02-第二章-电工、电力系统基础知识

第一节电路基础知识第二章电工基础知识一.电流和电路

1、电流与电荷

（1）定义：电荷的定向运动（2）大小：用电流强度来表示，电流强度是指单位时间内通过导体横截面的电荷量。电流强度习惯又常被简称为电流。用下面的公式表示：

I=Q/t1kA=1000A1A=1000mA1mA=1000

A（1）、电路就是为电流流通提供的路径。（2）、组成：导线、电源、负载(负荷)及控制器（开关）电源开关导线负载将其它形式的能转化为电能装置将电能转化为其它形式能的装置控制器是控制用电设备，使其达到预期工作状态的电器由导体材料制成，在电路中将电源、负载及控制器联接起来3.电路模型（直流电）

(1)电源：提供电能。

(2)负载：用电设备

(3)中间环节：连接电源和负载

（3）、电路通常有三种状态:通路、开路和短路。

通路:电路中的开关闭合,负载中有电流通过,

这种状态工一般称为正常工作状态。开路:也称为断路,是指电路中某处断开或电路中开关打开,负载(电路)中无电流通过。短路:电源两端的导线由于某种事故,而直接相连,使负载中无电流通过。短路时,电源向导线提供的电流比正常时高十至几百倍,因而不允许短路。

二.电场、电场强度1.定义：电场是电荷周围客观存在的一种特殊物质2.电场的基本性质：对放入电场的电荷有力的作用，这种力叫做电场力.电场是一种不是由分子和原子组成的看不见、摸不着的但又客观存在的特殊物质。密度很小10-23kg/m3电场以光速传播，不能被加速，不能选择做参考系F/q能反映单位电荷受到的电场力的性质——电场的强弱在电场中不同的点，比值F/q一般是不同的。在电场中的同一点，比值F/q是恒定的，与q无关。实验表明：?怎样描述不同位置电场的强弱？须找一个与检验电荷无关而由电场决定的物理量！QP+qQP+2qQP+4qF2F4FQ+qF1+qF2二.电场、电场强度E1.定义：放入电场中某点的电荷所受的电场力F跟它的电荷量q的比值，叫做该点的电场强度。3.单位：牛/库(N/C)

伏/米(v/m)2.物理意义:电场强度（简称场强）是描写电场强弱的物理量。（适用于任何电场）注意：（1）电场中某一点的电场强度的大小和方向由电场本身决定，与放入的电荷无关。2.电场强度是矢量物理学中规定：电场中某点的场强度方向跟正电荷在该点所受的电场力方向相同。+Q-qAFAEA根据规定：负电荷在电场中某点受到的电场力的方向跟该点的场强方向相反。+Q+qAFAEA三、电位、电压、电动势1、电位：电路中某一点的电位，是指电场力将单位正电荷从该点移动到参考点所做的功。水水流水在水管里形成水流，光有水是不够的，还需要有水位差a0vbUab=12v-6v+6vUab=12v+12vab0v+6v2、电压（电位差）：电场力把单位正电荷由高电位点移到低电位点所做的功，电路中任意两点间的电位差。

定义：电源力把单位正电荷从“-”

极板经电源内部移到“+”

极板所做的功。

单位：3、电动势V（伏特）、kV（千伏）、mV(毫伏）实际方向：由低电位端指向高电位端电动势的方向用+，-

号表示，R–

+IEU+-也可用箭头表示。U=E电源电压电流提供形成抽水机水压水流提供形成1、我们把容易让电流通过的物体叫导体如（钥匙、硬币和回形针等）。

2、不容易让电流通过的物体叫绝缘体如（玻璃、塑料和陶瓷等）。3、电阻四、导体、绝缘体与导体电阻实验证明，金属导体的电阻与其长度成正比，与其截面积成反比，并与材料、温度等有关。20°C时导体电阻为：

——电阻率(

·m㎡/m)1k

=1000

1M

=1000K

电阻用R表示单位是欧姆用字母Ω表示1Ω=1V/1A

1.部分电路欧姆定律U=RI或I=U/R=GU其中G=1/R，电阻R的倒数G叫做电导，其国际单位制为西门子(S)。五、欧姆定律2、全电路欧姆定律

含有电源的闭合回路称为全电路闭合电路的电流I与电源电动势E成正比,与内、外电阻之和成反比,这一规律称为全电路的欧姆定律。即全电路欧姆定律

六、电功率、电能和电流的热效应1.电功率P=UI（W)

1MW=1000KW1KW=1000W2.电能W=P·t=UIt(J)

1度=1千瓦小时=3600000焦耳3.电流的热效应Q=I2Rt（J）1焦耳=0.24卡补充◆基尔霍夫定律◆

基尔霍夫第一定律也称节点电流定律。第一定律理论内容是：任何时刻流入电路中某节点的电流总和必等于从该节点流出的电流总和◆

基尔霍夫第二定律也称回路电压定律。第二定律理论内容是：在电路的任何一闭合回路中总电位升必等于总电位降

电路特点:（一）、电阻串联+_R1Rn+_uki+_u1+_unuRk(1)各电阻顺序连接，流过同一电流(KCL)；(2)总电压等于各串联电阻的电压之和

(KVL)。七、电路连接等效2.电阻串联等效电阻Req+u_R1Rn+_uki+_u1+_unRku+_Reqi令Req=(

R1+R2+…+Rn)=

Rk结论：串联电路的总电阻等于各分电阻之和。

3.串联电阻上电压的分配例：两个电阻分压,如下图R1R2+_u+-u1-+u2iº4.功率关系p1=R1i2，p2=R2i2，，pn=Rni2p1:p2::pn=R1:R2::Rn（二）、电阻并联InR1R2RkRnI+UI1I2Ik_1.电路特点:(1)各电阻两端分别接在一起，两端为同一电压(KVL)；(2)总电流等于流过各并联电阻的电流之和

(KCL)。I=I1+I2+…+Ik+…+In4.功率关系p1=G1u2，p2=G2u2，，pn=Gnu2p1:p2::pn=G1:G2::Gn（三）、电阻的串并联计算举例：例1.R=R2

4

6

3

1.磁铁具有吸铁的性质，称为磁性。2.任一磁体总有两个磁极：北极N和南极S。同性磁极相斥，异性磁极相吸。3.磁铁能吸铁的空间称为磁场。常用磁力线来描绘磁场的分布。4.将不带磁性的物质使其具有磁性的过程叫磁化。5、电磁感应就是电产生磁、磁产生电的现象。

第二节电磁感应和磁路一、电磁感应（一）电流的磁场

磁场是一种看不见、没有不可进入性的空间。磁感应强度表征磁场强度及其方向的物理量。符号为B，单位为T特斯拉或G高斯。

磁感应强度与磁场前进方向上某一面积的乘积叫做磁通。符号为Φ，单位为Wb或Mx，

通电导体在其周围的空间也产生磁场，即电流的磁效应。磁场方向判定如下：★法拉第电磁感应定律：线圈中感应电动势的大小与通过同一线圈的磁通变化率成正比，这一规律称为法拉第电磁感应定律。法拉第电磁感应定律指出，感应电动势的大小决定于线圈的匝数和磁通量变化的快慢，而与磁通量本身的大小无关。★楞次定律：当通过线圈的磁通发生变化时，感应电流产生的磁场总是阻碍原磁场的变化，当线圈磁通增加时，感应电流就要产生与它相反的磁通去阻碍它的增加；当线圈中的磁通减少时，感应电流就要产生与它方向相同的磁通去阻碍它的减少。1.自感现象

（1）由于线圈本身电流发生变化而产生电磁感应的现叫自感现象，简称自感。（2）在自感现象中产生的感应电动势，叫自感电动势。（3）线圈的电感是由线圈本身的特性所决定的，它与线圈的尺寸、匝数和媒介质的磁导率有关。

2.互感现象

（1）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。（2）互感M取决于两个耦合线圈的几何尺寸、匝数、相对位置和媒介质。

3.涡流（1）涡流是感应电流的一种，带有铁芯的线圈相当于原线圈，铁芯相当于副线圈。2）涡流会使铁芯发热，增加电能的损耗，叫做涡流损失。交流电器的铁芯由涂有绝缘漆的硅钢片叠成，就是为了减少涡流损失。φi当线圈中通有交流电时，它所产生的磁通也是交变的。因此，不仅要在线圈中产生感应电动势，而且在铁心内也要产生感应电动势和感应电流。这种感应电流称为涡流，它在垂直于磁通方向的平面内环流着。二、磁路绝大部分磁通将通过铁心形成闭合路径——磁路。图示为交流接触器的磁路，磁通经过铁心和空气隙而闭合。式中：F=IN称为磁动势，此为产生磁通的激励；Rm为磁阻，是磁路对磁通具有阻碍作用的物理量；l为磁路的平均长度；S为磁路的截面积。上式与电路中的欧姆定律在形式上相似，与磁路对照如下：磁路电路磁动势F磁通Φ磁感应强度B磁阻R=l/S电动势E电流I电流密度J电阻R=l/γSNI

+–EIR第三节单相交流电路一、正弦交流电的产生二、交流电的基本物理量三、交流电的表示方法四、单相交流电路一、交流电正弦交流电的产生如下图所示：当转子按逆时针方向作匀速圆周运动时，在线圈的两端将产生感应电动势。从图中可以看出感应电动势的大小和方向都随时间作周期性的变化。通常交流发电机是磁极在转动（称转子）而线圈是固定不动的（称定子）。第三节单相交流和三相交流电路正弦量：正弦电压、电流等物理量统称为正弦量。Riab规定电流参考方向如图i

t0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大小有变化！方向有变化！步长速度起始点跑步【类比】二、正弦交流电的基本物理量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(ω):每秒钟变化的弧度数，单位(rad/s)。三者间的关系示为：=2

/T=2

fωf=1/TT

t2

ti0ＴT/2

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振幅: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振幅和有效值描述正弦量数值大小的参数：ti0Ｔ振幅

Im同一时间T内消耗的能量==消耗能量相同=即：则有：

有效值与幅值的关系推导如下：

以电流为例：设同一个负载电阻R，分别通入周期电流i和直流电流I。RiRI设代入整理得：或同理：熟记：

可见,周期电流有效值等于它的瞬时值的平方在一个周期内的积分取平均值后再开平方，因此有效值又称为方均根值。i

t01、相位：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。2、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。相位差

两个同频率的正弦量的相位之差或初相位之差称为相位差。当

时，比

超前角，

比

滞后角。则和的相位差为：

正弦交流电路中电压和电流的频率是相同的，但初相不一定相同，设电路中电压和电流为：电压与电流正交电压与电流同相

电压超前电流

电压与电流反相ωtui90°OuiωtuiOωtuiuiOiuωt

O1.波形图2.瞬时表达式i(t)=Imsin(

t

i)u(t)=Umsin(

t

u)e(t)=Emsin(

t

e)3.旋转矢量法ωｔiφImφ三、三相交流电路单相交流电路：它的电源是一个交流电动势；三相交流电路：它是由三个频率相同、幅值相等、相位互差120°的电动势作为电源。三相交流电路优点：（1）三相交流电易于获得；（2）广泛应用于电力拖动的主要负载—三相交流电动机结构简单，性能良好，可靠性高；（3）三相交流电适于远距离输电。三相交流发电机示意图1.三相对称电动势的产生定子U1V2V1W1NSU2-+W2•••(尾端)+U1U2U3U2U1V1V2W1W2(首端)++––

–每组绕组称为一相。各相绕组结构相同，空间位置互差120o在定子上对称装置三组匝数相同的绕组。三相交流发电机示意图1.三相对称电动势的产生U1V2V1W1NSU2-+W2•••转子转子铁心上绕有激磁绕组，在绕组中通入直流电流时，便产生两个磁极的磁场。

当转子由原动机带动并以

速度匀速旋转时，三个绕组中便依次产生三个频率相同、幅值相等的正弦电动势。三相电压瞬时表示式相量表示相量图波形图相量表示U1.三相电压瞬时表示式u3u12

u2u0120°240°360°.U2120°120°120°U3.对称三相电压的瞬时值之和为0三相交流电到达正最大值的顺序称为相序。频率相同幅值相等相位互差120°称为对称三相电压三个正弦交流电压满足以下特征供电系统三相交流电的相序为u1

u2u3三相电源的星形联结图2.三相电源的三角形联结–++–+BAC–三相负载的星形联结图三相负载的三角形联结图四、三相电路的功率1.对于负载不对称电路，有功功率等于各相有功功率之和。即：

P＝P1＋P2＋P32.对于负载对称的电路，有功功率阴极引线阳极引线二氧化硅保护层P型硅N型硅(

c

)平面型金属触丝阳极引线N型锗片阴极引线外壳(

a)

点接触型铝合金小球N型硅阳极引线PN结金锑合金底座阴极引线(

b)面接触型图1–12半导体二极管的结构和符号二极管二极管的结构示意图阴极阳极(

d

)

符号D第四节电子技术基础一、二极管1.二极管加正向电压（正向偏置，阳极接正、阴极接负）时，二极管处于正向导通状态，二极管正向电阻较小，正向电流较大。2.二极管加反向电压（反向偏置，阳极接负、阴极接正）时，二极管处于反向截止状态，二极管反向电阻较大，反向电流很小。

3.外加电压大于反向击穿电压二极管被击穿，失去单向导电性。4.二极管的反向电流受温度的影响，温度愈高反向电流愈大。

二极管电路分析举例定性分析：判断二极管的工作状态导通截止否则，正向管压降硅0.6~0.8V锗0.2~0.3V

分析方法：将二极管断开，分析二极管两端电位的高低或所加电压UD的正负。若V阳

>V阴或UD为正(正向偏置)，二极管导通若V阳

<V阴或UD为负(反向偏置)，二极管截止

若二极管是理想的，正向导通时正向管压降为零，反向截止时二极管相当于断开。电路如图，求：UABV阳

=－6VV阴=－12VV阳>V阴二极管导通若忽略管压降，二极管可看作短路，UAB=－6V否则，UAB低于－6V一个管压降，为－6.3Ｖ或－6.7V例1：

取B点作参考点，断开二极管，分析二极管阳极和阴极的电位。

在这里，二极管起钳位作用。D6V12V3k

BAUAB+–晶体管的结构示意图和表示符号(a)NPN型晶体管；(a)NNCEBPCETBIBIEIC(b)BECPPNETCBIBIEIC(b)PNP型晶体管CE发射区集电区基区集电结发射结NNP基极发射极集电极BCE发射区集电区基区P发射结P集电结N集电极发射极基极B二、半导体三极管基区：最薄，掺杂浓度最低发射区：掺杂浓度最高发射结集电结BECNNP基极发射极集电极结构特点：集电区：面积最大电流分配和放大原理1.三极管放大的外部条件BECNNP发射结正偏、集电结反偏PNP发射结正偏VB<VE集电结反偏VC<VB从电位的角度看：

NPN

发射结正偏VB>VE集电结反偏VC>VB

EBRBECRC晶体管电流放大的实验电路

设EC=6V，改变可变电阻RB,则基极电流IB、集电极电流IC和发射极电流IE都发生变化，测量结果如下表：2.各电极电流关系及电流放大作用mA

AVVmAICECIBIERB+UBE

+UCE

EBCEB3DG100

BECIBIEICBECIBIEIC

电路符号NPN型PNP型

特性曲线直接耦合第一级第二级电路简单，能放大交、直流信号，“Q”互相影响，零点漂移严重。阻容耦合第一级第二级各级“Q”独立，只放大交流信号，信号频率低时耦合电容容抗大。变压器耦合第一级第二级用于选频放大器、功率放大器等。1、级间耦合方式第一级第二级末级uiuo1RLRSuousuo2ui2uinii输入级中间级输出级三、多级放大电路的组成2、阻容耦合多级放大电路性能指标的估算第一级第二级发电用电输电变电配电RTURTURTU数据采集和传输应用服务器电网调度生产电能变换、输送、分配电能消耗电能电力系统与电力生产管理电能电力生产是指将煤炭、石油、天然气、水能、核能、风能等一次能源转换为二次能源的过程。发电厂（发电站）（powerplant）：将自然界蕴藏的各种一次能源转换为电能(二次能源)的工厂。一次能源：不可再生能源：化石能源--煤炭、石油、天然气；核能—铀。可再生能源：水能、风能、太阳能、地热、潮汐等我国煤炭资源在地理分布上的总格局是西多东少、北富南贫。主要集中分布在目前经济还不发达的山西、内蒙古、陕西、新疆、贵州、宁夏等6省(自治区)，它们的煤炭资源总量为4.19万亿t,占全国煤炭资源总量的82.8%。水资源分布：以昆仑山—秦岭—大别山一线为界，以南水资源较丰富，以北水资源短缺。煤炭资源与水资源呈逆向分布。主要集中在东北、华北、西北，占86%。▉分布式可再生能源发电－风力发电制约风电商业化最关键因素：单位KW造价高，近年来一直呈下降趋势，前景广阔。内蒙古赤峰赛罕坝风电场——我国最大的风电场，总装机容量17万KW。我国第一个风电场----建于1989年的新疆达坂城风电场。总装机容量14万KW，我国第二大。分布式可再生能源发电－地热发电西藏羊八井地热电站----全国首创，世界中温浅层热储资源发电的先列，清洁能源，但热效率较低。利用地下热水和蒸汽为动力源的一种新型发电技术，与火力发电的基本原理一样。利用海水涨落及其所造成的水位差来推动水轮机，再由水轮机带动发电机来发电。受资源和成本的制约，目前应用不够广泛。分布式可再生能源发电－潮汐发电江厦潮汐电站位于浙江温岭，居世界第三，仅次于法国朗斯潮汐电站和加拿大安纳波利斯潮汐电站。世界主要国家2007年发电量构成电磁感应法拉第【1831年】高压直流输电德波列茨【1882年】单相交流输电【1885年】三相交流输电【1891年】电力系统的形成和发展同时性－电能的生产与使用同时完成，即必须保持电能生产、输送与使用的动态平衡

∵电能难以储藏（超导、燃料电池储能等，但容量小）短促性－正常输电及故障过程都极其迅速，过渡时间短暂，μs或ms计∵电能以光速【3×108m/s】传播。地区性－西北火电、西南水电、沿海核电，“西电东送”、“北电南送”密切性：国民经济、人民生活电力系统运行的特点可靠性高－安全、连续的供电。根据重要程度、对供电可靠性的要求不同，电力负荷分类对待：第1、2、3类负荷系统运行的基本要求质量好－f(P平衡)、U(Q平衡)及波形(谐波污染)足够的稳定性－能耐受一定的事故干扰安全性－运行人员及设备经济性好－高效率、低损耗、低成本防止环境污染－脱硫、除尘、选址系统运行的基本要求1、制定标准电压的依据三相传送的有功功率：∵三相功率正比于输电线路的线电压及线电流，当输送功率一定时，U愈高，则输送电流I愈小，因而所用导线截面积愈小（U高好？！）；∵但，U越高对绝缘的要求越高，杆塔、变压器、断路器的绝缘投资也越大（U高不好？！）；∴对应于一定的输送功率与输送距离，应有一最佳的输电电压U，不宜过高或过低；∴从设备制造的经济性以及运用时便于代换，电压等级必须规格化、系列化，且等级不宜过多。电力系统的额定电压等级2、为何要确定额定电压？3、我国国家标准规定的电网额定电压等级：交流：3、6、10、（20）、35、（63）、110、220、330、500、750、1000KV直流：±500

、±800KV额定电压等级中，相邻电压级差之比不宜过小。根据经验，110KV以下的电压级差一般在3倍左右，110KV以上的电压级差一般在2倍左右最合适。线电压东北西北4、线路电压与输送容量、距离的关系5、交流电网及电气设备额定电压用电设备额定电压的确定各用电设备的额定电压取与其所处线