西門子CPU224XPCN AC/DC/RLY

時(shí)間：2023-06-15作者：潯之漫智控技術(shù)（上海）有限公司瀏覽：41

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電路，實(shí)際上就是各種電路部件和電路器件相互連接而成的電流通路裝置。就我們目前所學(xué)而得知，電路可以分為交流電路和直流電路，直流電路比交流電路簡(jiǎn)單很多。

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在交流電路和直流電路中，電阻元件(本文的電阻元件均指線性電阻元件)、電感元件(本文的電感元件均指線性電感元件)與電容元件(本文的電容元件均指線性電容元件)所表現(xiàn)出來(lái)的特性各有不同。

在直流電路中，電阻元件的伏安特性曲線是過(guò)原點(diǎn)的一條直線;而電感元件在直流電路中相當(dāng)于通電導(dǎo)線或電阻元件(線圈電阻較大時(shí));

電容元件在直流電路中其兩端電壓恒定，相當(dāng)于開路，電流無(wú)法流通，即電容元件有隔斷直流的作用。電感元件和電容元件在交流電路中又有怎樣的特性呢?

這正是我們這次要學(xué)習(xí)的內(nèi)容：?jiǎn)我粎?shù)正弦交流電路，這里的單一參數(shù)指的是電阻元件、電感元件和電容元件的相關(guān)參數(shù)。

關(guān)于電阻電阻元件、電感元件和電容元件，我們?cè)谥熬鸵呀?jīng)學(xué)習(xí)過(guò)，在這里，我再次帶大家簡(jiǎn)單回顧一下這三種元件。

1、電阻元件：

在電壓和電流取關(guān)聯(lián)參考方向時(shí)，在任何時(shí)刻電阻元件兩端的電壓和電流服從歐姆定律u =iR，如圖32-1所示，即電阻元件上的電壓u與通過(guò)該元件的電流i成線性關(guān)系。




其中R為電阻元件參數(shù)，稱為元件的電阻，當(dāng)電壓的單位為伏特(V)、電流的單位為安培(A)時(shí)，此時(shí)電阻的單位為歐姆(Ω)。




圖32-1




另外，金屬導(dǎo)體的電阻與導(dǎo)體的尺寸及導(dǎo)體材料的導(dǎo)電性能(電阻率)有關(guān)，其表達(dá)式如圖32-1的(2)所示，其中ρ為導(dǎo)體的電阻率，l為導(dǎo)體的長(zhǎng)度，S為導(dǎo)體的橫截面積。電阻元件從t0到t的時(shí)間內(nèi)吸收的電能如圖32-1的(3)所示，在直流電路中可表示為W =UIt =I2Rt，電阻元件一般把吸收的電能轉(zhuǎn)換成熱能或其他能量。




電阻元件還是比較簡(jiǎn)單的，當(dāng)流過(guò)一個(gè)電阻元件的電流無(wú)論為何值時(shí)，它的端電壓恒為零，此時(shí)就把它稱為“短路”，當(dāng)電阻元件的端電壓不論為何值時(shí)，流過(guò)它的電流恒為零值，就把它稱為“開路”。




2、電感元件：

如圖32-2所示，它是實(shí)際線圈是理想化模型，線圈，也就是用導(dǎo)線一圈一圈繞制而成。電感元描述了線圈通有電流時(shí)產(chǎn)生磁場(chǎng)、儲(chǔ)存能量的性質(zhì)。




圖32-2所示的線圈，流過(guò)該線圈的電流i產(chǎn)生的磁通φL與N匝線圈交鏈，則磁通鏈ΨL=NφL。




電感元件的特性指的是磁通鏈(磁鏈)Ψ與電流i的代數(shù)關(guān)系，其元件特性如圖32-2的(2)所示，其中L為電感元件的參數(shù)，稱為電感，它是一個(gè)正實(shí)常數(shù)，單位為亨利(H)。




線圈的電感與線圈的尺寸、匝數(shù)以及附近的介質(zhì)的導(dǎo)磁性能(磁導(dǎo)率)等有關(guān)，其表達(dá)式如的(3)所示，其中μ為介質(zhì)的磁導(dǎo)率，S為線圈的橫截面積，N為線圈的匝數(shù)，l為線圈的長(zhǎng)度。




圖32-2




當(dāng)磁鏈隨時(shí)間變化時(shí)，線圈就會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，即線圈兩端會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電壓(與感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)大小相等，方向相反)，如圖32-2的(4)所示，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的參考方向與磁通的方向滿足右手螺旋關(guān)系。圖32-2的(4)式可以表明，當(dāng)電感上電流發(fā)生劇變(即電流變化率非常大)時(shí)，電壓很大;而當(dāng)電流不變時(shí)，此時(shí)的電壓為零，這就是上文所說(shuō)電感元件在直流電路中相當(dāng)于通電導(dǎo)線，理想情況下元件兩端不會(huì)產(chǎn)生壓降。




電感元件從零初始狀態(tài)開始到t的時(shí)間內(nèi)電感元件吸收能量如圖32-2的(5)所示，即電感元件是一種儲(chǔ)能元件，它把吸收的能量以磁場(chǎng)能量的形式存儲(chǔ)在磁場(chǎng)中。當(dāng)電流增大時(shí)，磁場(chǎng)能增大，電感元件從電源吸收電能;當(dāng)電流減小時(shí)，磁場(chǎng)能減小，電感元件向電源釋放能量。




3、電容元件 ：

是實(shí)際電容器的電路模型，描述電容器兩端加電源后，其兩個(gè)較板別聚集起等量異號(hào)的電荷，在介質(zhì)中建立起電場(chǎng)，并存儲(chǔ)電場(chǎng)能量的性質(zhì)。




電容元件的元件特性是電路物理量電荷q與電壓u的代數(shù)關(guān)系，如圖32-3的(1)所示，其中C是電容元件的參數(shù)，稱為電容，它是一個(gè)正實(shí)常數(shù)，單位為法拉(F)。




電容器的電容與較板的尺寸及其較板間介質(zhì)的介電常數(shù)等有關(guān)，表達(dá)式如圖32-3的(2)所示，其中S為較板面積，d為較板間距離，ε為介電常數(shù)。




如果電容元件的電流i與電壓u取關(guān)聯(lián)參考方向，當(dāng)電壓u變化時(shí)，在電路中電容元件的電壓電流關(guān)系(VCR)如圖32-3的(3)所示，這表明電容元件的電流與電壓的變化率成正比，以電荷q(單位為庫(kù)倫)和電壓u(單位為伏特)為坐標(biāo)畫出電容元件的庫(kù)伏特性曲線是一條過(guò)原點(diǎn)的直線。




圖32-3




另外，圖32-3的(3)中表明的的電容元件的電流與電壓的變化率成正比關(guān)系，可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)電容上電壓發(fā)生劇變(即電壓變化率非常大)時(shí)，電流很大，電流大到一定程度時(shí)可能會(huì)燒壞電容器;而當(dāng)電壓不變時(shí)，此時(shí)的電流為零，這就是上文所說(shuō)的電容器有隔直作用。




電容元件從零初始狀態(tài)開始到t的時(shí)間內(nèi)電容元件吸收能量如圖32-3的(4)所示，即電容元件也是一種儲(chǔ)能元件，它把吸收的能量以電場(chǎng)能量的形式存儲(chǔ)在電場(chǎng)中。當(dāng)電壓增大時(shí)，電場(chǎng)能增大，電容元件從電源吸收電能;當(dāng)電壓減小時(shí)，電場(chǎng)能減小，電容元件向電源釋放能量。




在回顧完一遍電阻元件、電感元件和電容元件的相關(guān)參數(shù)與特性后，我們便開始學(xué)習(xí)單一參數(shù)正弦交流電路的相關(guān)知識(shí)。其中包括電阻元件的交流電路、電感元件的交流電路與電容元件的交流電路。




(1)電阻元件的交流電路

在前文就有提到過(guò)，在直流電路中，電阻元件的伏安特性曲線都是過(guò)原點(diǎn)的一條直線，但是在交流電路中，電壓和電流都是以正弦規(guī)律變化的，此時(shí)電阻元件兩端的電壓電流關(guān)系又是怎樣的呢?




如下圖32-4所示，在圖(1)電阻元件的正弦交流電路中，根據(jù)歐姆定律有u =iR，設(shè)電壓的瞬時(shí)值表達(dá)式u =Umsinωt，初相角為零，則電流i的瞬時(shí)值為i =u/R，代入電壓u的表達(dá)式得i =Imsinωt。比較電壓和電流的瞬時(shí)值表達(dá)式，可以發(fā)現(xiàn)，電壓和電流的頻率相同，它們的大小關(guān)系為I=U/R，此時(shí)電壓與電流的相位相同，即兩者相位差為零。







圖32-4




也就是說(shuō)，在電阻元件的正弦交流電路中，電壓和電流的差別只在于數(shù)值大小不同，它們的波形圖、相量式與相量圖如上圖32-4所示。由于電壓與電流的相位相同，它們的相量圖方向相同，兩者重疊。




交流電路中，瞬時(shí)功率定義為瞬時(shí)電壓與瞬時(shí)電流的乘積，用小寫字母p表示;而平均功率則是指瞬時(shí)功率在一個(gè)周期內(nèi)的平均值，用大寫字母P表示。顯然，在電阻元件的正弦交流電路中，它的瞬時(shí)功率和平均功率顯然是不一樣的。




圖32-5




如上圖32-5所示，電阻元件的正弦交流電路中，設(shè)u =Umsinωt，i =Imsinωt，此時(shí)瞬時(shí)功率p的表達(dá)式如圖32-5中的式(1)所示，并畫出其波形圖，中間的推導(dǎo)過(guò)程大家看不懂也沒(méi)關(guān)系，只需知道結(jié)論即可。從表達(dá)式和波形圖可以看出，瞬時(shí)功率p的值是于等于零的，這表明電阻元件是耗能元件，且隨時(shí)間變化。

另外，由平均功率的定義，結(jié)合瞬時(shí)功率的表達(dá)式，如圖32-5中的式(2)所示，可得平均功率P =UI，其中的U和I是分別電壓和電流的有效值。這其實(shí)有點(diǎn)類似電阻元件的直流電路中的功率，均是電壓乘以電流。








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