第二章 第一节 电工基础.pptx
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第二章 第一节 电工基础.pptx
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,低压电工,跳转到第一页,作业全国安全生产教育培训教材编审委员会组织编写制作黄邓平,第二章电工基础知识学习要点,跳转到第一页,了解电工原理的基本内容:
电路的组成和基本物理量;直流和交流电路;电磁感应和磁路;电子技术常识。
第一节直流电路,跳转到第一页,一一电路的基本概念、,一、,
(一)电路和电路图、,电路是为了某种需要,将电气设备和电,电源,负载,子元器件按照一定方式连接起来的电流的通路,即电流流通的闭合回路。
电路图是为了研究和工程的实际需要,用国家标准化符号绘制的、表示电路设备装置组成和连接关系的简图。
最简单的电路是由电源、负载、连接导线及控制设备等部分组成。
如下图所示开关,导线,电路的作用1:
进行能量的转换、传输和分配。
2:
实现信号的传递、存储和处理。
跳转到第一页,
(1)电源,跳转到第一页,电源能把其他形式的能量转换成电能。
例如:
发电机把机械能转换成电能,电池把化学能转换成电能。
负载负载又称负荷,即为用电设备,是取用电能转换为其他形式能量的设备。
例如:
灯泡把电能转换成光能,电炉把电能转换成热能。
导线导线是用来连接电源和负载以构成电流通路的导体。
它能将电源的电传送给负载。
常用有铜线和铝线。
开关开关是接通或断开电路的控制元件。
当它接通时,可使电路构成闭合的回路。
在实际生产中,电路中还常装有其他一些设备,例如:
熔断体、测量仪表等,作为保护、测量及监视电路用。
电路的工作状态,电路的工作有三种状态:
通路、开路、短路。
1、通路通路又叫闭路,是电路各部分连接成闭合回路。
电源,负载,导线,电源,负载,导线,电源,负载,2、开路开路又叫断路或空载状态,就是电源与负载未接成回路,处于断开状态。
3、短路短路,是电源的正极与负极直接用导线相连接起来,这种状态会烧坏导线及电源等设备。
开关开关开关,导线,通路,断路,跳转短到第路一页,
(二)电路的基本物理量1.电荷、电场和电场强度,跳转到第一页,带电的基本粒子称为电荷,失去电子带正电的粒子叫正电荷,失去电子带负电的粒子叫负电荷。
用电量符号Q表示,单位为C,(库仑)。
电场是电荷及变化磁场周围空间里存在的一种特殊物质。
电场对放入其中的电荷有作用力,这种力称为电场力。
电场的强弱用电场强度符号E表示,单位为V/m(伏/米)。
2.电流和电流密度,跳转到第一页,电流是电路中既有大小又有方向的物理量。
电荷在导体中的定向运动形成电流。
习惯上人们将正电荷运动的方向作为电流的方向,它与电子移动的方向相反。
人们认为:
直流电流是从电源的正极出发,经导线、开关、负载及另一根导线,流回电源的负极。
电流强度是衡量电流强弱的物理量。
通过导体截面积电流强度的大小,等于单位时间内通过该截面的总电荷量。
电流强度简称电流,用“I”或“i表示。
电流分直流“I”和交流“i两种:
直流电流:
方向和大小都不随时间变化的电流。
(电池、直流发电机输出的是直流电流)交流电流:
方向和大小都随时间用周期性变化的电流。
(交流发电机输出的是交流电流),Qt,跳转到第一页,I,对于直流电流,电流强度可表示为:
式中:
I电流,A;Q电荷量,C;t时间,s。
电流的单位是:
安培(A),还有用:
KA、mA、uA。
换算关系如下:
1KA=1000A1A=1000mA1mA=1000uA,IS,跳转到第一页,j,式中:
I导体流过的电流,A;S导体的横截面积,A/mm2。
电流密度是指通过单位面积的电流,用字母j表示,单位为A/mm2,表达式:
3.电压、电位和电动势在照明电路中,如果接通开关,电路有电流,电灯亮;关开关后,电灯灭,即电路中没有了电流。
导体中形成持续电流的条件是什么呢?
大家知道,水往低处流,是因为水流两端存在水位差,同理,能促使电流形成的条件是因为导体两端有电位差(电压)的存在。
电压也是电路中即有大小又有方向(极性)的基本物理量。
电压的大小为外电路电场力将单位正电荷从某点移动到另一点所做的功,用“U”或“u”表示,电压的实际方向规定为从电路的高电位点指向低电位点,单位是伏特()。
跳转到第一页,在电路中a、b点两点间的电压等于a、b两点的电位差。
表示为:
跳转到第一页,Ub,UabUa,直流电压用大写字母“U”表示,交流电压用小写字母“u”表示。
电压的单位为V(伏特)10-3KV=1V=103mV=106uV,跳转到第一页,在一闭合电路中,在外电路,电流总是从电源的正极经过负载流向电源的负极,电场力做功,将电能转换为其它形式的能;在内电路,电源是如何建立并维持正极与负极之间的电位差呢?
这是因为任何一种电源都是一个能量转换装置,在电源内部能量转过程中,产生一种非静力,它能把正电荷从负极不断地持续地流通到正极。
电源内部这种能把正电荷从电源的负极推动到正极的本领为电动势,用大写字母“E”表示,单位是伏特(V)。
电动势的实际方向与电压实际方向相反,规定为由负极指向正极。
电位:
电路中某点的电位是指电场力将单位正电荷从某点移到参考点所做的功。
电位的确定必须先任选好电路中一点为电位参考点。
电路中选定的参考点虽然一般并不与大地相联接,往往也称为“地”。
在电路图中,参考点用符号“”表示。
跳转到第一页,VaUao即:
A点的电位等于Uao,电阻电阻的概念导体中的自由电子在移动的过程中,不可避免地发生相互碰撞,并和导体中其他不带电的质子也发生碰撞,同时还必须克服原子核对它的吸引力,因而会受到一定的阻力,导体对电流的这种阻力被称为电阻。
用“R”或“r”表示,单位为“(欧姆)”。
电阻大的物体,导电能力弱,电阻小的物体,导电能力强。
图形符号如下:
或导体的电阻计算金属导体的电阻与其长度成正比,与其横截面积成反比,并与材料、温度等因素有关。
20时导体的电阻可用下式表示,即:
跳转到第一页,LS,R,r,R导体的电阻,L导体的长度,mS导体的截面积,mm,2,导体的电阻率,mm2/m,跳转到第一页,跳转到第一页,常用金属材料的电阻率,导体的电阻率决定于导体的材料。
电阻率高的材料,导电性能差;电阻率低的材料,导电性能好。
电阻的常用单位是(欧姆),还有K,M。
它们的换算关系是:
1M=103K=106,跳转到第一页,5、导体、绝缘体、半导体
(1)导体能够很好地传导电流的物体,如:
银、铜,、铁等。
(2)绝缘体能够可靠地隔绝电流的物体,如:
橡胶、塑胶、陶瓷等。
导体与绝缘体并没有绝对的界限,在一般状态下,某种物体是很好的绝缘体,当条件改变时也可能变为导体。
(3)半导体价于导体与半导体之间的物体,如:
硅、锗等。
任何物体都会存在电阻,只是这个电阻的测试条件不同表现出来的特性都不一样。
在我们的学习中,主要研究的是电压、电流、电阻这三者之间关系。
例如:
空气,在干燥时,它的电阻表现会很大;当在潮湿时,它的电阻表现会变小。
像木材,干燥时,它的,电阻会很大,当湿后,它的电阻会很小。
二、电路的欧姆定律,欧姆定律就是反映电路中电压、电流和电阻之间关系的定律,是电路基本定律之一。
R=U/II=U/RU=IRU=E-U0I=E/(R+R0)R0,部分电路的欧姆定律全电路欧姆定律为电源内阻由欧姆定律可知:
电阻有电流流过时,两端必有电压,这个电压习惯上叫电压降。
通常导线都是有电阻的,当用导线传输电流时,就产生电压降,因此,输电线路末端的电位总是比始端的电位低。
输电线路上电压降低的数值叫做电压损失。
如果线路较长,线路电流较大,其电压损失就较大,供给负载的电压将明显下降,影响设备的正常跳工转到作第作一页。
RR1R2LRn,跳转到第一页,UUUU,12Ln,nn,22,11,I,III,L,n个电阻串联可等效为一个电阻当串联的电阻越多,总阻值就会越大,
(二)、电阻的串联、并联和混联1.电阻的串联把几个电阻一个接一个地依次连接起来。
特点如下:
I,R1,+,U,Rn,R,I,+U,I,1,IR,+U1+22U2+Un,In,分压公式,跳转到第一页,U,R,R,URI,k,kk,两个电阻串联时,U,U,2,1,R1,1,RR,U,R,2,R1R2,U2,R,1,I,+,U,R2,+U,1,+,U2,RkR,称为分压比,R1,R2,R3,E,电路中的电流为:
I=,EE=30R1+R2+R3R30,=1(A),各电阻上的电压为:
U1=IR1=15=5(V)U2=IR2R2=1110=10(V)U3=IR3=115=15(跳V转)到第一页,总电阻为:
R=1+RR2+R3=5+10+15=30(),例:
已知图中所示的电路中,R1=55,R2=100,R3=155,E=30,0,V求总电阻、电路中的电流及各电阻上的电压。
解:
n个电阻并联可等效为一个电阻,1Rn,1R,11R1R2,L,I1R1,2.电阻的并联I,+U,I2R2,InRn,R,I,+U,In,L,II1I2UU1U2,LUn,当并联的电阻越多,总阻值就会越小跳转到第一页,分流公式,跳转到第一页,两个电阻并联时,I,RkRk,k,URI,I,R,2,I1,I,I,12,R1R2R1,2,RR,I,1,I,2,R1,+U,R2,RRkI,称为分流比,例:
已知图中所示的电路中,R1=40KK,R2=60KK,跳转到第一页,E,I1,II2,R,1,R2,R1R2,R=R1R2=40604060,=24(4(K),I=,ER,12,=24103,=0.5(mA),总电流为:
I1=,E=12R140103,=0.3(mA),I2=II1=0.550.3=0.2(mA),,E=12,2,V求电流I,I1和I2,总电阻R。
解:
总电阻为:
3.电阻的混联电路电阻的串联与并联是电路最基本的连接形式。
跳转到第一页,在一些电路中,可能既有电阻的串联,又有电阻的并联,这种电路叫做电阻的混联电路。
如图:
R1,R2分析混联电路的方法1、应用电阻的串联、并联逐步简化电路,求出电路的等效电阻;2、由等效电阻和电路的总电压,根据欧姆定律求出电路的总电流;3、由总电流根据基尔霍夫定律和欧姆定律求出各支路的电压和电流。
R2,R3,三、基尔霍夫定律基尔霍夫定律是电路中电压和电流所遵循的基本规律,是分析和计算较国复杂电路的基础,即可以用于直流电路的分析,也可以用于交流电路的分析。
1.基尔霍夫电流定律KCL支路、结点和回路支路:
电路中流过同一个电流的分支称为支路,支路上流过的电流称为支路电流。
结点:
支路的连接点称为结点(节点)。
在电路中三条或三条以上支路相连接的地方形成一个结点。
回路:
由一条或多条支路所组成的任何一个闭合电路称为回路。
跳转到第一页,定律表述:
在电路中的任一结点,在任一时刻,流进结点的电流之和等于从该结点流出的电流之和。
式中的k表示该结点上联接的支路总数。
例题列出图中结点a、b和c的电流方程。
解对结点a有-I1+I3I4=0对结点b有I2I3I6=0对结点c有I1I2+I5=0提示:
列结点电流方程时,先标明支路电流的方向。
习惯上设流入结点的电流为正,流出结点的电流为负。
跳转到第一页,K,k1,k,I0,定律表述:
在任一瞬间,沿任一回路设定方向(顺时针或逆时针),回路中所有支路电压降的代数和为零。
例题列出图中虚线绕行回路的基尔霍夫电压方程。
解设定回路和中参考方向。
支路原设定的方向若与之一致,则为正,否则为负。
建立两个回路的电压方程如下:
跳转到第一页,1112,2,回路:
-E+IR+IR=O,2,回路:
-E+I,33,22,R+IR=0,2.基尔霍夫电压定律(KVL)K,k1,k,U0,例题如图已知:
R1=1,R2=2,R4=4,R5=5,R6=6,E3=2V,I2=1A,I4=1.5A,I5=2A。
求E1,E2。
跳转到第一页,解据基尔霍夫电流定律,结点b:
I6=I2+I4=1A+1.5A=2.5A结点c:
I3=I2+I5=1A+2A=3A结点a:
I1=I3+I4=3A+1.5A=4.5A据基尔霍夫电流定律,在abda回路中:
E1=I1R1+I4R4+I6R6=4.5+1.54+2.56=25.5(V)在cdbc回路中:
I5R5+E3-I6R6+E2-I2R2=0E2=I6R6+I2R2-I5R5-E3=2.56+12-25-2=5(V),功率计算公式也可写成:
跳转到第一页,U2R,2,PI2R,UIR,U,IR,因为,P负载功率,W;U负载两端的电压,V;I通过负载的电流,A。
功率的单位是W(瓦特),常用还有:
KW,MW。
它的换数关系:
1MW=1000KW,1KW=1000W,PUI,四、功率和电能1.功率单位时间内元件发出或吸收的电能。
直流电功率:
2.电能:
电动机、电灯等用电负荷的功率只反映他们的工作能力,而他们完成的工作量则需通过电能来反映,电能的大小除了跟功率有关外,还与工作时间有关。
WPt式中:
t时间,S;P功率,W。
电能的单位是J(焦耳),它表示功率1W的用电设备在1S时间内所消耗的电能。
实际应用中的电能单位是:
KWh(千瓦时),即通常所说的1度电。
1度电=1KWWh=3600KJ,跳转到第一页,例:
60W和25W的两个灯泡串联后接在220V的电源上,问哪个灯泡较亮,电路中的电流的多少,每个灯泡实际消耗的功率是多少。
跳转到第一页,分析:
两个不同功率的灯泡串联后,在线路上消耗的功率越大就越亮。
那么先求出两灯泡各自的阻值,再求它们串联在线路上的电流,然后求每个灯泡消耗的功率。
解:
60W灯泡的电阻为,R60=,=,=807(),25W灯泡的电阻为,25,R=,U2P60U2P25,=,2202602202,25,5,U两个灯泡串联后电路中的电流为I=,=,U,=0.08A,=1940()220,RR60+R2807+1940,每个灯泡消耗的功率为,6060,2,P=2I2IR=0.088075.16(W),P25=2I2IR25=0.02828194012.4(W)由上可见,串联后25W灯泡的实际消耗功率较60W的大得多,所以25W灯泡较亮。
跳转到第一页,第二节交流电路大小和方向随时间按正弦曲线的规律发生周期性变化的电动势、电压、电流分别称为交变电动势、电压和电流,通称交流电。
交流电与直流电的区别:
直流电:
大小和方向都不随时间变化而变化。
交流电:
大小和方向都随时间变化而变化。
uUmsin(wtqu)iImsin(wtqi),跳转到第一页,交流电是由交流发电机产生的。
跳转到第一页,一、交流电的特性及产生,跳转到第一页,二、交流电的基础物理量1、瞬时值和最大值,交流电路中,交流电在每一瞬时的电动势、电压、电流的数值。
瞬时值分别用字母e、u、i表示。
瞬时值中最大的数值,叫最大值,分别用字母Em、Im、Um表示。
2、周期、频率和角频率周期:
交流电每交变一次所需的时间,用符号“T”表示。
单位是s(秒)。
频率:
每秒内交流电交变的周期数或次数,用符号“f”表示。
单位是Hz(赫兹)。
1MHz=1000KHz=100000Hz,跳转到第一页,1,1,周期与频率的关系:
fTTf,我国交流电频率为50Hz(工频),即每秒变化50个周期,其每个周期用时为0.02s.角频率:
单位时间内变化的电角度,用符号“”表,弧度,示,单位是rad/s。
导线旋转一周,角度变化,所需时间为一周,即:
2p,T,角频率与周期及频率的关系:
w,2pf,2p,对50Hz的工频交流电,其角频率为314rad/s。
频率、周期和角频率都是反映交流电重复变化,快慢的物理量。
3、相位、初相位和相位差,跳转到第一页,相位:
是反映正弦量变化的进程的量,它确定正弦每一瞬时间的状态。
不同的相位对应不同的瞬时值。
t=0时的相位,称为初相位或初相角。
初相位与计时起点有关,可正、可负、可零。
最大值、频率和初相角是确定正弦量的三要素。
相位差:
在任一瞬间,两个同频率正弦交流电的相位之差。
相位差就是初相位之差,它与时间及角频率无关。
注意:
只有同频率的正弦量之间,才有相位差、超前、滞后等概念。
频率不同,在相位上不能进行比较,并,规定超前或滞后的角度数不超过,。
p,4、有效值,跳转到第一页,正弦交流电的大小和方向随时在变,在实用上常用热效应相等的直流电流值来表示交变电流值的大小,这个直流电流值就称为交流电的有效值。
用大写字母表示。
正弦交流电的有效值等于交流电的电流、电压、电动势最大值Im、Um、Em、的1/2,即:
I0.707ImU0.707UmE0.707Em,以正弦电流为例,跳转到第一页,iImsin(wtqi),振幅,角频率,相位,初相角:
简称初相,t,O,i,振幅、角频率和初相称为正弦量的的三要素。
iIm波形,正弦量的三要素,j0,u与i同相。
j0,u超前i,或i滞后u。
jp,u与i反相。
2,jp,u与i正交。
(a)u与i同相,(b)u超前i,u、i,t,O,u,i,u、i,t,O,u,i,u、i,t,O,u,i,u、i,t,O,u,i,(c),u与i反相,(d),u与i正交跳转到第一页,跳转到第一页,p,2p,u2,2,puiRiR,i+,Ru,四、单一参数交流电路的分析
(一)、纯电阻电路白炽灯、电炉等可近似看作是纯电阻负载。
这种负载没有储能或释能的能力,只会消耗电源能量。
在纯电阻电路中,电压和电流瞬时值符合欧姆定律。
u=Ri,跳转到第一页,
(二)、纯电感电路,铁芯线圈可看成纯电感电路。
i,L+u,电感是一种能够贮存磁场能量的元件,是实际电感器的理想化模型。
电感在电路中用“”表示,单位是亨利()。
常用还有mH、uH,1H=1000mH=100000u,跳转到第一页,对于直流电路,电感线圈相当短路;f越高,XL越大,电流越小,故有通直流阻交流的作用。
感抗:
XL=L,与频率成正比。
电感线圈在交流电路中,不消耗有功功率,有功功率为“0”。
无功功率:
衡量电源和线圈之间这种能量互换的速率折物理量,定义为:
LLL,QL=ULI=I2XL,由上图所示,u与i的相位差为:
2,p,即u超前i:
2,p,无功功率的单位为:
var(乏(乏)或,kvar(千(千乏),跳转到第一页,(三)、纯电容电路,i,C,+,u,电容元件是一种能够贮存电场能量的元件,是实际电容器的理想化模型。
电容在电路中用“C”表示,单位是法拉(F)。
常用还有uF、nF、pF,1F=100000uF1uF=1000nF1nF=100,跳转到第一页,只有电容上的电压变化时,电容两端才有电流。
在直流电路中,电容上即使有电压,但,相当于开路,即电容具有隔直作用。
容抗:
XC=1/C,与频率成反比。
电容器在交流电路中,不消耗有功功率,有功功率为“0”。
无功功率:
衡量电源和电容之间这种能量互换的速率折物理量,定义为:
Q=UI=I2XCCC,p,由上图所示,i与u的相位差为:
22,即i超u:
p,跳转到第一页,五、三相交流电路由3个频率相同、最大值相同、相位互差120的三个正弦交流电动势所构成的电源称为三相电源。
由三相电源供电的电路称为三相交流电路。
(一)、三相交流电的产生三相电源由三相交流发电机产生的。
在三相交流发电机中有3个相同的绕组。
3个绕阻的首端分别用A、B、C表示,末端分别用X、Y、Z表示。
这3个绕组分别称为A相、B相、C相,所产生的三相电压分别为:
uA2UpsinwtuB2Upsin(wt120)uC2Upsin(wt120),U&CUp120,U&AUp0U&BUp120,跳转到第一页,t,u,u,A,uB,uC,O,120,120,120U&A,U&C,B,U&,三个电压达最大值的先后次序叫相序,图示相序为,ABC。
(a)波形图(b)相量图对称三相电源:
三个电压、同幅值、同频率、相位互差120任一瞬间对称三相电源3个电压瞬时值之和或相量之,和为零。
uAuBuC0U&AU&BU&C0,。
C,U&,30,30,30U&A,U&B,U&AB,U&BC跳转到第一页,U&B,U&AU&CA,U&C,+U&AU&B,+,+,U&C,A,N,B,C,每个电源的电压称为相电压火线间电压称为线电压。
A,CAC,U&U&U&,U&BU&C,U&ABU&AU&BCU&B,
(二)、三相电源的联接1.星形连接:
3个末端连接在一起引出中线,又称零线。
由3个首端引出3条相线,俗称火线,跳转到第一页,30,U&C30,30U&A,U&B,U&AB,BC,U&,B,U&,U&AU&CA,U&C,3Up30V3Up90V3Up150V,3U&A303U&B303U&C30,U&ABU&BCU&CA,p,l,由相量图可得:
U3U,可见,三个线电压幅值相同,频率相同,相位相差120。
不引出中线的三相供电方式称为三相三线,有中线的三相供电方式称为三相四线制;有中线、地线的三相供电方式称为三相五线制。
相线与中线间的电压称为相电压。
线电压是相电压的,3倍。
线电压超前于所对应的相电压30。
A,跳转到第一页,U&,+,U&B,+,U&C,A,B,C,注:
此种接法如一相接反,将造成严重后果。
2.三角形连接:
将三相绕组的首、末端依次相连,从3个点引出3条火线。
UlUp,U&BC,U&CA,U&AB,+,U&C,跳转到第一页,+,+U&AU&B,A,I&ANI&BI&C,B,+C,Z,Z,Z,(三)、三相负载的联接1.负载的星形联接相电流:
负载中的电流。
线电流:
火线中的电流。
IlIp,在三相电路中,每相负载中的电流应该一相一相地计算。
在忽略导线阻抗的情况下,各相负载承受的电压就是电源对称的相电压。
线是流=相电流。
由于中线作为三相电流公共回路用的,一般中线电流比相线电流小,因此,中线导线的截面一般可比相线截面积小些。
三相对称负载,中线电流为“0”,可省去中线。
照明电路一般不平衡,故需采用具有中线的供电回路。
对三相四线制供电,中线在正常工作时,不允许断开,否则会使负荷大的一相端电压较正常相电压低,负荷小的那相端电压较正常相电压高,严重时会烧坏电器,而对单相负荷则不可能有回路,因此,规定在中线干线上不允许安装熔断器和开关设备,并选择机械强度高的导线。
跳转到第一页,A,跳转到第一页,I&,A,B,Z,Z,Z,I&B,I&C,I&AB,I&BC,I&CA,2.负载的三角形联接,C线电流等于相电流的3倍,并较相电流滞后30。
负载如何连接,应根据负载的额定电压和电源电压的数值而定,必须保证每相负载上承受的电压等于铭牌上按接法折算为线组上的额定电压。
(四)三相电路的功率计算对于三相电路,不论负载接成星形或三角形,三相总功率就是各相功率的总和。
不论是有功功率、无功功率,都应符合这原则。
视在功率(S):
单位:
VA或KVA有功功率、无功功率、视在功率之间的关系是:
S2=P2+Q2在相同的线电压下,负载作三角形连接时的有功功率是星形连接时有功功率的3倍。
对于无功功率和视在功率,也同样如此。
跳转到第一页,
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- 第二章 第一节 电工基础 第二 电工 基础
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