国际焊接工程师技术员培训教教材03

1概述电路是为能够实现某种需要、由若干个电工元器件按一定的方式互联起来的组合。

电路一般由电源（信号源）、负载和中间环节三部分组成。

电路的基本理想元件有：电阻、电容、电感、电流源和电压源等。

电路的基本物理量及其符号单位：三维网2 欧姆定律、串联电路2.1 欧姆定律欧姆定律用公式表示为 RU I =欧姆定律表明：当电压升高或电阻减小时，电路中的电流增大；当电压降低或电阻增大时，电路中的电流减小。

2.2 串联电路图1 含三个电阻的串联电路 串联电路的组成如图1所示。

串联电路中的各参数关系如下：21RL Rm RL ges U U U U ++=21RL Rm RL ges I I I I ===21RL Rm RL ges R R R R ++=3 并联电路、电流效应3.1 并连电路图2 含三个电阻的并联电路并联电路的组成如图2所示。

并联电路中的各参数关系如下：321R R R ges U U U U ===321R R R ges I I I I ++=网3211111R R R R ges ++= 3.2 电流效应（热效应）电流在导体内流动会产生热量。

所产生热量的大小与通过导体的电流强度、导体横截面积以及导体的材料种类有关。

如果将一根通电导体的某一段用高熔点材料（如：钨）制成的细丝替代，那么就会在该部位产生很高的热量（图3）。

它可能达到白炽状态。

焊接过程中电流的热效应出现在：引燃电弧以后出现的自由电子及正离子与其它微粒碰撞时，将它们的运动能量（动能）转换成热能（图4）。

4 4.14.2三维网式中 C — 电容器的电容量，简称电容 q — 电容器储存的电荷量 u — 电容器两端的电压如果电容的初始电压为u(t 0 = 0)，这时电容器在任意时刻t 所储存的电场能W C (t)将等于它所吸收 的电能，为())(212t Cu t W C =图7 电感器两端电压电流随时间变化示意图4.3 电感（绕组）在电工技术中，由导线绕制而成的线圈能够产 生比较集中的磁场，如图7所示。

在忽略很小的导 线电阻条件下，可以认为线圈只有电感参数，是一 个理想电感元件。

当线圈两端加上电压u 时，有电流I 流过，线 圈即产生磁场，若穿过一匝线圈的磁通为φ，则与N 匝线圈交链的总磁通为N φ。

总磁通N φ通常称 为磁链ψ，即ψ=N φ。

当电流增大时，ψ亦增大； 电流减少时，ψ亦减小。

取线圈的磁链与电流的比 值来衡量线圈产生磁场的能力，即iL ψ=式中，L — 电感系数，简称电感ψ — 磁链i — 电流电感的大小与线圈尺寸、匝数以及周围介质的导磁性能有关。

当线性电感元件中的电流发生变化时，穿过线圈的磁通也相应地发生变化，根据电磁感应定律，电流变化时线圈两端将产生自感电动势：L e dt diL dt d e L −=−=ψ 自感电动势总要阻碍电流的变化。

电感电压与电流的关系为：dtdiLe u L =−= 它说明：电感元件两端电压与电流的变化率成正比。

若电感元件中通过的电流是不随时间的变化而变化的直流时，电感元件相当于短路。

电感是一个动态元件。

电感元件的瞬时功率为：dtdiLiui p == 它说明：当电流增大时，电感元件吸收电能转换为磁场能量，随着电流增大，磁场能量增大；当电流减少时，电感元件中磁场能量减少，磁场能量转换为电能送回到电源中去。

所以电感元件只存储能量而不消耗能量，是一种储能元件。

如果在时刻电感的初始电流为0t ()00=t i ，那么电感元件在任意时刻t 所存储的磁场能量W L (t)将等于它所吸收的电能，为 ()()t Li t W L 221=三维网4.4 复杂电阻在实际生产应用不可能出现纯有效电阻或电抗（图8）。

不同电阻的组合用阻抗Z 表示。

电路中阻抗的组合可为：欧姆电阻加电容阻抗，欧姆电阻加电感阻抗，欧姆电阻和电感、电容阻抗。

图8 复杂电路的总阻抗5 电磁学5.1 概述磁场 — 产生磁力效应的空间叫做磁场。

磁力现象 — 每个磁体都被磁场包围着，磁场将对每个磁性材料产生磁力作用。

磁性 — 每个磁场都有北极和南极（图9），并且 同极相斥、异极相吸（图10）。

一个通电金属线产生一个环绕它的磁场（图11）。

导体绕制成线圈并且通电，则会产生磁场（图12）。

图9 磁铁周围的磁场图10 磁场的同极相斥、异极相吸图11 通电导线周围的磁场 图12电磁铁三维网5.2 磁感应强度B磁感应强度是表示磁场中某点磁场强弱和方向的物理量，单位是特[斯拉]。

()T 在均匀磁场中，磁感应强度的大小可以用通过垂直于磁场方向的单位面积的磁力线数表示；磁感应强度的方向与电流的方向符合右手螺旋定则。

AB ϕ=ϕ — 磁力线数H B ×=μ μ — 导磁系数，单位是亨每米（H/m ）5.3 磁场强度H磁场强度是表示磁场中与铁磁材料无关的磁场大小和方向的物理量，它定义为磁场中某点的磁感应强度B 与铁磁材料磁导率μ之比，即μBH =H 的单位是安每米（A/m ）5.4 磁场在导体上产生的磁力线当通电导线切割磁力线时，导线在磁场中会产生偏移，如图13、14所示。

运动方向图13 导体在磁场中的偏移 图14 磁场中导体的运动方向6 变压器6.1 变压器的基本知识利用变压器原理可制成一些专用变压器，例如， 电压可调的自耦变压器，焊接用的电焊变压器，加 热用的电炉变压器等。

当一次绕组接到交流电压u 1时，便有电流i 1 通过，一次绕组的磁动势i 1N 1产生的磁通绝大部分 通过铁心而闭合，从而在一、二次绕组中感应出电 动势。

如果二次绕组接有负载，则在二次绕组与负 载回路有电流i 2通过，二次绕组的磁动势i 2N 2也要 产生磁通，其绝大部分也是通过铁心闭合。

因此， 铁心中的磁通是一、二次绕组的磁动势共同产生的图15 变压器结构合成磁通，称为主磁通，用φ表示。

主磁通穿过一、二次绕组而在其中感应出的电动势分别为e 1和e 2。

同时，一、二次绕组的磁动势还分别产生漏磁电动三维网势还分别产生仅与本绕组交链的很小的漏磁通φσ1和φσ2，从而在各自绕组中分别产生漏磁电动势e σ1和e σ2。

一次绕组和二次绕组的电流、电压有效值之间的关系为：122121I I N N U U == 常用变压器有：三相变压器、自耦变压器、电流互感器和电焊变压器。

6.2 电焊变压器电焊变压器是交流弧焊机的主要组成部分，是一种特殊的变压器。

对电焊变压器的要求：空载时，电焊变压器的二次侧要有足够大的引弧电压，以保证焊条与焊件之间产生电弧。

(V U 756020−=)电焊变压器的基本组成如图16所示，由分接开关、双绕组变压器和电抗器组成。

图16焊接变压器的基本组成7 正弦交流电路7.1 正弦交流电的基本概念大小和方向随时间按正弦规律变化的 电压、电流、电动势总称为正弦交流电。

最大值、角频率、初相位为确定正弦 量的三要素。

频率与周期：交流电重复变化一次所需要的时间称 为周期，用T 表示，单位秒S 。

交流电每秒 钟重复变化的次数称为频率，用f 表示， 单位赫兹Hz 。

在单位时间里正弦量变化的角度成为角频率，单位是弧度/秒（rad/s ）。

T f 1=f Tππω22==图17 正弦交流电示意图最大值和有效值：交流电某瞬间的值称为瞬时值。

正弦电 压、电流和电动势的瞬时值分别用小写字母 u 、i 和e 表示。

最大值（或幅值）规定用注 有下标m 的大写字母U m 、I m 和E m 表示。

维网()ψω+=t I i m sin ()ψω+=t U u m sin两个量I 和i （U 和u 、E 和e ），如果在相同的时间T 内所产生的热量（或消耗的电能）相等的话，那么我们把这个直流电流I （直流电压、电动势E ）定义为交流电流i （交流电压u 、交流电动势e ）的有效值。

2m I I =2m U U =2m E E =7.2 正弦交流电路中的阻值电阻电路中的阻值 ][AælΩ⋅=R l — 导线长度 m æ — 导电率mmm⋅ΩA — 导线截面积mm 2电容电路中的容抗 ][C1Ω⋅=ωC X C — 电路中的电容量ω — 角频率2πf f — 频率50Hz X c — 容抗电感电路中的感抗 L f L X L ⋅⋅⋅=⋅=πω2L — 导体的电感量ω — 角频率2πf欧姆电阻加电感阻抗三维网欧姆电阻和电感、电容阻抗8 交流电路中的功率及功率因数，cos φ当交流电路负载是一个纯欧姆电阻（如：焊接电弧）时，电路中的电压与电流强度的变化是同步的。

这时，可以像直流那样按公式计算出功率。

I U P ⋅=当交流电路中有绕制线圈（如：焊接变压器）时，磁场的结构和能量递减，导致电压和电流强度的变化产生一个时间位移，即相位差，在这种情况下计算功率时应区分有功功率P 、视在率S 和无功功率Q 。

有功功率P 由于瞬时功率是随时间变化的，工程上通常取它在一个周期内的平均值来表示功率的大小，称为平均功率，又称有功功率，单位是瓦特（W ）。

例如被转换成热量（电弧）或者机械功（马达）的功率，从电网中取出的有功功率是不可逆转的。

视在功率S 电路中总电压和电流有效值之间的乘积定义为电路的视在功率，单位是伏安（VA ）或千伏安（kVA ）。

无功功率Q 理想电感元件虽然不消耗电能，但它与电源之间不断进行能量互换。

能量互换的规模，我们用无功功率衡量。

单位是乏（var ）。

不难发现，有功功率、无功功率和视在功率 之间的关系为：22Q P S +=功率因数 cos φ 是有功功率和视在功率的比值。

在一定的电压和电流下，电路所消耗的有功功率取决于功率因数cos φ的大小，而cos φ取决于本身的参数。

SP==视在功率有功功率ϕcos9 三相交流电9.1 三相交流电的产生原理三相交流电是由一组频率相同、振幅相等、相位互差120º的三个电动势组成的供电系统。

三相交流发电机的接线原理如图18所示。

三维网图18 三相交流发电机的接线原理图19 星形接法图20 三角形接法星形接法如图19P W V U U U U U ===P L U U 3=P L I I =三角形接法如图20P L I I 3=P L U U =9.2 三相电路的功率三相负载无论是星形联接还是三角形联接，三相电路的有功功率均为为各相有功功率之和，即W V U P P P P ++=三项对称负载的各功率为 ϕcos 3L LI U P = ϕsin 3L L I U Q =L L I U S 3=9.3 网络负载图21 带有三相和单相负载的三相系统三维网图22 系统负载（比如三相交流电动机） 图23 非系统负载（比如单相的焊接变压器）10 二极管、晶体管和晶闸管10.1 二极管和晶体管二极管具有正向导通反向截止的特点。