通信电源培训教材.doc

目目 录录 第第 1 1 章章 基础知识基础知识 .1 1 1.1 直流电路.2 1.1.1 电路及其组成.2 1.1.2 电路的主要物理量及元件.2 1.1.3 欧姆定律.11 1.1.4 电阻的串联、并联电路.13 1.1.5 基尔霍夫定律.16 1.1.6 电路的基本分析方法.20 1.2 交流电路.21 1.2.1 正弦交流电.22 1.2.2 正弦交流电路的计算.27 1.2.3 功率因数.36 1.2.4 电路中的谐振.37 1.2.5 三相交流电.40 1.3 变压器与电动机.43 1.3.1 变压器.43 1.3.2 三相异步电动机.44 1.4 半导体元件及其应用.48 1.4.1 二极管.48 1.4.2 三极管.50 1.4.3 三极管放大电路及负反馈.52 1.4.4 晶闸管及其应用.53 1.4.5 MOSFET 功率管.56 1.4.6 IGBT 复合功率管.58 1.5 集成运算放大器.59 1.5.1 集成运算放大器简介.59 1.5.2 运放在信号运算方面的应用.60 1.6 直流稳压电源.64 1.6.1 整流电路.65 1.6.2 滤波电路.67 1.6.3 开关稳压电路.68 第第 2 2 章章 通信电源系统通信电源系统 .7171 2.1 通信电源系统的基本要求.72 2.2 通信电源系统质量指标.73 2.3 通信电源系统的组成.77 2.3.1 集中供电方式电源系统.77 2.3.2 分散供电方式电源系统.78 2.3.3 混合供电方式电源系统.78 2.3.4 一体化供电方式电源系统.80 2.4 通信电源技术发展趋势.80 第第 3 3 章章 交流供电系统交流供电系统 .8383 3.1 交流供电系统概述.84 3.1.1 交流供电的种类和系统组成.84 3.1.2 市电交流供电系统.84 3.2 高压交流供电系统.85 3.2.1 常用高压电器.85 3.2.2 高压配电设备.89 3.2.3 高压交流供电系统分类.90 3.2.4 高压交流供电系统接线.91 3.2.5 高压配电设备技术指标.97 3.2.6 高压系统的配置参考.98 3.3 电力变压器.100 3.3.1 电力变压器的分类及型号.100 3.3.2 变压器的结构组成.101 3.3.3 电力变压器的连接与运行.104 3.3.4 变压器的调压方式.108 3.3.5 变压器的技术性能指标.108 3.3.6 变压器配置参考.109 3.3.7 提高变压器的利用率.110 3.4 低压交流供电系统.112 3.4.1 常用低压电器.112 3.4.2 低压配电设备.116 3.4.3 低压交流供电系统分类.121 3.4.4 无功功率补偿.122 3.4.5 低压设备的主要技术指标.124 3.4.6 低压系统的配置参考.126 第第 4 4 章章 发电机组发电机组 .130130 4.1 柴油发电机组.131 4.1.1 柴油发电机组的组成及特点.131 4.1.2 柴油发电机组的分类.131 4.1.3 柴油发电机组的主要电气性能指标.132 4.1.4 柴油发电机组的使用环境条件与功率修正.134 4.1.5 柴油机的基本工作原理.135 4.1.6 柴油机的基本组成、各部件作用及原理.136 4.1.7 发电机的基本组成和原理.152 4.1.8 自动化柴油发电机组.153 4.1.9 备用发电机组的参考配置.159 4.1.10 柴油发电机组的运行方案.160 4.2 汽油发电机组.161 4.3 燃气轮机发电机组.163 4.4 风力发电机组.166 第第 5 5 章章 直流供电系统直流供电系统 .171171 5.1 直流供电系统概述.172 5.1.1 直流基础电源.172 5.1.2 直流供电系统的运行方式.172 5.1.3 直流供电系统的工作原理.173 5.2 交流配电屏.174 5.3 高频开关整流器.175 5.3.1 概述.176 5.3.2 功率变换电路.179 5.3.3 滤波电路.182 5.3.4 控制电路.183 5.3.5 驱动电路.185 5.3.6 功率因数校正电路.185 5.3.7 负荷均分电路.187 5.3.8 监控模块.188 5.4 直流配电屏.190 5.5 蓄电池.191 5.5.1 概述.191 5.5.2 铅酸蓄电池的基本原理.194 5.5.3 铅酸蓄电池的结构.198 5.5.4 阀控式密封铅酸蓄电池的电性能.200 5.5.5 阀控式铅酸蓄电池的性能指标.206 5.5.6 阀控式铅酸蓄电池的运行方式与充电方法.207 5.6 直流直流变换器.209 5.7 直流供电系统配置参考.210 5.8 太阳能供电系统.212 5.8.1 概述.212 5.8.2 太阳能供电系统的组成及运行.212 5.8.3 太阳能供电系统设备配置.214 5.8.4 混合供电系统.216 第第 6 6 章章 交流不间断电源交流不间断电源.218218 6.1 UPS 电源.218 6.1.1 UPS 的分类.219 6.1.2 常用 UPS 结构形式及特点.219 6.1.3 UPS 电源的组成.224 6.1.4 静态在线式 UPS 的原理.226 6.1.5 UPS 电源的主要技术要求.227 6.1.6 UPS 的并机冗余运行方式.229 6.1.7 双母线 UPS 供电系统.233 6.1.8 UPS 的配置参考.235 6.2 逆变器.237 第第 7 7 章章 接地与防雷系统接地与防雷系统.241241 7.1 接地系统.242 7.1.1 地和接地的概念.242 7.1.2 接地系统的组成和作用.242 7.1.3 接地系统分类.243 7.1.4 交流高压供电系统的接地方式.244 7.1.5 交流低压配电系统的接地方式.244 7.1.6 通信局（站）的接地系统.248 7.1.7 降低接地电阻的方法.250 7.1.8 接地电阻的测量及标准.250 7.2 防雷系统.251 7.2.1 雷电的产生及其特点和危害.251 7.2.2 雷电的危害.254 7.2.3 通信系统防雷技术.256 7.2.4 电涌保护器（SPD）的种类和性能.259 7.2.5 氧化锌压敏电阻避雷器.262 7.2.6 电涌保护器（SPD）在通信设备中的使用要求.263 7.2.7 通信电源系统（或局站）的防雷配置及标准.264 第第 8 8 章章 空调系统空调系统 .267267 8.1 空调基础知识.267 8.1.1 制冷简述.267 8.1.2 制冷技术常用概念.268 8.1.3 热力状态参数、湿空气参数及热力学定律.269 8.2 制冷系统的基本组成和原理.270 8.2.1 单级压缩制冷.270 8.2.2 单级蒸气压缩式制冷理论循环的热力计算.273 8.2.3 单级蒸气压缩式制冷实际循环与理论循环的区别.276 8.3 制冷压缩机.276 8.3.1 制冷压缩机的分类.276 8.3.2 制冷压缩机的技术指标.277 8.3.3 制冷压缩机的组成和原理.278 8.4 制冷换热器.279 8.4.1 蒸发器.279 8.4.2 冷凝器.280 8.5 制冷系统的主要控制部件.281 8.5.1 过载保护器.281 8.5.2 温度控制器.282 8.5.3 压力继电器.282 8.5.4 启动继电器.283 8.6 制冷系统的辅助设备.283 8.6.1 节流器件.284 8.6.2 干燥过滤器.286 8.6.3 制冷电磁阀.286 8.6.4 截止阀.287 8.6.5 加湿器.288 8.7 制冷剂、冷媒和冷冻油.289 8.8 空调系统.290 8.8.1 空调系统的分类.290 8.8.2 通信机房环境的质量要求.291 8.9 机房专用空调.292 8.9.1 通信机房专用空调的特点.292 8.9.2 机房专用空调组成.294 8.10 通信机房空调配置参考.296 第第 9 9 章章 动力与环境集中监控系统动力与环境集中监控系统 .299299 9.1 监控系统的作用和基本要求.299 9.2 监控系统的结构.301 9.2.1 监控系统的结构.301 9.2.2 监控中心的结构.302 9.2.3 监控单元的结构.303 9.3 监控系统网络.305 9.3.1 局（站）内监控系统拓扑结构.305 9.3.2 局（站）间监控系统网络.307 9.4 监控对象和内容.308 9.4.1 监控对象.308 9.4.2 监控内容.308 9.5 监控系统的功能.311 9.5.1 监控系统的功能结构.311 9.5.2 通用管理功能要求.312 9.6 系统各级功能要求.320 9.6.1 监控模块功能.320 9.6.2 监控单元功能.320 9.6.3 区域监控中心功能.320 9.6.4 监控中心的功能.321 9.7 传感器与变送器.322 9.7.1 传感器的组成和分类.323 9.7.2 变送器的组成和分类.323 9.7.3 传感器和变送器的特性.324 9.7.4 常用传感器和变送器.324 9.8 监控中心的硬件和软件.331 9.8.1 监控中心的硬件.331 9.8.2 监控系统的软件.333 第第 1010 章章 安全用电及节电降耗安全用电及节电降耗 .336336 10.1 电气事故.336 10.2 电流对人体的作用.337 10.2.1 触电事故的种类.337 10.2.2 与触电伤害程度有关的因素.338 10.3 安全电压.339 10.4 对直接和间接接触触电的防护.341 10.5 安全用具.342 10.6 触电急救.344 10.7 电气防火.348 10.8 静电防护.349 10.9 节电的一般措施.351 10.10 变压器节电.352 10.11 空气调节系统节电.354 10.11.1 风机节电措施.354 10.11.2 一般空调节能措施.354 10.11.3 机房空调节电技术简介.355 10.12 照明节电.357 10.13 治理谐波节能.359 第第 1 1 章章 基础知识基础知识 课程目标：课程目标：初级 了解基尔霍夫定律、电路的基本分析方法、正弦交流电、正弦交流电路的计算、电路中的谐振、变压器与电动机、半导体元件及其应用、集成运算放大器以及整流滤波电路、开关稳压电路工作原理 熟悉电阻的串联并联电路、功率因数 掌握电路及其组成、电路的主要物理量及元件、欧姆定律、三相交流电等相关内容 中级 了解电路的基本分析方法、正弦交流电路的计算、电路中的谐振、变压器与电动机、集成运算放大器以及整流滤波电路、开关稳压电路工作原理 熟悉基尔霍夫定律、正弦交流电、半导体元件及其应用 掌握电路及其组成、电路的主要物理量及元件、欧姆定律、电阻的串联并联电路、功率因数、三相交流电 高级 了解电路中的谐振、集成运算放大器 熟悉电路的基本分析方法、正弦交流电路的计算、变压器与电动机、整流滤波电路以及开关稳压电路工作原理 掌握电路及其组成、电路的主要物理量及元件、欧姆定律、电阻的串联并联电路、功率因数、三相交流电、基尔霍夫定律、正弦交流电、半导体元件及其应用 1.1 1.1 直流电路直流电路 1.1.1 1.1.1 电路及其组成电路及其组成 把一些电器设备或元件，按其所要完成的功能，用一定方式连接而成的电源通路称为电路。一个完整的电路是由电源、负载和中间环节（包括开关和导线等）三部分组成。电源是将非电能如化学能、机械能和原子能等转换为电能，并向电路提供能量；负载是指电路中能将电能转换为非电能的用电设备，如电灯、电动机和电热器等；中间环节是指将电源连接成闭合电路的导线、开关设备和保护设备等，也经常接有测量仪表或测量设备。如图 1.1（a）所示是按实物做出的手电筒电路的示意图，它由干电池（电源）、小灯泡（负载）和开关（中间环节）三部分组成。图 1.1 简单电路 电路的作用有两类：一是可以实现能量的传输与转换，其典型实例是电力系统中发电机将其它形式的能量转换为电能，再通过变压器和输电线路将电能输送给用户的用电设备，这些用电设备再将电能转换为机械能、热能、光能或其它形式的能量，图 1.1（a）、（b）就是一个简单电路；二是可以实现信号的传输和转换，例如无线电通信电路和检测电路。1.1.2 1.1.2 电路的主要物理量及元件电路的主要物理量及元件 1.电流 电流的强弱用电流强度来表示，其数值等于单位时间内通过导体某一横截面的电荷量。设在 dt 时间内通过导体某一横截面的电荷量为 dq，则通过该截面的电流强度为 dtdqi （1.1）在一般情况下，电流强度是随时间而变的。如果电流强度不随时间而变，即 dq/dt常数，则这种电流就称为恒定电流，简称直流。在直流电路中，式（1.1）可写成 tQI （1.2）在国际单位制（SI）中，规定电量 Q 的单位为库仑（C），时间的单位为秒（s），电流的单位为安培（A），即 1A=1C/s。电流的单位还有毫安（mA）、微安（A），其换算关系为 1A=103mA106A。电流的方向习惯上规定正电荷移动的方向或负电荷移动的反方向为电流的方向（实际方向）。电流的方向是客观存在的，在简单电路中，可以很容易判断出电流的实际方向，如图 1.2（a）中的 I1、I2。倘若在图中 A、B 两点间再接入一个电阻如图 1.2（b）所示，那么该电阻中的电流方向就很难直观判断了。另外，在交流电路中，电流是随时间变化的，在图上也无法表示其实际方向，为了解决这一问题，须引入电流的参考方向这一概念。（a）（b）图 1.2 电流方向的判断 电流的参考方向可以任意选定，在电路中一般用箭头表示。当然，所选的电流参考方向不一定就是电流的实际方向，当电流的参考方向与实际方向一致时，电流为正值（I0）；当电流的参考方向与实际方向相反时，电流为负值（I0）；相反时，电压为负（U0，所以 U 的符号与图中标出的参考方向相同，表明 a 点电位高。【例 1.4】应用欧姆定律，对图 1.16 所示各电路列出欧姆定律的式子，并求电阻 R。图 1.16 解：图 1.16（a）中，U 和 I 为关联方向 414IUR 图 1.16（b）中，U 和 I 为非关联方向 414IUR 图 1.16（c）中，U 和 I 为非关联方向 414IUR 图 1.16（d）中，U 和 I 为关联方向 414IUR 从前面例题可以看出，应用欧姆定律时会出现两套正、负号，一套是欧姆定律公式本身含有的，由电压 U 的参考方向和电流 I 的参考方向是否关联而定；另一套是 U 和 I本身数值的正、负，它们分别由 U 和 I 的参考方向是否一致而确定。在列式计算中，第一步要正确列出式子，第二步再代入数值进行计算。【例 1.5】如图 1.17 所示电阻，已知 a 点的电位为 10V，b 点的电位为 8V，求其电导值。图 1.17 解：电导 G 两端的电压 2810baabUUU 由欧姆定律 5.042IURab 电导值 SRG25.011 或直接用公式 SUIGab224 1.1.4 1.1.4 电阻的串联、并联电路电阻的串联、并联电路 1电阻的串联电路 在一段电路上，将几个电阻的首尾依次相连所构成的一个没有分支的电路，叫做电阻的串联电路。如图 1.18a 所示是电阻的串联电路；图 1.18b 是图 1.18a 的等效电路。图 1.18 电阻的串联电路 等效电路 （1）串联电路的特点 多个电阻串联的电路有以下特点：串联电路中流过各个电阻的电流都相等，即：nIIII21 串联电路两端的总电压等于各个电阻两端的电压之和，即：nUUUU21 串联电路的总电阻（即等效电阻）等于各串联的电阻之和，即：nRRRR21 根据欧姆定律得出，11IRU，22IRU，IRU，可以得出：RURURU2211或者RRUU11 ，RRUU22，RRUUnn （1.20）此公式表明，在串联电路中，电阻的阻值越大，这个电阻所分配到的电压越大；反之，电压越小。即电阻上的电压分配与电阻的阻值成正比。这个结论是电阻串联电路中最重要的结论。在如图 1.18 a）所示的电路中，将21RRR 代入公式（1.20）中 URRRUURRRU21222111 这两个公式可以直接计算出每个电阻从总电压中分得的电压值，习惯上就把这两个式子叫做分压公式。（2）电阻串联的应用 电阻串联的应用极为广泛。例如：用几个电阻串联来获得阻值较大的电阻。用串联电阻组成分压器，使用同一电源获得几种不同的电压。如图 1.19 所示，由4321RRRR、组成串联电路，使用同一电源，输出 4 种不同数值的电压。图 1.19 电阻分压器 当负载的额定电压（标准工作电压值）低于电源电压时，采用电阻与负载串联的方法，使电源的部分电压分配到串联电阻上，以满足负载正确的使用电压值。例如，一个指示灯额定电压 6V，电阻 60，若将它接在 12V 电源上，必须串联一个阻值为60的电阻，指示灯才能正常工作。用电阻串联的方法来限制调节电路中的电流。在电工测量中普遍用串联电阻法来扩大电压表的量程。2电阻的并联电路 将两个或两个以上的电阻两端分别接在电路中相同的两个节点之间，这种连接方式叫做电阻的并联电路。如图 1.20 a）所示是电阻的并联电路，图 1.20 b）是图 1.20 a）的等效电路。图 1.20 电阻的并联电路及其等效电路 （1）并联电路的特点 多个电阻并联的电路有如下特点：并联电路中各个支路两端的电压相等，即：nUUUU21 （1.21）并联电路中总的电流等于各支路中的电流之和，即 nIIII21 并联电路的总电阻（即等效电阻）的倒数等于各并联电阻的倒数之和，即：nRRRR111121 若是两个电阻并联，根据上式可求并联后的总电阻为：2121RRRRR 根据公式（1.21）及欧姆定律可以得出：RRIIRRIInnnn11 上述公式表明，在并联电路中，电阻的阻值越大，这个电阻所分配到的电流越小，反之越大，即电阻上的电流分配与电阻的阻值成反比。这个结论是电阻并联电路特点的重要推论。（2）电阻并联的应用 电阻并联的应用，同电阻串联的应用一样，也很广泛。例如：因为电阻并联的总电阻小于并联电路中的任意一个电阻，因此，可以用电阻并联的方法来获得阻值较小的电阻。由于并联电阻各个支路两端电压相等，因此，工作电压相同的负载，如电动机、电灯等都是并联使用，任何一个负载的工作状态既不受其他负载的影响，也不影响其他负载。在并联电路中，负载个数增加，电路的总电阻减小，电流增大，负载从电源取用的电能多，负载变重；负载数目减少，电路的总电阻增大，电流减小，负载从电源取用的电能少，负载变轻。因此，人们可以根据工作需要启动或停止并联使用的负载。在电工测量中应用电阻并联方法组成分流器来扩大电流表的量程。1.1.5 1.1.5 基尔霍夫定律基尔霍夫定律 欧姆定律是分析和计算电路的基本定律，但在复杂电路的分析与计算中，需要应用基尔霍夫电流定律和电压定律，基尔霍夫电流定律用于电路的节点分析，基尔霍夫电压定律用于电路的回路分析。1概念 支路：通常情况下，电路中通过同一电流的分支称为支路。图 1.21 电路中有 acb、adb 和 ab 三条支路。其中 acb、adb 支路中有电源，称为有源支路；ab 支路中无电源，称为无源支路。图 1.21 电路举例 节点：电路中三条或三条以上支路的连接点称为节点。图 1.21 电路中有 a、b 两个节点，c、d 不是节点。回路：电路中任一闭合路径都称为回路，不含交叉支路的回路称为网孔。图 1.21电路中共有 abca、adba、cbdac 三个回路，abca、adba 两个网孔。2基尔霍夫电流定律（KCL）基尔霍夫电流定律用以约束连接在同一节点上的各个支路之间的电流关系。KCL 定义为：在任何时刻，连接电路中任一节点的所有支路电流的代数和恒等于零。即 0I （1.22）式中，规定电流方向为流向节点 a 的电流为正值，则流出节点 a 的电流即为负值。由此 321III 也可表示为 0321III 上式说明在任一时刻流进该节点的电流等于流出该节点的电流。基尔霍夫电流定律也可推广应用于包围几个节点的的推广应用。闭合面（广义节点），即在任一时刻，通过任何一个闭合面的电流代数和也恒为零。也就是说，流入闭合面的电流等于流出闭合面的电流。如图 1.22 中，闭合面内由三个节点 A、B、C。由 KCL 可得 0CBAIII 图 1.22 KCL 3基尔霍夫电压定律（KVL）基尔霍夫电压定律用以约束回路中的各段电压间的关系。KVL 定义为：在任一回路中，从任一点以顺时针或逆时针方向沿回路绕行一周，则所有支路或元件电压的代数和恒等于零。即 0U （1.23）或 SUIR 为了应用 KVL，必须指定回路的绕行方向，若电压的参考方向与回路的绕行方向一致时取正号，反之则取负号。图 1.23 如图 1.23 所示，回路 cadbc 中的电源电压、电流和各段电压的参考方向均已标出，顺时针回路绕行方向可列出如下为 0dbadcabcUUUU 0132UUUUS 以上回路是由电动势和电阻构成的，因此上式也可表示为 0232211IRIRIRUS 基尔霍夫电压定律不仅适用于闭合回路，也可以推广应用到回路的部分电路（广义回路），用于求回路的开路电压。例如图 1.24 电路，求 Uab。由于)/(3111RRUIS)/(4222RRUIS 图 1.24 对回路 acdb，由基尔霍夫电压定律得 03142RIRIUab 则 4231RIRIUab 注意：一般对独立回路列电压方程，网孔一般都是独立回路。在电路中，设有 b条支路，n 个节点，独立回路数为 b（n-1）。【例 1.6】如图 1.25 电路中，已知 Ia=1mA，Ib=10mA,Ic=2mA，求电流 Id。解：根据基尔霍夫电流定律的推广应用，流入图示的闭合回路的电流代数和为零，即 0dcbaIIII mAIIIIcbad13)2101()(【例 1.7】如图 1.26 所示闭合回路，各支路的元件是任意的，已知：Uab=10V，Ubc=-6V，Uda=-5V，求 Ucd 和 Uca。图 1.25 例 1.6 电路 图 1.26 例 1.7 电路 解:由 KVL 可列方程如下 0dacdbcabUUUU 得 dabcabcdUUUU 则 1)5()6(10cdUV 若 abca 不是闭合回路，也可用 KVL 得：bcabcaUUU VUca4)6(10【例 1.8】求图 1.27 所示电路的开路电压 Uab。图 1.27 解：在回路 1 中，有 6126I 1IA 所以根据基尔霍夫电压定律，在回路 2 中，得 0abcbacUUU 所以 013122abU 则 7abUV 1.1.6 1.1.6 电路的基本分析方法电路的基本分析方法 电路分析是指在已知电路结构和元件参数的条件下，确定各部分电压与电流之间的关系。对于复杂电路来说，必须根据电路的结构和特点去寻找分析和计算的简便方法。本小节主要介绍支路电流法的应用。支路电流法是以支路电流为待求量，应用基尔霍夫电流定律列出节点电流方程式，应用基尔霍夫电压定律列出回路的电压方程式，从而求解支路电流的方法。下面介绍支路电流法分析和计算电路的具体步骤。步骤 1：确定支路数 b，同时设定各支路电流的参考方向。步骤 2：确定节点数 n，根据 KCL 列出 n-1 个节点电流方程式。步骤 3：确定独立回路数（一般选取网孔数，网孔是独立回路），根据 KVL 列出b-（n-1）个回路电压方程式。步骤 4：解联立方程式，求各支路电流。【例 1.9】电路如图 1.28 所示，已知 Usl=6V,US2=16V,IS=2A,R1=R2=R3=2，试求各支路电流 I1、I2、I3、I4 和 I5。解 由 KCL 和 KVL 列出节点电流方程和回路电压方程 031IIIS 432III SIII54 12231RIRIUS 012352RIRIUS 图 1.28 电路图 代入已知数据得 0231II 432III 254 II 23226II 0221625II 解方程得61IA,12IA,43IA,54IA,75IA。1.2 1.2 交流电路交流电路 目前，发电、供电系统及日常生活中所用的都是正弦交流电，简称交流电。本节主要介绍交流电的表示方法、单一参数元件及 RLC 串联电路分析方法、三相交流电源及其电压、电流和功率的分析。1.2.1 1.2.1 正弦交流电正弦交流电 1正弦交流电的瞬时值表示 大小和方向随时间按正弦规律变化的电流、电压和电动势统称为交流电，交流电的瞬时值用小写字母 i、u 和 e 表示。以 i 为例，其波形图如图 1.29 所示。它的表达式可写成 )sin(Itim （1.24）式中，幅值 Im、角频率 和初相 称为交流电的三要素。（1）三要素 幅值 幅值是交流电在某一瞬间的最大值，表示交流电的强度，用带下标 m 的字母表示，如式（1.24）中的 Im。在分析和计算正弦交流电路的问题时，常用的是有效值，有效值是根据交流电流与直流电流热效应相等的原则规定的，即交流电流的有效值是热效应与它相等的直流电流的数值。有效值用大写字母 I、U 等表示。有效值与幅值的关系为 UUm2 （1.25）例如常说的民用电是 220V，即为有效值，而其幅值是3112UUmV。用万用表等测得的交流电数值均为有效值。图 1.29 交流电的波形 角频率 交流电每秒内变化的次数，称为频率,用 f 表示，单位是赫兹（Hz）。我国的工业与民用电采用 50Hz 作为电力标准频率，又称工频。交流电变化一次所需要的时间称为周期，用 T 表示，单位是秒（s）。频率与周期的关系为 Tf1 （1.26）交流电的变化快慢除了用周期、频率表示外，还可用角频率 表示。角频率是指单位时间内角度（相位）的变化率，单位为弧度每秒（rad/s）。与 f 和 T 之间的关系为 Tf22 （1.27）【例 2.1】已知工频交流电的电压为)30314sin(311tu，试求 T、及 u 的有效值。解 02.05011fTs sradf/3145014.322 22023112mUUV 初相 式（1.24）中的（t）称为交流电的相位。它表示交流电随时间变化的进程。当 t=0 时，0t，此时的相位为，称为交流电的初相。它表示计时开始时交流电所处的状态，如图 1.29 中所示。（2）相位差 在正弦交流电路中，有时要比较两个同频率正弦量的相位。两个同频率正弦量相位之差称为相位差，以表示。设)sin(umtUu，)sin(imtIi，则电压与电流的相位差为 iuiutt)()(即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 先达到最大值，称 u 超前于 i 一个相位角,或者说i 滞后于 u 一个相位角。若=0，表明ui，则 u 与 i 同时达到最大值,称 u 与 i 同相位，简称同相。若180，则称 u 与 i 的相位相反。若0，表明u0 时，即 XLXC时，此时0,表示电压超前电流角。如图 1.38a 所示。电感电压LU补偿电容电压CU后尚有余量,即电感的作用大于电容的作用，此时电路呈电感性。（a）（b）（c）图 1.38 电压关系图 当 X0 时，即 XLXC时，此时0，表明电压滞后电流角。电容电压CU补偿电感电压LU后尚有余量，即电容的作用大于电感的作用，此时电路呈电容性。当 X=0 时，即 XL=XC时，此时=0，表明电压与电流同相，此时电路呈电阻性。（2）电压三角形 根据 KVL 定律，利用阻抗三角形，就可得出 R、L、C 串联电路的各个电压之间的关系。图 1.36 中，R、L、C 串联，三者流过的电流相同，设电流为 tIimsin 根据 KVL 定律可得 CLRuuuu 对应的电流电压有效值相量表达式为 IZIjXIRIXXjIRIjXIjXIRUUUUCLCLCLR)(（1.50）由式（1.50）可见，将阻抗三角形的各个边乘以电流I就可得到 R、L、C 串联的电压关系图，如图 1.38 所示。图 1.38（a）为电压相量图，为电压U与电流I之间的相位差，数值上与阻抗角相等。图 1.38（b）为电压相量三角形，图 1.38（c）是电压有效值三角形，简称电压三角形，有效值之间的关系为 2222)(CLRXRUUUUUU （1.51）电压与电流有效值之间的关系为 ZUI （1.52）U与I之间的相位差 iuRXarctanUUarctanRX （1.53）【例 2.4】已知某继电器的电阻为 2K，电感为 43.3H，接于 380V 的工频交流电源上。试求通过线圈的电流及电流与外加电压的相位差。解：这是 RLC 串联电路，可看成是 Xc=0 的 RLC 串联电路。电路中的电抗为 X=LX=2fL=23.145043.3=1360O 复阻抗 Z=R+jX=2000+j13600=1370081.63 若以外加电压U为参考相量，即令U=3800V，则通过线圈的电流数值和相位可一并求出 I=ZU=13700380（0-81.63）=27.7-81.63mA 以上为复数运算求解方法。可尝试用相量图法求解，也可以先求阻抗、阻抗角再求电流有效值办法求解。（3）功率三角形 将电压三角形的各个边乘以电流 I，就可得到功率三角形，如图 1.39 所示。图 1.39 功率三角形 图 1.39 中 P 为有功功率，即电阻所消耗的功率，单位是瓦（W）P=URI=Scos 图 1.39 中 Q 为总的无功功率，是 L 和 C 串联后与电源之间的互换功率，单位是乏（var）。Q=QL QC=Ssin （1.54）式（1.54）说明 L 和 C 两种储能元件同时接在电路中，两者之间可进行能量的互换，减少了与电源之间能量的互换。图 1.39 中 S 称为视在功率，是电源所提供的功率，单位为伏安（VA）cos22PQPUIS 图 1.39 中的称为功率因数角，在数值上功率因数角、阻抗角和总电压与电流之间的相位差，三者之间是相等的。阻抗三角形、电压三角形和功率三角形是分析计算电路的重要依据。1.2.3 1.2.3 功率因数功率因数 功率因数是有功功率与视在功率之比，用字母表示。Sp=COS 在只有电感或电容元件的电路中，P=0,S=Q，=0，功率因数最低，在只有电阻元件的电路中，Q=0,S=P，=1，功率因数最高。如果电感 L 很大，可采用并接电容的方法提高功率因数，电路如图 1.40（a）所示。图 1.40（a）中的 R 为电感线圈的导线电阻。图 1.40 提高功率因数的方法 图 1.40（b）是并联电容后的电流相量图。并联电路选择电压为参考量，U=U0，电流之间的相量关系可根据 KCL 定律得出LCIII。由图 1.40（b）相量图和式P=Scos=UIcos 得出电容支路电流的有效值为 CI=LIsin1-Isin=1cosUPsin1-UcosPsin=Up（tan1-tan）又根据电容电路有 IC=CXU=CU CU=UP（1tan-tan）C=2UP（1tan-tan）（1.55）式中，1为没并电容时的功率因数角，可根据条件在三个三角形中的任意一个求得。为并入电容后的功率因数角，可根据要达到的=cos 的值求得。一般要求 0.9 1。如=1 电路则产生谐振，损坏电气设备。提高功率因数能使电源设备得到充分利用，又能减小供电电流，减小线路的损耗。1.2.4 1.2.4 电路中的谐振电路中的谐振 所谓谐振，是指在含有电容和电感的电路中，当调节电路的参数或电源的频率，使电路的总电压和总电流相位相同时，整个电路的负载呈电阻性，这时电路就发生了谐振，谐振分为串联谐振和并联谐振。1串联谐振 R、L、C 串联电路如图 1.41（a）所示。图 1.41 串联谐振 当U与I同相时，即=0，电路产生串联谐振。由阻抗三角形可得出，串联谐振的条件是 CLXX 即Lf02=Cf021 式中，f0为谐振频率 LC210f （1.56）式（1.56）说明，当调节 L 或 C 时就可改变谐振频率 f0，而调节电源的频率使 f=f0，就可产生谐振。串联谐振的特点：电路的阻抗最小并呈电阻性，根据阻抗三角形有 RXXRZCL220)(电路中的电流最大，为RUZUI00 当RXXCL时，UUUCL，串联谐振可以在电容和电感两端产生高压，故又称其为电压谐振。谐振电容两端的电压CU或电感线圈两端的电压LU与总电压 U 的比值，称为串联谐振电路的品质因数，用字母 Q 表示为 Q=UUC=UUL=CR10=RL0【例 2.5】某收音机的输入电路如图 1.42 所示。各地电台发射的无线电波在天线线圈中分别产生感应电动势 el、e2、e3 等。如果线圈的电阻为 16，电感为 0.3mH，今欲收听中央入民广播电台 560kHz 的广播，应将调谐的可变电容 C 调到多少？如果调谐回路中感应电压为 2V，求谐振电流及谐振线圈上的电压 UL及谐振电路的品质因素 Q。图 1.42 输入电路 解 串联谐振频率 LC21f0 电容 pFLfC2693.0)56014.32(1)2(1220 谐振时 ARUI13.01610260 KLfXL1103.01056014.322330 mVXIULL13.00 652130UUQL 2.并联谐振 电感线圈与电容并联的电路如图 1.43（a）所示。图 1.43（a）中 R 为线圈电阻，一般很小，特别是在频率较高时，RL,U与0I同相时，即0，电路产生并联谐振。由复阻抗的串并联关系可推导出并联谐振的条件是（在 R0,uG0时，与普通晶闸管一样，由截止变为导通，而在 uA0,uG0 时，即加上负脉冲控制电压时，晶闸管便可以由导通变为截止，而且关断可靠，关断时间比普通晶闸管短，工作频率较高，因而是一种比较理想的直流开关元件。图 1.65（a）是它的图形符号，图 1.65（b）是用可关断晶闸管组成的直流调压电路（直流斩波电路）。U 为直流电源电压，晶闸管的阳极电压始终大于零，当 t=0 时，加上正向控制电压，晶闸管导通，uU0；当t=tW时，加上反向控制电压，晶闸管截止，u00。如此反复下去，负载端便可得到如图 1.65（c）所示的断续的矩形波电压 u0,矩形波宽度 tW与周期 T 之比称为占空比。改变占空比，即可调节输出直流电压（u0的平均值）的大小。图 1.65 可关断晶闸管及其直流调压电路 1.4.5 MOSFET1.4.5 MOSFET 功率管功率管 1MOSFET 功率管简介 金 属 氧 化 物 半 导 体场 效 应 管（metal-oxide-semiconductor type field-effect transistor）以下简称 MOSFET，是在近十几年发展起来的一种高速、大功率、高耐压的开关器件。由于这种开关功率管属于电压控制型，稳态工作时栅极控制电流很小，所以具有很高的电流增益和输入阻抗，而且结电容很小，几乎不存在储存时间。图 1.66 和图 1.67 分别为 NPN 型三极管和 N 沟道 MOSFET 的表示符号。在图 1.65中三极管的三个极分别为集电极（C）、基极（B）和发射极（E）。MOSFET 与之相对应的三个极分别为漏极（D）、栅极（G）和源极（S）。N 沟道 MOSFET 管工作时的电流流向与 NPN 型三极管电流流向相同，这就决定了 MOSFET 管在电路中的联接方法与 NPN 型三极管是一致的，但它们在构造和工作方法上有很大的区别。根本的区别是 MOSFET 管是多数载流子运动导电的半导体器件，而三极管是既利用多数载流子又利用少数载流子运动导电的半导体器件。图 1.66 NPN 三极管 图 1.67 N 形沟道 MOSFET 管 2MOSFET 功率管输出特性 MOSFET 功率管的输出特性曲线如图 1.68 所示。由图可以看出特性曲线图是由几条曲线组成的曲线簇，每一条曲线表示了在栅极与源极间加一个稳定的电压值时，漏极电流 ID与漏极电压 VDS之间的关系。每一条特性曲线均由两部分组成，即恒电阻区和恒电流区。图 1.68 MOSFET 管的 I