电工技术基础与技能演示幻灯片

电工技术基础与技能（电类专业通用）,电工技术基础与技能（电类专业通用）,返回,第1章安全用电,第1章安全用电,返回,1.1供电配电系统,电能由发电厂产生，通过输电线输送，最后分配给各个生产单位及其他用户，这就构成了发电、输电和配电的完整系统。发电厂按照所利用的能源种类可分为水力、火力、风力、核子能、太阳能、沼气等几种。现在世界各国建造得最多的，主要是水力发电厂和火力发电厂。我国主要利用火力发电。我国国家标准中规定输电线的额定电压为35kV、110kV、220kV、330kV、500kV等。,第1章安全用电,1.1供电配电系统,如下图所示的是一个发电、输电和配电系统的简图。电能通过输电线末端的发电厂变电所分配给各工业企业和城市。工业企业设有区域变电所和工厂变电所（小规模的企业往往只有一个变电所）。区域变电所将电能分配到各车间，再由工厂变电所或配电箱（配电板）将电能分配给各用电设备。,发电、输电和配电系统简图,第1章安全用电,在工业企业中，用电设备直接使用的电源，绝大多数是低压电源，一般是线电压为380V、中性点接地的三相电源。动力负载一般是对称三相负载，采用三相三线制；照明等单相负载虽在连接时尽量分配在三相上，但很难做到时时对称，因此采用三相四线制，这是应用最多的低压供电系统。电源设备的额定电压一般比用电设备的额定电压高5，以补偿部分线路电压降。例如，用电设备额定电压为380V，而变压器的额定输出电压则为400V。我国交流电力网额定频率为50Hz，偏差不应超过0.2Hz。,1.1供电配电系统,1.2.1常用电工工具,1.2认识电工实训室,第1章安全用电,1.试电笔试电笔是检验导线和电气设备是否带电的一种电工常用工具，是广大电工常用的安全工具，通常分为螺丝刀式和钢笔式两种，其结构图下图所示。,试电笔的外形结构,返回,第1章安全用电,1.2认识电工实训室,使用试电笔时，必须按照如右图所示的正确方法进行操作，以手指触及尾部的金属体，使氖管小窗背光朝向自己，便于观察；要防止金属探头部分触及皮肤，以避免触电。当用验电器测试带电体时，电流经带电体、验电器、人体到大地形成通电回路，只要带电体与大地之间的电位差超过60V，验电器中的氖管就会发光。试电笔检测电压的范围为60500V。,试电笔使用时的握法,1.2.1常用电工工具,第1章安全用电,1.2认识电工实训室,2.螺钉旋具螺钉旋具又称螺丝刀，它是一种紧固或拆卸螺钉的工具。按照其功能和头部形状不同可分为一字螺钉旋具和十字螺钉旋具，如下图所示。按握柄材料的不同，又可分木柄和塑料柄两大类。,螺钉旋具的外形,1.2.1常用电工工具,3.钳子钳子根据用途可分为：钢丝钳、尖嘴钳、斜口钳、卡线钳、剥线钳和网线压线钳等。1）钢丝钳钢丝钳又叫平口钳、老虎钳，是电工用于剪切或夹持导线、金属丝、工件、金属薄板的常用钳类工具。电工钢丝钳由钳头和钳柄两部分组成，钳头由钳口、齿口、刀口和铡口4部分组成，如下图所示为钢丝钳的外形。,第1章安全用电,1.2认识电工实训室,钢丝钳的外形图,1.2.1常用电工工具,钢丝钳的不同部位有不同的用途：钳口用来弯绞或钳夹导线线头或其他金属、非金属物体；齿口用来紧固或松动螺母；刀口用来剪切导线、起拔铁钉或剖削软导线绝缘层；铡口用来铡切电线线芯、钢丝或铅丝等软硬金属，其用途右图所示。,第1章安全用电,1.2认识电工实训室,钢丝钳的用途,1.2.1常用电工工具,第1章安全用电,1.2认识电工实训室,2）尖嘴钳及偏口钳（1）尖嘴钳。尖嘴钳的头部尖细，适用于狭小的工作空间操作。尖嘴钳有铁柄和绝缘柄两种。其中绝缘柄为电工用尖嘴钳，绝缘柄的耐压为500V，其外形、构造下图所示。,尖嘴钳的外形和构造,1.2.1常用电工工具,第1章安全用电,尖嘴钳的握法如下图所示。尖嘴钳的规格以其全长的毫米数表示，有130mm、160mm、180mm等几种。,1.2认识电工实训室,尖嘴钳的握法,1.2.1常用电工工具,第1章安全用电,1.2认识电工实训室,（2）偏口钳。偏口钳又称斜口钳或断线钳，其头部扁斜，钳柄有铁柄、管柄和绝缘柄3种型式，其中电工用的绝缘柄断线钳的外形如下图所示，其耐压为1000V。断线钳专供剪断较粗的金属丝、线材及电线电缆等用。,偏口钳的外形,1.2.1常用电工工具,第1章安全用电,1.2认识电工实训室,3）剥线钳剥线钳是用于剥落小直径导线绝缘层的专用工具，其外形如下图所示，其钳口部分设有几个咬口，用以剥落不同线径导线的绝缘层。其手柄是绝缘的，耐压为500V。,剥线钳外形,1.2.1常用电工工具,4.电工刀电工刀是用来剖削电线线头、切割木台缺口、削制木槽的专用工具，其外形如下图所示。使用电工刀时，应将刀口朝外剖削，以免伤手。剖削导线绝缘层时，应使刀面与导线成45角切入，以免割伤导线。,第1章安全用电,1.2认识电工实训室,电工刀外形,1.2.1常用电工工具,5.扳手1）活络扳手活络扳手又称活络扳头，是用来紧固和松动螺母的一种专用工具。活络扳手由头部和柄部组成，头部由活络扳唇、呆扳唇、扳口、蜗轮和轴销等组成，其外形如下图所示，旋动蜗轮可调节扳口的大小。,第1章安全用电,1.2认识电工实训室,活络扳手外形,1.2.1常用电工工具,第1章安全用电,1.2认识电工实训室,活络扳手的使用方法如下图所示。应注意的是，活络扳手不可反方向用力，以免损坏活络扳唇，也不可用钢管接长手柄来施加较大的扳拧力矩。另外，活络扳手不得当做撬棒或手锤使用。,活络扳手的握法,1.2.1常用电工工具,第1章安全用电,1.2认识电工实训室,2）其他常用扳手扳手是用于螺纹连接的一种手动工具，种类和规格很多，下面介绍用于紧固、拆卸六角头螺钉和螺母的几种扳手，主要有固定扳手和套筒扳手，其外形结构如右图所示。,固定扳手,套筒扳手,1.2.1常用电工工具,第1章安全用电,1.2认识电工实训室,6.电烙铁常用的电烙铁有外热式和内热式两大类，外热式电烙铁的外形及结构如右图所示，随着焊接技术的发展，已研制出恒温电烙铁和吸锡电烙铁。,外热式电烙铁的外形及结构,1.2.1常用电工工具,第1章安全用电,电烙铁的握法和焊锡丝的拿法分别如下图所示。,1.2认识电工实训室,电烙铁的握法,焊锡丝的拿法,1.2.1常用电工工具,第1章安全用电,1.2认识电工实训室,使用电烙铁的工作步骤。在手工使用电烙铁焊接时，特别是对初学者来说，一般可采用5步工序法。5步工序为：准备施焊加热焊件送入焊丝移开焊丝移开电烙铁，如下图所示。,焊接工序示意图,1.2.1常用电工工具,第1章安全用电,1.2认识电工实训室,从总体上考虑，电烙铁的选用应遵循下面几个原则：(1)电烙铁的形状要适应被焊物面的要求及焊点的密度。(2)烙铁头顶端温度应适应焊锡的熔点，通常这个温度应比熔点高3080。(3)电烙铁的热容量应能满足被焊物的要求。(4)烙铁头的温度恢复时间应能满足被焊物的要求。,1.2.1常用电工工具,第1章安全用电,1.2认识电工实训室,电工仪表是实现电气测量所需仪表的总称。利用电工仪表通过一定的方法获得被求电量实际数值的过程，就是电工测量。电工仪表种类繁多，在电工实训中用到的仪表主要有万用表（指针式和数字式）、电压表、电流表、示波器和信号发生器等。如右图所示为常用电工仪表的外形图。,常用电工仪表的外形图,1.2.2常用电工仪表,第1章安全用电,1.3安全用电常识,1.3.1人体触电及预防,1.安全用电安全电压是指人体较长时间触电而不会发生触电事故的电压。世界各国对安全电压的规定各不相同。我国规定的安全电压额定等级为36V、24V、12V、6V。在我国一般采用36V安全电压，凡工作在潮湿或危险性较大的场所，应采用24V安全电压。凡工作在条件恶劣或操作者容易大面积接触带电体的场所，应采用不超过12V的安全电压。凡人体浸在水中工作时，应采用6V安全电压。当电气设备采用超过24V的安全电压等级时，仍然需要采取防止直接接触带电体的保护措施。,返回,第1章安全用电,1.3安全用电常识,2.常见的触电形式按照人体触及带电体的方式和电流通过人体的途径，触电方式大致有3种，即单相触电、两相触电和跨步电压触电。（1）单相触电指人体在地面或其他接地导体上，人体的某一部位触及一相带电体的触电事故。触电大部分都是单相触电事故。单相触电又分中性点接地系统单相触电和中性点不接地系统单相触电，如右图所示。一般来说，前者更具危险性。,单相触电示意图,1.3.1人体触电及预防,第1章安全用电,1.3安全用电常识,（2）两相触电如下图所示，是指人体两处同时触及两带电体的触电事故，这种触电方式人体承受的电压更高，是最危险的触电。,两相触电示意图,1.3.1人体触电及预防,想一想：为什么两相触电比单相触电危险？,第1章安全用电,1.3安全用电常识,（3）跨步电压触电指人在接地点附近，由两脚之间的跨步电压引起的触电事故。当带有电的电线掉落到地面上时，以电线落地的一点为中心，画许多同心圆，这些同心圆之间有不同的电位差(即电压)。跨步电压系指人站在地上具有不同对地电压的两点，在人的两脚之间所承受的电压差，如下图所示。跨步电压与跨步大小有关，人的跨步距离一般按0.8m考虑。,跨步电压触电示意图,1.3.1人体触电及预防,第1章安全用电,1.3安全用电常识,3.触电事故的预防总结安全用电经验和教训，应采取以下措施预防触电事故：（1）加强安全管理,建立和健全安全工作规程和制度，并严格执行。（2）保证电气设备制造质量和安装质量，做好保护接地或保护接零，在电气设备的带电部分安装防护罩、防护网。（3）使用、维护、检修电气设备，严格遵守有关安全规程和操作规程。（4）尽量不带电作业，特别在危险场所(如高温、潮湿地点)严禁带电工作；必须带电作业时，应该用各种安全防护用具、安全工具，如使用绝缘棒、绝缘夹钳和必要的仪表，戴绝缘手套、穿绝缘靴等，并设专人监护。（5）对各种电气设备按照规定进行定期试验、检查和检修，发现故障应及时处理；对不能修复的设备，不可使其带“病”运行，应立即更换。（6）根据规定，在不宜使用220380V电压的场所，应使用1236V的安全电压。（7）禁止非电工人员乱装乱拆电气设备，更不得乱接导线。（8）加强技术培训和安全培训，提高安全生产和安全用电水平。,1.3.1人体触电及预防,第1章安全用电,1.3安全用电常识,在用电过程中，一旦发生触电事故，应采用安全有效的方法使触电者迅速脱离电源，并迅速组织现场急救。以下为现场急救的一些方法：（1）触电急救必须分秒必争。就地用心肺复苏法进行抢救，并坚持不断地进行，同时及早与医疗部门联系，争取医务人员尽快接替救治。（2）触电急救时，首先要使触电者迅速脱离电源。（3）触电者触及低压带电设备，救护人员应设法迅速切断电源，如拉开电源开关或刀闸，拔除电源插头等；使用绝缘工具、干燥的木棒、木板、绳索等不导电物质解脱触电者；抓住触电者干燥而不贴身的衣服，将其拖开，但一定要避免碰到金属物体和触电者的裸露身躯；戴绝缘手套或将手用干燥衣物等包起绝缘后解脱触电者；救护人员也可站在绝缘垫上或干木板上，绝缘自己进行救护。如果电流通过触电者入地，并且触电者紧握电线，可设法用干木板塞到触电者身下，使之与地面隔离；也可用干木柄斧子或有绝缘柄的钳子等将电线剪断。,1.3.2触电急救,第1章安全用电,（4）触电者触及高压带电设备，救护人员应迅速切断电源或用适合该电压等级的绝缘工具解脱触电者。（5）如果触电者触及断落在地上的带电高压导线，且尚未证实线路无电，救护人员在未做好安全措施前，不能接近断线点(810m范围)，防止跨步电压伤人。（6）触电人员脱离电源后，如神志清醒，应使其就地躺平，严密观察，暂时不要站立或走动。（7）触电人员如神志不清，应就地仰面躺平，且确保呼吸道通畅，并用5s时间，呼叫伤员或轻拍其肩部，以判定伤员是否意识丧失。禁止摇动伤员头部呼叫伤员。（8）如触电者意识丧失，应在10s内，用看、听、试的方法，判定伤员呼吸、心跳情况。看伤员的脑部、腹部有无起伏动作；用耳贴近伤员的口鼻处，听有无呼气声音；试测口鼻有无呼气的气流。再用两手指轻试一侧喉结旁凹陷处的颈动脉有无搏动。,1.3安全用电常识,1.3.2触电急救,第1章安全用电,（9）触电伤员呼吸和心跳均停止时，应立即按心肺复苏法就地抢救。所谓心肺复苏法，就是支持生命的3项基本措施，即通畅气道、口对口(鼻)人工呼吸和胸外挤压，分别如下图所示。,1.3安全用电常识,人工呼吸法施救图,胸外挤压法施救,1.3.2触电急救,第1章安全用电,1.3安全用电常识,电气火灾的扑救方法有以下几点：,1.3.3电气火灾预防,（1）先断电后灭火。,（2）带电灭火的安全要求。带电灭火时，应使用干粉灭火器、二氧化碳灭火器进行灭火，而不得使用泡沫灭火剂或用水泼救。用水枪带电灭火时，宜采用泄漏电流小的喷雾水枪，并将水枪喷嘴接地。灭火人员应戴绝缘手套、穿绝缘靴或穿均压服操作。喷嘴至带电体的距离：110kV及其以下者应不小于3m；220kV及其以上者应不小于5m。使用不导电的灭火剂灭火时，灭火器机体的喷嘴至带电体的距离：10kV及其以下者应不小于0.4m；35kV及其以上者应不小于0.6m。,（3）充油设备灭火的安全要求。充油设备着火时，应在灭火的同时考虑油的安全排放，并设法将油火隔离；旋转电机着火时，应防止轴和轴承由于着火和灭火造成的冷热不均而变形，并不得使用干粉、砂子、泥土灭火，以防损伤设备的绝缘。,第2章直流电路,电阻元件和欧姆定律,返回,电源模型及其等效电路,*2.5,2.3,电路及其工作状态电路是电流所经过的路径，由电源、负载、中间环节3部分组成。最简单的电路如右图所示，电源是一节干电池，负载是小灯泡，导线和开关是中间环节，将电池和小灯泡连接起来，形成一个简单的电流通路，实现照明功能。,2.1电路和电路模型,第2章直流电路,返回,简单照明电路,2.1.1电路及其工作状态,1.电路（1）电源。电源是一种能产生电能的装置。在日常生产生活中，常用的电源有发电机、蓄电池、干电池等，它们分别把机械能、化学能等转换成电能，如右图所示为干电池、直流发电机、蓄电池等常见电源的实物图。,第2章直流电路,各种常用电源电工技术基础与技能,2.1电路和电路模型,2.1.1电路及其工作状态,第2章直流电路,（2）负载。负载是消耗电能的设备或者器件，其作用是把电能转化为其他形式的能。例如，电灯、电动机、扬声器等都是负载。（3）中间环节。电路中的中间环节起着传输、分配和控制电能的作用。中间环节有的简单，也有的非常复杂。简单的可以只有一根导线，复杂的可以是超大规模集成电路或电力输送线路。而在一般的电路分析中，因为导线的电阻很小，所以常常把导线的电阻视为零。,2.1电路和电路模型,2.1.1电路及其工作状态,第2章直流电路,2.电路的工作状态一个电路因导线的不同连接，可有三种不同的工作状态：（1）通路。通路就是当电源与用电器接通，电路中有电流通过，电源向用电器输送电能，进行能量转化，又称为有载工作状态。（2）断路。断路也称开路，就是电路中没有电流通过，不发生能量转化，又称为空载状态。当电路中的开关处于断开状态时，开路为正常状态，而当开关为闭合状态时，电路仍为开路状态，则属于电路故障，需要对电路进行检修。（3）短路。短路就是电源两端被电阻接近零的导体接通。此时电路中的电流比正常通路时的电流大很多，如果没有保护措施，电源或用电器会被烧坏，容易发生火灾。因此，电路中不允许短路状态。,2.1电路和电路模型,2.1.1电路及其工作状态,第2章直流电路,通路、断路和短路的状态如下图所示。,电路的工作状态,2.1电路和电路模型,2.1.1电路及其工作状态,第2章直流电路,为了研究电路的特性和功能，必须对电路进行科学抽象，用一些模型来代替实际电气元件和设备的外部功能，这种模型称为电路模型。构成电路模型的元件称为理想电路元件，也称为电路元件或者模型元件。用国家规定的电气图形符号、文字符号来表示电路连接情况的图形，称为电路图。,2.1电路和电路模型,2.1.1电路及其工作状态,2.2电路的基本物理量,第2章直流电路,1.电流的基本概念只有运动的电荷才能带动电器。物理学上把带电微粒的定向移动叫做电流。电流的大小为单位时间内通过某一导体横截面的电荷量。用I表示电流，q表示电荷量，t表示时间，则计算电流的公式为,式中，q为时间t内通过导体横截面的电荷量。,2.2.1电流,返回,2.2电路的基本物理量,第2章直流电路,2.电流的参考方向带电微粒的定向移动形成了电流，则电流是矢量（即有方向的量）。通常规定正电荷运动的方向为电流的正方向，负电荷运动的方向为电流的负方向，由此可见，在金属导体内部，电流的方向和电子运动的方向相反，下图所示。,电流的方向,2.2.1电流,第2章直流电路,2.2电路的基本物理量,为了方便电路的分析，往往在复杂电路中引入参考方向。其方法是：任意假设某一支路中的电流参考方向，把电流看做代数量，若计算结果为正，则表示电流的实际方向与假设的参考方向相同；若计算结果为负，则表示电流的实际方向与假设的参考方向相反。参考方向在图中用实线箭头标注，实际方向用虚线箭头标注，如下图所示。,电流的实际方向与参考方向,2.2.1电流,第2章直流电路,2.2电路的基本物理量,3.电流的类型电流是既有大小又有方向的物理量。大小和方向不随时间变化的电流称为直流电流，用字母“DC”表示，在电路图中用“”表示直流电流；大小和方向都随时间变化的电流称为交流电流，用字母“AC”表示，在电路图中用“”表示交流电流。如下图所示为两种电流的波形图。,电流的类型,2.2.1电流,第2章直流电路,2.2电路的基本物理量,1.电压电压是衡量电场力做功本领大小的物理量。在国际单位制中，电压的单位是伏特（V）。如果设正电荷由A点移到B点时电场力所做的功为W，电场力把单位正电荷由A点移到B点所做的功在数值上等于A、B两点间的电压。则A、B两点间的电压为,式中，UAB为A、B两点之间的电压（V）；W为电场力所做的功（J）；q为电量（C）。,2.2.2电压和电位,第2章直流电路,2.2电路的基本物理量,习惯上规定从高电位点指向低电位点为电压方向（实际方向），即电压降的方向。在分析电路时，也应选取电压的参考方向。当电压的实际方向与参考方向一致时，电压为正（U0）；相反时，电压为负（U1，可达数百、数千乃至数万之值。它们在外磁场的作用下会被磁化而呈现出很强的磁性，能产生远大于外磁场的附加磁场。,2)磁饱和性通过实验可测出铁磁性材料的磁感应强度B随外加磁场的磁场强度H变化的曲线(B-H磁化曲线)，如上图所示。图中磁化曲线磁化曲线Oa段，由于磁畴在外磁场作用下的取向作用，使B随H近似成正比地增加；在ab段，由于大多数磁畴已与外磁场取向一致了，因此随H增加，B的增加变得缓慢；bc段，由于所有的磁畴都已与外磁场取向一致了，磁化磁场不再增加，使B随H增加得很少，达到了磁饱和。铁磁性材料的磁导率不是常数，而是随H的变化而变化。,磁化曲线,3)磁滞性电机、变压器等实用电工设备中，通常是将线圈绕在铁磁性材料做成的铁心上，当线圈通入交变电流(大小和方向都变化的电流)时，铁心的磁感应强度B随磁场强度H而变化的关系如右图所示。当磁场强度H由零增加到+Hm后，如减小H，此时B并不沿着原来的曲线返回而是沿另一曲线bc下降。当H减小到零时，B并未降到零，即存在剩磁。永久磁铁的磁性就是利用剩磁而获得的。只有当H反方向变化到-Hc时，B才下降到零。Hc称为矫顽磁力。在此过程中，磁感应强度B的变化滞后于磁场强度H的变化，这种现象称为磁滞现象。铁磁性材料在周期性交变磁化过程中，B与H变化关系的闭合曲线称为磁滞回线。,3.2磁场的基本知识,第3章电容和电感,磁滞回线,*3.2.5铁磁性材料,2.铁磁性材料的种类及用途,3.2磁场的基本知识,第3章电容和电感,*3.2.5铁磁性材料,3.3.1磁路的定义磁力线集中通过的闭合路径称为磁路。与用电动势、电流、电阻描述电路相似，在磁路中，分别用磁动势、磁通量、磁阻来描述磁路。下图所示为常见的几种磁路类型。,3.3磁路的基本知识,第3章电容和电感,返回,常见的磁路类型,3.3磁路的基本知识,第3章电容和电感,磁动势的计算公式为F=IN,式中，I表示通过线圈的电流（A）；N表示线圈的匝数；F为磁动势（A）。,各种材料对磁通都有阻碍作用，磁通和电流一样，有走阻碍作用小的路径的倾向。磁通通过磁路时所受的阻碍作用称为磁阻，用符号Rm表示。磁阻Rm的计算公式为,式中，l为磁力线所经过物体的长度（m）；S为磁力线所经过物体的横截面积；为材料的磁导率（H/m）。,3.3.1磁路的定义,3.3.2磁路欧姆定律,3.3磁路的基本知识,第3章电容和电感,在磁路中，磁通与产生磁通的磁源（磁动势）成正比，与磁路的磁阻成反比，这就是磁路欧姆定律，即,应当指出，运用磁路欧姆定律进行实际计算比较困难，一般只用它进行定性分析。,3.4.1常见的电感器,3.4电感及电感器,第3章电容和电感,电感器一般是指由导线绕制而成的线圈，如收音机中的高频扼流圈，荧光灯中的镇流器等。常见的电感器的外形如下图所示。,常见电感器外形,返回,3.4.2电感,3.4电感及电感器,第3章电容和电感,电感器上的磁通量与电流成正比，即,式中，L称为电感，是表征电感元件的特征参数；为磁通量(Wb)。在国际单位制中，电感的单位为亨利（H），当线圈中电流变化率为1A/s，产生1V的感应电动势时，则该电感线圈的电感为1H。电感器也是储能元件。,3.5.1互感现象一个线圈中的电流发生变化，使其他线圈产生感应电动势的现象称为互感现象。这个感应电动势称为互感电动势，用em表示。如右图所示，线圈1（初级线圈）和线圈2（次级线圈）靠得很近，线圈2的两端接一个灵敏电流计G，当开关S断开和闭合的瞬间，会看到电流计发生左右偏转，这是因为线圈1中电流的变化产生了变化的磁通11。其中一部分变化的磁通12通过线圈2，线圈2产生感应电动势，使相连的电流计指针发生偏转。,第3章电容和电感,*3.5互感,互感现象,互感在电工电子技术中应用很广泛，通过互感线圈可以使能量或信号由一个线圈方便地传递到另一个线圈。利用互感现象的原理可制成变压器、感应圈等。,返回,3.5.2互感线圈的同名端,第3章电容和电感,*3.5互感,同名端概念：当电流分别从两线圈各自的某端同时流入（或流出）时，若两者产生的磁通相助，则这两端称为两互感线圈的同名端。,同名端的表示：同名端用标志“”或“*”表示。如右图1（a）所示为磁通相助情况，如右图1（b）所示为磁通相消情况。,如右图2（a）所示，设电流i1、i2、i3分别流入端钮1、3、5。由右手螺旋定则可知，i1和i2产生的磁通相助，i1和i2与i3产生的磁通相消，则同名端为1、3和6，如右图2（b）所示。,图1磁通相助与相消,图2互感线圈同名端,3.5.3磁屏蔽,第3章电容和电感,*3.5互感,在工业生产中，很多时候要利用互感现象，如变压器等。但有的地方必须避免互感现象，防止产生干扰，如示波器等。在这种场合，需要保护电子线路免受永磁体、变压器、线圈等产生的磁场的干扰。磁屏蔽就是利用屏蔽材料阻隔或衰减被屏蔽区域与外界电磁能量传播的手段。磁屏蔽材料分类：高导磁材料、中导磁材料和高饱和磁材料。铁磁性材料和金属良导体是常用的屏蔽材料，原理是利用铁磁性材料的磁导率比空气的磁导率大几千倍，铁壁的磁阻比空气磁阻小很多，外磁场的磁通沿磁阻小的铁壁流通，而进入屏蔽罩内的磁通很少而达到屏蔽目的的。,3.6.1变压器的用途,3.6变压器,第3章电容和电感,返回,3.6.2变压器的种类,第3章电容和电感,3.6变压器,3.6.3变压器的结构,第3章电容和电感,3.6变压器,1.绕组,绕组是变压器的电路部分，用导线绕制而成。右图所示为单相变压器的基本结构示意图。左右两套绕组分别套在口字形铁心的两个芯柱上。每套绕组又分为高压绕组和低压绕组，高压绕组1在外层，低压绕组2在里层。这样安排的好处是能够降低对绕组和铁心之间的绝缘要求。两个高压绕组和两个低压绕组根据需要可以分别串联或并联使用，方便灵活。,单相变压器的基本结构1高压绕组；2低压绕组,3.6.3变压器的结构,第3章电容和电感,3.6变压器,下图所示为三相变压器的基本结构示意图，A、B、C三相的高压绕组和低压绕组分别套在日字形铁心的3个芯柱A、B、C上。3个高压绕组和3个低压绕组根据需要可以分别连接成星形或三角形。,单相变压器的基本结构1高压绕组；2低压绕组,3.6.3变压器的结构,第3章电容和电感,3.6变压器,2.铁心,铁心是变压器的磁路部分，为提高磁路的导磁能力，铁心采用磁性材料硅钢片叠成。这样，当绕组通入电流时，就能在铁心中产生足够强的磁场，磁力线穿过高压绕组也穿过低压绕组，以磁耦合的形式把高压绕组和低压绕组联系起来。采用优质的磁性材料能显著改善电气设备的性能，减小设备的尺寸和质量。下图所示为两种常用的小型变压器的外形，它们的铁心都是由导磁性能良好的磁性材料制成的。,变压器的外形结构,3.6.4变压器的工作原理,第3章电容和电感,3.6变压器,下图所示是一台单相变压器的原理图。闭合铁心是变压器的磁路部分，缠绕在铁心上的绕组是变压器的电路部分。接交流电源的绕组AX为一次绕组，接负载的绕组ax为二次绕组。两个绕组的匝数分别为N1和N2。,单项变压器的原理图,3.6.4变压器的工作原理,第3章电容和电感,3.6变压器,设变压器一次绕组的匝数为N1，二次绕组的匝数为N2，穿过它们的磁通分别为1和2，则一次绕组和二次绕组产生的感应电动势分别为,忽略漏磁，可以认为一次绕组和二次绕组的交变磁通相同，若不计内阻，则可得,式中，k为电压比。,3.6.4变压器的工作原理,第3章电容和电感,3.6变压器,忽略变压器内部损耗，根据能量守恒定律可知，变压器从电网获得的功率等于输出功率，由功率的计算公式可得,变压器负载运行时，设变压器一次绕组的输入阻抗为Z1，二次绕组的负载阻抗为Z2，则可得变压器的阻抗变换公式为,第4章单相正弦交流电路,返回,4.1.1正弦交流电的基本概念大小、方向都随时间周期变化的电动势、电压和电流总称为交流电。因为交流电的各量在电路中的方向是不断反复变化的，所以常在电路中标注它们的参考方向。交流电的电流波形如下图所示，目前最常用的是正弦交流电。,4.1正弦交流电路,第4章单相正弦交流电路,返回,交流电流的波形,4.1.1正弦交流电的基本概念,4.1正弦交流电路,第4章单相正弦交流电路,正弦交流电波形,下图所示为正弦交流电流波形，电流瞬时值表达式为,式中，Im、i称为正弦量的三要素。,4.1.1正弦交流电的基本概念,4.1正弦交流电路,第4章单相正弦交流电路,1.幅值和有效值幅值是交流电在某一瞬间的最大值，表示交流电的强度，用带小写字母m下标的I表示。在分析和计算正弦交流电路的问题时，常用的是有效值，有效值是根据交流电流与直流电流热效应相等的原则规定的，即交流电流的有效值是热效应与它相等的直流电流的数值。有效值用大写字母I、U等表示。,幅值与有效值的关系为,4.1.1正弦交流电的基本概念,4.1正弦交流电路,第4章单相正弦交流电路,2.频率和周期交流电每秒内变化的次数称为频率，用f表示，单位是赫兹（Hz）。交流电变化一次所需要的时间称为周期，用T表示，单位是秒（s）。频率与周期的关系为,正弦量随时间变化的快慢还可以用角频率（rad/s）来表示，角频率指的是正弦量在1s时间内变化的角度，即,想一想：正弦交流电的频率约高，相同时间内观察到的波形会有什么变化？,4.1.1正弦交流电的基本概念,4.1正弦交流电路,第4章单相正弦交流电路,3.相位和初相电流波形表达式中的t+i称为交流电的相位，它表示交流电随时间变化的进程。当t=0时，此时的相位为i。i称为交流电的初相，它表示计时开始时交流电所处的状态。规定初相的变化范围为-180180，单位为“弧度”或“度”。,4.相位差在正弦交流电中，有时要比较两个同频率正弦量的相位。同频率的正弦量的相位之差称为相位差，通常用表示。,4.1.1正弦交流电的基本概念,4.1正弦交流电路,第4章单相正弦交流电路,两个同频率的正弦量的相位差等于它们的初相之差，与时间无关。如下图所示，两个同频率的正弦电流i1、i2的初相分别为1、2。它们的相位差用表示。,两个正弦量的相位关系,4.1.1正弦交流电的基本概念,4.1正弦交流电路,第4章单相正弦交流电路,若0，说明在变化过程中i1总是比i2超前，也就是说i1超前i2；,若=，说明i1与i2反相。,同相,若0，说明i1总是比i2落后，i1滞后于i2；,若=0，说明i1与i2同相；,反相,4.1正弦交流电路,第4章单相正弦交流电路,4.1.2正弦交流电的表示法,1.解析式表示法,用正弦函数式表示随时间变化的关系的表示方法称为解析式表示法。正弦交流电的电流、电压和电动势的解析式分别为,练一练,4.1正弦交流电路,第4章单相正弦交流电路,4.1.2正弦交流电的表示法,2.波形表示法,正弦交流电可以用与解析式相对应的波形表示，横坐标表示时间或者电角度，纵坐标表示交流电的瞬时值，从波形图中可以直观地反映出正弦交流电的最大值、周期和初相。下图所示为正弦交流电的波形表示法表示的图形。,正弦交流电波形表示法表示的图形,4.1正弦交流电路,第4章单相正弦交流电路,4.1.2正弦交流电的表示法,3.相量表示法,相量的本质是复数，用相量表示正弦量的基础就是用复数表示正弦量。设有一正弦电流量i=Imsin(t+i)，这个正弦电流量可以用直角坐标平面上的一个旋转矢量表示。为了与一般的复数有所区别，规定正弦量相量用上方加“”的大写字母来表示。例如，正弦电流i=Imsin(t+)，其相量形式可写成,日常生活中所用的白炽灯、电饭锅和热水器等在交流电路中都可以看成是纯电阻元件，其交流电路如下图所示。,4.2单一参数正弦交流电路,第4章单相正弦交流电路,返回,纯电阻元件的交流电路波形图,4.2.1纯电阻交流电路,4.2.1纯电阻交流电路,4.2单一参数正弦交流电路,第4章单相正弦交流电路,1.电压与电流的关系若选择电流为参考正弦量，即电流的初相为0，则其瞬时值表达式为,电阻两端的电压为,由上式及波形图可知，电阻电路中u与i同频率同相位。其有效值及相量关系分别为,纯电阻交流电路欧姆定律的相量形式,电流和电压的波形,4.2.1纯电阻交流电路,4.2单一参数正弦交流电路,第4章单相正弦交流电路,2.纯电阻交流电路中的功率纯电阻交流电路的功率等于电压的瞬时值和电流瞬时值的乘积，用字母p表示，表达式为,由于瞬时功率时刻在变动，不便于计算，通常取瞬时功率在一个周期内的平均值来衡量电阻上消耗的电功率，称为平均功率，用P表示，表达式为,由电阻元件的波形图可知，P为正值，说明电阻是吸收功率的元件，它把电能转换成其他有用的能量消耗掉，所以电阻又称为耗能元件。交流电路中的平均功率又称为有功功率。,功率的波形,4.2.2纯电感交流电路,4.2单一参数正弦交流电路,第4章单相正弦交流电路,在生产和生活中所接触到的将电能转换成动能的设备，如搅拌机、粉碎机、电风扇和洗衣机以及改变电压大小的变压器等，在交流电路中起主要作用的是电感元件（暂时忽略导线电阻），其交流电路如下图所示。,纯电感交流电路电路图,4.2.2纯电感交流电路,4.2单一参数正弦交流电路,第4章单相正弦交流电路,1.电压与电流的关系若仍选择电流为参考正弦量，即电流i的初相为0，则电感元件两端的电压为,对于纯电感电路，u与i频率相同，相位却不同，u超前i为90。其波形右图。电压与电流有效值的关系为,电流和电压的波形,式中，XL称为感抗，单位也是欧姆（）。它表示电感对电流阻碍作用大小的物理量。,4.2.2纯电感交流电路,4.2单一参数正弦交流电路,第4章单相正弦交流电路,2.纯电感交流电路中的功率电感的瞬时功率为,由上式可知：电感上瞬时功率p的频率是u或i频率的两倍，并按正弦规律变化，见上图。虽然电感不消耗功率，但作为负载的电感与电源之间存在着能量交换，交换的能量用无功功率QL（单位为乏var）来计量，大小为,频率波形图,4.2.3纯电容交流电路,4.2单一参数正弦交流电路,第4章单相正弦交流电路,纯电容元件交流电路如右图所示。,纯电容交流电路,1.电压与电流的关系,若选择电压为参考正弦量，即电压的初相为0，电压u的瞬时值表达式为,则电容上流过的电流为,对于电容电路，u与i也是同频率不同相位，i超前u为90，其波形见右图。电压与电流有效值的关系和容抗（单位为欧姆）分别为,电压和电流关系,4.2.3纯电容交流电路,4.2单一参数正弦交流电路,第4章单相正弦交流电路,2.纯电容交流电路中的功率将电路中电压和电流的瞬时值表达式直接相乘，即可求得电容的瞬时功率，其表达式为,由上式可知：电容上瞬时功率p的频率是u或i频率的两倍，并按正弦规律变化，见上图。电容的平均功率为零，电容与电源之间交换的能量用无功功率QC（单位为乏var）来计量，大小为,频率波形图,4.3.1RL串联电路电阻与电感组成的串联电路为串联电路，右图所示为RL串联电路。像电动机、变压器的线圈都是RL串联电路组成的。,4.3RL、RC和RLC串联电路,第4章单相正弦交流电路,返回,RL串联电路图,4.3.1RL串联电路,4.3RL、RC和RLC串联电路,第4章单相正弦交流电路,1.电压与电流的关系上图中，电流处处相等，如果电源电压为正弦量，则通过电阻和电感的电流也为正弦量。设图中正弦交流电路中的电流为,电阻两端的电压为,电感两端的电压为,4.3.1RL串联电路正弦交流电路的分析方法是以相量为工具，则上式写成相量形式为,4.3RL、RC和RLC串联电路,第4章单相正弦交流电路,RL串联电路的相量图,画出RL串联电路的相量图，如下图所示。,4.3.1RL串联电路,4.3RL、RC和RLC串联电路,第4章单相正弦交流电路,将上述两式代入电路中的总电压公式中，可得,在RL串联电路中，电阻和电感的电流与电压的关系分别为,式中，Z为复阻抗（），表示RL串联电路对交流电呈现的阻抗作用，阻抗的大小取决于电路参数R、L和电源频率。将电压三角形的三边同除以电流即可得到阻抗三角形，如下图所示。,阻抗三角形,4.3.1RL串联电路,4.3RL、RC和RLC串联电路,第4章单相正弦交流电路,2.电路中的功率,功率三角形,4.3.2RC串联电路,第4章单相正弦交流电路,4.3RL、RC和RLC串联电路,电阻与电容组成的串联电路为C串联电路，下图所示为RC串联电路。如阻容耦合放大器、RC振荡电路等，都是RC串联电路。,RC串联电路,4.3.2RC串联电路,4.3RL、RC和RLC串联电路,第4章单相正弦交流电路,1.电压与电流的关系上图中，电流处处相等，如果电源电压为正弦量，则通过电阻和电容的电流也为正弦量。设图中正弦交流电路中的电流为,电阻两端的电压为,电容两端的电压为,4.3.2RC串联电路正弦交流电路的分析方法是以相量为工具，则上式写成相量形式为,4.3RL、RC和RLC串联电路,第4章单相正弦交流电路,RC串联电路的相量图,画出RC串联电路的相量图，如下图所示。,4.3.2RC串联电路,4.3RL、RC和RLC串联电路,第4章单相正弦交流电路,将上述两式代入电路中的总电压公式中，可得,在RC串联电路中，电阻和电容的电流与电压的关系分别为,式中，Z为复阻抗（），表示RC串联电路对交流电呈现的阻抗作用，阻抗的大小取决于电路参数R、C和电源频率。,电压三角形和阻抗三角形,4.3.2RC串联电路,4.3RL、RC和RLC串联电路,第4章单相正弦交流电路,2.电路中的功率,功率三角形,4.3.3RLC串联电路,第4章单相正弦交流电路,4.3RL、RC和RLC串联电路,现在假定有一个同时具有R、L、C三种成分的元件，可以等效为R、L、C串联。掌握了这种电路，其他电路都可以看成是它的特殊情况。下图所示为RLC串联交流电路，电流及各部分电压的参考方向均已标出。,RLC串联电路,4.3.3RLC串联电路,4.3RL、RC和RLC串联电路,第4章单相正弦交流电路,1.电压与电流的关系设图中正弦交流电路中的电流为,电阻、电感和电筒两端的电压分别为,4.3.3RLC串联电路正弦交流电路的分析方法是以相量为工具，则上式写成相量形式为,4.3RL、RC和RLC串联电路,第4章单相正弦交流电路,RL串联电路的相量图,画出RLC串联电路的相量图，如下图所示。,4.3.3RLC串联电路,4.3RL、RC和RLC串联电路,第4章单相正弦交流电路,在RLC串联电路中，电源电压为,式中，Z为复阻抗（）。其模为，辅角为。,电路中的电抗大小不仅与电感和电容的大小有关，还与电源的频率有关，因此，可以根据阻抗三角形（见右图）分析电路的性质。,电压三角形和阻抗三角形,4.3.3RLC串联电路,4.3RL、RC和RLC串联电路,第4章单相正弦交流电路,4.3.3RLC串联电路,4.3RL、RC和RLC串联电路,第4章单相正弦交流电路,2.电路中的功率,4.4.1RLC串联谐振,4.4谐振电路,第4章单相正弦交流电路,1.RLC串联谐振电路的参数,在RLC串联电路中，当电流和电压同相时，电路呈现电阻性，这种现象称为RLC串联电路的谐振。由此可知，当RLC串联电路发生谐振时，电路的电抗为零，即,在串联电路中，谐振时的角频率和频率分别叫做谐振角频率和谐振频率，通常用字母0和f0表示。,返回,4.4.1RLC串联谐振,4.4谐振电路,第4章单相正弦交流电路,由于在谐振时，电路中只有感抗和容抗作用，因此将感抗或容抗称为电路的特性阻抗，其表达式为,将特性阻抗与电路中电阻相除得到的比值称为谐振电路的品质因数，其表达式为,式中，Q为品质因数；R为电阻（）。,式中，为谐振电路的特性阻抗（）。,4.4.1RLC串联谐振,4.4谐振电路,第4章单相正弦交流电路,2.RLC串联谐振电路的特点（）谐振时电路的总阻抗小。谐振时，电路的总阻抗等效为纯电阻，即,ZR,（）在外加电压一定的情况下，谐振时电路的总电流大。串联谐振时，电流与电压同相。,（）谐振时，电阻两端的电压为电源电压，电感与电容上的电压大小相等，方向相反，为电源电压的Q倍。,（）谐振时，电感上的无功功率和电容上的无功功率相互交换，而电源仅提供电阻消耗的能量。,4.4.2LC并联谐振电路,4.4谐振电路,第4章单相正弦交流电路,1.LC并联谐振电路的参数,式中，Q为品质因数。,一般情况下，电感线圈的电阻较小，远远小于感抗，可忽略不计，因此并联谐振电路的频率为,LC并联电路的支路电流等于总电流的Q倍，即,4.4.2LC并联谐振电路,4.4谐振电路,第4章单相正弦交流电路,2.RLC串联谐振电路的特点,（1）LC并联电路谐振时，电路的阻抗最大。由于内阻R很小，电路总阻抗近似为ZLCR因此，电感线圈中的电阻R越小，电路谐振时的阻抗就越大。当电阻R无限趋近于零时，谐振阻抗趋于无穷大，即总电流为零。（2）LC并联电路谐振时，总电流最小。在电压一定的情况下，总阻抗最大，因此总电流最小。（3）LC并联电路谐振时，总的无功功率为零。,4.5.1电能计量,4.5电能的测量与节能,第4章单相正弦交流电路,返回,4.5.2节约用电与功率因数的提高,4.5电能的测量与节能,第4章单相正弦交流电路,1.节约用电计划用电的主要措施是实行电力由国家统一分配的政策，即按照市场需求发电，按照发电计划供电，按照分配指标用电，保证发电、供电、用电的平衡。任何部门和地区都必须在国家分配的电力范围内安排生产建设，不得超计划用电。,节约用电就是使每一度电都能发挥它的最大效用，从而降低生产成本，节省对发电设备和用电设备的投资。节约用电的具体措施主要有以下几项：（1）降低电力输送环节的线路损耗。（2）发挥用电设备的效能。（3）提高线路和用电设备的功率。（4）更新用电设备，选用节能型新产品。（5）加强用电管理，注意照明用电的节约。,4.5.2节约用电与功率因数的提高,4.5电能的测量与节能,第4章单相正弦交流电路,2.功率因数功率因数是指电路中感抗与容抗初相差的余弦值，即=cos，cos取决于负载的性质和参数。可见，电源设备的额定容量是指电源设备可能发出的最大功率，实际运行中设备发出的功率还取决于负载的功率因数。,一般来说整个供电系统是电感性电路，功率因数小于1。功率因数低会产生如下问题：,（1）发电设备的容量未能充分利用。发电设备的容量SN等于额定电压U和额定电流I的乘积，是发电设备可能提供的最大功率。平均功率P=UIcos，若功率因数越大，平均功率就会越大，当功率因数等于1时，发电设备得到了最大的利用；反之，若功率因数越小，平均功率就会越小，发电设备也就越得不到充分利用。（2）功率因数低，输电线路的损耗大。,4.5.2节约用电与功率因数的提高,4.5电能的测量与节能,第4章单相正弦交流电路,3.提高功率因数的方法,（1）提高电气设备自身的功率因数，合理选择电气设备。（2）在感性负载上并联适当的电容器来提高功率因数。前面已经学过，电感元件与电容元件的无功功率是相互补偿的。因此，提高供电系统功率因数的主要方法是在电感性负载两端并联一个容量数值合适的电容器，这个电容器称为补偿电容，,第5章三相交流电路,返回,三相交流电也称动力电，目前发电及供电系统都是采用三相交流电。在日常生活中所使用的交流电源，只是三相交流电中的一相。工厂生产所用的三相电动机是三相制供电。所谓三相制，就是由3个彼此独立而又具有特殊关系的电动势组成的供电系统。三相交流供电系统在发电、输电和用电方面有以下优点：（1）输出功率相同时，三相交流发电机、变压器、电动机都比单相设备体积小、性能好。（2）在输出功率、电压、输电距离、线路损耗都相同的条件下，采用三相制比采用单相制节省金属材料，降低线路建设投资。,第5章三相交流电路,在现有的电力系统中，采用最多的是三相制供电系统，它一般是采用集中产生、远距离输送的方式进行供电。单相交流电是三相交流电的一部分，即是三相交流电中的一相。三相交流电能在国民经济中获得广泛应用，是因为三相交流电有如下优点：三相交流电比单相交流电容易产生；三相交流电很容易变压实现远距离传输；运用三相交流电作为动力的负载，具有结构简单、运行可靠、维护方便、效率高等优良性能，例如，在电机尺寸相同的条件下，三相发电机的输出功率比单相发电机的输出功率高50%左右。如右图所示为三相交流发电机的外形图。,5.1三相交流电源,第5章三相交流电路,返回,三相交流发电机外形图,三相交流电是由三相同步发电机产生的。右图所示为三相交流发电机结构原理图，内有3个结构相同，空间位置互差120对称分布的固定线圈，3个引出线分别称为U相线、V相线、W相线，俗称火线。N引出线称为中线，俗称零线。,5.1三相交流电源,第5章三相交流电路,三相交流发电机结构原理图,相电压的有效值用UP表示，线电压的有效值用UL表示，两者之间的关系为,5.2三相交流电源的星形联结,第5章三相交流电路,返回,三相交流电源的星形（Y）联结如下图所示，将三相电源的3个负极端连