电工基础知识.ppt

2019 12 20 2 2019 12 20 3 第一节电磁学概论 一 知识结构 一 介质极化现象外电场作用下 电介质显示电性的现象 二 物质磁化现象在外磁场作用下 物质对外显示出磁性的现象 三 磁路定律磁路定律描述了磁路中的磁链 磁阻rm和磁动势 m三者之间的关系 二 了解内容 返回首页 无分支闭合磁路的欧姆定律 rm 四 电子技术基础1 pn结的单向导电性pn结加正向电压 正向偏置 时处于导通状态 pn结加反向电压 反向偏置 处于截止状态 2 二极管二极管的结构具有点接触型 面接触型和平面型 它的主要特性是单向导电性 二 了解内容 3 三极管 三极管是具有三个电极 能起放大 振荡或开关等作用的半导体器件 有pnp型和npn型两种 三 理解要点 一 直流电路的基本概念1 电路电路就是电流通过的路径 它由电源 负载 连接导线和开关等组成 2 电流 电压 电动势 电阻电流 电流的数值等于单位时间内通过导体截面的电荷量 返回首页 二 了解内容 电压 电场中两点之间的电位差 电动势 电场中将单位正电荷从低电位移向高电位时外力克服电场力所作的功 电动势的正方向规定由低电位指向高电位 即电位升高的方向 电阻 电流在导体中流动时受到的阻力 一段金属导体的电阻大小与导体的材料 长度和横截面积有关 三 理解要点 3 电路的连接形式电路有串联 并联和混联三种连接形式 4 电功和电功率电功 电流所做的功 电功率 电流在单位时间内所作的功 三 理解要点 5 电流的热效应电流的热效应 电流通过导体产生热的现象 二 电场和磁场的基本概念1 电场强度e 磁感应强度b电场强度 描述电场强弱的物理量 磁感应强度 描述磁场强弱的物理量 返回首页 三 理解要点 2 自感与互感自感 由于线圈本身电流的变化而引起线圈内产生电磁感应的现象 互感 一个线圈中的电流变化而在另一个线圈中产生电磁感应的现象 3 涡流 集肤效应涡流 导体在变化的磁场中 内部都会因电磁感应产生自行闭合 呈旋涡状流动的电流 返回首页 三 理解要点 集肤效应 当频率很高的交变电流通过导体时 电流密度几乎只在导体表面附近一薄层内存在的现象 三 电场和磁场的基本定律1 电荷守恒和电流连续性原理若在有体积电流的空间任取一闭合面s 那么单位时间内从s面流出去的电流 必然等于s面所包围的体积v中单位时间总电荷的减少量 三 理解要点 2 库仑力定律库仑力定律是静电场的基本实验定律 给出了两个点电荷之间库仑力的大小与两电荷量乘积成正比 与距离的平方成反比 3 安培力定律有关两个电流回路之间磁场力的定律 安培力定律是研究磁场力的基础 见 能源与节能管理基础 上 以下简称教材 第153页公式 5 1 22 返回首页 三 理解要点 4 电磁感应定律当穿过导体回路围成面积的磁链随时间变化时 导体回路中将产生感应电动势 四 掌握重点 一 欧姆定律欧姆定律是表示电压 电流和电阻三者关系的基本定律 部分电路欧姆定律 全电路欧姆定律 返回首页 三 理解要点 二 单相交流电路1 交流电的定义所谓交流电 是指电流大小和方向都随时间按照一定规律做周期性变化 2 正弦交流电的表达式 3 交流电的基本物理量 1 瞬时值和最大值瞬时值 每瞬时的数值 最大值 瞬时值中的最大的数值 四 掌握重点 2 周期 频率和角频率周期 交流电每交变一次 或一周 所需的时间 频率 每秒内交流电交变的周期数或次数 角频率 单位时间内变化的角度 周期与频率之间的关系 返回首页 四 掌握重点 3 相位 初相位和相位差相位 表达式中的 初相位 t 0时的相位 相位差 两个同频率的正弦交流电的相位之差 4 有效值正弦交流电的有效值等于交流电的最大值的 返回首页 四 掌握重点 4 正弦稳态电路的功率 1 瞬时功率 2 有功功率 3 无功功率 4 视在功率 三 三相交流电路1 三相交流电路由三个频率相同 振幅相同 相位彼此相差120 的正弦电动势作为供电电源的电路 四 掌握重点 2 对称三相电源特点 三相对称电源具有时间对称性 三相电源的瞬时值之和为零 相量和也为零 相序 三相电源中各相电源经过同一值 如最大值 的先后顺序 正序 顺序 a b c a 负序 逆序 a c b a 返回首页 四 掌握重点 3 三相电源的联接 星形联接 y联接 时线电压大小是相电压的倍 三角形联接 联接 时线电压与相电压大小相等 返回首页 四 掌握重点 三相三线制与三相四线制 无中线连接时 三相电源对负载的连接为三相三线制 有中线时为三相四线制 4 三相负载及其联接三相负载也有星形和三角形两种联接方式 四 掌握重点 5 三相负载有功功率 无功功率和视在功率 返回首页 四 掌握重点 第二节电力基础知识 一 知识结构 返回首页 二 了解内容 一 电力系统的基本概念电力系统是由生产 变换 输送 分配 消费电能的发电机 变压器 变换器 电力线路和各种用电设备 一次设备 以及测量 保护 控制等智能装置 二次设备 组成的统一整体 返回首页 二 电力网的基本概念与基本参量电力网 是由变压器 电力线路等变换 输送 分配电能设备所组成的部分 描述一个电力系统的基本参量 有总装机容量 年发电量 最大负荷 额定频率和最高电压等级 二 了解内容 三 电力负荷的基本概念电力负荷的五个基本概念 设备安装容量 负荷曲线 计算负荷 负荷系数 年最大负荷利用小时数 见教材第170页 第172页 设备安装容量 连续工作的用电设备的标称功率 负荷曲线 有功 无功负荷随时间变化的图形 计算负荷 等效负荷负荷系数 平均负荷与最大负荷之比年最大负荷利用小时数 是一个假想时间 返回首页 二 了解内容 四 电力负荷的分类电力负荷的七种分类方法 按用电的部门属性来划分 按负荷的大小划分 按使用电力的目的划分 按用电用户的重要性划分 按年最大负荷预测的时间长短划分 按电能的生产和销售过程划分 按国民经济行业用电划分 见教材第172页 第174页 二 了解内容 五 供电系统国际电工委员会 iec 规定的供电方式符号中 第一个字母表示电力 电源 系统对地关系 如t表示是中性点直接接地 i表示所有带电部分绝缘 不接地 第二个字母表示用电装置外露的金属部分对地的关系 如t表示设备外壳接地 它与系统中的其他任何接地点无直接关系 n表示负载采用接零保护 第三个字母表示工作零线与保护线的组合关系 如c表示工作零线与保护线是合一的 我们称零地合一 如tn c s表示工作零线与保护线是严格分开的 所以pe线称为专用保护线 如tn s 工程施工用电的基本供电系统分为三相三线制 380v 和三相四线制 380 220v 等 这样分类欠严密 iec统一规定分为 tt tn和it系统 tn系统又分为tn c tn s tn c s系统 返回首页 二 了解内容 返回首页 返回首页 返回首页 返回首页 返回首页 六 用户供电电压的选择用户供电系统的电压等级应符合电力系统的额定电压 一般用户的供电电压为6 10kv 大中型工业企业的供电电压可为35kv 用户供电系统的高压配电电压一般采用6 10kv 低压配电电压我国是380 220v 返回首页 二 了解内容 三 理解要点 一 供电质量的具体指标供电质量包括电能质量和供电可靠性两部分 六个指标 电网频率 电压偏差 三相电压不平衡 公用电网谐波 电压波动和闪变 供电可靠性 三 理解要点1 电网频率一个交流电力系统只能有一个频率 我国电力系统的标称频率为50hz 2 电压偏差电压偏差是指电网实际电压与额定电压之差 理想的供电电压应该是幅值恒为额定值的三相对称正弦电压 10kv及以下三相供电电压允许偏差为额定电压的7 220v单相供电电压允许偏差为额定电压的 7 10 3 三相电压不平衡4 公用电网谐波5 电压波动和闪变电网电压幅值的连续快速变化称为电压波动 由电压波动引起的灯光闪烁对人眼产生的刺激效应称为电压闪变 6 可靠性衡量供电系统供电可靠性有四个主要指标 供电可靠率 用户平均停电时间 用户平均停电次数 用户平均故障停电次数 三 理解要点 二 电能质量的基本参量六个指标 电压偏差 电压波动 电压闪变 电压正弦波畸变率 负序电压系数 频率偏差 见教材第178页 第180页 电压偏差 在某一时间段内缓慢变化而偏离额定值的程度 电压波动 在某一时间段内急剧变化而偏离额定值的程度 电压闪变 电压急剧变化而引起光通量的变化 电压正弦波畸变率 电压波形畸变的程度 负序电压系数 三相电压不平衡的程度 频率偏差 供电电源频率缓慢变化的现象 返回首页 三 理解要点 一 提高功率因数的意义四个方面 1 在一定的有功功率下 可以减小供电线路和变压器的容量 减少供电投资 2 可以提高供电设备利用率 3 当输出的有功功率相同时 可以减小线路电流 减小线路损耗 4 变压器容量一定时 可以增大输出的有功功率 减小输出的无功功率 高压供电用户功率因数应达到0 90以上 其他用户功率因数应在0 85以上 返回首页 四 掌握重点 二 无功功率补偿原理把具有容性功率负荷的装置与感性功率负荷并联接在同一电路 感性负荷所需要的无功功率可由容性负荷输出的无功功率进行补偿 三 无功功率补偿的方法四个方法 利用过激磁的同步电动机 改善用电的功率因数 利用调相机做无功功率电源 异步电动机同步化运行 电力电容器作为补偿装置 电力电容器作为补偿装置安装方便 建设周期短 造价低 运行维护简便 自身损耗小 是广泛采用的补偿方法 返回首页 四 掌握重点 四 电力电容器的补偿方法1 串联补偿是把电容器直接串联到高压输电线路上 应用于高压远距离输电线路上 用电单位很少采用 2 并联补偿是把电容器直接与被补偿设备并接到同一电路上 用电企业一般采用这种补偿方法 返回首页 四 掌握重点 五 并联电容器补偿无功功率1 原理电容中的电流超前电压180 将电容器与负载并联后 电流从il减小到i 功率因数由cos 提高到cos 需并联的电容器为 2 并联电容器的作用四个作用 补偿无功功率 提高功率因数 提高设备出力 降低功率损耗和电能损失 改善电压质量 四 掌握重点 六 并联电容器的补偿方式1 并联电容器与电力网的联接在三相供电系统中单相电容器的额定电压与电力网的额定电压相同时 应采用三角形接法 三相电容器只要其额定电压等于或高于电网的额定电压可直接接入 2 并联电容器的补偿形式个别补偿 分散补偿和集中补偿三种形式 返回首页 四 掌握重点 1 个别补偿个别补偿是指对单台用电设备所需无功功率就近补偿的办法 2 分散补偿分散补偿是指将电容器组分组安装在车间配电室或变电所各分路的出线上 3 集中补偿集中补偿是指把电容器组集中安装在变电所的一次或二次侧的母线上 返回首页 四 掌握重点 2019 12 20 44 返回首页 第三节电机与拖动 一 知识结构 二 了解内容 一 特殊变压器自耦变压器结构特点 电流互感器和电压互感器的工作原理和注意事项 二 同步电动机同步电动机的结构 特点 机械特性曲线以及同步电动机的运行状态 三 控制电机控制电机的种类很多 常用的有伺服电动机 测速发电机 步进电机 返回首页 图5 3 8电流互感器 返回首页 二 了解内容 2019 12 20 47 图5 3 9电压互感器 返回首页 二 了解内容 三 理解内容 一 变压器的损耗与效率变压器的功率损耗包括铁芯中的铁损耗 pfe和绕组上的铜损耗 pcu两部分 变压器的铁耗与原边绕组所施加的电压有关 通常称为不变损耗 变压器的铜耗为原边 副边绕组电阻上所消耗的功率 故称之为可变损耗 返回首页 2019 12 20 49 三 理解内容 二 电动机的工作原理1 直流电动机的工作原理任何电机的工作原理都是建立在电磁力和电磁感应这个基础上的 对直流电机也是如此 工作原理图见教材第192页图5 3 11所示 1 电枢感应电动势见教材第192页公式 5 3 16 e ke n 返回首页 三 理解内容 2 电枢回路电压平衡式等效电路图见教材第192页图5 3 12 电枢回路的电压平衡式见教材第192页公式 5 3 17 图5 3 12电枢回路等效电路 返回首页 三 理解内容 3 电磁转矩见教材第192页公式 5 3 18 t kt ia 4 转矩平衡关系在电机运行时 电磁转矩必须和机械负载转矩及空载损耗转矩相平衡 即 t t2 t0 转矩平衡过程 当电动机轴上的机械负载发生变化时 通过电动机转速 电动势 电枢电流的变化 电磁转矩将自动调整 以适应负载的变化 保持新的平衡 返回首页 三 理解内容2 异步电动机的工作原理 1 旋转磁场 当定子绕组通入三相交流电后 它们产生的合成磁场的方向随电流的交变而在空间不断地旋转着 这就是旋转磁场 2 旋转磁场的旋转方向 与三相交流电的相序有关 只要将三根电源线中的任意两根对调位置 则旋转磁场反转 返回首页 2019 12 20 53 三 理解内容 3 旋转磁场的极对数p 旋转磁场的极对数和三相绕组的结构有关 也就是所说的电动机的极对数 4 旋转磁场的转速 当旋转磁场具有p对磁极时 磁场的转速为 常叫做同步转速 返回首页 图5 3 22转子转动原理图 三相交流电动机定子绕组通入三相对称交流电时产生旋转磁场 当旋转磁场旋转时 其磁通切割转子导条 导条中就感应出电动势 在电动势作用下 闭合的导条中就有电流 这电流与旋 转磁场相互作用 而使转子导条受到电磁力f 由电磁力产生电磁转矩 转子就转动起来 5 三相异步电动机的转动原理 返回首页 三 理解内容 2019 12 20 55 6 转差率 同步转速和电动机转速之差与同步转速之比称为转差率 通常额定转差率约为1 9 返回首页 三 理解内容 四 掌握内容 一 变压器的额定值1 额定电压u1n u2n变压器二次侧开路 空载 时 一次 二次侧绕组允许的电压值 三相时u1n u2n是一次 二次侧的线电压 2 额定电流i1n i2n变压器满载运行时 一次 二次侧绕组允许的电流值 三相时额定电流是一次 二次侧的线电流 返回首页 3 额定容量sn单相变压器 三相变压器 返回首页 四 掌握内容 二 变压器的工作原理变压器原理图如右图所示 1 电磁关系 图5 3 2变压器的原理图 图5 3 3变压器电磁关系 返回首页 四 掌握内容 2 电压关系一次 二次侧电压变关系为 4 阻抗变换阻抗变换关系为 3 电流变换一 二次绕组的电流关系为 返回首页 四 掌握内容 三 直流电动机的机械特性及调速1 直流电动机的机械特性在电源电压和励磁电路的电阻rf为常数的条件下 表示电动机的转速n与转矩t之间关系的n f t 曲线 称为机械特性曲线 曲线见教材第193页图5 3 14所示 返回首页 四 掌握内容 三 直流电动机的机械特性及调速2 直流电动机调速直流电动机转速公式 1 改变磁通调速保持电枢电压u不变 改变励磁电流if 调 以改变磁通 机械特性曲线见教材第194页图5 3 15所示 由于电动机在额定状态运行时 它的磁路已接近饱和 所以通常只是减小磁通 将转速往上调 返回首页 四 掌握内容 2 改变电压调速 和ra一定 由转速公式可知 调电压u时 n0变化 但斜率不变 所以调速特性是一组平行曲线 见教材第194页图5 3 16所示 由于磁通不变 如在一定的额定电流下调速 则电动机的输出转矩也是一定的 恒转矩调速 返回首页 四 掌握内容 3 电枢回路串电阻调速串入电阻时电机的机械特性曲线见教材第195页图5 3 17所示 电枢回路串电阻调速需在电枢中串入专用电阻 电阻增大则转速下降 因此n只能下调 四 三相异步电动机的电路分析三相异步电动机的每相电路图见教材第198页图5 3 23所示 返回首页 四 掌握内容 1 定子电路 1 旋转磁场的磁通见教材第198页公式 5 3 27 2 定子感应电势的频率见教材第198页公式 5 3 28 2 转子电路 1 转子感应电势频率见教材第198页公式 5 3 29 返回首页 四 掌握内容 2 转子感应电动势见教材第198页公式 5 3 30 3 转子电流见教材第199页公式 5 3 32 4 转子电路的功率因数见教材第199页公式 5 3 33 返回首页 四 掌握内容 五 三相异步电动机转矩与机械特性1 转矩公式见教材第199页公式 5 3 34 和公式 5 3 35 2 机械特性曲线在一定的电源电压u1和转子电阻r2之下 机械特性曲线是指转矩与转差率的关系曲线t f s 或转速与转矩的关系曲线 返回首页 四 掌握内容 五 三相异步电动机转矩与机械特性2 机械特性曲线 图5 3 24t f s 曲线 图5 3 25n f t 曲线 返回首页 四 掌握内容 1 额定转矩 2 最大转矩转子轴上机械负载转矩t2不能大于tmax 否则将造成堵转 停车 3 起动转矩此时s 1 返回首页 四 掌握内容 六 三相异步电动机的起动与调速1 三相异步电动机的起动 1 起动性能起动 n 0 s 1 接通电源 起动问题 起动电流大 起动转矩小 产生的后果 频繁起动时造成热量积累 使电机过热 一般中小型笼型电机起动电流为额定电流的5 7倍 电动机的起动转矩为额定转矩的1 0 2 2倍 返回首页 四 掌握内容 2 起动方法笼型电动机的起动主要有直接起动 降压起动和转子串电阻起动 1 异步电动机的降压起动常用方法 y 换接起动 在y 换接起动方法中 起动时把定子每相绕组上的电压降到正常工作电压的 这时起动电流和起动转矩减小为直接起动时的1 3 适合于空载或轻载起动 返回首页 四 掌握内容 自耦变压器降压起动 自耦降压起动是利用三相自藕变压器将电动机在起动过程中的端电压降低 直接起动时的起动电流ist与自耦降压起动时的线路电流之比 直接起动转矩与自耦降压起动转矩之比为 自耦降压起动适合于容量较大且正常运行时联成y形 不能采用y 起动的笼型异步电动机 2 转子串电阻起动方法绕线型电机 在转子电路中接入适当的起动电阻 既可以减小起动电流 又可以增大起动转矩 返回首页 三个接触器组成的星形 三角形 返回首页 四 掌握内容 两个接触器构成的星形 三角形起动电路 返回首页 四 掌握内容 自耦变压器降压起动控制电路 返回首页 四 掌握内容 3 三相异步电动机的调速根据转速公式 改变电动机的转速有三种方法 1 变频调速变频调速方法可实现无级平滑调速 具有硬的机械特性 调速性能优异 正获得越来越广泛的应用 返回首页 四 掌握内容 1 变频调速目前主要采用下图所示的变频调速装置 它主要由整流器和逆变器两大部分组成 整流器先将频率f为50hz的三相交流电变换为直流电 再由逆变器变换为频率f1可调 电压u1也可调的三相交流电 供给三相笼型电动机 返回首页 四 掌握内容 2 变极调速采用变极调速方法的电动机称作双速电机 由于调速时其转速呈跳跃性变化 因而只用在对调速性能要求不高的场合 返回首页 四 掌握内容 3 变转差率调速调压调速 转子回路串电阻调速都属于变转差率调速 在绕线型电动机的转子电路中接入一个调速电阻 改变电阻的大小 就可得到平滑调速 譬如增大调速电阻时 转差率上升 则转速下降 这种调速方法的优点是设备简单 投资少 但能量损耗较大 这种调速方法广泛应用于起重设备中 返回首页 四 掌握内容 2019 12 20 79 第四节电气线路 一 知识结构 二 了解内容 一 电气线路的作用与分类电气线路是电力网的重要组成部分 其作用是输送和分配电能 电力网的线路 大体可分为输电线路和配电线路 二 架空线路1 架空电气线路构成架空电气线路主要包括杆塔 绝缘子 导线 横担 金具 接地装置及基础等构成 返回首页 二 了解内容2 架空线路常用电气设备架空线路常用电气设备有跌落式熔断器 刀闸 避雷器等 刀闸又叫隔离开关 配电用刀闸按电压等级分为高压和低压两种 3 架空线路常见故障 1 设备机械性破坏常见故障有倒杆 断线等 2 设备电气性故障常见故障有单相接地 两相短路 三相短路 缺相等 返回首页 二 了解内容 三 电力电缆1 电力电缆的优点 1 供电可靠 2 不占地面和空间 3 有利于人身安全 4 节约材料 市容整齐美观 交通方便 5 运行维护简单 节省线路维护费用 2 电力电缆的种类及结构特点 1 种类电力电缆根据电压 用途 绝缘材料 线芯数和结构特点有五种分类 返回首页 二 了解内容 2 结构特点电力电缆的基本结构由线芯 导体 绝缘层 屏蔽层和保护层四部分组成 3 电力电缆的名称及使用范围电力电缆共有四种 敷设在室内 隧道内 管道中 有的能敷设在地下 有的能承受机械外力作用 有的则不能 返回首页 二 了解内容 四 室内线路1 定义室内线路就是在房屋内对各种电器装置的供电和控制的电气线路 按照其使用性质 主要分为照明和动力两种线路 照明线路供电电压一般为220v二线制 负荷大时 用220 380v三相四线制 动力线路是对电动机等生产用电设备供电和控制的线路 供电电压一般为三相380v 有单相用电设备的 为三相四线220 380v 返回首页 二 了解内容 四 室内线路2 敷设方式和要求敷设方式分为瓷瓶 瓷珠 瓷夹板 木槽板 钢管 塑料板 铝片卡和塑料护套线等 对布线的要求就是安全适用 经济美观和便于检修 五 照明及照明器具1 照明电气照明利用各种电气光源照亮工作和生活场所或个别物体的措施 照明方式可分为 一般照明 分区一般照明 局部照明和混合照明 返回首页 二 了解内容 五 照明及照明器具2 发光方法电气照明按发光的方法不同可分为电阻发光 电弧发光 气体发光和荧光粉发光四类 按照明使用的性质分为一般照明 局部照明和装饰照明三类 3 照明术语常用照明术语见教材第211页表5 4 2 返回首页 表5 4 2常用照明术语 返回首页 第五节自动控制理论 一 知识结构 二 了解内容 一 自动控制的基本概念1 自动控制自动控制指在没有人直接参与的情况下 利用控制装置 使被控对象工作状态的物理量 也就是系统的被控量 自动按指定规律变化 自动控制系统的任务就是减小或消除扰动量的影响 使被控对象的被控量始终按给定量确定的运行规律去变化 返回首页 二 了解内容2 负反馈控制负反馈控制是将系统的输出信号引回输入端 与给定量相比较 利用所得的偏差信号产生控制作用调节被控对象 达到减小偏差或消除偏差的目的 返回首页 二 了解内容3 基本控制方式控制系统的基本方式有开环控制 闭环控制与复合控制 开环控制指输出量对系统控制作用不产生影响 闭环控制指输出量对系统控制作用产生直接影响 复合控制系统就是既有正反馈控制又有反馈联系的系统 返回首页 4 对控制系统的基本要求控制系统的基本要求就是稳 准 快 二 控制理论在工业生产中的应用自动控制是现代工业生产中一种极其重要的技术手段 为达到质量和效益双提高 成本和污染双降低的目的 技术装备 机器设备和生产过程就必须按照预定的要求运行 要达到预定的目的 就必须应用控制理论 返回首页 二 了解内容 一 现代控制理论的研究对象现代控制理论主要研究线性系统状态的运动规律和改变这种运动规律的可能性与方法 建立和揭示系统结构 参数 行为及性能兼得关系 二 控制系统的状态空间描述控制系统的状态空间描述包括 动力学系统 状态与状态向量 状态空间 状态方程 输出方程 状态空间描述 状态空间方程的建立等七项 返回首页 三 理解内容 三 状态空间方程的线性变化对于一个给定的定常系统 由于状态变量选取的不同 状态空间方程也就不同 但它们描述了同一个线性系统 因此在各状态空间方程所选取的状态变量之间 实际上存在着一种向量的线性变换关系 返回首页 三 理解内容 四