交流电原理交流电原理Word下载.docx

1、【交流电流的峰值】简谐函数是时间的周期函数。其简谐电流中的Im叫做电流的峰值，i为瞬时值。应该指出，峰值和位 相是按上式中Im为正值的要求定义的。如对下面形式的函数i二一5sin不应认为峰值为-5、初相为+Q,而应把函数先写成i=5sin从而看出其峰值为5,初位相为ci + n。【交流电流的有效值】在交流电变化的一个周期内，交流电流在电阻R上产生的热 量相当于多大数值的直流电流在该电阻上所产生的热量，此直流 电流的数值就是该交流电流的有效值。例如在同样两个电阻内， 分别通以交流电i和直流电I,通电时间相同，如果它们产生的总 热量相等，则说这两个电流是等效的。交流电的有效值通常用U 或来表示。U

2、表示等效电压，I表示等效电流。设一电阻R,通以 交流电i,在很短的一段时间dt内，流经电阻R的交流电可认为 是恒定的，因此在这很短的时间内在R上产生的热量dW=i2Rdt在一个周期内交流电在电阻上产生的总热量而直流电I在同 一时间T内在该电阻上产生的热量W=I2RT根据有效值的定义有所以有效值根据上式，有时也把有效值称为“平均根值”。 对正弦交流电，有i=Imsino）t,故而其中可见正弦交流电的有效 值等于峰值的倍。通常，交流电表都是按有效值来刻度的。一般 不作特别说明时，交流电的大小均是指有效值。例如市电220伏 特，就是指其有效值为220伏特，【交流电的平均值】交流电在半周期内，通过电路

3、中导体横截面的电量Q和其一 直流电在同样时间内通过该电路中导体横截面的电量相等时，这 个直流电的数值就称为该交流电在半周期内的平均值。对正弦交 流电流，即i=Imsinw t,则平均值与峰值的关系为故，正弦交流 电的平均值等于峰值的倍。对正弦交流电来说在上半周期内，一 定量的电量以某一方向流经导体的横截面，在下半周期内，同样 的电量却以相反的方向流经导体的横截面。因而在一个周期内， 流经导体横截面的总电量等于零，所以在一个周期内正弦交流电 的电流平均值等于零。如果直接用磁电式电表来测量交流电流， 将发现电表指针并不发生偏转。这是因为交流电流一会儿正，一 会儿为负，磁电式电表的指针无法适应。如果

4、附有整流器的磁电 式电表接入交流电路中如图3-46所示。那么在一周期内，只有 正半周的电流通过电表，如图3-47中的实线所示，负半周期电 流则过二极管D2而不通过表，图3-47中的虚线所示。在一周期 内通过电表的电流平均值为即半波整流后交流电的平均值和最大 值的关系为而交流电的有效值和最大值的关系为所以即正弦交 流电经半波整流后的平均值只有有效值的倍。【位相】在交流电中i = Imsin中的叫做位相。它表征函数在变化过程 中某一时刻达到的状态。例如，在阶段，当3t+l二0时达到取 零值的阶段，等等。a是t二0时的位相，叫初相。在实际问题 中，更重要的是两个交流电之间的位相差。图3-18画出了电

5、压 ul和u2的三种不同的位相差。图3 48a中可看到两个电压随时 间而变化的步调是一致的，同时到达各自的峰值，又同时下降为 零。故称这两个电压为同位相，也就是说它们之间的位相差为 零。3 48b中两个电压随时间变化的步调是相反的，ul为正半周 时，u2为负半周，ul达到正最大值时，u2达到负的最大值，则这 两个电压的位相相反，或者说它们之间的位相差为no图348c 中两个电压的变化步调既不一致也不相反，而是有一个先后，它 们之间的位相差介于0与n之间。从图348c中可以看出ul和 u2之间的位相差是n /2。总之，两个交流电压或电流之间的位 相差是它们之间变化步调的反映。【交流电路中的电阻】

6、纯电阻电路是最简单的一种交流电路。白炽灯、电炉、电烙 铁等的电路都可以看成是纯电阻电路。虽然纯电阻的电压和电流 都随时间而变，但对同一时刻，欧姆定律仍然成立，即的波形如 图3-49b所示。对纯电阻电路有：通过电阻R的电流和电压的频 率相同；通过电阻R的电流峰值和电压峰值的关系是的电流和电压同位相。图3-49a为纯电阻电路示意图。【交流电路中的电感】如图3 50所示，一个忽略了电阻的空心线圈和交流电流源 组成的电路称为“纯电感电路”。在纯电感电路中，电感线圈两 端的电压u和自感电动势eL间有u 二一 eL因自感电动势故有如果电路中的电流为正弦交流电流i=Imsin3t,则其中Um=ImwL为电感

7、两端电压的峰值。纯电感电路中的电压 和电流波形如图3-51所示。由此可见，对于纯电感电路：通过 电感L的电流和电压的频率相同；通过电感L的电流峰值和电压 峰值的关系是Um=ImwL其有效值之间的关系为U二I3L由上式可知，纯电感电路的电压大小和电流大小之比为3L称为电感元件的阻抗，或称感抗，通常用符号XL表示， 即XL=g）L=2 JrfLo式中，频率f的单位为赫兹，电感L的单位为亨利，感抗XL 的单位为欧姆。这说明，同一电感元件，对于不同频率的交流电 所呈现的感抗是不同的，这是电感元件和电阻元件不同的地方。 电感元件的感抗随交流电的频率成正比地增大。电感元件对高频 交流电的感抗大，限流作用大

8、，而对直流电流，因其f=0,故 XL=0,相当短路，所以电感元件在交流电路中的基本作用之一就 是“阻交流通直流”或“阻高频通低频”。各种扼流圈就是这方 面应用实例；在纯电感电路中，电感两端的电压位相超前其电流 位的变化成正比，而不是和电流的大小成正比。对于正弦交流 电，当电流i当电流为零时，其变化率为最大，电压也最大。所以两者的 相【交流电路中的电容】当把正弦电压u=Umsinwt加到电容器时，如图3 52所示， 由于电压随时间变化，电容器极板上的电量也随着变化。这样在 电容器电路中就有电荷移动。如果在dt时间内，电容器极板上的 电荷变化dq,电路中就要有db的电荷移动，因此电路中的电流对 电

9、容器来说，其极板上的电量和电压的关系是q 二 CU因此有其中Im=Uma）C为电路中电流的峰值。纯电容电路中的 电压和电流波形如图3-53所示。由此可见，对于纯电容电路： 通过电容C的电流和电压的频率相同；通过电容C的电流峰值和 电压峰值的关系是Im=Um wCI 二U3C由上式可知，纯电容电路中的电压大小与电流大小之比为表 示，即式中频率f的单位为赫兹，电容C的单位是法拉，容抗Xc 的单位为欧姆。可见，同一电容元件，对于不同频率的交流电所 呈现的容抗是不同的。由于电容器的容抗与交流电的频率成反 比，因此频率越高，容抗就越小，频率越低，容抗就越大。对直 流电来讲f二0,容抗为无限大，故相当于断

10、路。所以电容元件在交 流电路中的基本作用之一就是“隔直流，通交流”或“阻低频， 通高频”；率成正比，而不是和电压的大小成正比。对于正弦交流电， 当电压为零【交流电路中的欧姆定律】在交流电路中，电压、电流的峰值或有效值之间的关系和直 流电路中的欧姆定律相似，其等式为U二IZ或该式就是交流电路中 的欧姆定律。应该注意的是：由于电压和电流随元件不同而具有 位相差，所以电流和电压的有效值之间一般不是简单的数量的比 例关系。下面分两种基本电路来分析：在串联电路中，如图3 54 所示，R、L、C上的总电压不等于各段分电压的和，即UHUR+UL+Uc。压，决不是各个元件上电压的代数和而是矢 量和。在电阻R上

11、在电感L上，ZL二3L图3-55所示；在并联电路中，如图3-56所示，在R、L、C 上每个元件两端的瞬时电压都相等为U。每分路之间的电流和两端 电压之间的关系为不同元件上电流的相位也各有差异。纯电感上 电流相位落后于纯电阻电流所以分电流的矢量和即总电流【交流电功率】在交流电中电流、电压都随时间而变化，因此电流和电压的 乘积所表示的功率也将随时间而变化。交流电功率可分为：瞬时 功率、有功功率、视在功率以及无功功率。瞬时功率。由瞬时电 流和电压的乘积所表示的功率。Pt=i u,它随时间而变。对任意电路，i与u之间存在着相位差 i=Imsin3t, u=Umsino即在纯电阻电路中，电流和电压之间无

12、相 位差，即1）=0,瞬时功率Pt=IU位时间内所用的能量，或在一个 周期内所用能量和时间的比。在纯电阻电路中，纯电阻电路中有 功功率和直流电路中的功率计算方法表示完全一致，电压和电流 都用有效值计算。以上说明电感电路和电容电路中能量只能在电路中互换，即 电容与电源、电感与电源之间交换能量，对外无能量交换，所以 它们的有功功率为零。对一般电路的平均功率为视在功率。在交 流电路中，电流和电压有效值的乘积叫做视在功率，即S二IU。它 可用来表示用电器本身所容许的最大功率。无功功率。在交流电 路中，电流、电压的有效值与它们的相位差e的正弦的乘积叫做 无功功率，即Q = IUsin*o它和电路中实际消

13、耗的功率无关，而 只表示电容元件、电感元件和电源之间能量交换的规模。有功功 率，无功功率和视在功率之间的关系，可由图3-57所示的“功 率三角形来表示。【功率因数】它是发电机输送给负载的有功功率和视在功率的比，即可见 功率因数cose是庾应电能利用率大小的物理量。提高用电设备 的功率因数就可以提高发电机总功率中的有功功率。【变压器】两个有互感耦合的静止线圈的组合叫做变压器。变压器的通 常用法是一个线圈接交变电源而另一线圈接负载，通过交变磁场 把电源输出的能量传送到负载中。接电源的线圈叫做原线圈，接 负载的线圈叫做副线圈。原、副线圈所在的电路分别叫做原电路 及副电路。原、副线圈的电压一般不等，变

14、压器即由此得名。变 压器可分为铁心变压器及空心变压器两大类。铁心变压器是将 原、副线圈绕在一个铁心上，利用铁心的高卩值加强互感耦合， 广泛用于电力输配、电工测量、电焊及电子电路中。空心变压器 没有铁心，线圈之间通过空气耦合，可以避免铁心的非线性、磁 滞及涡流的不利影响，广泛用于高频电子电路中。图3-58是变 压器原理图。设变压器的原、副线圈中的电流所产生的磁感应线 全部集中在铁心内，因此铁心中各个横截面上的磁感应通量1）都 一样大小。由于4）的变化，将使绕制在铁心上的每一匝线圈中都 产生同样则原线圈中总感应电动势副线圈共有N2匝，总感应电动势电 源电压是按正弦函数规律变化的，因此铁心中的磁感应

15、通量也 将按正弦规律变化，设其中m为铁心中交变磁感应通量的峰 值。因此其中e lm=coNl N1时U2U1,这时变压器起升压作用；当N2N1时，U2N1,故1211,即电流变 大。通常所说“高压小电流，低压大电流”就是这个道理。这也 符合能量守恒定律。其变压器的输入功率应等于输出功率。电压 升高，电流必然以相应的比例减小。否则便破坏了能量定恒与转 化定律。变压器的种类很多，常用的几种是：电力变压器，电源 变压器，耦合变压器，调压变压器等。【电力变压器】这种变压器是用于输电网路。因为输电线上的功率损耗正比 于电流的平方，所以远距离输电时，就要利用变压器升高电压以 减小电流。这种高电压经高压输电

16、线传送到城市、农村后，再用 降压变压器逐级把电压降到380伏特和220伏特，供一般的用电 户使用。电力变压器的容量通常较大。都是一些大型的变压器。【电源变压器】不同的电子仪器和设备以及同一仪器电路的不同部位往往需 要各种不同的电压，如电子管的灯丝电压是伏特，其板极电压需 要300伏特；各种晶体管的集电极工作电压是几伏至几伏；示波 管的加速极电压达3000伏特等等。通常都用电源变压器将220伏 特的市电电压变到各种需要电压。【耦合变压器】所谓耦合，在物理学上指两个或两个以上的体系或两种运动 形式之间通过各种相互作用而彼此影响以至联合起来的现象，例 如两个线圈之间的互感是通过磁场的耦合。无线电线路

17、中常用作 极间耦合的变压器，如收音机的中周、输入变压器、输出变压器 都属于这一类，称为耦合变压器。耦合变压器的作用是多方面 的，它还可以用来达到阻抗匹配等。【调压变压器】亦称为“自耦变压器”在生产和科学研究中，常需要在一定 范围内连续调节交变电压，供这种用途的变压器叫做调压变压 器。通常调压变压器就是一个带有铁心的线圈，线圈由漆包线绕 成，以便滑动触点C能在各匝上移动，从而在c、b两端获得可调 的交流电压。如图3-59所示。大容量的调压变压器也用于输电 网路，以调节电网中的电压。【互感器】互感器也是一种变压器，一般它用于测量髙电压和大电流。这是因为高电压和大电流均不能用交流伏特表和安培表直接去

18、测 量。而是借助于互感器把高电压变成低电压，或把大电流变成小 电流，而把电压表或电流表接在副线圈一边测出低电压或小电 流。根据伏特表或安培表测出的电压数值或电流的数值，再利用 已知的变压比或电流比可计算出高压线路中的电压或电流。其接 法如图3-60所示。从图中可以看出，在测量电压时是把原线圈 并联在高电压电路中，副线圈上接入交流伏特表。且原线圈的线 圈圈数多，副线圈的线圈圈数少。而测量电流时是把原线圈串联 在被测电路中，副线圈接交流安培表，而原线圈的线圈圈数少， 副线圈的线圈圈数多。这正是变压器的性质所决定的。【隔直电容】利用电容器的容抗与交流电的频率成反比的特性，在电路中 用于隔离直流电，而

19、只允许交流电通过的电容，在此电路中叫“隔直电容器”。例如，在放大器线路中的输入端和输出端，常 设置这种电容，一方面隔断放大器的输入端与信号源之间，输出 端与负载之间的直流通道，保证放大器的静态工作点不因输入、 输出的连接而发生变化，另一方面又要保证需要放大的交流信号可以畅通地经过放大器放大，沟通信 号源一放大器一负载三者之间的交流通道。隔直电容的名称是指 电容器在电路中的作用而言。【旁路电容】可将混有高频电流和低频电流的交流电中的高频成分旁路掉 的电容，称做“旁路电容”。例如当混有高频和低频的信号经过 放大器被放大时，要求通过某一级时只允许低频信号输入到下一 级，而不需要高频信号进入，则在该级

20、的输出端加一个适当大小 的接地电容，使较高频率的信号很容易通过此电容被旁路掉，而 低频信号由于电容对它的阻抗较大而被输送到下一级放大。旁路 电容的大小一定要选择适当，若电容量大就有可能低频信号也被 旁量小，又不能充分的旁路高频。【远程输电】因为输电线上的功率损耗正比于电流的平方，所以在远距离 输电时就要利用大型电力变压器升高电压以减小电流，方能有效 地减少电能在输电线路上的损失。由发电厂发出的电功率是一定 的，它决定于发电机组的发电能力。经过升压变压器可以把电压 升高，但变压器却不能改变其功率，由P 二 IU得由此看出，电压升高，电流减小。这一点也是和变压器的 原理相一致的。对升压变压器来讲初

21、级的电压低，电流大，而次 级的电压高而电流小。远程输电所需要的。因为在输电线路上的能量损失以其功率 表示，即P 损二I2R当电流减小n倍时，其功率损失将减小n2倍。故采取升压减 流是减少电能损失的有效办法。设想我们用减小电阻R的方法来 减少电能损失是不太有效的。因为远程输电路程较长，要减小电 阻R,对同种材料来说就必须增加导线的横截面积。其截面增大n 倍，也只能把电能损失减少n倍，这样导线就变得很粗，造成材 料的浪费。显然，它远不如高压输送来得经济。当用高电压把电 能输送到用电区后，需要逐次把电压降至380伏特和220伏特供 给用户。这要靠降压变压器的功能。远程输电是变压器的一大功 能。【交流

22、电的整流】将交流电变成直流电的过程叫做“交流电整流”。整流可分 为半波整流、全波整流、桥式整流等几种形式。通常的整流装置 都是利用电子管和晶体二极管的单向导电的性能来整流的。例 如，用错、硅等半导体材料做成的整流器，已在许多方面得到广 泛应用。为了适应较高电压的整流，可将许多单个整流器串联在 一起封在一块绝缘材料中，称之为“硅堆”。整流器可将交流负 半周的波形除去，使交流变成脉动直流。因此通过整流后的输出 波形，只含有正弦波的正半周波形。一个理想的整流器可视为一 个开关，正半周的交流输入时，就有电压输出，如同开关接通一 样；反之，如果负半周交流输入，则无电压输出，也就相当于开 关切断一样。所以

23、当正半周的交流输入，此开关的有效电阻为 零；而在负半周的交流输入时，有效电阻为无穷大。实际上的整 流器，不可能这样理想，但相差不远。电子管整流器未导电时， 其电阻极大，此时的电阻称为逆向电阻；整流器导电时，其电阻 很小，此时的电阻为顺向电阻。无论任何情况，所有的整流器都 只允许一个方向导电。此种特性称为单向传导或单向特性，二极 管就具有此种单向特性。任何含有射极或阴极及集极或阳极的电 子另件，都称为二极体。因为二极体中的电子只能向一个方向 流。故所有二极体都有整流特性。【半波整流】整流时，通过整流器的只是交变电流的一个半周。半波整流 是最简单的整流器，但效率很低，欲想将其整流出的电流波形变 为

24、平滑也比较困难。图3-61所示是一个简单的晶体管整流电 路。半波整流器的输入波形和输出波形如图3-62所示。从图3 62中的半波整流器的输出波形，与输入交流波形的比较可知。当 有电流流动的正半周时，输出波形的瞬时振幅，完全随输入交流 波形的正半周的波形而变。所以在交流输入电压的正半周时，通 过晶体管电流的波形，完全与交流输入电压的波形相同。由于只 有输入交流电压的正半周输出，输入电压的一半就被损失了。因此半波整流的效率较低，半波整流器的另一缺点， 就是输出的脉冲电压及电流的频率与交流输入电压的频率相同。 要消除其脉动，必须要加滤波器，使整流器的输出成为平稳的直 流。【全波整流】一种对交流整流的

25、电路。在这种整流电路中，在半个周期 内，电流流过一个整流器件，而在另一夕I、一个半周内，电流流经 第二个整流器件，并且两个整流器件的连接能使流经它们的电流 以同一方向流过负载。如图3-63所示即为一个全波整波的电 路。图3-64为其整流前后的波形。与半波整流所不同的，是在 全波整流中利用了交流的两个半波，这就提高了整流器的效率， 并使已整电流易于平滑。因此在整流器中广泛地应用着全波整 流。在应用全波整流器时其电源变压器必须有中心抽头。图3-63 中的0点为中心抽头，于是q对0,与b对0的电压，具有180。 相差，当变压器的输出电压处于正半周时将输入交流电和负载连 接在一起。当交流输入电压为正时

26、，电流由输入的一边，经一个 整流器、负载，再经另一个整流器，流至输入的另一边。当交流 输入电压的负半周时，电流流经另一对整流器和负载。在这输入 电压正和负的半周时，经过负载的电流方向相同。所以可在负载 上产生脉冲直流电压。在实际的桥式整流电路中，四个整流器连 接成一个整体，由外面联成桥式电路。桥式整流克服了半波整流 和全部整流的利用率不高的缺点。在无线电技术和电气工程中广 泛采用桥式整流电路。【滤波电路】虽然整流器输出电压的极性永远一定，把交流电变为直流 电，但此种电压是脉动的，并不能作为直流电压使用，这是因为 整流器本身输出的电压是脉冲或称涟波状。此种具有涟波状的整 流器输出电压，在加于电子管的板极，往栅或控制栅电路前，必 须先将涟波消除，使此电压平稳而几乎无脉动才行。为使整流器 输出电压平稳，必先通过滤波器网路予以滤波，滤波电路是由电 容器及扼流圈所构成，如图3-66所示。当电容器的外加电压增 加时，电容器靠储存其内的静电场能量，以抵抗此增加的外加电 压。但当外加电压