1、电工及电气测量技术,制作：深圳职业技术学院机电系,电工及电气测量技术,第一篇 电工基础及电气测量 第二篇 电气控制 第三篇 复杂电路分析,上一页,下一页,返 回,第 1 篇 电工基础及电气测量篇,上一页,下一页,返 回,第一篇 电工基础及电气测量,第一章 电工基础知识 第二章 直流电路 第三章 正弦交流电路 第四章 三相电路 第五章 磁路与变压器,上一页,下一页,返 回,第1章 电工基础知识,1.1 电力系统概述 1.2 电工安全基本知识 1.3 常用仪表与测量,上一页,下一页,返 回,1.1 电力系统概述,1.1.1 电力系统和电力网概述提问：1.什么是电力系统？电力网？,上一页,下一页,返
2、 回,图1.2 电力的产生及传输分配,上一页,下一页,返 回,电力系统：由发电、送电、变电、配电和用电组成的“整体” 电力网：输送、变换和分配电能的网络，分为输电网和配电网两大部分 电力网的电压等级：低压（1kV以下）、中压（1kV10kV）、高压（10kV330kV）、超高压（330kV1000kV）、特高压（1000kV） 电能的质量指标：频率、电压,上一页,下一页,返 回,1.1.2 电力的产生,发电厂：其它形式的能源（如水能、热能、风能、核能等）电能 电力的传输：发电厂变压器升压高压输电线路变配电站,上一页,下一页,返 回,1.1.3 电力的传输,提问：2为什么要升压供电？ 因为：电流
3、，传输距离，热能消耗，电能损失 所以：在传输容量一定的条件下，输电电压，输电电流，电能消耗 我国常用的输电电压等级：有35kV、110kV、220kV、330kV、500kV等多种 电力的传输线路：架空线路、电缆线路,上一页,下一页,返 回,1.1.4 电力的分配,输电线路配电线路分配给用户 常用的配电电压：高压：10kV或6kV 低压： 380220V,上一页,下一页,返 回,1.1.5 用户和用电负荷的分类,一类负荷：中断供电将造成人身伤亡者、重大的政治经济影响应有两个或以上独立电源供电 二类负荷：中断供电将造成较大的政治经济影响尽可能要有两个独立的电源供电 三类负荷：不属于一、二类电力负
4、荷 对供电没有什么特别要求,上一页,下一页,返 回,常用的低压供配电系统,提问：3.什么是零线、火线、地线、线电压、相电压、三相四线制？ 直流电：方向不随时间变化 交流电：电压大小和方向随着时间而变化，分单相、三相,上一页,下一页,返 回,图1.4 三相交流发电机绕组的星形接法与三相四线制供配电系统,上一页,下一页,返 回,三相四线制系统：相电压：相线与中性线之间的电压 线电压：相线与相线即两根火线之间的电压 三相三线制系统：线电压,上一页,下一页,返 回,图1.5 无中线的三相三线制,上一页,下一页,返 回,火线：分别从发电机绕组三个始端引出的线，红、绿、黄 零线：中性点接地时的中性线，黑线
5、 地线：接地装置引出的线，对人身设备起保护作用。黄绿双色线,上一页,下一页,返 回,图1.6 三相四线制中性点接地,上一页,下一页,返 回,1.2 电工安全基本知识,1.2.1 人为什么会触电？ 人体本身就是一个导体，有一定的电阻。 1.2.2 触电有哪几种？ 单相触电 两相触电 跨步电压触电,上一页,下一页,返 回,单相触电,两相触电,跨步电压触电,上一页,下一页,返 回,1.2.3 触电程度跟哪些因素有关？,与通过人体电流强度、持续时间、电压频率、通过人体的途径以及人体状况都有关系。,上一页,下一页,返 回,1.2.4 怎样预防触电?,要有必要的安全知识 安装保护设备 创造不导电环境：绝缘
6、、屏护、间距,上一页,下一页,返 回,1.2.5 发生了触电怎么办?,迅速切断电源 触电程度轻重的判断 立即采取相应的急救措施：口对口（或口对鼻）人工呼吸法、胸外心脏挤压法,上一页,下一页,返 回,图1.11 触电者就地脱离电源的方法,上一页,下一页,返 回,图1.12 对触电者的检查,（a）检查瞳孔 （b）检查呼吸 （c）检查心跳,上一页,下一页,返 回,图1.13 口对口人工呼吸法,（a）触电者平卧姿势 （b）急救者吹气方法 （c）触电者呼气姿态,上一页,下一页,返 回,图1.14 胸外心脏挤压法,（a）急救者跪跨位置 （b）急救者压胸的手掌位置,（c）挤压方法示意 （d）突然放松示意,上
7、一页,下一页,返 回,图1.15 对心跳和呼吸均停止者的急救,（a）单人操作法 （b）双人操作法,上一页,下一页,返 回,1.3 常用仪表与测量,万用表的使用 用途：不仅能测量电压、电流、电阻，还能测量其它电路参数如电容量等， 分类：指针式、数字式,上一页,下一页,返 回,图1.18 MF-30型万用表的面板图,上一页,下一页,返 回,图1.19 运用万用表测量电源插座及电池的电压,（a）测量电源插座电压（ACV） (b) 测量电池电压（DCV）,上一页,下一页,返 回,图1.20 测量灯泡的直流电流（ACA）,上一页,下一页,返 回,图1.21 测量灯泡 与插头导线的电阻,(a) 转动调零电
8、位器，使指针指零 (b) 读取最上面的电阻刻度，再乘以10倍,上一页,下一页,返 回,图1.22 电压电流挡刻度线与欧姆挡刻度线,（a）电压电流挡刻度线 (b) 欧姆挡刻度线,上一页,下一页,返 回,图1.25 兆欧表,上一页,下一页,返 回,图1.23 DT890型数字万用表的面板图,1-显示器 2开关 3电容插口 4电容调零器 5插孔 6选择开关 7hFE 插口,上一页,下一页,返 回,图1.24 钳形电流表的使用,上一页,下一页,返 回,第2章 直流电路,2.1 电路的基本物理量 2.2 欧姆定律 2.3 电流与电压测量 2.4 电路工作状态 2.5 电路元件特性方程 2.6 基尔霍夫定
9、律 2.7 电路中电位的计算 2.8 电路中功率的平衡,上一页,下一页,返 回,图2.1 电路示意图,(a)手电筒电路 (b) 扩音机,上一页,下一页,返 回,实例引入：手电筒电路,图2.2 手电筒的电路模型,上一页,下一页,返 回,电路是电流的通路，它的基本作用： （1）能量的传输和转换； （2）信号的传递和处理。 电路主要由四要素：电源、负载、控制元件、回路,上一页,下一页,返 回,2.1 电路的基本物理量,2.1.1 电流,图2.3 导体中的电流 图2.4 电流的正方向,上一页,下一页,返 回,电流：由电荷（带电粒子）有规则的定向运动而形成的 交流：直流： 实际方向：正电荷运动的方向 参
10、考方向、正方向：任意选定某一方向 电流的实际方向与其正方向一致时，则电流为正值； 电流的实际方向与其正方向相反时，则电流为负值,上一页,下一页,返 回,2.1.2 电压和电位,电压：绝对值，不随参考点的改变而改变； 电位：相对值，随参考点的改变而变化,图2.5 电压示意图,上一页,下一页,返 回,电压,电压：电场力将单位正电荷沿外电路中的一点推向另一点所作的功 实际方向：规定从高电位(“”)指向低电位(“”) 电压的实际方向与其正方向一致时，则电压为正值； 电压的实际方向与其正方向相反时，则电压为负值。,上一页,下一页,返 回,2.电位,电路中某点的电位实质是这一点与参考点之间的电压，或者说，
11、电路某两点的电压等于这两点之间的电位差。 UABVA-VB,上一页,下一页,返 回,例2-1 在图2.6所示的电路中，已知U1=3V，U2=-2V，求U=？,图2.6 例2-1的电路图,上一页,下一页,返 回,解：因为 UAB+UBC=(VA-VB)+(VB-VC)=VA-VC=UAC所以 U=UAC=UAB+UBC=U1-U2=3-(-2)=5V,上一页,下一页,返 回,2.1.3 电动势,图2.7 手电筒电路原理图,上一页,下一页,返 回,电动势:电源力将单位正电荷从电源的负极移到正极所作的功。符号E，单位V E= W/q 电动势的方向：规定为电源力推动正电荷运动的方向，即从负极指向正极的
12、方向，也就是电位升高的方向 形成持续的电流必须有两个条件：一是要有电源，二是要有一条能够使电荷移动的闭合路径。,上一页,下一页,返 回,例2-2 在图2.9所示的电路中，求E=？,图2.9 例2-2的图,上一页,下一页,返 回,解：因为UAB=U1-U2=E-U2所以E=UAB+U2,上一页,下一页,返 回,实训三：元器件识别及线性电阻伏安特性测试,一、实训目的 1.掌握电阻、电容、电感的识别方法。 2.掌握直流稳压电源使用方法。 3.掌握磁电式安培计、伏特计使用方法并正确读数。 4.掌握万用表使用方法及注意事项。 5.掌握电流、电压测量方法。 6.掌握线性电阻伏安特性测试方法。,上一页,下一
13、页,返 回,二、原理说明,电阻器 电阻器：对通过它的电流呈现一定的阻碍作用，具有消耗能量的性质 用途：是稳定和调节电路中的电流和电压，其次还有限制电路电流、降低电压、分配电压等功能 分类： 按电阻材料和结构特征可分为线绕、膜式（碳膜和金属膜）、实芯和敏感电阻； 按用途可分为通用、精密、高压、高阻电阻器。 主要技术参数：标称阻值、阻值误差、额定功率、额定电压： 识别方法：数值法和色码标示法,上一页,下一页,返 回,图2.10 通用电阻色码标示法,上一页,下一页,返 回,表2-1 通用电阻色码与数字的对应表,例如：某一电阻色标为“棕黑橙金”，则其标称值为10k，误差为5%。,上一页,下一页,返 回
14、,2.电容器,电容器：是由两个金属电极中间夹一层绝缘体（又称电介质）所构成，可以储存电场能量 用途：具有“隔直通交”的特点，常用于滤波、旁路、信号调谐等方面 主要技术参数：电容量、允许误差、额定电压 识别方法：数值法和色标法,上一页,下一页,返 回,例：某一瓷介电容上标有104，其标称电容量为10104pF，即0.1F 有极性的电解电容器上标有负号的一端（一般为短脚）是负极，另一端是正极。在直流电路中，电解电容器正负极不能接反，否则会爆炸。,上一页,下一页,返 回,3.电感器,镇流器、电机、变压器的线圈都是电感线圈，可以储存磁场能量。 用途：LC滤波器，调谐放大电路或谐振均衡，去耦电路 分类：
15、按结构特点可分为单层、多层、蜂房、带磁芯及可变电感线圈。 主要技术参数：电感量L和品质因数Q。 电感量是指电感器通入电流后储存磁场能量的大小，其单位是H、mH和H。1H=103mH， 1mH=103H。,上一页,下一页,返 回,三、操作步骤,（一）常用元器件识别 1.用色码标示法识别电阻器标称阻值，并用万用表测出其实际值，计算误差大小。 2.识别电解电容、瓷介电容标称电容量。 3.识别色码电感的电感量。,上一页,下一页,返 回,（二）线性电阻伏安特性测试,1.按图2.11接线，以定值电阻R=1k（1W）为被测线性电阻。 2.调节直流稳压电源，使输出为1V、5V、9V、13V、17V、21V、2
16、5V，分别测出电路中电流大小，记录在表2-2中。,图2.11 线性电阻伏安特性测试电路图,上一页,下一页,返 回,表2-2 线性电阻伏安特性测试记录表,3.根据表2-2中的实验数据，作出线性电阻元件R的伏安特性曲线。,上一页,下一页,返 回,四、分析思考,安培计和伏特计应怎样接在电路中？ 若安培计并联在被测负载两端，会出现什么现象？为什么？,上一页,下一页,返 回,2.2 欧姆定律,欧姆定律：流过电阻的电流与电阻两端的电压成正比 当电压和电流的正方向一致时：U=IR （2-6） 当电压和电流的正方向相反时：U=-IR （2-7）,上一页,下一页,返 回,例2-3 已知R=3 ，应用欧姆定律对图
17、2.12的电路列出式子，并求电流I。,图2.12 例2-3的图,上一页,下一页,返 回,解：在图2.12(a)中： 在图2.12(b)中： 在图2.12(c)中： 在图2.12(d)中：,上一页,下一页,返 回,例2-4 计算图2.13中的电阻R值，已知Uab=-12V。,图2.13 例2-4的电路,上一页,下一页,返 回,解：Uab=Uan+Unm+Umb=-E1+Unm+E2Unm=Uab+E1-E2=-12+5-3=-10VR=Unm/I=-10/-2=5,上一页,下一页,返 回,图2.14 线性电阻的伏安特性曲线 图2.15 白炽灯丝的的伏安特性曲线,上一页,下一页,返 回,图2.16
18、 半导体二极管伏安特性曲线 图2.17 非线性电阻的符号,上一页,下一页,返 回,2.3 电流与电压测量,2.3.1 电阻串并联 1.电阻的串联,（a）串联电阻 （b）等效电阻 图2.18 电阻的串联,上一页,下一页,返 回,等效电阻R等于各个串联电阻之和，即：R=R1+R2+R3+两个串联电阻上的电压分别为：（2-9）（2-10）,上一页,下一页,返 回,2.电阻的并联,（a）并联电阻 （b）等效电阻 图2.19 电阻的并联,上一页,下一页,返 回,等效电阻R为：由式（2-11）得图2.19的并联等效电阻R为：两个并联电阻上的电流分别为：,上一页,下一页,返 回,负载增加（例如并联的负载数目
19、增加）时，负载所取用的总电流和总功率都增加，即电源输出的功率和电流都相应增加。就是说，电源输出的功率和电流决定于负载的大小。,上一页,下一页,返 回,2.3.2 电流的测量,测量直流电流通常都用磁电式安培计，测量交流电流主要采用电磁式安培计,（a）安培计的接法 （b）分流器的接法 图2.20 安培计和分流器,上一页,下一页,返 回,（2-14） 即 （2-15）,上一页,下一页,返 回,例2-5 有一磁电式安培计，当使用分流器时，表头的满标值电流为5mA。表头电阻为20。今欲使其量程（满标值）为1A，问分流的电阻应为多大？ 解：,上一页,下一页,返 回,2.3.3 电压的测量,测量直流电压常用
20、磁电式伏特计，测量交流电压常用电磁式伏特计。,（a）伏特计的接法 （b）分压器的接法 图2.21 伏特计和分压器,上一页,下一页,返 回,由图2.21(b)可得：（2-16）即（2-17）,上一页,下一页,返 回,例2-6 有一伏特计，其量程为50V，内阻为2000。今欲使其量程扩大到360V，问还需串联多大电阻的分压器？ 解：,上一页,下一页,返 回,2.4 电路工作状态,图2.22 直流电路,上一页,下一页,返 回,2.4.1 有载工作状态,U=E-IR0,图2.23 电源的外特性曲线,上一页,下一页,返 回,2.4.2 开路,电路开路时的特征可用下列各式表示：I=0U=U0=E,图2.2
21、4 电路开路的示意图,上一页,下一页,返 回,2.4.3 短路,电源短路时的特征可用下列各式表示：U=0 I=IS=E/R0,图2.25 电路短路的示意图,上一页,下一页,返 回,例2-7 图2.26所示的电路可用来测量电源的电动势E和内阻R0。图中，R1=2.6，R2=5.5。当开关S1闭合、S2断开时，安培计读数为2A；当开关 S1断开、S2闭合时，安培计读数为1A。试求E和R。,上一页,下一页,返 回,图2.26 例2-7的电路,上一页,下一页,返 回,解：E=I1(R1+R0)E=I2(R2+R0) 联立以上两式可得：所以： E=2(2.6+0.3)=5.8V,上一页,下一页,返 回,
22、2.5 电路元件特性方程,直流电路中， U=IR 交流电路中， u=iR,图2.27 电阻负载电路,上一页,下一页,返 回,2.5.2 电容元件特性方程,图2.28中电容元件的元件特性方程为：,图2.28 电容负载电路,上一页,下一页,返 回,2.5.3 电感元件特性方程,图2.29中电感的元件特性方程为：,图2.29 电感负载电路,上一页,下一页,返 回,实训四：基尔霍夫定律的验证,一、实训目的 1.掌握万用表测量电流、电压方法。 2.掌握基尔霍夫定律。 二、原理说明,上一页,下一页,返 回,图2.30 实训电路原理图,上一页,下一页,返 回,三、操作步骤,1.调节稳压电源，使其输出电压为9
23、V，关断电源待用。 2.按图2.30实训电路原理图接线。 3.经教师检查后接通电源，用万用表测电压及各支路电流，并将结果填入表2-3中。,表2-3 实训电路测量结果记录表,上一页,下一页,返 回,四、分析思考,1.分析实训电路中各段电压的关系。 2.分析实训电路中各电流的关系。,上一页,下一页,返 回,2.6 基尔霍夫定律,图2.31 多回路直流电路,上一页,下一页,返 回,图2.31中有三条支路：ab、acb和adb；两个节点：a和b；三个回路：adbca、abca和abda。 1.支路(Branch)无分支的一段电路。支路中各处电流相等，称为支路电流。 2.节点(Node)三条或三条以上支
24、路的联接点。 3.回路(Loop)由一条或多条支路所组成的闭合电路。,上一页,下一页,返 回,2.6.1 基尔霍夫电流定律（KCL）,在图2.31所示的电路中，对节点a可以写出：I1+I2=I3 或将上式改写成：I1+I2-I3=0 即I=0,上一页,下一页,返 回,例2-8 图2.32所示的闭合面包围的是一个三角形电路，它有三个节点。求流入闭合面的电流IA、IB、IC之和是多少？,图2.32 基尔霍夫电流定律应用于闭合面,上一页,下一页,返 回,解：应用基尔霍夫电流定律可列出IA=IAB-ICAIB=IBC-IABIC=ICA-IBC 上列三式相加可得IA+IB+IC=0 或 I=0 可见，
25、在任一瞬时，通过任一闭合面的电流的代数和也恒等于零。,上一页,下一页,返 回,例2-9 一个晶体三极管有三个电极，各极电流的方向如图2.33所示。各极电流关系如何？,图2.33 晶体管电流流向图,上一页,下一页,返 回,解：晶体管可看成一个闭合面，则：IE=IB+IC,上一页,下一页,返 回,例2-10 两个电气系统若用两根导线联接，如图2.34 (a)所示，电流I1和I2的关系如何？若用一根导线联接，如图2.34 (b)所示，电流I是否为零？,图2.34 两个电气系统联接图,上一页,下一页,返 回,解：将A电气系统视为一个广义节点，对图2.34(a)：I1=I2 ，对图2.34(b)：I=0
26、。,上一页,下一页,返 回,2.6.2 基尔霍夫电压定律（KVL）,基尔霍夫电压定律是用来确定构成回路中的各段电压间关系的。对于图2.35所示的电路，如果从回路adbca中任意一点出发，以顺时针方向或逆时针方向沿回路循行一周，则在这个方向上的电位升之和应该等于电位降之和，回到原来的出发点时，该点的电位是不会发生变化的。此即电路中任意一点的瞬时电位具有单值性的结果。,上一页,下一页,返 回,图2.35 回路,上一页,下一页,返 回,以图2.35所示的回路adbca（即为图2.31所示电路的一个回路）为例，图中电源电动势、电流和各段电压的正方向均已标出。按照虚线所示方向循行一周，根据电压的正方向可
27、列出：U1+U4=U2+U3 或将上式改写为：U1-U2-U3+U4=0 即 U=0 （2-25）,上一页,下一页,返 回,就是在任一瞬时，沿任一回路循行方向（顺时针方向或逆时针方向），回路中各段电压的代数和恒等于零。如果规定电位升取正号，则电位降就取负号。,上一页,下一页,返 回,图2.35所示的adbca回路是由电源电动势和电阻构成的，上式可改写为：E1-E2-I1R1+I2R2=0 或 E1-E2=I1R1-I2R2 即 E=(IR),上一页,下一页,返 回,图2.36 基尔霍夫电压定律的推广应用,上一页,下一页,返 回,对图2.36(a)所示电路（各支路的元件是任意的）可列出U=UAB
28、-UA+UB=0 或 UAB=UA-UB （2-27）对图2.36(b)的电路可列出U=E-IR0 （2-28） 列电路的电压与电流关系方程时，不论是应用基尔霍夫定律或欧姆定律，首先都要在电路图上标出电流、电压或电动势的正方向。,上一页,下一页,返 回,例2-11 在图2.37所示电路中，已知U1=10V，E1=4V，E2=2V，R1=4， R2=2，R3=5，1、2两点间处于开路状态，试计算开路电压U2。,上一页,下一页,返 回,图2.37 例2-11的电路图,上一页,下一页,返 回,解：对左回路应用基尔霍夫电压定律列出：E1=I(R1+R2)+U1得 再对右回路列出： E1-E2=IR1+
29、U2 得 U2=E1-E2-IR1=4-2-(-1)4=6V,上一页,下一页,返 回,2.7 电路中电位的计算,例2-12 在图2.38所示的电路中，已知C点接地,R1=R2=R3=1，E1=E2=2V，I1=-1A，I3=3A，求VA、VB的值。,图2.38 例2-12的电路图,上一页,下一页,返 回,解：I2=I3-I1=3-（-1）=4AVA=-I2R2+E1+I1R1=-41+2+(-1)1=-3VVB=-E2+I3R3+E1+I1R1=-2+31+2+(-1)1=2V,上一页,下一页,返 回,2.8 电路中的功率平衡,1电做的功（简称电功）W=qU=UIt 2电功率 P=W/t=UI
30、t/t=UI P=U2/R=I2R 3电流热效应Q=I2Rt 4额定值：在给定的工作条件下正常运行而规定的正常容许值,上一页,下一页,返 回,例2-13 有一220V、60W的电灯，接在220V的直流电源上，试求通过电灯的电流和电灯在220V电压下工作时的电阻。如果每晚用3h(小时)，问一个月消耗电能多少？,上一页,下一页,返 回,解： I=P/U=60/220=0.273AR=U/I=220/0.273=806 电阻也可用下式计算：R=P/I2或R=U2/P。 一个月消耗的电能也就是所做的功为：W=Pt=60330=0.0690=5.4kWh 可见，功的单位是kWh，俗称“度”。常用的电度表
31、就是测量电能的仪表。,上一页,下一页,返 回,例2-14 有一额定值为5W、500的线绕电阻，其额定电流为多少？在使用时电压不得超过多大的数值 解：根据功率和电阻可以求出额定电流，即 在使用时电压不得超过U=IR=0.1500=50V,上一页,下一页,返 回,因此，在选用电阻时不能只提出电阻值的大小，还要考虑电流有多大，而后提出功率。现在我们来讨论电路中的功率平衡问题。式（2-28）中各项乘以电流I，则得功率平衡式为：UI=EI-I2R0 P=PE-P 或 PE = P +P 式中，PE=EI，是电源产生的功率；P=I2R0，是电源内阻上损耗的功率； P=UI，是电源输出的功率。 由此可知，电
32、源产生的功率等于负载消耗的功率与内阻损耗的功率之和，即电路中的功率是平衡的。,上一页,下一页,返 回,例2-15 在图2.39所示的电路中，U=220V，I=5A，内阻R01=R02=0.6。（1）试求电源的电动势E1和负载的反电动势E2；（2）试说明功率的平衡。,图2.39 例2-15的电路图,上一页,下一页,返 回,解： （1）电源 U=E1-U1=E1-IR01E1=U+IR01=220+50.6=223V负载 U=E2+U2=E2+IR02E2=U-IR02=220-50.6=217V （2）由（1）中的两式可得E1=E2+IR01+IR02 等号两边同乘以I，则得 E1I=E2I+I
33、2R01+I2R022235=2175+520.6+520.6 1115W=1085W+15W+15W,上一页,下一页,返 回,其中，有E1I=1115W，是电源E1输出的功率，即在单位时间内由机械能或其他形式的能量转换成的电能的值；E2I=1085W，是负载吸收的功率，即在单位时间内由电能转换成的机械能（负载是电动机）或化学能（负载是充电时的蓄电池）的值；I2R01=15W，是电源内阻上损耗的功率；I2R02=15W，是负载内阻上损耗的功率。,上一页,下一页,返 回,判断某一电路元件是电源还是负载呢？ （1）根据电压和电流的实际方向可确定某一电路元件是电源还是负载 电源：U和I的实际方向相反
34、，电流从“+”端流出，输出功率； 负载：U和I的实际方向相同，电流从“+”端流入，吸收功率。 （2）根据电压和电流的正方向确定 电源：当U和I的正方向一致时，P=UI0； 负载：当U和I的正方向一致时，P=UI0。,上一页,下一页,返 回,例2-16 图2.40中流过元件X的电流I=-1A，加在元件X两端的电压U=2V，该元件是电源还是负载？ 解：方法（1）：由于U与I的实际方向相反，元件X是电源，输出功率。方法（2）：由于U与I的正方向相同，P=UI=-2W0，元件X是电源。,上一页,下一页,返 回,图2.40 例2-16的电路图,上一页,下一页,返 回,第3章 正弦交流电路,实例引入：日光
35、灯电路 实训五：白炽灯调光实验 3.1 正弦交流电基本概念 3.2 正弦量的相量表示法 3.3 正弦交流电路中电压与电流的关系 3.4 白炽灯串电感调光电路的阻抗计算及功率因数 实训六：日光灯电路的阻抗计算,上一页,下一页,返 回,实例引入：日光灯电路,正弦交流电得到广泛应用: 正弦交流电容易产生，并能用变压器改变电压，便于输送和使用； 交流电机结构简单、工作可靠、经济性好,上一页,下一页,返 回,图3.1 白炽灯电路,图3.2 日光灯电路,上一页,下一页,返 回,镇流器串联在电路中，它的作用是帮助灯管启动，灯管正常发光时稳定电流； 启辉器并联在灯管两端，它是帮助灯管启动的。 日光灯发光原理简
36、单叙述如下：开关闭合，电源接通。此时灯管未发光，电压全加在启辉器上，启辉器动静触片接触，使电路接通，灯管中灯丝有电流通过。此时启辉器动静触片断开，整个电路电流突然中断，镇流器此时产生很高的感应电动势，与电源电压串联后，全部加在灯管两端。使灯管内汞气弧光放电，紫外线激发荧光粉，发出近似日光的可见光。,上一页,下一页,返 回,实训五：白炽灯调光实验,一、实训目的 1.掌握白炽灯串联电感调光电路的组成及接线，如图3.3所示。 2.了解正弦交流电路的组成特点。 3.体会交直流电路的区别。 4.掌握交流电路的测量方法。,图3.3 白炽灯串联电感调光电路,上一页,下一页,返 回,二、原理说明,一个“220
37、V，20W”的镇流器，将它与白炽灯串联后接在市电上，会发生什么现象？ 白炽灯亮度变暗，经过一段时间镇流器只微微有点发热。因为白炽灯相当于一个纯电阻；镇流器基本相当于一个纯电感，功耗很小，又能够起到分压的作用。,上一页,下一页,返 回,三、操作步骤,1按图3.3装接白炽灯调光电路，使灯泡点亮。 2测量环路电压（不并联电容） 用万用表交流电压挡分别测量市电U、镇流器两端的电压U1及白炽灯两端电压U2，将结果填入表3-1中。注意比较U、U1、U2在数值上的关系。,表3-1 调光电路的电压测量,上一页,下一页,返 回,3观察u1、u2的相位关系,用示波器的两个通道同时观察镇流器两端电压u1及灯泡两端电
38、压u2的波形。仔细调节示波器，屏幕上显示图3.4的波形。测量时要注意： （1）如图3.5（a）所示，示波器两个探头的接地端必须同时接在B点，两个探针分别接于A点和C点。否则，如果照图3.5（b）接线会造成镇流器短路，灯泡此时仍接在220V电源上，这是因为两个接地端在示波器内部是连在一起的。 （2）按照图3.5（a）接线后，因为u1与u2的参考方向取的相反，其中的一个波形必须取反后才能在同样的参考方向下进行比较。最后示波器上显示图3.4的波形。,上一页,下一页,返 回,图3.4 u1与u2的波形,上一页,下一页,返 回,(a)正确测量法 (b)错误测量法 图3.5 观察双踪波形时的两探头位置,上
39、一页,下一页,返 回,4. 白炽灯调光电路并联电容,在白炽灯调光电路中电源输入两端并联电容C=2F，耐压400V，重复步骤2及3，观测并联电容C对测量结果的影响。,上一页,下一页,返 回,四、分析思考,经过上述的实验，我们可以看到以下现象： 1在步骤3中我们观察到的镇流器两端电压u1及白炽灯两端电压u2的波形都是按正弦规律变化的，称为正弦交流电。仔细观察波形，思考正弦交流电的特征是什么？,上一页,下一页,返 回,2分析表3-1所记录的数据，我们发现了一个令人费解的现象：电路的端电压不等于各分电压之和，即UU1+U2，且U U1+U2。显然，直流电路分析与计算电路的方法并不能完全照搬到交流电路。
40、之所以会出现上述现象，是因为电路中出现了电感性与电容性负载 。那么在由电阻、电感、电容组成的交流电路中，如何分析电路特性和计算电路参数呢？,上一页,下一页,返 回,3在观察波形时，我们发现电压u1及u2存在一定的相位差。相位在交流电路是一个十分重要的物理量。当同一个电流流过不同类型的负载时，负载上电压的相位不同。,上一页,下一页,返 回,4从表3-1中还可以看出，没有接入电容C时，u1及u2之间的相位差接近于/2，也就是说，镇流器（电感）上的电压超前白炽灯（电阻）上的电压/2，这是一个十分重要的现象。我们还发现，并联电容之后，出现了两个现象：一是虽然U U1+U2，但U1和U2的值都比原来缩小
41、了，U1与U2之和较接近于U了；二是u1及u2之间的相位差也缩小了。这是提高电感性电路用电质量常用的方法，问题的归结点仍旧是电感与电容元件的特性不同。,上一页,下一页,返 回,由此可见，在分析交流电路时，必须了解交流电路与直流电路的区别，掌握交流电路的特点与应用，找出适用于交流电路分析与计算的方法来。图3.3电路的定量计算请参见本章3.4节。,上一页,下一页,返 回,3.1 正弦交流电基本概念,正弦量的三要素指的就是频率、幅值和初相位。,(a)直流电 (b)交流电 (c)脉冲电 图3.6 电流波形图,上一页,下一页,返 回,3.1.1 周期、频率、角频率,描述正弦量变化快慢的量有周期T（s）、
42、频率f（Hz）和角频率（rad/s）。,（a）用t表示 (b) t表示 图3.7 正弦交流电波形图,f=1/T =2/T=2f,上一页,下一页,返 回,3.1.2 瞬时值、最大值、有效值,描述正弦量“大小”的量有瞬时值(i、u、e)、 最大值(Im、Um、Em) 有效值(I、U、E),上一页,下一页,返 回,图3.8 交流电的有效值,上一页,下一页,返 回,3.1.3 相位、初相、相位差,描述正弦量在时间轴上“先后”的量有相位、初相和相位差 t=0时的相位角称为初相，它反映了对一个正弦量所取的计时起点。,上一页,下一页,返 回,例3-1 某正弦电压的有效值U=220V，初相u=30；某正弦电流
43、的有效值I=10A，初相i=-60。它们的频率均为50Hz。试分别写出电压和电流的瞬时值表达式，并画出它们的波形。,上一页,下一页,返 回,解：电压的最大值为Um= U= 220=310V电流的最大值 Im= 10=14.1A电压的瞬时值表达式为 电流的瞬时值表达式为,上一页,下一页,返 回,图3.9 例3-1的波形,上一页,下一页,返 回,电压与电流的相位差为 = u-i=90。两个同频率正弦量的相位差等于它们的初相差 若0，表明ui，则u比i先到达正（或负）最大值，也先到零点，称u超前于i一个相位角，或者说i滞后于u一个相位角，如图3.9所示；,上一页,下一页,返 回,若=0，表明u=i，
44、则u与i同时到达正（或负）最大值，也同时达到零，我们称它们是同相位，简称同相，如图3.10（a）所示； 若=180，则称它们的相位相反，简称反相，如图3.10（b）所示； 若0，表明ui，则u滞后于i（或i超前于u）一个相位角。,上一页,下一页,返 回,图3.10 两正弦量同相位和反相位,上一页,下一页,返 回,3.2 正弦量的相量表示法,正弦交流电的表示方法有三角函数法、波形图法及相量表示法三种方法。,图3.11 正弦交流电的旋转矢量图,上一页,下一页,返 回,（1）相量是表示正弦量的复数，在正弦量的大写字母上打“”表示。 （2）只有同频率的正弦量才能画在同一相量图上 （3）表示正弦量的相量
45、有两种形式：相量图和相量式(复数式)。 (4)相量只是表示正弦量，而不是等于正弦量,上一页,下一页,返 回,复数式有三种表示方法：直角坐标式、极坐标式和指数式 i=Imsin(t+)的相量式为是电流的幅值相量， 是电流的有效值相量。,上一页,下一页,返 回,例3-3 已知电压、电流、电动势为 u=220 sin(t-/6)V，i=10 sin(t+/6)A，e=110 sin(t+/3)V，试写出他们的相量，并作出有效值相量图。,上一页,下一页,返 回,解：已知Um=220 V，Im=10 A，Em=110 V，u=-/6，i=/6，e=/3（1）求出各自对应的有效值,上一页,下一页,返 回,
46、（2）求出各自的有效值相量 用直角坐标式表示 用极坐标式表示,上一页,下一页,返 回, 用指数式表示（3）作出相量图如图3.12所示。,图3.12 例3-3的相量图,上一页,下一页,返 回,例3-4 已知图3.13(a)所示电路中,i1=8 sin(t+60)A， i2=3 sin(t-30)A，试求总电流i的有效值及瞬时值表达式。,（a） 电路图 (b) 相量图 图3.13 例3-4的电路及相量图,上一页,下一页,返 回,解：先将正弦电流i1和i2用有效值相量来表示，分别为1=860A2=3-30A （1）用相量图求解画出电流i1、i2的相量1、2，如图3.13(b)所示，然后用平行四边形法
47、则求出总电流i的相量。由于1与2的夹角为90，故,上一页,下一页,返 回,这就是总电流i的有效值。相量与横轴的夹角就是i的初相角。= =23.1所以总电流的瞬时表达式为i=10 sin(t+23.1)A,上一页,下一页,返 回,（2）用复数运算求解,因两相量之和为= 1+ 2=860+3-30=4+j6.90+5.18-j3=9.18+j3.90=1023.1A 故总电流的有效值为10A，初相角为23.1。 瞬时值表达式为i=10 sin(t+23.1)A,上一页,下一页,返 回,计算表明， 1=8A， 2=3A，而I=10A，显然 1+ 2。这是因为同频率正弦量相加时，除了要考虑它们的数值外，还要考虑相位问题，这是与直流不同之处。,上一页,下一页,返 回,3.3 正弦交流电路中电压与电流的关系,3.3.1 纯电阻电路 1.电压与电流的关系或 相量关系式为：,上一页,下一页,返 回,(a) 瞬时值表示 (b) 有效值表示 图3.14 纯电阻电路,
