电工学讲义教材

理论知识培训2014.9乌江公司自动化专业

涉及课程

电工学

电子学

计算机监控

励磁系统

水轮机调节

直流系统

水机保护自动控制原理电工学电工学知识

电与磁二三交流电路常用低压控制电器四直流电路一五典型电动机控制回路一、直流电路

电阻与欧姆定律ⅡⅢ电路连接电能与电功率Ⅳ电路中的物理量Ⅰ电路的主要物理量电池灯泡电流电压、电位电动势EIRU+_负载电源Ⅰ、电路中的物理量

3.电位的大小有正有负。4.电位与参考点的选择有关。（二）电位1.电位的定义:当一物体带有电荷时，这物体就具有一定的电位能，我们把这电位能叫做电位。电场中某点A的电位，等于单位正电荷在该点所具有的电位能，用符号VA表示。2.参考点的电位定义为零。（三）电压2.方向：规定为从高电位指向低电位。用“+、-”或箭头或字母表示。3.电压的大小与参考点的选择无关。4.电压的单位:伏特,用V表示。1KV=1000V1V=1000mV1.电压的定义：在电路中，任意两点A、B间的电压，就是这两点间电位之差（电位差）。用UAB表示。AB+—UR（四）电流

1.电流的定义:电荷在导体中作定向移动形成电流。用I表示。2.电流的大小:单位时间内流过导体某一横截面积的电荷量。I=ΔQ/Δt3.电流的实际方向:规定为正电荷移动的方向。4.电流的单位:安培,用A表示。1kA=1000A1A=1000mA1mA=1000µA5.电流密度J：电流I与导体横截面S的比值。

1.电源：是将其他能量转换为电能的装置。2.电动势的定义：在外力的作用下，把单位正电荷从电源的负极移到正极所作的功称为该电源的电势。用E表示。3.电势的方向：规定在电源内由负极指向正极。4.电压与电动势是一对大小相等、方向相反的物理量。（五）电源与电动势（一）电阻与电导电阻的定义:当电子在导体中运动时,势必要与分子发生碰撞,这将阻碍电子的运动,形成对电流的阻力,称为电阻。导体电阻与哪些因素有关R=L/

S（为电阻系数）除上述因素外，还与温度有关。电导电阻的倒数称为电导。G=1/

RⅡ、电阻与欧姆定律

RUI注意：用欧姆定律列方程时，一定要在图中标明正方向。（二）部分电路欧姆定律（一）电阻的串联1.定义：两个或多个电阻首尾依次相联，并且流过同一电流，没有分支，我们称这些电阻的连接方式为串联。

R2R1UI

2.串联电路的特点：串联电路电流相等I=I1=

I2=··串联电路总电压U=U1+U2+··串联电路的等效电阻R=R1+R2+··Ⅲ、电路连接

（二）电阻的并联UIR1R2I1I21.定义：两个或多个电阻首尾分别相联，各电阻承受同一电压，我们称这些电阻的连接方式为并联。2.并联电路的特点（1）并联电路电压相等U=U1=

U2=··（2）并联电路总电流I=I1+I2+··（3）并联电路等效电阻（三）电阻的混联含有串联和并联两种连接的电路称为混联电路。处理混联电路的方法是：先用串、并联电路的等效方法逐次将电路化简，最后成为一个电阻的电路。例1.已知：U=220V，电路中电阻的单位是欧姆，求电路中的总电流I。50100100504060IUABC节点电位法适用于支路数多，节点少的电路。如：共a、b两个节点，b设为参考点后，仅剩一个未知数（a点电位Va）。abVa节点电位法中的未知数：节点电位“VX”。节点电位法解题思路假设一个参考点，令其电位为零，

求其它各节点电位，求各支路的电流或电压。

节点电位法列方程的规律以A节点为例：方程左边：未知节点的电位乘上聚集在该节点上所有支路电导的总和（称自电导）减去相邻节点的电位乘以与未知节点共有支路上的电导（称互电导）。R1R2+--+E1E2R3R4R5+-E5I2I3I4I5CAB节点电位法列方程的规律以A节点为例：方程右边：与该节点相联系的各有源支路中的电动势与本支路电导乘积的代数和：当电动势方向朝向该节点时，符号为正，否则为负。ABR1R2+--+E1E2R3R4R5+-E5I2I3I4I5CaIRUb1、电能：设电路任意两点间的电压为

U,流入此部分电路的电流为I，则在t时间内电流所做的功被电阻吸收并全部转换为热能，此时电阻元件消耗的电能W为：W=UIt=I2Rt=U2t/R电能W的单位是焦耳（J），在工作中，电能的常用单位是千瓦时Ⅳ、电能与电功率

aIRUb功率有无正负？如果UI方向不一致结果如何？2、电功率：单位时间内消耗的电能。P=W/t设电路任意两点间的电压为

U,流入此部分电路的电流为I，则这部分电路消耗的功率为:IRUab“吸收功率”（负载）“发出功率”（电源）若P=UI

0IUab+-根据能量守衡关系若P=UI

0在U、I正方向选择一致的前提下，P=UI

P（吸收）=P（发出）

（一）电场与磁场（二）磁场的基本物理量（三）电生磁无条件，只要有电流，在它的周围就有磁场（右手螺旋定则）（四）磁生电(电磁感应定律）

只有变化的磁场才能感生出感应电动势（右手定则）（五）磁场的性质（左手定则）磁场对处于其中的电流有力的作用二、电与磁

2.静电场——多少与位置都不变的电荷所产生的电场称为静电场。电场1.凡有电荷存在，其周围必然有电场存在。磁场电流的周围必然有磁场存在。磁场的基本物理量1、磁通量Φ：垂直穿过截面S的磁力线总数，简称磁通。单位：韦伯2、磁感应强度B（磁通密度）：与磁场方向相垂直的单位面积上通过的磁通（磁力线）单位：韦伯1Tesla=104Gs（高斯）B

的单位：特斯拉（Tesla）3、磁导率μ：表征各种材料导磁能力的物理量（亨/米）真空中的磁导率(μ0)为常数一般材料的磁导率μ和真空中的磁导率之比，称为这种材料的相对磁导率，则称为磁性材料，则称为非磁性材料（反磁性物质、顺磁性物质、铁磁性物质）1、直导体中的感应电势NSAXe

S

NV实验证明,一根导体相对磁场运动时,或用大家熟悉的说法,导体运动而切割磁力线时,导体中就会产生感应电动势。（1）感应电动势的大小

E=BLVB为导体所在的磁场的磁密；L为导体的长度；V为导体的运动速度。电磁感应原理（2）感应电动势的方向

用右手定则判断VBEVBE右手定则的内容：将右手伸直、使掌心迎着磁力线方向、大拇指指向导体运动方向，与大拇指互相垂直的四指指向感应电势的方向。感应电动势的方向用楞次定律确定。

ΔΦ:是指磁通的变化Δt：是指时间的变化楞次定律：回路中感应电动势要产生方向与之相同的感应电流，这个感应电流所产生的磁通总是阻碍原磁通的变化。注意a.这里是阻碍，不是阻止。b.这里是阻碍原磁通的变化，而不是阻碍原磁通。磁场的性质

S

N

F

在均匀磁场中，载流直导体所受的电磁力的大小为

F=BILB为导体所在的均匀磁场的磁密；I为导体流过的电流；L为导体长度。均用国际单位。电磁力的方向用左手定则判定左手定则确定：将左手伸直，掌心迎着磁力线方向，四指指向电流方向，则伸开的且与四指垂直的拇指的指向就是电磁力方向。（一）正弦交流电的基本特征（二）单一参数正弦交流电路（三）交流电路的功率（四）功率因数的提高（五）三相交流电路三、交流电路

直流电路：电流、电压、电动势的大小和方向都不随时间变化。交流电路：电流、电压、电动势的大小和方向都随时间作周期性变化。I(U、E）0直流电i(u、e）0正弦波i(u、e）0方波：电流幅值（最大值）：角频率（弧度/秒）：初相角三要素:（一）正弦交流电的基本特征数学表达式：波形图：

i1、瞬时值：正弦量在任一瞬间的值。用小写字母表示，如u,i,e。

3、有效值：在工程应用中常用有效值表示交流电的大小。常用交流电压、电流的读数，就是被测物理量的有效值。用大写字母表示。2、最大值(幅值)：瞬时值中最大的数值。用大写字母并带下标m表示，如：Um、Im、Em。瞬时值、最大值、有效值1、周期T：变化一周所需的时间。单位：秒（S）。周期、频率、角频率3、角频率ω：每秒变化的弧度。单位：弧度/秒(rad/s)。2、频率f：每秒变化的次数。单位：赫兹(Hz)。iT0初相位：i相位（相位角）：相位、初相位和相位差t=0时的相位，即（一）电阻电路

单一参数的正弦交流电路电流、电压的关系uiR+_UIuiR+_用相量图表示：ωtui波形图表示：u、i同频率u、i同相位cos2==tLIdtdiLuww则)90sin(2o+=tUw)90sin(2o+=tIwXL(二）电感电路

电流、电压的关系

令：U=IXL，其中：XL=

L称感抗,

单位：欧姆（Ω）iuL+_)90sin(2o+=tIωLw波形图表示：iuL+_结论：u

超前i90

°iu用相量表示：用相量图表示：UIu、i同频率

感抗（XL=ωL

）是频率的函数，表示电感电路中电压、电流有效值之间的关系，且只对正弦量有效。ω=0时XL=0关于感抗的讨论u+_LR直流U+_R对直流电，电感相当于短路。电流与电压的变化率成正比。电流与电压的关系则：(三)电容电路uiC+_设：)90sin(2o+=tIw令：U=IXC，其中：XC=1/

C称容抗。单位：欧姆（Ω）iuiu波形图:结论：u

滞后i

90

°uiC+_用相量表示：用相量图表示：UIu、i同频率则:

容抗（Ω）定义：所以电容C具有隔直通交的作用

XC直流：XC，电容C

视为开路交流：f（四）

RLC串联交流电路分析方法：（1）相量图法u+_+_+_+_RLCi（1）用相量图法分析：先画出参考相量

（设）iu+_+_+_+_RLC阻抗三角形阻抗：当时，，u

超前i－－电路呈电感性当时，，u、i同相－－电路呈电阻性当时，，u

落后i－－电路呈电容性(三)交流电路的功率有功功率P=UICosФ

无功功率Q=UISinФ视在功率S=UI除以I电压三角形乘以I阻抗三角形功率三角形49RIU

Ф=0°P=UICosФ=UI耗能元件Q=UISinФ=0将电能转换为热能、光能等其他形式的能量以供给用户使用。50Ф=90°P=UICosФ=0储能元件Q=UISinФ=UI＞0吸收无功将电能（从系统吸收无功）转换为磁场能量（Ф

）存储起来。51Ф=-90°P=UICosФ=0储能元件Q=UISinФ=-UI＜0发出无功（可视为无功电源）将电能转换为电场能量存储起来。52有功、无功的概念

因此在系统中即存在能量的消耗又存在能量的转换变化率有功P变化率无功Q53有功、无功的关系 电机的工作原理都是电磁感应原理，离开了磁场Ф，电动机无法转动，当然用户也就不可能用到电（即消耗有功P）。 因此，磁场Ф是用户使用电能（即消耗有功P）的桥梁，而这个磁场Ф是通过吸收系统无功Q建立的。 因此，对于感性负载（电动机）来说，吸收系统无功Q是消耗有功P的前提。(四)功率因数的提高1、造成功率因数低的原因：

大多数用电设备是感性负载，造成负载与电源之间无功功率徒劳无益的往返交换。2、当电路的功率因数较低时，有两个不良后果：COS

I当U、P

一定时，

P=PR=UICOS

（1）电源设备的容量不能充分利用。（2）增加输电线路功率损耗。3、提高功率因数的原则：

必须保证原负载的工作状态不变。即：加至负载上的电压U和负载的有功功率P不变。并联电容C4、提高功率因数的方法:_u+_++_RLi

三相电路基本概念（一）三相电源时域特征:uAuBuCot（五）三相交流电路uBuCuA频域特征：电压相量关系：相量图：三相电路的连接方式1、Y形连接ZAZCZBuAuCuB2、

形连接uAuBuCZAZBZC1)Y-Y连接三相四线系统三相三线系统2)Y-△连接3)-连接4)-Y连接三相电路常用名词端线(火线、相线)；中线（零线、地线）中线电流平衡三相电路；不平衡三相电路线电压相电压线电流相电流中线电压对称三相电路的分析1、Y形电路的电流与电压1）İ线=İ相，三相对称：有效值相同相位互差120

2）线电压对称：有效值相同，相位互差120

3）电压大小：4）电压相位：2、

形电路的电流与电压有效值相同；相位互差120

2）线电流、相电流对称：有效值相同；相位互差120

3）电流大小：4）电流相位：三相对称：三相电路的功率1）平均功率

平衡三相：2)无功功率平衡三相：3)视在功率平衡三相：四、常用低压控制电器

应用电动机拖动生产机械，称为电力拖动。利用继电器、接触器实现对电动机和生产设备的控制和保护，称为继电接触控制。

实现继电接触控制的电气设备，统称为控制电器，如刀闸、按钮、继电器、接触器等。下面介绍几种常用的低压电器，基本的控制环节和保护环节的典型线路。

(一)刀开关1.作用：起接通电源的作用分为：单刀：用在某一相线上双刀：用在两相上三刀:用在三相上2.符号：Q3.选择:

选择额定电压和额定电流分别等于或稍大于电动机的额定电压和额定电流(二).低压断路器(QF)

—自动开关或空气开关1.作用:兼有刀开关和熔断器的作用2.符号:QF×××可实现短路、过载、失压保护。(b)结构按钮开关的外形和符号(a)外形图常闭触点常开触点(三)按钮.（SB）—它的主要部分就是熔体，也叫保险丝。1.作用：短路保护2.符号：（四）熔断器（FU）FU3.选择熔体：对于无冲击电流的电路：如照明电路，

IFN≥I

(I为电路的最大电流)

对于有冲击电流的电路：如电动机的起动，

IFN≥(1.5～3)IMN

若有几台电动机共用一熔断器，

IFN≥(1.5～2.5)IMN+∑IMN交流接触器的外形与结构1、作用：用于频繁地接通和断开大电流电路的开关电器。(a)外形(b)结构（五）交流接触.(KM)(1)电磁系统

接触器具有遥控功能，同时还具有欠压、失压保护的功能，接触器的主要控制对象是电动机。2、交流接触器的结构组成铁芯、衔铁通电线圈KM(2)触头系统三对主触头两对辅助常开触点KM辅助常开KM两对辅助常闭触点辅助常闭KM体积较大，由三对常开触头组成，用于通断电动机主电路的大电流。铁芯通电线圈衔铁及其固定在衔铁上的动触头支撑弹簧静触点辅助常闭触点辅助常开触点三对常开主触头3、工作原理：利用电磁吸力的作用而动作的.（六）继电器

继电器和接触器的结构和工作原理大致相同。主要区别在于：

接触器的主触点可以通过大电流；

继电器的体积和触点容量小，触点数目多，且只能通过小电流。所以，继电器一般用于控制电路中。1.电流及电压继电器电流继电器：可用于过载或过载保护，电压继电器：主要作为欠压、失压保护。2.中间继电器

中间继电器触头容量小，触点数目多，用于控制线路。

通常用于传递信号和同时控制多个电路，也可直接用它来控制小容量电动机或其他电气执行元件。(b)符号KA线圈常开触头KA常闭触头KA(a)外形中间继电器外形与符号3.时间继电器（KT）

时间继电器是在感受外界信号后，其执行部分需要延迟一定时间才动作的一种继电器，分有通电延时型和断电延时型。JS7-A空气阻尼式时间继电器是利用空气阻尼的原理来获得延时的。主要由电磁系统、气室及触点系统组成。时间继电器各部分图符号和文字符号常闭触点常开通电后延时闭合常开触点常闭断电后延时闭合常闭通电后延时断开常开断电后延时闭合常闭触点常开触点通电式瞬时动作延时动作断电式

热继电器是利用流过继电器的电流所产生的热效应而反时限动作的自动保护电器，用作电动机的过载保护、断相保护、电流不平衡运行的保护。4、热继电器（FR）(1)串接在电动机主电路中的三个发热元件；热继电器的结构组成FR发热元件图符号(2)串接在电动机控制电路中的常闭触点。FR常闭触点图符号2.热继电器的型号含义及技术数据热继电器是由流入热元件的电流产生热量，使有不同膨胀系数的双金属片发生形变，当形变达到一定距离时，就推动连杆动作，使控制电路断开，从而使接触器失电，主电路断开，实现电动机的过载保护。继电器作为电动机的过载保护元件，以其体积小，结构简单、成本低等优点在生产中得到了广泛应用。五、典型电动机控制回路

通过开关、按钮、继电器、接触器等电器触点的接通或断开来实现电动机各种运转形式的控制称做继电—接触器控制。典型的控制环节有点动控制、单向自锁运行控制、正反转控制、行程控制、时间控制等。电动机在使用过程中由于各种原因可能会出现一些异常情况，如电源电压