[工学]交变电流复习课件

交变电流复习课件本课件是电气工程基础知识的全面回顾，专注于交变电流理论与应用的深入学习课件内容覆盖了从基础电路理论到三相交流电系统的完整知识体系，适用于工程技术课程的系统性复习课程概述课程目标与学习要点主要章节内容简介12掌握交变电流的基本概念、参涵盖电路基础、正弦交流电、数计算和电路分析方法，建立电容电感元件、三相交流电源完整的交流电理论体系和电磁转换等核心内容考核重点与方法第一章电路基础电路的基本组成部分电路中各部分的功能与作用电路图符号识别电路是由电源、用电器、连接导线和控电源提供电能，用电器消耗电能并将其掌握标准电路图符号是电路分析的基制装置四个基本部分组成的闭合系统转换为其他形式的能量，连接导线负责础，包括电阻、电容、电感、电源、开每个部分都有其特定的功能和作用，共电能传输，控制装置则用于控制电路的关等常用元件的图形符号和文字标识同实现电能的传输、转换和控制通断和参数调节电路的组成电源提供电能的用电器消耗电能连接导线传输电控制装置控制电装置的装置能的途径路通断的装置电源是电路中提供电能用电器是消耗电能并将连接导线提供电流的传控制装置用于控制电路的装置，包括化学电源其转换为其他形式能量输路径，通常采用电阻的通断和工作状态，包电池、物理电源发电的装置，如电灯将电能率低的金属材料制成，括开关、继电器、接触机等类型，为整个电转换为光能和热能，电确保电能能够高效地从器等，实现对电路的安路提供持续稳定的电能动机将电能转换为机械电源传输到用电器全可靠控制供应能电流的概念与分类电流的物理定义与单位恒定电流直流电流电流是单位时间内通过导体横截恒定电流的大小和方向都不随时面的电荷量，定义式为I=Q/t，基间变化，用符号I表示在电路分本单位是安培A电流方向规定析中，直流电流具有稳定性好、为正电荷移动的方向分析简单的特点交变电流交变电流的大小和方向都随时间变化，用符号i表示这种电流在实际应用中更加普遍，特别是在电力系统中占据主导地位交变电流的特性周期性变化的电流交变电流最显著的特征是其周期性变化，电流的大小和方向按照一定的规律重复变化，这种变化通常遵循正弦函数规律频率与周期的关系频率f表示每秒钟完成的周期数，周期T表示完成一次完整变化所需的时间，两者之间的关系为f=1/T，我国工频为50Hz交变电流的有效值计算方法有效值是衡量交变电流效果的重要参数，对于正弦交流电，有效值等于最大值除以√2，即I=Im/√2，电表显示的通常是有效值实际应用中的主要优势交变电流在远距离输电、电压变换、电机驱动等方面具有显著优势，特别是通过变压器可以方便地改变电压等级，提高输电效率第二章正弦交流电的基本概念正弦交流电的产生交流电的基本参数相位关系与波形分析通过发电机中线圈在均匀磁场中匀速转包括振幅、周期、频率、角频率和相位研究不同交流量之间的相位差和波形特动产生等征正弦交流电的产生原理发电机旋转原理发电机的转子在定子磁场中匀速旋转，电磁感应现象2转子绕组不断切割磁感线，使得感应电动势按正弦规律变化当导体在磁场中切割磁感线时，根据法1拉第电磁感应定律，导体中会产生感应感应电动势的产生过程电动势，这是交流电产生的物理基础线圈在磁场中旋转时，有效切割长度按正弦规律变化，产生的感应电动势3e=BLvsinωt，形成正弦交流电正弦交流电的基本参数Im T振幅最大值周期正弦交流电在一个周期内达到的最大瞬时值完成一次完整变化所需的时间，单位为秒fω频率角频率每秒钟完成的周期数，f=1/T，单位为赫兹ω=2πf，表示单位时间内相位角的变化量正弦交流电的数学表达式时域表达式1i=Im·sinωt+φ这是正弦交流电最基本的数学表达式，其中Im为电流最大值，ω为角频率，φ为初相位角，完整描述了交流电的时间变化规律相量表示法的优势2相量表示法将正弦量用复数表示，简化了交流电路的计算过程，特别是在分析多个正弦量的相位关系时具有明显优势复数表示法的应用3利用欧拉公式ejωt=cosωt+jsinωt，可以将正弦函数转换为复指数函数，便于进行代数运算和相位分析正弦交流电的相量表示法相量在复数平面上的表示1相量的模表示幅值，幅角表示相位相量图的绘制方法2在复平面上用矢量表示正弦量相量运算规则3相量的加减法遵循矢量运算法则相量定义与物理意义4相量是表示正弦量幅值和相位的复数交流电的有效值有效值的计算方法1基于热效应等效原理计算与最大值的关系Ieff=Im/√22正弦交流电有效值为最大值的1/√2倍物理意义及应用3表示交流电产生热效应的等效直流电值测量仪器的示数含义4电表显示的通常是有效值而非瞬时值交流电参数的测量方法有效值测量电流相位测量示波器功率测量功率表表、电压表示波器能够显示交流电的功率表采用电动式原理，交流电流表和电压表采用波形，通过比较不同信号能够直接测量交流电路的热电式、电磁式或数字式的时间差来测量相位差，有功功率，其读数等于电原理，直接显示交流电的是分析交流电路相位关系压、电流和功率因数的乘有效值，为电路分析和设的重要工具积备选型提供准确数据频率测量频率计频率计通过计数原理测量交流电的频率，现代数字频率计具有高精度和宽测量范围的特点第三章电容元件电容的结构与原理电容的参数与标识电容在交流电路中的应用电容器由两个相互绝缘的导体极板组电容的主要参数包括容值、额定电压、电容在交流电路中表现为容抗特性，能成，中间填充介电材料当极板间施加误差和温度系数标识方法有直标法、够阻止电压突变，常用于滤波、耦合、电压时，极板上积累电荷，形成电场储色环法和数字法，不同类型电容采用不移相和功率因数校正等应用场合存电能电容的储能原理是电场能的储同的标识方式存和释放电容的基本概念电容的定义C=Q/U电容定义为电容器储存的电荷量与极板间电压的比值，反映了电容器储存电荷的能力，是电容器的基本特性参数电容的单位法拉F法拉是电容的基本单位，常用单位还有微法μF、纳法nF和皮法pF，实际应用中多采用微法以下的单位常见电容的类型与结构包括陶瓷电容、电解电容、薄膜电容等，不同类型具有不同的介电材料和结构特点，适用于不同的应用场合电容的选择与使用选择电容时需要考虑容值、耐压、频率特性、温度特性和体积等因素，确保电容能够在预期工作条件下可靠运行电容的参数标注标注方法直标法数字法色环法容值表示直接标注数值三位数字代码颜色代表数字电压等级标注额定电压字母代码特殊颜色表示误差范围±百分比字母代码最后一环颜色温度系数ppm/°C字母组合不常用电容在交流电路中的特性电容阻抗XC=1/ωC电容阻抗与频率成反比，频率越高，容抗越小这一特性使电容具有通高频，阻低频的特点，广泛应用于滤波电路中电压与电流的相位关系在纯电容电路中，电流超前电压90°，这是因为电容器的充放电过程导致电流变化先于电压变化，体现了电容的储能特性频率对阻抗的影响随着频率增加，容抗减小，电容对高频信号的阻碍作用降低，这一特性在高频电路设计和信号处理中具有重要意义阻抗三角形在复平面上，电容阻抗表现为负虚数，阻抗三角形显示了电容性电路中电阻、容抗和总阻抗之间的关系第四章电感元件电感的参数与标识主要参数包括电感量、额定电流、直流电阻电感的结构与原理2和品质因数等电感器通常由导线绕制成线圈形式，利1用电磁感应原理工作，能够储存磁场能电感在交流电路中的应用量3常用于滤波、储能、阻流和谐振电路等应用场合电感的基本概念电感的定义L=Ψ/i电感定义为通过线圈的磁链与产生该磁链的电流之比，反映了线圈产生磁链的能力电感的大小取决于线圈的几何结构、匝数和磁性材料电感的单位亨利H亨利是电感的基本单位，常用单位还有毫亨mH和微亨μH实际应用中，根据电感值的大小选择合适的单位表示常见电感的类型与结构包括空心电感、铁心电感、磁环电感等不同类型的电感具有不同的电感量范围、频率特性和应用场合自感与互感自感是线圈自身产生的电磁感应现象，互感是两个线圈之间的电磁耦合现象互感是变压器和电感耦合电路的工作基础电感在交流电路中的特性阻抗三角形频率对阻抗的影响电压与电流的相位关系在复平面上，电感阻抗表现为正电感阻抗感抗随频率线性增加，在低频时虚数，阻抗三角形清晰地显示了XL=ωL在纯电感电路中，电压超前电流感抗较小，在高频时感抗很大，感性电路中各阻抗分量之间的几电感阻抗与频率成正比，频率越90°，这是由于电感器阻止电流变这一特性在电源滤波和射频电路何关系高，感抗越大这使得电感具有化的特性，体现了电感的储能和中得到广泛应用通低频，阻高频的特性，常用于释能过程低通滤波器设计第五章交流电路分析单一元件电路分析1分析纯电阻、纯电感、纯电容电路的电压电流关系和功率特性复合电路分析方法2运用相量法分析包含多种元件的复合电路阻抗与导纳概念3建立完整的交流电路分析理论体系纯电阻电路电阻特性电压与电流同平均功率u=P=相位Ri I²R纯电阻电路中，电在纯电阻电路中，电阻消耗的功率完压与电流遵循欧姆电压和电流的波形全转换为热能，平定律，电阻值不随完全相同，相位差均功率等于有效值频率变化，是最基为零，两者同时达电流的平方乘以电本的电路元件到最大值和最小值阻值，功率恒为正值实际应用举例电热器、白炽灯、电阻加热器等都是纯电阻性负载的典型应用，将电能高效转换为热能和光能纯电感电路电感特性u=Ldi/dt电感电压与电流变化率成正比电压超前电流°90相位关系体现电感储能特性平均功率为零理想电感不消耗有功功率电感储能特性储存和释放磁场能量纯电容电路电容特性电流超前电压°i=Cdu/dt90电容电流与电压变化率成正比，体现了在纯电容电路中，电流相位超前电压1电容对电压变化的响应特性，电流的大90°，这是由于电容的充放电过程使得电2小取决于电压的变化速度流变化先于电压变化电容储能特性平均功率为零4电容器通过建立电场来储存能量，储能理想电容器在一个完整周期内不消耗功3公式为W=½CU²，在交流电路中实现能率，只是在充电和放电过程中储存和释量的周期性储存和释放放电场能量串联电路R-L相量图分析1用相量图清晰显示各电压分量关系功率因数cosφ=R/Z2功率因数表征电路的功率特性阻抗计算Z=√R²+XL²3总阻抗为电阻和感抗的矢量和电压与电流的相位关系4电压超前电流的相位角φ=arctanXL/R串联电路R-C电压与电流的相位关系阻抗计算功率因数相量图分析Z=√R²+cosφ=R/ZXC²在R-C串联电路中，由于电容相量图中电阻电压与电流同的存在，电流超前总电压一R-C串联电路的总阻抗是电阻功率因数等于电阻与总阻抗相，电容电压滞后电流90°，个相位角φ，该相位角的大小和容抗的矢量和，由于容抗模值的比值，表示电路中有总电压是两个分电压的相量取决于电阻和容抗的相对为负虚数，总阻抗的计算需功功率所占的比例R-C电路和，相量图直观地反映了各值当容抗大于电阻时，电要考虑相位关系阻抗模值的功率因数为正值，相位角量间的相位关系路呈现较强的电容性按照勾股定理计算为负值串联电路R-L-CZφ阻抗计算相位角计算Z=√[R²+XL-XC²]，总阻抗取决于φ=arctan[XL-XC/R]，相位角由感感抗和容抗的差值容抗差值决定₀f谐振频率₀f=1/2π√LC，此时XL=XC，电路呈纯电阻性谐振电路特性谐振条件与频率1₀当XL=XC时电路发生谐振，此时阻抗最小，电流最大谐振频率f由电感和电容的乘积决定，与电阻无关谐振时的电路特点2谐振时电路呈纯电阻性，电压与电流同相，功率因数为1，电感和电容上的电压可能远大于外加电压品质因数值3QQ=ωL/R=1/ωRC，品质因数越高，谐振越尖锐，选择性越好，但通频带越窄频率响应曲线4₀以谐振频率为中心的钟形曲线，3dB带宽Δf=f/Q，曲线的尖锐程度由Q值决定功率因数功率因数定义cosφ1有功功率与视在功率的比值功率因数的物理意义2反映电路中有功功率的利用效率提高功率因数的方法3并联电容器进行无功补偿功率因数对电路效率的影响4影响设备利用率和输电损耗交流电路的功率视在功率S=UI视在功率是电压有效值与电流有效值的乘积，单位为伏安VA，表示电路传输功率的能力，是选择电气设备容量的重要依据有功功率P=UIcosφ有功功率是实际消耗的功率，单位为瓦特W，能够转换为其他形式的能量，如热能、机械能等，是衡量电路做功能力的指标无功功率Q=UIsinφ无功功率表示电路中储能元件与电源之间的能量交换，单位为乏var，虽然不做功但影响电力系统的电压稳定和输电能力功率三角形三种功率构成直角三角形关系S²=P²+Q²，功率三角形直观地反映了各功率分量之间的关系和功率因数的物理意义功率计算与测量功率计的使用方法有功功率测量电路无功功率计算功率计采用电动式原理，电单相电路用一只功率计测无功功率可通过Q=√S²-压线圈接在负载两端，电流量，三相电路根据负载类型P²计算，或使用专门的无线圈串联在电路中，指针偏选择一表法、二表法或三表功功率表测量，对于对称三转角度与瞬时功率的平均值法，确保测量的准确性和安相电路，总无功功率等于各成正比全性相无功功率之和功率因数表的原理功率因数表是专门测量功率因数的仪表，通过测量电压、电流和功率的相位关系，直接显示cosφ值，便于功率因数的监测和调整第六章三相交流电源三相交流电的产生通过三相交流发电机产生，三个绕组在空三相交流电的基本概念间上相差120°布置三相系统的优势三相交流电是由三个频率相同、幅值相等、相位依次相差120°的正弦交流电组成的电力系统功率传输稳定、设备利用率高、经济性好213三相交流电源的产生三相交流发电机结构发电机定子上均匀分布着三组绕组，每组绕组在空间上相差120°，转子为电磁铁或永磁体，在定子内部旋转产生旋转磁场三相电势的产生原理当转子旋转时，三个定子绕组依次切割磁感线，由于绕组的空间位置不同，产生的感应电势在时间上依次相差120°三相电势的相位关系三相电势的瞬时值表达式为eA=Emsinωt，eB=Emsinωt-120°，eC=Emsinωt-240°，三者相位依次滞后120°线电压与相电压相电压是每相绕组的电压，线电压是线路之间的电压在Y型连接中，线电压等于√3倍相电压且超前相电压30°三相交流电的相量表示相量图的绘制正序与负序系统三相电势相量在复平面上呈120°均匀分布，相量的模长相等，表示三相正序系统相位依次超前120°，负序系统相位依次滞后120°，影响电机转电势的对称性向123相序的概念与判断相序是指三相电势达到最大值的先后顺序，正序为A-B-C-A，负序为A-C-B-A三相负载的连接方式星形连接三角形连接两种连接方式的特点比实际应用选择YΔ较星形连接将三相负载的一端三角形连接将三相负载首尾根据负载特性、功率需求和连接在一起形成中性点，另相连形成闭合三角形，每个星形连接启动电流小，有中安全要求选择连接方式一一端分别接三相电源这种负载承受线电压这种连接性线保护，适合不平衡负般低压照明用星形连接，大连接方式具有中性线，可以方式没有中性点，主要用于载；三角形连接功率大，效功率电机用三角形连接或星提供两种电压等级，适用于三相平衡负载，如三相电动率高，但启动电流大，主要三角启动照明和动力混合负载机用于大功率设备星形连接连接方式与特点星形连接将三相负载的末端连接在一起形成中性点N，始端分别连接三相电源这种连接提供了两种电压等级，增加了系统的灵活性和安全性线电流与相电流关系IL=Ip在星形连接中，流过每条线路的电流就是对应相负载的电流，线电流等于相电流这使得电流测量和保护设置变得简单直接线电压与相电压关系UL=√3Up线电压是相邻两线之间的电压，等于√3倍相电压，且在相位上超前对应的相电压30°我国低压系统线电压380V，相电压220V中性线的作用中性线为不平衡负载提供回路，保证各相电压稳定在对称负载时中性线电流为零，不平衡时中性线承载不平衡电流三角形连接实际应用场景1主要用于大功率三相电机和加热设备线电压与相电压关系UL=Up2线电压直接作用在每个负载上线电流与相电流关系IL=√3Ip3线电流是相邻两相电流的矢量差连接方式与特点4三相负载首尾相连形成闭合回路三相电路的功率计算P Q三相有功功率三相无功功率P=√3ULILcosφ，表示三相系统实Q=√3ULILsinφ，表示三相系统的无际消耗的功率功功率需求S三相视在功率S=√3ULIL，表示三相系统的视在功率容量三相不平衡负载分析不平衡负载的特点当三相负载的阻抗不相等时，各相电流不相等，中性点电位发生偏移，各相电压不再对称，系统运行效率降低中性线电流计算中性线电流等于三相电流的矢量和IN=IA+IB+IC，利用相量图或复数运算可以准确计算中性线电流的大小和相位不平衡系统的功率计算不平衡系统的总功率等于各相功率的代数和，需要分别计算每相的功率后求和，不能直接使用对称三相功率公式不平衡负载的处理方法通过负载调整、相序调换、加装平衡装置等方法减小不平衡度，提高系统运行效率和供电质量第七章电磁转换变压器工作原理利用互感原理实现电压等级转换，是电2电磁感应原理力系统中最重要的设备之一法拉第电磁感应定律是电磁转换的理论1基础，描述了磁通量变化产生感应电动电机基本原理势的规律基于电磁感应和电磁力原理，实现电能3与机械能的相互转换电磁感应现象法拉第电磁感应定律1感应电动势的大小等于磁通量变化率的负值ε=-dΦ/dt这一定律建立了磁场变化与电场产生之间的定量关系，是发电机和变压器工作的理论基础楞次定律2感应电流的方向总是阻碍引起它的磁通量变化楞次定律体现了能量守恒定律在电磁现象中的表现，确定了感应电流的方向自感与互感现象3自感是线圈自身磁通量变化产生的感应现象，互感是不同线圈间磁场耦合产生的感应现象，两者都是电磁感应的具体表现形式电磁感应应用实例4发电机、变压器、感应加热、涡流制动、电磁炉等设备都基于电磁感应原理工作，广泛应用于电力、工业和日常生活中变压器原理变压器的结构变压器的工作变压比与电原理压、电流关系变压器由铁心、原边绕组、副边绕组原边绕组通电产生变压比₁₂₁和绝缘材料组成交变磁通，磁通在k=N/N=U/U₂₂₁铁心提供磁路，绕铁心中传递到副边=I/I，电压比组实现电气连接，绕组，根据电磁感等于匝数比，电流整体结构紧凑高效应定律在副边产生比等于匝数比的倒感应电动势数变压器的损耗与效率主要损耗包括铜耗、铁耗和杂散损耗，现代电力变压器效率可达98%以上变压器的主要参数变压比₁₂₁₂₂₁k=N/N=U/U=I/I变压比是变压器最重要的参数，决定了电压变换的倍数升压变压器k1，降压变压器k1，变压比与绕组匝数比相等变压器容量额定容量是变压器在额定条件下能够安全传输的视在功率，单位为kVA或MVA，是选择变压器的重要依据空载电流与短路阻抗空载电流反映变压器的励磁特性，短路阻抗影响变压器的电压调节率和短路电流大小，是重要的技术参数变压器效率计算₂₁₂₂效率η=P/P=P/P+ΔP，其中ΔP为总损耗变压器在75%-80%负载时效率最高，设计时需要考虑效率曲线电机基本原理。