2.1　電工基礎知識

2.1.1　有關電的基本概念

電

自然界中的物質是由原子構成的，每個原子都是由一個帶正電荷的原子核和一定數量帶負電荷的電子所組成的。這些電子，分層圍繞原子核做高速旋轉，如下圖所示。

正電荷與負電荷有同性相斥、異性相吸的特性。不同的物質有不同的原子，它們所具有的電子數目也是不一樣的。例如，鈉原子有11個電子，原子結構如下圖所示。在通常情況下，原子核所帶的正電荷和電子所帶的負電荷在數量上相等，所以物體就不顯示帶電現象。

原子核吸引電子的吸力大小與距離的二次方成反比。如果由于某種外力的作用，使離原子核較遠的外層電子擺脫原子核的束縛，跑到另一個物體上，那么這樣就會使物體帶電，失去電子的物體帶正電，獲得電子的物體帶負電。

一個帶電體所帶電荷的多少可以用電子數目來表示，我們常以庫侖（用C表示）作為電荷量的單位。

1C=6.24×1018個電子電荷量

當電荷積聚不動時，這種電荷稱為靜電；如果電荷處在運動狀態，則稱為動電。

靜電

靜電是人類最早認識的、由摩擦起電現象所產生的電荷，分布在電介質表面或體積內及在絕緣導體表面；它相對于動電，是靜止的，特性是電流小、不形成回路。

隨著高分子聚合材料的廣泛應用，靜電危害問題日益突出。靜電不僅可引起著火、爆炸，還可使產品質量受到影響、電子元器件損壞、數據丟失等。

電力輸送過程和電路

電力輸送過程

電路

電路是由相互連接的電子、電氣元器件（如電阻、電容、電感、二極管、晶體管和開關等）構成的網絡。

電形成電路，形成我們需要的各種動力。例如，手電筒用來在黑暗中照明，通過開關來控制燈泡的亮滅。

要實現燈泡的亮滅控制，需要以下4個條件。

（1）電池提供電能。→電源

（2）燈泡作為發光體，是消耗電能的裝置。→負載

（3）開關控制燈炮的亮滅。→控制元件

（4）金屬片或線把燈泡、電池、開關連接起來。→導線

電路圖

用實物來表示電源、負載、控制元件等很麻煩。在電路技術應用中，我們把電源、負載、控制元件等用相應的符號表示出來，用相應符號表示的電路稱為電路圖。

2.1.2　直流電路

電流

電荷在電路中沿著一定方向移動，電路中就有了電流。如同水管中的水流有大有小，根據產生的效應大小來判斷電流的大小。電流通過燈泡時，燈絲變熱而發光，這是電流的熱效應。電流還可以發生磁效應。

如果在1s內通過導體橫截面的電荷量是1C，那么導體中的電流就是1A，即

在相同的時間里，通過導體橫截面的電荷量小，電流就小；通過導體橫截面的電荷量大，電流就大。如果在10s內通過導體橫截面的電荷量是20C，那么導體中的電流為

在實際生活中，安培是一個很大的單位。所以，常用的單位還有毫安（mA）和微安（μA）。換算關系為

1A=103mA=106μA

金屬導體中正電荷不會流動，但金屬導體中有大量的自由電子，靠自由電子的流動，會產生電流。歷史上規定正電荷定向流動的方向為電流的方向，與負電荷流動的方向相反。所以，在電源外部，電流的方向是從電源正極流向負極的。

直流電和交流電

直流電

如果在一個電路中，電荷沿著一個不變的方向流動，那么這就是“直流電”。直流電是方向不隨時間而改變的電流。直流電用DC表示。蓄電池、干電池、直流發電機及各種整流電源產生直流電，有固定的正、負極。

交流電

交流電是方向和大小都隨時間做周期性變化的電流。交流電用AC表示。我們日常用的電就是交流電。

交流電的頻率一般是50Hz。當然也有其他頻率，如電子線路中有交流方波、交流三角波等，但這些波形的交流電不是導體切割磁力線產生的，而是電容充放電、開關晶體管工作時產生的。

電位

正電荷在電路中某點所具有的能量與電荷所帶電荷量的比稱為該點的電位。

電路中選擇不同的參考點，某點的電位是不同的。為了方便，把參考點的電位規定為零，高于參考點的電位為正，反之為負。

電位就像是河流的水位。

電壓

電路中任意兩點間的電位之差稱為兩點間的電壓。

我們知道，水壓越大，水流越急，水壓越小，水流越緩。電壓與水壓相似，電壓越高，燈泡越亮，電壓越低，燈泡越暗。水壓與電壓的比較如下圖所示。

在電路分析中，電壓的計算經常與電位的概念有關。通常，參考點的選取是任意的，電路中各點的電位數值與參考點的選取有關；而任意兩點間的電壓則等于這兩點電位之差，與參考點的選取無關。

a、b兩點間電壓Uab=Va-Vb

1　電壓的單位為伏特（V）

2　常用的單位有千伏（kV）

3　低電壓可以用毫伏（mV）表示

4　弱電壓可以用微伏（μV）表示

電動勢

循環水路中維持水流連續的是水泵。電路中也一樣，要想得到持續的電流，離不開電源，電源產生的電壓稱為電動勢。

又可以說，電源內部非靜電力移送單位正電荷，將其從電源的負極移至正極所做的功，叫作電源的電動勢。

例如，在具有一定負載的直流電路中，若要維持電路中的電流恒定不變，就必須設法維持電路兩端有恒定的電壓。這就必須由非靜電力不斷對電荷做功來實現。

電動勢是反映電源把其他形式的能轉化成電能本領的物理量。電動勢使電源兩端產生電壓。

電動勢的方向規定為在電源內部由低電位指向高電位的方向，與電壓的方向相反。國際單位制中，電動勢的單位為伏特（V），簡稱伏。其他常用的單位有千伏（kV）、毫伏（mV）、微伏（μV）。

（1）電池在新的時候做功能力很強，電能充足，使用久了之后做功能力大大下降，這時電壓也低了。

（2）電壓存在于電源的兩端，也存在于電源的外部電路中，即電路中的兩點之間。

（3）在電源內部，電動勢的方向與電壓的方向相反，電動勢的方向是電位升高的方向。

電阻

任何導體都對電流通過具有一些阻礙作用，這就是電阻。在電路中用來限制電流、調節電壓的元器件，則被稱為電阻器，在日常生活中一般直接稱為電阻。電阻器可分為固定電阻器和可變電阻器（也稱電位器）。

在國際單位制中，電阻的單位是歐姆，簡稱歐，符號是Ω。如果導體兩端的電壓是1V，通過的電流是1A，那么該導體的電阻就是1Ω。

其他的電阻單位有千歐（kΩ）和兆歐（MΩ）。換算關系為

1MΩ=106Ω，1kΩ=103Ω

電阻的分類

常用的碳膜電位器是由炭黑與樹脂混合物噴涂在馬蹄形膠木板上烘干而成的。線繞電位器的電阻體是由電阻絲繞制而成的，先將電阻絲繞在膠木板上，然后分成馬蹄形，裝在外殼中。

歐姆定律

歐姆定律研究的是電流、電壓和電阻間的相互關系。這個關系可表示為兩種形式：部分電路的歐姆定律和全電路（閉合電路）的歐姆定律。

部分電路的歐姆定律：在一段電路中，流過電阻R的電流I與電阻兩端的電壓U成正比，而與這段電路的電阻R成反比，即

閉合電路的歐姆定律：閉合電路的電流I跟電源的電動勢E成正比，跟內、外電路的電阻之和r+R成反比，即

電路狀態

在連接電路時，常聽到有通路、斷路、短路3種說法，這3種情況各不相同。

通路

通路是指閉合開關接通電路，電流流過用電器，使用電器進入工作的狀態。

斷路

斷路是指電路被切斷，電路中沒有電流通過的狀態。

除正常地切斷電源，使電路斷開外，在下列情況下也會出現斷路：用電器連接處接觸不良；用電器內部斷線；電路中電流過大，燒壞熔絲。

短路

短路是指電流不經用電器而直接構成回路。短路可分為整個電路短路和部分電路短路。

當發生整個電路短路時，整個電路電阻很小，電流很大，電路強烈發熱，會損壞電源甚至引起火災；電源短路后，通過用電器的電流幾乎為零，用電器也不能工作。

部分電路短路是指電路中某一部分電路首尾短接，其后果與上述整個電路短路相似，只是熱效應稍小，但是也能使與短路部分串接的電線或元器件因電流過大而受損害，甚至也會引起火災，損壞電源。

短路是電路連接時應特別注意避免的一種不正常情況。

2.1.3　單相交流電路

交流電

電流有交流電流和直流電流之分，電壓和電動勢也有交流和直流之分。

在工程上常把大小和方向隨時間做周期性變化，并且在一個周期內平均值為零的電壓、電流或電動勢統稱為交流電。

此外，還有其他一些滿足大小和方向隨時間做周期性變化，并且在一個周期內有正負變化的任意交流電。

正弦交流電

交流三角波、交流方波都有自己的變化規律。正弦交流電指的是電壓、電流或電動勢的變化規律符合正弦函數變化的一種交流電。

因變量y的大小隨著自變量x的變化而變化，這是數學公式對于量值大小變化的一種規律性描述。

從數學角度講，波形中任意時刻的數值所對應的方向是該點的切線方向，即在每一時刻，不同數值的變化的趨向是不同的。但是對交流電來說，有時說明量值的正負就足夠了。

交流電路和直流電路的區別

電源、負載和連接導線等中間環節是構成電路的基本要素。交流電路和直流電路的很多區別就在于電源和負載。

總之，直流電路有直流電路的分析方法，交流電路不能用直流電路的分析方法進行分析，在定量的分析、計算中必須區別對待。

純電阻交流電路

在交流電路中，只含有電阻元件的電路叫作純電阻交流電路。純電阻交流電路中不含電感和電容元件或設備。

在純電阻交流電路中，電壓與電流同相位，如下圖所示。

下面對直流電路和純電阻交流電路進行比較。

純電感交流電路

只含有純電感元件的交流電路叫作純電感交流電路，如下圖所示。

當電路中的電流發生變化時，由于有某些元件的存在，電路可能要阻礙電流的這種變化。電路阻礙電流變化的性質稱為電感。

電感是由電感性質的元件產生的。任何線圈都是由導線繞制而成的，而導線本身都具有電阻，所以嚴格來講只產生電感而自身沒有電阻的電感線圈實際上是不存在的。

但是，當電感元件產生的電感遠遠大于其自身電阻時，為了討論問題方便，可以把電阻的影響忽略掉，認為某些電感元件是純電感元件。所以，純電感交流電路是一種理想化的電路模型。

此外，即使是自身電阻比較大的線圈，也可以根據等效變換的原則把電感線圈能夠產生的電感和自身的電阻進行串聯，這樣得到的等效電路仍具有原電路的功能。這種電路的特點實際上也是純電感交流電路和純電阻交流電路的疊加作用，因此討論純電感交流電路，對討論含有電感的電路有著重要的作用。

純電容交流電路

通常把電路中存儲電荷并送回電路中去的能力稱為電容。

只含有電容性質元件的交流電路叫作純電容交流電路，如下圖所示。

純電容交流電路只考慮電容元件的電容性對電路的作用。在實際的交流電路中，只有電容作為負載的電路基本不存在。

電容元件是一種儲存能量的元件，自身并不消耗電能。完全意義上的負載應該承擔能量轉化的作用，即把電能轉化成其他形式的有用的能量。

在交流電路中，各種元器件對電路的綜合作用很多情況下是分立元器件作用的疊加。也就是說，討論純電容交流電路是為學習RC或RLC等電路做準備的。

2.1.4　三相交流電路

三相交流電

三相交流電是三相交流電流、三相交流電壓和三相交流電動勢的總稱。

在單相正弦交流電路中，單相交流電壓、單相交流電流和單相交流電動勢都是按照正弦規律變化的。可以形象地說，三相交流電就是3個單相交流電對電路的整體作用。

通常我們說的三相交流電指的是三相正弦交流電，如下圖所示。

三相交流電是由3個頻率相同、幅值相同但各相之間的相位互差120°的單相交流電組成的。三相交流電是由一臺三相發電機產生的，三相交流電的大小和方向隨時間一起周期性變化。

1　制造三相發電機、變壓器都比制造單相發電機、變壓器省材料，而且構造簡單，性能優良

2　用同樣材料所制造的三相電機，其容量比單相電機大50%

3　在輸送同樣功率的情況下，三相輸電線較單相輸電線，可節省有色金屬25%，而且電能損耗較單相輸電時少

由于三相制系統在發電、輸電、配電及電能轉化為機械能方面都有明顯的優越性，所以使得三相制得到了廣泛的應用。

如下圖所示，三相發電機示意圖中的磁極是靜止的，由線圈和鐵芯組成的電樞是旋轉的，這樣是為了討論問題方便，而實際的絕大多數發電機的電樞是靜止的，磁極是旋轉的。

三相繞組固定在鐵芯上，鐵芯與繞組合稱為電樞。

三相三線制

什么是三相三線制

三相三線制是電源和負載之間連接的一種方式。我們把供電系統中不引出中性線的星形連接和三角形連接，即電源和負載之間只有3根相線連接的接法，稱為三相三線制。

三相三線制的排列

電力系統高壓架空線路是典型的三相三線制接法。

三相三線制只包括三相交流電的3根相線（A相、B相和C相）。由于沒有中性線（N線）和地線（PE線），所以這種供電方式不能用于三相不對稱負載。

此外，三相三線制由于沒有外殼接地保護，一般不作為民用；工廠車間里，除有些三相電動機和變壓器外也較少使用。

三相四線制

什么是三相四線制

把電源的3根相線（電源的首端）與三相負載的首端相連，把電源的星接點與負載的星接點用一根線相連，就構成了三相四線制接法。我們把連接兩個星接點的連線稱為中性線。

三相四線制的構成

三相四線制是電源和負載均為星形連接時的一種供電方式。

由于在三相四線制中有中性線存在，從而保證星形連接的各相負載上的電壓始終接近對稱，在負載不平衡時也不致發生某一相電壓升高或降低。

此外，在三相四線制中，若一相斷線，仍可以保證其他兩相負載兩端的電壓不變，所以在低壓供電線路上廣泛采用三相四線制。

三相交流電源的星形連接

三相交流電源的連接

在發電廠中，發電機的引出端是由黃（A或U）、綠（B或V）、紅（C或W）三色的3個匯流排經過斷路器接到主變壓器上的。

三相交流電源的三相四線制星形連接

從三相繞組的始端A（U1）、B（V1）、C（W1）也引出3根線，給負載供電時，這3根端線叫L1、L2、L3相線，該3根相線和中性線（N線）構成4根供電線，如下圖所示，這就是三相交流電源的三相四線制星形連接。

由于負載在絕大多數情況下都是不對稱負載，因此，低壓三相負載的電源常采用三相四線制星形連接供電。

三相交流電源的三角形連接

三相交流電源的三角形連接就是把一個繞組的末端和另一個繞組的始端依次始末相連，構成一個閉合回路，如下圖所示。

當電源采用三角形連接時，線路中只有一種電壓供電，即端線之間的線電壓uAB、uBC、uCA。

當三相電源只用3根線傳輸時，這種供電方式稱為三相三線制，在低壓供電系統中很少采用。

三相負載和單相負載

電力系統的負載，從它們接用的相數來看可以分成兩類：一類是單相負載，另一類是三相負載。

三相負載的星形連接

三相負載的星形連接有兩種：一種是三相三線制接法，另一種是三相四線制接法。三相三線制接法如下圖所示。

以電動機為例，將電動機的三相繞組的末端連接起來，將電動機的三相繞組的始端和三相電源的端線連接起來，就構成了負載的三相三線制星形連接。

三相負載的三角形連接

三相負載接成三角形連接的電力設備通常是變壓器和三相電動機。

把電動機的三相繞組AX、BY、CZ的始端和末端依次連接起來，每相繞組便構成三角形的一條邊，再從三角形的3個頂點引出3根導線與三相電源的三相相線相連，就構成了負載的三角形連接，如下圖所示。