《电工基础》进网电工--培训教材

全国进网电工（特种类电缆专业）电工基础模块,第一章电工基础,第一节直流电路及基本物理量一、电路电流的通路称为电路，直流电源构成的电路称直流电路，图11所示为手电筒简单直流电路。电路是由电源、负载、连接导线及开关四个基本部分组成。图1-1手电筒简单电路,(a)实物图;(b)电路图,二、电路的组成和作用1.电路是由各种元器件(或电工设备)按一定方式联接起来的总体，为电流的流通提供了路径。2.按基本功能分两大类A电能的产生、传输与转换电路。(1)电源(供能元件)：为电路提供电能的设备和器件(如电池、发电机等)。(2)负载(耗能元件)：使用(消耗)电能的设备和器件(如灯泡等用电器)。(3)控制器件：控制电路工作状态的器件或设备(如开关等)。(4)联接导线：将电器设备和元器件按一定方式联接起来(如各种铜、铝电缆线等)。B信号的产生、传递和处理,三、电流电路中电荷沿着导体的定向运动形成电流，其方向规定为正电荷流动的方向(或负电荷流动的反方向)，其大小等于在单位时间内通过导体横截面的电量，称为电流强度(简称电流)，用符号I或i(t)表示，讨论一般电流时可用符号i。设在t=t2t1时间内，通过导体横截面的电荷量为q=q2q1，则在t时间内的电流强度可用数学公式表示为式中，t为很小的时间间隔，时间的国际单位制为秒(s)，电量q的国际单位制为库仑(C)。电流(t)的国际单位制为安培(A)。常用的电流单位还有毫安mA、微安A、千安kA等，它们与安培的换算关系为1mA=10-3A；1A=10-6A；1kA=103A,1、直流电流如果电流的大小及方向都不随时间变化，即在单位时间内通过导体横截面的电量相等，则称之为稳恒电流或恒定电流，简称为直流(DirectCurrent)，记为DC或dc，直流电流要用大写字母I表示。2、交流电流如果电流的大小及方向均随时间变化，则称为变动电流。对电路分析来说，一种最为重要的变动电流是正弦交流电流，其大小及方向均随时间按正弦规律作周期性变化，将之简称为交流(Alternatingcurrent)，记为AC或ac，交流电流的瞬时值要用小写字母i表示。,3、电流密度流过导体单位截面积的电流叫电流密度，用J表示，单位是安/平方毫米（A/mm）即J=I/S,2,四、电阻与电导1、电阻电阻元件是对电流呈现阻碍作用的耗能元件，例如灯泡、电热炉等电器。,制成电阻的材料电阻率，国际单位制为欧姆米(m)；l绕制成电阻的导线长度，国际单位制为米(m)；S绕制成电阻的导线横截面积，国际单位制为平方米(m2)；R电阻值，国际单位制为欧姆()。经常用的电阻单位还有千欧(k)、兆欧(M)，它们与的换算关系为1k=103；1M=106,2、电导电阻的倒数称为电导，导体的电阻越大电导就越小。电导是表示材料导电能力的参数，用G表示。电导的单位是西门子，用S表示G=1/R,3、电阻与温度的关系电阻元件的电阻值大小一般与温度有关，衡量电阻受温度影响大小的物理量是温度系数，其定义为取导体电阻为1，当温度变化为1C时，它的电阻的变化数值。,如果设任一电阻元件在温度t1时的电阻值为R1，当温度升高到t2时电阻值为R2，则该电阻在t1t2温度范围内的(平均)温度系数为如果R2R1，则0，将R称为正温度系数电阻，即电阻值随着温度的升高而增大；如果R21，且不是常数，如铁、钢、铸铁、镍、钴等物质都是铁磁性物质。在磁场中放入铁磁性物质，可使磁感应强度B增加几千甚至几万倍。,4、磁场强度在各向同性的媒介质中，某点的磁感应强度B与磁导率之比称为该点的磁场强度，记做H。即磁场强度H也是矢量，其方向与磁感应强度B同向，国际单位是：安培/米(A/m)。必须注意：磁场中各点的磁场强度H的大小只与产生磁场的电流I的大小和导体的形状有关，与磁介质的性质无关。,四、磁场对直线电流的作用力1安培力的大小磁场对放在其中的通电直导线有力的作用，这个力称为安培力。（1）当电流I的方向与磁感应强度B垂直时，导线受安培力最大(2)当电流I的方向与磁感应强度B平行时，导线不受安培力作用。(3)如图所示，当电流I的方向与磁感应强度B之间有一定夹角时，可将B分解为两个互相垂直的分量：,一个与电流I平行的分量，B1=Bcos；另一个与电流I垂直的分量，B2=Bsin。B1对电流没有力的作用，磁场对电流的作用力是由B2产生的。因此，磁场对直线电流的作用力为当=90时，安培力F最大；当=0时，安培力F=0。2单位公式中各物理量的单位均采用用国际单位制：安培力F的单位用牛顿(N)；电流I的单位用安培(A)；长度l的单位用米(m)；磁感应强度B的单位用特斯拉(T)。,3左手定则安培力F的方向可用左手定则判断：伸出左手，使拇指跟其他四指垂直，并都跟手掌在一个平面内，让磁感线穿入手心，四指指向电流方向，大拇指所指的方向即为通电直导线在磁场中所受安培力的方向。由左手定则可知：FB，FI，即F垂直于B、I所决定的平面。,五、磁路及磁路欧姆定律根据磁路的欧姆定律，将代入可得将上式与对照，可得或即磁路中磁场强度H与磁路的平均长度l的乘积，在数值上等于激发磁场的磁动势，这就是全电流定律。磁场强度H与磁路平均长度l的乘积，又称磁位差，用Um表示，即Um=Hl磁位差Um的单位为安培(A)。,六、电磁感应1、磁感应现象在发现了电流的磁效应后，人们自然想到：既然电能够产生磁，磁能否产生电呢？由实验可知，当闭合回路中一部分导体在磁场中做切割磁感线运动时，回路中就有电流产生。当穿过闭合线圈的磁通发生变化时，线圈中有电流产生。在一定条件下，由磁产生电的现象，称为电磁感应现象，产生的电流叫感应电流。2、磁感应条件上述几个实验，其实质上是通过不同的方法改变了穿过闭合回路的磁通。因此，产生电磁感应的条件是：当穿过闭合回路的磁通发生变化时，回路中就有感应电流产生。,注：（右手定则）当闭合回路中一部分导体作切割磁感线运动时，所产生的感应电流方向可用右手定则来判断。伸开右手，使拇指与四指垂直，并都跟手掌在一个平面内，让磁感线穿入手心，拇指指向导体运动方向，四指所指的即为感应电流的方向。4、感应电动势a感应电动势电磁感应现象中，闭合回路中产生了感应电流，说明回路中有电动势存在。在电磁感应现象中产生的电动势叫感应电动势。产生感应电动势的那部分导体，就相当于电源，如在磁场中切割磁感线的导体和磁通发生变化的线圈等。,b感应电动势的方向在电源内部，电流从电源负极流向正极，电动势的方向也是由负极指向正极，因此感应电动势的方向与感应电流的方向一致，仍可用右手定则和楞次定律来判断。注意：对电源来说，电流流出的一端为电源的正极。c感应电动势与电路是否闭合无关感应电动势是电源本身的特性，即只要穿过电路的磁通发生变化，电路中就有感应电动势产生，与电路是否闭合无关。若电路是闭合的，则电路中有感应电流，若外电路是断开的，则电路中就没有感应电流，只有感应电动势。,在磁场中，运动导线产生的感应电动势的大小与磁感应强度B、导线长度l、导线运动速度v以及运动方向与磁感线方向之间夹角的正弦sin成正比。E=Blvsin,七、自感与互感现象1、自感现象当线圈中的电流变化时，线圈本身就产生了感应电动势，这个电动势总是阻碍线圈中电流的变化。这种由于线圈本身电流发生变化而产生电磁感应的现象叫自感现象，简称自感。在自感现象中产生的感应电动势，叫自感电动势。,2、自感系数考虑自感电动势与线圈中电流变化的定量关系。当电流流过回路时，回路中产生磁通，叫自感磁通，用L表示。当线圈匝数为N时，线圈的自感磁链为L=NL同一电流流过不同的线圈，产生的磁链不同，为表示各个线圈产生自感磁链的能力，将线圈的自感磁链与电流的比值称为线圈的自感系数，简称电感，用L表示即L是一个线圈通过单位电流时所产生的磁链。电感的单位是亨利(H)以及毫亨(mH)、微亨(H)，它们之间的关系为1H=103mH=106H,1、互感现象由于一个线圈的电流变化，导致另一个线圈产生感应电动势的现象，称为互感现象。在互感现象中产生的感应电动势，叫互感电动势。2、互感系数,如图所示，N1、N2分别为两个线圈的匝数。当线圈中有电流通过时，产生的自感磁通为11，自感磁链为11=N111。11的一部分穿过了线圈，这一部分磁通称为互感磁通21。同样，当线圈通有电流时，它产生的自感磁通22有一部分穿过了线圈，为互感磁通12。,第三节单相交流电路一、交流电电压、电流、电动势等的大小和方向均按正弦波形状周期性变化的叫做交流电，如图1-17所示为一正弦交流电压波形图。,图1-17正弦交流电压波形,二、瞬时值和最大值交流电的大小是随时间变化的，我们把交流电在某一时刻的大小称为交流电的瞬时值。瞬时值一般用小写字母e、u、i来表示。图1-17正弦交流电压波形最大的瞬时值称为最大值，最大值也称为振幅或峰值。在公式中，由于的最大值等于1，所以前面的、表示。三、周期、频率与角频率交流电每循环一次所需要的时间叫周期。周期用符号T来表示，单位是秒(s)。频率是指导1s内交流电重复变化的次数，用字母f表示，单位是赫兹(Hz)周期和频率互为倒数，即角频率是指在单位时间内正弦量循环变化的弧度数，用表示，单位是弧度/秒(rad/s)。角频率与频率及周期的关系为,四、相位与相位差图1-18所示是两个相位不同的交流电动势,图118,图1-18两正弦电动势的波形和初相角,其中上式中，是表示正弦交流电瞬时变化的一个量，称为相位或相角，t=0时的相位，称为初相位叫初相角。图1-18所示的，其中e1相位为，e2的初相位为零。两个同频率交流电的相位之差叫相位差，用字母表示，即(1-19)对于交流电，频率、最大值、初相是确定交流电变化情况的三个重要参数，通常称为交流电的三要素。五、正弦交流电的有效值和平均值1.有效值,一个交流电通过一个电阻在一个周期时间内所产生的热量和某一直流电流通过同一电阻在相同的时间内产生的热量相等，这个直流电的量值就称为交流电的有效值。正弦交流电的有效值等与最大值的关系为：,六、正弦交流电表示法常用的正弦交流的表示方法有以下几种：1.瞬时值如等。2.波形图波形图如图1-19所示，波形图直观地体现了交流电的最大值、频率或角频率及周期、初相位。波形图中横坐标表示时间t或电角度，以纵坐标表示交流电压、电流等电量。瞬时值式子和波形图之间可以相互转换。,七、纯电阻电路只含有电阻元件的交流电路叫做纯电阻电路，如含有白炽灯、电炉、电烙铁等电路。1、电压、电流的瞬时值关系电阻与电压、电流的瞬时值之间的关系服从欧姆定律。设加在电阻R上的正弦交流电压瞬时值为u=Umsin(t)，则通过该电阻的电流瞬时值为其中是正弦交流电流的振幅。这说明，正弦交流电压和电流的振幅之间满足欧姆定律。2、电压、电流的有效值关系电压、电流的有效值关系又叫做大小关系。由于纯电阻电路中正弦交流电压和电流的振幅值之间满足欧姆定律，因此把等式两边同时除以，即得到有效值关系，即,3、相位关系电阻的两端电压u与通过它的电流i同相,）,（1-29,（1-30）,Z称为阻抗，具有对交流电流的阻碍作用，单位为欧姆（）。另外电压超前电流，称此电路为感性电路。若相反，此时称为容性电路，其电压电流的相位差根据总电压与电流的相位差(即阻抗角)为正、为负、为零三种情况，将电路分为三种性质。1.感性电路：当X0时，即XLXC，0，电压u比电流i超前，称电路呈感性；2.容性电路：当X0时，即XLXC，2，12。,第四节三相交流电路由三相交流电源和三相负载组成的电路，叫三相交流电路。三相交流电源是？三个最大值相等，频率相同，互相的相位差为1200的电动势作为供电的体系。？前发电、输电、配电等采用三相交流电传输功率。一、三相对称交流电动势表示方法三相电动势可由三相发动机提供，它们的三相电动势的瞬时表达式为,（1-36）,示。在有中线时，相电压就是各相线与中线之间的电压。两根相线之间的电压称为线电压，用,、,、,表示。,有中线的三相制叫三相四线制，如图1-30（a）所示；无中线的三相制叫做三相三线制，如图1-30（b）所示,当忽略电源绕组的内阻时，相电压等于相电动势。,（1-37）,根据式（1-37）可在相量图上画出各线电压，利用三角和几何知识求出Y形连接时线电压和相电压的大小关系和相位关系如图1-31所示。从式（1-37）和图1-31可得出线电压与相电压的数量关系为,两者的相位关系是：线电压超前对应的相电压300。,星形负载接上电源后，就有电流产生。我们把流过每相负载的电流叫做相电流，用、表示，统记为。把流过相线的电流叫做线电流，用、表示，记为。以上各电流均示于图1-32所示的三相负载星形连接中。线电流的大小等于相电流，即Y形连接的线电流与相电流相等。2.形连接（三角形连接）将三相发电机每一相绕组的末端和另一相绕组的始端依次相接的连接方式，如图1-33所示。采用三角形连接时，线电压等于相电压，即。把三相负载分别接在三相电源每两根相线之间的接法，称为三角形连接，如图1-34所示。,在三角形连接中，由于各项负载是接在两个相线之间，因此负载的相电压就是电源的线电压，即线电流在相位上比对应的相电流滞后30。,三、三相电路功率计算在三相交流电路中，三相负载消耗的总功率(有功功率)为种相负载消耗功率之和,(1-45),、,、,、,，,、,式中的,为相电压,为相电流，,为各相功率因数。,在