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1、单相电与三相电课件,1 正弦交流电,什么是正弦交流电：随时间按正弦函数规律周期性变化的 电压、电流和电动势等 物理量，通称为正弦量。它们在一个周期内平均值为零。正弦量的三要素 频率、幅值、初相位,1 正弦交流电,正弦量的三要素,amplitude,angular frequency,initial phase angle,1 正弦交流电,频率 f（周期、角频率）周 期 T：变化一周所需的时间，用 s ms 表示。频 率 f：每秒重复变化的次数。单位：Hz 赫(兹)f=1/T角频率：每秒变化的角度(弧度)，=2f=2/T rad/s幅值与有效值幅 值 正弦量变化过程中呈现的最大值，电流 Im，电
2、压Um有效值 如果一个交流电流 i 通过一个电阻R，在一个周期内产生的热量为Q，而在相同的时间里产生相同的热量需通入直流电 为 I，则称 I 为 i 的 有效值。,1 正弦交流电,相位、初相位和相位差 称为正弦交流电的相位初相位 是0 时刻到波形起始点那段距离对应的角度相位差 两个同频正弦量相位角之差,j=0 同相,j=(180o)反相,=p/2 正交,1 正弦交流电,1 正弦交流电,正弦量的相量表示法,代数形式：,指数形式：,极坐标形式,其中,1 正弦交流电,(1)加减运算,若=a1+jb1，=a2+jb2,则=(a1a2)+j(b1b2),(2)乘除运算,除法：模相除，角相减,则:,乘法：
3、模相乘，角相加,1 正弦交流电,正弦量的相量表示法,正弦量表示法,瞬时值（三角函数）波形图,向量式（复数）向量图,1.波形图,1 正弦交流电,电阻、电感、电容元件上电压电流关系的向量形式电阻元件电感元件电容元件,例:如图并联电路，设R=20，C=50F，试计算正弦电流iS频率等于100Hz和5kHz时的容抗。,解,f100Hz时,f5kHz时,由此可见，在iS频率等于5kHz时，XCR，C把5kHz的交流信号给“旁路”掉了。,RLC串联电路中电压和电流之间的的关系,右图，外加电压u，电路中的电流为i，R、L、C元件上的电压分别为uR、uL、uC。根据KVL可得,其相量形式为,阻抗(复阻抗),欧
4、姆定律的相量形式,式中Z=R+jX复(数)阻抗,X=XL-XC电抗,单位欧姆（）,复阻抗的模|Z|阻抗,幅角阻抗角,设,电压与电流的有效值之比等于阻抗电压与电流之间的相位差等于阻抗角,X=XL-XC=arctan(XL-XC)/R,当X0，0，i 滞后于u，电路为电感性,当X0，0，i 超前于u，电路为电容性,当X=0，=0，i 与u同相位，电路为电阻性 处于(串联)谐振状态,关于复阻抗的进一步讨论,例 线圈的电阻R=250,电感L=1.2H，和一个C=10F的电容串联,外加电压 V，,如图所示。求电路中的电流、线圈和电容器两端的电压，并画出电压、电流的相量图。,解,已知,电路中的电流为,电路
5、的复阻抗,线圈的复阻抗,线圈的端电压,电容器的端电压,电流、电压的瞬时值为,例,解,根据测量数据，以电流为参考相量作相量图,例题如图电路中，设电流表 和 的读数均为1A，电流表内阻为零，电阻R两端的电压，,且已知C的容抗为10，则总电压有效值为U=？,解,根据已知条件作向量图如下,根据向量图结果，总电压有效值为,U=10V,利用相量的几何关系进行求解，是求解交流电路的常用方法。,交流电路的功率,电路在某一瞬间吸收或放出的功率，称为瞬时功率,1.瞬时功率,设无源二端网络的电流和电压分别为,则电路的瞬时输入功率,电路在电流变化一个周期内负载吸收功率的平均值称为平均功率，对于正弦电路，其平均功率,有
6、功功率、无功功率与视在功率,平均功率也叫有功功率 单位：W,kW,功率因数,功率因数角,电路中的平均功率为电阻所消耗的功率，UIcos,可以理解为I(Ucos),或U(Icos),无功功率 单位：Var,kVar,视在功率 单位：Va,kVa,反映电阻所消耗的瞬时功率,反映储能元件与电源的能量交换,P、Q、S 的关系为一直角三角形，与阻抗三角形相似,3.功率因数的提高,电源设备的容量,负载消耗的有功功率,因此要提高电源设备的利用率，就要求提高功率因数,例如一台变压器容量S7500kVA,1 7500kW,0.7 5250kW,另外，当负载的P及电压U一定时，I，因此消耗在输电线路上的功率pRL
7、I2,因工业是设备多为感性，故常用并联C，使得。,例,一台接在工频电源上的单相异步电动机，,P1=700W，1=cos1=0.7(电感性)。要求并联一电容器，使得2=cos2=0.9，求所需电容量。,解,接入电容前,接入电容C后,电容C补偿的无功功率,另,选用500V，25F的电容器,C补偿前后电流比较,补偿前,补偿后,电压电流相量图,2 三相交流电,概述：目前电力工程上普遍采用三相制供电。由三个幅值相等、频率相同（我们国家电网频率为50HZ)彼此之间相位互差120o的正弦电压所组成的供电相系统。正弦交流电路实际是三相电路的一相，因而称单相交流电路。另一方面，三相电路也可看作按一定规律组成的复
8、杂交流电路，因而前面讨论的交流电路的一般规律和计算方法，在此仍然适用。,相量形式,2 三相交流电,对称正弦量 幅值相等,频率相同,相位互相差120的正弦量,对称正弦量特点为：,120,120,120,三相电压相量图,三相电源的联接星形联接,N,中点或零点,把发电机三相绕组的末端 接成一点。而把始端 作为与外电路相联接的端点。这种联接方式称为电源的星形联结。,火线,中线或零线,火线,火线,线电压,相电压,目前，我国供电系统线电压 380V，相电压220V。,三相四线制,N,中点或零点,火线,中线或零线,火线,火线,线电压,相电压,根据KVL：,各线电压与相电压之间的关系为:,三相电源各电压间的相
9、量关系,线电压的有效值用 表示,相电压的有效值用Up表示。由相量图可知它们的关系为:,交流电路中的用电设备，大体可分为两类：一类是需要接在三相电源上才能正常工作的叫做三相负载,如果每相负载的阻抗值和阻抗角完全相等，则为对称负载，如三相电动机。另一类是只需接单相电源的负载，它们可以按照需要接在三相电源的任意一相相电压或线电压上。对于电源来说它们也组成三相负载，但各相的复阻抗一般不相等，所以不是三相对称负载。如照明灯。,三相负载的联接,1.Y 形联结,N,负载中电流:(略线路阻抗),中性线中的电流为:,若负载对称，即,对称负载相量图,对称负载可以去掉中线。,三相交流电动机,如果三相负载对称,中线中
10、无电流,故可将中线除去,而成为三相三线制系统。但是如果三相负载不对称,中线上就会有电流IN通过,此时中线是不能被除去的,否则会造成负载上三相电压严重不对称,使用电设备不能正常工作。,图中电源电压对称，线电压U=380 V，负载为 电灯组，每相电灯（额定电压220V）负载的电阻400。试计算：求负载相电压、相电流；(2)如果A相断开时，其他两相负载相电压、相电流；(3)如果A短路时，其他两相负载相电压、相电流；(4)如果采用了三相四线制，当1相断开、短路时其他两相负载相电压、相电流。,解：（1）负载对称时，可以不接中线，负载的相电压与电 源 的相电压相等（在额定电压下工作）。,(2)如果A相断开
11、时，其他两相负载相电压、相电流；,(3)如果A短路时，其他两相负载相电压、相电流；,超过了的额定电压，灯将被损坏。,(4)如果采用了三相四线制，当1相断开、短路时其他两相负载相电压、相电流。,因有中线，其余两相未受影响，电压仍为220V。但A相短路电流很大将熔断器熔断。,在如图（a）所示的三相四线制电路中,外加电压UL=380 V,试求各相负载电流及中线电流。,解:相电压,选,为参考相量,则:,中线电流为,中线的作用:中线在三相电路中的作用是既能为用户提供两种不同的电压,同时又为星形联接的不对称负载提供对称的 220 V相电压。因此,为了保证负载的相电压对称,在中线的干线上是不准接入熔断器和开
12、关的,而且要用具有足够机械强度的导线作中线。,负载的三角形联接（形）,若忽略端线阻抗（ZL=0）,则电路具有以下关系。,iC,A,B,C,iB,iA,iCA,iBC,iAB,+,uAB,+,uBC,+,uCA,(2)负载线、相电流之间的关系,线、相电压对应相等,(1)负载线、相电压之间的关系,各相负载相电流分别为,各相负载的电压与电流相位差分别为,(2)负载线、相电流之间的关系,根据KCL，负载线、相电流之间的关系为,若负载对称，即,和,则负载相电流也是对称的，即,显然三个线电流也对称，若有效值用Il表示，则有IA=IB=IC=Il，且；相位上，线电流滞后相应的相电流30o。,iC,A,B,C,iB,iCA,iBC,iAB,+,uAB,+,uBC,+,uCA,(3)各线电流由两相邻相电流决定。在对称条件下,线电流是相电流的 倍,即,且滞后于相应的相电流30。,由上述可知,在负载为三角形联接时,相电压对称。若某一相负载断开,并不影响其他两相的工作。,相量图,三相负载采用何种联接方式由负载的额定电压决定。,当负载额定电压等于电源线电压时采用三角形联接；,当负载额定电压等于电源相电压时采用星形联接。,三相四线制,三角形联接,星形联接,
