学习任务三
交流电路分析

学习情境概述

正弦交流电是最常见的交流电。它产生比较简单，规律性强，世界工业广泛采用这种交流电。在汽车中，汽车发电机产生的是三相交流电，本次学习任务通过学习三相交流电的波形特性，完成示波器的使用、正弦交流电波形的检测。

学习目标

知识目标：

1.能说出正弦交流电的特点。

2.能阐述正弦交流电的相关参数。

3.能说出数字示波器的工作原理。

技能目标：

1.能识别波形的电压、周期和频率。

2.能正确使用数字示波器读取波形。

素养目标：

1.规范实训7S管理。

2.培养自主学习、团队合作能力。

3.崇尚劳动，形成敢创新、敢挑战、爱岗敬业的职业精神。

知识链接

一、正弦交流电

所谓正弦交流电，是指大小和方向都随时间按正弦规律做周期性变化的电流、电压或电动势，简称交流电，波形如图2-3-1所示。其数学表达式如下：

u=U _m sin（ ωt+φ _u ）

i=I _m sin（ ωt+φ _i ）

e=E _m sin（ ωt+φ _e ）

二、正弦交流电三要素

1.幅值

在数学表达式中， I _m 、 U _m 、 E _m 分别叫作正弦电流、电压、电动势的幅值（也叫作峰值或最大值），反映了正弦量振荡的幅度。

有效值指与交流电热效应相同的直流电数值，热效应相同的直流电流 I 称为交流电流 i 的有效值，有效值可以确切反映交流电的做功能力。有效值用大写字母 I 、 U 表示。最大值与有效值之间有以下关系：

我们实际上用电表测量交流电的数值约等于有效值。

2.周期、频率、角频率

1）周期：正弦交流电完成一次循环变化所用的时间，用字母 T 表示，单位为秒（s）。

2）频率：正弦量在单位时间内做周期性循环变化的次数，用字母 f 表示，单位为赫兹（Hz）。

3）角频率：表示单位时间内正弦量变化的弧度数，用字母 ω 表示，单位为弧度/秒（rad/s）。

频率与周期的关系：

角频率与周期及频率的关系：

3.正弦交流电的相位、初相位和相位差

1）相位：正弦量解析式中随时间变化的电角度（ ωt + φ ）。

2）初相位： t =0时的相位 φ ，确定了正弦量计时开始的位置。

3）相位差：两个同频率正弦量之间的相位之差。上式中 u 、 i 的相位差为

φ= （ ωt+φ _u ）-（ ωt+ _i φ ） =φ _u - _i φ

三、三相交流电

三相交流电是由三个频率相同、电势振幅相等、相位差互差120°的交流电路组成的电力系统。目前，我国生产、配送的都是三相交流电，汽车发电机产生的也是三相交流电。

三相正弦交流电一般由三相交流发电机产生，发电机原理如图2-3-2a所示。发电机主要由定子和转子两部分构成。定子包括机座、定子铁心、电枢绕组等几部分。定子铁心固定在机座里，其内圆表面冲有均匀分布的槽。定子槽内对称嵌放着参数相同的三组绕组，每组 N 匝（图中以一匝示意）称为一相，于是有三相对称绕组，每相的始末端分别用U ₁ 、U ₂ ，V ₁ 、V ₂ ，W ₁ 、W ₂ 标示。图2-3-2b是一相绕组结构示意图。图2-3-2c为每相绕组电路模型。各相绕组的始端U ₁ 、V ₁ 、W ₁ （末端U ₂ 、V ₂ 、W ₂ ）彼此间隔120°。这样三相绕组的法线方向也互成120°，方向（绕组的法线与输出电流正方向成右螺旋关系）如图2-3-2a所示。发电机转子铁心上绕有励磁绕组或是永磁铁（励磁就是向发电机转子提供转子电源的装置），可产生磁通，这就形成一个可转动的磁极S-N，其磁通经定子铁心闭合。转子由原动机驱动，按顺时针方向以 ω 速度匀速旋转。可产生相位相差120°的交流电压，如图2-3-3所示。

四、常见的波形

除了正弦交流电外，还有几种常见的波形，如图2-3-4所示。

五、示波器

示波器是一种用途十分广泛的电子测量仪器。它能把肉眼看不见的电信号转换成看得见的图像，便于人们研究各种电现象的变化过程。利用示波器能观察各种不同信号幅度随时间变化的波形曲线，可以用它测试各种不同的电量，如电压、电流、频率、相位差、调幅度等（图2-3-5）。

我们实训用的实训板配套一个三通道小型示波器，如图2-3-6所示，能用于观察较低电压（200Vpp）和较低频率（200kHz）的信号，三通道相互独立。内置1200mA·h锂电池，充满电情况下，可使用5h。

六、实训板三通道示波器使用说明

实训板三通道示波器使用说明如下。

电源开关： 按下状态为开机，弹起状态为关机。

5V电源输入口： 用于给示波器充电，连接一条随机附带的充电线到计算机USB口或者5V电源适配器，即可对示波器充电，在充电状态，充电指示灯亮，充饱时，充电指示灯熄灭，完全充电只需4h。

波形信号输入口： 使用随机附带的专用信号线插入到波形输入接口，信号线另一端连接到被测信号的电路板。

信号AC/DC耦合开关： 每路波形信号输入接口旁边有一个小开关用于切换交流/直流耦合方式。小开关弹起为交流耦合方式，按下为直流耦合方式。

信号源输出接口： 示波器内置一个函数型信号发生器，可通过此接口输出信号。该信号输出与本机的三通道信号输入接口是共地的，可连接到本机信号输入接口测量自身产生的波形信号。

1kHz信号输出端子： 本机产生的标准1kHz方波和三角波，提供自身波形测量功能。

参数调节开关： 开机默认为未选中状态，未选中状态时，左右旋转移动光标到需要调节的菜单项。当光标到达所需调节的菜单项时，按下旋钮进入该菜单项的选中状态，在选中状态下，左右旋转旋钮可调节该参数设定值。当设定完成后，再次按下旋钮退出选中状态，此后可进行其他菜单项参数调节。

示波器界面： 波形窗口红色曲线是通道1的波形；蓝色曲线是通道2的波形；波形窗口紫色曲线是通道3的波形。示波器界面详细信息介绍参见实训板三通道示波器使用说明书。

七、波形测量步骤

1.根据信号电压的高低，调节垂直灵敏度到合适的档位。若不知信号电压，可先设置较大电压档位。

2.可设置为自动触发，此时示波器可以持续产生扫描线。若使用普通触发，可能因波形达不到触发条件，无法产生扫描线。

3.扫描速度可调节到被测信号周期的1/5，例如被测信号是1kHz，则扫描速度调到200μs/格时，被测信号一个周期将占用5个小方格。注意：当扫描速度很慢时，扫描线呈现需要很长时间，以至于屏幕上需要很久才能出现扫描线，遇到此情况，将扫描速度适当加快即可。

4.连接信号探头红、黑表笔到被测信号。

5.根据波形显示情况，调节垂直灵敏度及扫描速度、触发电平、触发模式、垂直位移等参数，使波形稳定显示。

课后习题

一、单选题

1.正弦量的三要素是（　）。

A.振幅、频率和初相位

B.电阻、感抗和容抗

C.电压、电流和功率

D.以上都不是

2.正弦交流电的幅值是 ，它的有效值是（　）。

A.8

B.4

C.6

D.2

3.汽车发电机产生的是（　）。

A.三相交流电

B.单相交流电

C.直流电

4.示波器不能测量的物理量是（　）。

A.幅值

B.功率

C.电压

D.频率

二、判断题

1.正弦交流电是大小和方向都随时间做周期性变化的交流电。（　）

2.示波器是一台能检测电路波形的仪器。（　）

3.三相交流电每一相电源相位差是60°。（　）

4.频率和周期存在着倒数倍的关系。（　） V65RTmD3Jmhsr+H5En59t5JcyFmmMg7cTjiNqibdKFilqvLX6aIC1KaKl1pE+bCa