項目3正弦交流電路項目導讀正弦交流電路在城市軌道交通系統(tǒng)中有著非常廣泛的應(yīng)用。這是因為與直流電相比，正弦交流電具有電壓可變，便于輸送、分配和使用等優(yōu)點；同時，與直流電氣設(shè)備相比，交流電氣設(shè)備具有結(jié)構(gòu)簡單、經(jīng)濟性好且維修方便等優(yōu)點。

因此，城市軌道交通系統(tǒng)大量使用了正弦交流電氣設(shè)備，以便更好地實現(xiàn)其運輸功能。本項目將針對正弦交流電路的特點，對其具體的應(yīng)用和分析方法展開介紹。知識目標020103掌握正弦交流電的三要素及其相量表示。掌握RLC串聯(lián)電路中電壓與電流的關(guān)系及功率的計算。掌握電路中發(fā)生串聯(lián)諧振和并聯(lián)諧振時的條件及特征。0405掌握提高功率因數(shù)的意義及方法。掌握三相交流電的產(chǎn)生原理及功率計算方法。能力目標0201能夠使用示波器測量和分析正弦交流信號。能夠正確連接三相正弦交流電源和三相負載。03能夠測量單相、三相正弦交流電路的功率。思政目標020103養(yǎng)成執(zhí)著專注、科學嚴謹?shù)墓そ尘瘛ｐB(yǎng)成腳踏實地、求真務(wù)實的工作作風。堅定實現(xiàn)中華民族偉大復興的中國夢的理想信念。CONTENTS1正弦交流電2單相正弦交流電路3三相正弦交流電路正弦交流電任務(wù)3.1任務(wù)引入城市電網(wǎng)可通過變電站向城市軌道交通系統(tǒng)提供正弦交流電，從而使城市軌道交通系統(tǒng)能夠正常運行。一般情況下，城市軌道交通系統(tǒng)用電設(shè)備的額定頻率為50Hz，其額定電壓因設(shè)備實際工作情況的不同而不同。以上所介紹的頻率、電壓等都是衡量正弦交流電的重要因素。那么，正弦交流電是如何產(chǎn)生的？衡量正弦交流電的因素又有哪些呢？3.1.1正弦交流電的產(chǎn)生圖3-1單相交流發(fā)電機的原理模型圖3-2正弦交流電動勢的波形3.1.2正弦交流電的三要素3.1.2正弦交流電的三要素周期、頻率、角頻率均為衡量正弦交流電變化快慢的物理量。周期為正弦交流電完成一次循環(huán)變化所用的時間，一般用字母T來表示，單位為秒（s）。頻率為正弦交流電在單位時間內(nèi)做周期性循環(huán)變化的次數(shù)，一般用字母f表示，單位為赫茲（Hz）。根據(jù)定義，周期與頻率互為倒數(shù)。頻率為正弦交流電在單位時間內(nèi)做周期性循環(huán)變化的次數(shù)，一般用字母f表示，單位為赫茲（Hz）。01周期、頻率、角頻率02振幅、有效值圖3-3有效值示意圖3.1.2正弦交流電的三要素正弦交流電在一個周期內(nèi)能夠達到的最大值即為振幅，一般用標有下標m的大寫字母表示。振幅反映了正弦交流電變化的幅度。有效值是衡量交流電做功能力的物理量。3.1.2正弦交流電的三要素03初相位與相位差3.1.2正弦交流電的三要素3.1.2正弦交流電的三要素圖3-4相位差的四種情況3.1.2正弦交流電的三要素例題解3.1.3正弦交流電的表示方法01解析法解析法就是利用解析式表示正弦交流電的方法。02圖像法圖像法是指在平面直角坐標系中，用縱坐標表示瞬時值、橫坐標表示電角度，從而得到正弦交流電對應(yīng)圖像的方法。圖像可以直觀地表示瞬時值隨電角度變化的函數(shù)關(guān)系，從而形象地表達物理規(guī)律。03相量法3.1.3正弦交流電的表示方法相量法是指將正弦交流電的振幅作為相量長度，初相位作為相量的幅角（向量與實軸正方向所成的角），從而得到正弦交流電對應(yīng)相量的表示方法。例如任務(wù)實施----測量正弦交流電任務(wù)準備實驗器材準備：雙蹤示波器、信號發(fā)生器、頻率計各1臺，交流毫伏表1塊，雙蹤示波器專用同軸電纜若干，導線若干。實施步驟1．雙蹤示波器的自檢圖3-7雙蹤示波器的控制面板雙蹤示波器的控制面板如圖3-7所示，請根據(jù)以下步驟對雙蹤示波器進行自檢。實施步驟2．正弦交流信號的測量表3-1正弦交流信號的測量數(shù)據(jù)（一）表3-2正弦交流信號的測量數(shù)據(jù)（二）老師根據(jù)學生的實際表現(xiàn)情況進行評分，并將評分結(jié)果填入表3-3中。表3-3正弦交流信號的測量評分表任務(wù)評價序號內(nèi)容評分標準分值得分1總體表現(xiàn)遵守課堂紀律和實訓規(guī)定，服從老師管理，主動思考并積極參與討論，否則酌情扣分20分

2實際操作正確接線，正確使用儀器、儀表，否則每錯1處扣10分20分

3實施結(jié)果表3-1、表3-2中測量值和計算值正確，否則每錯1處扣5分50分

4安全文明作業(yè)嚴格執(zhí)行安全操作規(guī)程，否則每錯1處扣5分；不得損壞儀器、儀表，否則扣10分10分

總分

單相正弦交流電路任務(wù)3.2任務(wù)引入單相正弦交流電路的電壓、電流隨時間呈周期性變化，因而電阻、電感、電容等元件在單相正弦交流電路中起到的作用與在直流電路中不完全相同。例如，電容在直流電路中起到開路作用，而在單相正弦交流電路中則會起到“通高頻阻低頻”的作用。那么，除電容外，電阻、電感等元件在單相正弦交流電路中起到什么作用？在電阻、電感、電容等元件串/并聯(lián)的正弦交流電路中，電流、電壓又有哪些變化規(guī)律呢？1．純電阻電路純電阻電路是只有電阻負載的正弦交流電路，也是日常生活中最常見的電路。例如，白熾燈、電熱器、電飯鍋等都可看成是電阻，它們工作時與正弦交流電源相連，組成純電阻電路，如圖3-8所示。3.2.1單一參數(shù)的正弦交流電路圖3-8純電阻電路2．純電感電路純電感電路是只有電感負載的正弦交流電路，是一種理想電路，如圖3-9所示。日常生活中常見的電感線圈有變壓器和電機的線圈、日光燈的鎮(zhèn)流器等。3.2.1單一參數(shù)的正弦交流電路圖3-9純電感電路3．純電容電路純電容電路是只有電容負載的正弦交流電路，如圖3-10所示。工程上常用的電容常以空氣、云母、絕緣紙、陶瓷等材料作為極板間的絕緣介質(zhì)，當忽略其漏電電阻和引線電感時，可將其看作是純電容元件。3.2.1單一參數(shù)的正弦交流電路圖3-10純電容電路3.2.1單一參數(shù)的正弦交流電路單一參數(shù)正弦交流電路特性的比較如表3-4所示。表3-4單一參數(shù)正弦交流電路特性的比較3.2.2RLC串聯(lián)電路圖3-11RLC串聯(lián)電路RLC串聯(lián)電路是指電阻、電感、電容串聯(lián)組成的正弦交流電路，如圖3-11所示。1．電壓與電流的關(guān)系3.2.2RLC串聯(lián)電路2．串聯(lián)諧振現(xiàn)象3.2.2RLC串聯(lián)電路3.2.2RLC串聯(lián)電路RLC并聯(lián)電路是指電阻、電感、電容并聯(lián)組成的正弦交流電路，如圖3-16所示。3.2.3RLC并聯(lián)電路圖3-16

RLC并聯(lián)電路3.2.3RLC并聯(lián)電路1．電壓與電流的關(guān)系3.2.3RLC并聯(lián)電路2．并聯(lián)諧振現(xiàn)象表3-5RLC串聯(lián)/并聯(lián)電路特性的比較3.2.4正弦交流電路的功率1．瞬時功率圖3-18電壓、電流及瞬時功率隨時間變化的曲線3.2.4正弦交流電路的功率2．有功功率（平均功率）和功率因數(shù)3.2.4正弦交流電路的功率3．無功功率3.2.4正弦交流電路的功率4．視在功率3.2.4正弦交流電路的功率4．視在功率3.2.4正弦交流電路的功率圖3-20RLC串聯(lián)電路例題3.2.4正弦交流電路的功率解3.2.4正弦交流電路的功率解01提高功率因數(shù)的意義3.2.5提高功率因數(shù)在城市軌道交通電力系統(tǒng)中，電路多為感性電路，且功率因數(shù)較低，一般會遇到以下兩個問題：02提高功率因數(shù)的方法3.2.5提高功率因數(shù)當電路的功率因數(shù)過低時，可通過在感性（或容性）負載兩端并聯(lián)電容（或電感）的方法來提高功率因數(shù)，如圖3-21所示。圖3-21感性負載并聯(lián)電容時的電路圖3-22感性負載并聯(lián)電容時的電流相量圖任務(wù)實施----提高單相正弦交流電路的功率因數(shù)任務(wù)準備實驗器材準備：功率表、交流毫伏表、交流電流表、交流電壓表、功率因數(shù)表各1塊，功率因數(shù)提高實驗電路板1塊，220V單相正弦交流電源1臺，自耦調(diào)壓器、鎮(zhèn)流器、啟輝器、日光燈各1個，1μF、2.2μF、4.7μF電容器各1個，導線若干。實施步驟（1）根據(jù)圖3-23所示日光燈電路，將各類實驗器材連接起來。圖3-23日光燈電路實施步驟（2）將S1、S2、S3斷開，接通220V單相正弦交流電源。將所有測量結(jié)果填入表3-6中。表3-6日光燈電路的測量與計算結(jié)果（一）表3-7日光燈電路的測量與計算結(jié)果（二）（3）操作開關(guān)，使電路分別并聯(lián)電容。并將測量結(jié)果填入表3-7中。老師根據(jù)學生的實際表現(xiàn)情況進行評分，并將評分結(jié)果填入表3-8中。表3-8提高電路功率因數(shù)實驗評分表任務(wù)評價序號內(nèi)容評分標準分值得分1總體表現(xiàn)遵守課堂紀律和實訓規(guī)定，服從老師管理，主動思考并積極參與討論，否則酌情扣分20分

2實際操作正確連接電路，正確使用儀器、儀表，否則每錯1處扣5分；正確操作開關(guān)，使電路并聯(lián)的電容連接正確，否則每錯1處扣10分30分

3實施結(jié)果表3-6、表3-7中測量與計算的結(jié)果正確，否則每錯1處扣5分40分

4安全文明作業(yè)嚴格執(zhí)行安全操作規(guī)程，否則每錯1處扣5分；不得損壞儀器、儀表，否則扣10分10分

總分

三相正弦交流電路任務(wù)3.3任務(wù)引入目前，外部電源主要通過三相正弦交流電路向城市軌道交通系統(tǒng)供電。與單相正弦交流電路相比，三相正弦交流電路具有更多的優(yōu)點。例如，在相同功率條件下，三相交流發(fā)電機比單相交流發(fā)電機性能好、尺寸小、成本低；在電機尺寸相同的條件下，三相交流發(fā)電機的輸出功率比單相交流發(fā)電機高；在輸電距離、輸送功率等相同的條件下，三相輸電比單相輸電更能節(jié)約材料等。因此，三相正弦交流電路具有更高的實際應(yīng)用價值。那么，三相正弦交流電是如何產(chǎn)生的？三相正弦交流電路有哪些連接方式？其負載又有哪些特點呢？1三相正弦交流電源的產(chǎn)生3.3.1三相正弦交流電源圖3-24三相交流發(fā)電機的組成圖3-25定子繞組的結(jié)構(gòu)1三相正弦交流電源的表示方法3.3.1三相正弦交流電源將三相正弦交流電壓用波形圖和相量圖表示，如圖3-26所示。3.3.1三相正弦交流電源（a）波形圖（b）相量圖圖3-26三相正弦交流電壓的波形圖和相量圖3三相正弦交流電源的星形連接3.3.1三相正弦交流電源3.3.1三相正弦交流電源圖3-27三相正弦交流電源的星形連接4三相正弦交流電源的三角形連接3.3.1三相正弦交流電源

三相正弦交流電源的三角形（△）連接是指將一相繞組的始端與另一相繞組的末端依次連接，再從三個接點處分別引出三條相線的連接方式，如圖3-29所示。圖3-29三相正弦交流電源的三角形連接3.3.2三相負載的連接1三相負載的星形連接3.3.2三相負載的連接將三相負載的末端與三相正弦交流電源的中性線相連，并把三相負載的三個首端分別接到三相正弦交流電源的三條相線上，這種連接方式稱為三相負載的星形連接，如圖3-30所示。圖3-30負載做星形連接的三相四線制電路不論哪種連接方式，負載在同一相始末兩端之間的電壓都稱為負載的相電壓，在兩相始端之間的電壓都稱為負載的線電壓；流過負載的電流都稱為相電流，有效值用表示；流過相線的電流都稱為線電流。3.3.2三相負載的連接2三相負載的三角形連接3.3.2三相負載的連接將三相負載分別連接到三相正弦交流電源的兩條相線之間，這種連接方式稱為三相負載的三角形連接，如圖3-32所示。圖3-32負載做三角形連接的三相正弦交流電路3.3.2三相負載的連接1．有功功率3.3.3三相正弦交流電路的功率與單相正弦交流電路相同，三相正弦交流電路的功率除包括瞬時功率外，還包括有功功率、無功功率和視在功率。2．無功功率3.3.3三相正弦交流電路的功率3．視在功率3.3.3三相正弦交流電路的功率例題3.3.3三相正弦交流電路的功率解3.3.3三相正弦交流電路的功率解1）三相四線制電路的功率測量3.3.3三相正弦交流電路的功率（1）對稱的三相四線制電路中各相的功率相同。具體方法為：將功率表的電流線圈串聯(lián)在相線上，電壓線圈的電源端與電流線圈的電源端相連，另一端連接在中性線上。這種測量方法稱為一表法，電路的總功率等于該測量值的三倍。（2）非對稱的三相四線制電路中各相的功率不同。具體方法為：將三個功率表分別連接在三條相線上，連接方式與一表法相同。這種測量方法稱為三表法，電路的總功率等于三個測量值之和。4．功率的測量3.3.3三相正弦交流電路的功率圖3-33三相三線制電路的功率測量2）三相三線制電路的功率測量如圖3-33所示，對于三相三線制電路，可將兩個功率表的電流線圈分別串聯(lián)在任意兩條相線上；電壓線圈的電源端與電流