建筑电气：第13章 电工基础知识

1、第13章 电工基础知识 13.113.1电路的基本概念电路的基本概念 13.213.2直流电路的基本定律直流电路的基本定律 13.313.3负载的连接负载的连接 13.413.4正弦交流电路的基本概念正弦交流电路的基本概念 13.513.5三相交流电路三相交流电路 13.113.1电路的基本概念电路的基本概念 13.1.113.1.1电荷与电场电荷与电场 13.1.213.1.2电位与电压电位与电压 13.1.313.1.3电流电流 13.1.413.1.4电源力和电动势电源力和电动势 13.1.513.1.5电路电路 13.1.613.1.6负载与电阻负载与电阻 13.1.713.1.7功率

2、与电能功率与电能 1.电荷 世界上的物质都是由分子构成的，而分子是由原子构成的，原 子可以分裂为一个原子核和一些围绕原子核旋转的电子。原子 核又可分为质子和中子，其中质子带有正电荷，中子不带电， 所以原子核带有正电荷，电子带有负电荷。物体在失去电子后 带有正电荷；获得多余的电子时，便带有负电荷。一般用Q或 q来表示电荷所带的电荷量，电荷量的单位是库仑，用符号C 表示。每个质子所带的电荷量和每个电子所带的电荷量是相等 的，均为1.610-19C。 电荷是一种客观存在的物质，既不能创造，也不能消失，只能 从一个物体转移到另一个物体，这就是电荷守恒定律。 13.1.113.1.1电荷与电场电荷与电场

3、 2.电场 带电物体的周围存在着电场。静止电荷产生的电场不随时间的 变化而变化，这一电场称为静电场。如果把一个实验电荷放到 电场里，实验电荷就会受到力的作用，这种力就是电场力。 3.电场力 电场力的大小不仅和带电体所带电荷量有关，还与它们的形状、 大小及周围的介质有关。当两个带电物体之间的距离比带电物 体的大小大得多的情况下，就可以把带电体看作点电荷，点电 荷之间的作用力可以用库仑定律求得 F=q1q24r2(13-1) 式中F两个点电荷之间的作用力(N)； q1、q2两个点电荷的电荷量(C)； r两点电荷之间的距离(m)； 介电常数，与电介质的性质有关。 4.电场强度 为了定量地描述电场，引

4、入了电场强度的概念。在静电场中某 一确定的点放有一实验正电荷，该电荷所受的力与它所带的电 荷量之比是一个常数，这个比值称为电场强度，用符号E(N/C) 表示，即 E=Fq0(13-2) 电场中任意一点的电场强度，在数值上等于放在该点的单位正 电荷所受的电场力的大小；电场强度的方向就是正电荷受力的 方向。故电场强度是一个既有大小又有方向的矢量。在实用制 单位中，电场强度的单位用V/m(伏/米)表示。 13.1.2电位与电压 1.电位 2.电压 1.电位 有带电体的存在就有电场的存在，电荷在电场中受到电场力的 作用，因此电荷在电场中移动就需要做功。通常把电场力将单 位正电荷从某点移动到参考点(参考

5、点的电位为零)所做的功叫 做该点的电位。 电场中每一点都有一个确定的电位值，电位可以看成是单位正 电荷在该点所具有的电位能，单位用伏(V)表示。 电位是表示电场内能量的一种物理量，电位与电荷所带电荷量 的大小无关，只与电荷在电场中的位置有关。电荷在电场力的 作用下移动时，电场力所做的功为正值；电荷在外力作用下， 反抗电场力移动时，电场力所做的功为负值。 2.电压 图13-1电压的概念图示 13.1.3电流 图13-2电流的方向 13.1.4电源力和电动势 1.电源力 2.电动势 1.电源力 在各种不同的电源中产生电位差的原因是不同的，但 有一个共同的特点就是能把电源内部导体中所存在的 正、负电

6、荷分别向两极推动，使一个极具有一定量的 正电荷，另一个极具有一定量的负电荷，这样在电源 的两极之间就形成了电场，出现了一定的电位差。通 常把电源内部具有推动电荷移动的作用力称为电源力。 2.电动势 图13-3电源的电动势 13.1.5电路 图13-4最简单的电路 13.1.6负载与电阻 1.电阻 2.电导 1.电阻 当把不同的负载接到电源上的时候，负载中通过的电 流大小是不同的。通常把加在导体两端的电压和通过 导体的电流的比值叫做电阻。电阻的单位是欧姆()， 符号为R。 2.电导 为了计算方便，导体的电阻值有时用它的倒数，即电 导表示，电导用符号G表示，单位是西门子，简称西， 用S表示。 13

7、.1.7功率与电能 1.电能 2.功率 1.电能 电能是衡量电场做功的物理量。电能的定义是电场力 将单位正电荷从某点移动到另一点所做的功。设某段 电路ab中有电流流过，ab两点间的电压为U，在t秒内 将电荷Q从a点移动到b点所做的功表示为 W=UIt 上式表示在t秒钟内电场力所做的功，也就是消耗在电 阻R上的电能。电能的单位是焦耳(J)，1J等于电压为 1V，电流为1A，在1s内所做的功。 2.功率 功率表示电路元件中能量变换的速度，电场力在ab段电路中， 单位时间内所做的功就叫功率，用P表示。 P=W/t 式中P功率(W)；W电场力所做的功(J)；t时间(s)。 实际应用中经常使用的功率单位

8、有千瓦(kW)、瓦(W)和毫瓦(m W)，它们的换算关系为 1kW103 1mW= 10-3W 电源的功率等于电源的电动势E与电流I的乘积 P=EI 负载的功率等于负载两端的电压和通过负载的电流的乘积 P=UI 13.2直流电路的基本定律 13.2.1部分电路欧姆定律 13.2.2全电路欧姆定律 13.2.1部分电路欧姆定律 图13-5部分电路的 欧姆定律 13.2.2全电路欧姆定律 图13-6全电路的欧姆定律 13.3负载的连接 13.3.1负载的串联 13.3.2负载的并联 13.3.1负载的串联 1)串联电路中，电流处处相同，且为同一电流，根据欧姆定律， 串联电路的电流为 2)串联电路两

9、端的总电压等于各电阻上分电压之和，即 3)串联电路的总电阻等于所有电阻之和，即 4)串联电阻上的电压与电阻值成正比，电阻值越大，所分得的电 压越大。 5)各电阻所消耗的功率与电阻的阻值成正比，串联电路的总功率 等于各电阻功率之和。 13M7.tif 13.3.2负载的并联 1)各个电阻两端的电压相等，都等于外电压，这是并联电路的主 要特征。 2)每个支路的电流和电阻成反比，电阻越小，支路的电流越大； 电阻越大，支路的电流越小。 3)并联电路的总电流等于各个分支电流之和，即 4)并联电路总电阻的倒数等于各支路电阻倒数之和 5)并联电路中消耗的总功率等于各个支路电阻消耗的功率之和。 13.3.2负

10、载的并联 图13-8电阻的并联 13.4正弦交流电路的基本概念 13.4.1交流电 13.4.2正弦交流电 13.4.3正弦交流电的三要素 13.4.4正弦交流电的负载 13.4.5有功功率与无功功率 13.4.1交流电 图13-9交流电压的波形 a)正弦波b)方波 13.4.2正弦交流电 图13-10正弦交流电的波形 13.4.3正弦交流电的三要素 1)Im为振幅值，电流在瞬时变化中所能达到的最大值。 2)为角频率，单位时间正弦电流相位的变化。 3)为初相位，t为0时，正弦波相位的初始值，决定正弦交流电的 初始幅值。 13.4.4正弦交流电的负载 1.电阻元件 2.电感元件 3.电容元件 1

11、.电阻元件 图13-11电阻元件上电压与电流的关系 2 电感元件 i (t) + - u (t) 电感线圈电感线圈 把金属导线绕在一骨架上构成一实际把金属导线绕在一骨架上构成一实际 电感线圈，当电流通过线圈时，将产生磁通，是一电感线圈，当电流通过线圈时，将产生磁通，是一 种抵抗电流变化、储存磁能的部件。种抵抗电流变化、储存磁能的部件。 (t)N (t) 下 页上 页返 回 2.电感元件 图13-12电感元件上电压与电流的关系 3.电容元件 图13-13电容元件上电压与电流的关系 13.4.5有功功率与无功功率 1.电阻元件的功率 2.电感元件的功率 3.电容元件的功率 1.电阻元件的功率 交流

12、电路中，任一瞬间电路元件上的电压与电流瞬时 值的乘积，叫做该元件的瞬时功率. 由于瞬时功率随时间变化，不能给出一个确定的功率 值，所以在工程上都是计算平均功率，即瞬时功率在 一个周期内的平均值，用大写英文字母PR表示。 2.电感元件的功率 电感元件上的瞬时功率是随时间变化的正弦函数，频 率是电流(或电压)频率的两倍。对于理想电感元件， 在一个周期内，只有能量的转换，没有能量的消耗， 因此平均功率为零。 瞬时功率的最大值为ULIL，叫做无功功率，以QL表示， 它说明电源和电感元件之间能量交换的最大速率。 3.电容元件的功率 电容元件的瞬时功率也是随时间变化的正弦函数， 频率是电压(或电流)频率的

13、两倍。瞬时功率的最大值 UCIC称为无功功率，它代表电源和电容元件之间能 量交换的最大速率。 13.5三相交流电路 13.5.1三相交流电的电源电动势 13.5.2三相交流电源的连接形式 13.5.3三相对称负载的连接形式 13.5.4三相不对称负载的连接形式 13.5.5三相电路功率的计算 13.5.1三相交流电的电源电动势 1)由于发电机三相绕组的结构相同，因此产生的感应电动势的最 大值相等，用Em表示，即Em=EUm=EVm=EWm。 2)由于三相绕组以相同的角速度在磁场中旋转，所以三个感应电 动势的角频率相同。 3)三相绕组在空间互差120，故三个感应电动势的相位差互为12 0。 13

14、.5.1三相交流电的电源电动势 图13-14三相交流发电机示意图 图13-15三相对称电动势的波形图和相量图 13.5.2三相交流电源的连接形式 1.电源的星形联结 2.电源的三角形联结 1.电源的星形联结 图13-16三相对称电源的星型联结 2.电源的三角形联结 图13-17三相电源的三角形联结 13.5.3三相对称负载的连接形式 1.负载的星形联结 2.负载的三角形联结 13.5.3三相对称负载的连接形式 图13-18三相负载的星形连接 1.负载的星形联结 星形联结的三相电源线电压为380V。许多用电器件的额定电 压均为220V，因此这些电器就不能接在三相电源的相线之间， 而应接在相线与中

15、性线之间，它的相电压为220V，正好满足 电器额定电压的要求，中性线就成了负载的公共端，这种连接 方式叫做负载的星形连接，如图13-18所示。 假设各相负载的阻抗分别用ZU、ZV、ZW表示，这种用四根导 线把电源和负载连接起来的三相电路，叫做三相四线制。 假设导线的阻抗很小，可忽略不计，那么负载的线电压与电源 的线电压相等。如中性线阻抗也可忽略不计，则负载的中性点 的电位与电源中点的电位相同，负载的相电压和相应的电源相 电压也相等。 2.负载的三角形联结 图13-19负载的三角形联结 13.5.4三相不对称负载的连接形式 图13-20三相负载的组成 13.5.5三相电路功率的计算 1.有功功率 2.无功功率 3.三相视在功率 4.功率因数 1.有功功率 (1)若负载为星形联结时，IL=I?，UL=U?，代入式(13-68)，三相负 载的平均功率为P=3ULILcos. (2)若负载为三角形联结时，UL=U?，IL=I?，代入式(13-68)，则三 相负载的平均功率为P=3ULILcos. 2.无功功率 在三相电路里，负载消耗的无功功率应该