1、RLC串联电路串联电路日光灯电路的安装与维护日光灯电路的安装与维护单相交流电路的测量单相交流电路的测量 1.了解正弦交流电的产生及其特征；2.掌握正弦交流电的表示方法及单相交流电路的分析方法；3.了解交流电路中的谐振现象；4.掌握交流电路中元件参数的测试方法；5.了解日光灯的工作原理，了解白炽灯电路的安装过程及故障特点。学习目标学习目标 日常生活中，电路中输送电能和传递电信号的电流和电压，就其按时间变化的规律来看，可分为两大类：一类是直流电量，如干电池组成的照明电路；另一类是交流电量，如家庭用电电路。在交流电量中，正弦交流电量应用最为典型，也最为广泛。一、正弦交流电的基本概念1.1.交流电的概
2、念交流电的概念 直流电路中所讨论的电压和电流，其大小和方向(或极性)都是不随时间变化的，其波形如图4-1(a)所示，但是在工农业生产、日常生活中广泛应用的是大小和方向均随时间作周期性变化的电压和电流。这种大小和方向随时间作周期性变化的电流或电压称为交流电。其中，随时间按正弦规律变化的交流电称为正弦交流电，其波形如图4-1(b)所示。随时间不按正弦规律变化的交流电，统称为非正弦交流电，图4-1(c)所示的电压波形就是一种非正弦交流电压。在交流电中，最常用的是正弦交流电。如果没有特别说明，本项目所说的交流电都是指正弦交流电。图4-1 直流电和交流电波形图2.2.正弦交流电的产生正弦交流电的产生 正
3、弦交流电是通过单相交流发电机产生的，交流发电机包括两大部分：一个可以自由转动的电枢(转子)和一对固定的磁极(定子)。电枢上绕有线圈，线圈切割磁力线便可产生感应电动势。电磁感应现象中，穿过闭合回路的磁通发生变化时，回路中将出现感应电流。交流电的产生就是利用了电磁感应的原理。3.3.描述交流电的物理量描述交流电的物理量 1)周期、频率和角频率 如果利用线圈在匀强磁场中转动产生交流电，那么线圈转动一圈所需要的时间便是交流电的周期。也就是说，交流电完成一次周期性变化所需要的时间称为交流电的周期。周期通常用T表示，单位是秒(s)。2)幅值 交流电在每周变化过程中出现的最大瞬时值称为幅值，也称为最大值。交
4、流电的幅值不随时间的变化而变化。用带下标“m”的大写字母表示，如用Im、Um、Em等来表示电流、电压、电动势的最大值。3)初相位 如果利用角度来表征交流电，那么t0时刻交流电对应的角度被称为初相位，简称初相。初相表示交流电的初始状态，单位为度()或者弧度(rad)。4)瞬时值 交流电流、电压、电动势在某一时刻所对应的值称为它们的瞬时值。瞬时值随时间的变化而变化。不同时刻，瞬时值的大小和方向均不同。交流电的瞬时值取决于它的周期、幅值和初相位。用小写字母表示，如用i、u、e分别表示瞬时电流、瞬时电压、瞬时电动势等。4.4.相位差相位差 以正弦交流电压为例，其解析式为:式中，t+称为交流电的相位角，
5、简称相位。当t=0时的相位称为初相位，简称初相，用表示。初相决定交流电的起始状态。5.5.交流电的有效值和平均值交流电的有效值和平均值 交流电的有效值是根据它的热效应确定的。交流电流i通过电阻R在一个周期内所产生的热量和直流电流I通过同一电阻R在相同时间内所产生的热量相等,则这个直流电流I的数值叫做交流电流i的有效值。交流电的有效值用大写字母表示,如I、U等。1)交流电的有效值2)交流电的平均值 交流电半个周期内所有瞬时值的平均值称为交流电的平均值。理论分析表明，交流电的平均值与幅值之间的关系是：二、正弦量的相量表示法 正弦交流电可用三角函数式（又称为解析式）和波形图表示，三角函数式是基本的表
6、示方法，但运算繁琐；波形图直观、形象，但不准确。为了便于分析计算正弦电路，常用相量（复数）法和相量图表示法表示。后两种方法是分析和计算交流电路常用的方法。它的优点是：第一，把几个同频率的正弦量画在同一相量图上，可直观快捷地解决一些特殊的交流电路分析问题；第二，复数运算法准确地解决了复杂交流电路的计算问题。图4-6 旋转矢量表示正弦量1.1.相量相量 相量的本质是复数，用相量表示正弦量的基础就是用复数表示正弦量。设有一正弦电压u=Umsin(t+)，其波形如图4-6所示，左边是一旋转有向线段A，在直角坐标系中，有向线段的长度代表正弦量的幅值Um，它的初始位置（t0时的位置）与横轴正方向的夹角等于
7、正弦量的初相位，并且以正弦量的角频率作逆时针方向旋转。可见，这一旋转有向线段具有正弦量的三个特征，故可用来表示正弦量。正弦量在某时刻的瞬时值就是由这个旋转有向线段于该瞬时在纵轴上的投影表示出来。2.2.相量图相量图 根据各个正弦量的大小和相位关系用初始位置的有向线段画出的若干个相量的图形，称为相量图。实际应用中可不画坐标轴，参考相量画在水平方向。三、电阻元件的交流电路 在交流电路中，电阻、电容、电感是实际中使用最广泛的三种负载元件，电阻是耗能元件，电容、电感是储能元件。在分析和计算交流电路时，首先讨论最简单的交流电路，即只有电阻、电感或电容组成的单一参数电路。1.1.电阻元件上电压与电流的关系
8、电阻元件上电压与电流的关系 图4-8(a)所示是一个线性电阻元件的交流电路。电压和电流的正方向如图所示，两者关系由欧姆定律确定，即u=iR。可以看出电压u也是一个同频率的正弦量。所以，在电阻元件的交流电路中，电流和电压是同相的(相位差00)，二者的正弦波形如图4-8(b)所示。此即欧姆定律的相量表示式，电压和电流的相量如图4-8(c)所示。图4-8 电阻元件交流电路2.2.电阻元件的功率电阻元件的功率 知道了电压和电流的变化规律和相互关系后，便可找出电路中的功率。在任意瞬间，电压瞬时值u与电流瞬时值i的乘积称为瞬时功率，用小写字母p表示，即：四、电感元件的交流电路 在直流电路中，电感元件可视为
9、短在直流电路中，电感元件可视为短路，电容元件则可视为开路。而在交流路，电容元件则可视为开路。而在交流电路中，由于电压、电流随时间变化，电路中，由于电压、电流随时间变化，在电感元件中磁场不断变化，产生感生在电感元件中磁场不断变化，产生感生电动势；在电容极板间的电压不断变化，电动势；在电容极板间的电压不断变化，引起电荷在与电容极板相连的导线中移引起电荷在与电容极板相连的导线中移动形成电流。下面分别讨论电感与电容动形成电流。下面分别讨论电感与电容在交流电路中各自的电特性。在交流电路中各自的电特性。1.1.电感元件上电压与电流的关系电感元件上电压与电流的关系 假设线圈只有电感L，而电阻R可以忽略不计，
10、称之为纯电感，今后所说的电感如无特殊说明就是指纯电感。当电感线圈中通过交流电流i时，其中产生自感电动势eL，设电流i、电动势eL和电压u的正方向如图4-9（a)所示。根据基尔霍夫电压定律得出图4-9 电感元件交流电路 即u和i也是一个同频率的正弦量。表示电压u和电流i的正弦波形如图4-9(b)所示。比较以上u，i两式可知，在电感元件电路中，电流在相位上比电压滞后90，且电压与电流的有效值符合下式。相量式也表示了电压与电流的有效值关系以及相位关系，即电压与电流的有效值符合欧姆定律（U=IXL），相位上电压超前电流90。因电流相量i乘上j后即向前旋转90，所以称jXL为复感抗。电压和电流的相量图如
11、图4-9(c)所示。2.2.电感元件的功率与储能电感元件的功率与储能 知道了电压u和电流i的变化规律和相互关系后，便可找出瞬时功率的变化规律，即：五、电容元件的交流电路1.1.电容元件上电流与电压关系电容元件上电流与电压关系2.2.交流电路中电容元件上的功率交流电路中电容元件上的功率六、RLC串联交流电路1.RLC1.RLC串联交流电路中电流与电压的关系串联交流电路中电流与电压的关系 电阻、电感与电容元件串联的交流电路如图电阻、电感与电容元件串联的交流电路如图4-124-12（a)a)所所示，注意在电路中的各元件通过同一电流示，注意在电路中的各元件通过同一电流i i。图4-12 RLC串联的交
12、流电路根据基尔霍夫电压定律可列出：2.2.电流电压关系与电压三角形、阻抗与阻抗三角形电流电压关系与电压三角形、阻抗与阻抗三角形 因为电路中各元件上电流相同，故以电流为参考相量，作出电路的电流与电压相量图，如图4-12（c)所示。在相量图上，各元件电压uR,uL,uC的相量R、L、C相加即可得出电源电压u的相量，由于电压相量、R及(L+C)组成了一个直角三角形，故称这个三角形为电压三角形。利用电压三角形，便可求出电源电压的有效值，即3.3.电路的性质电路的性质 （1）如果XLXC，则在相位上电流i比电压u滞后，0，这种电路是电感性的，简称为感性电路。（2）如果XLXC，则在相位上电流i比电压u超
13、前,0，这种电路是电容性的，简称为容性电路。（3）当XL=XC，即=0时，则电流i与电压u同相，这种电路是电阻性的，称之为谐振电路。七、阻抗的串联与并联1.1.阻抗的串联阻抗的串联图4-14 RLC串联电路的复阻抗2.2.阻抗的并联阻抗的并联图4-16 阻抗的并联八、功率因数的提高1.1.正弦交流电路的功率正弦交流电路的功率4321视在功率无功功率有功功率和功率因数瞬时功率2.2.功率因数功率因数 由前面内容分析可知，R、L、C混合电路中负载取用的功率不仅与发电机的输出电压及输出电流的有效值的乘积有关，而且还与电路(负载)的参数有关。电路所具有的参数不同，电压与电流之间的相位差也就不同，在同样
14、的电压U和电流I下，电路的有功功率和无功功率也就不同。3.3.功率因数提高的方法功率因数提高的方法图4-21 功率因数的提高九、电路的谐振1.RLC1.RLC串联谐振的条件与谐振频率串联谐振的条件与谐振频率 图4-22所示的RLC串联电路中,当XL=XC时，Z=R+jXL+(jXC)=R，电路呈纯电阻性，此时，电流i与电压u同相，称电路发生了串联谐振。图4-22 RLC串联谐振电路与相量图九、电路的谐振2.2.电感与电容并联谐振电感与电容并联谐振 把一个电感线圈和一个电容器并联起来组成一个电路，当该电路的复阻抗为纯电阻性时，称该电路发生了并联谐振。这是一种常见的、应用非常广泛的谐振电路，如图4
15、-26所示。一、常用电工仪表及使用方法（一）电工测量仪表的分类 4.4.其他电工其他电工仪表仪表2.2.数字式仪数字式仪表表3.3.比较仪表比较仪表1.1.指示仪表指示仪表（二）常用电工仪表的符号及型号1.1.常用电工仪表的符号常用电工仪表的符号 在实践中选用或使用电工仪表时，首先会看到在仪表的表盘上及外壳上有各种符号。这些符号表明了电工仪表的基本结构特点、准确度、工作条件等。常用电工仪表的符号见表4-6。2.2.电工仪表的型号电工仪表的型号 电工仪表的产品型号可以反映出仪表的用途和原理。电工仪表的产品型号，是按主管部门制定的电工仪表型号编制法，经生产单位申请，并由主管部门登记颁发的。对安装式
16、和可携式指示仪表的型号，规定有不同的编号规则。安装式指示仪表型号的组成如图4-30所示。图4-30 安装式指示仪表型号组成（三）电工仪表的工作原理1.1.电工仪表的组成电工仪表的组成 常用电工仪表主要由外壳、有标度尺和有关符号的面板、测量线路、表头、电磁系统、指针、阻尼器、转轴、轴承、游丝、零位调整器等组成。2.2.电工仪表的工作原理电工仪表的工作原理 磁电式仪表的原理结构如图4-31所示，它的永久磁铁置于可动线圈外面，由永久磁铁、极靴和圆柱形铁心组成仪表的固定部分；绕在铝框上的线圈、线圈两端的轴、指针、平衡重物、游丝等组成仪表的可动部分，整个可动部分被支承在轴承上。可动线圈位于永久磁铁磁场中
17、，当被测电流通过线圈时，线圈受到磁场力的作用产生电磁转矩而绕中心轴转动，带动指针偏转，指针偏转时又带动游丝运动而发生弹性形变。当线圈偏转的电磁力矩与游丝形变的反作用力矩相平衡时，指针便停留在相应位置，并在面板刻度尺上指出被测数据。图4-31 磁电式仪表的原理结构 电磁式仪表的原理结构如图4-32所示，在固定线圈内装着固定铁片和可动铁片，可动铁片与转动轴固定在一起，转动轴上固定有指针、游丝与零位调整装置。当线圈内有被测电流通过时，线圈电流的磁场使两块铁片同时磁化，且获得相同极性而互相排斥。静铁片推动动铁片运动，动铁片通过传动轴带动指针偏转，被测电流越大，指针偏转角也越大，当电磁偏转力矩与游丝形变
18、的反作用力矩平衡时，指针停转，在面板上指出所测数值。图4-32 电磁式仪表的原理结构（四）电工仪表的测量误差及消除1.1.电工指示电工指示仪表的选择仪表的选择（1）要考虑工作条件 （2）要正确选择仪表的量限 （3）仪表经长期工作后，其准确度会发生变化，因此，要根据电气计量部门的规定，定期进行校验和维修。2.2.测量误差及其消除方法测量误差及其消除方法 3 3）疏失误差）疏失误差 2 2）偶然误差）偶然误差 1 1）系统误差）系统误差I二、常用电参数的测量三、单相调压器的使用方法 实验室中常用的调压器就是一种可改变二次绕组匝数的特殊自耦变压器，它可以均匀地改变输出电压。图4-40所示就是单相自耦
19、变压器(又称为单相调压器)的外形和电路原理图。它的结构特点是：二次绕组是一次绕组的一部分，而且一、二次绕组不仅有磁的耦合，还有电的联系。实际使用中，除了单相自耦变压器之外，还有三相自耦变压器。图4-40 单相自耦变压器的外形和电路原理图一、日光灯的结构与工作原理 日光灯又称荧光灯，它是利用汞蒸气在外加电压作用下产生弧光放电，发出少许可见光和大量紫外线，紫外线又激励灯管内壁涂敷的荧光粉，使之发光。日光灯管由于不含红外线，所以它的光是很温和的，不伤眼睛；因为不产生热量，所以日光灯发光效率比较高，用起来比较省电；它也会发出许多美丽有色的光，这是由荧光粉里所含的化学药品的性质决定的，例如，涂上钨酸镁，
20、发蓝白色光，涂上硼酸镉发淡红色光。1.1.日光灯的结构日光灯的结构灯管镇流器启辉器灯座2.2.日光灯的工作原理日光灯的工作原理 当线路接通电源后，由于灯管尚未放电导通，电源电压绝大部分都加在启辉器上。这时启辉器在较高电压的作用下产生辉光放电，氖泡内的温度升高，双金属片伸展使动、静触片闭合。辉光放电停止，氖管内动、静触片随温度降低冷却收缩并断开，使流经灯丝和镇流器的电流突然中断，则在镇流器两端瞬时产生一个比电源电压高得多的感应电动势，该电动势与电源串联后全部加在灯管两端，使灯管内惰性气体被电离而引起弧光放电。随着弧光放电使管内温度升高，引起汞蒸气弧光放电，辐射出肉眼不可见的紫外线，并激发灯管内的荧光粉，发出近似日光的可见光。启辉结束后，启辉器不再起作用，此时的电路由灯管和镇流器串联构成。日光灯的工作原理如图4-46所示。图4-46 日光灯的工作原理图二、日光灯常见故障及排除方法日光灯常见故障及排除方法见表4-9。
