交流电及整流滤波电路计算.doc

在现代共农业生产和日常生活中，广泛地使用着交流电。主要原因是与直流电相比，交流电在产生、输送和使用方面具有明显的优点和重大的经济意义。例如在远距离输电时，采用较高的电压可以减少线路上的损失。对于用户来说，采用较低的电压既安全又可降低电器设备的绝缘要求。这种电压的升高和降低，在交流供电系统中可以很方便而又经济地由变压器来实现。此外，异步电动机比起直流电动机来，具有构造简单、价格便宜，运行可靠等优点。在一些非用直流电不可的场合，如工业上的电解和电镀等，也可利用整流设备，将交流电转化为直流电。 交流电的电压（或电流）随时间作周期性变化。实际上，所谓交流电包括各种各样的波形，如正弦波、方波、锯齿波等。本实验中，我们主要讨论正弦交流电。其原因在于，正弦交流电在工业中得到广泛的应用，它在生产、输送和应用上比起直流电来有不少优点，而且正弦交流电变化平滑且不易产生高次谐波，这有利于保护电器设备的绝缘性能和减少电器设备运行中的能量损耗。另外各种非正弦交流电都可由不同频率的正弦交流电叠加而成（用傅里叶分析法），因此可用正弦交流电的分析方法来分析非正弦交流电。 本实验的目的是掌握交流电路的基本特性及交流电各参数的测量方法。了解整流滤波电路的基本工作原理。 假设交流电U(t)=Asint与直流电U(t)=B给电阻R的做功能力相同 那么就说B为交流电压Asint的有效值. 在0-2π的时间内交流电功率的积分∫(Asint)^2dt/R=πA^2/R 而这段时间内直流电所做的功为2πB^2/R 因此πA^2/R=2πB^2/R,A=sqrt(2)*B 或者说有效电压值B=A/sqrt(2) ? ???????? 交流电路 正弦交流电的表达式如下，其曲线如图6.2.1-1所示。 (1) 由此可见，正弦交流电的特征表现在整弦交流电的大小、变化快慢及初始值三方面。而它们分别由幅值（或有效值）、频率（或周期）和初相位来确定。所以幅值、频率、初相位被称为正弦交流电的三要素。 ???????? 幅值、平均值和有效值 –??? 幅值 峰值或最大值，记为或，峰点电位之差称为“峰-峰值”，记为和。显然 。 –??? 平均值 令、分别表示随时间变化的交流电流和交流电压，则它们的平均值分别为 (2) 这里是周期，平均值实际上就是交流信号中直流分量的大小，所以图6.2.1-1所示的正弦交流电的平均值为0。 –??? 有效值 在实际应用中，交流电路中的电流或电压往往是用有效值而不是用幅值来表示。许多交流电流或电压测量设备的读数均为有效值。有效值采用如下定义： (3) ???????? 周期与频率 正弦交流电通常用周期或频率来表示交变的快慢，也常常用角频率来表示，这三者之间的关系是 (4) 需要指出的是：同频率正弦交流电的和或差均为同一频率的正弦交流电。此外，正弦交流电对于时间的倒数或积分也仍为同一频率的正弦交流电。这在技术上具有十分重要的意义。 ???????? 初相位 交流电时的相位称为交流电的初相位。它反映了正弦交流电的初始值。 ???????? 整流和滤波 整流电路的作用是把交流电转换成直流电，严格地讲是单方向大脉动直流电，而滤波电路的作用是把大脉动直流电处理成平滑的脉动小的直流电。 ???????? 整流原理 利用二极管的单向导电性可实现整流。 –??? 半波整流 图6.2.1-2中D是二极管，是负载电阻。若输入交流电为 (5) 则整流后输出电压为（一个周期内） (6) 其相应的平均值（即直流平均值，又称直流分量） (7) –??? 全波桥式整流 前述半波整流只利用了交流电半个周期的正弦信号。为了提高整流滤波效率，使交流电的正负半周信号都被利用，则应采用全波整流，现以全波桥式整流为例，其电路和相应的波形如图6.2.1-3所示。 若输入交流电仍为 (8) 则经桥式整流后的输出电压为（一个周期） (9) 其相应直流平均值为 (10) 由此可见，桥式整流后的直流电压脉动大大减少，平均电压比半波整流提高了一倍（忽略整流内阻时）。 ???????? 滤波电路 经过整流后的电压（电流）仍然是有“脉动”的直流电，为了减少波动，通常要加滤波器，常用的滤波电路有电容、电感滤波等。现介绍最简单的滤波电路。 –??? 电容滤波电路 电容滤波器是利用电容充电和放电来使脉动的直流电变成平稳的直流电。我们已经知道电容器的充、放电原理。图6.2.1-4所示为电容滤波器在带负载电阻后的工作情况。设在时刻接通电源