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电气基础知识 1 热烈欢迎各位领导 各位同事的光临 2 主要内容 电气及电气工程的含义电路的基本概念和基本电路交流电基础知识电力系统简介及高压电气设备简介低压控制电器及基本的交流控制电路变频器 软启动 PLC简介 3 电气及电气工程 4 电气的定义电气 electrical electricalpowerandequipment 是电能的生产 传输 分配 使用和电工装备制造等学科或工程领域的统称 是以电能 电气设备和电气技术为手段来创造 维持与改善限定空间和环境的一门科学 涵盖电能的转换 利用和研究三方面 包括基础理论 应用技术 设施设备等 是一个宏观的抽象的概念 5 电气工程电气工程 ElectricalEngineering简称EE 是现代科技领域中的核心学科之一 更是当今高新技术领域中不可或缺的关键学科 例如正是电子技术的巨大进步才推动了以计算机网络为基础的信息时代的到来 并将改变人类的生活工作模式 传统的电气工程定义为用于创造产生电气与电子系统的有关学科的总和 此定义本已经十分宽泛 但随着科学技术的飞速发展 电气工程概念已经远远超出上述定义的范畴 斯坦福大学教授指出 今天的电气工程涵盖了几乎所有与电子 光子有关的工程行为 本领域知识宽度的巨大增长 要求我们重新检查甚至重新构造电气工程的学科方向 课程设置及其内容 以便使电气工程学科能有效地回应学生的需求 社会的需求 科技的进步和动态的科研环境 是一个宏观的抽象的概念 6 电器的定义电器 electricalappliance 泛指所有用电的器具 从专业角度上来讲 主要指用于对电路进行接通 分断 对电路参数进行变换 以实现对电路或用电设备的控制 调节 切换 检测和保护等作用的电工装置 设备和元件 从普通民众的角度来讲 主要是指家庭常用的一些为生活提供便利的用电设备 如电视机 冰箱 洗衣机等等 从功能和用途等方面来讲 如接触器 负荷开关 避雷器等等 是实体 具体的形象 7 电子技术电子技术是根据电子学的原理 运用电子器件设计和制造某种特定功能的电路以解决实际问题的科学 包括信息电子技术和电力电子技术两大分支 信息电子技术包括Analog 模拟 电子技术和Digital 数字 电子技术 电子技术是对电子信号进行处理的技术 处理的方式主要有 信号的发生 放大 滤波 转换 电力电子技术是一门新兴的应用于电力领域的电子技术 就是使用电力电子器件 如晶闸管 对电能进行变换和控制的技术 电力电子技术所变换的 电力 功率可大到数百MW甚至GW 也可以小到数W甚至1W以下 主要用于电力变换 8 电路的基本概念和简单电路 9 电电是一种自然现象 是一种能量 电是像电子和质子这样的亚原子粒子之间的产生排斥力和吸引力的一种属性 电或电荷有两种 我们把一种叫做正电 另一种叫做负电 通过实验我们发现带电物体同性相斥 异性相吸 其吸引力或排斥力遵从库仑定律 电是个一般术语 包括了许多种由于电荷的存在或移动而产生的现象 这其中有许多很容易观察到的现象 像闪电 静电等等 还有一些比较生疏的概念 像电磁场 电磁感应等等 电与人类生活电的发现和应用极大的节省了人类的体力劳动和脑力劳动 使人类的力量长上了翅膀 使人类的信息触角不断延伸 电对人类生活的影响有两方面 能量的获取转化和传输 电子信息技术的基础 电的发现可以说是人类历史的革命 由它产生的动能每天都在源源不断的释放 人对电的需求夸张的说其作用不亚于人类世界的氧气 如果没有电 人类的文明还会在黑暗中探索 10 通常说的电的形式分为 直流电 交流电和静电 直流电是指任何时间电流都是从导体的一端流向另一端 电流的方向是唯一的 电流方向是正极流向负极 用符号 表示 缩写为DC 我们常用的直流电有电池 电瓶等 交流电是指电流随时间的改变流动的方向也改变 我们常用的交流电有民用的220V电源 生产上的380V生产用电等 用符号 表示 缩写为AC 静电原子失去电子显示正电 得到电子显示负电的现象 造成不平衡的电子分布 使物体显示带电 摩擦起电 11 电流和电流强度 电流电荷的定向移动形成电流 电荷是自由电荷 对金属来讲是自由电子定向移动形成电流 对酸 碱 盐的水溶液来讲 正负离子定向移动形成电流 电流方向 把正电荷移动的方向规定为电流的方向 在电源外部 电流的方向从电源的正极到负极 电流强度电流强度在数值上等于1秒钟内通过导线截面的电量的大小 通常用 安培 作为电流强度的单位 安培简称 安 用字母 A 表示 电流的实用单位除了安培 A 以外还有千安 KA 毫安 mA 和微安 A 1千安 1000安1安 1000毫安1毫安 1000微安 12 具有持续电流的条件 1 电路中有电源 2 电路为通路电流的三种效应 1 电流的热效应 如电炉 电饭锅等 2 电流的磁效应 如电铃 接触器线圈等 3 电流的化学效应 如电解 电镀等 13 电压也叫电动势 电位差 是衡量单位电荷在静电场中由于电动势不同所产生的能量差的物理量 在工程中一般称作电压 用符号 U 表示 在物理学术研究常用电位差 它的国际标准单位是伏特 V 常用的单位有千伏 KV 毫伏 mV 和微伏 V 1KV 1000V1V 1000mV1mV 1000uV负载即用电设备 其作用是把电能转换为其它形式的能量 如电动机是把电能转换为机械能 电炉是把电能转换为热能 灯泡是把电能转换为光能等等 14 电源把其他形式的能转换成电能的装置叫做电源 例如发电机能把机械能转换成电能 干电池能把化学能转换成电能 发电机 干电池等叫做电源 通过变压器和整流器 把交流电变成直流电的装置叫做整流电源 控制电器和保护电器在电路中起控制和保护作用 如开关 熔断器 接触器 热继电器等等 15 导线由导体材料制成 其作用就是把电源 负载和控制电器等连接成一个电路 并将电源的能量传输给负载 电阻物质对电流的阻碍作用 国际标准单位是欧姆 常用的单位千欧 K 兆欧 M 根据电阻的大小把物体分为导体 半导体 绝缘体 16 各种物体对电流的通过有着不同的阻碍能力 这种不同的物体允许电流通过的能力叫做物体的导电性能 导电性能好的物体叫做导体 例如 银 铜 铝是良导体 导电性能差的物体叫做绝缘体 例如 陶瓷 云母 玻璃 橡胶 塑料 电木 纸 干燥的棉纱 树脂等物体 以及干燥的木材等都是绝缘体 也叫电介质 导电性能介于导体和绝缘体之间的物体叫做半导体 例如 硅 锗 硒 氧化铜等都是半导体 17 电路电路是电流的通路 它是为了某种需要由某些电工设备或元件按一定方式组合起来 它也是电流流经的基本途径 最简单的电路是由电源E 发电机 电池等 负载R 用电设备如电灯 电动机等 连接导线 金属导线 和电气辅助设备 开关K 仪表等 组成的闭合回路 电路的作用是产生 分配 传输和使用电能 18 串联电路把若干个电阻或电池一个接一个成串地联接起来 使电流只有一个通路 也就是把电气设备首尾相联叫串联 特点 1 每个支路电阻流过的电流相同 2 电路总电压等于各个支路个电阻上的电压降之和 3 电路总电阻等于各个支路电阻阻值之和 19 简单的串联电路 连接要点 在串联电路中 电流从电源的正极出发 依次经过开关 灯泡 最后接到电源的负极 实物图 电路图 20 串联电路 连接特点 工作特点 开关的控制特点 依次逐个相连 无分支 各用电器工作有关联 任意一点断开 用电器均停止工作 一只开关可控制各用电器工作 且与开关的位置无关 21 并联电路把若干个电阻或电池相互并排地联接起来 也可以说将电气设备的头和头 尾和尾各自相互连在一起 使电流同时有几个通路叫并联 特点 1 电路中各个支路上所承受的电压相同 2 电路中的总电流等与各支路中电流之和 3 电路中的总电阻的倒数等于各支路电阻的倒数之和 22 S S1 S2 L1 L2 如左图 把两只灯泡并列地接在电路中 并各自安装一个开关 像这样把元件并列地连接起来的电路 称并联电路 简单的并联电路 实物图 电路图 23 工作特点 并联电路 连接特点 开关的控制特点 各用电器 包括跟用电器相连的开关 各自接在电路两点之间 某一条支路断开时 其他支路上的用电器照常工作 干路上的开关可以控制所有用电器 而支路上的开关只能控制所在支路上的用电器 24 并联电路在我们生活中有哪些应用 并联电路的应用 家庭电路 25 交流电的基础知识 26 欧姆定律 是反映电阻元件两端的电压和通过该元件的电流与电阻三者之间的关系的定律 是电工学中最基本的定律之一 表达式为I U R表示通过该导体的电流为导体两端的电压除以导体的电阻 电能 表达式为W P t表示功率乘以时间 电能的单位是 度 它的学名叫做千瓦时 符号是kW h 27 有功功率 正弦交流电路的瞬时功率在一个周期的平均值 用符号P表示 单位为W或者KW P UI无功功率 只与电源进行能量交换而没有消耗能量叫无功功率 用符号Q表示 单位为W或者KW 视在功率 S P Q 视在功率不用瓦特 W 为单位 而用伏安 VA 或千伏安 KVA 功率因数 有功功率与视在功率的比值 用符号COS 表示 功率因数是衡量电气设备效率高低的一个系数 它是交流电路中有功功率与视在功率的比值 频率 交流电在1s内电流方向改变的次数 用字母f表示 单位是HZ 我国规定的工频为50HZ 28 交流电是指大小和方向都随着时间做周期性变化的电动势 电压或电流 也就是说交流电是交变电动势 交变电压和交变电流的总称 交流电可以分为正弦交流电和非正弦交流电两大类 右上为正弦交流电波形 右下为非正弦交流电波形 29 三相交流电源 三相交流电源是由三相交流发电机产生的频率相同 幅值相等 相位互差120 的三相对称正弦电压 工业上用的三相交流电 有的直接来自三相交流发电机 但大多数还是来自三相变压器 对于负载来说 它们都是三相交流电源 三相交流电压出现正幅值 或相应零值 的顺序称为相序 在此相序为1 2 3 1称为顺相序 在电力系统中一般用黄 绿 红区别1 2 3三相 30 三相四线制即TN C系统 三相交流电源的三个线圈采用星形 Y形 接法 即把三个线圈的末端X Y Z连接在一起 成为三个线圈的公用点 通常称它为中点或零点 并用字母O表示 供电时 引出四根线 从中点O引出的导线称为中性线或零线 从三个线圈的首端引出的三根导线称为A线 B线 C线 统称为相线或火线 在星形接线中 如果中点与大地相连 中线也称为地线 我们常见的三相四线制供电设备中引出的四根线 就是三根火线一根地线 星形联接的三相四线制 可以同时提供两种电压值 即线电压和相电压 既可提供三相动力负载使用 又可提供单相照明使用 例如常用的低压电压380 220伏 就可提供需要电源电压380伏的三相交流电动机使用 又可同时提供单相220伏的电源 相电压 三相电路中 相线与中性线之间的电压 线电压 三相电路中 相线与相线之间的电压 31 Y形联接 N 中性点或零点 把发电机三相绕组的末端联接成一点 而把始端 作为与外电路相联接的端点 这种联接方式称为电源的星形联接 火线 中性线 零线 火线 火线 线电压 相电压 目前 我国供电系统线电压380V 相电压220V 三相四线制 32 电路的三种状态通路 接通的电路 用电设备正常工作 开路 断开的电路 用电设备不能正常工作 但用电设备可能带电压 短路 短路就是不同电位的导电部分之间的低阻性短接 相当于电源未经过负载而直接由导线接通成闭合回路 通常这是一种严重而应该尽可能避免电路的故障 会导致电路因电流过大而烧毁并发生火灾 接地 我们一般认为大地的电容量为无穷大 阻值为0 接地是为防止触电或保护设备的安全 把电力电讯等设备的金属底盘或外壳接上地线 利用大地作电流回路接地线 在电力系统中 将设备和用电装置的中性点 外壳或支架与接地装置用导体作良好的电气连接叫做接地 接地的功用除了将一些无用的电流或是噪声干扰导入大地外 最大功用为保护使用者不被电击 一般电气设备接地阻值最大不超过4欧姆 33 短路的形式电源短路 就是把电源的两端用导线直接或间接相连 中间没有通过任何用电器 如果在复杂电路中 找出一条路可以直接从电源的正极走向负极中间不通过任何用电器 那就视为短路 因为电流总是走阻值最小的路线 电源短路是很危险的 容易造成电源烧毁甚至火灾 用电器短路 简单的可以说成拿一根导线把用电器两端连接起来 电流通过导线 没有电流通过用电器 用电器不工作 视为短路 三相系统中发生的短路有4种基本类型 三相短路 两相短路 单相对地短路和两相对地短路 在中性点接地的电力网络中 以一相对地的短路故障最多 约占全部故障的90 在中性点非直接接地的电力网络中 短路故障主要是各种相间短路 单相接地的危害 是三相供电线路电压失衡 可能产生几倍于正常电压的过电压 过电压将进一步使线路上的绝缘子绝缘击穿 造成严重的短路事故 同时可能烧毁部分配电变压器 使线路上的避雷器 熔断器绝缘击穿 烧毁 也可能发生电气火灾 甚至发生人 牲畜触电伤亡事故 线路不一定停运 34 电力系统简介及高压电气设备简介 35 电力系统由发电 变电 输电 配电和用电等环节组成的电能生产与消费系统 它的功能是将自然界的一次能源通过发电动力装置 主要包括锅炉 汽轮机 发电机及电厂辅助生产系统等 转化成电能 再经输 变电系统及配电系统将电能供应到各负荷中心 通过各种设备再转换成动力 热 光等不同形式的能量 为地区经济和人民生活服务 电网在电力系统中 联系发电和用电的设施和设备的统称 属于输送和分配电能的中间环节 它主要由联结成网的送电线路 变电所 配电所和配电线路组成 通常把由输电 变电 配电设备及相应的辅助系统组成的联系发电与用电的统一整体称为电力网 简称电网 36 2020 1 9 37 38 电压等级目前我国常用的交流电压等级 220V 380V 6kV 10kV 35kV 110kV 220kV 330kV 500kV 750KV 1000KV 电压等级划分低压 标称电压1kV及以下的交流电压等级 中压 国家电网公司的规范性文件中把1kV以上至20kV的电压等级 高压 标称电压1kV以上 330kV以下的交流电压等级 标称电压 800kV以下的直流电压等级 超高压 标称电压330kV及以上 1000kV以下的交流电压等级 特高压 标称电压1000kV及以上的交流电压等级 标称电压 800kV及以上的直流电压等级 我国规定安全电压为36V 24V 12V三种 39 电网等级划分地域电网 把60KV以下电网称为地域电网 区域电网 110KV 220KV电网称为区域电网 超高压电网 330KV以上电网称为超高压电网 电网输配电线路划分配电线路 10kV及其以下的电压线路称为配电线路 送电线路 通常将35kV及35kV以上的电压线路称为送电线路 输电线路 35KV 60KV线路为输电线路 高压线路 110KV 220KV线路为高压线路 超高压线路 330KV以上线路称为超高压线路 40 长治变 特高压交流试验示范工程属于网对网送电工程 包括三站两线 北起山西长治 途经河南南阳开关站 南至湖北荆门 全长640公里 通过单回1000千伏特高压线路连接华北 华中两大区域电网 同步电网总装机容量超过3亿千瓦 1000KV特高压交流试验示范工程 41 电网供电可靠性保证供电系统的安全可靠性是电力系统运行的基本要求 所谓供电的可靠性 是指确保用户能够随时得到供电 这就要求供配电系统的每个环节都安全 可靠运行 不发生故障 以保证连续不断地向用户提供电能 一般将电力用户负荷分为三级 42 一级负荷 一级负荷是指中断供电将造成人身伤亡危险 或造成重大设备损失且难以修复 或给国民经济带来重大损失 或在政治上造成重大影响的电力负荷 如火车站 大会堂 重要宾馆 通信交通枢纽 重要医院的手术室 炼钢炉 国家级重点文物保护场所等 一级负荷要求由两个独立电源供电 当其中一个电源发生故障时 另一个电源应不致同时受到损坏 对一级负荷中特别重要的负荷 除上述两个电源外 还必须增设应急电源 常用的应急电源有 独立于正常电源的发电机组 专门的供电线路 蓄电池 干电池等 43 二级负荷 二级负荷是指中断供电将在政治 经济上造成较大损失的电力负荷 如主要设备损坏 大量产品报废 连续生产过程被打乱需较长时间才能恢复 重点企业大量减产等 二级负荷要求由双回路供电 供电变压器也应有两台 这两台变压器不一定在同一变电所 当其中有一条回路或一台变压器发生常见故障时 二级负荷应不致中断供电 或中断供电后能迅速恢复供电 44 三级负荷 三级负荷为一般电力负荷 所有不属于上述一 二级负荷者均为三级负荷 由于三级负荷为不重要的一般负荷 因而它对供电电源无特殊要求 45 常用的变压器 大型电力变压器 油浸式变压器 干式变压器 变压器就是通过电磁感应将一个系统的交流电压和电流转换为另一个系统的电压和电流的电力设备 由铁心和套于其上的两个或多个绕组组成 46 六氟化硫断路器 六氟化硫气体的绝缘性能和灭弧性能比其它灭弧介质明显的优越 六氟化硫断路器的体积小 开断容量大 开断性能优异 电寿命长 检修间隔时间长 一般10年不检修 有的还提出20年不检修 无噪音公害 无火灾危险 47 真空断路器 ZN28A 12户内交流高压真空断路器 ZN12B型35kV户内真空断路器 真空断路器的特点是动作快 操作噪音小 无污染 电气及机械寿命长 体积小 重量轻 能防火 防爆 检修方便 适用于作发电厂 变电站等输配电系统的控制或保护开关 尤其适用于开断重要负荷及频繁操作的场所 48 油断路器 油断路器分为多油断路器和少油断路器两种 油断路器中油作为灭弧介质 气候适应性较强 适用于220千伏以下电压等级 49 高压隔离开关是一种没有专门的灭弧装置的开关设备 灭弧能力非常弱 因此 不能用来开断负荷电流或短路电流 是将需要检修的电气设备与带电部分相互隔离 保证检修工作的安全 50 高压隔离开关运行操作的规程1 隔离开关与断路器配合使用时 两者之间必须有机械的或电气的联锁 保证隔离开关必须在断路器切断电流之后才能分闸 并且只有在隔离开关合闸之后 断路器才能合闸 2 操作隔离开关时应注意与断路器的操作顺序送电时 先合母线 电源 侧的隔离开关QS11 再合线路 负荷 侧的隔离开关 QS13 最后合上断路器 QF1 断电时 操作顺序相反 先分断路器 再分线路 负荷 侧的隔离开关 最后分母线 电源 侧的隔离开关 51 高压开关柜 高压开关柜是金属封闭开关设备的俗称 广泛应用于配电系统 作接受与分配电能之用 既可根据电网运行需要将一部分电力设备或线路投入或退出运行 也可在电力设备或线路发生故障时将故障部分从电网中快速切除 从而保证电网中无故障部分的正常运行 以及设备和运行维修人员的安全 中置式高压开关柜 落地式高压开关柜 52 高压熔断器串接在电路中 当电路发生过负荷或发生短路时 切断故障电流 从而保护了电路中其它电气设备 右图为常见的安装于变压器台上的跌落式熔断器 53 避雷器与被保护设备并联安装在被保护设备附近 当过电压超过一定值时 避雷器先放电 用来限制作用于设备上的过电压 以保护电气设备 54 电流互感器CT 电流互感器原理是依据电磁感应原理的 电流互感器是由闭合的铁心和绕组组成 串接在测量仪表和保护回路中 用于测量线路电流 测量仪表和保护回路串联线圈的阻抗很小 电流互感器的工作状态接近短路 二次侧不能开路 开路产生高电压 常用变比100 5 200 5 55 电压互感器PT 电压互感器是一种小型的降压变压器 一次绕组并接于电力系统一次回路中 其二次绕组并接了测量仪表 继电保护装置或自动装置的电压线圈 用于线路电压测量 电压互感器是将高电压变成低电压 所以它的一次绕组的匝数较多 而二次绕组的匝数较少 二次侧不能短路 短路产生大电流 56 低压控制电器简介及基本控制电路 57 具有限流作用的微型断路器 具有漏电保护功能的微型断路器 58 400A空气断路器 万能式断路器 59 开启式开关又名瓷底胶盖闸刀开关 封闭式负荷开关又名铁壳开关 刀开关 60 CJ20系列交流接触器 b CJX1系列交流接触器 接触器接触器是用于远距离频繁接通和分断负荷电流的低压开关 其主要控制对象是电动机 也可用于控制其他电力负载如电热器 电照明 电焊机 电容器组等 接触器在电压过低时会自动断开 但不能切断短路电流和过负荷电流 因此必须与熔断器串联 由熔断器切断故障电流 61 继电器继电器是一种根据某种输入信号的变化使其自身的执行机构动作的自动控制电器 它具有输入电路 又称感应元件 和输出电路 又称执行元件 当感应元件的输入量 如电流 电压 频率 温度等 变化达到某一定值时 继电器动作 执行元件便接通或断开控制电路 62 在控制电路中 有时为了增加触点的数量或增大触点的控制容量 需要使用中间继电器 时间继电器是一种辅助继电器 在接受到动作 释放 信号后不是立即 而是经过固定的时间才改变其输出状态 63 行程开关 当移动物体接近静物时 开关的连杆驱动开关的接点引起闭合的接点分断或者断开的接点闭合 各种传感器 限位开关和传感器 64 常用的电气保护器件 保险丝 保险管 熔断器 熔断器是一种广泛应用的最简单有效的保护电器 在强弱电系统中起短路保护作用 65 电气控制原理图 交机电机 熔断器 交流接触器 热继电器 空气开关 控制按钮 66 变频器 软启动及PLC简介 67 变频器基础知识 变频器是交流电气传动系统的一种 是将交流工频电源转换成电压 频率均可变的适合交流电机调速的电力电子变换装置 英文简称VVVF VariableVoltageVariableFrequency 将三相380V 220V 50HZ交流电通过整流桥整流变成脉动直流电 通过电解电容滤波后变成平滑的直流电 控制板对IPM IGBT或模块的控制后将平滑的直流电变成三相频率可变的交流电 主要控制对象为 三相交流异步电机和三相交流同步电机 68 变频器的保护功能 5分钟内可重复的过载