汽车电学基础第2章 交流电路

第二章交流电路学习目标1．了解什么是交流电2．掌握交流电的三要素3．了解交流电路中电阻、电容和电感的特性学习要求应知：交流电的概念；交流与直流的关系与区别；电感、电容元件与电阻元件的区别。应会：用万用表测量交流电路中的电压、电流；用欧姆定律和基尔霍夫定律分析电路中元件的电压、电流及电阻的关系。第一节正弦交流电路一、什么是交流电大小和方向随时间改变的电压或电流统称交流电，其波形如图2-1所示。如果电压和电流的方向是按照正弦规律周期性变化的，就称为正弦交流电。在电路图上所标的方向是指它们的参考方向。提示：汽车电路都是直流电路，但是汽车交流发电机产生的电流，在没有整流之前是交流电流。在汽车维修企业中，许多大型汽车维修检测设备是用交流电作为电源的。交流电路中，有用直流电路的概念无法理解和分析的物理现象，因此，在学习时必须建立交流的概念，否则容易引起错误。二、正弦交流电的三要素一个正弦量可以由频率(或周期)、幅值(或有效值)和初相位三个特征或要素来确定。1．频率与周期正弦量变化一次所需的时间称为周期(T)。每秒内变化的次数称为频率(f)，它的单位是赫兹(Hz)。频率是周期的倒数，即f=1/T我国和大多数国家都采用50Hz作为电力标准频率，有些国家(如美国、日本等)采用60Hz。这种频率在工业上应用广泛，习惯上也称为工频。通常的交流电动机和照明设备都采用这种频率。正弦量变化的快慢除用周期和频率表示外，还可用角频率来表示。因为一周期内经历了2πrad，所以角频率为ω=2π/T=2πf它的单位是弧度／秒(rad／s)。2．幅值与有效值正弦量在任一瞬间的值称为瞬时值，用小写字母来表示，如i、u及e分别表示电流、电压及电动势的瞬时值。瞬时值中最大的值，称为幅值或最大值，用带下标m的大写字母来表示，如Im、Um及Em分别表示电流、电压及电动势的幅值。它的数学表达式为i=Imsin(ωt)正弦电流、电压和电动势的大小往往不是用它们的幅值，而是用有效值来计量的。有效值是通过电流的热效应来规定的，无论交流还是直流，只要它们在相等的时间内通过同一电阻并且两者产生的热效应相等，就把它们看作是相等的。就是说，在相等的时间内，如果某交流电流和直流电流分别通过同样大小的电阻，产生的热量相等，那么这个周期性变化的电流i的有效值在数值上就等于这个直流电流。根据上述，可得由此可得出周期电流的有效值电流为正弦量时,即i=Imsin(ωt),则因为提示：有效值都用大写字母表示，和表示直流的字母一样。一般所讲的正弦电压或电流的大小，例如交流电压380V或220V，都是指它的有效值。一般交流电流表和电压表的刻度也是根据有效值来确定的。3．初相位正弦量是随时间而周期性变化的，正弦量所取的计时起点不同，正弦量的初始值就不同，到达幅值或某一特定值所需的时间也就不同。正弦量可用下式表示为其波形如图2-2所示。上式中的角度称为正弦量的相位角或相位，它反映出正弦量变化的进程。当相位角随时间连续变化时，正弦量的瞬时值随之连续变化，当t=0时的相位角称为初相位角或初相位。提示：在一个正弦交流电路中，电压u和电流i的频率是相同的，初相位不一定相同。进一步：两个同频率正弦量的相位角之差或初相位角之差，称为相位角差或相位差。当两个同频率正弦量的计时起点改变时，它们的相位和初相位不同，所以它们的变化步调是不一致的，即不是同时到达正的幅值或零值。一般称为相位超前或者滞后。三、交流电路中电阻、电感、电容的特性1．电阻元件的交流电路图2-3是一个线性电阻元件的交流电路。在电阻元件的交流电路中，电流和电压是同相的。电压和电流的参考方向是关联参考方向。两者的关系由欧姆定律确定，即u=iR由此可知，在电阻元件电路中，电压幅值(或有效值)与电流幅值(或有效值)的比值，就是电阻R。知道了电压与电流的变化规律和相互关系后，便可计算出电路中的功率。在任意瞬间，电压瞬时值与电流瞬时值的乘积，称为瞬时功率，用小写字母p代表，即p=ui提示：由于在电阻元件的交流电路中u与i同相，它们同时为正，同时为负，所以瞬时功率总是正值，即p0。瞬时功率为正，这表示外电路从电源取用能量，即电阻元件从电源取用电能而转换为热能。操作：用万用表检测。通过一个接到频率为50Hz，电压有效值为10V的正弦电源上的1000Ω的电阻元件的电流，与保持电压值不变，而电源频率改变为500Hz时通过的电流是相等的(交流电源由信号发生器提供)。2．电感元件的交流电路图2-4是一个线性电感元件的交流电路。当电感线圈中通过交流电流i时，产生自感电动势e，设电流为参考正弦量，根据基尔霍夫电压定律得出，电压也是一个同频率的正弦量。在电感元件电路中，在相位上电流比电压滞后90。。在电感元件电路中，电压幅值(或有效值)与电流幅值(或有效值)的比值为ωL，它的单位为欧姆。ω为角频率，L为电感量。当电压一定时，L愈大，则电流愈小，对交流电流起阻碍作用。感抗XL与电感L、频率?厂成正比。因此，电感线圈对高频电流的阻碍作用很大，而对直流则可视作短路。提示：感抗只是电压与电流幅值或有效值之比，而不是它们的瞬时值之比，这与电阻电路不一样。在这里电压与电流之间成导数的关系，而不是成正比关系。提示：纯电感交流电路中，电压超前电流，其相位差为正，电路为电感性。进一步：电感元件的交流电路中，没有能量消耗，只有电源与电感元件间的能量互换，电感元件交流电路的瞬时功率为p=ui。操作：用万用表检测。把一个0.1H的电感元件接到频率为50Hz，电压有效值为10V的正弦电源上，该元件通过的电流，与保持电压值不变，而电源频率改变为500Hz时通过的电流将不一样。在电压有效值一定时，频率愈高，通过电感元件的电流有效值愈小。3．电容元件的交流电路图2-5是一个线性电容元件的交流电路，电流i和电压u的参考方向如图中所示。如果在电容器的两端加一正弦电压u=Umsin(ωt)，则电流i也是一个同频率的正弦量。在电容元件电路中，在相位上电流比电压超前90。。在电容元件电路中，电容对电流变化起阻碍作用所以称为容抗，用Xc代表。容抗Xc与电容C、电流的频率?成反比。所以电容元件对高频电流所呈现的容抗很小，可视作短路；而对直流所呈现的容抗很大，可视作开路，电容元件有隔断直流的作用。提示：我们规定：当电流比电压滞后时，其相位差Ψ为正；当电流比电压超前时，其相位差Ψ为负。这样规定便于说明电路是电感性的还是电容性的。纯电容交流电路中，电流超前电压，其相位差Ψ为负，电路为电容性。进一步：电容元件不消耗能量，在电源与电容元件之间只发生能量的互换。操作：用万用表检测。一个25pF的电容元件接到频率为50Hz，电压有效值为10V的正弦电源上，通过的电流，与保持电压值不变，而电源频率改为500Hz时通过的电流不一样。当电压有效值一定时，频率愈高，则通过电容元件的电流有效值愈大。第二节三相电路学习目标1．了解什么是三相交流电源2．掌握三相交流电源的星形联结3．了解三相交流电路中负载的连接方法（星形联结和三角形联结）学习要求应知：三相交流电源的概念和基本特性；三相交流电源的供电方式，三相三线与三相四线供电的使用要求。应会：三相负载的连接方法。三相电路在汽车本身的用处并不多，但是在汽车维修检测企业中应用很普遍。电力电源一般采用三相制。用电方面最主要的负载是交流电动机，大型汽车维修检测设备多数是由交流电动机驱动的，而交流电动机多数是三相的。一、三相交流电源1．结构原理图2-6是三相交流发电机的原理图。它的主要组成部分是电枢和磁极。电枢是固定的，也称为定子。定子铁心的内圆周表面有槽，用以放置三相电枢绕组。每相绕组都是相同的，如图2-7所示。它们的始端(头)标以U1、V1、W1，末端(尾)标以U2、V2、W2。每个绕组的两边放置在相应的定子铁心的槽内。但要求绕组的始端之间或末端之间都彼此相隔120。。磁极是转动的，也称为转子。转子铁心上绕有励磁绕组，用直流励磁。选择合适的极面形状和励磁绕组的布置情况，可使空气隙中的磁感应强度按正弦规律分布。当转子由原动机带动，并匀速转动时，则每相绕组依次切割磁感线，产生电动势，因而在三相绕组上得出频率相同、幅值相等、相位互差120。的三相对称正弦电压，即提示：三相交流电出现正幅值(或相应零值)的顺序称为相序。进一步：发电和输配电一般都采用三相制。2．三相电源的连接方法发电机三相绕组的接法通常如图2—7所示，即将三个末端连在一起，这一连接点称为中性点或零点，用N表示，这种连接法称为星形联结。从中性点引出的导线称为中性线或零线。从始端Ul、Vl、W1引出的三根导线称为相线或端线，俗称火线。在图2-8中，每相始端与末端间的电压，即相线与中性线间的电压，称为相电压，其有效值一般用Up，表示。而任意两始端间的电压，即两相线间的电压，称为线电压，其有效值一般用UI表示。相电压和线电压的参考方向如图中所示。提示：当发电机的绕组星形联结时，线电压与相电压频率相同，都是三相对称电压。相电压和线电压显然是不相等的，它们大小的关系是，线电压是相应相电压的√3倍。在相位上，线电压比相应的相电压超前30。。进一步：发电机(或变压器)的绕组星形联结时，可引出四根导线叫三相四线制，这样就可给负载提供两种电压。通常在低压配电系统中相电压为220V，线电压为380V。如负载对称(此时中性线中没有电流)，不一定都引出中性线，这种连接方法叫三相三线制。发电机(或变压器)的绕组星形联结时通常采用三相三线制。二、三相电路中负载的连接三相电路中负载的连接方法有两种，即星形联结和三角形联结。1．星形联结(1)三相四线制图2-9是三相四线制电路，设线电压为380V。照明负载(220V，单相负载)比较均匀地分配在各相之中，接在相线与中性线之间，三相电动机接在三根相线上。三相电路中的电流也有相电流与线电流之分。每相负载中的电流称为相电流，每根相线中的电流称为线电流。在负载为星形联结时，相电流等于线电流。电源相电压为每相负载电压，每相负载中的电流可分别求出。提示：各相负载的电压与电流之间的相位差分剐为30。，线电流是相电流的√3倍，电路中负载对称是指各项阻抗相等(阻抗模和相位角相等)。电压和电流的相量图如图2-10所示。(2)三相三线制在三相电压对称的情况下，若负载也对称，那么负载相电流也是对称的，此时中性线中没有电流通过，这时中性线就不需要了，这就是如图2-11所示的三相三线制电路。因为生产上的三相负载(通常所见的是三相电动机)一般都是对称的，所以三相三线制电路的应用极为广泛。提示：负载不对称而又没有中性线时，负载的相电压就不对称。当负载的相电压不对称时，势必引起有的相电压过高，高于负载的额定电压；有的相电压过低，低于负载的额定电压，这都是不容许的，三相负载的相电压必须对称。进一步：中性线的作用是使星形联结的不对称负载的相电压对称。为了保证负载的柑电压对称，就不应让中性线断开。因此，中性线(指干线)内绝不允许接入熔断器或闸刀开关。操作：课后观察电动机线圈的连接。2．三角形联结负载三角形联结的三相电路可用图2-12所示的电路来表示。电压和电流的参考方向都已在图中标出。因为各相负载都直接接在电源的线电压上，所以负载的相电压与电源的线电压相等。因此，不论负载对称与否，其相电压总是对称的。对称负载三角形联结时电压与电流的相量图如图2-13所示。提示：负载三角形联结时，相电流和线电流是不一样的。线电流是相电流的√3倍，在相位上线电流比相应的相电流滞后30。。进一步：三相电动机的绕组可以采用星形联结，也可以采用三角形联结，而照明负载一般采用星形联结(具有中性线)。操作：课后观察家用电表的连接线路。第二节安全用电常识学习目标1．了解发电和输电的基本原理2．了解电流会对人体造成的伤害3．了解触电的方式和类型4．掌握保护接地和保护接零的连接方法5．掌握安全使用汽车蓄电池的注意事项学习要求应知：发电和输电的基本原理；电流会对人体造成的伤害；触电的方式和类型。应会：保护接地和保护接零的连接方法；安全使用汽车蓄电池。一、发电、输电概述发电厂按其所利用的能源种类，可分为水力