电工技术应用项目课件.ppt

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1、项目二 交流电路的安装与调试,任务一 照明电路的安装 任务二 提高功率因数 任务三 振荡电路的测试,第1章 直流电路,1,任务一 照明电路的安装,1、了解正弦交流电的产生2、理解正弦交流电的相量表示方法3、单一参数电路及其组合在交流电路中的特性。,一、任务分析,第1章 直流电路,2,1、 正弦量的产生和表示 直流电路中的电动势、电压和电流是不随时间改变的；正弦交流电的电动势、电压、电流是随时间按正弦规律变化的。（1）交流电的产生 获得交流电的方法有多种，但大多数交流电是由交流发电机产生的。,任务一 照明电路的安装,二、相关知识,第1章 直流电路,3,(a)最简单的交流发电机 (b)感应强度分布

2、图,任务一 照明电路的安装,第1章 直流电路,4,（2）正弦交流电的三要素正弦量的瞬时值表达式一般为：, 瞬时值：用来描述交流电在变化过程中任一时刻的值。 幅值：瞬时值中的最大值。幅值规定用大写字母加脚标m表示，例如Im，Em，Um等。 有效值：交变电流的有效值是根据热效应确定的。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。常用有效值来衡量交流电的大小。有效值规定用大写字母表示，如E、I、U。,任务一 照明电路的安装,第1章 直流电路,5,角频率：单位时间内交流电变化的角度称为正弦量的角频率。 周

3、期：正弦交流电变化一周所需的时间称为周期 。 频率：每秒钟内交流电变化的次数，称为交流电的频率。 中国和大多数国家都采用50HZ作为电力工业的标准频率，称为工频。,相位：正弦交流电随时间变化，电角度 叫做正弦交流电的相位角，简称相位。 初相：时的相位角叫做初相角或初相位，简称初相。,任务一 照明电路的安装,第1章 直流电路,6,相位差 两个同频率的正弦交流电的相位之差叫相位差。相位差表示两正弦量到达最大值的先后差距。例如： 已知，则u和 i的相位差为： 这表明两个同频率的正弦交流电的相位差等于初相之差。,（3） 正弦量的相量表示法复数及其运算,任务一 照明电路的安装,第1章 直流电路,7,第1

4、章 直流电路,8,2 正弦交流电路的分析（1）电阻元件的正弦交流电路 日常生活中的电烙铁、电炉、白炽灯等都可以认为是纯电阻性负载。电压与电流的关系,电阻元件的波形图、相量图 (a)电阻元件 (b)波形图 (c)相量图,任务一 照明电路的安装,第1章 直流电路,9,第1章 直流电路,10,电阻电路的功率1）瞬时功率：任一瞬间，电阻上的电压和电流的瞬时值的乘积，称为瞬时功率 2）平均功率（有功功率）：由于瞬时功率是随时间变化的，为便于计算，常用平均功率来计算交流电路中的功率。,这表明，平均功率等于电压、电流有效值的乘积。,任务一 照明电路的安装,第1章 直流电路,11,（2）电感元件的正弦交流电路

5、 一个线圈，当它的电阻小到可以忽略不计时，就可以看成是一个纯电感。纯电感电路如图所示，L为线圈的电感。,图2-8 电感元件的波形图、相量图(a)电感元件相量模型 (b)波形图 (c)相量图,任务一 照明电路的安装,第1章 直流电路,12,电压与电流的关系1）数值上，电压和电流的幅值关系为,2）相位上，电压、电流的相位间关系为3）相量形式,任务一 照明电路的安装,第1章 直流电路,13,第1章 直流电路,14,电感电路的功率1）纯电感电路的瞬时功率,2）平均功率（有功功率） 瞬时功率表明，在电流的一个周期内，电感与电源进行两次能量交换，交换功率的平均值为零，即纯电感电路的平均功率为零。 P=,任

6、务一 照明电路的安装,第1章 直流电路,15,3）无功功率 纯电感线圈和电源之间进行能量交换的最大速率，称为纯电感电路的无功功率。用Q表示，无功功率的单位是乏耳(var)。,任务一 照明电路的安装,第1章 直流电路,16,（3）纯电容电路 由于电压的大小和方向随时间变化，使电容器极板上的电荷量也随之变化，电容器的充、放电过程也不断进行，形成了纯电容电路中的电流。,电压与电流的关系数值上，电压和电流的关系为,任务一 照明电路的安装,第1章 直流电路,17,2）相位上，电压、电流的相位间关系为,电容电路的功率 1）瞬时功率,任务一 照明电路的安装,第1章 直流电路,18,2）平均功率 电容元件的平

7、均功率为零，说明电容元件是储能元件，不消耗电能，仅与电源进行能量交换。,3）无功功率 电容元件瞬时功率的最大值称为无功功率，它表示电源能量与电场能量交换的最大速率，用Q表示。,任务一 照明电路的安装,第1章 直流电路,19,3 正弦交流电路的分析与计算1R、L、C串联电路及复阻抗（1）电压与电流的关系,R、L、C 串联电路(a)电路图 (b)相量图,任务一 照明电路的安装,第1章 直流电路,20,（2）复阻抗 Z称为电路的复阻抗，其中 ，称为电路的电抗。,Z和分别是复阻抗的模和幅角。电路的 、R、X可以组成一个三角形，称为阻抗三角形。,任务一 照明电路的安装,第1章 直流电路,21,当XLXC

8、时，0，总电压超前于电流，电路呈感性；当XLXC时，0，总电压滞后于电流，电路呈容性；当XL=XC时，=0，总电压与电流同相，电路呈阻性，此时电路的状态称为串联谐振。 复阻抗的模是它的端电压与电流有效值之比，称为电路的阻抗。复阻抗的幅角是电压与电流的相位角，称为电路的阻抗角。,任务一 照明电路的安装,第1章 直流电路,22,（3）RLC串联电路的功率1）有功功率2）无功功率,任务一 照明电路的安装,3）视在功率 变压器、电动机及一些电气设备的容量是由它们的额度电压和额度电流来决定的，因此，电路端电压的有效值与电流有效值的乘积称为电路的视在功率。,S=UI,第1章 直流电路,23,4）功率三角形

9、,任务一 照明电路的安装,图2-10 R-L串联电路的功率三角形,第1章 直流电路,24,三、任务的实施,1.白炽灯电路的安装(1) 任务内容：分别安装单联、双联开关控制的白炽灯电路。(2) 任务要求：按图接线，电路能正常工作。(3) 实训电路：,任务一 照明电路的安装,第1章 直流电路,25,(4) 实训程序： 观察相关器件的结构，分析它们的安装方法。在给定的安装基板上，结合电路图，设计实际的电路布局，画出电路草图。电路安装正确、合理、美观。 检查电路正确后，经指导老师检查、认可后，合上电源开关，电路正常工作。 分别测量电路电流、电源电压、灯管电压、启辉器电压，计算电路中的功率，比较电压间的

10、数量关系。,任务一 照明电路的安装,第1章 直流电路,26,2.日光灯电路的安装(1) 任务内容：安装日光灯电路。(2) 任务要求：正确连接电路，使日光灯正常工作；测量电路中电压、电流。(3) 实训电路：,图2-11日光灯电路,任务一 照明电路的安装,第1章 直流电路,27,(4) 实训程序： 观察相关器件的结构，分析它们的安装方法。在给定的安装基板上，结合电路图，设计实际的电路布局，画出电路草图。电路安装正确、合理、美观。 检查电路正确后，经指导老师检查、认可后，合上电源开关，电路正常工作。 分别测量电路电流、电源电压、灯管电压、启辉器电压，计算电路中的功率，比较电压间的数量关系。,任务一

11、照明电路的安装,第1章 直流电路,28,四、知识拓展,1.电路基本定律的相量形式,(1)基尔霍夫电流定律的相量形式 基尔霍夫定律适用于电路的任一瞬间，与元件性质无关。在交流电路中的任一瞬间，连接在电路中任一节点（或闭合面）的各支路电流瞬时值的代数和为零。,任务一 照明电路的安装,第1章 直流电路,29,任务一 照明电路的安装,(2)基尔霍夫电压定律的相量形式 基尔霍夫电压定律（KVL）也适用于电路的任一瞬间，与元件性质无关。在交流电路的任一瞬间，任一回路中各元件电压瞬时值的代数和为零。,第1章 直流电路,30,任务一 照明电路的安装,(1)复数的表示方法复数的代数形式 ，其中j表示虚数单位,

12、实部为a，虚部为b；为复数的模；为复数的辐角。复数的三角函数形式 复数的指数形式 复数的极坐标形式,第1章 直流电路,31,复数的四则运算设两复数为： A:加减运算：可利用代数式将复数的实部和虚部分别相加减。,B:乘除运算：利用极坐标式将模相乘、除，而幅角相加、减。,任务一 照明电路的安装,第1章 直流电路,32,例已知,求,的大小,解:方法1：用相量图求解。,第1章 直流电路,33,项目二 单相交流电路的安装与调试,任务二 功率因数的提高,一、任务分析,1、功率因数的提高的方法 2、提高功率因数的意义及方法。,第1章 直流电路,34,1、电阻消耗的是有功功率,二、相关知识,任务二 功率因数的

13、提高,第1章 直流电路,35,2、电感只是与电源进行能量交换，用有功功率来衡量其大小。,任务二 功率因数的提高,第1章 直流电路,36,3、电容只是与电源进行能量交换，用有功功率来衡量其大小。,任务二 功率因数的提高,第1章 直流电路,37,交流供电电路中绝大多数负载都是呈电感性,任务二 功率因数的提高,第1章 直流电路,38,交流发电机组,任务二 功率因数的提高,第1章 直流电路,39,纯电感元件u每隔半周期首先放能，再储能。,纯电容元件u每隔半周期首先储能，再放能,任务二 功率因数的提高,第1章 直流电路,40,结论：提高功率可以在感性负载的两端并联上一个电容。,任务二 功率因数的提高,第

14、1章 直流电路,41,单相有功率的测量,第1章 直流电路,42,任务二 功率因数的提高,三、任务实施,(1)测试名称：提高日光灯电路的功率因数。(2)任务内容：正确连接电路；测量电路中的电压、电流和功率。 (3)任务要求：正确使用测试仪表；根据给定电路，正确布线，使电路正常运行；正确测试电压、电流、功率等相关数据及数据分析；撰写安装与测试报告。,第1章 直流电路,43,(a)日光灯电路的安装 (b)并联电容器提高功率因数图2-15功率因数的提高,任务二 功率因数的提高,(4)测试电路,第1章 直流电路,44,(5)测试程序：正确接线，使日光灯正常发光。测量电路的总电压U、镇流器两端电压U1、灯

15、管两端电压U2及电流I和电路的总功率，将数据填入表2-2。并验证UU1+ U2，为什么？分别并联电容器C1、C2，再测电路的总电压U、镇流器两端电压U1、灯管两端电压U2及电流I、I1 、I2和电路的功率，将数据填入表2-3。并验证II1+ I2，为什么？并联电容器前后电路的总功率和功率因数是否发生变化，为什么？将计算结果填入表2-2、表2-3。,第1章 直流电路,45,表2-2并联电容器前测试数据,表2-3并联电容器后测试数据,任务二 功率因数的提高,第1章 直流电路,46,任务二 功率因数的提高,四、知识拓展,提高功率因数的方法即在感性负载的两端并联一适当容量的电容的原理。,(a)电路图

16、(b) 相量图,第1章 直流电路,47,任务二 功率因数的提高,并联电容器后，电感性负载的电流,和功率因数,变小了，即,变大了。,第1章 直流电路,48,任务二 功率因数的提高,例2-11有一台电动机，它的功率P=1.1kW，接在220V、f=50Hz的电路中时,其所取用的电流I1=10A，求：(1)电动机的功率因数cos1；(2)若要将电路的功率因数提高到cos0.847,需要并联多大的电容器?解:电动机即为电感性负载(1)并联电容器前电动机的功率因数,(2)并联电容器后,其电压、电流相量图如所示，由图可得：,第1章 直流电路,49,任务二 功率因数的提高,将,代入上式得,，,则 1=60,

17、 2=32.3,故所需电容值为,第1章 直流电路,50,1、从频率的角度分析RLC串联电路和并联电路；2、通过分析掌握RLC电路产生谐振的条件3、熟悉谐振发生时谐振电路的基本特性和频率特性；4、掌握谐振电路的谐振频率和阻抗等电路参数的计算；5、熟悉交流电路中负载获得最大功率的条件。,任务三 谐振电路的测试,一、任务分析,第1章 直流电路,51,1RLC串联谐振。在图l所示的RLC串联交流电路中，我们调节电源频率或电路参数，使XL=XC，电流和电压i同相位，电路的这种状态称为谐振。因为是RLC串联电路发生的谐振，所以又称为串联谐振。,图1,任务三 谐振电路的测试,第1章 直流电路,52,串联谐振

18、频率 显然，谐振频率只与电路参数L和C有关，而与电阻R无关。调整L、C、f中的任何一个量，都能产生谐振。本实验是采用改变频率f的方法来实现谐振的。,二、相关知识,第1章 直流电路,53,1、RLC串联电路的基本关系,串谐电路复阻抗：,其中：,串谐电路中的电流：,任务三 谐振电路的测试,第1章 直流电路,54,由串谐电路复阻抗：,据前所述，谐振时u、i同相，=0：,电抗等于0时，必定有感抗与容抗相等：,串谐条件,由串谐条件又可得到串谐时的电路频率为：,2、 串联谐振的条件,任务三 谐振电路的测试,第1章 直流电路,55,f0是RLC串联谐振电路的固有频率，只与电路的参数有关，与信号源无关。,由此

19、可得串联电路发生谐振的方法：调整信号源的频率，使它等于电路的固有频率；信号源频率不变，调整L和C值的大小，使电路中的固有频率等于信号源的频率。,第1章 直流电路,56,3、 串联谐振电路的基本特性,（1）串谐时由于u、i同相，电路复阻抗为电阻性质：,（2）由于谐振时电路阻抗最小，所以谐振电流I0最大。,（3）特性阻抗是衡量串谐电路性能的一个重要指标：,第1章 直流电路,57,（4）品质因数Q是衡量串谐电路性能的另一个重要指标：,品质因数Q的大小可达几十至几百，一般为50200。电路在串联谐振状态下，电路的感抗或容抗往往比电阻大得多，因此：,由于谐振电路的品质因数很高，所以可知动态元件两端的电压

20、在谐振状态下要比外加的信号源电压大得多，因此通常也将串联谐振称为电压谐振。,第1章 直流电路,58,例,已知RLC串联电路中的L=0.1mH，C=1000pF，R为10，电源电压US=0.1mV，若电路发生谐振，求：电路的,解,f0、Q、UC0和I0。,4、应用举例,第1章 直流电路,59,5、 串联谐振回路的能量特性,设串谐时回路电流为：,电阻上的瞬时功率为：,电源向电路供出的瞬时功率为：,可见，谐振状态下电源供给电路的有功功率全部消耗在 电阻元件上。,谐振时L上的磁场能量,谐振时C上的电场能量,第1章 直流电路,60,谐振时磁场能量和电场能量的总和,此式说明，在串联谐振状态下，由于电感元件

21、两端的电压与电容元件两端的电压大小相等、相位相反，因此，电感元件储存磁场能量时，恰逢电容元件放电；电感元件释放磁场能量时又恰逢电容元件充电，两个动态元件上不断地进行能量转换，在整个串联谐振的过程中，存储能量的总和始终保持不变。,第1章 直流电路,61,6 、串联谐振电路的频率特性,（1）回路阻抗与频率之间的特性曲线,RLC串联电路的阻抗为：,阻抗及其各部分用曲线可表示为：,由RLC串联电路的阻抗特性曲线可看出：电阻R不随频率变化；感抗XL与频率成正比；容抗XC与频率成反比，阻抗|Z|在谐振之前呈容性（电抗为负值），谐振之后呈感性（电抗为正值），谐振发生时等于电阻R，此时电路阻抗为纯电阻性质。,

22、第1章 直流电路,62,（2）回路电流与频率的关系曲线,RLC串谐电路谐振时的电流：,电路谐振时，串谐电路中的电流达到最大，为了便于,比较不同参数下串谐电路的特性，有：,第1章 直流电路,63,I谐振特性曲线,从I谐振特性曲线可看出，电流的最大值I0出现在谐振点0处，只要偏离谐振角频率，电流就会衰减，而且衰减的程度取决于电路的品质因数Q。即：Q大电路的选择性好；Q小电路的选择性差。,由上式可得到I谐振特性曲线如下图所示：,第1章 直流电路,64,3、回路电流相位与频率的关系曲线,若输入电压的初相为0时，回路电流的初相等于阻抗相位 的负值，如上式所示。,电路的相频特性如右图所示,第1章 直流电路

23、,65,表1,三、任务实施,第1章 直流电路,66,按图3电路接线，取R330，调节信号源输出电压为1V正弦信号，并在整个实验过程中保持不变。,图3,三、任务实施,第1章 直流电路,67,1、找出电路的谐振频率fo。其方法是，将交流毫伏表接在电阻R两端，令信号源的频率由小逐渐变大（注意要维持信号源的输出幅度不变），当UO的读数为最大时，读得频率计上的频率值，即为谐振频率fo，然后测量出U0、UC0、UL0之值（注意及时更换毫伏表的量程），记录在表2中。,三、任务实施,第1章 直流电路,68,表2 RLC串联电路谐振点状态测试记录,三、任务实施,第1章 直流电路,69,2、测定电流谐振曲线。在谐

24、振点两侧，应先测出下半功率频率fL和上半功率频率fH相应的U0值，然后逐点测出不同频率下U0值，记录在表3中3、取R=500，重复步骤1、2的测量。,三、任务实施,第1章 直流电路,70,表3 RLC串联电路电流谐振曲线测试记录,三、任务实施,第1章 直流电路,71,(1)阻抗的串联是两个阻抗串联的电路。根据基尔霍夫电压定律可得,四、能力拓展,1、阻抗的串联与并联,比较上列两式有,第1章 直流电路,72,并有分压公式,，,当Z1与Z2的阻抗角不等时,，,，,注意：,第1章 直流电路,73,(2)阻抗的并联,是两个阻抗并联的电路。根据基尔霍夫电流定律可得,第1章 直流电路,74,比较上列两式可得,第1章 直流电路,75,(a) (b)图2-27收音机调谐电路,2、谐振的应用,谐振电路在电子技术中有着广泛的应用，例如电视机高频头的调谐电路，收音机的调台等都是应用串联谐振的选频特性来选择信号的。,第1章 直流电路,76,