周绍敏《电工技术基础与技能》PPT——7--初识正弦交流电

高等教育出版社HigherEducationPress《电工技术基础与技能》演示文稿7初识正弦交流电高等教育出版社HigherEducationPress《电工技术基础与技能》演示文稿7初识正弦交流电教学重点1．了解正弦交流电的产生。2．掌握表征正弦交流电的三要素：振幅、角频率、初相位。3．理解交流电的周期、频率、有效值、相位与相位差等概念。4．掌握正弦交流电流、电压的表示法(解析式、波形图、矢量图等)。教学难点1.理解相位差的概念。2.掌握正弦量的矢量图。高等教育出版社HigherEducationPress《电工技术基础与技能》演示文稿7初识正弦交流电7.1正弦交流电的产生7.2表征正弦交流电的物理量7.3正弦交流电的表示法单元小结高等教育出版社HigherEducationPress《电工技术基础与技能》演示文稿7.1正弦交流电的产生一、正弦交流电的产生二、正弦交流电高等教育出版社HigherEducationPress《电工技术基础与技能》演示文稿如果电流的大小及方向都随时间做周期性变化，并且在一个周期内的平均值为零的电流称为交流电。一、正弦交流电的产生高等教育出版社HigherEducationPress《电工技术基础与技能》演示文稿二、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(ti0)u(t)=Umsin(tu0)e(t)=Emsin(te0)高等教育出版社HigherEducationPress《电工技术基础与技能》演示文稿i(t)=Imsin(ti0)u(t)=Umsin(tu0)e(t)=Emsin(te0)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。高等教育出版社HigherEducationPress《电工技术基础与技能》演示文稿7.2表征正弦交流电的物理量一、周期与频率二、有效值三、相位和相位差高等教育出版社HigherEducationPress《电工技术基础与技能》演示文稿1．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2T一、周期与频率高等教育出版社HigherEducationPress《电工技术基础与技能》演示文稿2．频率=2f交流电周期的倒数称为频率(用符号f表示)，即Tf1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)。角频率与频率之间的关系为高等教育出版社HigherEducationPress《电工技术基础与技能》演示文稿在电工技术中，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)。设正弦交流电流i(t)在一个周期T时间内，使一电阻R消耗的电能为WR，另有一相应的直流电流I在时间T内也使该电阻R消耗相同的电能，即WR=I2RT。二、有效值高等教育出版社HigherEducationPress《电工技术基础与技能》演示文稿就平均对电阻作功的能力来说，这两个电流(i与I)是等效的，则该直流电流I的数值可以表示交流电流i(t)的大小，于是把这一特定的数值I称为交流电流的有效值。理论与实验均可证明，正弦交流电流i的有效值I等于其振幅(最大值)Im的0.707倍，即0.707=2mmIIImm0.7072UUUmm0.7072EEE正弦交流电压的有效值正弦交流电动势的有效值高等教育出版社HigherEducationPress《电工技术基础与技能》演示文稿例如正弦交流电流i=2sin(t－30)A的有效值I=2×0.707A=1.414A，如果通过R=10的电阻时，在一秒时间内电阻消耗的电能(又称为平均功率)为P=I2R=20W，即与I=1.414A的直流电流通过该电阻时产生相同的电功率。我国工业和民用交流电源的有效值为220V，频率为50Hz，因而通常将这一交流电压简称为工频电压。因为正弦交流电的有效值与最大值(振幅值)之间有确定的比例系数，所以有效值、频率、初相这三个参数也可以合在一起称为正弦交流电的三要素。高等教育出版社HigherEducationPress《电工技术基础与技能》演示文稿三、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=0102并规定|12|≤180或|12|≤高等教育出版社HigherEducationPress《电工技术基础与技能》演示文稿在讨论两个正弦量的相位关系时：(1)当120时，称第一个正弦量比第二个正弦量越前(或超前)12；(2)当120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，如图7-1(a)；(4)当12=或180时，称第一个正弦量与第二个正弦量反相，如图7-1(b)；(5)当12=或90时，称第一个正弦量与第二个正弦量正交。2高等教育出版社HigherEducationPress《电工技术基础与技能》演示文稿图7-1相位差的同相与反相波形例如已知u=311sin(314t30)V，i=5sin(314t60)A，则u与i的相位差为ui=(30)(60)=90，即u比i滞后90，或i比u超前90。高等教育出版社HigherEducationPress《电工技术基础与技能》演示文稿7.3正弦交流电的表示法一、解析式表示法二、波形图表示法三、矢量图表示法高等教育出版社HigherEducationPress《电工技术基础与技能》演示文稿一、解析式表示法i(t)=Imsin(ti0)u(t)=Umsin(tu0)e(t)=Emsin(te0)例如已知某正弦交流电流的最大值是2A，频率为100Hz，设初相位为60，则该电流的瞬时表达式为i(t)=Imsin(ti0)=2sin(2ft60)=2sin(628t60)A高等教育出版社HigherEducationPress《电工技术基础与技能》演示文稿二、波形图表示法图7-2正弦交流电的波形图举例高等教育出版社HigherEducationPress《电工技术基础与技能》演示文稿三、矢量图表示法正弦量可以用最大值矢量或有效值矢量表示，但通常用有效值矢量表示。图7-3正弦量的振幅矢量图举例1.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，例如有三个正弦量e=60sin(t＋60°)Vu=30sin(t＋30°)Vi=5sin(t－30°)A则它们的最大值矢量图如图7-3所示。高等教育出版社HigherEducationPress《电工技术基础与技能》演示文稿2．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，例如Asin241.0V)53sin(2220titu，则它们的有效值矢量图如图7-4所示。图7-4正弦量的有效值矢量图举例高等教育出版社HigherEducationPress《电工技术基础与技能》演示文稿单元小结一、正弦交流电的主要参数二、交流电的表示法高等教育出版社HigherEducationPress《电工技术基础与技能》演示文稿本章介绍了交流电的基本概念以及交流电的表示法。一、正弦交流电的主要参数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。1．周期与频率ωT2交流电完成一次循环变化所用的时间称为周期周期的倒数称为频率；角频率与频率之间的关系为=2fTf1高等教育出版社HigherEducationPress《电工技术基础与技能》演示文稿正弦交流电的有效值等于振幅(最大值)的0.707倍，即mmmmmm707027070270702E.EEU.UUI.II2．有效值高等教育出版社HigherEducationPress《电工技术基础与技能》演示文稿3．正弦交流电的三要素正弦交流电的最大值、角频率、初相这三个参数称为正弦交流电三要素。也可以把正弦交流电的有效值、频率、初相这三个参数称为正弦交流电三要素。4．相位差两个正弦量的相位差12=0102，存在超前、滞后、同相、反相、正交等关系。高等教育出版社HigherEducationPress《电工技术基础与技能》演示文稿3．矢量图表示法正弦量可以用最大值矢量或有效值矢量表示，但通常用有效值矢量表示。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)、用初相作为矢量的辐角；有效值矢量表示法是用正弦量的有效值作为矢量的模(大小)、仍用初相作为矢量的辐角。2．波形图表示法波形图表示法即用正弦量解析式的函数图形表示正弦量的方法。1．解析式表示法i(t)=Imsin(ti0)u(t)=Umsin(tu0)e(t)=Emsin(te0)二、交流电的表示法