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100 焊接与切割安全用电 2222第十章 焊接与切割安全用电预备知识：电磁学的量纲和单位1 量纲：量纲是表达某些事物的物理属性的词汇。如：长度，质量，时间 ；l 基本量纲：长度，质量，时间，电荷这四个量纲是电磁学的基本量纲。l 导出量纲：由基本量纲运用数学物理公式推演出的量纲。导出量纲是基本量纲用乘号和除号构成的单项式。如：速度长度时间；加速度速度时间；l 质量：质量是物理学最基本最重要的概念之一。随着人们对经典物理现象及概念逐步深入的研究认识，对物质质量的理解，界定和测量方法经历了一个漫长的发展变化过程。1960年，第十一届国际计量大会通过的国际单位制，其国际代号为SI，将质量确定为七个基本物理量之一。其名称为“质量”（mass），简写为M或m；但是直到今天，科学界尚不能给出质量的确切定义。m质量的物理意义m.1物体的质量是其含物质的多少这是牛顿最初质量定义的含义，牛顿指出：“定义1，物质的量是用它的密度和体积一起来量度的”。这是一种朴素和直觉地表述。鉴于知识的渐进性和可接受性，目前我国初中物理教科书就是采用定义：“物体中含有物质的多少叫质量”（人教版）。而且还指出“质量不随物体的形状，状态，温度和位置的改变而改变（这一说法并不准确），是物体本身的固有属性”。m.2 质量表示物体的惯性质量是描述物质属性的物理量。物体具有保持原有运动状态的属性惯性。牛顿第二运动定律是把物体在其速度变化（运动状态变化）时所显示的阻抗能力（惯性）定量化的量度。即，由于当时无法解释一项，即认为，所以有，式中即为质量，是物体平动惯性大小的量度，也是物体作加速平动运动属性的表现，因而称为惯性质量，我国现行高中物理教材就采用这一表述方式。m.3 质量是表示物体间引力大小的量度物体具有产生引力作用和感受引力作用的属性。牛顿于17世纪发现的万有引力定律就是反映这一属性的规律。其表示式，式中的和就是相互作用的二个物体分别具有产生引力作用（产生引力场牛顿是持超距作用不认为有场的存在）并能感受引力作用大小的量度，因而称之为引力质量m.4 惯性质量与引力质量的关系设地球表面某处一物体，如果忽略地球自转效应，它受到地球的万有引力为式中M和R是地球的质量和半径，G为万有引力常数，为该物体的引力质量；另一方面，设此物体在力的作用下产生的加速度为，则 式中为惯性质量。以同样条件设另一物体，则由以上四式得：实验事实是地球表面同一处的重力加速度都是相等的，即因此有由此可见，一切物体自由下落时的加速度都相等的事实，意味着引力质量与惯性质量有正比关系，在万有引力定律和牛顿第二定律中，如果选取适当的单位，则二者是相等的。正是基于这样的客观事实，爱因斯坦提出了引力场的概念，并认为加速场可以抵消引力场效应，总结出了“等效原理”，作为广义相对论的实验基础并将引力质量和惯性质量用如下关系联系起来：惯性质量加速度（加速场强度）=引力质量引力场强度不过等效应原理的动力学机制还不太清楚m.5 质量随着速度增长其实，在牛顿第二定律中已经得出了等于什么的问题，只是牛顿力学是建立在超距作用的绝对时空观上，将质量视为一个与运动无关的恒定量。而在相对论力学中运动物体的质量与其速度有如下关系式中为静止质量，即时。为光速。物体高速的运动效应，引起物体质量的改变，说明物体的惯性或产生和感受引力的性质发生了变化，同时也说明了物质的属性与其运动有关。在低速下，由于物质属性的改变极为微小，从而才认为物体的质量是恒定的。m.6 质能守恒是近代物理学的基石之一。在相对论力学创立之前，人们一直以为质量守恒定律和能量守恒定律是两条彼此没有关系的完全独立的定律。相对论力学揭示了质量与能量之间存在着十分简单的关系。在中当时，将其进行幂级数展开得：即式中第二项正是经典力学里熟知的物体的动能。由此可知，一个运动物体的能量可以分成二部分，其一是运动时才具有的动能，其二是静止时也具有能量即。物体的静能是一个崭新的概念，是与物体静止质量相联系的能量，与直接成正比。这样，任何物质的质量与其能量E存在着普适关系。当物体的能量发生变化时，它的质量就按这一关系相应地发生变化，反之，它的质量发生了改变必定伴随其能量的变化。这一结论与目前所有的实验事实相符合。比如，人们运用质能守恒关系解释了原子核反应时质量亏损现象，发现了核内蕴藏着巨大的能量，等等。m.7物体质量的测量方法随着科技水平的发展，质量测量技术的水平和手段在不断地提高和改进，特别是将电子技术应用到质量测定技术之中而发明的电子天平，其感量可达万分之一。目前在实验室和教学科研中常用的质量测量方法从原理上讲，主要有用（各种）天平测定物体质量即天平法，运用牛顿第二定律测质量；用动量守恒定律测质量；用单摆和弹簧称测质量；用万有引力定律推测天体质量；用匀强电场测带电粒子的质量；用质谱仪测带电微粒的质量；用理想气体状态方程测气体的质量；用油膜法测定物质分子的质量等等。2 单位：单位是量纲所表达的物理量大小的标准或者参考基准。有了单位，量纲才能用数字来表示。l 基本单位：表示基本量纲的单位。在不同的单位制中，基本单位是不同的。如：SI国际单位制：电磁学基本单位 米m；千克kg；秒s；安培A或者库仑C；CGSE单位制：电磁学基本单位 厘米cm；克g；秒s；CGSE电量单位；l 库仑定律：真空中两个点电荷q1和q2之间相互作用力的大小和q1与q2的电量的乘积成正比，与它们之间的距离r的平方成反比。作用力的方向沿q1和q2的连线，同号电荷相斥，异号电荷相吸。Fkq1q2/r2l 导出单位：基本单位之外的那些物理量纲的单位，可以按照它们与基本量纲之间的关系式(定义或定律)导出，称为导出单位；如：速度单位“米每秒”ms1；加速度单位“米每秒每秒”ms2；3单位制：任意地确定了基本量纲和基本单位后，即构成确定的单位制。l 国际单位制：InternationalSystemofUnits1960年第十一届国际计量大会通过的一种单位制。世界上最先进，科学和实用的单位制。其国际代号SI取自法文LeSystmeInternationaldUnits中的前两字的字头。国际单位制由7个基本单位，2个辅助单位和19个具有专门名称的导出单位所组成。所有单位都各有一个主单位，利用10进倍数和分数的16个词头组成SI单位的10进倍数单位和分数单位。7个基本单位分别是：l 长度单位：米（m）。l 质量单位：千克（kg）。l 时间单位：秒（s）。l 电流强度单位：安培（A）。l 热力学温度单位：开尔文（K）。l 物质的量的单位：摩尔（mol）。l 发光强度单位：坎德拉（cd）。它们彼此独立，并有严格的定义。国际单位制体现单位的一贯性。即在国际单位制中所有导出单位，当按照一定的定义方程式从基本单位导出基本单位或辅助单位导出时，它们的系数都是1，而且所有的SI单位在运算过程中的系数也都是1，从而使运算简化。中国的法定计量单位，就是以国际单位制为基础制定的。4电学单位制：aCGSE单位制：即厘米克秒制。在此单位制中，库仑定律公式中的系数k1，并以此来定义电量单位。bSI国际单位制：即米千克秒制。在此单位制中，库仑定律公式中的系数k1/40；其中0定义为真空介电常数08.85421012C2N1m2；SI单位制各基本单位定义如下：l 米m：1789年法国大革命胜利后，国民议会命令法国科学院制定新的十进制的度量衡制度，该院认为要确保基本单位恒定不变，应以自然的物理量为基础，并决定以经过巴黎子午线14 周长的千万分之一为1米，并翻山过海，从敦刻尔克实测到地中海的小岛上，弧长 940。推算出这个基本单位的长度，称为1 米，源自希腊文metron，意为长度。用铂制作米的标准原件，后称存档米原器。1889年国际计量大会决定用铂铱合金复制存档米原器作为长度的国际标准。但这类原器复制不易，精度也不高。1960年第十一届国际计量大会将定义更改为86Kr原子的2p10与5d5能级间跃迁辐射在真空中的波长的1,650,763.73倍。1983年第十七届国际计量大会根据当时已准确测定的真空光速值重新定义 ：“米是光在真空中于 1299,792,458 秒内行进的距离。”把米的定义建立在极重要的自然的物理量的基础上。米用符号m表示。l 秒s：由于电子跃迁所释放的辐射的波长和频率都保持恒定，所以，1967年，第十三届国际计量大会重新规定了时间单位的定义：秒是铯-133原子基态的两个超精细能级跃迁所对应的辐射的9,192,631,770个周期的持续时间。l 库仑(电量单位)：1个电子的电量为1.610-19C；1C是1.61019个电子所带的电量。电灯的电流是500mA，在2min内通过电灯的电荷量是多少C，通过电灯的自由电子数是多少个。解：通过的电荷量为：0.5A（500mA）120S(2分钟)=0.5C/s120s60C 解：通过的自由电子数量为：60C1.61019/C=9.61021(个)l 安培A：在真空中，截面积可忽略的两根相距1 m的无限长平行圆直导线内通以等量恒定电流时，若导线间相互作用力在每米长度上为210-7 N，则每根导线中的电流为1 A。国际计量委员会1946年决议。1948年第9届国际计量大会批准。l 每秒钟通过1库仑的电量为1安培。1A1C/sl 开尔文K：水三相点热力学温度的1/273.16。1967年第13届国际计量大会决议。l 坎德拉cd：是一光源在给定方向上的发光强度，该光源发出频率为5401012赫兹的单色辐射，且在此方向上的辐射强度为1683W/sr(瓦特每球面度)。发光强度单位最初是用蜡烛来定义的，单位为烛光。1948年第九届国际计量大会上决定采用处于铂凝固点温度的黑体作为发光强度的基准，同时定名为坎德拉，曾一度称为新烛光。1967年第十三届国际计量大会又对坎德拉作了更加严密的定义。由于用该定义复现的坎德拉误差较大，1979年第十六届国际计量大会决定采用现行的新定义。l 摩尔mol：摩尔是表示物质的量的单位，每摩尔物质含有阿伏加德罗常数6.0220451023mol-1个微粒。1971年第十四届国际计量大会规定：摩尔是一系统的物质的量，该系统中所包含的基本单元数与0.012kgC12的原子数目相等。使用摩尔时应予以指明基本单元，它可以是原子，分子，离子，电子及其他粒子，或是这些粒子的特定组合。千克kg：“质量”（mass），简写为M或m；其单位名称为“千克”，国际单位代号为“kg”；其文字定义：“千克等于国际千克原器的质量”。国际千克原器是世界上目前所存的定义最早（1989年）保存最严密的七个基本量中唯一的实物标准。保存在法国档案局，因而称这个标准千克器为“档案千克”。1872年科学家们通过国际会议，决定以法国的档案千克为标准，用铂铱合金制作标准千克的复制器中，选了一个质量与“档案千克”最接近的作为国际千克原器，保存在巴黎国际计量局。1889年第一届国际计量大会批准以这个国际千克原器作为质量标准，沿用至今。中国“国家千克基准”在1965年由国际计量局检定，并由伦敦的stanton仪器公司加以调整，严格保存在北京中国计量科学院的质量标准库中。7个基本单位中，现在只剩下千克，不采用自然基准。还要靠公认的实物国际千克原器充当基准。这实在是和科学技术日新月异的发展形势极不相称。有人戏称国际千克原器是计量科学中的“末代皇帝”，早就该送进历史博物馆去了。但是尽管作为实物基准的国际千克原器，它在实用中存在许多问题。计量技术已经发展到了今天这样的水平，可是人类仍无法把这位“皇帝”拉下马。 最初的千克质量单位是由十八世纪末法国采用长度单位而推算出的。1立方分米纯水在最大密度（温度约为4）时的质量，就定为1千克。1799年法国在制作铂质米原器的同时，也制成了铂质千克原器（今保存在巴黎档案局里）。后来发现，这个基准并不准确地等于1立方分米最大密度纯水的质量，却是等于1.000028立方分米。于是在1875年米制公约会议之后，也用含铂90，铱10的合金制成千克原器，一共做了三个，经与巴黎档案局保存的铂质千克原器比对，选定其中之一作为国际千克原器。目前这个国际千克原器由国际计量局的专家们非常仔细地保存在特殊的地点，用三层玻璃罩罩好，最外一层玻璃罩抽成半真空，以防空气和杂质进入。随后又复制了40个铂铱合金圆柱体，经过与国际千克原器比对后，分发给各会员国作为国家基准国家千克原器。跟米原器一样，千克原器也要进行周期性的检验，以确保质量基准的稳定可靠。保存国际千克原器这样的人工实物基准，实际存在许多问题。例如：1.国际千克原器有可能被损坏，甚至毁于战火。如果发生这类事件，后果不堪设想。2.没有严格的科学定义，缺乏可靠的确定性。例如，在国际千克原器上有可能积存外来杂质。有的杂质很难发现，也很难清洗干净；也就是说，无法保证国际千克原器精确无误的可复现性。3.千克原器所控制的规律老化。4.国际千克原器和国家千克原器只能在一个实验室使用，数值传递非常麻烦。5.为了避免磨损和污染，国际千克原器只能尽量少使用。这样就大大限制了它的使用价值。今举一个例子来说明千克原器使用时的麻烦。国际千克原器有几个兄弟，被称为工作原器。1905年第一号工作原器在一次称重时出了事故，大概是不小心被碰了一下，就立即决定废弃不用。国际计量局有一台特制的Bunge精密天平，19491951年间曾两次在使用过程中让工作原器摔了下来，这两个工作原器的命运自不待言，从此也没有人再敢用这台天平作比对称衡了。一百多年来，国际千克原器主要是用来与工作原器及国家千克原器进行比对。大规模的比对在历史上只进行过三次：第一次是在18991911年间，第二次在1939年，第三次在19481953年间。最近的一次从1988年开始至1992年才结束，各国都同时把自己的国家千克原器运到巴黎，按照国际协议的方案进行严格的清洗处理，再与国际千克原器进行称衡比对，总共历时四年之久，所耗费的人力，物力，财力可想而知。科学界普遍认为，如果把质量基准建立在自然基准上，就不会有这些问题。一旦实现，对科学技术必将带来极大的便利。然而，要取代国际千克原器而建立新的质量基准谈何容易。首先要保证稳定性不低于国际千克原器，其次要有足够高的精确性，至少不低于目前使用的这套质量计量基准。目前这套质量计量基准达到什么水平呢？以最近这次国际比对为例，比对所用天平是特殊设计的，代号为NBS-2，制于1970年，在比对一千克质量时标准偏差不超过一微克（g），即不确定度不大于110-9。这几年经过大量试验，证明国际千克原器和国家千克原器的短期稳定性和复现性约为(13)10-9，长期的稳定性大约为510-9年。这样高的精确度和稳定性一时还很难找到别的方法取代。有人提出，新的基准必须保证不确定度达到110-8的量级，否则难以取代已经经过一百多年考验的国际千克原器。千克新定义的可能方案人们期望能以基本物理常数为基础，建立一个千克的新定义。千克基准可以表示成一千克某物质所含基本单元数nx与每一基本单元的质量mx（以千克表示）的乘积。即1kg=nxmx而 nx=1mx=NAMX其中Mx为一莫耳物质的质量，加括号是表示括号内物理量的纯数值，而MXNA表示物质每一基本单元的质量。所以，只要精确知道亚佛加厥常数NA的数值，就可被认为千克找到以基本粒子特性为基础的新定义。当前，在许多基本粒子中，测量得最精确的是电子和质子。我们有可能利用与它们有关的参数，例如质子的莫耳质量Mp，质子的质量mp和电子的质量me，来表示亚佛加厥常数NA。即：NA=Mpmp=Mpme(mp)me其中Mp与质子电子质量比（mpme）的不确定度已经分别降低到210-8和1.210-8，并有可能在不久的将来达到10-9的量级。电子质量则可通过多种途径得到，例如：从里德伯常数Roo，精细结构常数，约瑟夫森常数KJ以及量子霍尔效应的冯克利青常数RK，就可以精确地求得电子质量me。其中里德伯常数Roo=mec22h精细结构常数=米0ce22h由此可得：阿芙加德罗常数NA=cMp22Roo(MpMe)h其中c是真空中的光速，米0是真空磁导率，h是普朗克常数。于是，阿芙加德罗常数的测定与电子质量，普朗克常数联系在一起。只要后两者能精确测定，就可以得到精确的阿芙加德罗常数（即得到精确的千克基准）。要求阿芙加德罗常数的不确定度达到110-8的量级，实际上即在要求电子质量和普朗克常数的不确定度达到110-8的量级。第一节 焊接与切割作业用电基本知识一 电的基本概念：1电荷：电荷是物质，原子或电子等所带的电的量。单位库仑C；1C1.61019个元电荷所带的电量。l 元电荷：电量为1.610-19库仑的电荷叫元电荷。自然界的电荷都是元电荷电量的整数倍。2电场：电荷周围存在着电场，引进电场中的电荷受到库仑力的作用。根据库仑定律，带有同种电荷的物体之间会互相排斥，带有异种电荷的物体之间会互相吸引。排斥或吸引的力与电荷的乘积成正比。3电场强度：单位正电荷1.60218921019C在电场中所受到的电场力，称为电场中这一点的电场强度。l 电场强度公式：EF/q0 ；l 电场强度单位：NC1Vm1 ；推导：在均强电场中，设AB间距离为d，电位差为U，场强为E。把正电荷q从A点移到B时，电场力qE所做的功为W=qEd。利用电势差和功的关系，这个功又可求得为W=qU，比较这两个式子，可得W=qEd=Uq，即U=Ed；EU/d。将电位单位伏特V和距离单位米m代入，得出：电场强度单位：NC1Vm14电位电压：电位是表征电场特性物理量。电场力把单位正电荷从电场中的某一点按照任意路径移动到无穷远（或大地）时所作的功，就是电场中该点的电位，用符号“U”表示。电位的单位是“伏特”。电场中任意两点之间的电位差称为这两点之间的“电压”。如甲，乙两点之间的电位差，就是甲，乙两点之间的电压。如果乙点的电位是零，则甲点的电位就是甲，乙两点之间的电压。电压有方向性，电压的正方向是从高电位指向低电正。电压的单位是“伏特”，用符号“V”表示。交流电电压的大小和方向是不断在变化的，常用“”符号表示，如“220V”，即表示交流电压220伏。l 电位公式：UEd；UEdl式中E：电场强度；d：电场中任意两点之间的距离；l 电位单位：在SI国际单位制中，如果电场中某一点的电荷的电量为1库仑C，该点的电位能为1焦耳Joule，则该点的电位规定为1伏特Volt。即：1V1J/1C5电流强度：虽然我们已经给出了电流强度的定义和单位。但是今后我们研究的是在金属导体中流动的电流。当金属接到电源上两端具有一定电压时，导体内部就有一定的电场迫使自由电子除作原有的无规则热运动以外，还沿电场的反方向作定向的漂移运动。所以金属导体中电流是自由电子在外电场作用下漂移运动的结果。一般在常温下金属中自由电子热运动平均速率的数量级为105m/s；但是自由电子漂移运动平均速率的数量级为104m/s。两者相差109m/s。那末，为何接通电源则导体内立即有电流通过而使用电器马上工作呢?当接通电源的瞬间，电场就以光速向它所涉及范围立即传送，因而使导线各段中的自由电子几乎同时在电场作用下定向运动形成电流。通常把电场传播速率就作为电流传导速率，所以接通电源，电路里的自由电子几乎同时立即开始作定向移动，使整个电路中几乎同时形成了电流。l 电流强度单位：安培A；1A1000mA6电阻：导体的两端加上1伏特的电压时，如果导体中有1安培的电流通过，那么导体电阻值为1欧姆。除了欧姆以外，电阻的单位还有千欧K，兆欧M等。1M103K106l 电阻的串联：RR1R2R3Rnl 电阻的并联：R1/R11/R21/R31/Rn7欧姆定律：通过导体的电流与导体两端的电压成正比，与导体的电阻成反比。IU/R8电感：当变化的电流通过导体时，导体中会产生感应电动势来阻止电流的变化。这种性质称为导体的电感。l 电感的单位：亨利H；1H103mH106Hl 电感的串联和并联：由于电感同名端串并联和异名端的串并联性质不同，超出了我们安全用电的课程范围，有兴趣的同学可以登录西北工业大学的电路基础网页/jp2004/10/dljc/电感串联电路(电感首尾相连)由电感的伏安特性与KVL可知：两电感串联的等效电感等于这两个电感之和，即L=L1+L2。电感串联电路的分压关系两个相串联电感上的电压与其电感量成正比，电感量越大，分得的电压越多。多个电感串联时的情况以上结论可推广到如图n个电感相串联时的情况。电感并联电路由电感的伏安特性与KCL可知：两电感并联的等效电感的倒数等于这两个电感的倒数之和，即。 公式推导由电感伏安特性可得：，即，则 两电感并联的等效电感的倒数等于这两个电感的倒数之和。电感并联电路的分流关系流过两个相并联电感上的电流与电感量成反比，电感越大，分得的电流越小。公式推导 即 多个电感并联时的情况以上结论可推广到如图n个电感相并联时的情况。结论9电容：孤立导体的带电量与其电位之比称为这个孤立导体的电容。对于平行板电容器而言，电容器所带电量与其两端的电压之比称为该电容器的电容。l 电容的定义：Cq/Ul 电容的单位：带有1库仑电量的孤立导体，如果其电位是1伏特，那么它的电容为1法拉。即：1F1C/1Volt 1F106F1012F电容串联电路由电容的伏安特性与KVL可知：两电容串联的等效电容的倒数等于这两个电容的倒数之和，即。公式推导由电容元件的伏安特性可得：，即，则=两电容串联的等效电容的倒数等于这两个电容的倒数之和。 电容串联电路的分压关系两个相串联电容上的端电压与电容的容量成反比，电容越大，分得的电压越小。公式推导由于串联电路中流过同一个电流，则 即多个电容串联时的情况 以上结论可推广到如图n个电容相串联时的情况。结论则电容并联电路由电容的伏安特性与KCL可知：两电容并联的等效电容等于两电容之和，即。 公式推导由电容元件的伏安特性可得： 两电容并联的等效电容等于两电容之和。电容并联电路的分流关系流过两个相并联电容上的电流与电容的容量成正比，电容越大，分得的电流越大。公式推导 由于并联电容两端的电压相同，即多个电容并联时的情况: 以上结论可推广到如图n个电容相并联时的情况。结论二 交流电1 正弦交流电：uUmsin(t)Umsin(2ft)式中：u：时刻t的电压瞬时值； Um：电压最大值；单位伏特V； f：频率；单位赫兹Hz； t：时间；单位秒s； ：初相位；单位弧度rad； ：角频率；单位弧度每秒rad/sa. 有效值：最大值的0.707倍称为有效值。因为正弦交流电电压在不停的变化，通常用有效值来表示交流电电压电流的大小。U0.707Um；即有效值等于最大值的根号2分之一。b. 平均值：电压或者电流变化曲线与横轴围成的面积之和称为平均值。交流电的平均值为零。c. 相位差：交流电路中，电压和电流的相位一般是不相同的。在纯电阻电路中，电压和电流同相位。在电感电路中，电压超前电流/2；电容电路中，电压滞后电流/2；d. 正弦量的向量表示法正弦量具有频率，幅值，初相位三个基本特征。只要给出这三个要素，就能唯一确定一个正弦量。一个正弦量有多种表达方法：三角函数表示法：uUmsin(t)或者uUmcos(t)；其中90；正弦波图形表示：向量表示法：向量的实质就是复数。复数OAajb；其中aUmcos；bUmsin那么OAUmcosjUmsin根据欧拉公式：cos(eje- j)/2；sin(eje- j)/2j；复数OAUmcosjUmsin Um(eje- j)/2jUm (eje- j)/2j Um(eje- je je- j)/2 UmejUm现在令复数OA绕原点o在复平面上以角速度逆时针旋转，A点的轨迹在复平面上的位置可以用复数表示为：OAUmcos(t)jUmsin(t) Umej(t) UmejtUmej于是：u(t)Umsin(t)UmejtUmej令向量UmUmej为电压的幅值向量 U Uej为电压的有效值向量(指数式) U U为电压的有效值向量(极座标式) U UcosjUsin为电压的有效值向量(直角坐标式)直角坐标式适合作加减运算，指数式和极座标式适合作乘除运算。e. 虚单位的数学意义和物理意义：jej90jjej90ej90ej1801即j11/2 同理：j3j；j41于是可以认为虚单位j是复平面上90的旋转因子。乘以j是正方向旋转90，除以j是负方向旋转90l 电阻元件电压电流的向量模型：或公式推导通过电阻的正弦电流为由欧姆定律得即和 电阻元件的相量形式为或。 l 电感元件电压电流的向量模型： 或电感电压与电流同频率，且电压超前电流相位90电压振幅是电流振幅的XL倍，XL为电感的感抗； 公式推导当通过电感的电流为时，电感两端的电压为即和 电感电压与电流同频率，而且电压相位越前电流。它们振幅之间的关系为。称为感抗。当单位为亨利(H)， 单位为弧度/秒(rad/s)时，单位为欧姆(W)。 l 电容元件的向量模型： 或电容电压与电流同频率，且电压滞后电流相位90 电压振幅是电流振幅的Xc倍。Xc称为容抗。公式推导当电容两端的电压为时，通过电容的电流为：由上式得和。电容电压与电流是相同频率的正弦量，而且电流相位越前电压。它们振幅之间的关系为 。称为容抗。当单位为法拉(F)，单位为弧度/秒(rad/s)时， 单位为欧姆(W)。l 交流电路的阻抗：交流电流过具有电阻，电感，电容的电路时，电阻，感抗，容抗都有阻碍电流通过的作用。这种阻碍作用称为阻抗。各元件的阻抗阻抗的单位：欧姆（W）其模型如图所示。 R、L、C元件对应的阻抗分别为：R: L: C: 阻抗的参数当频率一定时，阻抗Z是一个复常数，可表示为：称为阻抗的电阻部分，称为电抗部分。称为阻抗的模，称为阻抗角。阻抗参数间的关系它们之间关系为阻抗三角形： ，coszR/Z 即为功率因数角， ；X=XL-Xc； 我们当然希望功率因数等于1，即ZR；但是，在企业中大量的电动机往往导致电压相位超前于电流，功率因数小于1。为提高功率因数，要在电路中并联电容器，降低电路中的无功功率。如今随着微电子技术的发展。电路中的投切补偿电容器可用单片机进行三相分别控制。精确补偿每一相的无功功率，而且可以实时自动调节。2三相交流电：l 三相交流电源的电压是由三相交流发电机产生的。其电压有四种表示方法。三相对称电压的波形t120u3u1u2240ou解析式：相量式：120120120三相对称电压的相量图正弦曲线和相量图如图所示。相序：三相电压出现的先后次序正序U1V1 W1 U1逆序U1W1 V1 U1对称三相电源电压的特点幅值相等，频率相同，相位互差120l 三相交流供电系统的发明，主要是为了驱动电动机。交流电动机是现代企业应用最多的电器设备。交流电动机需要旋转磁场才能转动。而三相交流电是产生旋转磁场的最少相数。如果是单相或者两相交流电构不成稳定的具有固定旋转方向的旋转磁场，四相、五相甚至更多的相当然好，但费用昂贵不经济。所以选择了三相交流电。L1L2L3NU1V1W1U2V2W2三相电源的星形联接对称三相电源电压的特点幅值相等，频率相同，相位互差120l 三相电源的联结a星形联结三相四线制，输出两种电压，常用的380V/220V。相电压303030相电压与线电压的相量图相电压、对称线电压显见线电压、对称线电压与相电压的关系：通过作图容易看出 Ul超前Up30L1L2L3U1V1W1U2V2W2三相电源的三角形联接b三角形联结三相三线制，输出一种电压，。某相绕组首端和尾端接反，三角形回路将有很大环流。l 机械制造厂变压器输出基本上都是三相四线制。因为用电器不仅有三相380V的电动机，电焊机，还有单相220V的照明设备，电动工具和其他办公设备。 L2L1L3N负载星形联结的三相四线制电路c三相负载当负载的额定电压等于电源相电压的时，负载为星形联结，当负载的额定电压等于电源线电压的时，负载为三角形联结。l 三相负载的星型(Y)联接（1）负载对称负载对称Y联结时电压和电流的相量图采用单相计算：中线电流：去掉中线，采用三相三线制（2）负载不对称（有中线） 采用各相单独计算：负载不对称Y联结时电压和电流的相量图中线电流：例3-12 图示三相电路，已知：Ul=380V，R=XL =XC =10。（1）电路是不是对称电路？（2）试求相电流和中线电流。解：（1）不是对称电路。RL1L2L3N例3-12 电路图例3-12 向量图3.中线的作用负载不对称无中线的情况负载阻抗小的相电压低，负载阻抗大的相电压高。L2L1L3N负载不对称无中线的电路图示三相电路， Up=220V，R= 22。试求中点电压和各相负载上的电压。解：用节点电位法L2L1L3NL1相短路无中线的电路L1相短路无中线的情况L1相短路无中线时，L2相L3相并联线电压L2L1L3NL1相开路无中线的电路 L1相开路无中线的情况L1相开路无中线时， L2相L3相串联线电压中线的作用三相负载不对称星形联结（Y联结）时，必须装设中线，其作用是使三相负载的相电压对称。为了确保中线在运行中不会断开，中线上不允许接熔断器也不允许接开关。3电磁感应：在电磁感应部分，只需记住两个定理即可满足焊接方法的学习要求。a安培右手定则Ampre rule：l 右手握住载流直导线，大拇指指向载流直导线电流的方向，四指弯向磁力线的方向。l 右手握住载流螺线管，四指弯向载流螺线管电流的方向，大拇指指向磁场北极的方向。b安培左手定则：张开左手，掌心对着磁北极，并拢四指与大拇指成90度。四指指向载流导线电流的方向，大拇指所指的方向就是载流导线受到磁场力的方向。第二节 焊接与切割操作的安全用电要求 焊接与切割操作过程中，安全用电有两个目的。第一是保证人身安全，第二是保证设备安全。一安全电压：人体触电时，持续接触而不会导致死亡或者致残的电压为安全电压。我国修订颁布的国家标准GB/T 380593特低电压（ELV）限值取代了GB380583安全电压。15100Hz交流和直流（无纹波）的稳态电压限值注：环境状况1：皮肤阻抗和对地电阻均可忽略不计（例如人体浸没于水中）； 环境状况2：皮肤阻抗和对地电阻降低（例如潮湿的环境）； 环境状况3：皮肤阻抗和对地电阻均不降低（例如干燥的环境）； 环境状况4：特殊状况，如电焊，电镀等；特殊状况由各专业技术委员会负责定义；1安全电压值：按照最新的国家标准，企业现场实际的照明安全电压只有16V和33V可选。手持式电动工具的电压一律都是220V，并不具备安全电压的特性。但是，如果电动工具电压过低，为达到同样功率就必须增大电流，从而导致发热量大大增加，导线截面积必须大大增加。这将极大地增加成本，否则同样是不安全的。美国可以说是UL认证搞得最严格的国家。但是他们的110V民用电压供电造成的起火事故非常多。原因就是电流太大。所以，安全电压并不是越低越好。2安全电流值：构成人体的主要成分是水。由于体液，血液等都是良好的电解质，所以一旦通电产生电解，人体电阻会迅速下降。因此，人体通过的电流值不应超过5mA。三 焊接切割设备的接地与接零：1 电力系统的工作接地：电力系统为了安全运行的需要，常常将三相交流电的中性点接地，称为电力系统的工作接地。工作接地电阻Rd4。它的作用是：工作接地l 降低触电电压：在中性点不接地的电力系统中，当一相触地而人身又触及另一相时，人体遭受380V电压；如果中性点接地，这时人体遭受220V电压。l 迅速切断故障设备的电源：中性点不接地的电力系统中，如果一相触地，接地电流比较小，不足以启动断电保护装置切断故障设备。中性点接地，如果一相触地，将产生较大的单相接地短路电流，能够启动断电保护装置迅速切断故障设备。l 降低电气设备对地的绝缘水平：中性点接地的电力系统中，每一相对地电压都是相电压，电气设备导电部分对地对金属外壳的绝缘等级可以按照相电压来设计。中性点不接地的电力系统中，则必须按照线电压来设计，成本较高。保护接地RoRbIeIbIo2三相三线制的保护性接地： 在中性点不接地的三相三线制低压系统中，由于输电线路对地 有电容，电气设备外壳上可能积聚电荷，或者导电部分与金属 外壳短路，人体一旦接触设备的金属外壳就会触电。如果给电气 设备安装地线，并保证接地电阻Rd4。人体一旦触及漏电 的金属外壳时，由于人体电阻与接地电阻并联，且接地电阻远小 于人体电阻，那么流过人体的电流就很小。可以减轻触电伤害。 为保证接地电阻足够小，埋入地下的金属地线要足够粗大，甚至 还要在地下注水，埋入食盐。接地电阻还要定期维护并用摇表检测。3三相四线制的保护性接零： 保护性接零就是在中性点接地的低压电力系统中，把电气设备的 金属外壳与零线相连接。l 在中性点接地的三相四线制电力系统中，不能采用保护性接地，这对人体是极不安全的。在工作接地电阻R0和保护性接地电阻Rt0构成的串联电路中，R0Rt04，于是：采取了保护性接零，用电器导电部分一旦触壳漏电，如左图示，漏电回路成短路状态，熔断器可立即爆断，或者启动漏电保护装置，保证安全。中性点接地时采用保护接地不安全的原理图RoRbIeIbUpRb1保护接零另外，为了保证用电设备安全，规定接地短路电流不能小于自动开关保护装置动作电流的1.25倍或熔断器额定电流的3 倍。如果在中性点接地的三相四线制电力系统中，同时又采用了保护性接地。那么接地电流仅有27.5A。这样就只能启动动作电流小于22A的自动开关保护装置和熔断9A左右的熔断器。实际上许多大功率的电器设备熔断器的熔断电流都不止9A。这对设备是不安全的。l 在中性点接地的三相四线制电力系统中，零线必须重复接地：重复接地保护接零重复接地工作接地工作接地、保护接零与重复接地三相五线制系统工作零线工作接地保护零线在电力系统中往往安装多台电气设备，在未采取重复接地的情况下，a零线阻抗：当线路末端的设备发生接地碰壳短路时，由于距电源远，短路阻抗较大，短路电流较小，故障段不能迅速切除电源。另外零钱截面较小，阻抗较大，零线上的压降也较大，使故障段接零设备外壳长期出现较高的对地电压，增加触电危险。采用重复接地后，在零线回路上并联了一个由重复接地和工作接地构成的分支电路，从而降低了零线回路的阻抗，使短路电流增加，促使线路开关或熔断器迅速跳闸或熔断。b零线断线：如图示，在未采用重复接地的情况下，当零线发生断线时，在断线点后面只要有一台设备碰壳短路，其它接零设备外壳均带电，对地电压接近于相电压增加了触电危险。采用重复接地后，能降低断线点后面接零设备外壳的对地电压。若系多处重复接地，设备外壳对地电压进一步降低，减小触电危险。c三相负载不平衡：在三相四线制电网中，当三相负荷不平衡时，零线上就有电流，从而零线上就有电压降。零线上的电压降就有接零设备外壳的对地电压。它与零线上的电流及零钱阻抗成正比。在未采用重复接地的情况下，当低压线路较长，零线阻抗较大。三相负荷很不平衡时，即使零线未断线，设备也没有漏电，当触及接零设备外壳时，常有电麻的感觉。采用重复接地后，电麻现象能得到减轻或消除。l 重要设备如大型数控加工中心，大型机器人系统，通常都必须专门安装重复接地装置。4工作零线和保护零线三相五线制：l 国际电气技术委员会(IEC)称三相四线制的电气系统为TN-C系统l 国际电气技术委员会(IEC)称三相五线制的电气系统为TN-S系统l 在三相四线制系统中，如果三相负载不平衡，工作零线有电流。如果要用漏电断路保护器保护整条干线，就很难分辨零线中的电流是故障电流还是负载不平衡导致的中线电流。所以，在三相五线制系统中，专门安装保护零线。保护零线与三相交流电路不构成回路，仅仅连接用电器的外壳和零线。如果用电器导电部分不触壳短路，保护零线中就不会有电流。便于安装使用漏电保护器。所有单相用电器都必须用三脚插头，分别连接相线，工作零线和保护零线，用电器外壳接保护零线。5焊接切割设备的保护性接零和保护性接地： 对于焊接切割设备的保护性接零和保护性接地没有特殊要求(教材319320页关于电焊机次级绕组必须接地的要求没有根据，因为工件本身就是接地的，且电焊机变压器次级没有接地抽头，特别是320页图10-16要求在三相四线制电力系统中同时接零和接地更是错误)，正规厂家出产的电焊机金属外壳有专