电工基础知识讲义.docx
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电工基础知识讲义
直流电路
一、电路及基本物理量
电路就是电流的通过途径。
最基本的电路由电源、负载、连接导线和开关等组成。
电路分为外电路和内电路。
从电源一端经负载回到另一端的电路称为外电路。
电源内部的通路称为内电路。
电路的定义:
就是电流通过的途径
电路的组成:
电路由电源、负载、导线、开关组成
内电路:
负载、导线、开关
外电路:
电源内部的一段电路
负载:
所有电器
电源:
能将其它形式的能量转换成电能的设备
1、电流
导体中的自由电子在电场力的作用下，做有规则的定向运动，就形成了电流。
习惯上规定正电荷的移动的方向为电流的方向。
每秒中内通过导体截面的电量多少，称为电流强度。
用
表示，即：
式中：
—电流强度，简称电流，单位为安培，A；
—电量，单位为库仑，C；
—时间，单位为秒，s。
电流具备的条件:
一是有电位差,二是电路一定要闭合.
电流强度:
电流的大小用电流强度来表示,基数值等于单位时间内
其中Q为电荷量（库仑）;t为时间（秒/s）;I为电流强度
电流强度的单位是“安”,用字母“A”表示.常用单位有:
千安（KA）、安（A）、毫安（mA）、微安（uA）
1KA=103A1A=103mA1mA=103uA
直流电流（恒定电流）的大小和方向不随时间的变化而变化,用大写字母“I”表示,简称直流电.电击（触电）：
是指电源通过人体内部,影响到心脏、肺部和神经系统的正常功能.电击可分为直接接触电击和间接接触电击.
直接接触电击：
是触及设备和线路正常运行时的带电体发生的电击（如误触接线端子发生的电击）.
间接接触电击：
是触及正常状态下不带电而当设备或线路故障时意外带电的金属导体发生的电击（如触及漏电设备的外壳发生的电击）.
按照人体触及带电体的方式和电流流过人体的途径,电击又可分为：
单线电击、两线电击、跨步电压电击三类.
电伤（烧伤）：
是通过人体的电流可导致人体皮肤、肌肉、或身体内部的器官烧伤.电伤可分为以下几种类型—
电烧伤：
是由电流的热效应造成的伤害,可分为电流灼伤和电烧伤.
皮肤金属化：
是在电弧高温的作用下,金属熔化、气化、金属微粒渗入皮肤,使皮肤粗糙而张紧的伤害.
电烙印：
是人体与带电体接触的部位留下的永久性的斑痕.
机械性损伤：
是电流作用于人体时导致的机体组织断裂、骨折等伤害.
电光眼：
是发生弧光放电时,由红外线、可见光、紫外线对眼睛的伤害.
火警与爆炸：
电流在不正常或有故障的情况下产生高温,足以燃点附近的物件,导致有火警及爆炸意外.一般导致产生高温的原因包括—
电力超出负荷;
绝缘体损坏、短路;
电器或电线保养不足;
通风欠佳.
预防触电的基本措施
在低压设备上工作的基本措施
将需停电设备的各方面电源彻底断开,包括中性线,并取下可熔保险器在刀闸或开关的操作把手上挂‘禁止合闸,有人工作’的标示牌;如需要可在刀闸或开关两侧装设接地线或现场派人看护.
工作前必须用合格的验电笔对停电设备及周围设备验电.
工作中要采用防止误触、误碰临近带电设备的措施和防止短路带电设备的措施.
采取防止误入临近的带电间隔和误登临近带电杆、塔上的措施.
禁止用喊话、约时等方式进行停送电.
根据现场需要安排指挥和监护人.
根据工作需要和现场情况采取其它的安全措施.
使用触电危险性较大的电气设备（主要是指手持动工具、手提照明灯、各种移动式电气设备等）的安全要求：
手持式电动工具必须完好,电源线不得任意加长;与电源连接应用插头连接,不得随意搭接;必须采用高灵敏的漏电保护器进行保护;严禁将I类工具的三芯电源线并为二芯使用.
手提行灯必须采用安全电压并采用合格的灯具和电源线.
使用潜水泵、水磨石机、电风扇等移动式电气设备时,必须检查其绝缘情况,使用中要防止电源线的绝缘好坏,要安装漏电保护,操作者应穿戴好防护用品.
2.带电作业的基本措施;
带电作业应则经验丰富的电工进行.至少两人以上同时工作,设有专责监护人进行监护.
带电作业应使用合格的绝缘工具,工作时应站在干燥的绝缘物上进行.
带电作业时应采取防止相间短路和三单相接地的绝缘措施.采取防止误触、误碰周围低压带电体的措施.
工作时先分清火线、零线,选好工作位置.断开线时,先断开火线,后断开地线;搭接导线时,顺序相反.人体不得同时接触两根线头.
3、电压、电位
电位在数值上等于单位正电荷沿任意路径从该点移至无限远处的过程中电场力所做的功。
其单位为伏特，简称伏（V）。
电压就是电场中两点之间的电位差。
其表达式为：
式中：
—电场力所做的功，单位为焦耳，J；
—电荷量，单位为库仑，C；
—两点之间的电位差，即电压，单位为伏特，V。
4、电动势
电动势的定义:
一个电源能够使电流持续不断沿电路流动,就是因为它能使电路两端维持一定的电位差.这种电路两端产生和维持电位差的能力就叫电源电动势.
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，其表达式为：
式中：
—外力所做的功，J；
—电荷量，C；
—电动势，V。
（该公式表明电源将其它形式的能转化成电能的能力）其中A为外力
所作的功,Q为电荷量,E为电动势.）
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，且仅存于电源内部。
5、电阻
电流在导体中流动时所受到的阻力，称为电阻。
用R或r示。
单位为欧姆或兆欧。
导体电阻的大小与导体的长度L成正比，与导体的截面积成反比，并与其材料的电阻率成正比，即
式中：
—导体的电阻率，Ω·m；
—导体长度，m；
—导体截面积，m2；
—导体的电阻，Ω。
6、感抗容抗阻抗
当交流电通过电感线圈时，线圈会产生感应电动势阻止电流变化，有阻碍电流流过的作用，称感抗。
它等于电感L与频率f乘积的2π倍。
即：
XL=WL=2πfL。
感抗在数值上就是电感线圈上电压和电流的有效数值之比。
即：
XL=UL/IL。
感抗的单位是欧姆。
当交流电通过电容时，与感抗类似，也有阻止交流电通过的作用，称容抗。
它等于电容C乘以频率的2π倍的倒数。
即：
Xc=1/2πfc=1/WC。
容抗在数值上就是电容上电压和电流的有效值之比。
即：
Xc=Uc/Ic。
容抗的单位是欧姆。
当交流电通过具有电阻（R）、电感（L）、电容（C）的电路时，所受到的阻碍称为阻抗（Z）。
它的数值等于：
Z2=R2+（XL－Xc）2。
阻抗在数值上就等于具有R、L、C元件的交流电路中，总电压U与通过该电路总电流I的有效值之比。
即：
Z=U/I
1.接地将电气设备的某一部分（通常是电源中性点、金属外壳、金属基座和构架等）与大地土壤间进行良好的电气连接称接地。
2.保护接地将设备的金属外壳、基座和构架等与大地土壤间进行良好的电气连接。
3.保护接零将设备的金属外壳、基座和构架等与电源中性线进行金属连接。
4.工作接地保证电气设备能正常工作以及防止因设备故障而引起高电压而设置的接地，如变压器和三相五柱电压互感器的中性点接地，两线一地系统的一相接地。
5.重复接地将中性线的一处或多处通过接地装置与大地作再次连接。
二、欧姆定律
1、部分电路欧姆定律
不含电源的电路称为无源电路。
在电阻R两端加上电压U时，电阻中就有电流I流过，三者之间关系为：
欧姆定律公式成立的条件是电压和电流的标定方向一致，否则公式中就应出现负号。
2、全电路欧姆定律
含有电源的闭合电路称为全电路，如图2-1所示。
图中虚线框内代表一个电源。
电源除了具有电动势E外，一般都是有电阻的，这个电阻称为内电阻，用r0表示。
当开关S闭合时，负载R中有电流流过。
电动势E、内电阻r0、负载电阻R和电流I之间的联系用公式表示即为：
全电路欧姆定律还可以写为：
式中
称为电源的端电压；
称为电源的内压降。
三、电功和电功率
电流所做的功，叫电功；用符号A表示。
电功的数学式为：
式中：
—导体两端的电压，V；
—电路电流，A；
—导体的电阻，Ω；
—通电时间，s。
电功的大小与电路中的电流、电压及通电时间成正比，电功的单位为焦耳，另一个单位是千瓦·时（kWh）。
它们之间的关系是1千瓦·时=3.6兆焦=3.6×106焦耳（1kWh=3.6MJ=3.6×106J）。
单位时间内电流所做的功，叫做电功率。
用符号P表示，即
式中：
—导体两端的电压，V；
—电路电流，A；
—导体的电阻，Ω；
—作功的时间，s；
—电功，J。
电功率的单位是瓦，功率较大时，电功率的单位是千瓦kW、兆瓦MW。
（1MW=103kW=106W）
当电流通过电阻时，要消耗能量而产生热量，这种现象称为电流的热效应。
根据能量守恒定律，电路中消耗的功率将全部转换成热功率，即：
PR=0.24I2R（卡/秒）。
式中0.24为电、热功率的转换系数（热功当量），即每瓦电功率为0.24卡/秒的热功率。
我们常用的电炉、白炽灯、电烙铁、电烘箱等都是利用电流的热效应而制成的电器。
四、电源外部特性与电路的三种状态
1、电源的外部特征：
在电动势不变的情况下，电源的端电压与电路中的电流大小及电源的内电阻大小有关。
一般情况下，电流越大，电源的端电压就越低。
2、电源的三种状态：
当电路接通，负载中有电流流过时，电路处于导通状态；若外电路与电阻值近似为零的导体接通时，电路处于短路状态；若电路中有断开处，电路中没有电流流过时，电路处于开路状态。
电路处于开路状态时，电源的端电压与电动势相等。
五、电阻的串、并联及混联
1、电阻的串联
凡是将电阻首尾依次相连，使电流只有一条通路的接法，叫做电阻的串联。
电阻串联电路具有以下特点：
①、串联电路中电流处处相等，即
；
②、串联电路中总电阻等于各分电阻的和，即
；
③、串联电路中总电压等于各分电压的和，即
；
④、各电阻上的电压降之比等于其电阻比，即
；
2、电阻的并联
将电阻两端分别连接在一起的方式，叫电阻的并联。
电阻并联电路具有以下特点：
①、并联电路中各电阻两端的电压等于电源电压，即
；
②、并联电路中总电流等于各分电流的和，即
；
③、并联电路等效电阻的倒数等于各并联支路电阻的倒数之和，即
；
④、各并联电阻中的电流及电阻所消耗的功率均与各电阻的阻值成反比，即
；
3、电阻的混联
电路中既有电阻的串联又有电阻的并联，则称混联电路。
六、基尔霍夫定律
基尔霍夫定律包括第一定律和第二定律。
它们是分析计算复杂电路不可缺少的基本定律。
1、基尔霍夫第一定律（节点电流定律）
对任一节点来说，流入（或流出）该节点电流的代数和等于零。
其数学表达式：
或
。
电流正负的规定：
一般取流入节点的电流为正，流出节点的电流为负。
2、基尔霍夫第二定律（回路电压定律）
在电路的任何闭合回路中，沿一定方向绕行一周，各段电压的代数和为零，即：
或
。
在应用回路电压定律时，往往把电动势写在等式左边，把电压写在等式右边。
对于第二个表达式中各电动势和电压的正负确定方法如下：
①、首先选定各支路电流的方向。
②、任意选定沿回路的绕行方向（顺时针或逆时针）。
③、若流过电阻的电流方向与绕行方向一致，则该电阻上的压降为正，反之取负。
④、若电动势的方向与绕行方向一致，则该电动势取正，反之取负。
磁与电磁的基本知识
一、电流的磁场
通电导体的周围有磁场存在。
导体中通过电流时产生的磁场方向可用安培定则（又称右手螺旋定则）来判断。
当通电导体为直导体时，右手握直导体，拇指的方向为电流方向，弯曲四指的指向即为磁场方向。
当通电导体为螺旋管时，右手握螺旋管，弯曲四指表示电流方向，拇指所指的方向即为磁场方向。
二、磁场对电流的作用
1、磁场对通电直导体的作用
处在磁场中的直导体流过电流时，导体会发生运动，表明通电导体受到一个电磁力的作用。
这个电磁力的大小与通电导体电流的大小成正比，与导体在磁场中的有效长度以及导体所处位置的磁感应强度成正比。
写成数学表达式即为：
（N）
通电导体在磁场中的受到的电磁力方向，可用左手定则判定：
平伸左手，使大拇指与其余四指垂直，让磁力线垂直穿过手心，四指指向电流方向，大拇指所指的方向就是导线受力后的运动方向。
2、通电平行导体之间的相互作用
两根平行且靠近的通电导体，相互之间都要受到对方电磁力的作用。
电磁力的方向可用以下方法来判定。
先判定通电导线的产生的磁场方向，再判定两根导体分别受到的电磁力方向。
两根平行导体的电流方向相同时，相互吸引；电流方向相反时，相互排斥。
三、电磁感应
由于导体所在的磁场的大小或方向发生变化或磁场与导体之间作相对运动而产生的电动势，叫做感应电动势，这种现象叫做电磁感应。
直导体中感应电动势的方向可用右手定则来判定：
平伸右手，使大拇指与其余四指垂直，让磁力线垂直穿过手心，大拇指指向导线的运动方向，其余四指所指的方向就是就感应电动势的方向。
四、自感与互感
1、自感
由于线圈本身电流的变化而引起线圈内产生电磁感应的现象，叫做自感现象。
由自感现象而产生的感应电动势，叫做自感电动势。
2、互感
两个线圈之间的电磁感应叫互感应，简称互感。
五、涡流及趋肤效应
1、涡流
涡流是感应电流的一种，带有铁心的线圈相当于原线圈，铁心相当于副线圈。
当线圈通有变化的电流时，便在铁心内产生变化的磁通，由于互感作用，在铁心内产生自成回路的环流称为涡流。
涡流会使铁心发热，增加电能的损耗，叫做涡流损失。
交流电器的铁心由涂有绝缘漆的硅钢片叠成的，就是为了减小涡流损失。
2、趋肤效应
导体通过交流电时，由于产生的电磁感应，会使导体表面的电流密度较大，内部的电流密度较小，这种现象称为趋肤效应。
使得流过导体的电流比较集中地分布在导体表面，频率越高，此现象越明显。
交流电基本知识
一、交流电的基本概念
大小和方向都随时间作周期性变化的电压和电流，分别叫交流电压和交流电流，统称交流电。
按正弦规律变化的交流电叫做正弦交流电。
大小和方向不随时间变化的电压和电流分别叫做直流电压和直流电流，统称为直流电。
如直流发电机、蓄电池等。
二、正弦交流电的瞬时值、最大值、有效值和平均值
瞬时值：
正弦交流电在某一瞬间的数值称为瞬时值。
最大值：
正弦交流电在一个周期中所出现的最大瞬时值称为最大值。
有效值：
交流电的有效值是指在热效应上同它相当的直流值。
正弦交流电的有效值等于最大值的
倍。
平均值：
正弦交流电在正半周期内所有瞬时值的平均大小称为正弦交流电的平均值。
三、交流电的周期和频率及角频率
1、周期和频率
周期：
交流电每交变一次所需的时间，通常用T表示，单位是秒。
频率：
每秒内交流电交变的周期数或次数叫做频率，用f表示，单位是赫兹。
周期和频率互为倒数，即：
我国工业上使用的正弦交流电的频率为50Hz,习惯上称为工频。
2、角频率
正弦交流电表达式中的
项中，通常称为角频率或角速度。
它表示交流电每秒钟内变化的角度。
四、正弦交流电的三种表示方法
正弦交流电常用的表示方法有：
解析法、图形法和矢量法三种。
1、用一个数字子来表示交流电的方法称为解析法。
2、用波形图来表示交流电的方法叫图形法，也叫曲线图法。
3、用矢量来表示交流电的方法叫矢量法。
这是一种能比较简便直观的表示交流电的方法。
五、三相交流电源
1、基本知识
概括的说，三相交流电是三相交流发电机产生，经三相输电线输送到各地的对称电源。
三相电源对外输出的为Eu、Ev、Ew三个电动势，三者之间的关系为：
大小相等、频率相同、相位上互差120°。
U=Um（wt），U=Um（wt-120）U=Um（wt+120）
三相电动势达到最大值的先后次序叫相序。
正序为U-V-W-U；反之为逆序。
常用黄、绿、红三色分别表示U、V、W三相。
瞬时值与最大值
电动势、电流、电压每瞬时的值称为瞬时值.符号分别是:
电动势“E”,电压“U”,电流“I”.
瞬时值中最大值,叫做交流电动最大值.也叫振幅.符号分别是:
Em,Im,Um.
周期、频率和角频率
周期:
交流电每交变一次（或一周）所需时间.用符号“T”表示;单位为“秒”,用字母“s”表示;T=0.02s
I
0tT=0.02s（China中国）
频率:
交流电每秒交变的次数或周期叫做频率.用符号“f”表示,单位是Hz.
50Hz（China中国）
角频率:
单位时间内的变化角度，用“rad/s”（每秒的角度）表示，单位为”ω”.
相位、初相位、相位差
相位：
两个正弦电动势的最大值是不是在同一时间出现就叫相位,也可称相角．
初相位：
不同的相位对应不同的瞬时值，也叫初相角．
相位差：
在任一瞬时，两个同频率正弦交流电的相位之差叫相位差．
有效值：
正弦交流电的大小和方向随时在变．用与热效应相等的直流电流值来表示交流电流的大小．这个值就叫做交流电的有效值．
纯电阻电路：
负载的电路，其电感和电容略去不计称为纯电阻电路．
纯电感电路：
由电感组成的电路称为纯电感电路．
纯电容电路：
将电容器接在交流电源上组成的电路并略去电路中的一切电阻和电感．这种电路称为纯电容电路．
2、三相电源的联结
三相交流电的定义：
在磁场里有三个互成角度的线圈同时转动，电路里就产生三个交变电动势．这样的发电机叫三相交流发电机，发出的电叫三相交流电．每一单相称为一相．
三相交流电的特点
转速相同，电动势相同；
线圈形状、匝数均相同，电动势的最大值（有效值）相等；
三个电动势之间互存相位差;eA、eB、eC为三相对称电动势.计算公式为:
eA=EmSinnt
eB=EmSin（wt-1200）
eC=EmSin（wt-2400）
电源的连接（在实际连接中）
星形连接 ＂Ｙ＂
Ａ Ａ 相电压：
每个线圈两端的电压．相电
压为220V
UA ０线电压：
两条相线之间的电压．线电
压为380V
Ｂ 相电压与线电压的关系如下：
Ｃ UB ＢU线=
相；Ｕ相=220V；
U线=380V
UC Ｃ相电流：
流过每一相线圈的电流．
用Ｉ相表示
（三相四线输出） 线电流：
流过端成的电流．用Ｉ线表
示．
相电流等于线电流．
三角形连接 ＂Δ＂
ABＩ线=
相；Ｕ线=Ｕ相
C
（三线三相输出）
示例：
有一三相发电机，其每相电动势为127V，分别求出三相绕组作星形连接和三角形连接时的线电压和相电压
解：
作星形连接时，UY相=127V,UY线=
相=127Vx
作三角形连接时，U=127V
电力系统的负载分为两大类，一类是单相负载，如照明等。
一类是三相负载，如大多数电动机等动力负载。
在三相负载中常用的绕组连接方式有星形接法（Y）和三角形接法（△）。
在星形（Y）和三角形（△）接法中，所谓线电压是两相之间的电压（用
来表示），相电压是指每相绕组始末端的电压（用
来表示）。
线电流是表示相线流过的电流（用
来表示），相电流则表示每相绕组流过的电流（用
来表示）。
在Y接法中，
，
在△接法中，
，
①、三相电源绕组的星形联结：
将三相电动势的末端联成一个公共点的联结方式，称为星形（Y）联结。
该公共点称为电源中点，用N表示。
由三个电动势始端分别引出三根导线称相线或端线。
从电源中点引出的导线称中性线或零线。
有中性线的叫三相四线制；无中性线的叫三相三线制。
三相四线制电源可以提供的电压有线电压和相电压两种，二者关系为：
且线电压超前相电压30°。
②、三相电源绕组的三角形联结：
将三相电动势中每一相的末端和另一相的始端依次相接的联结方式，称为三角形（△）联结。
在三角形联结中，
。
3、三相四线制
如果电源和负载都是星形接线，那么我们就可以用中性线连接电源和负载的中性点。
这种用四根导线把电源和负载连接起来的三相电路称为三相四线制。
由于三相四线制可以同时获得线电压和相电压，所以在低压网络中既可以接三相动力负载，也可以接单相照明负载，故三相四线制在低压供电中获得了广泛的应用。
中性线的作用，就是当不对称的负载接成星形连接时，使其每相的电压保持对称。
在有中性线的电路中，偶然发生一相断线，也只影响本相的负载，而其它两相的电压依然不变，但如中性线因事故断开，则当各项负载不对称时，势必引起各相电压的畸变，破坏各相负载的正常运行，而实际中，负载大多是不对称的，所以中性线不允许断路。
4、三相功率的计算
不论负载是Y接还是△接，只要三相电路对称，只要三相功率对称，就等于3倍的单相功率。
用相电压和相电流表示可写成：
如用线电压和线电流表示，则三相功率可写成：
式中：
P—有功功率；
Q—无功功率；
S—视在功率。
如果三相负载不对称，则应分别计算各相功率，三相功率等于各相功率之和。
六、功率因数φ、有功功率P、无功功率Q、视在功率S
在交流电路中，电压与电流之间的相位差（φ）的余弦，叫做功率因数，用符号cosφ表示，在数值上，是有功功率和视在功率的比值。
即：
有功功率—交流电路中，电阻所消耗的功率。
无功功率—在交流电路中，电感（电容）是不消耗能量的，它只是与电源之间进行能量交换，并没有真正消耗能量，我们把与电源交换能量的功率称为无功功率。
视在功率—交流电路中电压与电流的乘积。
有功功率、无功功率、视在功率三者的关系是：
二常用电工仪表和测试的认识及应用
1.电工仪表的基本原理
磁电式仪表用符号‘∩’表示.其工作原理为：
可动线圈通电时，线圈和永久磁铁的磁场磁场相互作用的结果产生电磁力，从而形成转动力矩，使指针偏转．
电磁式仪表用符号‘‘表示,分为吸引型和排斥型两种.
吸引型电磁式仪表工作原理：
线圈通电后,铁片被磁化,无论在那种情况下都能使时钟顺时方向转动.
排斥型电磁式仪表工作原理：
线圈通电后,动定铁片被磁化,动定铁片的同极相对,互相排斥,使动铁片转动.
电动式仪表用符号‘‘表示.其工作原理为：
固定线圈产生磁场,可动线圈有电流通过时受到安培力作用,使指针顺时针转动.
2.常用的测量仪表
电工测量项目：
电流、电压、电阻、电功率、电能、频率、功率因素等.
电流表和电压表
电流测量
电流测量的条件：
电流表须与被测电路串联；电流流量不超过量程．
电流测量的方法：
a图电流表直接接入式
UE负载适用:
交直流小电流测量
A
b图直流电流表与分流器接入
UEAR不适用:
扩大仪表量程
RfL的确定：
1.测出R表;2.定出量程范围
例:
假定A表的量程为A1（1A,1m）
解:
因U表=RfL,则A1xR表=（A2–A1）xRfL
1x0.1=（10–1）xRfL
即RfL=
=
m
c图交流电流表通过电流互感器接入
R适用:
交流大电流测量
A
互感器的选用：
1）选用穿互感器的匝数必须满足母线电流,小于允许电流;
2）购买配套仪表:
例如选用1匝150/5,则选用150/5仪表
电压测量
电压测量条件：
电压表必须与被测电流并联,电压值不得超出量程.
电压测量方法：
a图直接接入法
R适用:
交直流低压测量
V
b图通过附加电阻加入
R适用:
扩大仪表量程,一般不超过2000V
V
c图
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