直流和交流的区别 毕业设计

直流和交流的区别 毕业设计 1 直流和交流的区别是什么 2008年04月29日 星期二 12:24 直流电direct current 大小和方向都不随时间变化的电流。又称恒定电流。所通过的电路称直流电路是由直流电源和电阻构成的闭合导电回路。在该电路中形成恒定的电场在电源外正电荷经电阻从高电势处流向低电势处在电源内靠电源的非静电力的作用克服静电力再从低电势处到达高电势处如此循环构成闭合的电流线。所以在直流电路中电源的作用是提供不随时间变化的恒定电动势为在电阻上消耗的焦耳热补充能量。 在比较简单的直流电路中电源电动势、电阻、电流以及任意两点电压之间的关系可根据欧姆定律及电动势的定义得出。复杂的直流网络可根据G.R.基尔霍夫方程组求解。它包括节点电流方程和回路电压方程两部分前者指出对于任一节点3个或3个以上支路的交点流入和流出节点的各电流的代数和为零这是恒定条件的要求后者指出对于任一闭合回路网格各部分电压降的代数和为零这是静电场环路定理的结果两者构成了完备的方程组。 测量直流电路中电流、电压、电阻、电源电动势等物理量的仪称为直流仪表。常用的有电流计安培计伏特计电桥电势差计等。 直流电源有化学电池燃料电池温差电池太阳能电池直流发电机等。直流电主要应用于各种电子仪器电解电镀直流电力拖动等方面。 在电力传输上19世纪80年代以后由于不便于将直流电低电压升至高电压进行远距离传输直流输电曾让位于交流输电。20世纪60年代以来由于采用高电压、大功率变流器将直流电变为交流电直流输电系统又重新受到重视并获得新的发展。 交流电 简称“交流”。一般指大小和方向随时间作周期性变化的电压或电流。它的最基本的形式是正弦电流。我国交流电供电的标准频率规定为50赫兹。交流电随时间变化的形式可以是多种多样的。不同变化形式的交流电其应用范围和产生的效果也是不同的。以正弦交流电应用最为广泛且其他非正弦交流电一般都可以经过数学处理后化成为正弦交流电的迭加。正弦电流又称简谐电流是时间的简谐函数 iImsinωtφ0 当线圈在磁场中匀速转动时线圈里就产生大小和方向作周期性改变的交流电。 现在使用的交流电一般是方向和强度每秒改变52赫兹。 2 我们常见的电灯、电动机等用的电都是交流电。在实用中交流电用符号quotquot表示。 电流i随时间的变化规律由此看出正弦交流电需用频率、峰值和位相三个物理量来描述。交流电所要讨论的基本问题是电路中的电流、电压关系以及功率或能量的分配问题。由于交流电具有随时间变化的特点因此产生了一系列区别于直流电路的特性。在交流电路中使用的元件不仅有电阻而且有电容元件和电感元件使用的元件多了现象和规律就复杂了。 【交流电的频率和周期】频率是表示交流电随时间变化快慢的物理量。即交流电每秒钟变化的次数叫频率用符号f表示。它的单位为周秒也称赫兹常用“Hz”表示简称周或赫。例如市电是50周的交流电其频率即为f50周秒。对较高的频率还可用千周kC和兆周MC作为频率的单位。 1千周kC103周秒 1兆周MC10千周kC106周秒 例如我国第一颗人造地球卫星发出的讯号频率是20.009兆周亦即它发出的是每秒钟变化20.009×106次的交变讯号。交流电正弦电流的表示式中I Imsinωtφ0中的ω称为角频率它也是反映交流电随时间变化的快慢的物理量。角频率和频率的关系为 ω2πf。 交流电随时间变化的快慢还可以用周期这个物理量来描述。交流电变化一次所需要的时间叫周期用符号T表示。周期的单位是秒。显然周期和频率互为例数即 由此可见交流电随时间变化越快其频率f越高周期 T越短反之频率f越低周期T越长。 【交流电流的峰值】 简谐函数又称简谐量是时间的周期函数。其简谐电流 iImsinεtα 中的Im叫做电流的峰值i为瞬时值。应该指出峰值和位相是按上式 中Im为正值的要求定义的。如对下面形式的函数 i-5sinωtα 不应认为峰值为-5、初相为α而应把函数先写成 i5sinωtαπ 从而看出其峰值为5初位相为απ。 【交流电流的有效值】在交流电变化的一个周期内交流电流在电阻R上产生的热量相当于多大数值的直流电流在该电阻上所产生的热量此直流电流的数值就是该交流电流的有效值。例如在同样两个电阻内分别通以交流电it和直流电I通电时间相同如果它们产生的总热量相等则说这两个电流是等效的。交流电的有效值通常用U或I来表示。U表示等效电压I表示等效电流。设一电阻R通以交流电i在很短的一段时间dt内流经电阻R的交流电可认为是恒定的因此在这很短的时间内在R上产生的热量 dWi2Rdt 3 在一个周期内交流电在电阻上产生的总热量 而直流电I在同一时间T内在该电阻上产生的热量 WI2RT 根据有效值的定义有 所以有效值 根据上式有时也把有效值称为“平均根值”。对正弦交流电有iImsinωt故 而其中 可见正弦交流电的有效值等于峰值的0.707倍。通常交流电表都是按有效值来刻度的。一般不作特别说明时交流电的大小均是指有效值。例如市电220伏特就是指其有效值为220伏特 【交流电的平均值】交流电在半周期内通过电路中导体横截面的电量Q和其一直流电在同样时间内通过该电路中导体横截面的电量相等时这个直流电的数值就称为该交流电在半周期内的平均值。 对正弦交流电流即iImsinωt则平均值与峰值的关系为 故正弦交流电的平均值等于峰值的0.637倍。对正弦交流电来说在上半周期内一定量的电量以某一方向流经导体的横截面在下半周期内同样的电量却以相反的方向流经导体的横截面。因而在一个周期内流经导体横截面的总电量等于零所以在一个周期内正弦交流电的电流平均值等于零。如果直接用磁电式电表来测量交流电流将发现电表指针并不发生偏转。这是因为交流电流一会儿正一会儿为负磁电式电表的指针无法适应。如果附有整流器的磁电式电表例如万用电表中的交流档接入交流电路中如图346所示。那么在一周期内只有正半周的电流通过电表如图347中的实线所示负半周期电流则过二极管D2而不通过表图347中的虚线所示。在一周期内通过电表的电流平均值为 即半波整流后交流电的平均值和最大值的关系为 而交流电的有效值和最大值的关系为 所以 即正弦交流电经半波整流后的平均值只有有效值的0.45倍。 【位相】在交流电中iImsinωtα中的ωtα叫做位相位相角。它表征函数在变化过程中某一时刻达到的状态。例如在 阶段当ωtα0时达到取零值的阶段等等。α是t0时的位相叫初相。在实际问题中更 4 重要的是两个交流电之间的位相差。图318画出了电压ul和u2的三种不同的位相差。图348a中可看到两个电压随时间而变化的步调是一致的同时到达各自的峰值又同时下降为零。故称这两个电压为同位相也就是说它们之间的位相差为零。348b中两个电压随时间变化的步调是相反的u1为正半周时u2为负半周u1达到正最大值时u2达到负的最大值则这两个电压的位相相反或者说它们之间的位相差为π。图348c中两个电压的变化步调既不一致也不相反而是有一个先后它们之间的位相差介于0与π之间。从图348c中可以看出u1和u2之间的位相差是π2。总之两个交流电压或电流之间的位相差是它们之间变化步调的反映。 【交流电路中的电阻】纯电阻电路是最简单的一种交流电路。白炽灯、电炉、电烙铁等的电路都可以看成是纯电阻电路。虽然纯电阻的电压和电流都随时间而变但对同一时刻欧姆定律仍然成立即的波形如图349b所示。对纯电阻电路有1通过电阻R的电流和电压的频率相同2通过电阻R的电流峰值和电压峰值的关系是 的电流和电压同位相。图349a为纯电阻电路示意图。 【交流电路中的电感】如图350所示一个忽略了电阻的空心线圈和交流电流源 组成的电路称为“纯电感电路”。在纯电感电路中电感线圈两端的电压u和自感电动势eL间当约定它们的正方向相同时有 u-eL 因自感电动势 故有 如果电路中的电流为正弦交流电流iImsinωt则 其中UmImωL为电感两端电压的峰值。纯电感电路中的电压和电流波形如图351所示。由此可见对于纯电感电路1通过电感L的电流和电压的频率相同2通过电感L的电流峰值和电压峰值的关系是 UmImωL 其有效值之间的关系为 UIωL 由上式可知纯电感电路的电压大小和电流大小之比为 ωL称为电感元件的阻抗或称感抗通常用符号XL表示即 XLωL2πfL。 式中频率f的单位为赫兹电感L的单位为亨利感抗XL的单位为欧姆。这说明同一电感元件L一定对于不同频率的交流电所呈现的感抗是不同的这是电感元件和电阻元件不同的地方。电感元件的感抗随交流电的频率成正比地增大。电感元件对高频交流电的感抗大限流作用大而对直流电流因其f0故XL0相当短路所以电感元件在交流电路中的基本作用之一就是“阻交流通直流”或“阻高频通低频”。各种扼流圈就是这方面应用实例3在纯电 5 感电路中电感两端的电压位相超前其电流位 的变化成正比而不是和电流的大小成正比。对于正弦交流电当电流i 当电流为零时其变化率为最大电压也最大。所以两者的相 【交流电路中的电容】当把正弦电压uUmsinωt加到电容器时如图352所示由于电压随时间变化电容器极板上的电量也随着变化。这样在电容器电路中就有电荷移动。如果在dt时间内电容器极板上的电荷变化dq电路中就要有db的电荷移动因此电路中的电流 对电容器来说其极板上的电量和电压的关系是 qCU 因此有 其中ImUmωC为电路中电流的峰值。纯电容电路中的电压和电流波形如图353所示。由此可见对于纯电容电路1通过电容C的电流和电压的频率相同2通过电容C的电流峰值和电压峰值的关系是 ImUmωC 其有效值之间的关系为 IUωC 由上式可知纯电容电路中的电压大小与电流大小之比为 表示即 式中频率f的单位为赫兹电容C的单位是法拉容抗Xc的单位为欧姆。可见同一电容元件C一定对于不同频率的交流电所呈现的容抗是不同的。由于电容器的容抗与交流电的频率成反比因此频率越高容抗就越小频率越低容抗就越大。对直流电来讲f0容抗为无限大故相当于断路。所以电容元件在交流电路中的基本作用之一就是“隔直流通交流”或“阻低频通高频”3 率成正比而不是和电压的大小成正比。对于正弦交流电当电压为零 【交流电路中的欧姆定律】在交流电路中电压、电流的峰值或有效值之间的关系和直流电路中的欧姆定律相似其等式为UIZ或 该式就是交流电路中的欧姆定律。应该注意的是即与直流电路欧姆定律不同的 6 地方由于电压和电流随元件不同而具有位相差所以电流和电压的有效值之间一般不是简单的数量的比例关系。下面分两种基本电路来分析1在串联电路中如图354所示R、L、C上的总电压不等于各段分电压的和即 U?URULUc。 压决不是各个元件上电压的代数和而是矢量和。在电阻R上 在电感L上ZLωL 图355所示2在并联电路中如图356所示在R、L、C上每个元件两端的瞬时电压都相等为U。每分路之间的电流和两端电压之间的关系为 不同元件上电流的相位也各有差异。纯电感上电流相位落后于纯电阻电流 所以分电流的矢量和即总电流 【交流电功率】 在交流电中电流、电压都随时间而变化因此电流和电压的乘积所表示的功率也将随时间而变化。交流电功率可分为瞬时功率、有功功率、视在功率又叫做总功率以及无功功率。1瞬时功率Pt。由瞬时电流和电压的乘积所表示的功率。Ptit?ut它随时间而变。对任意电路 i与u之间存在着相位差itImsinωtutUmsinωtφ。即 在纯电阻电路中电流和电压之间无相位差即φ0瞬时功率PtIU 位时间内所用的能量或在一个周期 内所用能量和时间的比。在纯电阻电路中 纯电阻电路中有功功率和直流电路中的功率计算方法表示完全一致电压和电流都用有效值计算。 以上说明电感电路和电容电路中能量只能在电路中互换即电容与电源、电感与电源之间交换能量对外无能量交换所以它们的有功功率为零。对一般电路的平均功率为 3视在功率S。在交流电路中电流和电压有效值的乘积叫做视在功率即SIU。它可用来表示用电器本身所容许的最大功率即容量。4无功功率Q。在交流电路中电流、电压的有效值与它们的相位差φ的正弦的乘积叫做无功功率即Q IUsinφ。它和电路中实际消耗的功率无关而只表示电 7 容元件、电感元件和电源之间能量交换的规模。有功功率无功功率和视在功率之间的关系可由图357所示的“功率三角形”来表示。 【功率因数】它是发电机输送给负载的有功功率和视在功率的比即 可见功率因数cosφ是反应电能利用率大小的物理量。提高用电设备的功率因数就可以提高发电机总功率中的有功功率。 【变压器】 两个或多个有互感耦合的静止线圈的组合叫做变压器。变压器的通常用法是一个线圈接交变电源而另一线圈接负载通过交变磁场把电源输出的能量传送到负载中。接电源的线圈叫做原线圈接负载的线圈叫做副线圈。原、副线圈所在的电路分别叫做原电路原边及副电路副边。原、副线圈的电压有效值一般不等变压器即由此得名。变压器可分为铁心变压器及空心变压器两大类。铁心变压器是将原、副线圈绕在一个铁心软磁材料上利用铁心的高μ值加强互感耦合 广泛用于电力输配、电工测量、电焊及电子电路中。空心变压器没有铁心线圈之间通过空气耦合可以避免铁心的非线性、磁滞及涡流的不利影响广泛用于高频电子电路中。图358是变压器原理图。设变压器的原、副线圈中的电流所产生的磁感应线全部集中在铁心内即忽略漏磁因此铁心中各个横截面上的磁感应通量φ都一样大小。由于φ的变化将使绕制在铁心上的每一匝线圈中都产生同样 则原线圈中总感应电动势 副线圈共有N2匝总感应电动势 电源电压是按正弦函数规律变化的因此铁心中的磁感应通量φ也将按正弦规律变化设 其中φm为铁心中交变磁感应通量的峰值。因此 其中ε1mωN1φm为ε1的峰值。其有效值为 同样 其中ε2mεN2φm为ε2的峰值。其有效值为 所以 即变压器的原、副线圈中感应电动势的有效值或峰值与匝数成正比。在实际的变压器中原、副线圈都是用漆包线绕制的其电阻r很小故可略去由于线圈电阻而引起的电压降Ir。这样线圈两端的电压在数值上就等于线圈中的感应电动势。原线圈两端的电压即是变压器的输入电压U1故 U1?ε1 同样副线圈两端的电压就是加在负载上的变压器的输出电压U2即 8 U2?ε2 因此 上式说明变压器的输入电压与输出电压之比等于它的原、副线圈匝数之比。这是变压器的最重要的一个特性。当N2N1时U2U1这时变压器起升压作用当N2N1时U2U1这时变压器起降压作用。变压器在改变电压的同时还起着改变电流的作用。在变压器空载时副线圈中只有感应电动势没有电流。但在原线圈中都有一定的电流I10、I10称为励磁电流它的作用是在铁心中激发一定的交变磁感应通量φ从而在原线圈中引起一定的感应电动势ε1以平衡输入电压U1即U1?ε1得到满足。当副线圈与负载接通出现电流I2时I2将在铁心中产生一附加的磁感应通量Φ2′。根据楞次定律Φ2′将削弱铁心中原有的磁感应通量Φ的变化从而使原线圈中的尖电动势ε1变小。但由于输入电压U1是不因变压器有无负载而改变故变小的ε1便不再与U1平衡结果将使原线圈中的电流比空载时大设电流增大了I′这一电流也在铁心中产生一附加磁感应通量Φ1′以补偿Φ2′对原线圈电路的影响。当Φ1′和Φ2′两者的数值相等时铁心中的磁感应通量又恢复到原来的值Φ原线中的感应电动势也恢 复到原来的值ε1于是ε1又和U1相平衡整个电路又恢复到平衡状态。因为Φ1′是由磁通势N1I1′Φ2′是由磁通势N2I2引起的故只有当 N1I1′N2I2 Φ1′和Φ2′才能相互抵消。这时原线圈中的总电流I1I10I1′。当变压器接近满载即负载电阻较小、变压器接近它的额定电流时I1gtgtI10故I1?I1′。于是 N1I1N2I2 即 上式说明变压器接近满载时原、副线圈中的电流与它们的匝数成反比。对于升压变压器来说N2N1故I2I1即电流变小对于降压变压器由于N2N1故I2I1即电流变大。通常所说“高压小电流低压大电流”就是这个道理。这也符合能量守恒定律。其变压器的输入功率应等于输出功率。电压升高电流必然以相应的比例减小。否则便破坏了能量定恒与转化定律。变压器的种类很多常用的几种是电力变压器电源变压器耦合变压器调压变压器等。 【电力变压器】 这种变压器是用于输电网路。因为输电线上的功率损耗正比于电流的平方所以远距离输电时就要利用变压器升高电压以减小电流。这种高电压经高压输电线传送到城市、农村后再用降压变压器逐级把电压降到380伏特和220伏特供一般的用电户使用。电力变压器的容量通常较大。都是一些大型的变压器。 【电源变压器】 不同的电子仪器和设备以及同一仪器电路的不同部位往往需要各种不同的电压如电子管的灯丝电压是6.3伏特其板极电压需要300伏特各种晶体管的集电极工作电压是几伏至几十伏示波管的加速极电压达3000伏特等等。通常都用电源变压器将220伏特的市电电压变到各种需要电压。 【耦合变压器】 所谓耦合在物理学上指两个或两个以上的体系或两种运动形式之间通过各种相互作用而彼此影响以至联合起来的现象例如两个线圈之间的互感是通过磁场的耦合。无线电线路中常用作极间耦合的变压器如收音机的中 9 周、输入变压器、输出变压器都属于这一类称为耦合变压器。耦合变压器的作用是多方面的它还可以用来达到阻抗匹配等。 【调压变压器】 亦称为“自耦变压器”在生产和科学研究中常需要在一定范围内连续调节交变电压供这种用途的变压器叫做调压变压器。通常调压变压器就是一个带有铁心的线圈线圈由漆包线绕成以便滑动触点c能在各匝上移动从而在c、b两端获得可调的交流电压。如图359所示。大容量的调压变压器也用于输电网路以调节电网中的电压。 【互感器】 互感器也是一种变压器一般它用于测量高电压和大电流。这是因为高电压和大电流均不能用交流伏特表和安培表直接去测量。而是借助于互感器把高电压变成低电压或把大电流变成小电流而把电压表或电流表接在副线圈一边即低电压或小电流线圈的一边测出低电压或小电流。根据伏特表或安培表测出的电压数值或电流的数值再利用已知的变压比或电流比可计算出高压线路中的电压或电流。其接法如图360所示。从图中可以看出在测量电压时是把原线圈并联在高电压电路中副线圈上接入交流伏特表。且原线圈的线圈圈数多副线圈的线圈圈数少。而测量电流时是把原线圈串联在被测电路中副线圈接交流安培表而原线圈的线圈圈数少副线圈的线圈圈数多。这正是变压器的性质所决定的。 【隔直电容】 利用电容器的容抗与交流电的频率成反比的特性在电路中用于隔离直流电而只允许交流电通过的电容在此电路中叫“隔直电容器”。例如在放大器线路中的输入端和输出端常设置这种电容一方面隔断放大器的输入端与信号源之间输出端与负载之间的直流通道保证放大器的静态工作点不因输入、输出的连接而发生变化另一方面又要保证需要放大的交流信号可以畅通地经过放大器放大沟通信号源一放大器一负载三者之间的交流通道。隔直电容的名称是指电容器在电路中的作用而言。 【旁路电容】 可将混有高频电流和低频电流的交流电中的高频成分旁路掉的电容称做“旁路电容”。例如当混有高频和低频的信号 经过放大器被放大时要求通过某一级时只允许低频信号输入到下一级而不需要高频信号进入则在该级的输出端加一个适当大小的接地电容使较高频率的信号很容易通过此电容被旁路掉这是因为电容对高频阻抗小而低频信号由于电容对它的阻抗较大而被输送到下一级放大。旁路电容的大小一定要选择适当若电.