6.5 电阻、电感、电容在交流电路中的特性（课件）-《电工技术基础与技能》同步精品课堂（机工版·第3版）

项目6 单相正弦交流电路 6.5 电阻、电感、电容在交流电路中的特性 《电工技术基础与技能》（机械版·第3版） 同步精品课堂 1 学习目标 知识目标 1. 理解纯电阻、电感、电容电路的工作原理与特性 2. 掌握感抗、容抗公式及在交流电路中的计算方法 能力目标 1. 能够分析并计算不同电路中电压、电流的相关参数 2. 学会运用所学知识解释交流电抗器等的工作机制 情感目标 1. 培养学生对电工知识严谨探索与求知的态度 2. 提升学生将理论知识应用于实际的实践意识 项目6 单相正弦交流电路 导入情景 01 新知学习 02 一.电阻、电感、电容在交流电路中的特性 1.纯电阻电路 电路如图 6-23 所示，设电阻两端电压按正弦规律变化，u=Umsinωt，根据欧姆定律 i= U/R ，则电流为 i=sinωt=Imsinω 式中，i=Um/R两边同除以√2(最大值除以√2为有效值)，则有i= U/R (6-15) 定义 新知学习 02 一.电阻、电感、电容在交流电路中的特性 1.纯电阻电路 【分析结论】由以上分析，可得三点结论: 1)电阻中电流与电压同相位，即它们的初相角相等，波形图和相量图如图 6-24 所示。 2)电流和电压的瞬时值、最大值、有效值都服从欧姆定律。 3)因为电阻中电压和电流同相位，电流和电压之积总为正值，即电阻在交流电路中仍为耗能负载，将电能转变为热能。 新知学习 02 一.电阻、电感、电容在交流电路中的特性 2.纯电感电路 在交流电路中，许多电器设备或元件是由线圈绕制而成的，线中既存在电感，又存在导体电阻和电容。当电阻、电容对电路的影响与电感相比可以忽略不计时，即可把线圈用纯电感来表示，只有纯电感这一种负载的电路称为纯电感电路。 新知学习 02 一.电阻、电感、电容在交流电路中的特性 2.纯电感电路 1)电压与电流有效值之间的关系 下面通过图 6-25 所示的实验来观察电压和电流之间的关系。实验电路的接法与图 6-22b相同，就是将电阻换成电感。 新知学习 02 一.电阻、电感、电容在交流电路中的特性 2.纯电感电路 1)电压与电流有效值之间的关系 测量方法相同表 6-3是用接触器的空心线测得的一组数据。用欧姆定律计算每个数据点的感抗值计算值见表 6-3。 新知学习 02 一.电阻、电感、电容在交流电路中的特性 2.纯电感电路 1)电压与电流有效值之间的关系 表中计算数据基本相等(误差为万用表精度低、读数不准所致)，说明电感元件在交流电路中，有效值符合欧姆定律，即 UL=XLI或XL=UL/I (6-16) 式中 XL—比例系数，称为电感的感抗，它在交流电路中起阻碍电流流动的作用。 新知学习 02 一.电阻、电感、电容在交流电路中的特性 2.纯电感电路 1)电压与电流有效值之间的关系 【感抗】实验和理论都证明，电感的感抗XL是电感量L和电压角频率ω(f)的函数，其表达式为 XL=ωL=2πfL (6-17) 式(6-17)中，当ω的单位为1/s(1/秒)、L的单位为H(亨)时，XL的单位为Ω。由式(6-17)可见，当电感量L一定(电感线圈制造完毕，L即为一确定值)，电压的角频率ω越高，XL就越大;ω越低，XL越小;如果电流为直流电，ω=0，则XL=0，即电感在直流电路中不起作用。 新知学习 02 一.电阻、电感、电容在交流电路中的特性 2.纯电感电路 1)电压与电流有效值之间的关系 新知学习 02 一.电阻、电感、电容在交流电路中的特性 2.纯电感电路 2)电压与电流瞬时值之间的关系 【电压电流瞬时值分析】 在上一章中，我们介绍了电感中电压与电流的变化率成正比，即 新知学习 02 一.电阻、电感、电容在交流电路中的特性 2.纯电感电路 2)电压与电流瞬时值之间的关系 【电压电流瞬时值分析】 在正弦交流电路中，设电感中电流按正弦规律变化:i=Imsinωt，根据电感的自感原理，正弦电流的: 变化率大，自感电压大; 变化率小，自感电压小; 变化率为 0，自感电压为 0。 新知学习 02 一.电阻、电感、电容在交流电路中的特性 2.纯电感电路 2)电压与电流瞬时值之间的关系 【电压电流相位关系分析】 图6-26a所示是电流和电压的波形图，我们按电流的变化率来分析电压和电流的相位关系。 当电流穿过横坐标轴(即过“0”点)的瞬间，变化率最大，自感电压最大;随着电流的上升，变化率逐渐下降，电压也由最大值逐渐减小。当电流达到最大值、正在下降的一瞬间，变化率为0，自感电压为0(图中的点) 新知学习 02 一.电阻、电感、电容在交流电路中的特性 2.纯电感电路 2)电压与电流瞬时值之间的关系 【电压电流相位关系分析】 当电流穿过横坐标轴(即过“0”点)的瞬间: 变化率最大，自感电压最大;随着电流的上升; 变化率逐渐下降，电压也由最大值逐渐减小; 当电流达到最大值、正在下降的一瞬间，变化率为0，自感电压为0(图中的点) 新知学习 02 一.电阻、电感、电容在交流电路中的特性 2.纯电感电路 2)电压与电流瞬时值之间的关系 【电压电流相位关系分析】 当电流过了最大值开始下降，变化率由正变负，自感电压也由正变负;电流的变化率向负的方向逐渐增加，自感电压也向负的方向逐渐增加。 当电流过“0”点，变化率最大，电压达到负的最大值(图中的u点)。电流过“0”点后，变化率逐渐减小(还是负方向)电压也逐渐减小。 新知学习 02 一.电阻、电感、电容在交流电路中的特性 2.纯电感电路 2)电压与电流瞬时值之间的关系 【电压电流相位关系分析】 当电流达到负的最大值，变化率为0，自感电压为0 当电流过了负的最大值，变化率为正，自感电压为正;电流过“0”点时，变化率最大，自感电压又达到正的最大值。 新知学习 02 一.电阻、电感、电容在交流电路中的特性 3.纯电容电路 1)电压和电流有效值之间的关系 测量电路如图 6-27所示，图中电压表和电流表分别用来指示电容上的电压和电流有效值。 新知学习 02 一.电阻、电感、电容在交流电路中的特性 3.纯电容电路 1)电压和电流有效值之间的关系 调整调压器T的输出电压，按表6-4进行选点测量。测量值和计算值见表6-4。 新知学习 02 一.电阻、电感、电容在交流电路中的特性 3.纯电容电路 1)电压和电流有效值之间的关系 由表中测量和计算数据可见，电流和电压的有效值符合欧姆定律(误差为测量、读数不准所致)，用公式表示为 新知学习 02 一.电阻、电感、电容在交流电路中的特性 3.纯电容电路 2)电容器中瞬时电流和电压的关系 【分析结论】电容器是一个动态元件，充电电流和电压的变化率成正比，即 新知学习 02 二.案例分析 1.案例叙述 在电工电路中，有一个重要的部件叫交流电抗器，顾名思义就是阻碍交流电流流动和变化的电器。因为电感的特点一是储能放能，二是阻止电流的变化，电抗器就是应用了这个特点达到工程滤波的。图 6-29a、b是交流电抗器的外形和图形符号。 新知学习 02 二.案例分析 2.案例分析 电抗器为了增加其电感量，都用铁心做磁路，为了防止磁饱和，磁路都有留出一定的缝隙。电抗器的用途有几个方面: 【电路减压】 交流电动机起动时，为了降低加在电动机上的电压，减小流人电动机的电流，在电动机和电源之间加装电抗器，达到限流的作用。 【电流滤波】 图 6-29c是滤波效果图，因为电抗器具有储能放能和阻止电流变化的作用，通过在电路中串联电抗器，在电流的尖峰吸收储能、凹处放能补平，达到平稳电流的作用。 小试牛刀 03 尝试解答下面习题 选择题： 1.在交流耦合电路中，串联电容器的作用是（ ） A. 隔直通交，提取交流信号 B. 隔交直流，阻止信号传输 C. 放大交流信号 D. 稳定电路电压 答案：A 解析：根据电容隔直取交原理，在交流耦合电路中串联电容器可以把交流信号从交直流混合信号中提取出来，实现隔直通交，而不是隔交直流、放大交流信号或者稳定电压，所以答案是 A。 小试牛刀 03 尝试解答下面习题 选择题： 2.在交流电动机起动时，在电动机和电源之间加装电抗器，目的是（ ） A. 提高电动机的电压 B. 增大流入电动机的电流 C. 降低电动机的电压，减小电流，起到限流作用 D. 提高电动机的功率因数 答案：C 解析：交流电动机起动时，加装电抗器是为了降低加在电动机上的电压，减小流入电动机的电流，达到限流的作用，而不是提高电压、增大电流或者提高功率因数，所以选 C。 小试牛刀 03 尝试解答下面习题 选择题： 3.若电容器做耦合应用时容量不够大，可能会出现（ ） A. 输出波形失真 B. 信号增强 C. 电路短路 D. 电路断路 答案：A 解析：需要注意的是，电容器做耦合应用时其容量要足够大，否则输出波形会失真，不会出现信号增强、电路短路或者断路的情况，所以选 A。 小试牛刀 03 尝试解答下面习题 选择题： 4.纯电感电路中，电感是（ ） A. 耗能元件，消耗电能转化为热能 B. 储能元件，通过与电路进行能量交换实现储能放能 C. 既不耗能也不储能 D. 只耗能不储能 答案：B 解析：纯电感电路中，因为电压和电流有90°的相位差，两者之积时正时负，为正时电感储能，为负时电感放能，所以电感本身并不消耗电能，只是和电路进行能量的交换，是储能器件，答案是 B。 小试牛刀 03 尝试解答下面习题 选择题： 5.纯电容电路中，电容两端电压越高，则（ ） A. 电容储能越小 B. 电容储能越大 C. 电容容抗越大 D. 电容容抗越小 答案：B 解析：电容在交流电路中，两端的电压越高，电容储能越大；电容储能与电压有关，而容抗与频率、电容容量有关，和电压大小无关，所以选 B。 小试牛刀 03 尝试解答下面习题 选择题： 6.对于纯电阻、纯电感、纯电容电路，以下关于电压和电流相位关系描述正确的是（ ） A. 纯电阻电路中电压超前电流90° B. 纯电感电路中电流超前电压90° C. 纯电容电路中电压超前电流90° D. 纯电阻电路中电流与电压同相位 答案：D 解析：纯电阻电路中电流与电压同相位；纯电感电路中电压超前电流90°；纯电容电路中电流超前电压90°，所以正确答案是 D。 小试牛刀 03 尝试解答下面习题 选择题： 7.在纯电感电路中，当电源频率降低时，感抗XL（ ） A. 增大 B. 减小 C. 不变 D. 无法确定 答案：B 解析：因为感抗XL=ω L = 2ΠfL，当电感L不变，电源频率f降低时，感抗XL会随之减小，所以选 B。 小试牛刀 03 尝试解答下面习题 选择题： 8.交流电抗器的铁心磁路留出一定缝隙的目的是（ ） A. 减小电感量 B. 增加电感量 C. 防止磁饱和 D. 降低成本 答案：C 解析：电抗器为了增加其电感量，用铁心做磁路，但为了防止磁饱和，磁路都有留出一定的缝隙，所以答案是 C。 小试牛刀 03 尝试解答下面习题 简答题： 1. 简述纯电阻电路的特点。 答案： 电流与电压同相位，即它们的初相角相等。 电流和电压的瞬时值、最大值、有效值都服从欧姆定律。 电阻在交流电路中为耗能负载，将电能转变为热能，电流和电压之积总为正值。 解析：这三点是对纯电阻电路基本特性的总结。从相位关系、遵循的定律以及能量转化角度全面描述了纯电阻电路的特点，这些结论是基于欧姆定律和对纯电阻电路中电压电流关系的分析得出。 小试牛刀 03 尝试解答下面习题 简答题： 2. 简述纯电容电路中容抗的特性。 答案： 电容器的容抗XC与电源角频率ω和电容器的容量C之积成反比，即ω、C值越大，XC越小；反之越大。 当ω= 0（直流），则XC=∞，即电容器不能通过直流电。 容抗是频率的函数，频率高，容抗小；频率低，容抗大，和感抗的性质相反 。 解析：容抗的这些特性是通过实验和理论推导得出的。从其与ω、C的数学关系能得出大小变化规律，直流时ω= 0代入公式能得到相应结论，同时与感抗对比突出其频率特性。 课堂小结 04 作业布置 05 1. 分析纯电阻电路中电流电压关系并举例说明。 2. 阐述交流电抗器滤波的原理及作用过程。 3. 解释交流耦合中电容容量对波形的影响。 感谢观看 $$