弦交流电的电流平均值图形
【例】 有朋友从国外带回一台耐压为300 V 的电器,能否接在我国220 V的交流电线路 上?
解: 我国220 V交流电的电压有效值是220 V,电
压最大值为 Um 2U 2 220 V ≈ 311 V
由于220 V交流电的电压最大值是311 V, 大于该电器所能承受的电压最大值300 V,因 此直接连接后可能会烧坏电器。
u Um sin(t 1)
i Im sin(t 2 )
则u和i的相位差为
(t 1) (t 2 ) 1 2 正弦交流电的相位差等于其初始相位之差。它是一个常量,与计时起点即初相无关。
同相 0
(b)超前 0 (c)反相 (d)正交
2
5.2.3 相位、初相和相位差
正弦交流电电压的角频率为
2 f 2 50 rad/s ≈ 314 rad/s
最后得到的交流电电压表达式为
u1 311sin(314t 30°) V , u2 311sin(314t 150°) V
5.3.2 波形图法
用正弦图形曲线来表示交流电随时间变化的关系的方法称为波形图法,也 称图像法。
在波形坐标图上,用横坐标表示时间t或电角度ωt,纵坐标表示随时间变 化的电流、电压或电动势的瞬时值。波形图法可以形象、完整地表达正弦交流 电的三要素。
几种常见的正弦交流电波形如图所示。
常见正弦交流电的波形图
5.3.3 旋转矢量法
在电路分析时,如果要对几个同频率的正弦量进行加减运算,无论用哪种 方法都不太方便。因此,我们引入另外一种正弦交流电的表示方法——旋转矢 量法。旋转矢量法是在一个直角坐标系中用绕原点旋转的矢量来表示正弦交流 电的方法。
L/O/G/O
5.1 正弦交流电的产生
前面讨论的电压和电流均为直流电,因为其大小和方向均不随时间变化。如果电压、 电流的大小和方向都随时间在变化,我们就称为交流电。由交流电组成的电路称为交流电 路。交流电的波形一般有正弦波、方波、三角波、锯齿波等,如图所示。
在交流电路中,若电流与电压的大小和方向是随时间按正弦规律变化的,由此产生的 电流、电压就是正弦交流电。工程上常用的交流电也是指正弦交流电。
5.2.3 相位、初相和相位差
1.相位 相位是用来表征正弦交流电变化的位置的物理量。在某一时刻,正弦交流电的 瞬时值不是仅由时间t确定的,而是由 t 确定。这个相当于电角度的量决定了正 弦交流电的变化趋势,因此把 t 称为正弦交流电的相位角,简称相位。 2.初相 当t=0时的相位角称为初相位或初相角,简称初相,用字母 0 表示。 初相 0 反映了正弦交流电的计时起点。不同的正弦交流电,其计时起点不同, 它的初相也就不同。因此,初相常用来观察多个正弦交流电的起点或参考点,以描 述它们之间的相互关系。
【例】 已知加在某元件上的正弦交流电压为 u 311sin(314t 30°) V ,电流 为 i 100sin(314t 60°) A ,求两者的相位差,并指出它们之间的关系。
解: 由式 (t 1) (t 2 ) 1 2 得这个元件上正弦交
流电压和电流的相位差为
(314t 30°) (314t 60°) 30° (60°) 90° 因此,电压和电流的关系为:电压与电流正交且电压超前电流 90°
扫描方式 触发电平
辉度调节
聚焦调节
光迹旋转 电源指示灯 电源开关 校准信号
CH1垂直 灵敏度开关
CH1输入插孔 CH1耦合方式选择
CH2输入插孔 CH2耦合方式选择
触发电平 指示灯
水平5扩展 开关
极性开关 水平扫描 速率开关
触发源选择
外接输入插孔
CH2垂直灵敏度开关
获得交流电的方法有许多种,但大多数交流电是由旋转发电机产生的。如火力发电、 水力发电、风力发电等,这些通过蒸汽能、水能、风能等驱动发电机转子转动,得到的就 是一种正弦交流电。
(a)正弦波
(b)方波
(c)三角波
常见的交流电波形
(d)锯齿波
5.2 正弦交流电的基本物理量
由图可知:虽然这两个交流电i1和i2都是按正弦规律变化的,但 它们变化的起点不同,变化的大小起伏不同,变化的快慢也不相同。 这三个方面基本反映了正弦交流电的运动变化规律,可以分别用初相 (变化的起点位置)、最大值(变化的大小幅度)、频率(变化的快 慢程度)这三个专业参数来表示,初相、最大值和频率也因此称为正 弦交流电的三要素。
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