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文檔簡介

1、緒 論 學習建筑電工學的主要目的,就是要掌握電工技術的基本理論、基本知識和基本技能;為學習有關專業(yè)課和從事專業(yè)技術工作以及進一步鉆研新技術奠定初步基礎。 本課程的主要內容和基本要求: 1電路 2電氣設備 3建筑施工供電與照明 4電子技術基礎 5電工與電子實驗 第一章 電工基本知識和單相交流電路 1-1 電路的組成及其基本物理量 一、電路的組成(4部分) 電路就是電流通過的路徑。圖1-1是一個簡單的電路模型。圖1-1 電路的組成最簡單的電路 二、電路的基本物理量 1.電流強度(簡稱電流) 衡量電流強弱的物理量稱電流強度。 (在1s內通過導體橫截面的電荷為1C(庫侖)時,其電流為1A。) 直流電流

2、,大小和方向均不隨時間變化的電流叫恒定電流 用I表示。交流電的大小和方向均隨時間周期變化 (1-1)(1-2) 用i表示 為了維持電路中有持續(xù)不斷的電流,必須有一種外力,把正電荷從低電位處(如負極B)移到高電位處(如正極A)。在電源內部就存在著這種外力。如上圖所示,外力克服電場力把單位正電荷由低電位B端移到高電位A端,所做的功稱為電動勢,用E表示。電動勢的單位也是V。如果外力把1C的電量從點B移到點A,所做的功是1J,則電動勢就等于1V。電動勢的方向規(guī)定為在電源內部從低電位指向高電位,即由負極指向正極。 電源的電動勢在數(shù)值上就等于電源力把單位正電荷從電源的負極經電源內部移到正 極電源力所做的功

3、。(1-3) 電動勢的單位是伏特,簡稱伏(V)。較大或較小的單位是千伏(kV),毫伏(mV), 3.電壓 電路中任意兩點a、b之間的電壓差Uab,在數(shù)值上等于電場力將單位正電荷從a點推到b點所做的功(1-4)電位的概念(1-5) 把單位電荷在電路中某點所具有的能量稱為該點的電位。 電位在數(shù)值上等于電場力將單位正電荷從該點沿任意路徑推到參考點(假設的零電位點)所做的功,用U加單字母標表示。電壓的方向則由起點指向終點,有時用箭頭在圖上標明。 如果電場力把1C電量從點A移到點B所作的功是1J(焦耳), 則A與B兩點間的電壓就是1V 電壓的單位與電勢相同。 5.電功率 一秒鐘內負載(電源輸出)消耗的電

4、能叫做負載(電源)的電功率。 W= QU。 在直流電路中,負載消耗的電功率P等于負載兩端的電壓U與通過負載電流I的乘積。 P=UI (1-6) 功率的單位是:千瓦(kW)、瓦(W)、毫瓦(W)。 1-2 電路的基本定律 一、歐姆定律 電阻中電流的大小與加在電阻兩端的電壓成正比,而與電阻值成反比,即: (1-7)圖1-2 一段電阻電路 二、克希荷夫定律及其應用 克希荷夫定律共有兩個:第一定律應用于克希荷夫定律共有兩個:第一定律應用于節(jié)點,又稱節(jié)點電流定律節(jié)點,又稱節(jié)點電流定律(KCL);第二定律;第二定律應用于回路,又稱回路電壓定律應用于回路,又稱回路電壓定律(KVL)。圖1-3 復雜電路 首先

5、要理解幾個術語:首先要理解幾個術語: 支路:電路中一段無分叉的電路稱為支路,支路:電路中一段無分叉的電路稱為支路,或者說支路上的電流處處相等?;蛘哒f支路上的電流處處相等。 結點:電路中三條或三條以上的支路相連結點:電路中三條或三條以上的支路相連接的點稱為結點接的點稱為結點 回路:電路中任一閉合路徑稱為回路?;芈罚弘娐分腥我婚]合路徑稱為回路。 1.克希荷夫電流定律 在任一瞬時,對于電路中任意一個節(jié)點,流入節(jié)點的電流之和必等于從該節(jié)點流出的電流之和。(1-8)(1-9) 如圖1-3的 B節(jié)點:I1=I2+I3 如圖1-4的廣義節(jié)點(也適用某些閉合區(qū)域)Ib+Ic=Ie圖1-4 晶體三極管可等效為廣

6、義節(jié)點Ia+Ib+Ic=0 2.克希荷夫電壓定律 在任一瞬時,沿任一回路繞行一周,回路上各電動勢的代數(shù)和必等于各段電壓降的代數(shù)和。(1-10)(1-11) 在任一瞬間,沿任一回路的順時針(逆時在任一瞬間,沿任一回路的順時針(逆時針),回路中各段電壓的代數(shù)和恒等于針),回路中各段電壓的代數(shù)和恒等于0,也可以用電勢的概念來解釋。即在順時針也可以用電勢的概念來解釋。即在順時針或逆時針方向上沿回路一圈,所有電位降或逆時針方向上沿回路一圈,所有電位降之和應該等于電位升之和。之和應該等于電位升之和。 如圖1-3的I回路:E1-E2=I1R1-I2R2 3.克希荷夫定律的應用 (1)利用兩定律求解復雜電路中

7、的電流 在圖1.27中,已知I1=0.01A,I2=0.3A,I5=9.61A,試求電流I3,I4,I6。例例1.2.1,求各支路的電流,求各支路的電流(2)電路中電位計算 在電路中要求得某點的電位值,也必須在電路中選擇一個在電路中要求得某點的電位值,也必須在電路中選擇一個參考點,這個參考點叫零電位點。零電位點可以任意選擇。參考點,這個參考點叫零電位點。零電位點可以任意選擇。在電工技術中,為了工作安全,通常把電路的某一點與大在電工技術中,為了工作安全,通常把電路的某一點與大地連接,稱為接地。這時,電路的接地點就是電位等于零地連接,稱為接地。這時,電路的接地點就是電位等于零的參考點。它是分析線路

8、中其余各點電位高低的比較標準,的參考點。它是分析線路中其余各點電位高低的比較標準,用符號用符號“”表示。電路中某點的電位,就是從該點出發(fā),表示。電路中某點的電位,就是從該點出發(fā),沿任選的一條路徑到參考點所經過的全部電位降的代數(shù)和。沿任選的一條路徑到參考點所經過的全部電位降的代數(shù)和。計算電位的方法和步驟如下:計算電位的方法和步驟如下: (1) 選擇一個零電位點,即參考點。選擇一個零電位點,即參考點。 (2) 標出電源和負載的極性:按標出電源和負載的極性:按E的方向是由負極指向正的方向是由負極指向正極的原則,標出電源的正負極性,在假設電流方向,將電極的原則,標出電源的正負極性,在假設電流方向,將電

9、流流入端標為負載的正極,流出端為負載的負極。流流入端標為負載的正極,流出端為負載的負極。 (3) 求點求點A的電位時,選定一條從點的電位時,選定一條從點A到零電位點的路徑,到零電位點的路徑,從點從點A出發(fā)沿此路徑到零電位點,不論一路經過的是電源出發(fā)沿此路徑到零電位點,不論一路經過的是電源還是負載,只要是從正極到負極,就取該電位降為正,反還是負載,只要是從正極到負極,就取該電位降為正,反之就取負值,然后,求代數(shù)和。之就取負值,然后,求代數(shù)和。例例1.2.21.2.2求求A,B,CA,B,C三三點的電位點的電位 1-3 電 磁 一、磁路的基本物理量 1.磁感應強度和磁通 磁感應強度B是描述磁場中某

10、點磁場強弱與方向的物理量。 一根長度為l,電流為I的直導體,垂直于磁力線的方向放入磁場時有:(1-12)磁通是描述磁場中某一范圍內磁場強弱的物理量。 =BS (1-13) 2.磁導率和磁場強度 磁導率是用來表示物質導磁性能的物理量。真空中的磁導率為一參數(shù),即 0=410-7 H/m (1-14) 而其他材料的磁導率和真空中的磁導率0的比值,稱為該物質的相對磁導率r (1-15)鐵,鈷,鎳及其合金等鐵磁材料的鐵,鈷,鎳及其合金等鐵磁材料的r 很高,是變壓器,電機和很高,是變壓器,電機和多種帶線圈的電器都有鐵芯的原因。多種帶線圈的電器都有鐵芯的原因。 為了計算方便,引入一個輔助量,稱磁場強度H。它

11、與磁感應強度B的關系是:(1-16)圖1-7 環(huán)形線圈電流的磁場磁場強度與磁場強度與磁導率無關,磁導率無關,只與線圈的只與線圈的形狀,匝數(shù)形狀,匝數(shù)和通過電流和通過電流 的大小有關的大小有關 二、磁路及磁路歐姆定律 磁路就是磁通通過的路徑,主要由鐵磁材料構成(1-18)(1-19)公式(1-19)是無分支磁路的歐姆定律。與電路歐姆定律進行比較。 1.3.1 在圖在圖1.3.1中,環(huán)形線圈內放置中,環(huán)形線圈內放置r=1000的鐵芯,的鐵芯,鐵芯的中心長度為鐵芯的中心長度為100cm,橫截面積為,橫截面積為10cm2 ,線圈線圈匝數(shù)為匝數(shù)為1000匝,求(匝,求(1)鐵芯的磁阻;()鐵芯的磁阻;(

12、2)當鐵芯)當鐵芯的磁通為的磁通為12.5610-4Wb,線圈中的電流為多少?(線圈中的電流為多少?(3)當鐵芯中開有長度為當鐵芯中開有長度為l0=0.1cm的空氣隙是,如果仍的空氣隙是,如果仍維持維持12.5610-4Wb的磁通不變,此時線圈電流多的磁通不變,此時線圈電流多大?大? 解答:解答:(1) (2)50R7.96 10/mrllA Wbsu u s1mRIAN (3)空氣隙所產生的磁阻和鐵芯的磁阻是串聯(lián))空氣隙所產生的磁阻和鐵芯的磁阻是串聯(lián)關系,先求空氣隙磁阻為:關系,先求空氣隙磁阻為: 保持磁通不變,線圈的電流為保持磁通不變,線圈的電流為: 由上述結果可知,當磁路中有很小的空氣隙

13、時,由上述結果可知,當磁路中有很小的空氣隙時,要保持足夠的磁通,要成倍的增加激勵電流或要保持足夠的磁通,要成倍的增加激勵電流或線圈匝數(shù),所以為了減少磁路的磁阻應該盡量線圈匝數(shù),所以為了減少磁路的磁阻應該盡量減少空氣隙的長度。減少空氣隙的長度。50007.96 10/ WbmrlRAu u s0(R)2mmRIAN圖1-8 直導體中的感應電動勢電磁感應(兩種方式)電磁感應(兩種方式)e=Blv (1-20)圖1-9 線圈中的感應電動勢(a)磁鐵插入 (b)磁鐵拔出 3.感應電動勢的方向 直導線切割磁力線產生感應電動勢的方向由右手定則判定,如圖1.3.2所示。 螺線管中產生的感應電動勢的方向由楞次

14、定律來確定:感應電動勢的方向總是使它在閉合回路中所產生的電流的附加磁通力圖阻止原磁通發(fā)生改變。 為使電磁感應公式既能表明感應電動勢的大小,又能正確反映由楞次定律所確定的感應電動勢的方向,故在式前置一負號,即:(1-22) 上式就是法拉第電磁感應定律。 四、自感與自感電動勢 由于線圈自身電流變化而引起的電磁感應現(xiàn)象稱為自感現(xiàn)象,所產生的感應電動勢稱為自感電動勢:(1-23)NL L稱為線圈的自感系數(shù)或電感。它僅僅稱為線圈的自感系數(shù)或電感。它僅僅與線圈的幾何形狀及磁導率有關。與線圈的幾何形狀及磁導率有關。表示線圈的磁通和它交鏈的匝數(shù)的乘積,稱表示線圈的磁通和它交鏈的匝數(shù)的乘積,稱為線圈的磁通鏈,用

15、為線圈的磁通鏈,用 表示。表示。對于空心線圈而言,其磁通鏈和通過它的激勵對于空心線圈而言,其磁通鏈和通過它的激勵電流之比總是一個常數(shù)電流之比總是一個常數(shù)由由1.3.71.3.7式左右同乘式左右同乘N N: 當變化的磁通穿過鐵心時,其中必然要產生感應電動勢,從而引起自成回路像水旋渦形的電流,故稱為渦流。圖1-10 鐵心中的渦流1-4 正弦交流電的產生及其基本概念 一、單相正弦電動勢的產生圖1-11 單相交流發(fā)電機的結構圖1-12 電樞表面磁場分布圖1-13 正弦電動勢的波形 為了產生正弦電動勢,磁極制成特定形狀,豎中心線空氣隙最小,磁阻最小,磁感應強度最大。兩側的磁感應強度越來越小,橫中心線磁感

16、應強度為0 電樞表面上任一點的磁感應強度為: B=Bmsin (1-25) 如繞組為N匝,則產生電動勢的大小為: e=N2Bmlvsin=Emsin (1-26) 當電樞從任意角開始,以的角速度旋轉,則經歷t時刻后,電動勢變化的電角度應為(t+ ),所以 e=Emsin (t+ ) (1-27)圖1-14 轉磁式發(fā)電機結構 轉磁式和轉繞式結構不同,原理相同。 二、正弦交流電的三要素 1.幅值和有效值 交流電隨時間變化,不便用正弦量來計量交流電的大小,我們用常用有效值來表示交流電的大小。(能量守恒) 若把一交變電流i和一直流電流I分別通過兩個等值的電阻R,如果在相同的時間內它們產生的熱量相等,則

17、此直流電流值就叫做該交流電流的有效值。 由焦爾楞次定律得: (1.4.4) (1-32) 由定義知Q直=Q交,即: (1-33) 設i=Imsint,代入式(1-33)得: (1-34) 同理,正弦電壓、正弦電動勢的有效值為: (1-35) (1-36) 例1.4.1 某交流電,用電壓表測得電源電壓為380V,問電源的幅值為多少?若電流按 ,問用安培表測得的讀數(shù)為多少? 解(1)14.1sinit2537mUUV102mIIA2.周期與頻率 正弦量變化一個循環(huán)所需的時間稱為周期,交流電一秒鐘內變化的次數(shù)稱為交流電的頻率。 (1-28) 角速度: (1-29) 3.初相位和相位差 e=Emsin

18、 (t+ ) (t+)反映了正弦量變化的進程,被稱為相位角,簡稱相位。 是當t=0時的相位角,即: 稱為初相位圖1-15 正弦電動勢的波形 三、同頻率正弦量的相位差 相位差就是兩個同頻率同頻率正弦量的相位之差,用表示。 (1.4.12) 同相,超前,滯后,反相。通常用來指電壓和電流之間的相位差值。 9021 90021 02118021uitui Ouitui90OuituiOtuiuiO 不同頻率的正弦量比較無意義。不同頻率的正弦量比較無意義。 兩同頻率的正弦量之間的相位差為常數(shù),兩同頻率的正弦量之間的相位差為常數(shù), 與計時的選擇起點無關。與計時的選擇起點無關。 ti2i1iO 例題1.4.

19、3 由圖1.4.7所示的正弦電壓u1和u2的波形,試寫出他們的三角函數(shù)表達式。已知:121212220 ,200 ,2,4,20,50mmUV UVtmstms Tms Tms 解:1111112100/5220sin(100 t)V5wrad sTw tu222222280/57.6200sin(80 t 57.6 )Vwrad sTwtu 。瞬時值表達式瞬時值表達式)sin(m tUu波形圖波形圖ut OUU相量:相量:一、復數(shù)的表示形式和四則運算 1.復數(shù)的表示形式 復數(shù)的代數(shù)表示式 A=a1+ja2 (1-37) A=a1+ja2=a(cos+jsin) (1-38) (1-39) 由

20、代數(shù)形式化成指數(shù)形式時,有:(1-40)圖1-18 復數(shù)的表示(a)復數(shù)與復平面上的點 (b)復數(shù)與向量 反過來,由指數(shù)形式化成代數(shù)形式按:2.復數(shù)的四則運算 (1-41)12A=(cosjsin )ajaaamsin()uUt設正弦量設正弦量:若若: :有向線段長度有向線段長度 = mU有向線段以速度有向線段以速度 按逆時針方向旋轉按逆時針方向旋轉則則: :該旋轉有向線段每一瞬時在縱軸上的投影即表示該旋轉有向線段每一瞬時在縱軸上的投影即表示相應時刻正弦量的瞬時值。相應時刻正弦量的瞬時值。(t=0t=0時)有向線段與橫軸夾角時)有向線段與橫軸夾角 = 初相位初相位 1u1tu0 xyOmUut

21、 O 隨時間按正弦規(guī)律變化的正弦量向量叫相量,把用相量表示正弦量的幅值和初相的方法叫正弦量的相量表示法。對正弦電壓、電流的幅值相量用Um、Im表示,有效值相量用U、I表示。例如: u=Umsin (t+u) 其幅值相量的復數(shù)表示式為: (1-45) 有效值相量的復數(shù)表示式為: (1-46)(sinmtUu設正弦量設正弦量:相量相量: 表示正弦量的復數(shù)稱相量表示正弦量的復數(shù)稱相量 UjUeU )(sinmtIi?= 非正弦量不能用相量表示。非正弦量不能用相量表示。只有只有同頻率同頻率的正弦量才能畫在同一相量圖上。的正弦量才能畫在同一相量圖上。 IU jmmmUU eU或:或:IeImjm 圖1-

22、20 正弦量的相量圖1U 202U 452U1U 落后于落后于1U2U超前超前落后落后?V)45(sin21102tuV)20(sin22201tu+1+j122020 VU211045 VU例例2: 已知已知)A60sinj60cos11()A30sinj30cos12.7( 有效值有效值 I =16.8 A)A 30 (314sin2.7 12 1ti )A 60 (314sin211 2ti。 iii21A) 10.9 314(sin216.8 ti求:求:1 12.7 30 AI21160 AIAA1212.7 301160IIIA10.916.8j3.18)A-16.5( 1-6 單

23、一參數(shù)的交流電路 一、純電阻電路圖1-23 純電阻電路及其相量圖和波形圖 1.電壓與電流的關系 設加在電阻R兩端的電壓為: u=Umsint (1-47) 根據(jù)歐姆定律,通過電阻的電流瞬時值為: (1-48) 由此可見 用相量表示 (1-50)(1-49) 純電阻電路的結論:RUI 0 iu 相位差相位差 : 2. 電阻上的功率 (1)瞬時功率 在電阻上任意瞬間所消耗的功率稱為瞬時功率。 (1-51) 兩部分構成(1) 瞬時功率瞬時功率 p:瞬時電壓與瞬時電流的乘積瞬時電壓與瞬時電流的乘積結論結論: (耗能元件)(耗能元件), ,且隨時間變化。且隨時間變化。0ppituOtpOiu (2)平均

24、功率(也稱有功功率) 平均功率即在一個周期內瞬時功率的平均值 (1-52) (1-53) 純電阻電路消耗的有功功率等于電壓和電流有效值的乘積。 二、純電感電路 1.電壓與電流的關系 設通過線圈中的電流為: i=Imsint (1-54) 由電磁感應定律可得: (1-55) 由此可見 (1-56)iu+-eL+-L U =I L 90iu相位差相位差utu iiO 電感電感L具有通直阻交的作用具有通直阻交的作用f = 0, XL =0,電感,電感L視為視為短路短路LfLXL2 fLXL2 fXLLXIU 則則: : 用相量表示 (1-57) (1-58)圖1-24 純電感電路及其相量圖和波形圖

25、2.電感線圈的功率 根據(jù)瞬時功率的定義得: pL=iu=ImsintUmcost=UIsin2t (1-59) 電感元件在正弦交流電路中,時而取能,時而放能,且取與放的能量相等,故它在一個周期內的平均功率等于零,即: (1-60)p 0分析:分析:瞬時功率瞬時功率 :uiptUI2sinui+-ui+-ui+-ui+-+p 0p 0p 0p 0pto所以電容所以電容C是儲是儲能元件。能元件。結論:結論: 純電容不消純電容不消耗能量,耗能量,只和只和電源進行能量電源進行能量交換(能量的交換(能量的吞吐吞吐) )。uiotu,i 例1.6.1 在下圖1.6.4(a)中,已知, 求(1)各個支路的電

26、流,并作相位圖(2)求各元件上的功率P,QL,QC220 2sin314,R50 ,L159.24mH,C64uFutV解答解答:(1)50150LCXWLXWC4.44.4904.4 90RLLccUIARUIjXIjX U。224.4 2sin3144.4 2sin(31490 )4.4 2sin(31490 )P968968var/968varRLCRLLLCCCitititUIWQI XQUX。 1-7 RLC的串聯(lián)交流電路圖1-27 RLC串聯(lián)電路和相量圖 一、電壓與電流的關系 (1-69) 各元件上的電壓為 (1-70) 式(1-70) 稱為歐姆定律的相量形式。式中: (1-71)

27、圖1-28 阻抗三角形、電壓三角形和功率三角形 二、電路的功率 1.瞬時功率 p=ui=2UIsin(t+) sint =UIcos-cos (2t+) (1-72) 2.平均功率 (1-73) 3.無功功率和視在功率 無功功率 (1-74)圖1-29 RLC交流電路的瞬時功率 把總電壓與電流的乘積稱為RLC交流電路的視在功率或表觀功率,用S表示,即: S=UI (1-75) 視在功率與有功功率、無功功率的關系為: (1-76) 視在功率的單位為伏安(VA),或千伏安(kVA) (1-77) 1-8 串聯(lián)諧振與并聯(lián)諧振 一、串聯(lián)諧振 1.諧振的條件和諧振頻率 電路產生諧振的條件為: (1-78

28、) 串聯(lián)諧振的頻率: (1-79) 2.諧振的主要特點 串聯(lián)諧振時,電路的阻抗Z0=R為最?。辉谝欢ǖ碾妷合?,電路中電流的有效值為最大。 由歐姆定律,諧振時電路中的電流為: (1-80)圖1-32 阻抗的頻率響應曲線圖1-33 電流的頻率響應曲線 串聯(lián)諧振時,電感、電容上的電壓可以比總電壓大許多倍。 因為諧振時I0=UR,所以電感和電容上的電壓分別為: 諧振回路的品質因數(shù),用Q表示 (1-81) 3.串聯(lián)諧振的應用舉例圖1-34 晶體管收音機的輸入電路及其等效電路(a)輸入調諧電路 (b)等效電路 二、并聯(lián)諧振圖1-35 并聯(lián)諧振電路及其相量圖 1.諧振條件和諧振頻率 由歐姆定律的相量形式,可

29、求得各支路電流: (1-82) 由KCL的相量形式,線路總電流: (1-83) 并聯(lián)諧振的條件為: (1-84) 并聯(lián)諧振時的角頻率和頻率為: (1-85) (1-86) 2.并聯(lián)諧振的主要特點 (1)諧振回路的總電流I為最小值,回路總阻抗Z0為最大值 (1-87) 總電流(1-88) (2)并聯(lián)諧振時,線圈支路、電容支路中的電流可比總電流大許多倍。 諧振時各支路的電流有效值為:(1-89) 1-9 功率因數(shù)的提高 一、為什么要提高電路的功率因數(shù) 提高供電網絡的功率因數(shù),可使電源的能量得到充分的利用。 二、怎樣提高功率因數(shù) 用大型同步電動機過勵磁運行(為容性負載)來補償企業(yè)的功率因數(shù)或在企業(yè)變

30、配電所內集中安裝靜電電容器提高功率因數(shù)。對于日光燈等感性負載,可在負載兩端并聯(lián)適當容量的電容器。圖1-36 提高功率因數(shù)的電路圖和相量圖 三、感性負載并聯(lián)電容的計算 并聯(lián)電容C前后電路所消耗的有功功率不變。 P=UI1cos1=UIcos (1-90) (1-91) 第二章 三相交流電路 2-1 三相交流電源 一、三相對稱電動勢的產生 三相對稱電動勢是由三相交流發(fā)電機產生的。三相交流發(fā)電機與單相交流發(fā)電機的工作原理是相同的,不同的是三相交流發(fā)電機有3個完全相同的定子繞組,3個繞組的首端A、B、C(或末端X、Y、Z)在空間互差120。 三相電動勢的瞬時值表達式圖2-1 三相發(fā)電機原理圖 (2-1

31、) 3個電動勢有效值相量表達式為: (2-2)圖2-2 三相電動勢波形圖圖2-3 三相電動勢相量圖 二、三相發(fā)電機繞組的連接方法 1.星形(Y形)連接圖2-4 三相發(fā)電機繞組的星形連接 用相量表示(2-3) 線電壓與相電壓之間的關系,在圖2-5中,由KVL可得:(2-4)(2-5)圖2-5 星形連接時線電壓與相電壓的相量圖 線電壓的有效值 (2-6) 2.三角形(形)連接 這種連接方式,相線與相線之間的線電壓就是發(fā)電機一相繞組上的電壓,即線電壓等于相電壓。其有效值用一般式表示為: Ul=UP (2-7)圖2-6 三相發(fā)電機繞組的三角形連接 2-2 三相負載的星形連接 一、三相不對稱負載的星形連

32、接圖2-7 三相不對稱負載星形連的實際電路圖2-8 三相不對稱負載的星形連接 在星形連接中,線電流等于相電流 其有效值一般表示式為:Il=IP (2-8) 各相電流,電功率的計算,可按單相電路逐相進行。(2-9) 中線電流可由KCL的相量形式計算(2-10) 各相負載的有功功率分別為 (2-11) 功率因數(shù)可由下列公式求得: (2-12) 而三相總有功功率為: P=Pa+Pb+Pc (2-13) 二、三相對稱負載的星形連接 其余兩相則根據(jù)線電流或相電流的對稱性關系直接推出。 (2-14) 中線電流為: (2-15) 三相對稱負載消耗的總功率 P=3Pa=3UaIacosa (2-16)圖2-1

33、2 三相對稱感性負載的相量圖圖2-13 三相對稱負載的星形連接 如果已知線電壓、線電流,則總有功功率P、總無功功率Q和總視在功率S可由下式計算:(2-17) 2-3 三相負載的三角形連接 一、三相對稱負載的三角形連接 在三相負載對稱時,相電流也是對稱的。即:圖2-15 三相負載形連接的實例圖2-16 三相負載的形連接 (2-18) 在圖2-16中,由KCL得: (2-19) (2-20) 線電流的有效值 (2-21) 三相對稱負載作形連接,其自電源取用的總功率 P=3PP=3UPIPcosP (2-22) 如已知線電壓、線電流,則: (2-23)圖2-17 三相對稱負載三角形連接線電流與相電流

34、的相量圖 各相功率因數(shù)為: (2-24) 二、三相不對稱負載的三角形連接 由于三相負載作三角形連接時,不論負載對稱與否,各相負載均承受對稱的電源線電壓,所以三相不對稱負載的三角形()形連接,各相負載的電流可按單相電路分別計算。 (2-25) 第三章 變 壓 器 3-1 變壓器的用途及結構 一、變壓器的用途及分類 變壓器是輸送交流電能時所使用的一種變壓、變流設備。 根據(jù)用途可分為:電力系統(tǒng)中使用的電力變壓器、實驗室調節(jié)電壓用的自耦變壓器(也稱調壓器)、用于高壓、大電流測量的儀用互感器、用于電子設備進行信號傳遞和阻抗變換的輸出變壓器、電焊變壓器等。 二、變壓器的結構圖3-1 三相油浸式電力變壓器1

35、油位計 2防爆管 3瓦斯繼電器 4高壓套管5低壓套管 6分接開關7吸濕器 8散熱器 9鐵心10溫度計 11銘牌 12繞組13放油閥 1.鐵心 鐵心是變壓器的磁路部分。為了產生較強的磁場,并減小磁滯和渦流損耗,鐵心通常采用0.350.5 mm硅鋼片疊壓而成。片與片之間涂以絕緣漆。 2.繞組 繞組是變壓器的電路部分,是用絕緣銅線或鉛線在鐵心柱上繞制而成的線圈。與電源連接,從電源吸取能量的繞組稱為原繞組(或原邊、一次繞組);與負載連接,對負載供電的繞組稱為副繞組(或副邊、二次繞組)。圖3-2 變壓器鐵心結構(a)單相心式 (b)單相殼式 (c)三相心式1鐵軛 2繞組 3鐵心柱4高壓繞組 5低壓繞組

36、3.冷卻裝置及其他附件 一般小容量變壓器的熱量尚可由繞組和鐵心直接散發(fā)到周圍空氣中,這種冷卻方式稱為空氣自冷式。較大容量的變壓器則需采用專門的冷卻裝置,如圖3-1為油浸自冷式,其冷卻裝置由油箱、油枕、散熱器和變壓器油組成。 三、變壓器的銘牌和額定值1.型號 2.額定容量SN 3.額定電壓U1N、U2N 4.額定電流I1N 、I2N 5.溫升 6.額定頻率fN 3-2 變壓器的工作原理 一、空載運行 空載運行的變壓器原理示意如圖3-3所示。 將變壓器的原邊繞組接至額定電壓、額定頻率的交流電源,而副邊繞組開路(即不接負載,i2=0)的運行情況稱為變壓器的空載運行狀態(tài)。圖3-3 變壓器空載運行工作原

37、理圖 根據(jù)電磁感應定律,主磁通在原、副繞組中產生的感應電動勢參考方向與主磁通也符合右手螺旋關系,且與主磁通的關系式為: 當變壓器原繞組接入正弦電壓u1時,也按正弦規(guī)律變化。 e1=E1msin (t-90) (3-1) e2=E2msin (t-90) (3-2) 在數(shù)值上e1、e2的有效值分別為: (3-3) (3-4) 對于原邊回路 (3-5) 用相量形式表示為: (3-6) 由于空載時,I0很小,且原繞組的漏阻抗 |Z1|也很小,因此漏阻抗壓降I0| Z1 |在數(shù)值上與感應電動勢E1相比要小得多,故可認為: 其有效值 (3-7) 對于副邊回路,因i2=0,所以副繞組的端電壓用u20表示,

38、且等于副繞組的感應電動勢e2,即: u20=e2 用相量形式表示為: 有效值 U20=E2=4.44fN2m (3-8) (3-9) 二、有載運行 將原邊繞組接至額定頻率的正弦電壓,副邊繞組接上負載的變壓器運行情況稱為有載運行狀態(tài)。圖3-4 變壓器有載運行工作原理圖 磁動勢平衡方程式 (3-10) 由于變壓器在額定負載或接近滿載時I0N1與I1N1 、 I2N2相比,可忽略不計,于是有: (3-11) 變壓器有載運行時,原、副繞組的電流數(shù)量關系為: (3-12) 變壓器有載運行時原、副邊電壓平衡方程式,相量式為: (3-13) 及 (3-14) 3-3 變壓器的運行特性 一、變壓器的外特性 當

39、原邊電源電壓一定,負載的功率因數(shù)為常數(shù)時,U2=f(I2)曲線就稱為變壓器的外特性。電壓調整率U% (3-15)圖3-5 變壓器的外特性 U%的大小反映了供電變壓器的穩(wěn)定程度,是衡量供電質量的標志之一。 二、變壓器的損耗和效率 1.變壓器的損耗 變壓器在運行過程中總會產生損耗并轉換成熱,主要有銅耗PCu和鐵耗PFe。銅耗PCu是電流流過原、副繞組時在繞組電阻上產生的電功率損耗,使繞組發(fā)熱。稱為可變損耗。鐵耗PFe主要取決于電源頻率和鐵心中的磁通量,由于變壓器運行時的電源頻率不變以及鐵心磁通量基本不變,故鐵耗也基本不隨負載變化,稱為不變損耗。 2.變壓器的效率 3-4 三 相 變 壓 器 一、三

40、相變壓器的磁路系統(tǒng) 1.三相變壓器組圖3-6 三相變壓器組 2.三相心式變壓器圖3-7 三相心式變壓器 二、三相變壓器繞組的連接方式圖3-8 三相變壓器的 Y,yn 和 Y,d連接方式(a)Y,yn連接 (b)Y,d連接 3-5 特 殊 變 壓 器 一、自耦變壓器圖3-9 單相自耦變壓器原理圖 二、儀用互感器 1.電壓互感器圖3-10 電壓、電流互感器原理接線圖和外形圖(a)電壓互感器 (b)電流互感器原理圖 (c) LMJ10.5型電流互感器外形圖1銘牌 2一次母線穿過口 3鐵心,外繞二次繞組,環(huán)氧樹脂澆注 4安裝板 5二次接線端 2.電流互感器 三、電焊變壓器圖3-11 電焊變壓器的外特性

41、圖3-12 電焊變壓器原理圖 第四章 交流異步電動機 4-1 三相異步電動機的構造圖4-1 三相鼠籠式電動機的外形及結構1定子 2風罩 3端蓋 4轉子 5風扇 6軸 一、定子 1.機座 2.定子鐵心圖4-2 定子鐵心 3.定子繞組圖4-3 定子接線盒端子接線 二、轉子圖4-4 鼠籠式轉子(a)嵌銅條 (b)鑄鋁圖4-5 繞線式轉子示意圖1繞組 2滑環(huán) 3電刷 4變阻器 4-2 異步電動機的工作原理 一、旋轉磁場的產生圖4-6 定子繞組接線(P=1)圖4-7 三相電流及其產生的旋轉磁場(P=1)圖4-8 定子繞組接線(P=2) 旋轉磁場轉速n1與定子繞組的電流頻率f1及磁極對數(shù)P之間有如下關系:

42、 (4-1)圖4-9 三相電流及四極旋轉磁場 二、異步電動機的轉動原理 1.轉子電動勢的產生圖4-10 異步電動機轉動原理 2.電磁轉矩和轉子旋轉方向 3.轉子轉速和轉差率 轉子轉速n與旋轉磁場轉速n1相差的程度,常用轉差率表示,轉差率通常用百分數(shù)表示,即: (4-2) 4.異步電動機帶負載運行 4-3 異步電動機的電磁轉矩與機械特性 一、電磁轉矩 異步電動機的電磁轉矩為: M=KmI2cos2 (4-3) 電磁轉矩與某些可變參數(shù)有關的參數(shù)表達式 (4-4) 二、異步電動機的機械特性圖4-11 M=f(s)和n=f(M)曲線 若將功率單位換成千瓦(kW),則有: 在額定工作點,則: (4-5)

43、 產生最大轉矩的轉差率: (4-6) sm稱為臨界轉差率,將上式代入式(4-4)得: (4-7) 過載系數(shù)或過載能力,用表示, (4-8) 將起動時s=1代入式(4-4),得到: (4-9) 異步電動機的起動轉矩與額定轉矩的比值稱為起動能力,用Kst表示,即:圖4-12 定子不同電壓的特性圖4-13 轉子串不同電阻特性曲線 4-4 異步電動機的起動、調速、反轉和制動 一、異步電動機的起動 1.起動電流Ist 2.鼠籠式電動機的起動 (1)直接起動 (2)降壓起動 Y起動 Y形接法起動時 (4-10) 形接法起動時 (4-11) 比較式(4-10)和式(4-11)可以看出: (4-12)圖4-1

44、4 定子繞組Y形和形兩種接法起動電流比較 用自耦變壓器降壓起動圖4-16 用自耦變壓器降壓起動控制電路 3.繞線式異步電動機的起動圖4-17 繞線式轉子回路串電阻起動接線 二、異步電動機的調速 由轉差率 可知,電動機的轉速: (4-13) 1.改變磁極對數(shù)調速 2.改變電源頻率調速 3.在轉子電路中串接電阻調速圖4-18 繞線式轉子串電阻調速的機械特性曲線 三、異步電動機的反轉圖4-19 三相電動機正、反轉控制 四、異步電動機的制動 1.機械制動 圖4-20 電磁抱閘結構示意圖 1閘瓦 2閘輪 3彈簧 4鐵心線圈 5銜鐵 6杠桿 2.電氣制動(1)電源反接制動 (2)能耗制動圖4-21 能耗制

45、動接線 4-5 異步電動機的銘牌和技術數(shù)據(jù) 一、異步電動機的銘牌 二、異步電動機的技術數(shù)據(jù) (1)效率與功率因數(shù) (4-14) (4-15) 功率因數(shù)就是指cosN。 (2)堵轉電流/額定電流 (3)堵轉轉矩/額定轉矩 (4)最大轉矩/額定轉矩 4-6 異步電動機的選擇 一、類型的選擇 異步電動機有鼠籠式和繞線式兩種。前者具有結構簡單,維護方便,價格低廉等優(yōu)點,其主要缺點是起動性能較差,調速困難,因此適用于空載或輕載起動,無調速要求的場合,例如運輸機、攪拌機和功率不大的水泵,風機等;后者起動性能較好,并可在不太大的范圍內調速,但其結構復雜,維護不便,故適用于要求起動轉矩大和能在一定范圍內調速的

46、設備,如起重機、卷揚機等多用繞線式異步電動機拖動。 二、轉速的選擇 通常異步電動機的同步轉速不低于500 r/min,因此要求轉速低的生產機械還需配減速裝置。 三、額定功率(容量)的選擇 (1)連續(xù)工作方式 電動機功率應滿足: (4-16) (2)斷續(xù)工作方式 負載持續(xù)率 (4-17) 如果生產機械負載持續(xù)率與標準持續(xù)率不同,應先將實際負載持續(xù)率w下的實際負載功率Pw換算成最接近的標準負載持續(xù)率N下的功率Ps,其換算公式為: (4-18) (3)短時工作方式 實際上,生產機械的實際工作時間tw不一定等于標準持續(xù)時間ts,此時應按下式將實際工作時間tw下的實際功率Pw換算成標準持續(xù)時間ts下的功

47、率Ps : (4-19) 所選電動機的功率為: (4-20) 4-7 交流單相異步電動機 一、單相異步電動機的工作原理圖4-22 簡單的單相電動機圖4-23 脈動磁場波形和分解為兩個旋轉方向的旋轉磁場 二、單相電動機的起動 為了使單相電動機能自行起動,在定子上除裝有單相的主繞組(又稱工作繞組)外,另裝一輔助繞組(又稱起動繞組),它與主繞組在空間相差90電角度,主繞組和輔助繞組均接到同一單相電源上,在輔助繞組中串入適當?shù)碾娮杌螂娙?,使輔助繞組中的電流相位不同于主繞組,以獲得空間上相差90電角度,而時間上又相差一定的電角度的兩個脈動磁勢。這樣就會在電動機內形成一種兩相旋轉磁勢,從而產生起動轉矩。圖

48、4-24 電容式電動機接線圖 第五章 低壓電器及控制電路 5-1 常用低壓電器 一、刀開關 二、鐵殼開關圖5.1 刀開關結構圖(a)結構圖 (b) 圖形符號及文字符號圖5-2 鐵殼開關(a)結構圖 (b)符號1手柄 2轉軸 3速斷彈簧4閘刀 5夾座 6熔斷器 三、組合開關圖5-3 HZ1025/3型組合開關1靜觸頭 2動觸頭 3絕緣墊板4絕緣方軸 5手柄 四、自動開關圖5-4 自動開關(a)電力線路用 (b)照明線路用 (c)電力自動開關示意圖 (d)圖形符號及文字符號1、2銜鐵 3雙金屬片 4杠桿 5搭扣 6主觸頭 五、接觸器圖5-5 CJ12交流接觸器(a)結構圖 (b)符號1滅弧罩 2彈

49、簧片 3主觸頭 4接線端子 5反作用彈簧6線圈端子 7輔助常閉(動斷)觸頭 8輔助常開(動合)觸頭 9銜鐵 10鐵心 11短路環(huán) 12線圈 六、繼電器 (1)電流繼電器圖5-6 JT4電流繼電器 (2)中間繼電器圖5-7 JZ7中間繼電器 (3)電壓繼電器 2.時間繼電器圖5-8 JS7A時間繼電器外形與原理示意圖及圖形符號(a)外形 (b)原理示意圖 3.熱繼電器圖5-9 熱繼電器外形及原理示意圖1熱元件 2雙金屬片 3傳動板 4傳動桿(溫度補償片)5動觸頭 6復位調節(jié)螺釘 7手動復位裝置8電流調節(jié)凸輪 9觸頭活板 七、主令電器 1.控制按鈕圖5-10 控制按鈕的外形、結構示意和圖形符號 2

50、.行程開關圖5-11 LX19行程開關的外形和結構示意圖(a)外形 (b)結構示意 (c)表示符號1滾輪 2凸輪 3推桿 4微動開關 5復位彈簧 6撞桿 八、熔斷器圖5-12 熔斷器(a)RC型 (b)RL型 (c)RM型 (d)表示符號 5-2 異步電動機電氣控制的典型環(huán)節(jié) 一、電路圖的作用和繪制原則圖5-13(a)電動機正、反轉電氣控制電路圖 (b)電動機正、反轉電氣控制接線圖 1.電路圖的用途 通過電路圖,便于詳細理解表達對象的作用原理; 用于測試和尋找故障; 為繪制接線圖提供依據(jù)。 2.電路圖的繪制原則 電路圖中所有的電器部件都必須按國家標準規(guī)定的圖形符號和種類代號(字母文字符號)來表

51、示。 電器元件及各部件均按未通電和不受外力作用時的正常狀態(tài)畫出。 電器元件及各部件不按實際位置畫,而是以閱讀和分析電路工作原理的需要為主畫出。主電路畫在輔助電路的左側或上面,各分支電路按動作順序從上到下或從左向右依次排列。 同一種類的電器元件用同一字母文字符號后加數(shù)字序號來區(qū)分。同一個電器的不同部件可用同一個字母文字符號標注,其相似部分可以在種類代號之后用圓點()或橫杠()隔開的數(shù)字來區(qū)分,也可用觸頭編號的方法來區(qū)分。 3.接線圖 各電器不畫實體,以圖形符號代表,各電器元件的位置均應與實際安裝位置一致。 接線圖中的各電器元件的字母文字符號及接線端子的編號應與電路圖一致,并按電路圖聯(lián)接。 不在同一處的電器元件的聯(lián)接應通過接線端子進行。 畫連接導線時,應標明導線的規(guī)格、型號、根數(shù)及穿線管的尺寸。 二、異步電動機直接起動的電氣控制電路 1.單方向旋轉電路 (1)單向連續(xù)運行控制圖5-14 單方向旋轉控制電路圖 電氣控制電路的保護功能: 短路保護 過載保護 失壓保護 (2)既能連續(xù)運行又能點動的控制圖5-15 電動機單方向旋轉既能連續(xù)運行又能點動的控制電路 (3)兩地(或多地)控制圖5-16 兩地控制電路 2.正反轉控制電路圖5-17 正、反轉電路圖5-18 雙互鎖的正反轉電路 3.行程控制電路圖5-19 行程控制正、

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