單相交流電路教法探討

單相交流電路中最常見的負載有電阻、電感、電容及它們的等效串聯、并聯電路，電阻、電感和電容對交流電都有阻礙作用，但方式卻不同。為了研究電阻、電感、電容三種負載的性質及它們對交流電路的影響，教學中我引導學生從實驗中通過不同的角度來分析和對比，最后得出結論。

一、 電阻、電感、組成的交流電路

我們用60W的白熾燈作為電阻，將其裝到交流電路中，觀察白熾燈的亮度和電流表、電壓表的讀數。然后在該電路中串入40W日光燈的鎮流器作為電感，如圖1所示。結果我們發現，串入電感后，燈光變暗了、電流變小了，燈兩端的電壓也變小了。這說明，電感對電流有了阻礙作用。同時我們還可以發現，電阻上的電壓與電感上的電壓之和>電源電壓。即:UR+UL>U.這是為什么呢?原來，電阻上的電壓與電流是同相位的。而電感上的電壓UL是由于電流的變化產生的感應電動勢引起的，UL=-e=-(-L)=L。當電流i過零時最大，uL最大;當電流i最大時=0，uL=0。電感上電壓的最大值超前電流的最大值90°，如圖2所示。

(圖5) (圖6)

假設總電流的初相位角為0°，則電阻上的電壓、電感上的電壓兩者之間的關系如圖3表示，以UR和UL為鄰邊作平行四邊形，斜邊邊長正好對應交流電源電壓的數值。圖3中的陰影部分稱為電壓三角形，電阻上的電壓和電感上的電壓分別為兩個直角邊，總電壓為斜邊，所以U總=，而不是U總=UL+UR。如果在電壓三角形的每條邊上都除以電流的有效值，則得到阻抗三角形，如圖5左邊三角形所示，三角形中三邊的關系為:Z=。如果在電壓三角形的每條邊上都乘以電流的有效值，則可得到功率三角形，如圖4中右邊三角形所示，三角形中三邊的關系為:S=，S—視在功率，電源提供的總功率。P—有功功率，為電阻上消耗的功率，即電能被使用消耗的功率。Q—無視功率，為電感與電源進行能量交換功率。即隨著交流電的正弦變化，電源與電感之間進行著周期性的、電能與磁場能的相互轉化。在這個轉化中，電感本身不消耗電能，但它卻增加了電源的負擔，故<1。我們把=COS?漬稱為功率因數。如圖4由電壓三角形得到功率三角形和阻抗三角形。

二、 電阻、電感、電容組成的復合交流電路

為了分析功率因數高低對交流電路的影響，我們在圖1的電路中并聯上一個電容C，如圖5電阻、電感和電容的混合電路。我們發現，燈泡的亮度沒有變化，但是總電流卻小了很多。這說明電容可以提高功率因數，起到節能的作用。這是因為電容是存放電荷的容器，電容上電壓是隨著充電時間的增大而逐漸建立的。當電流最大時充電并沒有結束，uC在繼續升高;當電流i減小到過零時，uC才達到最大。如圖6電容上的電流、電壓和功率。電容上電壓的最大值總是滯后電流的最大值90°，與電感的情況恰好相反。并聯電容后，電感與電源的能量交換轉變成了電感與電容線路中的電流，減輕了電源的負擔，所以，在感性負載兩端并聯電容器可以提高功率因數，減小電源負擔，減小輸電線路中的損耗。但電容量要適當，過量的增大電容，不僅加大了節能成本，而且還容易引起電網諧振。當容抗等于感抗XL時，即XC=XL==2?仔fL，時，電路產生諧振，諧振頻率為f0=，在這里我們是不喜歡出現諧振的。但是諧振技術，在無線電、通訊、傳感器等電路中有著廣泛的應用。

綜上所述，整個單相交流電路的分析與講解，均以實驗演示教學為主，由淺入深地遞進推理，得到各種電路的性質和相關結論，并在講解過程中，盡量回避過多的理論分析，這種教學方法對于本章的教學收到了較好的效果。

參考文獻:

[1]周南星.電工基礎[M].北京:中國勞動社會保障出版社，2004.

[2]丁躍軍.紡織電氣基礎[M].北京:中國紡織出版社，2003.

(河南工業技師學院)