1.电路是由各种元器件(或电工设备)按一定方式连接起来的总体,为电流的流通提供了路径。
2.电路的基本组成包括以下四个部分:(1)电源(供能元件)(2)负载(耗能元件),(3)控制器件,(4)连接导线:
3.电路的状态:(1)通路(闭路):电源与负载接通,电路中有电流通过,电气设备或元器件获得一定的电压和电功率,进行能量转换。(2)开路(断路):电路断开,电路中没有电流通过,又称为空载状态。(3)短路(捷路):电源两端或电路中某些部分被导线直接相连,输出电流过大对电源来说属于严重过载,如没有保护措施,电源或电器会被烧毁或发生火灾,所以通常要在电路或电气设备中安装熔断器、保险丝等保险装置,以避免发生短路时出现不良后果。
4.由理想元件构成的电路称为实际电路的电路模型,也称为实际电路的电路原理图,简称为电路图。
常用理想元件及符号:
5.电流的基本概念:电路中电荷沿着导体的定向运动即形成电流,其方向规定为正电荷流动的方向(或负电荷流动的反方向),其大小等于在单位时间内通过导体横截面的电荷量,电流用符号I或i(t)表示,讨论一般电流时可用符号i。
6.常用的电流单位还有mA(毫安)、A(微安)、kA(千安)等,它们与安培的换算关系为1mA=10-3A;1A=10-6A;1kA=103A
7.如果电流的大小及方向都不随时间变化,即在单位时间内通过导体横截面的电荷量相等,则称之为稳恒电流或恒定电流,简称为直流。
8.如果电流的大小及方向均随时间变化,则称为变动电流。对电路分析来说,一种最为重要的变动电流是正弦交流电流,其大小及方向均随时间按正弦规律作周期性变化,将之简称为交流。
9.电阻元件是对电流呈现阻碍作用的耗能元件。
电阻定律
电阻元件的电阻值大小一般与温度有关,衡量电阻受温度影响大小的物理量是温度系数,其定义为温度每升高1C时电阻值发生变化的百分数。
如果设任一电阻元件在温度t1时的电阻值为R1,当温度升高到t2时电阻值为R2,则该电阻在t1~t2温度范围内的(平均)温度系数为
如果R2>R1,则>0,将R称为正温度系数电阻,即电阻值随着温度的升高而增大;如果R2<R1,则<0,将R称为负温度系数电阻,即电阻值随着温度的升高而减小。显然的绝对值越大,表明电阻受温度的影响也越大。
欧姆定律:U=RI或I=U/R=GU
电阻值R与通过它的电流I和两端电压U无关(即R=常数)的电阻元件称为线性电阻,其伏安特性曲线在U-I平面坐标系中为一条通过原点的直线。
电阻值R与通过它的电流I和两端电压U有关(即R常数)的电阻元件称为非线性电阻,其伏安特性曲线在U-I平面坐标系中为一条通过原点的曲线。
电功率(简称功率)所表示的物理意义是电路元件或设备在单位时间内吸收或发出的电能能量。两端电压为U、通过电流为I的任意二端元件(可推广到一般二端网络)的功率大小为P=UI
电能是指在一定的时间内电路元件或设备吸收或发出的电能量,用符号W表示,其国际单位制为焦耳(J),电能的计算公式为W=P·t=UIt
电气设备的额定值:
额定电压——电气设备或元器件所允许施加的最大电压。
额定电流——电气设备或元器件所允许通过的最大电流。
额定功率——在额定电压和额定电流下所消耗的功率,即允
许消耗的最大功率。
额定工作状态——电气设备或元器件在额定功率下的工作状态,也称满载状态。
轻载状态——电气设备或元器件在低于额定功率下的工作状态,轻载时电气设备不能得到充分利用或根本无法正常工作。
过载(超载)状态——电气设备或元器件在高于额定功率下的工作状态,过载时电气设备很容易被烧坏或造成严重事故。
轻载和过载都是不正常的工作状态,一般是不允许出现的。
焦耳定律:电流通过导体时产生的热量(焦耳热)为Q=I2Rt
衡量电源的电源力大小及其方向的物理量称为电源的电动势。
电动势的大小等于电源力把单位正电荷从电源的负极,经过电源内部移送到电源正极所作的功。如设W为电源中非静电力(电源力)把正电荷量q从电源负极经过电源内部移送到电源正极所作的功,则电动势大小电动势是一个标量。电动势的方向规定为从电源的负极经过电源内部指向电源的正极,即与电源两端电压的方向相反。
闭合电路的欧姆定律负载R获得最大功率的条件是R=R0,此时负载的最大功率值
电阻的串联:
1.等效电阻:R=R1R2···Rn
2.分压关系:
3.功率分配:
电阻的并联:
1.等效电导: G=G1G2···Gn即
2.分流关系:R1I1=R2I2=···=RnIn=RI=U
3.功率分配:R1P1=R2P2=···=RnPn=RP=U2
混联电路分析步骤:1.首先整理清楚电路中电阻串、并联关系,必要时重新画出串、并联关系明确的电路图;2.利用串、并联等效电阻公式计算出电路中总的等效电阻;3.利用已知条件进行计算,确定电路的端电压与总电流;4.根据电阻分压关系和分流关系,逐步推算出各支路的电流或各部分的电压。
万用表:万用表的基本原理是建立在欧姆定律和电阻串联分压、并联分流等规律基础之上的。一般的万用表可以测量直流电压、直流电流、电阻、交流电压等。
电阻的测量:1.直接测阻法 采用直读式仪表测量电阻,仪表的标尺是以电阻的单位(、k或M)为刻度的,可以直接读取测量结果。例如用万用表的挡测量电阻,就是直接测阻法。2.比较测阻法 采用比较仪器将被测电阻与标准电阻器进行比较,在比较仪器中接有检流计,当检流计指零时,可以根据已知的标准电阻器阻值,获取被测电阻的阻值。3.间接测阻法 通过测量与电阻有关的电量,然后根据相关公式计算,求出被测电阻的阻值。例如得到广泛应用的、最简单的间接测阻法是伏安法。它是用电流表测出通过被测电阻中的电流、用电压表测出被测电阻两端的电压,然后根据欧姆定律即可计算出被测电阻的阻值。
惠斯通电桥法可以比较准确地测量电阻,电桥平衡时,被测电阻为惠斯通电桥有多种形式,常见的是一种滑线式电桥,被测电阻为
电路中各点电位的计算:在电路中选定某一点A为电位参考点,就是规定该点的电位为零,即VA0。电路中某一点M的电位VM就是该点到电位参考点A的电压,也即M、A两点间的电位差,即VMUMA。
计算电路中某点电位的方法是:(1)确认电位参考点的位置;(2)确定电路中的电流方向和各元件两端电压的正、负极性;(3)从被求点开始通过一定的路径绕到电位参考点,则该点的电位等于此路径上所有电压降的代数和。电阻元件电压降写成RI形式,当电流I的参考方向与路径绕行方向一致时,选取“”号;反之,则选取“”号。电源电动势写成E形式,当电动势的方向与路径绕行方向一致时,选取“”号;反之,则选取“”号。
支路:电路中具有两个端钮且通过同一电流的无分支电路。
节点:电路中三条或三条以上支路的连接点。
回路:电路中任一闭合的路径。
网孔:不含有分支的闭合回路。
网络:在电路分析范围内,网络是指包含较多元件的电路。
基尔霍夫电流定律的第一种表述:在任何时刻,电路中流入任一节点中的电流之和,恒等于从该节点流出的电流之和,即I流入I流出
电流定律的第二种表述:在任何时刻,电路中任一节点上的各支路电流代数和恒等于零,即I0。
在使用基尔霍夫电流定律时,必须注意:
(1)对于含有n个节点的电路,只能列出(n1)个独立的电流方程。
(2)列节点电流方程时,只需考虑电流的参考方向,然后再带入电流的数值。为分析电路的方便,通常需要在所研究的一段电路中事先选定(即假定)电流流动的方向,称为电流的参考方向,通常用“→”号表示。电流的实际方向可根据数值的正、负来判断,当I>0时,表明电流的实际方向与所标定的参考方向一致;当I<0时,则表明电流的实际方向与所标定的参考方向相反。
(3)若两个网络之间只有一根导线相连,那么这根导线中一定没有电流通过。
(4)若一个网络只有一根导线与地相连,那么这根导线中一定没有电流通过。
基尔霍夫电压定律(KVL)内容:在任何时刻,沿着电路中的任一回路绕行方向,回路中各段电压的代数和恒等于零,即。
对于电阻电路来说,任何时刻,在任一闭合回路中,各段电阻上的电压降代数和等于各电源电动势的代数和,即RI=E。
利用RI=E列回路电压方程的原则:
(1)标出各支路电流的参考方向并选择回路绕行方向(既可沿着顺时针方向绕行,也可沿着逆时针方向绕行)。(2)电阻元件的端电压为±RI,当电流I的参考方向与回路绕行方向一致时,选取“+”号;反之,选取“”号。(3)电源电动势为E,当电源电动势的标定方向与回路绕行方向一致时,选取“+”号,反之应选取“”号。
支路电流法:以各支路电流为未知量,应用基尔霍夫定律列出节点电流方程和回路电压方程,解出各支路电流,从而可确定各支路(或各元件)的电压及功率,这种解决电路问题的方法称为支路电流法。
对于具有b条支路、n个节点的电路,可列出(n1)个独立的电流方程和b(n1)个独立的电压方程。
电容器的结构:两个彼此靠近又相互绝缘的导体,就构成了一只电容器。这对导体称为电容器的两个极板。
电容器的种类:电容器按其电容量是否可变,可分为固定电容器和可变电容器,可变电容器还包括半可变电容器。
电容器的作用:电容器是储存和容纳电荷的装置,也是储存电场能量的装置。电容器每个极板上所储存的电荷的量称为电容器的电荷量。
电容器的充电过程:将电容器两极板分别接到电源的正、负极上,使电容器两极板分别带上等量异种电荷,这个过程称为电容器的充电过程。
电容器的放电过程:用一根导线将电容器两极板相连,两极板上正、负电荷中和,电容器失去电荷量,这个过程称为电容器的放电过程。
平行板电容器:由两块相互平行、靠得很近、彼此绝缘的金属板所组成的电容器,称为平行板电容器。
电容器的电容:电容器所带电荷量与两极板间电压之比,称为电容器的电容
电容反映了电容器储存电荷能力的大小,它只与电容器本身的性质有关,与电容器所带的电荷量及电容器两极板间的电压无关。单位:电容的单位有F(法)、F(微法)、pF(皮法),它们之间的关系为1F=106F=1012pF
平行板电容器的电容C,与介电常数成正比,与两极板的正对面积S成正比,与极板间的距离d成反比,即
真空介电常数为08.861012F/m某种介质的介电常数与真空介电常数0之比,称为该介质的相对介电常数,用r表示,即r=/0
电容器的串联:串联时每个极板上的电荷量都是q。设每个电容器的电容分别为C1、C2、C3,电压分别为U1、U2、U3,则
总电压U等于各个电容器上的电压之和
串联电容器总电容的倒数等于各电容器电容的倒数之和。
电容器的并联:
电容器并联时,加在每个电容器上的电压都相等。设电容器的电容分别为C1、C2、C3,所带的电荷量分别为q1、q2、q3,则
电容器组储存的总电荷量q等于各个电容器所带电荷量之和,即
并联电容器的总电容等于各个电容器的电容之和。
电容器的充电:充电过程中,随着电容器两极板上所带的电荷量的增加,电容器两端电压逐渐增大,充电电流逐渐减小,当充电结束时,电流为零,电容器两端电压UC=E
电容器的放电:放电过程中,随着电容器极板上电荷量的减少,电容器两端电压逐渐减小,放电电流也逐渐减小直至为零,此时放电过程结束。
电容器充、放电电流:充放电过程中,电容器极板上储存的电荷发生了变化,电路中有电流产生。其电流大小为
电容器质量的判别:利用电容器的充、放电作用,可用万用表的电阻挡来判别较大容量电容器的质量。将万用表的表棒分别与电容器的两端接触,若指针偏转后又很快回到接近于起始位置的地方,则说明电容器的质量很好,漏电很小;若指针回不到起始位置,停在标度盘某处,说明电容器漏电严重,这时指针所指处的电阻数值即表示该电容的漏电阻值;若指针偏转到零欧位置后不再回去,说明电容器内部短路;若指针根本不偏转,则说明电容器内部可能断路。
当充电结束时,电容器两极板间的电压达到稳定值UC,此时,电容器所储存的电场能量应为整个充电过程中电源运送电荷所做的功之和,
磁场:磁体周围存在的一种特殊的物质称为磁场。磁体间的相互作用力是通过磁场传送的。磁体间的相互作用力称为磁场力,同名磁极相互排斥,异名磁极相互吸引。
磁场的性质:磁场具有力的性质和能量性质。
磁场方向:在磁场中某点放一个可自由转动的小磁针,它N极所指的方向即为该点的磁场方向。
磁感线:在磁场中画一系列曲线,使曲线上每一点的切线方向都与该点的磁场方向相同,这些曲线称为磁感线。
磁感线特点:(1)磁感线的切线方向表示磁场方向,其疏密程度表示磁场的强弱。(2)磁感线是闭合曲线,在磁体外部,磁感线由N极出来,绕到S极;在磁体内部,磁感线的方向由S极指向N极。(3)任意两条磁感线不相交。
匀强磁场:在磁场中某一区域,若磁场的大小、方向都相同,这部分磁场称为匀强磁场。匀强磁场的磁感线是一系列疏密均匀、相互平行的直线。
电流的磁场:直线电流所产生的磁场方向可用安培定则来判定,方法是:用右手握住导线,让拇指指向电流方向,四指所指的方向就是磁感线的环绕方向。环形电流的磁场方向也可用安培定则来判定,方法是:让右手弯曲的四指和环形电流方向一致,伸直的拇指所指的方向就是导线环中心轴线上的磁感线方向。螺线管通电后,磁场方向仍可用安培定则来判定:用右手握住螺线管,四指指向电流的方向,拇指所指的就是螺线管内部的磁感线方向。
电流的磁效应:电流的周围存在磁场的现象称为电流的磁效应。电流的磁效应揭示了磁现象的电本质。
磁感应强度:磁场中垂直于磁场方向的通电直导线所受的磁场力F与电流I和导线长度l的乘积Il的比值称为通电直导线所在处的磁感应强度B,即磁感应强度是描述磁场强弱和方向的物理量。
磁通:在磁感应强度为B的匀强磁场中取一个与磁场方向垂直,面积为S的平面,则B与S的乘积,称为穿过这个平面的磁通量,简称磁通。即 =BS
磁导率:物质导磁性能的强弱用磁导率来表示。的单位是H/m(亨/米)。不同的物质磁导率不同。在相同的条件下,值越大,磁感应强度B越大,磁场越强;值越小,磁感应强度B越小,磁场越弱。真空中的磁导率是一个常数,用0表示 0=4107H/m。
相对磁导率r:为便于对各种物质的导磁性能进行比较,以真空磁导率0为基准,将其他物质的磁导率与0比较,其比值称为相对磁导率,用r表示,即
根据相对磁导率r的大小,可将物质分为三类:(1)顺磁性物质:r略大于1,如空气、氧、锡、铝、铅等物质都是顺磁性物质。在磁场中放置顺磁性物质,磁感应强度B略有增加。(2)反磁性物质:r略小于1,如氢、铜、石墨、银、锌等物质都是反磁性物质,又称为做抗磁性物质。在磁场中放置反磁性物质,磁感应强度B略有减小。(3)铁磁性物质:r>>1,且不是常数,如铁、钢、铸铁、镍、钴等物质都是铁磁性物质。在磁场中放入铁磁性物质,可使磁感应强度B增加几千甚至几万倍。
磁场强度:在各向同性的媒介质中,某点的磁感应强度B与磁导率之比称为该点的磁场强度,记做H。即(磁场中各点的磁场强度H的大小只与产生磁场的电流I的大小和导体的形状有关,与磁介质的性质无关。)
磁场对直线电流的作用力:磁场对放在其中的通电直导线有力的作用,这个力称为安培力。或,安培力F的方向可用左手定则判断:伸出左手,使拇指与其他四指垂直,并都与手掌在一个平面内,让磁感线穿入手心,四指指向电流方向,大拇指所指的方向即为通电直导线在磁场中所受安培力的方向。
磁化:本来不具备磁性的物质,由于受磁场的作用而具有了磁性的现象称为该物质被磁化。只有铁磁性物质才能被磁化。
被磁化的原因:(1)内因:铁磁性物质是由许多被称为磁畴的磁性小区域组成的,每一个磁畴相当于一个小磁铁。
(2)外因:有外磁场的作用。
磁化曲线:铁磁性物质的磁感应强度B与外磁场的磁场强
度H之间的关系曲线,所以又叫B-H曲线。
从S开始,B几乎不随H的增大而增大,介质的磁化达到饱和。与S对应的HS称饱和磁场强度,相应的BS称饱和磁感应强度。
当铁磁质达到饱和状态后,缓慢地减小H,铁磁质中的B并不按原来的曲线减小,并且H=0时,B不等于0,具有一定值,这种现象称为剩磁。
要完全消除剩磁Br,必须加反向磁场,当B=0时磁场的值Hc为铁磁质的矫顽力。
当反向磁场继续增加,铁磁质的磁化达到反向饱和。反向磁场减小到零,同样出现剩磁现象。不断地正向或反向缓慢改变磁场,磁化曲线为一闭合曲线—磁滞回线。
改变交变磁场强度H的幅值,可相应得到一系列大小不一的磁滞回线,如图5-11所示。连接各条对称的磁滞回线的顶点,得到一条磁化曲线,叫基本磁化曲线。
磁滞损耗:铁磁性物质在交变磁化时,磁畴要来回翻转,在这个过程中,产生了能量损耗,称为。磁滞回线包围的面积越大,磁滞损耗就越大,所以剩磁和矫顽磁力越大的铁磁性物质,磁滞损耗就越大。因此,磁滞回线的形状常被用来判断铁磁性物质的性质和作为选择材料的依据。
不同铁磁性物质的磁滞回线形状相差很大,分为软磁材料,硬磁材料,矩磁铁氧体材料。
软磁材料特点及应用:特点磁导率大,矫顽力小,容易磁化,也容易退磁,磁滞回线包围面积小,磁滞损耗小。应用硅钢片,作变压器、电机、电磁铁的铁芯,铁氧体(非金属)作高频线圈的磁芯材料。
硬磁材料特点及应用:特点剩余磁感应强度大,矫顽力大,不容易磁化,也不容易退磁,磁滞回线宽,磁滞损耗大。应用作永久磁铁,永磁喇叭等。
特点磁滞回线呈矩形状。应用作计算机中的记忆元件,磁化时极性的反转构成了“0”与“1”的物理载体。
充磁和消磁:(了解内容)
如图5-12所示,当线圈中通以电流后,大部分磁感线沿铁心、衔铁和工作气隙构成回路,这部分磁通称为主磁通;还有一部分磁通,没有经过气隙和衔铁,而是经空气自成回路,这部分磁通称为漏磁通。
磁路:磁通经过的闭合路径叫磁路。磁路和电路一样,分为有分支磁路和无分支磁路两种类型。
磁动势:把通过线圈的电流I与线圈匝数N的乘积,称为磁动势,
也叫磁通势,即Em=NI磁动势Em的单位是安培(A)。
磁阻:就是磁通通过磁路时所受到的阻碍作用,用Rm表示。磁路中磁阻的大小与磁路的长度l成正比,与磁路的横截面积S成反比,并与组成磁路的材料性质有关。因此有式中,为磁导率,单位H/m;长度l和截面积S的单位分别为m和m2。因此,磁阻Rm的单位为1/亨(H1)。由于磁导率不是常数,所以Rm也不是常数。
电磁感应现象:当闭合回路中一部分导体在磁场中做切割磁感线运动时,回路中就有电流产生。由磁产生电的现象,称为电磁感应现象,产生的电流称为感应电流。
磁感应条件:当穿过闭合回路的磁通发生变化时,回路中就有感应电流产生。
感应电流方向可用右手定则来判断。伸开右手,使拇指与四指垂直,并都跟手掌在一个平面内,让磁感线穿入手心,拇指指向导体运动方向,四指所指即为感应电流的方向。
楞次定律:当将磁铁插入或拔出线圈时,线圈中感应电流所产生的磁场,总是阻碍原磁通的变化。这就是楞次定律。
感应电动势:电磁感应现象中,闭合回路中产生了感应电流,说明回路中有电动势存在。在电磁感应现象中产生的电动势称为感应电动势。在电源内部,电流从电源负极流向电源正极,电动势的方向也是由负极指向正极,因此感应电动势的方向与感应电流的方向一致,仍可用右手定则和楞次定律来判断。
电磁感应定律:单匝线圈中产生的感应电动势的大小,与穿过线圈的磁通变化率/t成正比,即对于N匝线圈,有式中N表示线圈匝数与磁通的乘积,称为磁链,用表示。即=N于是有。
当线圈中的电流变化时,线圈本身就产生了感应电动势,这个电动势总是阻碍线圈中电流的变化。这种由于线圈本身电流发生变化而产生电磁感应的现象称为自感现象,简称自感。在自感现象中产生的感应电动势,称为自感电动势。
电感的计算:
两个相邻的闭合线圈,当一个线圈中的电流发生变化时,在另一个线圈中产生磁通量的变化,从而引起感应电动势的现象叫互感现象,相应产生的感应电动势叫互感电动势。
互感磁通:当两个靠的很近和线圈,一个线圈中有电流i1通过时,它所产生的自感磁通ф11,必然有一部份穿过第二个线圈,这一部份磁通称为互感磁通。有ф21表示。产生了互感磁链ψ21=Nф21。
互感电动势的大小:
互感系数:在两个有磁交链(耦合)的线圈中,互感磁链于产生该磁链电流的比值,M值与线圈的形状、几何位置、空间媒质有关,与线圈中的电流无关。
同名端:当两个电流分别从两个线圈的对应端子同时流入或流出,若所产生的磁通相互加强时,则这两个对应端子称为两互感线圈的。
确定同名端的方法:(1)当两个线圈中电流同时由同名端流入(或流出)时,两个电流产生的磁场相互增强。(2)当随时间增大的时变电流从一线圈的一端流入时,将会引起另一线圈相应同名端的电位升高。
理想变压器的主要性能:
(1)变压关系(2)变流关系(3)变阻关系
涡流:把块金属放在交变磁场中,金属块内会产生感生电流,在金属块内自成回路。
磁屏蔽:为了避免电磁干扰,把某些器件屏蔽起来,使其免受外界磁场的影响。这种措施称做磁屏蔽。常用软磁性材料。
正弦交流电:大小及方向均随时间按正弦规律做周期性变化的电流、电压、电动势称为正弦交流电流、电压、电动势,在某一时刻t的瞬时值可用三角函数式(解析式)来表示,即
i(t)=Imsin(ti0)u(t)=Umsin(tu0)e(t)=Emsin(te0)
式中,Im、Um、Em分别称为交流电流、电压、电动势的振幅(也称为峰值或最大值),电流的单位为A(安),电压和电动势的单位为V(伏);称为交流电的角频率,单位为rad/s(弧度/秒),它表征正弦交流电流每秒内变化的电角度;i0、u0、e0分别称为电流、电压、电动势的初相位或初相,单位为rad(弧度)或(度),它表示初始时刻(t=0时)正弦交流电所处的电角度。
振幅、角频率、初相这三个参数称为正弦交流电的三要素。任何正弦量都具备三要素。
周期:正弦交流电完成一次循环变化所用的时间称为周期,用字母T表示,单位为s(秒)。显然正弦交流电流或电压相邻的两个最大值(或相邻的两个最小值)之间的时间间隔即为周期,由三角函数知识可知
频率:交流电周期的倒数称为频率(用符号f表示),即它表示正弦交流电流在单位时间内作周期性循环变化的次数,即表征交流电交替变化的速率(快慢)。频率的国际单位制是Hz(赫)。
在电工技术中,有时并不需要知道交流电的瞬时值,而规定一个能够表征其大小的特定值——有效值,其依据是交流电流和直流电流通过电阻时,电阻都要消耗电能(热效应)。
正弦交流电流、电压、电动执的有效值分别为
相位和相位差:任意一个正弦量y=Asin(t+0)的相位为(t+0),本章只涉及两个同频率正弦量的相位差(与时间t无关)。设第一个正弦量的初相为01,第二个正弦量的初相为02,则这两个正弦量的相位差为12=0102。并规定|12|≤180或|12|≤
在讨论两个正弦量的相位关系时:
(1)当12>0时,称第一个正弦量比第二个正弦量越前(或超前)12;
(2)当12<0时,称第一个正弦量比第二个正弦量滞后(或落后)|12|;
(3)当12=0时,称第一个正弦量与第二个正弦量同相。
(4)当12=或180时,称第一个正弦量与第二个正弦量反相。
(5)当12=或90时,称第一个正弦量与第二个正弦量正交。
波形图表示法:
振幅矢量表示法:最大值矢量表示法是用正弦量的最大值作为矢量的模(大小),用初相角作为矢量的幅角。
有效值矢量表示法:有效值矢量表示法是用正弦量的有效值作为矢量的模(长度大小),仍用初相角作为矢量的幅角:
感抗:反映电感对交流电流阻碍作用程度的参数称为感抗。
纯电感电路中通过正弦交流电流的时候,所呈现的感抗XL=L=2fL
电感在电路中的作用:用于“通直流、阻交流”的电感线圈称为低频扼流圈,用于“通低频、阻高频”的电感线圈称为高频扼流圈。
反映电容对交流电流阻碍作用程度的参数称为容抗。容抗按下式计算
电容在电路中的作用:在电路中,用于“通交流、隔直流”的电容器称为隔直电容器;用于“通高频、阻低频”将高频电流成分滤除的电容器称为高频旁路电容器。
RLC串联电路:由电阻、电感、电容相串联构成的电路称为RLC串联电路。
在UL>UC、ULC、UL=UC、时的电压电流矢量图如下:
阻抗关系式为:其中X=XLXC称为电抗。
阻抗三角形的关系:由矢量图可以看出总电压与电流的相位差
阻抗角
RLC串联电路的性质:
1.感性电路:当X>0时,即XL>XC,>0,电压u比电流i超前,称电路呈感性;
2.容性电路:当X<0时,即XL<XC,<0,电压u比电流i滞后||,称电路呈容性;
3.谐振电路:当X=0时,即XL=XC,=0,电压u与电流i同相,称电路呈电阻性;
瞬时功率p:设正弦交流电路的总电压u与总电流i的相位差(即阻抗角)为,则电压与电流的瞬时值表达式为u=Umsin(t),i=Imsin(t)瞬时功率为p=ui=UmImsin(t)sin(t)
式中为电压有效值,为电流有效值。
有功功率P与功率因数:瞬时功率在一个周期内的平均值称为平均功率,它反映了交流电路中实际消耗的功率,所以又称为有功功率,用P表示,单位是W(瓦)。
在瞬时功率P=UIcos[1cos(2t)]UIsinsin(2t)中,第一项与电压和电流相位差的余弦值cos有关,在一个周期内的平均值为UIcos;第二项与电压和电流相位差的正弦值sin有关,在一个周期内的平均值为零。则瞬时功率在一个周期内的平均值(即有功功率)P=UIcos=UI其中=cos称为正弦交流电路的功率因数。
视在功率S:在交流电路中,电源电压有效值与总电流有效值的乘积(UI)称为视在功率,用S表示,即S=UI,单位是VA(伏安)。
S代表了交流电源可以向电路提供的最大功率,又称为电源的功率容量。于是交流电路的功率因数等于有功功率与视在功率的比值,即所以电路的功率因数能够表示出电路实际消耗功率占电源功率容量的百分比。
无功功率Q:在瞬时功率p=UIcos[1cos(2t)]UIsinsin(2t)中,第二项表示交流电路与电源之间进行能量交换的瞬时功率,|UIsin|是这种能量交换的最大功率,并不代表电路实际消耗的功率。
定义:Q=UIsin把它称为交流电路的无功功率,用Q表示,单位是乏尔,简称乏(var)。
功率三角形:当>0时,Q>0,电路呈感性;当<0时,Q<0,电路呈容性;当=0时,Q=0,电路呈电阻性。显然,有功功率P、无功功率Q和视在功率S三者之间成三角形关系,即这一关系称为。
提高功率因数的意义:在交流电力系统中,负载多为感性负载。它除了需要从电源取得有功功率外,还要从电源取得磁场的能量,并与电源作周期性的能量交换。功率因数低会引起下列不良后果。(1)负载的功率因数低,使电源设备的容量不能充分利用。(2)在一定的电压U下,向负载输送一定的有功功率P时,负载的功率因数越低,输电线路的电压降和功率损失越大。提高负载的功率因数对合理科学地使用电能以及国民经济都有着重要的意义。
提高功率因数的方法:提高感性负载功率因数的最简便的方法,是用适当容量的电容器与感性负载并联。
对称三相电动势
振幅相等、频率相同,在相位上彼此相差120的三个电动势称为对称三相电动势。对称三相电动势瞬时值的数学表达式为
第一相(U相)电动势:e1=Emsint
第二相(V相)电动势:e2=Emsin(t120)
第三相(W相)电动势:e3=Emsin(t120)
显然,有e1e2e3=0。波形图与矢量图如图
相序:三相电动势达到最大值(振幅)的先后次序称为相序。e1比e2超前120,e2比e3超前120,而e3又比e1超前120,称这种相序称为正相序或顺相序;反之,如果e1比e3超前120,e3比e2超前120,e2比e1超前120,称这种相序为负相序或逆相序。相序是一个十分重要的概念,为使电力系统能够安全可靠地运行,通常统一规定技术标准,一般在配电盘上用黄色标出U相,用绿色标出V相,用红色标出W相。
一、三相负载的Y联结(星形联结)
因三相对称交流电任意时刻三相电流的代数和为零,故三相负载对称中的电流必为三相对称交流电,故三相负载对称的三个相电流的代数和必为零,三相负载的末端连结在一起后不必接电源中性线。
①中性点
a.电源中性点N:三相电源负端的公共点。
b.负载中性点N’:三相负载的公共点。
负载星形连接的电路有两种结构:
②三相四线制:
电源和负载均采用星形连接,三相电源正端分别把三相负载的末端相连,电源中性点和负载中性点相连的电路,称为三相四线制电路,如图4.6(a)。
③三相三线制:
将三相四线制电路中中性线去掉的电路称为三相三线制电路,如图4.6(b)。
④线电流:相线上流过的电流。
⑤相电流:流过一相负载的电流。
⑥中线电流:流过中性线上的电流。
2.基本规律
对于三相四线制电路,有:
①负载相电压等于相应电源相电压
相电流:
②线电流等于相电流
③中线电流:(4.5)
对称三相四线制电路:
三相电流对称,此时中线电流为零,就可省去中线,接成图4.6(b)所示的三相三线制电路。
①三相电流对称:
②中线电流为零,可省去中线,变成三相三线制电路。
一般情况下,三相负载不对称,中性线上有电流,所以中性线必须保留。
二、三相负载的联结(三角形形联结):
1.概念:三相负载连接成三角形,称为三角形连接负载,如图4.8(a)所示。
2.基本规律:
⑴一般情况
①负载的相电压等于电源线电压。
②相电流。
③线电流。
⑵三相负载对称:相电流和线电流都对称。
①相电流。
②线电流。
③线电流与相电流关系:
有效值:相位:线电流滞后相应相电流
④三个线电流关系:
电流对人体的作用:人体因触及高电压的带电体而承受过大的电流,以致引起死亡或局部受伤的现象称为触电。触电对人体的伤害程度,与流过人体电流的频率、大小、通电时间的长短、电流流过人体的途径以及触电者本人的情况有关。触电事故表明,频率为50~100Hz的电流最危险,通过人体的电流超过50mA(工频)时,就会产生呼吸困难、肌肉痉挛、中枢神经遭受损害从而使心脏停止跳动以至死亡,电流流过大脑或心脏时,最容易造成死亡事故。通常人体的电阻为800至几万欧不等。通常规定36V以下的电压为安全电压,对人体安全不构成威胁。常见的触电方式有单相触电和两相触电。人体同时接触两根相线,形成两相触电,这时人体受380V的线电压作用,最为危险。单相触电是人体在地面上,而触及一根相线,电流通过人体流入大地造成触电。此外,某些电气设备由于导电绝缘破损而漏电时,人体触及外壳也会发生触电事故。
常用的安全措施:(1)正确安装用电设备电气设备要根据说明和要求正确安装,不可马虎。带电部分必须有防护罩或放到不易接触到的高处,以防触电。(2)电气设备的保护接地把电气设备的金属外壳用导线和埋在地中的接地装置连接起来,称为保护接地,适用于中性点不接地的低压系统中。电气设备采用保护接地以后,即使外壳因绝缘不好而带电,这时工作人员碰到机壳就相当于人体和接地电阻并联,而人体的电阻远比接地电阻大,因此,流过人体的电流就很微小,保证了人身安全。(3)电气设备的保护接零保护接零就是在电源中性点接地的三相四线制中,把电气设备的金属外壳与中性线连接起来。这时,如果电气设备的绝缘损坏而碰壳,由于中性线的电阻很小,所以,短路电流很大,立即使电路中的熔断丝烧断,切断电源,从而消除触电危险。(4)使用漏电保护装置漏电保护装置的作用主要是防止由漏电引起的触电事故和单相触电事故;其次是防止由漏电引起火灾事故以及监视或切除一相接地故障。有的漏电保护装置还能切除三相电动机的断相运行故障。
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