電工基礎(chǔ)與安全用電教材

1、第一章直流電路第一節(jié)電路的基本概念一、電路的組成與作用：1. 電路：就是能使電流流通的閉合電路。2. 電路的組成：最簡單的電路是由電源、負載、中問環(huán)節(jié)等部分組 成。3. 電路各組成部分的作用：電源：如發(fā)電機、電池等，電源可將其它形式的能量轉(zhuǎn)換成電 能，是向電路提供能量的裝置。負載：指電動機、電燈等各類用電器，在電路中是接收電能的 裝置，可將電能轉(zhuǎn)換成其它形式的能量。中間環(huán)節(jié)：將電源和負載連成通路的輸電導(dǎo)線、控制電路通斷 的開關(guān)設(shè)備和保護電路的設(shè)備等。4. 電路的作用：在電力系統(tǒng)中，電路可以實現(xiàn)電能的傳輸、分配、轉(zhuǎn)換和控制。在電子系統(tǒng)中，電路可以實現(xiàn)電信號的傳遞、存儲和處理。 電路中能景的轉(zhuǎn)換、

2、傳送、分配和控制，是反映在電流和電壓等物理量上的，而通過負載的電流又與其電阻有關(guān)，所以首先要討論 一下幾個基本的電量。二、電流、導(dǎo)體和絕緣體：1. 電流：自由電荷（包括自由電子和離子）的定向運動叫做電流。 物體內(nèi)部有可以自由移動的電荷是產(chǎn)生電流的內(nèi)因，電場（或是 電壓）作用是產(chǎn)生電流的外因。電流的方向：電流是由自由電子定向運動形成的。但習(xí)慣上規(guī) 定正電荷運動的方向為電流的方向。即電流的方向是從電源的正極經(jīng) 導(dǎo)線、負載以及另一根導(dǎo)線，流向電源負極。實際上是自由電子從電 源的負極經(jīng)導(dǎo)線、負載及另一根導(dǎo)線流向電源的正極。2. 電流強度：是衡量電流強弱的物理量。通過導(dǎo)體截面的電流強度 的大小，等于單位

3、時間內(nèi)通過該截面的電量。電流主要分為兩類：一類為大小和方向均不隨時間改變的電 流，稱為恒定電流，簡稱直流，常簡寫作dc或dc，其強度用符 號i或i表示；另一類為大小和方向都隨時間變化的電流，稱為變 動電流，其強度用符號i表示。其中一個周期內(nèi)電流的平均值為零 的變動電流稱為交流，常簡寫作或ac,丼強度也用符號i表示。3. 導(dǎo)體和絕緣體：導(dǎo)體：各種金屬、酸、堿、鹽的水溶液以及大地，人體等，因為 有自巾電子、離子等帶電微粒的存在，比較善于傳導(dǎo)電流，這一 類的物體稱為導(dǎo)體。絕緣體：橡膠、塑料、玻璃、云母、陶瓷、電木、汕類以及干燥 的木材、紙張、空氣等物體，一般情況下內(nèi)部兒乎沒右自由電子， 以及不善于傳

4、導(dǎo)電流，這類物體被稱為絕緣體。半導(dǎo)體：硅、鍺、磷、鎵等，導(dǎo)電能力介于導(dǎo)體與絕緣體之間的 這一類物體稱為半導(dǎo)體自然界物質(zhì)的電結(jié)構(gòu):導(dǎo)體的外層電子數(shù)很少且距離原 子核較遠，因此受到原子核的束縛 力很小，極易掙脫原子核的束縛游 離到空間成為由電子，ft由電子 在外電場作用下定向移動形成電原子核中有質(zhì)子和 中子，其中質(zhì)子帶正繞原子核髙速旋半導(dǎo)體的外層電子 數(shù)一般為4個，其導(dǎo) 電性界于導(dǎo)體和絕 緣體之間。絕緣體外層電子數(shù)常為8個，且距離原 子核較近，因此受到原子核很強的束 縛力而無法掙脫，我們把外層電子數(shù) 為8個稱為穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)中不存 在自由電子，因此不導(dǎo)電。注意：導(dǎo)體和絕緣體的區(qū)分是相對的、右條

5、件的，不是永恒不變的。 如果外加條件，可以促使絕緣體產(chǎn)生自由電荷，是之變成導(dǎo)體。如空氣：在通常情況下是絕緣體，但是在高電壓的作用下，氣體分分子將被電離成離子，氣體就成了導(dǎo)體。三、電位、電壓和電動勢。1. 電位：是指在電路中任選一點作為參考點，某點到參考點的 電壓就叫做該點的電位。電位用v表示。通常規(guī)定大地的電 位為零（零電位）。物體帶正電荷時，它的電位比大地電位高（正電位），并且所帶的正電荷越多，它的電位也越高；物體 帶有負電荷時，它的電位比大地的電位低（負電位），并且所 帶的負電荷越多，電位也越低。2. 電壓：兩個帶電物體的或兩點之間的電位差別稱為電位差，習(xí) 慣上稱為電壓。電壓的方向是從高電

6、位點指向低電位點，即電 位降低的方向，因此電壓也叫電位降、電壓降。3. 電位與電壓的區(qū)別：由于電位的參考點可以任意選定，所以電 位的數(shù)值是相對值，它與零電位的選擇有關(guān)；電壓的數(shù)值是絕 對值，與零電位點的選擇無關(guān)。電流的產(chǎn)生必須要求電位差。4. 電動勢：電源中因其他形式的能量轉(zhuǎn)化成電能所引起的電位差 叫做電動勢，簡稱電勢。它等于單位正電荷從電源的負極移到 電源的正極所做的功。由于電源內(nèi)部電流的方向是從負極流向 正極的，因此電動勢的方向是由負極指向正極，即電位升高的 方向。5. 電位（v）、電壓（u）、電動勢（e）的單位都是伏特，用字母 v表示。四、電阻導(dǎo)體中的自由電子在移動的過程中，不斷地相互碰

7、撞，并且和 導(dǎo)體中其他不帶電的質(zhì)點也發(fā)生碰撞，同時還必須克服原子核對它的吸引，因此會受到一定的阻力。導(dǎo)體對電流的這種阻力稱為電阻。 金屬導(dǎo)體的電阻與其長度成正比，與其截面積成反比，并與材料、溫度等因素有關(guān)。第二節(jié)歐姆定律歐姆定律是反映電路中的電壓、電流和電阻之間關(guān)系的定律。 是電路的基本定律之一，在工程上應(yīng)用非常廣泛。部分電路的歐姆定律：在一段不包括電源的電路中，導(dǎo)體中的 電流與電阻兩端的電壓成正比。i = u/rir+uu式中：i-流過導(dǎo)體的電流，安培。加在導(dǎo)體兩端的電阻，伏特。r-導(dǎo)體的電阻，歐姆。全電路的歐姆定律：在只有一個電源且無分支的電路中，電路 中的電流與電源電動勢成正比，與電路中

8、的電阻和電源內(nèi)阻之和成反比。i=e/(r+ro)式中：e-電源電動勢，伏特。r-外電路電阻，歐姆。r（）-電源的內(nèi)阻，歐姆。第三節(jié)電阻的串聯(lián)、并聯(lián)和混聯(lián)一、串聯(lián)電路1. 電阻的串聯(lián)：把幾個電阻的頭尾依次連接成一串，這樣的連接叫做電阻的串n個電阻串聯(lián)可等效為一個電阻。兩個電阻串聯(lián)時分壓公串聯(lián)電路的特點:1）流過各個電阻的電流i都相同（同一電流）。2）總電壓等于各個電阻上的分電壓之和。通過上面可知，電阻越 大，其分壓越大。3）串聯(lián)電路的總電阻等于各分電阻之和。串聯(lián)電路的應(yīng)用：在過程中用于限流、分壓及降壓的目的。 電源的串聯(lián)：一般指電池的串聯(lián)。電池的串聯(lián)把幾個電池的正負極相間地連接起來。電池串聯(lián)時砬

9、注意，必須使它們推動電流的方向 一致，如果把電池接反了，電池的電動勢便相互抵消。在需要獲得較 高的電源電壓的地方，常采用電源的串聯(lián)形式。2. 電阻的并聯(lián)：幾個電阻并排地接到同一電壓的兩節(jié)點之間的連接，叫做電阻 的并聯(lián)。n個電阻并聯(lián)可以等效為一個電阻:. r2 117lii2 rx+r2兩個電阻并聯(lián)時的分流公式:1111=+h.+ r尺2rtl并聯(lián)電路的特點：1）各并聯(lián)支路兩端的電壓相等。2）總電流i等于各并聯(lián)支路電流之和。3）并聯(lián)電路的總電阻的倒數(shù)等于各支路的電阻倒數(shù)之和。電源的并聯(lián)：電源的并聯(lián)，是把各電源的正極與正極、負極與負極分別相接。 電源并聯(lián)時，各個電源的電動勢以及內(nèi)阻必須相等（至少非

10、常相近）； 如果正極和負極接錯時，就會產(chǎn)生大量的換流在它們內(nèi)部循環(huán)，這就 相當(dāng)于把串聯(lián)的電池組的兩極短接了。在負載需要較大電流時，常采 用電源的并聯(lián)連接。電池并聯(lián)后，總內(nèi)阻降低，而回路的容量增大。并聯(lián)電路的應(yīng)用：用于分流、減小回路電阻等。3. 混聯(lián)電路：既含有電阻的串聯(lián)形式有含有電阻的并聯(lián)形式的混合的聯(lián)接方 式，稱為電阻的混聯(lián)?；炻?lián)電路的計算方法：1）整流化簡電路：把兒個串聯(lián)或并聯(lián)的電阻分別用等效電阻來 替代，然后求出該電路的總電阻。2）根據(jù)電路的總電壓、總電阻，計算出該電路的總電流。3）最后推算出各部分的電壓降和電流。第四節(jié)電功率和電能的計算功率：是指負載在單位時間內(nèi)所消耗的電量。在數(shù)值上等

11、于負載兩端的電壓和流過它的電流的乘積，單位：w。p=ui電能：在直流電路中，電動勢、電流、電壓都是不變的，因而 功率也是不變的。把負載接收的功率乘以時間，得到的就是其在該時 間內(nèi)所接受的電量。w=pt=uit第二章單相交流電第一節(jié)單相交流電路的基本概念隨時間按正弦規(guī)律變化的電壓、電流稱為正弦電壓和正弦電流。 表達式為：u = um sin(a)t + i/u)i = im sin + %)1. 正弦交流電的周期、頻率和角頻率1) 周期r:正弦量完整變化一周所需要的時間。2) 頻率正弦量在單位時間內(nèi)變化的周數(shù)。3) 角頻率正弦景單位時間內(nèi)變化的弧度數(shù)。周期與頻率的關(guān)系:271角頻率與周期及頻率的

12、關(guān)系:co = t2. 正弦交流電的瞬時值、最大值和有效值：1）瞬時值是以解析式表示的：iw = imsm（cot + i/i）2）最大值就是上式中的/m, /m反映了正弦量蕩游瘤磨。3）有效值指與交流電熱效應(yīng)相同的直流電數(shù)值。最大值與有效值之間的關(guān)系：u= = 0.707"mv2im=yl2i = 1a14i3.1)2)3)正弦交流電的相位、初相和相位差 相位：正弦量表達式中的角度。初相位：？=0時的相位。相位差：指兩個同頻率正弦量之間的相位差,|/:值上等于它們的初相之差。4. 正弦量的三要素1）最大值反映了正弦交流電的大小問題；2）角頻率反映了正弦量隨時間變化的快慢程度；3）初

13、相確定了正弦量計時始的位置。第二節(jié)各組參數(shù)的正弦交流電路1.電阻元件:電阻元件上的電壓、電流的關(guān)系：i = u/r,且同相位。2.電感元件：電感元件上電壓、電流的有效值關(guān)系為：u=coli=2 jt/li=ixl 電感元件上電壓超前電流90°電角。o3. 電容元件：電容元件上電壓、電流的有效值關(guān)系為:ic=uo)c=u2 it f c=u/xc電容元件上電流超前電壓90°電角。4. rlc串聯(lián)電路：+/+ "ruch卜c(a) 7?lc串聯(lián)電路i戸ac(b)相量模型1coc時,x>0,(p-.0,電路呈感性。1coc時，x<0,v-_ <0,電路

14、呈容性。1coc時，x = q9<pz =0，電路呈電阻性。(1) 當(dāng) col(2) 當(dāng)破(3) 當(dāng)l>當(dāng)w = 1時，x=09 (p.=09電路呈電阻性。此時電路的總阻抗coc最小，易發(fā)生串聯(lián)諧振，產(chǎn)生過電壓。5. rlc并聯(lián)電路(b)相量模型(a) /?£c并聯(lián)電路當(dāng)從=_l時，x = o, & =0，電路呈電阻性。此時電路的總電流 o)c最小，易發(fā)生并聯(lián)諧振，產(chǎn)生過電流。第三節(jié)提高功率因素實際生產(chǎn)和生活中，大多數(shù)電氣設(shè)備和用電器都是感性的，因 此要向電源吸取一定的無功功率，造成線路功率因數(shù)較低的現(xiàn)象。功 率因數(shù)低不僅造成電力能源的浪費，還能增加線路上的功率損

15、耗，為 了避免此類現(xiàn)象造成的影響，電力系統(tǒng)要設(shè)法提高線路的功率因數(shù)。提高功率因數(shù)的意義：1. 提高發(fā)配電設(shè)備的利用率；2. 減少輸電線上的電壓降和功率損失。為提高功率因素，應(yīng)盡量減少感性設(shè)備的空載和輕載，或在感 性設(shè)備兩端并聯(lián)適當(dāng)電容。第三章三相交流電路現(xiàn)代電力工程上兒乎都采用三相四線制。三相交流供電系統(tǒng)在 發(fā)電、輸電和配電方面都具有很多優(yōu)點，因此在生產(chǎn)和生活中得到了 極其廣泛的應(yīng)用。第一節(jié)三相電源與三相負載由3個頻率相同、振幅相同、相位互差120°的正弦電壓源所構(gòu) 成的電源稱為三相電源。由三相電源供電的電路稱為三相電路。一、三相電源：三相電源由三相交流發(fā)電機產(chǎn)生的。在三相交流發(fā)電機

16、中有3 個相同的繞組。3個繞阻的首端分別用a、b、c表示，末端分別用x、 y、z表示。這3個繞組分別稱為a相、b相、c相，所產(chǎn)生的三相 電壓分別為：ma = j2up sin cot= uub =v2/psin（dwf-120o）汐b =人z-120。wc=v2t/?sin（ + 120°）（4 =",z120ol. 三相電源連接： l）星形連接（r接）將三相繞組ax、by、cz的相頭a、b、c作為三相輸出端， 而相尾x、 k、z連接在同一中點n上。從相頭/i、b、c引出 的三根線稱為端線（又叫火線）；從中點n引出的線稱為中線（又 叫零線）。這種接法乂稱為三相四線制。i 0

17、/1£«(' )uaqfi每相繞組兩端的電壓稱為相電壓，即an=ua,ubn=ub,ucn=uc從相量圖看出，各線電壓均超前其對應(yīng)的相電壓30°。2）三角形連接（接）將三相繞組的相頭和相尾依次連接在一起，即/i接z，接x， c接y（如圖6.7所示），稱為三角形連接。這時從三個連接點分別引 出的三根端線a、j5、c就是火線，顯然三角形連接時，線電壓 與相電壓的關(guān)系為uab=ua,ubc=ucca=uc二、三相負載及其連接三相負載同樣也有兩種連接方式：星形連接和三角形連接。1. 負載的星形連接：如下圖所示是三相負載和三相電源均為星形連接的三相四線制電路，其中，

18、za、zs、zc表示三相負載，若 za=zb=zc,我們稱其為對稱負載，否則，稱其為不對稱負載。三 相電路中，若電源對稱，負載也對稱，稱為三相對稱電路。2. 負載的三角形連接：將三相負載首尾依次連接成三角形后， 分別接到三相電源的三根端線上，如下圖所示，zab > zbc > zca分別為三相負載，流在負載上的電流稱為負載的相電流，其參 考方向如圖所示。三、三相對稱電路的計算：負載無論在哪種接法下，均可用如下公式。1. 有功功率：p=3upip cos 4)=拉j山(p2. 無功功率：q = 3upipsin(p = j3upip sin (p3. 視在功率：s = yjp2+q2

19、對稱三相電路的視在功率：s = 3upip=y/3ulil第四章常用電氣元件的介紹對電動機和生產(chǎn)機械實現(xiàn)控制和保護的電工設(shè)備叫做掠制電 器?？刂齐娖鞯姆N類很多，按艽動作方式可分為手動和自動兩類。 手動電器的動作是由工作人員手動操縱的，如刀開關(guān)、組合開關(guān)、 按鈕等。自動電器的動作是根據(jù)指令、信號或某個物理量的變化 自動進行的，如各種繼電器、接觸器、行程幵關(guān)等。1. 刀開關(guān)：又叫閘刀開關(guān)，一般用于不頻繁操作的低壓電路中，用 作接通和切斷電源，或用來將電路與電源隔離，有時也用來控制 小容景電動機的直接起動與停機。2. 組合開關(guān)：又叫轉(zhuǎn)換開關(guān)，是一種轉(zhuǎn)動式的閘刀開關(guān)，主要用于 接通或切斷電路、換接電源

20、、控制小型鼠籠式三相異步電動機的 起動、停止、正反轉(zhuǎn)或局部照明。組合開關(guān)有若干個動觸片和靜觸片，分別裝于數(shù)層絕緣件內(nèi)，靜觸片固定在絕緣墊板上，動觸片裝在轉(zhuǎn)軸上，隨轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)而變更通、斷位置。3. 按鈕：主要用于遠距離操作繼電器、接觸器接通或斷開控制電路，從而控制電動機或其他電氣設(shè)備的運行。按鈕的觸點分常閉觸點（動斷觸點）和常開觸點（動合觸點）兩種。常閉觸點是按鈕未 按下時閉合、按下后斷開的觸點。常幵觸點是按鈕未按下時斷幵、 按下后閉合的觸點。按鈕按下時，常閉觸點先斷開，然后常開觸 點閉合；松開后，依靠復(fù)位彈簧使觸點恢復(fù)到原來的位置。按鈕 內(nèi)的觸點對數(shù)及類型可根據(jù)需要組合，最少具有一對常閉觸點或

21、常開觸點。4. 熔斷器：主要作短路或過載保護用，串聯(lián)在被保護的線路中。線 路正常工作時如同一根導(dǎo)線，起通路作用；當(dāng)線路短路或過載時 熔斷器熔斷，起到保護線路上其他電器設(shè)備的作用。5. 斷路器：又叫自動空氣開關(guān)或自動開關(guān)，它的主要特點是具有自 動保護功能，當(dāng)發(fā)生短路、過載、欠電壓等故障時能自動切斷電 路，起到保護作用。6. 行程開關(guān)：也稱為位置開關(guān)，主要用于將機械位移變?yōu)殡娦盘枺?以實現(xiàn)對機械運動的電氣控制。當(dāng)機械的運動部件撞擊觸桿時， 觸桿下移使常閉觸點斷開，常開觸點閉合；當(dāng)運動部件離開后， 在復(fù)位彈簧的作用下，觸桿回復(fù)到原來位置，各觸點恢復(fù)常態(tài)。7. 接觸器：線圈通電時產(chǎn)生電磁吸引力將銜鐵吸

22、下，使常幵觸點閉 合，常閉觸點斷開。線圈斷電后電磁吸引力消失，依靠彈簧使觸 點恢復(fù)到原來的狀態(tài)。8. 繼電器：是一種根據(jù)特定輸入信號而動作的自動控制電器，其種類很多，右中間繼電器、熱繼電器、時間繼電器等類型（1）中間繼電器：中間繼電器通常用來傳遞信號和同時控制多個電路，也可用來直接控制小容量電動機或其他電氣執(zhí)行元件。中間繼電 器的結(jié)構(gòu)和工作原理與交流接觸器基本相同，與交流接觸器的主要區(qū) 別是觸點數(shù)目多些，且觸點容量小，只允許通過小電流。在選用中間 繼電器時，主要是考慮電壓等級和觸點數(shù)目。(2) 熱繼電器：一般采用雙金屬片結(jié)構(gòu)。下層金屬膨脹系數(shù)大，上 層的膨脹系數(shù)小。當(dāng)主電路中電流超過容許值而使

23、雙金屬片受熱時， 雙金屬片的自由端便向上彎曲超出扣板，扣板在彈簧的拉力下將常閉 觸點斷開。觸點是接在電動機的控制電路中的，控制電路斷開便使接 觸器的線圈斷電，從而斷開電動機的主電路。(3) 時間繼電器：通電延時空氣式時間繼電器利用空氣的阻尼作用 達到動作延時的h的。吸引線圈通電后將銜鐵吸下，使銜鐵與活塞桿 之間有一段距離。在釋放彈簧作用下，活塞桿向下移動。在傘形活塞 的表面固定有一層橡皮膜，活塞向下移動時，膜上面會造成空氣稀薄 的空間，活塞受到下面空氣的壓力，不能迅速下移。當(dāng)空氣由進氣孔 進入時，活塞才逐漸下移。移動到最后位置時，杠桿使微動開關(guān)動作。 延時時間即為從電磁鐵吸引線圈通電時刻起到微

24、動丌關(guān)動作時為止 的這段時間。通過調(diào)節(jié)螺釘調(diào)節(jié)進氣孔的大小就可調(diào)節(jié)延時時間。 吸引線圈斷電后，依靠復(fù)位彈簧的作用而復(fù)原?？諝饨?jīng)出氣孔被迅速 排出。此時間繼電器有兩個延時觸點：一個是延時斷開的常閉觸點， 一個是延時閉合的常開觸點，此外還有兩個瞬動觸點第5章三相交流電動機常用控制電路注：本章僅作為電氣知識的介紹部分，不作為中級工的考核內(nèi)容。第六章安全用電1. 防止發(fā)生用電事故的對策：思想重視：就是要牢固地樹立安全第一的思想；措施落實：貫徹和執(zhí)行保證安全用電的各項技術(shù)措施和組織措施。組織保證：各用電單位應(yīng)設(shè)立安全用電管理機構(gòu)并配備專門管 理人員，在電力部門的指導(dǎo)下開展安全用電工作。2. 人體觸電的方

25、式：人體與帶電體接觸觸電：包括單相觸電和兩相觸電?？绮诫妷河|電：當(dāng)電氣設(shè)備發(fā)生接地故障，接地電流通過接地體向大地流散，在地面上形成分布電位，這時若人在接地短路 點周圍行走，其兩腳之間（一般以0.8米考慮）的電位差，就 是跨步電壓，由跨步電壓引起的人體觸電，稱為跨步電壓觸電。接觸電壓觸電：接觸電壓是指人站在發(fā)生接地短路故障設(shè)備的 旁邊，一般指距離設(shè)備水平方向0.8米處，這時人手接觸設(shè)備 外殼（距地面1.8米的高處），手腳之間的電位差，由于接觸 電壓引起的人體觸電稱為接觸電壓觸電。3. 電流對人體的傷害一般分為兩種類型:電擊傷：指電流流過人體造成的人體內(nèi)部的傷害。電灼傷：指電弧對人體外表造成的傷害。4. 決定觸電傷害的因素：電流的大小電流流經(jīng)的途徑 觸電方式 通電時間的長短 電流的頻率 人體的狀況等5. 預(yù)防觸電的措施：安全電壓（是低電壓，但是低電壓并不一定就是安全電壓）防護、隔離或保證良好的絕緣 保護接零保護接地 漏電保安器等 嚴格按照電氣操作制度操作6. 安全電壓：安全電壓是低電壓，但是低電壓并不是安全電壓。根據(jù)我國具體的條件，一般規(guī)定安全電壓有36v、24v、12v,在干燥、溫暖、無導(dǎo)電粉塵、地面絕緣的環(huán)境中，也有以65v作為 安全電壓的。用于安全電源的變壓器，必須是雙圈變壓器。自耦變