1、第三章 正弦交流电的基本概念 及正弦交流电路的分析学习目的：1、掌握正弦交流电的基本概念、三要素及三种表示法。2、掌握纯电阻电路、纯电感电路、纯电容电路、RL串联电路、RC串联电路电压和电流的大小与相位关系、相量图。学习目的：3、了解功率因数概念及提高功率因数的方法。4、了解串联谐振的定义、条件及特点。5、掌握三相负载星形联结、三角形联结的特点及相、线电压的关系；相、线电流的关系。6、掌握中线的作用。第三章 正弦交流电路及安全用电 正弦量的基本概念正弦量的基本概念 3.1单一参数的正弦交流电路单一参数的正弦交流电路 3.2三相交流电三相交流电3.3第一节第一节 正弦交流电的基本物理量正弦交流电
2、的基本物理量 大小和方向随时间按正弦规律变化的电压与电流，称为正弦交流电，即平时所说的单相交流电，其文字符号用字母“AC”表示，图形符号用“”表示，如图6.5（a）所示。大小和方向随时间不按正弦规律变化的电压与电流，称为非正弦交流电，常见的有矩形波、三角波等，如图6.5（b）、（c）所示。正弦量的基本概念正弦量的基本概念 正弦量的三要素 v以正弦电压为例，其一般表达式（或称为解析式）为umsintUuv1.最大值Umv2.角频率 v3.初相位和相位差一、交流电变化的范围1最大值最大值 正弦交流电的大小和方向随时间按正弦规律变化，正弦交流电在一个周期内所能达到的最大数值，可以用来表示正弦交流电变
3、化的范围，称为交流电的最大值，又称振幅、幅值或峰值，Im、Um、Em。2有效值I、U、E正弦交流电的最大值与有效值的关系为v3平均值 交流电压或电流在半个周期内所有瞬时值的平均数，称为该交流电压或电流的平均值。二、交流电变化的快慢二、交流电变化的快慢1周期周期 正弦交流电完成一次周期性变化所需要的时间，称为正弦交流电的周期，通常用字母T 表示，国际单位是秒，符号为s。2频率频率 正弦交流电在1s 内完成周期性变化的次数，称为正弦交流电的频率，通常用f 表示，国际单位是赫兹，符号为Hz。3角频率角频率 正弦交流电在1s 内变化的电角度，称为正弦交流电的角频率，用字母 表示，单位是弧度/秒，符号为
4、rad/s。角频率与周期、频率之间的关系为三、交流电变化的起点三、交流电变化的起点v1相位与初相位 决定了正弦交流电的变化趋势，是正弦交流电随时间变化的核心部分，称为正弦交流电的相位，也称相角。t=0 时的相位，称为初相位，简称初相，用字母 表示。初相位反映的是正弦交流电的计时起点。初相位 的变化范围一般为-。2相位差与相位关系相位差与相位关系 两个交流电的相位之差称为正弦交流电的相位差，用 表示。规定相位差的范围一般为-。如图（a）所示，当 0 时，称为u1 超前u2，或者说u2 滞后u1；如图6.8（b）所示，当 0 时，称为u1 滞后u2，或者说u2 超前u1。当 0 时，称为两个交流电
5、同相，即两个同频率交流电的相位相同，如图（a）所示；当 时，称为两个交流电反相，即两个同频率交流电的相位相反，如图（b）所示；当 时，称为两个交流电正交，如图（c）所示。第二节第二节 单一元件交流电路单一元件交流电路一、纯电阻电路二、纯电感电路三、纯电容电路一、纯电阻电路纯电阻电路是只有电阻负载的交流电路，如图6.19 所示。1电流与电压的关系电流与电压的关系设加在电阻R 两端的交流电压为uR=URmsint纯电阻交流电路的电流与电压的数量关系为 纯电阻交流电路的电流与电压的最大值（或有效值）符合欧姆定律。纯电阻交流电路的电流与电压的相位关系为纯电阻交流电路的电流与电压同相。因此，纯电阻交流电
6、路的电流瞬时值表达式为i=Imsin t 纯电阻交流电路的电流与电压的矢量图如图（a）所示，波形图如图（b）所示。2电路的功率电路的功率 在纯电阻交流电路中，电流、电压都是随时间变化的。电压瞬时值u 和电流瞬时值i 的乘积称为瞬时功率，用小写字母p 表示，即p=ui 有功功率，也称平均功率，是瞬时功率在一个周期内的平均值，用大写字母P 表示，国际单位是瓦特（W）。纯电阻交流电路的有功功率为P=URI 纯电阻交流电路的有功功率还可以表示为二、纯电感电路二、纯电感电路 纯电感电路是只有空心线圈的负载，而且线圈的电阻和分布电容均忽略不计的交流电路，如图 所示。1 1感抗感抗 线圈对交流电的阻碍作用称
7、为电感电抗，简称感抗，用符号XL 表示，单位是欧姆。感抗的大小与电源频率成正比，与线圈的电感成正比2电流与电压的关系 设加在电感L 两端的交流电压为uL=ULmsin t 纯电感交流电路的电流与电压的数量关系为 纯电感交流电路的电流与电压的最大值（或有效值）符合欧姆定律。纯电感交流电路的电流与电压的相位关系为纯电感交流电路两端的电压超前电流 ，或者说电流滞后电压 。纯电感交流电路的电流瞬时值表达式为 纯电感交流电路的电流与电压的矢量图如图（a）所示，波形图如图（b）所示。3电路的功率纯电感交流电路的瞬时功率为 瞬时功率的平均值为零，即纯电感交流电路的有功功率为零，表示电感元件不消耗功率。为反映
8、纯电感交流电路中能量转换的多少，单位时间内能量转换的最大值（即瞬时功率的最大值），称为无功功率，用符号QL 表示，单位是乏，符号为var。QL=UL I 无功功率还可以表示为三、纯电容电路三、纯电容电路 纯电容电路是只有电容器的负载，而且电容器的漏电电阻和分布电感均忽略不计的交流电路，如图所示。1容抗容抗 电容器对交流电的阻碍作用称为电容电抗，简称容抗，用符号XC 表示，单位是欧姆。容抗的大小与电源频率成反比，与电容器的电容成反比2电流与电压的关系电流与电压的关系 设加在C 两端的交流电压为uC=UCmsint 纯电容交流电路的电流与电压的数量关系为 纯电容交流电路的电流与电压的最大值（或有效
9、值）符合欧姆定律。纯电容交流电路的电流与电压的相位关系为纯电容交流电路两端的电压滞后电流 ，或者说电流超前电压 。纯电容交流电路的电流瞬时值表达式为 纯电容交流电路的电流与电压的矢量图如图（a）所示，波形图如图（b）所示。v3电路的功率v 纯电容交流电路的瞬时功率为纯电容交流电路的瞬时功率为 瞬时功率的平均值为零，即纯电容交流电路的有功功率为零，表示电容器不消耗功率。电容器虽然不消耗功率，但与电源之间不断进行能量交换，即电容器的充电和放电。纯电容交流电路的无功功率为QC=UC I第三节第三节 三相交流电三相交流电一、三相交流电的基本概念二、三相交流电的相序三、三相交流电源四、三相负载的接法五、
10、用电保护一、三相交流电的基本概念三相交流电是通过三相交流发电机获得，如图（三相交流电是通过三相交流发电机获得，如图（a）所示。）所示。最大值相等、频率相同、相位互差最大值相等、频率相同、相位互差120的的3 个正弦电动势，称为个正弦电动势，称为三相对称电动势。如果以三相对称电动势。如果以eU 为参考正弦量，那么各相电动势的瞬时值为参考正弦量，那么各相电动势的瞬时值表达式为表达式为二、三相交流电的相序二、三相交流电的相序 三相对称电动势随时间按正弦规律变化，它们到达最大三相对称电动势随时间按正弦规律变化，它们到达最大值（或零值）的先后次序，叫做相序。值（或零值）的先后次序，叫做相序。3 个电动势
11、按顺时针个电动势按顺时针方向的次序到达最大值（或零值），即按方向的次序到达最大值（或零值），即按U-V-W-U 的顺序，的顺序，称为正序或顺序；若按逆时针方向的次序到达最大值（或零称为正序或顺序；若按逆时针方向的次序到达最大值（或零值），即按值），即按U-W-V-U 的顺序，称为负序或逆序。的顺序，称为负序或逆序。三、三相交流电源三、三相交流电源 将三相发电机绕组的将三相发电机绕组的3 个末端个末端U2、V2、W2 连接成公共点，连接成公共点，3 个首个首端端U1、V1、W1 分别与负载连接，如图分别与负载连接，如图7.7 所示，这种连接方式称为星所示，这种连接方式称为星形联结，用符号形联结，
12、用符号“Y”表示。表示。3 个末端个末端U2、V2、W2 连接成的公共点称为连接成的公共点称为中性点（中点）或零点，用符号中性点（中点）或零点，用符号“N”表示，从中点引出的导线称为中性表示，从中点引出的导线称为中性线（中线）或零线，一般用黑色线或白色线；从三相绕组首端引出的线（中线）或零线，一般用黑色线或白色线；从三相绕组首端引出的3 根导线称为相线或火线，分别用符号根导线称为相线或火线，分别用符号“U、V、W”表示，用黄、绿、红表示，用黄、绿、红3 种颜色区分。这种由种颜色区分。这种由3 根相线和根相线和1 根中线组成的供电系统称为三相四根中线组成的供电系统称为三相四线制供电系统，用符号线
13、制供电系统，用符号“Y0”表示，通常在低压配电系统中采用；在高表示，通常在低压配电系统中采用；在高压输电系统中，通常采用只由压输电系统中，通常采用只由3 根相线组成的三相三线制供电系统，用根相线组成的三相三线制供电系统，用符号符号“Y”表示。表示。三相四线制供电系统可输送两种电压，即相电压和线电压。三相四线制供电系统可输送两种电压，即相电压和线电压。相电压是相线与中线之间的电压，分别用符号相电压是相线与中线之间的电压，分别用符号“UU、UV、UW”表表示示U、V、W 各相电压的有效值，通用符号用各相电压的有效值，通用符号用“UP”表示。表示。线电压是指相线与相线之间的电压，分别用符号线电压是指
14、相线与相线之间的电压，分别用符号“UUV、UVW、UWV”表示表示UV、VW、WV 之间的电压有效值，通用符号用之间的电压有效值，通用符号用“UL”表示。表示。线电压与相电压之间的关系为线电压与相电压之间的关系为线电压线电压UUV 与相电压与相电压UU 之间的数量关系为之间的数量关系为线电压与相电压的相位关系为线电压超前相应的相电压线电压与相电压的相位关系为线电压超前相应的相电压30。四、三相负载的接法四、三相负载的接法1、三相负载的星形联结、三相负载的星形联结2、三相负载的三角形联结、三相负载的三角形联结3、三相交流电路的功率三相交流电路的功率一、三相负载的星形联结1联结方式联结方式 将各相
15、负载的末端将各相负载的末端U2、V2、W2 连在一起接到三相电源的中线上，连在一起接到三相电源的中线上，把各相负载的首端把各相负载的首端U1、V1、W1 分别接到三相交流电源的分别接到三相交流电源的3 根相线上，根相线上，这种连接方式称为三相负载有中线的星形联结法，用符号这种连接方式称为三相负载有中线的星形联结法，用符号Y0 表示。如表示。如图（图（a）所示为三相负载有中线的星形联结的原理图，如图（）所示为三相负载有中线的星形联结的原理图，如图（b）所示）所示为其实际电路图。为其实际电路图。2电路特点 流过每根相线的电流称为线电流，分别用流过每根相线的电流称为线电流，分别用IU、IV、IW 表
16、示表示U、V、W 各线电流的有效值，通用符号用各线电流的有效值，通用符号用IYL 表示；流过每一相负载的电流称为相表示；流过每一相负载的电流称为相电流，分别用电流，分别用Iu、Iv、Iw 表示表示U、V、W 各相电流的有效值，通用符号用各相电流的有效值，通用符号用IYP 表示；流过中线的电流称为中线电流，用表示；流过中线的电流称为中线电流，用IN 表示。表示。各相电流的相位差仍是各相电流的相位差仍是120。三相负载作星形联结时，线电流等于相电流，即三相负载作星形联结时，线电流等于相电流，即IYL IYP中线电流与相电流的之间的关系为中线电流与相电流的之间的关系为二、三相负载的三角形联结二、三相
17、负载的三角形联结1联结方式联结方式 将三相负载分别接到三相电源的两根相线之间，这种连接方式称将三相负载分别接到三相电源的两根相线之间，这种连接方式称为三相负载的三角形联结法，用符号为三相负载的三角形联结法，用符号“”表示。如图（表示。如图（a）所示为三）所示为三相负载三角形联结的原理图，图（相负载三角形联结的原理图，图（b）所示为其实际电路图。）所示为其实际电路图。对称三相负载作星形联结时，中线电流等于零，即对称三相负载作星形联结时，中线电流等于零，即IN=02电路特点负载的线电压与负载的相电压的关系为负载的线电压与负载的相电压的关系为UL=U P线电流与相电流之间的关系为线电流与相电流之间的
18、关系为线电流线电流Iu 与相电流与相电流Iu 之间的数量关系为之间的数量关系为 在同一对称三相电源作用下，同一对称负载作三角形联结的相电在同一对称三相电源作用下，同一对称负载作三角形联结的相电压、相电流是作星形联结时的相电压、相电流的压、相电流是作星形联结时的相电压、相电流的 倍，同一对称负倍，同一对称负载作三角形联结的线电流是作星形联结时的线电流的载作三角形联结的线电流是作星形联结时的线电流的3 倍。倍。三、三、三相交流电路的功率三相交流电路的功率在三相交流电路中，三相负载消耗的总功率等于各相负载消耗的功率之和在三相交流电路中，三相负载消耗的总功率等于各相负载消耗的功率之和在对称三相电路中，
19、各相电压是对称的，各相负载是对称的。在对称三相电路中，各相电压是对称的，各相负载是对称的。因此，在对称三相电路中，三相对称负载消耗的总功率为因此，在对称三相电路中，三相对称负载消耗的总功率为三相对称负载不论作星形联结还是作三角形联结，对称三相电路的总有功功率为三相对称负载不论作星形联结还是作三角形联结，对称三相电路的总有功功率为五、用电保护五、用电保护一、接地装置一、接地装置二、用电保护措施二、用电保护措施一、接地装置1.“地地”的概念的概念 “地地”是指电气上的是指电气上的“地地”，即指如图，即指如图 所示的距接地点所示的距接地点20 m 以外以外地方的电位（该处的电位已接近零）。地方的电位
20、（该处的电位已接近零）。2.接地的作用与种类接地的作用与种类 接地的主要作用是保证人身和设备的安全。若按接地的目的及工作接地的主要作用是保证人身和设备的安全。若按接地的目的及工作原理来分，有保护接地、保护接零、工作接地和重复接地原理来分，有保护接地、保护接零、工作接地和重复接地4 种。种。（1）保护接地。）保护接地。保护接地就是将正常情况下不带电，而在绝缘材料损保护接地就是将正常情况下不带电，而在绝缘材料损坏后或其他情况下可能带电的电气设备金属部分（即与带电部分相绝坏后或其他情况下可能带电的电气设备金属部分（即与带电部分相绝缘的金属结构部分）用导线与接地体可靠连接的一种保护接线方式，缘的金属结
21、构部分）用导线与接地体可靠连接的一种保护接线方式，如图所示。如图所示。（2）保护接零。）保护接零。保护接零是将电气设备的外壳及金属支架等与零线连保护接零是将电气设备的外壳及金属支架等与零线连接，以保护人身安全的一种用电安全措施，如图所示。接，以保护人身安全的一种用电安全措施，如图所示。保护原理不同。保护原理不同。适用范围不同。适用范围不同。线路结构不同。线路结构不同。家用电器插座是供移动电器设备如台灯、电风扇、电视机、洗衣家用电器插座是供移动电器设备如台灯、电风扇、电视机、洗衣机等连接电源用的。因为家庭用电中的供电系统一般为机等连接电源用的。因为家庭用电中的供电系统一般为TT 系统（采用系统（
22、采用保护接地方式），所以为了保证用电安全，插座的接线必须做到：保护接地方式），所以为了保证用电安全，插座的接线必须做到：“左零右火上接地左零右火上接地”，接线时专用接地插孔应与专用的保护接地线相，接线时专用接地插孔应与专用的保护接地线相连，如图连，如图 所示。如果供电系统为所示。如果供电系统为TN 系统（采用保护接零方式），则系统（采用保护接零方式），则插座上面的插孔为接零线，这根接零线必须接在零线的干线上（一般插座上面的插孔为接零线，这根接零线必须接在零线的干线上（一般从电源端专门引来），而不应就近利用引入插座的零线。从电源端专门引来），而不应就近利用引入插座的零线。家用电器插座的接线家用电器插座的接线（3）工作接地。）工作接地。工作接地是为保证用电设备安全运行，将电力系统中工作接地是为保证用电设备安全运行，将电力系统中的变压器低压侧中性点接地，如图的变压器低压侧中性点接地，如图 所示。所示。（4）重复接地。）重复接地。重复接地是在三相四线制保护接零电网中，除了变重复接地是在三相四线制保护接零电网中，除了变压器中性点的工作接地之外，在零线上一点或多点与接地装置的连接，压器中性点的工作接地之外，在零线上一点或多点与接地装置的连接，如图如图 所示。所示。
