電工學(xué)講義教材

理論知識(shí)培訓(xùn)2014.9烏江公司自動(dòng)化專業(yè)

涉及課程

電工學(xué)

電子學(xué)

計(jì)算機(jī)監(jiān)控

勵(lì)磁系統(tǒng)

水輪機(jī)調(diào)節(jié)

直流系統(tǒng)

水機(jī)保護(hù)自動(dòng)控制原理電工學(xué)電工學(xué)知識(shí)

電與磁二三交流電路常用低壓控制電器四直流電路一五典型電動(dòng)機(jī)控制回路一、直流電路

電阻與歐姆定律ⅡⅢ電路連接電能與電功率Ⅳ電路中的物理量Ⅰ電路的主要物理量電池?zé)襞蓦娏麟妷骸㈦娢浑妱?dòng)勢(shì)EIRU+_負(fù)載電源Ⅰ、電路中的物理量

3.電位的大小有正有負(fù)。4.電位與參考點(diǎn)的選擇有關(guān)。（二）電位1.電位的定義:當(dāng)一物體帶有電荷時(shí)，這物體就具有一定的電位能，我們把這電位能叫做電位。電場(chǎng)中某點(diǎn)A的電位，等于單位正電荷在該點(diǎn)所具有的電位能，用符號(hào)VA表示。2.參考點(diǎn)的電位定義為零。（三）電壓2.方向：規(guī)定為從高電位指向低電位。用“+、-”或箭頭或字母表示。3.電壓的大小與參考點(diǎn)的選擇無關(guān)。4.電壓的單位:伏特,用V表示。1KV=1000V1V=1000mV1.電壓的定義：在電路中，任意兩點(diǎn)A、B間的電壓，就是這兩點(diǎn)間電位之差（電位差）。用UAB表示。AB+—UR（四）電流

1.電流的定義:電荷在導(dǎo)體中作定向移動(dòng)形成電流。用I表示。2.電流的大小:單位時(shí)間內(nèi)流過導(dǎo)體某一橫截面積的電荷量。I=ΔQ/Δt3.電流的實(shí)際方向:規(guī)定為正電荷移動(dòng)的方向。4.電流的單位:安培,用A表示。1kA=1000A1A=1000mA1mA=1000μA5.電流密度J：電流I與導(dǎo)體橫截面S的比值。

1.電源：是將其他能量轉(zhuǎn)換為電能的裝置。2.電動(dòng)勢(shì)的定義：在外力的作用下，把單位正電荷從電源的負(fù)極移到正極所作的功稱為該電源的電勢(shì)。用E表示。3.電勢(shì)的方向：規(guī)定在電源內(nèi)由負(fù)極指向正極。4.電壓與電動(dòng)勢(shì)是一對(duì)大小相等、方向相反的物理量。（五）電源與電動(dòng)勢(shì)（一）電阻與電導(dǎo)電阻的定義:當(dāng)電子在導(dǎo)體中運(yùn)動(dòng)時(shí),勢(shì)必要與分子發(fā)生碰撞,這將阻礙電子的運(yùn)動(dòng),形成對(duì)電流的阻力,稱為電阻。導(dǎo)體電阻與哪些因素有關(guān)R=L/

S（為電阻系數(shù)）除上述因素外，還與溫度有關(guān)。電導(dǎo)電阻的倒數(shù)稱為電導(dǎo)。G=1/

RⅡ、電阻與歐姆定律

RUI注意：用歐姆定律列方程時(shí)，一定要在圖中標(biāo)明正方向。（二）部分電路歐姆定律（一）電阻的串聯(lián)1.定義：兩個(gè)或多個(gè)電阻首尾依次相聯(lián)，并且流過同一電流，沒有分支，我們稱這些電阻的連接方式為串聯(lián)。

R2R1UI

2.串聯(lián)電路的特點(diǎn)：串聯(lián)電路電流相等I=I1=

I2=··串聯(lián)電路總電壓U=U1+U2+··串聯(lián)電路的等效電阻R=R1+R2+··Ⅲ、電路連接

（二）電阻的并聯(lián)UIR1R2I1I21.定義：兩個(gè)或多個(gè)電阻首尾分別相聯(lián)，各電阻承受同一電壓，我們稱這些電阻的連接方式為并聯(lián)。2.并聯(lián)電路的特點(diǎn)（1）并聯(lián)電路電壓相等U=U1=

U2=··（2）并聯(lián)電路總電流I=I1+I2+··（3）并聯(lián)電路等效電阻（三）電阻的混聯(lián)含有串聯(lián)和并聯(lián)兩種連接的電路稱為混聯(lián)電路。處理混聯(lián)電路的方法是：先用串、并聯(lián)電路的等效方法逐次將電路化簡(jiǎn)，最后成為一個(gè)電阻的電路。例1.已知：U=220V，電路中電阻的單位是歐姆，求電路中的總電流I。50100100504060IUABC節(jié)點(diǎn)電位法適用于支路數(shù)多，節(jié)點(diǎn)少的電路。如：共a、b兩個(gè)節(jié)點(diǎn)，b設(shè)為參考點(diǎn)后，僅剩一個(gè)未知數(shù)（a點(diǎn)電位Va）。abVa節(jié)點(diǎn)電位法中的未知數(shù)：節(jié)點(diǎn)電位“VX”。節(jié)點(diǎn)電位法解題思路假設(shè)一個(gè)參考點(diǎn)，令其電位為零，

求其它各節(jié)點(diǎn)電位，求各支路的電流或電壓。

節(jié)點(diǎn)電位法列方程的規(guī)律以A節(jié)點(diǎn)為例：方程左邊：未知節(jié)點(diǎn)的電位乘上聚集在該節(jié)點(diǎn)上所有支路電導(dǎo)的總和（稱自電導(dǎo)）減去相鄰節(jié)點(diǎn)的電位乘以與未知節(jié)點(diǎn)共有支路上的電導(dǎo)（稱互電導(dǎo)）。R1R2+--+E1E2R3R4R5+-E5I2I3I4I5CAB節(jié)點(diǎn)電位法列方程的規(guī)律以A節(jié)點(diǎn)為例：方程右邊：與該節(jié)點(diǎn)相聯(lián)系的各有源支路中的電動(dòng)勢(shì)與本支路電導(dǎo)乘積的代數(shù)和：當(dāng)電動(dòng)勢(shì)方向朝向該節(jié)點(diǎn)時(shí)，符號(hào)為正，否則為負(fù)。ABR1R2+--+E1E2R3R4R5+-E5I2I3I4I5CaIRUb1、電能：設(shè)電路任意兩點(diǎn)間的電壓為

U,流入此部分電路的電流為I，則在t時(shí)間內(nèi)電流所做的功被電阻吸收并全部轉(zhuǎn)換為熱能，此時(shí)電阻元件消耗的電能W為：W=UIt=I2Rt=U2t/R電能W的單位是焦耳（J），在工作中，電能的常用單位是千瓦時(shí)Ⅳ、電能與電功率

aIRUb功率有無正負(fù)？如果UI方向不一致結(jié)果如何？2、電功率：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)消耗的電能。P=W/t設(shè)電路任意兩點(diǎn)間的電壓為

U,流入此部分電路的電流為I，則這部分電路消耗的功率為:IRUab“吸收功率”（負(fù)載）“發(fā)出功率”（電源）若P=UI

0IUab+-根據(jù)能量守衡關(guān)系若P=UI

0在U、I正方向選擇一致的前提下，P=UI

P（吸收）=P（發(fā)出）

（一）電場(chǎng)與磁場(chǎng)（二）磁場(chǎng)的基本物理量（三）電生磁無條件，只要有電流，在它的周圍就有磁場(chǎng)（右手螺旋定則）（四）磁生電(電磁感應(yīng)定律）

只有變化的磁場(chǎng)才能感生出感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)（右手定則）（五）磁場(chǎng)的性質(zhì)（左手定則）磁場(chǎng)對(duì)處于其中的電流有力的作用二、電與磁

2.靜電場(chǎng)——多少與位置都不變的電荷所產(chǎn)生的電場(chǎng)稱為靜電場(chǎng)。電場(chǎng)1.凡有電荷存在，其周圍必然有電場(chǎng)存在。磁場(chǎng)電流的周圍必然有磁場(chǎng)存在。磁場(chǎng)的基本物理量1、磁通量Φ：垂直穿過截面S的磁力線總數(shù)，簡(jiǎn)稱磁通。單位：韋伯2、磁感應(yīng)強(qiáng)度B（磁通密度）：與磁場(chǎng)方向相垂直的單位面積上通過的磁通（磁力線）單位：韋伯1Tesla=104Gs（高斯）B

的單位：特斯拉（Tesla）3、磁導(dǎo)率μ：表征各種材料導(dǎo)磁能力的物理量（亨/米）真空中的磁導(dǎo)率(μ0)為常數(shù)一般材料的磁導(dǎo)率μ和真空中的磁導(dǎo)率之比，稱為這種材料的相對(duì)磁導(dǎo)率，則稱為磁性材料，則稱為非磁性材料（反磁性物質(zhì)、順磁性物質(zhì)、鐵磁性物質(zhì)）1、直導(dǎo)體中的感應(yīng)電勢(shì)NSAXe

S

NV實(shí)驗(yàn)證明,一根導(dǎo)體相對(duì)磁場(chǎng)運(yùn)動(dòng)時(shí),或用大家熟悉的說法,導(dǎo)體運(yùn)動(dòng)而切割磁力線時(shí),導(dǎo)體中就會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。（1）感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的大小

E=BLVB為導(dǎo)體所在的磁場(chǎng)的磁密；L為導(dǎo)體的長度；V為導(dǎo)體的運(yùn)動(dòng)速度。電磁感應(yīng)原理（2）感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的方向

用右手定則判斷VBEVBE右手定則的內(nèi)容：將右手伸直、使掌心迎著磁力線方向、大拇指指向?qū)w運(yùn)動(dòng)方向，與大拇指互相垂直的四指指向感應(yīng)電勢(shì)的方向。感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的方向用楞次定律確定。

ΔΦ:是指磁通的變化Δt：是指時(shí)間的變化楞次定律：回路中感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)要產(chǎn)生方向與之相同的感應(yīng)電流，這個(gè)感應(yīng)電流所產(chǎn)生的磁通總是阻礙原磁通的變化。注意a.這里是阻礙，不是阻止。b.這里是阻礙原磁通的變化，而不是阻礙原磁通。磁場(chǎng)的性質(zhì)

S

N

F

在均勻磁場(chǎng)中，載流直導(dǎo)體所受的電磁力的大小為

F=BILB為導(dǎo)體所在的均勻磁場(chǎng)的磁密；I為導(dǎo)體流過的電流；L為導(dǎo)體長度。均用國際單位。電磁力的方向用左手定則判定左手定則確定：將左手伸直，掌心迎著磁力線方向，四指指向電流方向，則伸開的且與四指垂直的拇指的指向就是電磁力方向。（一）正弦交流電的基本特征（二）單一參數(shù)正弦交流電路（三）交流電路的功率（四）功率因數(shù)的提高（五）三相交流電路三、交流電路

直流電路：電流、電壓、電動(dòng)勢(shì)的大小和方向都不隨時(shí)間變化。交流電路：電流、電壓、電動(dòng)勢(shì)的大小和方向都隨時(shí)間作周期性變化。I(U、E）0直流電i(u、e）0正弦波i(u、e）0方波：電流幅值（最大值）：角頻率（弧度/秒）：初相角三要素:（一）正弦交流電的基本特征數(shù)學(xué)表達(dá)式：波形圖：

i1、瞬時(shí)值：正弦量在任一瞬間的值。用小寫字母表示，如u,i,e。

3、有效值：在工程應(yīng)用中常用有效值表示交流電的大小。常用交流電壓、電流的讀數(shù)，就是被測(cè)物理量的有效值。用大寫字母表示。2、最大值(幅值)：瞬時(shí)值中最大的數(shù)值。用大寫字母并帶下標(biāo)m表示，如：Um、Im、Em。瞬時(shí)值、最大值、有效值1、周期T：變化一周所需的時(shí)間。單位：秒（S）。周期、頻率、角頻率3、角頻率ω：每秒變化的弧度。單位：弧度/秒(rad/s)。2、頻率f：每秒變化的次數(shù)。單位：赫茲(Hz)。iT0初相位：i相位（相位角）：相位、初相位和相位差t=0時(shí)的相位，即（一）電阻電路

單一參數(shù)的正弦交流電路電流、電壓的關(guān)系uiR+_UIuiR+_用相量圖表示：ωtui波形圖表示：u、i同頻率u、i同相位cos2==tLIdtdiLuww則)90sin(2o+=tUw)90sin(2o+=tIwXL(二）電感電路

電流、電壓的關(guān)系

令：U=IXL，其中：XL=

L稱感抗,

單位：歐姆（Ω）iuL+_)90sin(2o+=tIωLw波形圖表示：iuL+_結(jié)論：u

超前i90

°iu用相量表示：用相量圖表示：UIu、i同頻率

感抗（XL=ωL

）是頻率的函數(shù)，表示電感電路中電壓、電流有效值之間的關(guān)系，且只對(duì)正弦量有效。ω=0時(shí)XL=0關(guān)于感抗的討論u+_LR直流U+_R對(duì)直流電，電感相當(dāng)于短路。電流與電壓的變化率成正比。電流與電壓的關(guān)系則：(三)電容電路uiC+_設(shè)：)90sin(2o+=tIw令：U=IXC，其中：XC=1/

C稱容抗。單位：歐姆（Ω）iuiu波形圖:結(jié)論：u

滯后i

90

°uiC+_用相量表示：用相量圖表示：UIu、i同頻率則:

容抗（Ω）定義：所以電容C具有隔直通交的作用

XC直流：XC，電容C

視為開路交流：f（四）

RLC串聯(lián)交流電路分析方法：（1）相量圖法u+_+_+_+_RLCi（1）用相量圖法分析：先畫出參考相量

（設(shè)）iu+_+_+_+_RLC阻抗三角形阻抗：當(dāng)時(shí)，，u

超前i－－電路呈電感性當(dāng)時(shí)，，u、i同相－－電路呈電阻性當(dāng)時(shí)，，u

落后i－－電路呈電容性(三)交流電路的功率有功功率P=UICosФ

無功功率Q=UISinФ視在功率S=UI除以I電壓三角形乘以I阻抗三角形功率三角形49RIU

Ф=0°P=UICosФ=UI耗能元件Q=UISinФ=0將電能轉(zhuǎn)換為熱能、光能等其他形式的能量以供給用戶使用。50Ф=90°P=UICosФ=0儲(chǔ)能元件Q=UISinФ=UI＞0吸收無功將電能（從系統(tǒng)吸收無功）轉(zhuǎn)換為磁場(chǎng)能量（Ф

）存儲(chǔ)起來。51Ф=-90°P=UICosФ=0儲(chǔ)能元件Q=UISinФ=-UI＜0發(fā)出無功（可視為無功電源）將電能轉(zhuǎn)換為電場(chǎng)能量存儲(chǔ)起來。52有功、無功的概念

因此在系統(tǒng)中即存在能量的消耗又存在能量的轉(zhuǎn)換變化率有功P變化率無功Q53有功、無功的關(guān)系 電機(jī)的工作原理都是電磁感應(yīng)原理，離開了磁場(chǎng)Ф，電動(dòng)機(jī)無法轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)然用戶也就不可能用到電（即消耗有功P）。 因此，磁場(chǎng)Ф是用戶使用電能（即消耗有功P）的橋梁，而這個(gè)磁場(chǎng)Ф是通過吸收系統(tǒng)無功Q建立的。 因此，對(duì)于感性負(fù)載（電動(dòng)機(jī)）來說，吸收系統(tǒng)無功Q是消耗有功P的前提。(四)功率因數(shù)的提高1、造成功率因數(shù)低的原因：

大多數(shù)用電設(shè)備是感性負(fù)載，造成負(fù)載與電源之間無功功率徒勞無益的往返交換。2、當(dāng)電路的功率因數(shù)較低時(shí)，有兩個(gè)不良后果：COS

I當(dāng)U、P

一定時(shí)，

P=PR=UICOS

（1）電源設(shè)備的容量不能充分利用。（2）增加輸電線路功率損耗。3、提高功率因數(shù)的原則：

必須保證原負(fù)載的工作狀態(tài)不變。即：加至負(fù)載上的電壓U和負(fù)載的有功功率P不變。并聯(lián)電容C4、提高功率因數(shù)的方法:_u+_++_RLi

三相電路基本概念（一）三相電源時(shí)域特征:uAuBuCot（五）三相交流電路uBuCuA頻域特征：電壓相量關(guān)系：相量圖：三相電路的連接方式1、Y形連接ZAZCZBuAuCuB2、

形連接uAuBuCZAZBZC1)Y-Y連接三相四線系統(tǒng)三相三線系統(tǒng)2)Y-△連接3)-連接4)-Y連接三相電路常用名詞端線(火線、相線)；中線（零線、地線）中線電流平衡三相電路；不平衡三相電路線電壓相電壓線電流相電流中線電壓對(duì)稱三相電路的分析1、Y形電路的電流與電壓1）?線=?相，三相對(duì)稱：有效值相同相位互差120

2）線電壓對(duì)稱：有效值相同，相位互差120

3）電壓大?。?）電壓相位：2、

形電路的電流與電壓有效值相同；相位互差120

2）線電流、相電流對(duì)稱：有效值相同；相位互差120

3）電流大?。?）電流相位：三相對(duì)稱：三相電路的功率1）平均功率

平衡三相：2)無功功率平衡三相：3)視在功率平衡三相：四、常用低壓控制電器

應(yīng)用電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)生產(chǎn)機(jī)械，稱為電力拖動(dòng)。利用繼電器、接觸器實(shí)現(xiàn)對(duì)電動(dòng)機(jī)和生產(chǎn)設(shè)備的控制和保護(hù)，稱為繼電接觸控制。

實(shí)現(xiàn)繼電接觸控制的電氣設(shè)備，統(tǒng)稱為控制電器，如刀閘、按鈕、繼電器、接觸器等。下面介紹幾種常用的低壓電器，基本的控制環(huán)節(jié)和保護(hù)環(huán)節(jié)的典型線路。

(一)刀開關(guān)1.作用：起接通電源的作用分為：?jiǎn)蔚叮河迷谀骋幌嗑€上雙刀：用在兩相上三刀:用在三相上2.符號(hào)：Q3.選擇:

選擇額定電壓和額定電流分別等于或稍大于電動(dòng)機(jī)的額定電壓和額定電流(二).低壓斷路器(QF)

—自動(dòng)開關(guān)或空氣開關(guān)1.作用:兼有刀開關(guān)和熔斷器的作用2.符號(hào):QF×××可實(shí)現(xiàn)短路、過載、失壓保護(hù)。(b)結(jié)構(gòu)按鈕開關(guān)的外形和符號(hào)(a)外形圖常閉觸點(diǎn)常開觸點(diǎn)(三)按鈕.（SB）—它的主要部分就是熔體，也叫保險(xiǎn)絲。1.作用：短路保護(hù)2.符號(hào)：（四）熔斷器（FU）FU3.選擇熔體：對(duì)于無沖擊電流的電路：如照明電路，

IFN≥I

(I為電路的最大電流)

對(duì)于有沖擊電流的電路：如電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)，

IFN≥(1.5～3)IMN

若有幾臺(tái)電動(dòng)機(jī)共用一熔斷器，

IFN≥(1.5～2.5)IMN+∑IMN交流接觸器的外形與結(jié)構(gòu)1、作用：用于頻繁地接通和斷開大電流電路的開關(guān)電器。(a)外形(b)結(jié)構(gòu)（五）交流接觸.(KM)(1)電磁系統(tǒng)

接觸器具有遙控功能，同時(shí)還具有欠壓、失壓保護(hù)的功能，接觸器的主要控制對(duì)象是電動(dòng)機(jī)。2、交流接觸器的結(jié)構(gòu)組成鐵芯、銜鐵通電線圈KM(2)觸頭系統(tǒng)三對(duì)主觸頭兩對(duì)輔助常開觸點(diǎn)KM輔助常開KM兩對(duì)輔助常閉觸點(diǎn)輔助常閉KM體積較大，由三對(duì)常開觸頭組成，用于通斷電動(dòng)機(jī)主電路的大電流。鐵芯通電線圈銜鐵及其固定在銜鐵上的動(dòng)觸頭支撐彈簧靜觸點(diǎn)輔助常閉觸點(diǎn)輔助常開觸點(diǎn)三對(duì)常開主觸頭3、工作原理：利用電磁吸力的作用而動(dòng)作的.（六）繼電器

繼電器和接觸器的結(jié)構(gòu)和工作原理大致相同。主要區(qū)別在于：

接觸器的主觸點(diǎn)可以通過大電流；

繼電器的體積和觸點(diǎn)容量小，觸點(diǎn)數(shù)目多，且只能通過小電流。所以，繼電器一般用于控制電路中。1.電流及電壓繼電器電流繼電器：可用于過載或過載保護(hù)，電壓繼電器：主要作為欠壓、失壓保護(hù)。2.中間繼電器

中間繼電器觸頭容量小，觸點(diǎn)數(shù)目多，用于控制線路。

通常用于傳遞信號(hào)和同時(shí)控制多個(gè)電路，也可直接用它來控制小容量電動(dòng)機(jī)或其他電氣執(zhí)行元件。(b)符號(hào)KA線圈常開觸頭KA常閉觸頭KA(a)外形中間繼電器外形與符號(hào)3.時(shí)間繼電器（KT）

時(shí)間繼電器是在感受外界信號(hào)后，其執(zhí)行部分需要延遲一定時(shí)間才動(dòng)作的一種繼電器，分有通電延時(shí)型和斷電延時(shí)型。JS7-A空氣阻尼式時(shí)間繼電器是利用空氣阻尼的原理來獲得延時(shí)的。主要由電磁系統(tǒng)、氣室及觸點(diǎn)系統(tǒng)組成。時(shí)間繼電器各部分圖符號(hào)和文字符號(hào)常閉觸點(diǎn)常開通電后延時(shí)閉合常開觸點(diǎn)常閉斷電后延時(shí)閉合常閉通電后延時(shí)斷開常開斷電后延時(shí)閉合常閉觸點(diǎn)常開觸點(diǎn)通電式瞬時(shí)動(dòng)作延時(shí)動(dòng)作斷電式

熱繼電器是利用流過繼電器的電流所產(chǎn)生的熱效應(yīng)而反時(shí)限動(dòng)作的自動(dòng)保護(hù)電器，用作電動(dòng)機(jī)的過載保護(hù)、斷相保護(hù)、電流不平衡運(yùn)行的保護(hù)。4、熱繼電器（FR）(1)串接在電動(dòng)機(jī)主電路中的三個(gè)發(fā)熱元件；熱繼電器的結(jié)構(gòu)組成FR發(fā)熱元件圖符號(hào)(2)串接在電動(dòng)機(jī)控制電路中的常閉觸點(diǎn)。FR常閉觸點(diǎn)圖符號(hào)2.熱繼電器的型號(hào)含義及技術(shù)數(shù)據(jù)熱繼電器是由流入熱元件的電流產(chǎn)生熱量，使有不同膨脹系數(shù)的雙金屬片發(fā)生形變，當(dāng)形變達(dá)到一定距離時(shí)，就推動(dòng)連桿動(dòng)作，使控制電路斷開，從而使接觸器失電，主電路斷開，實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)的過載保護(hù)。繼電器作為電動(dòng)機(jī)的過載保護(hù)元件，以其體積小，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低等優(yōu)點(diǎn)在生產(chǎn)中得到了廣泛應(yīng)用。五、典型電動(dòng)機(jī)控制回路

通過開關(guān)、按鈕、繼電器、接觸器等電器觸點(diǎn)的接通或斷開來實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)各種運(yùn)轉(zhuǎn)形式的控制稱做繼電—接觸器控制。典型的控制環(huán)節(jié)有點(diǎn)動(dòng)控制、單向自鎖運(yùn)行控制、正反轉(zhuǎn)控制、行程控制、時(shí)間控制等。電動(dòng)機(jī)在使用過程中由于各種原因可能會(huì)出現(xiàn)一些異常情況，如電源電壓