《船舶电气与自动化（船舶电气）（二三管轮）》-第一章 船舶电子电气基础

第一节

直流电路一、直流电路的基本概念（一）电路的组成与作用(1)电源:产生和提供电能的装置,是将非电能转换为电能的装置,如各种类型发电机、电池等。(2)负载:各种类型的用电设备,如电灯、电动机、电炉、电视机、电脑等各种装置。(3)中间环节:电能的传输、分配及控制装置,包括连接电源及负载之间的电缆、变压器、熔断器、断路器等各种控制设备及配电屏等电站装置。船舶电气船舶电气图1-1电路的作用示意图

船舶电气图1-3手电筒的电路模型

（a）实际的手电筒电路

（b）电路模型

船舶电气(二)电路的基本物理量及单位1.电流1）电流的形成：电荷有规则的定向移动就形成电流。2）电流的大小：用电流强度来度量，是指单位时间内通过导体某一横截面的电荷量，以字母I表示。I=q/t

3）电流的单位：是库仑/秒,称为安培,简称安(A)。常用的大电流单位有千安(kA),常用的小电流单位有毫安(mA)和微安(μA),1A=10-3kA=103mA=106μA

规定：电量的单位是C（库仑），时间的单位是s，船舶电气电流的方向用箭头或双下标表示,如采用双下标表示,则先要标定电路的端标。图1-4电流的实际方向

船舶电气2.电压（电位差）

概念：电场中任意两点电位之差叫电位差，又叫电压。电压是衡量电场力做功复力的物理量。

表示方法：双下标法：如A、B两点的电压，用UAB表示

标注法：可用极性“+”和“-”表示，其中“+”表示高电位，“-”表示低电位；

单位：焦耳／库仑（J/C）,称为伏特，简称伏（V）。常用的单位还有千伏（kV）、毫伏（mV）和微伏（µV）。船舶电气3.电动势电源的电动势：在电源内部存在着非静电力，他能够把正电荷从负极移送到正极，使电源两极之间形成一个电位差。衡量电源力移动电荷做功本领大小的物理量叫电源的电动势。单位：V。注意：1）电动势仅存在于电源内部。2）电动势的方向规定为

由负极指向正极，由低电位指向高电位。

图1-6电动势的参考方向

船舶电气4.功率

概念：单位时间内所做的功，或单位时间内转移或转换的能量，用符号P表示。

表达式：

单位：瓦，常用的单位有：千瓦（kW）或兆瓦（MW）,1MW=103kW=106W。5.电能(电功)是指在一定的时间内电路元件或设备吸收或发出的电能量,用符号W表示,

公式为:W=Pt=UIt。国际单位制为焦耳(用字母J表示)。其单位比较小,工程上常以千瓦·时(kW·h)作为电能的单位,1度电=1kW·h=3.6×106J。船舶电气

6.额定值就是设备使用效率最高、效果最好的参数值。电工产品主要额定值一般包括电压、电流、功率、电流种类、工作制、绝缘等级、环境温度、温升、冷却方式等。此外,还有重量、体积(外形尺寸)、绝缘电阻、耐电压强度等。通常最主要的几项数据都刻在产品的铭牌上,因此又称铭牌值1）额定值反映电气设备的使用安全性；2）额定值表示电气设备的使用能力。二、电路的基本定律(一)欧姆定律1.电阻

导体对电流的阻碍作用称为电阻R（Ω），其大小与导体材料的电阻率ρ（Ωm）、导体的长度l（m）成正比，与导体的横截面积S（㎡）成反比

船舶电气表1-1几种导电材料的电阻率单位：欧姆•米（Ωm）

船舶电气材料名称电阻率ρ电阻温度系数α材料名称电阻率ρ电阻温度系数α银1.6×10-80.0036铁10×10-80.006铜1.69×10-80.004碳35×10-8-0.0005铝2.9×10-80.004锰铜44×10-80.000005钨5.3×10-80.0028康铜50×10-80.000005材料的电阻R、温度T和电阻温度系数的关系可表示为：R2=R1[1+α(T2-T1)]

式中，R1是对应于温度为T1时材料的电阻，R2是对应于温度为T2时材料的电阻。事例：由于电阻随温度改变而改变，所以对于某些电器的电阻，必须说明它们所处的物理状态。如一个220V100W电灯灯丝的电阻，通电时是484欧姆，未通电时只有40欧姆左右。船舶电气2.线性电阻电路的欧姆定律欧姆定律是说明电路中电压、电流和电阻关系的定律,是电路的基本定律之一。欧姆定律表明:流过电阻的电流与电阻两端电压成正比。假设,电压和电流所选的参考方向一致,如图1-7所示,欧姆定律可用下式表示:

船舶电气图1-7U、I方向一致

图1-8线性电阻的伏安特性

3.电阻的功率电压和电流的参考方向一致，根据欧姆定律R=U/I,

电阻功率的计算有三种形式，即P=UI=I2R=U2/R4.串、并联电阻电路1）电阻的串联①各电阻通过同一电流；②串联等效电阻R等于串联电阻之和；③总电压U等于各电阻电压之和，各个串联电阻上的电压与其阻值成正比；④电阻串联时，各电阻消耗的功率与其阻值成正比，且P=P1+P2+…Pn=I2。船舶电气2）电阻的并联①各电阻两端的电压是同一电压U；②电阻并联时的总电阻倒数：1/R=1/R1+1/R2+…；n个相同电阻R并联时R总＝R/n；③并联电阻的总电流I等于各支路电流的代数和，各个并联电阻支路中的电流与电阻成反比；④电阻并联时，各电阻消耗的功率与电阻成反比，且P=P1+P2+…Pn=U2（1/R1+1/R2+…）。3）电阻的混联电阻的混联电路，即既有串联又有并联的电阻电路，计算的关键在于理清各电阻的串并联关系，利用电阻的串并联计算公式，逐级进行计算，有时因电路图的画法看不出明显的串、并关系，可试着将有关的连线缩短，或改变一下图中元件的摆放位置，一般经过画几次草图后便可分清串、并联的关系。船舶电气5.电路的带载通路、开路与短路(1)电路的带载通路

电路的负载与电源接通时即为电路的有载工作状态,如图1-9所示,开关S接通后,电路有电流通过。根据欧姆定律,电路带载状态的电流为

船舶电气图1-9电路的带载通路

(2)电源的外特性

实际电压源的端电压U小于其电动势E。根据欧姆定律U=IR和式(1-8)可得电路的电压平衡方程式:

U=E-IR0

船舶电气该特性曲线的斜率与电源的内阻R0有关，电源的内阻越小，输出电压就越稳定，电源就越好。当R0<<R时，可近似地认为U=E。

(3)电路的功率与功率平衡

将U=E-IR0两边各项均乘以电流I,则变为电路的功率平衡方程式，即

EI=I2R0+UI或PE=P0+P（1-10）上式表明，电源所产生的电功率（PE=EI）等于内阻损耗功率（P0=I2R0）与负载消耗功率（P=UI=I2R）之和，即电路中电源产生的功率与电路消耗功率总是相等。(4)开路状态船舶电气图1-11开路状态

(5)短路状态

短路即电源的两个输出端或负载的两个输入端被电阻为零的导体短接船舶电气图1-12短路状态

(二)基尔霍夫定律（1）基尔霍夫电流定律

基尔霍夫电流定律（KCL）表明：对于电路的任意节点，在任一时刻，流进节点的电流之和等于流出该节点的电流之和；或任一时刻，流入节点的电流代数和为零（若取流入节点的电流为正，则流出节点的电流为负；或反之）。即

∑IIN=∑IOUT或∑I=0对图1-13中可列方程：对节点B：

或对节点F：

或船舶电气图1-13复杂电路

基尔霍夫电流定律也满足于广义节点，即任一闭合面所包围的电路，称为广义节点。对于图1-14中的电路，根据基尔霍夫电流定律，可得出IA+IB+Ic=0。船舶电气图1-1-14广义节点

2.基尔霍夫电压定律(KVL)

在任一瞬时,沿任一个回路,以任一方向(顺时针或逆时针)绕行一周,回路中各段电压的代数和恒等于零,即船舶电气可列出图1-13电路的KVL方程回路

ABFGA:E2+I2R2+I1R1-E1=0

或

I2R2+I1R1=E1-E2

回路

BCDFB:I3R3-I2R2-E2=0或I3R3-I2R2=E2

回路

ABCDFGA:I3R3+I1R1-E1=0或I3R3+I1R1=E1

根据右边的关系式,可得KVL的另一种描述:在任一时刻,沿任一回路,以任一方向(顺时针或逆时针)绕行一周,其电阻的电压降等于电动势的电位升,

即

∑IR=∑E

其中:E、I与绕行方向相同(一致)时,取“+”;反之则取“-”。KVL不仅用于闭合回路，也可以应用到回路的部分电路（开口电路）。如图1-15（a）所示电路，欲求a、b两点间电压时，可将此图看成一开口电路，如图1-15（b）所示，按逆时针方向绕行一周，根据KVL可得

Uab-E2+IR+E1=0则Uab=-E1-IR+E2

船舶电气图1-15

开口电路

第二节正弦交流电路

一、正弦交流电路的基本概念随时间按正弦规律变化的电压、电流称为正弦电压和正弦电流,可统称为正弦量。正弦量的特征表现在变化的快慢、大小及初始值(起点)三个方面,而它们分别由频率(或周期)、幅值(或有效值)和初相位来确定,所以,频率、幅值和初相位称为确定正弦量的三要素。(一)正弦交流电产生

图1-16单相正弦交流发电机结构示意图和波形船舶电气

线圈于中性面处，转子由原动机带动以角速度ω做逆时针等速旋转，线圈导体（每边长度为l）则以线速度v切割气隙磁场B，经t秒的时间，线圈转过的角度为α，那么线圈中的电动势为：e=2Bmlvsinα=Emsinωt(二)正弦交流电的三要素1.周期、频率和角频率

正弦量变化一次所需要的时间(s)称为周期T。每秒内变化的次数称为频率f,单位是1/秒(1/s),称为赫兹(Hz)。频率与周期互为倒数,即

角频率:船舶电气2.幅值与有效值图1-16(c)中正弦交流电动势在任一瞬时的数值称为瞬时值,瞬时值用英文小写字母表示,如u、e和i分别表示电压、电动势和电流的瞬时值。最大的瞬时值称为该正弦量的幅值或最大值,用带下标的英文大写字母来表示,如Em、Um和Im分别表示电动势、电压和电流的最大值。正弦交流电的幅值表示该正弦交流电的强度或做功的能力,即幅值越大的正弦交流电,它的强度越大,做功的能力也越强。

船舶电气正弦电流的有效值实际上就是在热效应方面同它相当的直流值。设有两个相同的电阻R，其中一个电阻通以正弦交流电流，另一电阻通以直流电流I，通过的时间相同，如果它们产生的热量相等，我们就说这两个电流是等效的，那么这个直流电流的数值就称为正弦交流电流的有效值（均方根值）。即当周期电流为正弦量即=Imsinωt时，则船舶电气3.初相位正弦量（如电流）的一般式可表示为

i=Imsinωt或i=Imsin（ωt+ψ）（1-22）其波形如图1-17所示，初始值分别为零和i0=Imsinψ。船舶电气图1-17初相位不同的正弦量波形图1-18u和i的初相位不相等

图1-18中u和i的波形可用下式表示船舶电气图1-19u与i的几种不同相位关系

(三)正弦交流电的相量表示船舶电气图1-20旋转有向线段与正弦量关系复数A的实部a及虚部b与模r及辐角ψ的关系为：

船舶电气图1-21有向线段的复数表示

根据以上关系式及欧拉公式：可将复数A表示成代数型、三角函数型、指数型和极坐标型4种形式。二、正弦交流电路中电阻、电感、电容元件(一)纯电阻正弦交流电路1.电压与电流的伏安关系

设电阻中的电流为参考量：i=Imsinωt则电阻两端的电压为：U=iR=RImsinωt=Umsinωt船舶电气电路；

（b）i、u正弦波形图；（c）相量图；（d）p波形图图1-23纯电阻交流电路

（1）大小关系U=IR或（2）相位关系φ=0，即i、u同相位

（3）相量关系可见，、同相位.2.功率关系

瞬时功率：p=ui=UmsinωtImsinωt=UmImsin2ωt=UI（1-cos2ωt）铭牌数据或测量的功率均指有功功率P，是瞬时功率在一个周期内的平均值，即船舶电气(二)纯电感正弦交流电路船舶电气图1-24电感元件的正弦交流电路1.电压与电流的伏安关系

设以电流为参考正弦量,即i=Imsinωt则（1）有效值伏安大小关系

船舶电气XL=ωL=2πf

L,称为感抗，单位是Ω（欧姆）（2）相位关系φ=90°，即u超前i90°。

（3）相量关系

相量关系式：或2.功率关系瞬时功率：p=ui=Umsin（ωt+90°）Imsinωt=UmImsinωtcosωt=UIsin2ωt）一周内的平均功率船舶电气由此可见，纯电感元件在交流电路中不消耗电源能量，

为储能元件。无功功率:

Q=UI=I2XL=U2/XL

无功功率的单位是var（乏）或kvar（千乏）.(三)纯电容正弦交流电路1.电容概念

电容C（F）

船舶电气（a）结构示意（b）符号图1-25电容结构与符号电容器两端加以电压u后，电容就会被充电，极板

上就储集电荷q（一极板为正、另一极板为负），其与电容C的关系为当极板上的电荷量q或电压u发生变化时，在电路中就要引起电流

多个电容串联船舶电气（a）电容串联（b）等效电容图1-26电容串联的等效Q1=Q2

=QU=U1+U2多个电容并联（a）电容并联（b）等效电容图1-27电容并联的等效Q=Q1+Q2=C1U+C2U=CU

C=C1

+

C2

2.纯电容的正弦交流电路(1)电压与电流的伏安关系1)有效值伏安大小关系2)相位关系:

φ=-90°，即i超前u90°。船舶电气图1-28电容元件的正弦交流电路u=Umsinωt3)相量关系或(2)功率关系瞬时功率：p=ui=UmsinωtImsin（ωt+90°）

=UmImsinωtcosωt=UIsin2ωt一周内的平均功率

船舶电气由此可见，纯电容元件在交流电路中不消耗电源能量，也是储能元件。

无功功率:

Q=-UI=-I2XL=-U2/XL

单位是var（乏）或kvar（千乏）。(四)R、L与C串联的正弦交流电路船舶电气1.电压与电流的伏安关系

设以电流为参考电量i=Imsinωt，KVL相量关系式:其中X=XL－XC称为电抗，单位也是①有效值伏安大小关系船舶电气图1-30R、L、C串联电路相量图

图1-31阻抗、电压、功率三角形

R、（XL-XC）三者之间的关系也可用一个直角三角形——阻抗三角形、②相位关系船舶电气φ角的大小是由电路（负载）的参数决定的。如果XL＞XC，即φ＞0，则总电压u比电流i超前φ角，电路呈电感性；如果XL＜XC，即φ＜0，则总电压u比电流i滞后φ角，电路呈电容性；当XL=XC，即φ=0，则总电压u与电流i同相位，电路呈电阻性，这时电路处于串联谐振。2.功率关系

R、L、C串联电路中，只有电阻R消耗能量，R、L与电网交换能量。因此，电路消耗的有功功率（平均功率）船舶电气S=UI称为视在功率、表观功率S、P、Q三者之间的关系又可用一个直角三角形——功率三角形

功率因数:(五)从R、L与C并联的正弦交流电路（1）发电设备的容量不能充分

利用（2）增加线路和发电机绕组的

功率损耗船舶电气图1-32电容器与电感性负载的并联提高功率因数，常用的方法就是与电感性负载并联电容器，其电路图和相量图如图1-32所示。

三、三相交流电的基本概念(一)三相交流电的产生定子中放置对称（空间互差120°角）的三相定子线圈绕组，如图中的U1-U2、V1-V2、W1-W2,以U1-U2中的电动势为参考量，三线圈绕组中的电动势的瞬时表达式为船舶电气

图1-33三相发电机示意图

三相电动势的相量表示式为船舶电气对称三相电动势的正弦波形和相量图如下图图1-34三相电动势的正弦波形和相量图

（a）正弦波形图

（b）相量图

三相交流电依次达到正幅值（或相应零值）的顺序称为相序。此处的相序是U→V→W→U，并称之为正相序；若为U→W→V→U，则称为逆相序。由上可见，三相电动势的特征是：大小（幅值）相等、频率相同、相位互差120º，故称为对称电动势。显然，它们的瞬时值或相量之和为零，即船舶电气(二)三相电源的连接方式船舶电气图1-35三相电源的星形连接

三相相电压也是对称的,相电压相量图,如图1-36所示图1-36相电压相量图图1-37星形连接时的线电压、相电压相量船舶电气可见,相电压和线电压都是对称的,各线电压的有效值为相电压有效值的3倍,而且各线电压在相位上比各对应的相电压超前30°。即

（

）我国低压三相四制供电系统中，电源相电压有效值为220V，线电压有效值为380V。三相变压器的原、副边三相绕组可根据需要，接成星形连接或三角形连接。船舶照明三相变压器的副边三相绕组常接成三角形连接。(三)三相负载的连接船舶电气

于是

这种负载称为对称。否则，就是不对称负载。在三相电路中,负载有星形(Y形)和三角形(△形/D形)两种连接方式,星形连接又分不带中线的Y形连接和带中线的YN形连接两种。1.三相负载的星形连接把三相负载ZU、ZV、ZW的一端连在一起,称为N′点,接到三相电源的中性线上;把各相负载的另一端U′、V′、W′分别与三相交流电源的相线连接。船舶电气图1-38负载的星形连接

电源对称,则负载端的线、相电压也是对称的,即负载不对称时，各相单独计算，即船舶电气中线的电流为或通常情况下中线电流总是小于线电流，各相负载越趋于对称时，中线电流就越小。反之，则越大。若负载对称，则每相电流的大小及其与该相电压间的相位差均相同，那么三个相电流也是对称的。这样就简化为一相的计算，即

中线中无电流流过，故可省去中线，就成为星形连接的三相三线制（Y形）电路。船舶电气（a）三相对称负载的星形连接

（b）三相对称电感性负载的相量图

图1-39对称负载的星形连接

中性线的作用在于能使三相负载成为三个互不影响的独立回路，即不论负载的情况如何，中线使每相负载均承受对称的电源相电压，从而保证负载正常工作。中性线一旦断开，可能使某一相电压过低，该相用电设备不能工作；某一相电压过高，烧毁该相用电设备。为防止这种不正常现象，在三相四线制供电线路中，规定中性线上不允许安装熔断器、开关等装置。船舶电气图1-40不对称负载的星形连接

2.三相负载的三角形连接船舶电气图1-41三角形连接

可知，三个线电流的大小相等，为相电流的

倍；三个线电流分别在相位上较其对应的相电流滞后30°电角。三个线电流相位上也是互差120°，故也是对称的。船舶电气图1-42三相对称电阻负载D形连接时的相量图

3.三相电路的功率船舶电气

同样的负载，三角形连接消耗的有功功率是星形连接时的3倍。也就是说，三相负载消耗的功率与负载连接方式有关，要使负载正常运行，必须正确连接电路。显然在同一电源作用下，错将星形连接成三角形连接，负载会因3倍的过载而烧毁；反之，错将三角形连接接成星形连接，只能输出1/3的额定功率，达不到负载的要求。第三节

电磁感应及静电感应一、磁场基本概念及物理量

电磁单位制中：麦克斯（Mx）

1Wb=108Mx船舶电气图1-43磁体的磁力线1.磁通Φ

磁通Φ是穿过某一截面S的磁力线总数电磁感应定律e=N·dΦ/dt国际单位制（SI）:韦伯（Wb）2.磁感应强度B

若横截面S与磁感应强度B互相垂直，则

B=Φ/S

磁感应强度B在数值上等于穿过垂直于磁场方向上的单位面积上的磁通，故又称它为磁通密度。

单位:Wb/㎡,称为特斯拉（T）

电磁单位制中:高斯（Gs）

1T=104Gs。船舶电气3.磁场强度H磁场与电流之间的关系可以由下式表述：

船舶电气N为线圈匝数；

是半径为x的周长；是半径x处的磁场强度；NI(磁通势)为线圈匝数与电流的乘积。用字母F表示，则有

F=NI

磁通势F的单位是安［培］。磁场强度H的国际单位制单位是安每米（A/m）,以前在工程上常用安每厘米为单位。4.磁导率µ

磁导率µ是一个用来表示磁场媒质磁性的物理量，也就是用来衡量物质导磁能力的物理量。它与磁场强度的乘积就等于磁感应强度，即

B=µH

国际单位制单位为:亨/米（H/m）

真空磁导率μ0=4π×10-7H/m，是一个常数,相对磁导率μr:用某介质的磁导率μ比上真空的磁导率μ0的值，

铁磁材料的相对磁导率μr≫1，

非铁磁材料的相对磁导率μr≈1。

自然界中大多数物质对磁场影响都很小。如铜、空气、塑料等，它们的导磁能力都很弱，称为非铁磁材料。

铁磁材料:铁、镍、钴及其合金和铁氧体材料导磁能力都很强，被磁化后产生附加磁场，能使原磁场大为增强。船舶电气5.磁路及气隙船舶电气(a）直流电机（b）交流接触器（c）变压器（d）直流接触器图1-45几种常见的磁路

磁路的欧姆定律当磁路有气隙时，要产生相同的磁通，就比没有气隙时需要更大的励磁电流（或磁势）。如果磁势IN不变，磁路有气隙的磁通将远小于没有气隙时的磁通，因此气隙对磁路的影响较大。二、电流的力效应和电磁感应1.电流磁效应与右手螺旋定则船舶电气图1-46通电直导体产生磁场a）螺旋状线圈的磁场b）右手螺旋定则判断方向图1-47通电螺旋状线圈产生磁场

1)在通电导体中,大拇指表示电流方向,四指表示磁场方向;2)在线圈中,四指则表示电流方向,大拇指表示磁场方向。2.载流直导体在磁场中的力效应与左手定则

载流导体在磁场中会受到电磁力的作用，称为电流在磁场中的力效应。这个力叫做电磁力(F)。船舶电气B：

磁感应强度（Wb/㎡）I：

载流导体电流（A）

：载流导体在磁场中的有效长度（m）

当载流直导体与磁场方向之间的夹角为

（

<90°）则其受力为

式中，

是导线与磁场方向之间的夹角，

为导线在磁场垂直方向上的长度。船舶电气图1-48电流和磁场间的作用力的关系

左手定则：伸平左手，拇指与四指垂直，让磁力线从掌心穿入，四指指向电流方向，则拇指为载流导体的受力方向。船舶电气图1-49磁场对载流导体的作用力

两平行载流导体之间的作用力：每一个载流导体都产生磁场，各自的磁场方向都用右手螺旋关系确定；而每个载流导体又都处于另一载流导体的磁场中，因而都受到力的作用，载流导体受力的方向用左手定则确定。因此两电流同方向的平行载流导体之间产生互相吸引的作用力，两电流方向相反则产相排斥的作用力。(三)直导体的感应电动势船舶电气图1-51直导体的感应电动势感应电动势e的大小与导体处的磁感应强度B、导体在磁场中的有效长度l和导体与磁场的相对切割线速度v（m/s）三者的乘积成正比，即当导体的运动方向与磁场方向成

角度时，

感应电动势的方向用右手定则确定，如图1-51（a）所示：伸平右手，拇指与四指垂直，让磁力线从掌心穿入，拇指指向导体相对于磁场的运动方向，则四指指向感应电动势的方向。船舶电气（四）线圈的感应电动势

根据电磁感应定律：当穿过线圈的磁通量发生变化时，在线圈中产生感应电动势，感应电动势e的大小与磁通的变化率成正比，与线圈匝数N

成正比，即可根据穿过线圈磁通的方向和磁通的变化趋势来确定楞次电流磁通的方向，由楞次电流磁通方向用右手螺旋关系来确定楞次电流和感应电动势的方向。船舶电气图1-52感应电动势方向的确定当设定感应电动势e的参考方向与线圈内的磁通参考方向成右手螺旋关系时，则感应电动势的大小和方向的数学表示式为(五)线圈电感及自感现象

电磁感应定律:只要穿过线圈的磁通有变化,就会在线圈中产生感应电动势,与变化磁通的来源无关。

当通过线圈本身的电流及其所产生磁通Φ发生变化,在线圈中产生感应电动势,该电动势称为自感电动势eL,这种现象称为自感现象。船舶电气

自感系数L，简称电感。线圈电感L的大小可用在线圈中通入单位电流所能产生的磁通链的多少来衡量。

电感L表明一个通电线圈产生磁通的能力，它与线圈的匝数N、几何尺寸以及附近的介质的导磁性等有关，一个密绕的长线圈，其截面积为S（m2）,长度为l（m）,匝数为N,介质的磁导率为μ（H/m）,则电感L（H）为

单位：

亨利（H）、毫亨（mH）、微亨（μH）

当设定自感电动势e的参考方向与线圈内的磁通参考方向成右手螺旋关系时，则可将自感电动势与磁通的关系式转换为自感电动势与电流的关系如下式

当仅需要确定自感电动势的方向时，可直接根据电流的方向及其变化趋势用楞次定律来确定，即自感电动势方向总是阻碍电流的变化。船舶电气(六)互感现象

当一个线圈的电流引起的变化磁通除在本线圈产生自感电动势外,如果该磁通的一部分或全部穿过相邻的线圈时,在相邻线圈中同样引起感应电动势,这种现象即为互感现象,在相邻线图中所感生的电动势称为互感电动势。

式

同样也可用来确定互感电动势的大小和方向,其方向也可单独由楞次定律确定。变压器就是根据互感原理制成的。船舶电气三、常用铁磁材料的性能(一)常用铁磁材料及分类1.按其磁性划分为两类：1）铁磁材料(或叫磁性材料)。主要是指铁、钴、镍及其合金,是制造电机、电器等的主要材料之一。2）非铁磁材料。非铁磁材料的磁导率近似等于真空的磁导率。2.根据磁性材料的磁滞回线形状,主要分为三种类型1）软磁材料（磁滞回线狭窄，剩磁和矫顽力小，如铸铁、铸钢、纯铁、硅钢、坡莫合金（即铁氧体）等材料。）2）硬磁材料（磁滞回线宽，剩磁和矫顽力大，也称永磁材料。）3）矩磁材料（磁滞回线狭窄，接近矩形，但剩磁大，而矫顽力却小，磁稳定性也好）船舶电气(二)铁磁材料的磁性能1.铁磁材料的高导磁性

μr≫1。用较小的励磁电流产生足够大的磁感应强度和磁通。用高磁导率的铁磁材料制造电机、电器可使其重量轻、体积小。2.磁饱和性

在磁性材料中,μ不是常数,而是随着H的变化而变化,当达到磁饱和后,μ接近真空中的磁导率μ0。3.磁滞和剩磁特性船舶电气图1-55磁滞回线图1-54B和μ与H的关系图1-53B-H磁化曲线四、铁芯损耗及措施(一)磁滞损耗、涡流损耗的产生

当铁磁体被反复磁化时,由于磁滞原因而引起的功率损耗称为磁滞损耗(ΔPh)。

当铁芯中磁通发生变化时，在铁芯内引起感应电动势和电流（即涡流），涡流在垂直于磁通的平面内环流。由于涡流在铁芯中造成的功率损耗，称为涡流损耗（ΔPe），它主要使铁芯发热。船舶电气图1-56铁芯涡流(二)铁芯损耗的常用解决措施

减少磁滞损耗的措施：

选用磁滞回线狭小的磁性材料制作铁芯。变压器和电机中常使用硅钢等材料的磁滞损耗就较低。另外,设计时应适当选择有关参数,以减小铁芯饱和程度。为减少涡流,交流电器铁芯通常是用相互绝缘的钢片叠制而成,把涡流限制在狭而长的路径内,以增加涡流路径的电阻。普通钢中含有很少量的硅(0.8%~4.8%),则由于电阻率的提高可进一步减小涡流。船舶电气图1-57硅钢片铁芯五、静电感应

是指物质(如金属,即导体)中电子流动的一种现象。1.静电平衡的特点（1）处于静电平衡状态的导体,内部的场强必定处处为零；（2）处于静电平衡状态的导体如果带有电荷,净电荷分布于导体的外表面,导体内部没有净电荷；（3）处于静电平衡状态的导体是个等势体,导体表面是个等势面；

（4）处于平衡状态的导体,表面的电力线垂直于导体表面。船舶电气2.静电的影响

(1)静电对电子元件的影响①静电吸附灰尘,改变线路间的阻抗,影响产品的功能与寿命;②因电场或电流破坏元件的绝缘或导体,使元件不能工作(完全破坏);③因瞬间的电场或电流产生的热,元件受伤,寿命受损。(2)静电损伤的特点

①隐蔽性②潜伏性③随机性④复杂性船舶电气第四节电子技术基础一、半导体及PN结的基本概念物质按照导电性能可分为三类:导体、绝缘体和半导体半导体的导电能力受温度、光照、掺杂等条件的不同而出现显著的差异,一般具有如下三个特性:(1)热敏性:随温度升高导电能力显著增强。(2)光敏性:当受到光照时,导电能力明显变化。(3)掺杂性:在本征半导体中掺入某种微量元素，其导电能力会因掺杂而大大增强。船舶电气1.N型半导体在硅或锗的单晶体中掺入磷(或其他五价元素),可使自由电子的数目大量增加。这种半导体主要靠电子导电,其多数载流子是电子,少数载流子是空穴,故称为电子型半导体或N型半导体。2.P型半导体如果在硅或锗的单晶体中掺入硼(或其他三价元素),半导体中就会形成大量的空穴。这种以空穴导电作为主要导电方式的称为空穴半导体或P型半导体。空穴是多数载流子,自由电子是少数载流子。应当指出,对P型(或N型)半导体,虽然掺杂造成了多数载流子,但并不使半导体导电,即整个晶体对外仍呈中性。船舶电气3.PN结的单向导电性在一块晶片上,采取特定的掺杂工艺方法,在两边分别形成P、N型半导体,它们的交界面就形成PN结。当PN结加正向电压时,正向电阻很小,呈现正向导通状态;PN结加反向电压时,反向电阻很大,呈现反向截止状态,这就是PN结的单向导电性。它是各种半导体器件的共同基础。船舶电气二、二极管的基本特性1.二极管的构成与伏安特性(1)点接触型二极管(一般为锗管)。PN结的结面积很小,结电容也小,不能通较大电流,但高频性能好,一般适用于高频和小功率电路。(2)面接触型二极管(一般为硅管)PN结的结面积大,结电容也大,可通过较大电流(可达上千安培),因其工作频率较低,一般用于整流电路。可用作大功率整流管和数字电路中的开关管。船舶电气船舶电气（a）点接触型（b）面接触型（c）平面型（d）符号图1-58二极管的结构示意和符号船舶电气死区电压：硅管约为0.5V,锗管约为0.2V。2.二极管的主要参数(1)正向平均电流IF,是指二极管长时间使用时,在规定的环境和散热条件下,其允许流过的最大工频正弦半波电流的平均值。当电流超过允许值时,将由于PN结过热而使二极管损坏。(2)反向工作峰值电压URWM,是保证二极管不被击穿的反向最大电压,一般是反向击穿电压的1/2或2/3。(3)反向峰值电流IRM,是指二极管加上反向峰值电压时的反向电流值。反向电流大,说明其单向导电性能差,受温度影响大。硅管的反向电流一般在几个微安以下,而锗管的反向电流约为硅管的几十到几百倍。船舶电气三、稳压管的基本特性及参数1.稳压管的基本特性稳压管是一种特殊的面接触型二极管。船舶电气2.稳压管的主要参数(1)稳定电压UZ

是稳压管在反向击穿状态下管子两端的稳定工作电压。温度一定时,其稳定电压值一定。(2)稳定电流IZ

是稳压管在稳定电压范围内工作性能较好的工作电流值。但对每一种型号的稳压管,都规定有一个最大稳定电流Izmax。(3)最大允许耗散功率PZM

是稳压管不致发热击穿的最大功率损耗,即PZM=Uz·Izmax。船舶电气四、单相整流电路1.单相半波整流电路船舶电气图1-61单相半波整流图1-62单相半波整流电压波形U0=0.45U2Iv=I0=U0/RL=0.45U2

/RL

UDRM=U2m=U2UDRM=U2m=U22.单相桥式全波整流电路船舶电气图1-63桥式整流电路的四种电路形式船舶电气图1-64桥式整流电路和符号图1-65电压波形五、滤波与稳压电路1.电容滤波电路船舶电气图1-66电容滤波

整流电路类型变压器副边电压（有效值)负载开路时的输出电压U0带负载时的输出电压U0二极管承受的最大反向电压URM半波U2U21.0～1.4U22U2桥式U2U2

约1.2U2U2表1-2电容滤波对整流电路的影响2.复式滤波电路常用的复式滤波器有Γ型滤波器和π型滤波器两种船舶电气图1-67复式型滤波器3.稳压电路的组成与三端稳压电路船舶电气图1-68稳压电路

(1)硅稳压管稳压电路（2）集成稳压电路图1-69三端稳压电源内部结构

船舶电气（a）电路符号（b）外形（c）稳压电路图1-70集成稳压器

六、晶体管及基本特性1.三极管的基本结构最常见的结构有平面型和合金型两类。硅管主要是平面型,锗管都是合金型。

船舶电气图1-71晶体管结构示意图和表示符号2.晶体管的电流放大作用船舶电气晶体管交流电流放大系数：β=Δ1c/Δ1B≫1。图1