维修电工基础知识分析.ppt

南磷集团维修电工 中级工 培训 培训人 高亮彰 模块一维修电工基础知识 1 电路的基本概念2 电路的基本定律3 电路的基本分析方法4 电路的基本定理5 单相正弦交流电路6 三相正弦交流电路 电路的基本概念 一 电路电路就是电流所流通的路径 二 电路的功能电能的转换 传输和分配 对信息的传递和处理 三 电路的组成 电源 负载 中间环节 四 电路的分类 按电路中流过的电流分类 直流电路和交流电路 常见直流 常见交流 五 电路模型 六 电路的基本物理量 E U I V P W E 电动势电动势的实际方向由 极指向 极电动势的单位是 伏特 简称 伏 用字母 V 来表示 U 电压电压的实际方向由 极指向 极电压的单位是 伏特 简称 伏 用字母 V 来表示 I 电流电流的实际方向是由 极流向 极电流的单位是 安培 简称 安 用字母 A 来表示 V 电位电位是指电路中某点与电位参考点之间的电压电位参考点就是电位为零的点 也称为接地点 在电路中用符号 表示 P 电功率电功率的单位是 瓦特 简称 瓦 用字母 W 来表示 W 电功电功的国际标准单位是 焦耳 简称 焦 用字母 J 来表示常用单位 度 度 又称为 千瓦时 即1KW的设备供电或用电1小时 其提供或消耗的电能为1度 七 电路的基本元件 电阻 电感 电容和电源 电路的基本定律 一 参考方向 二 欧姆定律 三 全电路欧姆定律 四 电路的工作状态 K1 K2断开 断路K1闭合 K2断开 通路 工作 K1 K2闭合 短路 五 电路的联接 电流处处相等串联分压 1 串联 2 并联 电压处处相等并联分流 3 混联 六 基尔霍夫定律 基尔霍夫电流定律 KCL 在电路中 任何时刻 流入任一节点的支路电流恒等于从该节点流出的支路电流 该定律可以用数学形式表述为 基尔霍夫电压定律 KVL 在电路中 任何时刻 沿任一回路绕行一周 各部分电压的代数和 该定律可以用数学形式表述为 1 几个基本概念 1 支路 支路是指电路中的每个独立分支 通俗的说 就是电路中两点之间不分叉的一段电路 2 节点 节点是三条或三条以上支路的连接点 3 回路 电路中的任一闭合路径称为回路 4 网孔 网孔是一类特殊的回路 如果在回路所包含的平面内不含有其它支路 这样的回路就称为网孔 电路的基本分析方法 以支路电流为待求量 应用KCL KVL列写电路方程组 求解各支路电流的方法称为支路电流法 支路电流法是计算复杂电路最基本的方法 需要的方程个数与电路的支路数相等 电路支路数b结点数n 一 支路电流法 支路电流法的解题步骤 I1 I2 I3 1 假定各支路电流的参考方向 2 应用KCL对结点列方程 结点 对于有n个结点的电路 只能列出 n 1 个独立的KCL方程式 3 应用KVL列写b n 1 个方程 一般选网孔 4 联立求解得各支路电流 例 用支路电流法求各支路电流 解 I1 I2 I3 0 2I1 8I3 14 3I2 8I3 2 I1 3A 解得 I2 2A I3 1A 对于b条支路 n个结点的电路 用支路电流法需要列写b个方程 由于方程维数较高 所以求解不便 结点数n 3 1 选参考节点 0电位点 设 各独立结点电压为 2 对每个独立节点列KCL方程 方向指向参考结点 二 节点电压法 3 各支路电流用相关的结点电压表示 代入节点的KCL方程 整理得 式中G为各支路的电导 自电导总为正 互电导总为负 节点电压法解题步骤 4 用结点电压求解支路电流 1 选定参考结点并标出结点序号 将独立结点设为未知量 其参考方向由独立结点指向参考结点 2 列写结点电压方程 自电导总为正 互电导总为负 电流源电流指向该结点为正 背离为负 3 求解各结点电压 例如图所示电路 R1 R2 R3 1 US2 4V IS 2A 试用节点法求电流I1 解 注意 互导为0 电路的基本定理 一 叠加定理 1 定理内容在线性电路中 多个独立电源对电路共同作用的结果 等于每个独立电源单独对电路作用结果的叠加 2 叠加定理应用方法 3 叠加定理使用注意事项 1 在电源单独作用时 其它电源的作用暂时被取消 取消的方法是 对于电压源 将其电压置为零 也就相当于 短路 对于电流源 将其电流置为零 也就相当于 断路 2 叠加定理是针对线性电路的方法 只能在线性电路中 对线性量 如电压和电流 进行叠加 对于非线性量 如功率 不能使用叠加定理来计算 二 戴维南定理 1 定理内容任何一个线性有源二端网络 对于外电路而言 可以用一个电压源和电阻的串联组合来等效替代 其中电压源的电压等于有源二端网络的开路电压 电阻等于将有源二端网络变成无源二端网络 即将有源二端网络中电源的作用取消 后的等效电阻 2 二端网络的概念任何一个具有两个端钮与外电路相连接的网络 根据网络内部是否含有独立电源 二端网络可分为有源二端网络和无源二端网络 3 戴维南定理应用方法 d 等效电阻的计算 单相正弦交流电路 随时间按正弦规律变化的交流电压 电流称为正弦电压 电流 正弦量 正弦电压 电流等物理量统称为正弦量 规定电流参考方向如图 正半周 电流实际方向与参考方向相同 负半周 电流实际方向与参考方向相反 振幅 角频率 初相角 正弦量的三要素 正弦交流电路是指含有正弦电源而且电路各部分所产生的电压和电流均按正弦规律变化的电路 一 正弦量的三要素1 频率与周期 描述正弦量变化快慢的参数 周期 T 变化一个循环所需要的时间 单位 s 频率 f 单位时间内的周期数单位 Hz 角频率 每秒钟变化的弧度数 单位 rad s 三者间的关系示为 f 1 T 我国和大多数国家采用50Hz作为电力工业标准频率 简称工频 少数国家采用60Hz 瞬时值 正弦量任意瞬间的值称为瞬时值 用小字母表示 i u e 最大值 正弦量在一个周期内的最大值 用带有下标m的大写字母表示 Im Um Em 有效值 一个交流电流的做功能力相当于某一数值的直流电流的做功能力 这个直流电流的数值就叫该交流电流的有效值 用大写字母表示 I U E 2 最大值和有效值 描述正弦量数值大小的参数 最大值Im 或 熟记 最大值和有效值的关系 相位 3 相位 初相 相位差 正弦量 称为正弦量的相位角或相位 它表明了正弦量的进程 初相 t 0时的相位角称为初相角或初相位 用的角度表示 若所取计时时刻 时间零点的选择 不同 则正弦量初相位不同 i u 相位差 同频率正弦量的相位角之差或是初相角之差 称为相位差 用 表示 设正弦量 i和u的相位差为 如果 称i超前u 角 如果 称i滞后u 角 如果 其特点是 当一正弦量的值达到最大时 另一正弦量的值刚好是零 称i与u同相位 简称同相 如果 称i与u正交 如果 称i与u反相 同相 正交 反相 当两个同频率的正弦量计时起点改变时 它们的初相位角改变 但相位差不变 注意 设A为复数则 A a jb 代数式 其中 a称为复数A的实部 b称为复数A的虚部 为虚数单位 在复平面上可以用一向量表示复数A 如右图 a A b 模 幅角 二 正弦量的相量表示法1 复数及其表示 复数的几种形式 指数式 三角式 极坐标式 复数运算 加减运算 设 则 乘法运算 设 则 除法运算 A a jb 代数式 则 2 相量 用复数表示正弦量 故计算过程中一个正弦量可用幅值和初相角两个特征量来确定 如 一个复数由模和幅角两个特征量确定 一个正弦量具有幅值 频率和初相位三个要素 在分析计算线性电路时 电路中各部分电压和电流都是与电源同频率的正弦量 因此 频率是已知的 计算时可不必考虑 角频率不变 一个正弦量与一个复数可以一一对应 可借助复数计算完成正弦量的计算 有效值相量 最大值相量 正弦量与相量是对应关系 而不是相等关系 例 求 解 1 用相量表示 2 用相量进行计算 3 把相量再表示为正弦量 注意 1 只有对同频率的正弦周期量 才能应用对应的相量来进行代数运算 2 只有同频率的正弦量才能画在同一相量图上 3 正弦量与相量是对应关系 而不是相等关系 正弦交流电是时间的函数 4 可推广到多个同频率的正弦量运算 基尔霍夫定律的相量形式 三 电阻 电感 电容元件的电压电流关系 一 电阻元件 1 电压电流的数值关系 设 则 或 设在电阻元件的交流电路中 电压 电流参考方向如图示 电阻的电压与电流瞬时值 有效值 最大值都满足欧姆定律 瞬时值 最大值 有效值 2 电压电流的相位关系 u i同相 u i 3 电压电流的相量关系 相量图 二 电感元件 设 则 设在电感元件的交流电路中 电压 电流参考方向如图示 电感的电压与电流有效值 最大值满足欧姆定律形式 瞬时值 最大值 有效值 1 电压电流的数值关系 感抗 当L一定时 线圈的感抗与频率f成正比 频率越高 感抗越大 在直流电路中感抗为零 可视为短路 2 电压电流的相位关系 u超前i e 相量图 3 电压电流的相量关系 三 电容元件 设 则 设在电容元件的交流电路中 电压 电流参考方向如图示 电容的电压与电流有效值 最大值满足欧姆定律形式 瞬时值 最大值 有效值 1 电压电流的数值关系 当C一定时 电容的容抗与频率f成反比 频率越高 感抗越小 在直流电路中容抗为无限大 可视为开路 容抗 2 电压电流的相位关系 i超前u 相量图 3 电压电流的相量关系 四 电阻 电感 电容元件的串联 一 电压电流关系 电压电流参考方向如图所示 1 瞬时值 设 则 根据KVL可列出 相量模型 2 相量 jXC R jXL 相量图 3 有效值 电压三角形 二 阻抗 电路的阻抗 欧姆定律的相量形式 其中 模 阻抗角 阻抗三角形 电压与电流之间的相位差角 由电路参数R L C确定 电流与电压同相 电路呈阻性 电压超前电流 电路呈电感性 电流超前电压 电路呈电容性 阻抗角 大于零时的相量图 例R L C串联交流电路如图所示 已知R 30 L 254mH C 80 F 求 电流及各元件上的电压瞬时值表达式 解 注意 各元件上的电压为 瞬时值表达式为 一 阻抗的串联 n个阻抗串联 两个阻抗串联电路的分压公式 五 阻抗串联与并联 两个阻抗并联时 等效阻抗为 分流公式为 二 阻抗的并联 n个电阻并联 例如图所示电路 已知R1 3 R2 8 XC 6 XL 4 求 各支路电流及总电流的瞬时值表达式 解 i1 i2 相量模型 六 正弦交流电路的功率 一 有功功率P 设无源单口网络的电压 电流参考方向如图 其正弦电压 电流分别为 瞬时功率 有功功率P 平均功率 瞬时功率在一个周期内的平均值 功率因数 电压与电流的相位差角 有功功率 电阻元件 电感元件 电容元件 二 无功功率Q 电感元件 电容元件实际上不消耗功率 只是和电源之间存在着能量互换 把这种能量交换规模的大小定义为无功功率 无功功率单位 乏 Var 电阻元件 电感元件 电容元件 电压与电流有效值的乘积定义为视在功率 电气设备的容量 三 视在功率S 即 视在功率单位 VA 视在功率 有功功率 无功功率三者的关系 功率三角形 电压与电流之间的相位差角 例R L C串联交流电路如图所示 已知R 30 L 254mH C 80 F 求 电路的有功功率 无功功率 视在功率 功率因数 解 视在功率 有功功率 无功功率 功率因数 功率因数低的危害 1 电源设备的容量不能充分利用 2 增加输电线路的功率损耗 在P U一定的情况下 cos 越低 I越大 线路损耗越大 功率因数越低 P越小 设备得不到充分利用 功率因数的高低完全取决于负载的参数 在电源设备容量一定的情况下 用户提高功率因数方法 感性负载采用电容并联补偿 为此 我国电力行政法规中对用户的功率因数有明确的规定 三相正弦交流电路 目前电力工程上普遍采用三相制供电 由三个幅值相等 频率相同 我国电网频率为50HZ 彼此之间相位互差120o的正弦电压所组成的供电相系统 三相制供电比单相制供电优越 在发电方面 三相交流发电机比相同尺寸的单相交流发电机容量大 在输电方面 如果以同样电压将同样大小的功率输送到同样距离 三相输电线比单相输电线节省材料 在用电设备方面 三相交流电动机比单相电动机结构简单 体积小 运行特性好等等 因而三相制是目前世界各国的主要供电方式 三相交流发电机主要组成部分 磁极 三相绕组 n 单相绕组 是转动的 亦称转子 三相绕组的三相电动势幅值相等 频率相同 彼此之间相位相差120 铁心 绕组 一 三相电源1 三相交流发电机 电枢 是固定的 亦称定子 定子铁心内圆周表面有槽 放入三相电枢绕组 2 三相电源 三相电源是由三相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 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 也可用相量表示 120 120 120 三相电压相量图 对称正弦量特点为 频率相同 幅值相等 相位互差120 的三相电压称为对称正弦电压 N 中点或零点 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 二 三相电源的联接1 Y形联接 线 相电压关系式 相量图 线电压的有效值用表示 相电压的有效值用Up表示 由相量图可知它们的关系为 2 形联接