电工学基础课件.ppt

1、0. 引言,电工学基础是电工类专业的一门重要的技术基础课程，它包括直流电路、交流电路、磁场与磁路的概念、分析与计算等等内容。 本次讲座，抛开具体的分析与计算，选择一些电厂职工需要了解的内容，尽量用简单方法讲清楚以下几个问题： 1、什么是电？ 2、电生磁、磁生电怎么一回事？ 3、发电机怎么发电的？ 4、发电厂的电怎么送到用户那里？ 5、安全用电,1.0 什么是电?,什么是电? 从本质上讲，电是物质的一种属性；从习惯现象上看，电是一切电磁现象的总称。 经典原子学说认为，一切物质是由分子组成，分子由原子组成，原子又是由原子核和围绕着原子核旋转的电子组成。当人们发现了电子的存在，才对物质的电属性有了明

2、确的认识。 习惯规定：原子核为“正电荷”，电子为“负电荷”。 另一方面，电子流动形成电流，而电灯发光、电炉发热、电机旋转、仪表指针摆动等，都是电流通过这些设备所发生的一些现象。为电磁现象。,1.1 电流、电压,什么是电流？它的单位及代表符号是什么？ 在电场力的作用下，自由电子或离子所发生的有规则地运动称为电流。电流的单位是安培，代表符号是A。 什么叫电压？电压的单位及代表符号是什么？ 在电场中，将单位正电荷由高电位点移向低电位点时，电场力所做的功称电压。电压的单位是伏特，代表符号是V。,1.2.1 电压和电动势,在电场中，将单位正电荷由高电位移向低电位时，电场力所作的功称为电压。电压又等于高低

3、两点之间的电位之差。 电压的正方向规定为从高电位指向低电位，即：电位降的方向。 在电场中，将单位正电荷由低电位移向高电位时，外力所做的功称为电动势。 电动势的正方向规定为由低电位指向高电位，即：电位升的方向。 电压和电动势的主要区别在于：电压是反映电场力做功的概念，其正方向为电位降的方向；而电动势则是反映外力克服电场力做功的概念，其正方向为电位升的方向，两者的方向是相反的。,1.2.2 电位与电压,什么叫电位？它与电压有什么区别？ 单位正电荷在电场中某一点所具有的势能称作电位。而电压是单位正电荷从电场中某一点移到另一点时，电场力所做的功。由此可见，电位是指电路中某一点的势能，而电压是两点间的电

4、位差。电位的高低与我们所选择的参考点有关。当电位的参考点改变时，电位的高低随之改变。任意两点之间的电压是不会改变的。 为什么工程技术上常选大地作为参考点（零电位）？ 这是因为大地也是导体，而且它具有大量的自由电子，它不因为电气设备给它电荷而显得电荷增多，也不因为从它取用电荷而显得减少。就是说，地球的电位是非常稳定的。所以把它作为参考电位是十分可靠，十分方便。,1.3 电阻,什么是电阻？它的单位及代表符号是什么？ 电流在导体内流动所受到的阻力叫电阻。电阻的单位是欧姆，代表符号是。 物体按其导电性能大致可分为导体 、绝缘体和半导体三类。 电阻与温度的关系： 绝缘材料的电阻随温度的升高而降低；金属导

5、体的电阻随温度的升高而升高。,1.3.1 导体,导体：导电能力强的材料。 第一类导体多为金属，铜、铝、铁等。 第二类指电解液，如酸、碱、盐的溶液。它们含有大量的正、负离子。 地球、人体也是导体。 心电图就是利用人体的导电性能。,1.3.2 绝缘体,绝缘体：导电性能很差。 常见的绝缘体：橡胶、塑料、树脂、玻璃、云母、陶瓷、绝缘漆、变压器油等。 通常空气也是绝缘的。 绝缘体不导电是有条件的。这个条件就是指电场的强弱或电压的高低。 绝缘体发生了质变，变成了导体为绝缘击穿。绝缘击穿分两种情况： 一种是击穿以后绝缘性能不再恢复，如橡胶、塑料等固体绝缘材料。 一种是绝缘击穿以后，当击穿电压消失以后，它的绝

6、缘性能还是可以恢复，如空气、绝缘油等。,1.3.3 半导体,半导体：导电能力介于导体与绝缘体之间。 常见的半导体有硅、锗、硒等,2.0 电路,电路 电路是电流的流通路径, 它是由一些电气设备和元器件按一定方式连接而成的。 一个完整的电路一般有四个部分组成 1、电源：是一种把其他能源转变为电能的设备。如发电机、电池、光电池等 2、负载：是一种把电能转变为其他能量的设备。电灯、电动机。 3、连接导线：是传输电能的。 4、辅助设备：用来控制电路的电气设备。如开关,2.1 电路模型,电路模型 用理想电路元件组成的电路，称为实际电路的电路模型。今后分析的都是指电路模型，简称电路。在电路图中，各种电路元件

7、都用规定的图形符号表示。,R,K,E,电池,开关,灯泡,连接导线,电路实体,+,K,R,E,电池,开关,灯泡,连接导线,电路模型,2.2 短路与断路,什么叫短路？ 在电路中，负载因故被短接或电源两端不经负载被短接，致使电路中的电流剧增的现象叫做短路。（要装保险丝） 什么叫断路？ 在电路中发生断线，使电流不能流通的现象称为断路。 要使电路中通过持续电流，需要两个条件： 一是电路要形成闭合回路 二是电源两端要有电压。,3.0 磁场与磁路,磁铁分天然磁铁与人造磁铁。 磁铁基本特性： 1、磁铁能够吸引铁、镍、钴及其合金。2、磁铁都有两个磁极。3、同性相斥、异性相吸。4、对放在其附近的铁磁物质有磁化作用

8、 磁场 磁铁周围的空间对磁针有作用力，我们把对磁针有作用力的空间叫磁场。 磁针之所以能指南、北，是受地球磁场作用的结果。 磁路 在电机、变压器及各种铁磁元件中常用磁性材料做成一定形状的铁心。铁心的磁导率比周围空气或其它物质的磁导率高的多，磁通的绝大部分经过铁心形成闭合通路，磁通的闭合路径称为磁路,3.2 电流与磁场,任何通电导体的周围都存在着磁场，将磁针放在通电导体周围，磁针也会发生偏转。这种现象叫电流的磁效应。 就是说：电生磁。 左图为通电螺线管线圈的磁场，右图为通电直导线的磁场,3.2.1判断导体周围的磁场方向,判断通电直导线磁场的方向，可用单导线右手定则， 即：将右手握住载流导体，拇指伸

9、直并指向电流方向，则其余四指所指的方向便是磁力线的方向，即磁场的方向。 判断通电螺线管线圈磁场的方向，可用右手定则 即：将右手握住线圈，四指弯曲并与电流方向一致，则大拇指所指的方向便是磁力线的方向，即磁场的方向。,3.3 电磁力与左手定则,把一根自由悬挂的直导体ab放在磁场中，当接通电源，电流方向为从a到b，就会看到导体向里面运动，受到一个向里的作用力，这个力就是磁场对通电导体的作用力，叫电磁力。 电磁力的方向与电流的方向和磁场的方向有关。由左手定则确定。 左手定则：将左手伸直展平，使拇指与四指垂直，手心对着磁场方向，四指指向电流方向，则拇指指的方向为电磁力的方向。 由此，我们可以制造出电动机

10、。,3.3.1 电动机模型,左图为直流电动机模型，右图为交流电动机模型,3.4 .1 电磁感应（导体运动）,把一根自由悬挂的直导体ab放在磁场中，当导体向里面运动，就会看到检流计偏转，说明导体ab中有电流，电流有电动势产生的。 只有导线切割磁力线运动时，导线中就产生电动势，这个电动势叫感应电动势。 感应电动势的方向与导线切割磁力线的运动方向和磁场的方向有关。由右手定则确定。 右手定则：将右手伸直展平，使拇指与四指垂直，手心对着磁场方向，拇指指向导线运动方向，则四指指的方向为感应电动势方向。 就是说：磁生电 直导体的感应电动势的大小与磁场强度B、导线长度L及导线运动速度V有关。 由此，我们可以制

11、造发电机。,3.4.2 发电机模型,左图为直流发电机模型，右图为交流发电机模型,3.4.3 线圈中的感应电动势（磁通变化）,磁铁插入、拔出时，线圈中有电流使检流计发生偏转。 线圈中的感应电动势，是在线圈中的磁通发生了变化时产生的。 线圈的感应电动势与穿过线圈磁通的变化量及线圈匝数成正比。 当线圈的磁通量增加时，其中感应电流的方向是使它所产生的磁通反向，而当线圈中的磁通减少时，感生电流的方向是使它所产生的磁通与原磁通同向。 楞次定律是用来确定感生电流（或感应电动势）方向的定律。该定律指出，感应电流的方向是使它所产生的磁通与引起感应的原有磁通的变化相对抗。 变压器就是应用这个原理生产的。,N,S,

12、i,i,插 入,e,原,感,阻碍磁通增加,N,S,i,i,拔 出,e,感,原,阻碍磁通减少,3.4.4 自感,如果磁通的变化是由于线圈本身电流的变化所引起的，则线圈两端也会产生感应电动势，叫自感电势。这种现象叫自感现象。 线圈自感电势的大小和它的电感成正比，所以电感也反映了线圈的自感电势的能力。,3.4.5 互感,快速调节变阻器，使线圈A的电流i1减少或增加，发现线圈B的检流计偏转。 这是因为流入线圈A的电流i1变化时，所产生的磁通也变化，其中的部分磁通穿过B线圈，因而在线圈B中产生了感应电势，形成电流i2使检流计偏转，这种现象叫互感现象。 通常把流入电流的线圈叫原线圈（一次线圈），产生感应电

13、流的线圈叫副线圈（二次线圈）。原、副线圈之间无电的联系，而是通过磁通来联系的，这种关系叫磁耦合。 互感电动势的方向仍由楞次定律确定，但是其方向不仅决定于磁通的增加或减少，而且还与线圈的绕相有关。（有极性）,i1,原,感,i1减少,i2,i2,i1,A,B,i1,原,感,i1增加,i2,i2,i1,A,B,4.4.5 变压器模型,在变压器一次线圈施加交流电压U1，流过的电流为I1，则在铁芯中会有交变磁通产生，使这两个线圈发生电磁联系。根据电磁感应原理，交变磁通穿过这两个线圈，就会感应出电势，其大小与线圈匝数以及主磁通的最大值成正比。 线圈匝数多，电压高；线圈匝数少，电压低。,3.4.6 涡流,带

14、有铁芯的线圈相当于原线圈，铁芯相当于副线圈。当线圈通有变化的电流时，便在铁芯内产生变化的磁通，由于互感作用，在铁芯内将产生自成回路的环电流，叫涡流。 涡流是迅速变化的磁场在整块导体内引起的感生电流，其流动的路线呈漩涡形。磁场变化越快，感生电动势就越大，涡流也就越强。,3.4.7 电磁铁,电磁铁是利用通电的铁心线圈吸引衔铁从而产生牵引力的一种电器。一般由励磁线圈、铁心、衔铁三个部分组成。 当铁心线圈通过电流时，就产生磁场，铁心和衔铁都被磁化。衔铁受到电磁吸力的作用而被吸向铁心。 接触器、继电器等控制电器就是利用此原理制造的。,4.0 正弦交流电,直流电 直流电是大小和方向不随时间变化的电流或电压

15、。 交流电 交流电是大小和方向随时间作周期性变化的电流或电压。 正弦交流电 当电压、电流的大小和方向随时间按正弦函数规律变化时，叫正弦交流电。,4.1 正弦交流电的产生,交流发电机的简单原理图 在电磁铁的两极N和S之间放一个由硅钢片叠加的圆柱体，称为“电枢铁心”，在它上面固定着导体线圈，铁心和线圈合起来叫“电枢”，当电枢被原动机拖动绕轴作匀速旋转时，电枢表面的线圈就以一定的线速度v切割磁力线其感应电势为e=Blv。,但是，这里的导体有效长度l和运动速度v是一定的，然而发电机“空气隙”中各处的磁感应强度B是不一样的；这是因为我们有意把磁极做成一定现状，而使空气隙在磁极下面中间处最小，向两边则逐渐

16、增大，这样就使电枢表面的磁感应强度B沿着电枢表面按正弦规律分布。 B=Bmsin为电枢表面任意点的磁感应强度。 因为线圈有2个有效边，所以一个线圈的感应电势为e=2Bmlvsin。,Bm,B,a,e=2Bmlvsin,B=Bmsin,0,90,270,180,0,90,180,270,4.2 交流电的三要素,正弦交流电的三要素 最大值、角频率、初相位 （一）交流电的周期、频率、角频率（变化快慢） 周期 T：变化一周所需要的时间（s）。 频率 f ：1s 内变化的周数（Hz）。 角频率： 正弦量 1s 内变化的弧度数。 （二）瞬时值、最大值、有效值（变化大小） e、i、u 瞬时值 Em、Im、U

17、m 最大值 E、I、U 有效值 （三）相位、初相位、相位差（变化进程） i = 10 sin（1 000 t +30）A u = 311sin（314 t60）V 相位差：同频率的正弦电量的初相位之差。,Im,i,t,T,0,瞬时值,最大值,初相角,角频率,4.2.1 交流电有效值,如果交流电流i通过电阻R在一周中所产生的热量dQ，和一个直流电流I通过同样的电阻R在相同时间内所产生的热量Q相等时，就把这个发热做功方面与交流电等效的直流电的数值叫交流电的有效值 我们平时所说的交流电流、电压的数值，如380V、10A，都是交流电的有效值。 交流电压表、电流表显示的数值也是有效值。,i,I,d,Q,

18、0.24i,2,Rdt,Q,0.24i,2,Rdt,T,0,Q,0.24I,2,RT,0.24I,2,RT,0.24i,2,Rdt,T,0,I,T,0,T,1,i,2,dt,2,I,m,4.3 直流发电机模型,直流电机是直流发电机和直流电动机的总称，二者在结构上没有什么区别，发电机是由原动机拖动电枢旋转而发出直流电，将输入的机械能转换成直流电能。电动机则是输入直流电能，使电枢旋转拖动其他机械，将电能转换成机械能。 直流发电机的基本原理是导体切割磁力线而感应电动势，直流电动机的基本原理是载流导体在磁场中受到电磁力的作用而产生运动，它们的工作原理都是“电”和“磁”相互作用的结果。因此直流电机既可以

19、用来做发电机，又可以用来做电动机使用，具有可逆应用的特性。,0,90,180,270,+,+,N,S,0,90,180,270,4.3.1 励磁机,当直流发电机作同步发电机励磁电源时，叫做励磁机。 励磁机的作用是什么？ 它是向同步发电机的转子绕组供给直流励磁电流的。 励磁机的磁场绕组一般由励磁机本身供电。（起先利用剩磁）。调节与励磁绕组串联的磁场变阻器，可以改变励磁机输出的直流电压，以此调节同步发电机的励磁电流，从而改变同步发电机的输出电压。,励磁机与发电机转子联系,励磁机为发电机转子产生一个磁场，调节发电机的电压和无功。 汽轮机为发电机转子产生一个旋转磁场，调节发电机的频率和有功。,MK,M

20、K,MK,1G,11ZK,QLC,2Rm,Rg,Rc,1Rm,FLQ,LLQ,发 电 机,励 磁 机,2TJL装置,L,LJB,4.4 三相交流发电机,为什么发电机一般都采用三相制而不用单相制？ 在电力系统中，几乎全部采用三相制供电，这是因为在发电、输电和用电方面三相制具有许多优点： 三相发电机与单相发电机相比，能充分利用定子铁芯和绕组导体，成本较低； 对称三相电流，可以产生旋转磁场，单相电流一般只能产生脉动磁场。而旋转磁场是结构简单、制造容易、价格低廉、维护方便的三相异步电动机的工作基础； 在对称的三相电路中，三相电机的瞬时功率与时间无关，因而三相电机运转时没有剧烈振动；相反在单相制中，单相

21、交流电机的瞬时功率与时间有关，电机运转时振动较剧烈； 从输电方面比较，若在相同条件下输送同样功率的电能，三相输电线的用铜量比单相输电线的用铜量节约25%。基于以上优点，三相制得到了广泛应用。,4.4.1 同步发电机的工作原理,同步发电机是根据电磁感应原理设计的。它通过转子磁场和定子绕组间的相对运动，将机械能转变为电能。转子线圈通入直流电后产生磁场，转子在外力带动下以n速度旋转时，转子磁场和定子导体就有了相对运动，即定子导体切割了磁力线，便产生了感应电势。当转子连续匀速转动时，在定子线圈上就感应出一个周期不断变化的交流电势，这就是同步发电机的工作原理。,4.4.2 三相发电机转动一周过程,通常交

22、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）。磁极转动时，线圈与磁极间发生相对运动而产生交流电。 转子在0时。,+,S,N,0,转子在60时,+,S,N,60,转子在120时,+,S,N,120,转子在180时,+,S,N,180,转子在240时,+,S,N,240,转子在300时,+,S,N,300,转子在360时。 即转子又在0时,+,S,N,0,4.5 三相负载与中性线,在星形连接中，把电源三相绕组的末端X、Y、Z连在一起，成为O点。同时把三相负载的末端x、y、z连在一起，成为O，点，那么O、O，点，即称为中性点。 中性点O至O，的连线叫做中性线。 在电源和负载做星形连接

23、的系统中，中性线的作用，就是为了消除因三相负载不对称而引起的中性点位移。也就是说中线的作用在于使星形连接的不对称负荷的相电压保持对称。,4.5.1 单相和三相交流电的区别,具有单一交流电动势的电源称单相电源。对外供电时，一般有两个接头。采用单相电源供电的系统称单相系统。由单相电源供电的负载称为单相负载。 在日常生活中，电灯、收音机、电熨斗、电风扇等，一般都是单相负载，单相电路是由单相电源和单相负载组成的。 三相交流电是常用的一种多相交流电系统，其基本接线方式有星形（Y形）和三角形（形）两种。在具有平衡电动势的三相系统中，各电动势的频率和幅值都相等。而且相邻两相的相位差等于120，就是时间上相差

24、1/3周期，此种交流电称为三相交流电。,5.0 发电厂的生产过程,利用煤、石油、天然气等燃料来发电的为火力发电厂。 煤粉在炉膛内完全燃烧，将锅炉内的水烧成高温、高压的蒸汽（化学能转变为热能）；蒸汽冲转汽轮机（热能转变成机械能）；使汽轮机带动发电机旋转，发出电能（机械能转变为电能）。,F,L,5.1 电力输送过程,为什么广泛使用交流电而不是直流电? 交流电可以方便地通过变压器任意改变电压，输电时将电压升高，以降低输电线路的功率损耗和电压损失；用电时降低电压，保证安全用电，并降低用电设备的绝缘要求。,发电厂,电网,用户,发电机,升压变压器,降压变压器,配电变压器,6或15KV,110或220KV,10KV,380/220V,6.0 触电原因与安全电压,常见的