起重机械检验员培训教材(QZ-1)基础知识第七章

第7章电气基础知识7.1 电气常识7.1.1电路7.1.1.1 电路和电路模型电路，就是电流通过的途径。

其结构组成包括：电源、负载和中间环节。

其中电源是能将其它形式的能量转换成电能的设备，为电路提供能量，如蓄电池利用化学能转化为电能等；负载则将电能转化为其他形式的能量加以利用，如电动机将电能转化为机械能；中间环节用作电源和负载的联接体，包括导线、开关等。

在不同系统中，电路有着不同的功能和作用，概括为以下两个方面：一是实现电能的传输和转换，二是实现信号的传递和处理。

实际电路由各种作用不同的电路元件或器件所组成，且电磁性质较为复杂。

为便于对实际电路进行分析和数学描述，需将实际电路元件用能够代表其主要电磁特性的理想电路元件或它们的组合来表示。

理想电路元件是指只反映某一个物理过程的电路元件，包括电阻、电感、电容、电源等。

图7.1是电工技术中经常用到的三种理想电路元件的电路符号。

电阻元件R图7.1 三种理想电路元件的电路符号自由电子在物体中移动受到其它电子的阻碍，对于这种导电所表现的能力就叫电阻。

电阻用“R”表示，单位是“欧姆”，用“Ω”表示。

电阻的倒数称为电导，也是一个常用的物理量，用“G”表示，单位为“西门子”，用“S”表示。

通过线圈的磁通量和通入的电流是成正比的，它们的比值叫做自感系数，也叫做电感。

电感是衡量线圈产生电磁感应能力的物理量。

单位是“亨利”，简称“亨”，用“H”表示，也常用毫亨（mH）或微亨（uH）做单位。

1H=1000mH，1H=1000000uH。

储存的电量和加上的电压是成正比的，它们的比值叫做电容。

电容是衡量导体储存电荷能力的物理量。

单位是“法拉”，简称“法”，用“F”表示，也常用微法（uF）或者皮法（pF）做单位。

1F=106 uF，1F=1012 pF。

由理想元件所组成的电路称为实际电路的电路模型,如图7.2 中的白炽灯照明电路。

图7.3是图7.2 的电路模型。

图7.2 照明电路图7.3 照明电路的电路模型7.1.1.2电路的基本物理量1. 电流·167·168导体中的自由电子在电场力的作用下作有规则的定向运动就形成电流。

产生电流需具备两个条件一是有电位差，二是电路一定要闭合。

电流的大小用电流强度来表示，即为单位时间内通过导体横截面的电量，用I 表示电流强度。

单位是“安培”，简称“安”，用“A”表示。

常用单位有：千安(KA)、安(A)、毫安(mA)、微安(uA)。

1KA = 103A ，1A = 103mA ，1mA = 103uA直流电流(恒定电流，Direct Current ，简称“DC”)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。

交流电（Alternating Current ，简写AC ）是指大小和方向都发生周期性变化的电流，因为周期电流在一个周期内的运行平均值为零，称为交变电流或简称交流电。

2. 电压物体带电后具有一定的电位，在电路中任意两点之间的电位差，称为该两点的电压。

电压也称电位差（或电势差），定义为电场力将单位正电荷由点a 移动到点b 所做的功。

用“U”表示，单位是“伏特”，简称“伏”，用“V”表示。

常用单位有：千伏(KV) 、伏(V)、毫伏(mV) 、微伏(u V)。

1KV = 103V ，1V = 103 mV ，1mV = 103 uV3. 电功和电功率（1）电功电流所作的功叫做电功，用字母“W”表示。

电功的大小与电路中的电流、电压及通电时间成正比，计算公式为：Rt I UIt W 2== （7.1）电功及电能量的单位名称是“焦耳”，用字母“J”表示；常用单位是“千瓦/时”，用符号 “KW·h”表示。

1 KW·h =3.6MJ 。

（2）电功率电流在单位时间内所作的功叫电功率，用符号“P ”表示。

计算公式为：RU R I UI t W P 22==== （7.2） 电功率单位名称为“瓦”或“千瓦”，用“W”或“KW”表示；也常用“马力”表示。

1马力=736W ，1KW = 1.36马力。

4. 电流的热效应、短路（1）电流的热效应电流通过导体时，由于自由电子的碰撞，电能不断的转变为热能。

这种电流通过导体时会发生热的现象，称为电流的热效应。

电与热的转化关系其计算公式为：t R U W Rt I Q 22=== （7.3） 其中Q 为导体产生的热量，W 为消耗的电能。

（2）短路在电路中电源通向负载的两根导线不通过负载而直接相互接通，该现象称之为短路。

由于导线的电阻很小，短路时电路上的电流会非常大。

这样大的电流会造成电源损坏；更为严重的是会使导线的温度升高烧毁设备，严重时有可能造成火灾。

因此在电路中需要通过安装断路器、熔断器等措施来进行保护。

·169·5. 交流电的基本物理量以图7.4所示波形为例，介绍交流电的一些基本物理量。

（1）瞬时值、最大值和有效值瞬时值：电动势、电流、电压每个瞬时的值称为瞬时值。

符号分别用电动势“E ”，电压“U ”和电流“I ”表示。

最大值：瞬时值中最大值，叫做交流电最大值，也叫振幅。

符号分别是：“E m ”，“I m ”，“U m ”。

有效值：交流电在在一个周期中只有两个瞬间达到最大值，因此并不合适用于计算交流电的电功或电功率。

为此常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。

有效值等于最大值乘以0.707。

（2）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。

我国电网使用的交流电周期T = 0.02s 。

频率：交流电每秒交变的次数或周期叫做频率，频率是周期的倒数，用符号“f ”表示，单位是“赫兹”，用字母“Hz ”表示。

日常生活中的交流电的频率一般为50 Hz 或60 Hz 。

我国规定的交流电工频频率为50Hz 。

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”。

f T ππω22==（7.4） （3）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，用符号“φ”表示。

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。

图7.4 正弦交流电参数示意 7.1.1.3 基础定律1. 基尔霍夫定律基尔霍夫定律是电路中的基本定律，不仅适用于直流电路也适用于交流电路。

它包括基尔霍夫电流定律（Kirchhoff’s current law ）简称KCL 和基尔霍夫电压定律（Kirchhoff’s voltage law ）简称KVL 。

基尔霍夫电流定律是针对节点的，基尔霍夫电压定律是针对回路的。

（1）术语在具体讲述基尔霍夫定律之前，我们以图7.5 为例，介绍电路中的几个基本概念。

图7.5 电路举例170支路：电路中的每一分支称为支路，一条支路流过一个电流。

图7.5中共有6条支路，分别是ab 、bc 、cd 、da 、ac 、db 。

节点：电路中三条或三条以上支路的连接点称为节点。

图7.5中共有4个节点，分别是节点a 、节点b 、节点c 和节点d 。

回路：电路中的任一闭合路径称为回路。

图7.5中共有7条回路，分别是abda 、dbcd 、adca 、abdca 、adbca 、abcda 、abca 。

（2）基尔霍夫电流定律基尔霍夫电流定律（KCL ）指出：对于电路中的任一节点，任一瞬时流入（或流出）该节点电流的代数和为零。

我们可以选择电流流入时为正，流出时为负；或流出时为正，流入时为负。

KCL 用公式表示为：∑ I = 0上式称为节点的电流方程。

由此也可将KCL 理解为流入某节点的电流之和等于流出该节点的电流之和。

（3）基尔霍夫电压定律基尔霍夫电压定律(KVL)指出：对于电路中的任一回路，任一瞬时沿该回路绕行一周，则组成该回路的各段支路上的元件电压的代数和为零。

可任意选择顺时针或逆时针的回路绕行方向，各元件电压的正、负与绕行方向有关。

KVL 用公式表示为：　∑U = 02. 欧姆定律欧姆定律是表示电压、电流、电阻三者关系的基本定律。

（1）部分电路欧姆定律：电路中通过电阻的电流，与电阻两端所加的电压成正比，与电阻成反比，称为部分欧姆定律。

计算公式为：R U I = IU R = U = IR （7.5） （2）全电路欧姆定律：在闭合电路中(包括电源)，电路中的电流与电源的电动势成正比，与电路中负载电阻及电源内阻之和成反比，称全电路欧姆定律。

计算公式为：r R E I += （7.6） 其中R 为外电阻，r 0为内电阻，E 为电动势。

7.1.1.4 直流电路直流电所通过的电路称直流电路，其是由直流电源和电阻（负载）构成的闭合导电回路。

所以，在直流电路中，电源的作用是提供不随时间变化的恒定电动势，为在电阻（负载）上消耗的热能补充能量。

7.1.1.5 交流电路1. 单相交流电路在交流发电机中，只有一个线圈在磁场中运动旋转，电路里只能产生一个交变电动势，这样的发电机称为单相交流发电机。

由单相交流发电机发出的电简称为单相交流电，其对应的电路称为单相交流电路。

2. 三相交流电路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，其每一单相称为一相。

若初相差120°时，则称为对称三相电压。

对称三相电源的三个相电压瞬时值之和为零。

三相交流电比单相交流电有很多优越性，在用电方面，三相电动机比单相电动机结构简单，价格·171·便宜，性能好；在送电方面，采用三相制，在相同条件下比单相输电节约输电线用铜量。

实际上单相电源就是取三相电源的一相，因此，三相交流电得到了广泛的应用。

在实际连接中三相电源的连接主要有两种方式。

（1）星形连接“Y”（图7.6）图7.6 星形接法(三相四线输出) 图7.7三角形接法（三相三线输出）相电压：指相线与中性线(零线)间的电压。

其有效值用U A 、U B 、U C 表示；线电压：两条相线之间的电压。

其有效值用U AB 、U BC 、U CA 表示。

相电压与线电压的关系如下：U 线 = 相U 3 （7.7）我国日常电路中，相电压是220V ，线电压是380V 。

工程上讨论三相电源电压大小时，通常指的是电源的线电压。

如三相四线制电源电压380V ，指的是线电压380V 。

相电流：流过每一相线圈的电流，用I 相表示。

线电流：流过端线的电流，用I 线表示。

星形接法中相电流等于线电流。

（2）三角形连接“Δ”（图7.7）在三角形接法中：I 线 = 相I 3；U 线 =U 相 （7.8） 必须注意，如果任何一相定子绕组接法相反，三个相电压之和将不为零，在三角形联接的闭合回路中将产生根大的环行电流，造成严重恶果。