建筑电工学(使用)

1、绪 论 学习建筑电工学的主要目的，就是要掌握电工技术的基本理论、基本知识和基本技能；为学习有关专业课和从事专业技术工作以及进一步钻研新技术奠定初步基础。 本课程的主要内容和基本要求： 1电路 2电气设备 3建筑施工供电与照明 4电子技术基础 5电工与电子实验 第一章 电工基本知识和单相交流电路 1-1 电路的组成及其基本物理量 一、电路的组成(4部分) 电路就是电流通过的路径。图1-1是一个简单的电路模型。图1-1 电路的组成最简单的电路 二、电路的基本物理量 1.电流强度(简称电流) 衡量电流强弱的物理量称电流强度。 (在1s内通过导体横截面的电荷为1C(库仑)时，其电流为1A。) 直流电流

2、，大小和方向均不随时间变化的电流叫恒定电流 用I表示。交流电的大小和方向均随时间周期变化 (1-1)(1-2) 用i表示 为了维持电路中有持续不断的电流，必须有一种外力,把正电荷从低电位处(如负极B)移到高电位处(如正极A)。在电源内部就存在着这种外力。如上图所示，外力克服电场力把单位正电荷由低电位B端移到高电位A端，所做的功称为电动势，用E表示。电动势的单位也是V。如果外力把1C的电量从点B移到点A，所做的功是1J，则电动势就等于1V。电动势的方向规定为在电源内部从低电位指向高电位，即由负极指向正极。 电源的电动势在数值上就等于电源力把单位正电荷从电源的负极经电源内部移到正 极电源力所做的功

3、。(1-3) 电动势的单位是伏特，简称伏(V)。较大或较小的单位是千伏(kV)，毫伏(mV)， 3.电压 电路中任意两点a、b之间的电压差Uab，在数值上等于电场力将单位正电荷从a点推到b点所做的功(1-4)电位的概念(1-5) 把单位电荷在电路中某点所具有的能量称为该点的电位。 电位在数值上等于电场力将单位正电荷从该点沿任意路径推到参考点（假设的零电位点）所做的功，用U加单字母标表示。电压的方向则由起点指向终点，有时用箭头在图上标明。 如果电场力把1C电量从点A移到点B所作的功是1J(焦耳)， 则A与B两点间的电压就是1V 电压的单位与电势相同。 5.电功率 一秒钟内负载（电源输出）消耗的电

4、能叫做负载（电源）的电功率。 W= QU。 在直流电路中，负载消耗的电功率P等于负载两端的电压U与通过负载电流I的乘积。 P=UI (1-6) 功率的单位是：千瓦(kW)、瓦(W)、毫瓦(W)。 1-2 电路的基本定律 一、欧姆定律 电阻中电流的大小与加在电阻两端的电压成正比，而与电阻值成反比，即： (1-7)图1-2 一段电阻电路 二、克希荷夫定律及其应用 克希荷夫定律共有两个：第一定律应用于克希荷夫定律共有两个：第一定律应用于节点，又称节点电流定律节点，又称节点电流定律(KCL)；第二定律；第二定律应用于回路，又称回路电压定律应用于回路，又称回路电压定律(KVL)。图1-3 复杂电路 首先

5、要理解几个术语：首先要理解几个术语： 支路：电路中一段无分叉的电路称为支路，支路：电路中一段无分叉的电路称为支路，或者说支路上的电流处处相等。或者说支路上的电流处处相等。 结点：电路中三条或三条以上的支路相连结点：电路中三条或三条以上的支路相连接的点称为结点接的点称为结点 回路：电路中任一闭合路径称为回路。回路：电路中任一闭合路径称为回路。 1.克希荷夫电流定律 在任一瞬时，对于电路中任意一个节点，流入节点的电流之和必等于从该节点流出的电流之和。(1-8)(1-9) 如图1-3的 B节点：I1=I2+I3 如图1-4的广义节点（也适用某些闭合区域）Ib+Ic=Ie图1-4 晶体三极管可等效为广

6、义节点Ia+Ib+Ic=0 2.克希荷夫电压定律 在任一瞬时，沿任一回路绕行一周，回路上各电动势的代数和必等于各段电压降的代数和。(1-10)(1-11) 在任一瞬间，沿任一回路的顺时针（逆时在任一瞬间，沿任一回路的顺时针（逆时针），回路中各段电压的代数和恒等于针），回路中各段电压的代数和恒等于0，也可以用电势的概念来解释。即在顺时针也可以用电势的概念来解释。即在顺时针或逆时针方向上沿回路一圈，所有电位降或逆时针方向上沿回路一圈，所有电位降之和应该等于电位升之和。之和应该等于电位升之和。 如图1-3的I回路：E1-E2=I1R1-I2R2 3.克希荷夫定律的应用 (1)利用两定律求解复杂电路中

7、的电流 在图1.27中，已知I1=0.01A，I2=0.3A，I5=9.61A，试求电流I3，I4，I6。例例1.2.1，求各支路的电流，求各支路的电流(2)电路中电位计算 在电路中要求得某点的电位值，也必须在电路中选择一个在电路中要求得某点的电位值，也必须在电路中选择一个参考点，这个参考点叫零电位点。零电位点可以任意选择。参考点，这个参考点叫零电位点。零电位点可以任意选择。在电工技术中，为了工作安全，通常把电路的某一点与大在电工技术中，为了工作安全，通常把电路的某一点与大地连接，称为接地。这时，电路的接地点就是电位等于零地连接，称为接地。这时，电路的接地点就是电位等于零的参考点。它是分析线路

8、中其余各点电位高低的比较标准，的参考点。它是分析线路中其余各点电位高低的比较标准，用符号用符号“”表示。电路中某点的电位，就是从该点出发，表示。电路中某点的电位，就是从该点出发，沿任选的一条路径到参考点所经过的全部电位降的代数和。沿任选的一条路径到参考点所经过的全部电位降的代数和。计算电位的方法和步骤如下：计算电位的方法和步骤如下： (1) 选择一个零电位点，即参考点。选择一个零电位点，即参考点。 (2) 标出电源和负载的极性：按标出电源和负载的极性：按E的方向是由负极指向正的方向是由负极指向正极的原则，标出电源的正负极性，在假设电流方向，将电极的原则，标出电源的正负极性，在假设电流方向，将电

9、流流入端标为负载的正极，流出端为负载的负极。流流入端标为负载的正极，流出端为负载的负极。 (3) 求点求点A的电位时，选定一条从点的电位时，选定一条从点A到零电位点的路径，到零电位点的路径，从点从点A出发沿此路径到零电位点，不论一路经过的是电源出发沿此路径到零电位点，不论一路经过的是电源还是负载，只要是从正极到负极，就取该电位降为正，反还是负载，只要是从正极到负极，就取该电位降为正，反之就取负值，然后，求代数和。之就取负值，然后，求代数和。例例1.2.21.2.2求求A,B,CA,B,C三三点的电位点的电位 1-3 电 磁 一、磁路的基本物理量 1.磁感应强度和磁通 磁感应强度B是描述磁场中某

10、点磁场强弱与方向的物理量。 一根长度为l，电流为I的直导体，垂直于磁力线的方向放入磁场时有：(1-12)磁通是描述磁场中某一范围内磁场强弱的物理量。 =BS (1-13) 2.磁导率和磁场强度 磁导率是用来表示物质导磁性能的物理量。真空中的磁导率为一参数，即 0=410-7 H/m (1-14) 而其他材料的磁导率和真空中的磁导率0的比值，称为该物质的相对磁导率r (1-15)铁，钴，镍及其合金等铁磁材料的铁，钴，镍及其合金等铁磁材料的r 很高，是变压器，电机和很高，是变压器，电机和多种带线圈的电器都有铁芯的原因。多种带线圈的电器都有铁芯的原因。 为了计算方便，引入一个辅助量，称磁场强度H。它

11、与磁感应强度B的关系是：(1-16)图1-7 环形线圈电流的磁场磁场强度与磁场强度与磁导率无关，磁导率无关，只与线圈的只与线圈的形状，匝数形状，匝数和通过电流和通过电流 的大小有关的大小有关 二、磁路及磁路欧姆定律 磁路就是磁通通过的路径，主要由铁磁材料构成(1-18)(1-19)公式(1-19)是无分支磁路的欧姆定律。与电路欧姆定律进行比较。 1.3.1 在图在图1.3.1中，环形线圈内放置中，环形线圈内放置r=1000的铁芯，的铁芯，铁芯的中心长度为铁芯的中心长度为100cm，横截面积为，横截面积为10cm2 ,线圈线圈匝数为匝数为1000匝，求（匝，求（1）铁芯的磁阻；（）铁芯的磁阻；（

12、2）当铁芯）当铁芯的磁通为的磁通为12.5610-4Wb,线圈中的电流为多少？（线圈中的电流为多少？（3）当铁芯中开有长度为当铁芯中开有长度为l0=0.1cm的空气隙是，如果仍的空气隙是，如果仍维持维持12.5610-4Wb的磁通不变，此时线圈电流多的磁通不变，此时线圈电流多大？大？ 解答：解答：（1） （2）50R7.96 10/mrllA Wbsu u s1mRIAN （3）空气隙所产生的磁阻和铁芯的磁阻是串联）空气隙所产生的磁阻和铁芯的磁阻是串联关系，先求空气隙磁阻为：关系，先求空气隙磁阻为： 保持磁通不变，线圈的电流为保持磁通不变，线圈的电流为： 由上述结果可知，当磁路中有很小的空气隙

13、时，由上述结果可知，当磁路中有很小的空气隙时，要保持足够的磁通，要成倍的增加激励电流或要保持足够的磁通，要成倍的增加激励电流或线圈匝数，所以为了减少磁路的磁阻应该尽量线圈匝数，所以为了减少磁路的磁阻应该尽量减少空气隙的长度。减少空气隙的长度。50007.96 10/ WbmrlRAu u s0(R)2mmRIAN图1-8 直导体中的感应电动势电磁感应（两种方式）电磁感应（两种方式）e=Blv (1-20)图1-9 线圈中的感应电动势(a)磁铁插入 (b)磁铁拔出 3.感应电动势的方向 直导线切割磁力线产生感应电动势的方向由右手定则判定，如图1.3.2所示。 螺线管中产生的感应电动势的方向由楞次

14、定律来确定：感应电动势的方向总是使它在闭合回路中所产生的电流的附加磁通力图阻止原磁通发生改变。 为使电磁感应公式既能表明感应电动势的大小，又能正确反映由楞次定律所确定的感应电动势的方向，故在式前置一负号，即：(1-22) 上式就是法拉第电磁感应定律。 四、自感与自感电动势 由于线圈自身电流变化而引起的电磁感应现象称为自感现象，所产生的感应电动势称为自感电动势：(1-23)NL L称为线圈的自感系数或电感。它仅仅称为线圈的自感系数或电感。它仅仅与线圈的几何形状及磁导率有关。与线圈的几何形状及磁导率有关。表示线圈的磁通和它交链的匝数的乘积，称表示线圈的磁通和它交链的匝数的乘积，称为线圈的磁通链，用

15、为线圈的磁通链，用 表示。表示。对于空心线圈而言，其磁通链和通过它的激励对于空心线圈而言，其磁通链和通过它的激励电流之比总是一个常数电流之比总是一个常数由由1.3.71.3.7式左右同乘式左右同乘N N： 当变化的磁通穿过铁心时，其中必然要产生感应电动势，从而引起自成回路像水旋涡形的电流，故称为涡流。图1-10 铁心中的涡流1-4 正弦交流电的产生及其基本概念 一、单相正弦电动势的产生图1-11 单相交流发电机的结构图1-12 电枢表面磁场分布图1-13 正弦电动势的波形 为了产生正弦电动势，磁极制成特定形状，竖中心线空气隙最小，磁阻最小，磁感应强度最大。两侧的磁感应强度越来越小，横中心线磁感

16、应强度为0 电枢表面上任一点的磁感应强度为： B=Bmsin (1-25) 如绕组为N匝，则产生电动势的大小为： e=N2Bmlvsin=Emsin (1-26) 当电枢从任意角开始，以的角速度旋转，则经历t时刻后，电动势变化的电角度应为(t+ )，所以 e=Emsin (t+ ) (1-27)图1-14 转磁式发电机结构 转磁式和转绕式结构不同，原理相同。 二、正弦交流电的三要素 1.幅值和有效值 交流电随时间变化，不便用正弦量来计量交流电的大小，我们用常用有效值来表示交流电的大小。（能量守恒） 若把一交变电流i和一直流电流I分别通过两个等值的电阻R，如果在相同的时间内它们产生的热量相等，则

17、此直流电流值就叫做该交流电流的有效值。 由焦尔楞次定律得： (1.4.4) (1-32) 由定义知Q直=Q交，即： (1-33) 设i=Imsint，代入式(1-33)得： (1-34) 同理，正弦电压、正弦电动势的有效值为： (1-35) (1-36) 例1.4.1 某交流电，用电压表测得电源电压为380V，问电源的幅值为多少？若电流按 ，问用安培表测得的读数为多少？ 解（1）14.1sinit2537mUUV102mIIA2.周期与频率 正弦量变化一个循环所需的时间称为周期，交流电一秒钟内变化的次数称为交流电的频率。 (1-28) 角速度： (1-29) 3.初相位和相位差 e=Emsin

18、 (t+ ） (t+)反映了正弦量变化的进程，被称为相位角，简称相位。 是当t=0时的相位角，即： 称为初相位图1-15 正弦电动势的波形 三、同频率正弦量的相位差 相位差就是两个同频率同频率正弦量的相位之差，用表示。 (1.4.12) 同相，超前，滞后，反相。通常用来指电压和电流之间的相位差值。 9021 90021 02118021uitui Ouitui90OuituiOtuiuiO 不同频率的正弦量比较无意义。不同频率的正弦量比较无意义。 两同频率的正弦量之间的相位差为常数，两同频率的正弦量之间的相位差为常数， 与计时的选择起点无关。与计时的选择起点无关。 ti2i1iO 例题1.4.

19、3 由图1.4.7所示的正弦电压u1和u2的波形，试写出他们的三角函数表达式。已知：121212220 ,200 ,2,4,20,50mmUV UVtmstms Tms Tms 解：1111112100/5220sin(100 t)V5wrad sTw tu222222280/57.6200sin(80 t 57.6 )Vwrad sTwtu 。瞬时值表达式瞬时值表达式)sin(m tUu波形图波形图ut OUU相量：相量：一、复数的表示形式和四则运算 1.复数的表示形式 复数的代数表示式 A=a1+ja2 (1-37) A=a1+ja2=a(cos+jsin) (1-38) (1-39) 由

20、代数形式化成指数形式时，有：(1-40)图1-18 复数的表示(a)复数与复平面上的点 (b)复数与向量 反过来，由指数形式化成代数形式按：2.复数的四则运算 (1-41)12A=(cosjsin )ajaaamsin()uUt设正弦量设正弦量:若若: :有向线段长度有向线段长度 = mU有向线段以速度有向线段以速度 按逆时针方向旋转按逆时针方向旋转则则: :该旋转有向线段每一瞬时在纵轴上的投影即表示该旋转有向线段每一瞬时在纵轴上的投影即表示相应时刻正弦量的瞬时值。相应时刻正弦量的瞬时值。（t=0t=0时）有向线段与横轴夹角时）有向线段与横轴夹角 = 初相位初相位 1u1tu0 xyOmUut

21、 O 随时间按正弦规律变化的正弦量向量叫相量，把用相量表示正弦量的幅值和初相的方法叫正弦量的相量表示法。对正弦电压、电流的幅值相量用Um、Im表示，有效值相量用U、I表示。例如： u=Umsin (t+u) 其幅值相量的复数表示式为： (1-45) 有效值相量的复数表示式为： (1-46)(sinmtUu设正弦量设正弦量:相量相量: 表示正弦量的复数称相量表示正弦量的复数称相量 UjUeU )(sinmtIi？= 非正弦量不能用相量表示。非正弦量不能用相量表示。只有只有同频率同频率的正弦量才能画在同一相量图上。的正弦量才能画在同一相量图上。 IU jmmmUU eU或：或：IeImjm 图1-

22、20 正弦量的相量图1U 202U 452U1U 落后于落后于1U2U超前超前落后落后？V)45(sin21102tuV)20(sin22201tu+1+j122020 VU211045 VU例例2: 已知已知)A60sinj60cos11()A30sinj30cos12.7( 有效值有效值 I =16.8 A)A 30 (314sin2.7 12 1ti )A 60 (314sin211 2ti。 iii21A) 10.9 314(sin216.8 ti求：求：1 12.7 30 AI21160 AIAA1212.7 301160IIIA10.916.8j3.18)A-16.5( 1-6 单

23、一参数的交流电路 一、纯电阻电路图1-23 纯电阻电路及其相量图和波形图 1.电压与电流的关系 设加在电阻R两端的电压为： u=Umsint (1-47) 根据欧姆定律，通过电阻的电流瞬时值为： (1-48) 由此可见 用相量表示 (1-50)(1-49) 纯电阻电路的结论：RUI 0 iu 相位差相位差 ： 2. 电阻上的功率 (1)瞬时功率 在电阻上任意瞬间所消耗的功率称为瞬时功率。 (1-51) 两部分构成(1) 瞬时功率瞬时功率 p：瞬时电压与瞬时电流的乘积瞬时电压与瞬时电流的乘积结论结论: （耗能元件）（耗能元件）, ,且随时间变化。且随时间变化。0ppituOtpOiu (2)平均

24、功率(也称有功功率) 平均功率即在一个周期内瞬时功率的平均值 (1-52) (1-53) 纯电阻电路消耗的有功功率等于电压和电流有效值的乘积。 二、纯电感电路 1.电压与电流的关系 设通过线圈中的电流为： i=Imsint (1-54) 由电磁感应定律可得： (1-55) 由此可见 (1-56)iu+-eL+-L U =I L 90iu相位差相位差utu iiO 电感电感L具有通直阻交的作用具有通直阻交的作用f = 0, XL =0，电感，电感L视为视为短路短路LfLXL2 fLXL2 fXLLXIU 则则: : 用相量表示 (1-57) (1-58)图1-24 纯电感电路及其相量图和波形图

25、2.电感线圈的功率 根据瞬时功率的定义得： pL=iu=ImsintUmcost=UIsin2t (1-59) 电感元件在正弦交流电路中，时而取能，时而放能，且取与放的能量相等，故它在一个周期内的平均功率等于零，即： (1-60)p 0分析：分析：瞬时功率瞬时功率 ：uiptUI2sinui+-ui+-ui+-ui+-+p 0p 0p 0p 0pto所以电容所以电容C是储是储能元件。能元件。结论：结论： 纯电容不消纯电容不消耗能量，耗能量，只和只和电源进行能量电源进行能量交换（能量的交换（能量的吞吐吞吐) )。uiotu,i 例1.6.1 在下图1.6.4（a）中，已知， 求（1）各个支路的电

26、流，并作相位图（2）求各元件上的功率P，QL,QC220 2sin314,R50 ,L159.24mH,C64uFutV解答解答:(1)50150LCXWLXWC4.44.4904.4 90RLLccUIARUIjXIjX U。224.4 2sin3144.4 2sin(31490 )4.4 2sin(31490 )P968968var/968varRLCRLLLCCCitititUIWQI XQUX。 1-7 RLC的串联交流电路图1-27 RLC串联电路和相量图 一、电压与电流的关系 (1-69) 各元件上的电压为 (1-70) 式(1-70) 称为欧姆定律的相量形式。式中： (1-71)

27、图1-28 阻抗三角形、电压三角形和功率三角形 二、电路的功率 1.瞬时功率 p=ui=2UIsin(t+) sint =UIcos-cos (2t+) (1-72) 2.平均功率 (1-73) 3.无功功率和视在功率 无功功率 (1-74)图1-29 RLC交流电路的瞬时功率 把总电压与电流的乘积称为RLC交流电路的视在功率或表观功率，用S表示，即： S=UI (1-75) 视在功率与有功功率、无功功率的关系为： (1-76) 视在功率的单位为伏安(VA)，或千伏安(kVA) (1-77) 1-8 串联谐振与并联谐振 一、串联谐振 1.谐振的条件和谐振频率 电路产生谐振的条件为： (1-78

28、) 串联谐振的频率： (1-79) 2.谐振的主要特点 串联谐振时，电路的阻抗Z0=R为最小；在一定的电压下，电路中电流的有效值为最大。 由欧姆定律，谐振时电路中的电流为： (1-80)图1-32 阻抗的频率响应曲线图1-33 电流的频率响应曲线 串联谐振时，电感、电容上的电压可以比总电压大许多倍。 因为谐振时I0=UR，所以电感和电容上的电压分别为： 谐振回路的品质因数，用Q表示 (1-81) 3.串联谐振的应用举例图1-34 晶体管收音机的输入电路及其等效电路(a)输入调谐电路 (b)等效电路 二、并联谐振图1-35 并联谐振电路及其相量图 1.谐振条件和谐振频率 由欧姆定律的相量形式，可

29、求得各支路电流： (1-82) 由KCL的相量形式，线路总电流： (1-83) 并联谐振的条件为： (1-84) 并联谐振时的角频率和频率为： (1-85) (1-86) 2.并联谐振的主要特点 (1)谐振回路的总电流I为最小值，回路总阻抗Z0为最大值 (1-87) 总电流(1-88) (2)并联谐振时，线圈支路、电容支路中的电流可比总电流大许多倍。 谐振时各支路的电流有效值为：(1-89) 1-9 功率因数的提高 一、为什么要提高电路的功率因数 提高供电网络的功率因数，可使电源的能量得到充分的利用。 二、怎样提高功率因数 用大型同步电动机过励磁运行(为容性负载)来补偿企业的功率因数或在企业变

30、配电所内集中安装静电电容器提高功率因数。对于日光灯等感性负载，可在负载两端并联适当容量的电容器。图1-36 提高功率因数的电路图和相量图 三、感性负载并联电容的计算 并联电容C前后电路所消耗的有功功率不变。 P=UI1cos1=UIcos (1-90) (1-91) 第二章 三相交流电路 2-1 三相交流电源 一、三相对称电动势的产生 三相对称电动势是由三相交流发电机产生的。三相交流发电机与单相交流发电机的工作原理是相同的，不同的是三相交流发电机有3个完全相同的定子绕组，3个绕组的首端A、B、C(或末端X、Y、Z)在空间互差120。 三相电动势的瞬时值表达式图2-1 三相发电机原理图 (2-1

31、) 3个电动势有效值相量表达式为： (2-2)图2-2 三相电动势波形图图2-3 三相电动势相量图 二、三相发电机绕组的连接方法 1.星形(Y形)连接图2-4 三相发电机绕组的星形连接 用相量表示(2-3) 线电压与相电压之间的关系，在图2-5中，由KVL可得：(2-4)(2-5)图2-5 星形连接时线电压与相电压的相量图 线电压的有效值 (2-6) 2.三角形(形)连接 这种连接方式，相线与相线之间的线电压就是发电机一相绕组上的电压，即线电压等于相电压。其有效值用一般式表示为： Ul=UP (2-7)图2-6 三相发电机绕组的三角形连接 2-2 三相负载的星形连接 一、三相不对称负载的星形连

32、接图2-7 三相不对称负载星形连的实际电路图2-8 三相不对称负载的星形连接 在星形连接中，线电流等于相电流 其有效值一般表示式为：Il=IP (2-8) 各相电流，电功率的计算，可按单相电路逐相进行。(2-9) 中线电流可由KCL的相量形式计算(2-10) 各相负载的有功功率分别为 (2-11) 功率因数可由下列公式求得： (2-12) 而三相总有功功率为： P=Pa+Pb+Pc (2-13) 二、三相对称负载的星形连接 其余两相则根据线电流或相电流的对称性关系直接推出。 (2-14) 中线电流为： (2-15) 三相对称负载消耗的总功率 P=3Pa=3UaIacosa (2-16)图2-1

33、2 三相对称感性负载的相量图图2-13 三相对称负载的星形连接 如果已知线电压、线电流，则总有功功率P、总无功功率Q和总视在功率S可由下式计算：(2-17) 2-3 三相负载的三角形连接 一、三相对称负载的三角形连接 在三相负载对称时，相电流也是对称的。即：图2-15 三相负载形连接的实例图2-16 三相负载的形连接 (2-18) 在图2-16中，由KCL得： (2-19) (2-20) 线电流的有效值 (2-21) 三相对称负载作形连接，其自电源取用的总功率 P=3PP=3UPIPcosP (2-22) 如已知线电压、线电流，则： (2-23)图2-17 三相对称负载三角形连接线电流与相电流

34、的相量图 各相功率因数为： (2-24) 二、三相不对称负载的三角形连接 由于三相负载作三角形连接时，不论负载对称与否，各相负载均承受对称的电源线电压，所以三相不对称负载的三角形()形连接，各相负载的电流可按单相电路分别计算。 (2-25) 第三章 变 压 器 3-1 变压器的用途及结构 一、变压器的用途及分类 变压器是输送交流电能时所使用的一种变压、变流设备。 根据用途可分为：电力系统中使用的电力变压器、实验室调节电压用的自耦变压器(也称调压器)、用于高压、大电流测量的仪用互感器、用于电子设备进行信号传递和阻抗变换的输出变压器、电焊变压器等。 二、变压器的结构图3-1 三相油浸式电力变压器1

35、油位计 2防爆管 3瓦斯继电器 4高压套管5低压套管 6分接开关7吸湿器 8散热器 9铁心10温度计 11铭牌 12绕组13放油阀 1.铁心 铁心是变压器的磁路部分。为了产生较强的磁场，并减小磁滞和涡流损耗，铁心通常采用0.350.5 mm硅钢片叠压而成。片与片之间涂以绝缘漆。 2.绕组 绕组是变压器的电路部分，是用绝缘铜线或铅线在铁心柱上绕制而成的线圈。与电源连接，从电源吸取能量的绕组称为原绕组(或原边、一次绕组)；与负载连接，对负载供电的绕组称为副绕组(或副边、二次绕组)。图3-2 变压器铁心结构(a)单相心式 (b)单相壳式 (c)三相心式1铁轭 2绕组 3铁心柱4高压绕组 5低压绕组

36、3.冷却装置及其他附件 一般小容量变压器的热量尚可由绕组和铁心直接散发到周围空气中，这种冷却方式称为空气自冷式。较大容量的变压器则需采用专门的冷却装置，如图3-1为油浸自冷式，其冷却装置由油箱、油枕、散热器和变压器油组成。 三、变压器的铭牌和额定值1.型号 2.额定容量SN 3.额定电压U1N、U2N 4.额定电流I1N 、I2N 5.温升 6.额定频率fN 3-2 变压器的工作原理 一、空载运行 空载运行的变压器原理示意如图3-3所示。 将变压器的原边绕组接至额定电压、额定频率的交流电源，而副边绕组开路(即不接负载，i2=0)的运行情况称为变压器的空载运行状态。图3-3 变压器空载运行工作原

37、理图 根据电磁感应定律，主磁通在原、副绕组中产生的感应电动势参考方向与主磁通也符合右手螺旋关系，且与主磁通的关系式为： 当变压器原绕组接入正弦电压u1时，也按正弦规律变化。 e1=E1msin (t-90) (3-1) e2=E2msin (t-90) (3-2) 在数值上e1、e2的有效值分别为： (3-3) (3-4) 对于原边回路 (3-5) 用相量形式表示为： (3-6) 由于空载时，I0很小，且原绕组的漏阻抗 |Z1|也很小，因此漏阻抗压降I0| Z1 |在数值上与感应电动势E1相比要小得多，故可认为： 其有效值 (3-7) 对于副边回路，因i2=0，所以副绕组的端电压用u20表示，

38、且等于副绕组的感应电动势e2，即： u20=e2 用相量形式表示为： 有效值 U20=E2=4.44fN2m (3-8) (3-9) 二、有载运行 将原边绕组接至额定频率的正弦电压，副边绕组接上负载的变压器运行情况称为有载运行状态。图3-4 变压器有载运行工作原理图 磁动势平衡方程式 (3-10) 由于变压器在额定负载或接近满载时I0N1与I1N1 、 I2N2相比，可忽略不计，于是有： (3-11) 变压器有载运行时，原、副绕组的电流数量关系为： (3-12) 变压器有载运行时原、副边电压平衡方程式，相量式为： (3-13) 及 (3-14) 3-3 变压器的运行特性 一、变压器的外特性 当

39、原边电源电压一定，负载的功率因数为常数时，U2=f(I2)曲线就称为变压器的外特性。电压调整率U% (3-15)图3-5 变压器的外特性 U%的大小反映了供电变压器的稳定程度，是衡量供电质量的标志之一。 二、变压器的损耗和效率 1.变压器的损耗 变压器在运行过程中总会产生损耗并转换成热，主要有铜耗PCu和铁耗PFe。铜耗PCu是电流流过原、副绕组时在绕组电阻上产生的电功率损耗，使绕组发热。称为可变损耗。铁耗PFe主要取决于电源频率和铁心中的磁通量，由于变压器运行时的电源频率不变以及铁心磁通量基本不变，故铁耗也基本不随负载变化，称为不变损耗。 2.变压器的效率 3-4 三 相 变 压 器 一、三

40、相变压器的磁路系统 1.三相变压器组图3-6 三相变压器组 2.三相心式变压器图3-7 三相心式变压器 二、三相变压器绕组的连接方式图3-8 三相变压器的 Y,yn 和 Y,d连接方式(a)Y，yn连接 (b)Y，d连接 3-5 特 殊 变 压 器 一、自耦变压器图3-9 单相自耦变压器原理图 二、仪用互感器 1.电压互感器图3-10 电压、电流互感器原理接线图和外形图(a)电压互感器 (b)电流互感器原理图 (c) LMJ10.5型电流互感器外形图1铭牌 2一次母线穿过口 3铁心，外绕二次绕组，环氧树脂浇注 4安装板 5二次接线端 2.电流互感器 三、电焊变压器图3-11 电焊变压器的外特性

41、图3-12 电焊变压器原理图 第四章 交流异步电动机 4-1 三相异步电动机的构造图4-1 三相鼠笼式电动机的外形及结构1定子 2风罩 3端盖 4转子 5风扇 6轴 一、定子 1.机座 2.定子铁心图4-2 定子铁心 3.定子绕组图4-3 定子接线盒端子接线 二、转子图4-4 鼠笼式转子(a)嵌铜条 (b)铸铝图4-5 绕线式转子示意图1绕组 2滑环 3电刷 4变阻器 4-2 异步电动机的工作原理 一、旋转磁场的产生图4-6 定子绕组接线(P=1)图4-7 三相电流及其产生的旋转磁场(P=1)图4-8 定子绕组接线(P=2) 旋转磁场转速n1与定子绕组的电流频率f1及磁极对数P之间有如下关系：

42、 (4-1)图4-9 三相电流及四极旋转磁场 二、异步电动机的转动原理 1.转子电动势的产生图4-10 异步电动机转动原理 2.电磁转矩和转子旋转方向 3.转子转速和转差率 转子转速n与旋转磁场转速n1相差的程度，常用转差率表示，转差率通常用百分数表示，即： (4-2) 4.异步电动机带负载运行 4-3 异步电动机的电磁转矩与机械特性 一、电磁转矩 异步电动机的电磁转矩为： M=KmI2cos2 (4-3) 电磁转矩与某些可变参数有关的参数表达式 (4-4) 二、异步电动机的机械特性图4-11 M=f(s)和n=f(M)曲线 若将功率单位换成千瓦(kW)，则有： 在额定工作点，则： (4-5)

43、 产生最大转矩的转差率： (4-6) sm称为临界转差率，将上式代入式(4-4)得： (4-7) 过载系数或过载能力，用表示， (4-8) 将起动时s=1代入式(4-4)，得到： (4-9) 异步电动机的起动转矩与额定转矩的比值称为起动能力，用Kst表示，即：图4-12 定子不同电压的特性图4-13 转子串不同电阻特性曲线 4-4 异步电动机的起动、调速、反转和制动 一、异步电动机的起动 1.起动电流Ist 2.鼠笼式电动机的起动 (1)直接起动 (2)降压起动 Y起动 Y形接法起动时 (4-10) 形接法起动时 (4-11) 比较式(4-10)和式(4-11)可以看出： (4-12)图4-1

44、4 定子绕组Y形和形两种接法起动电流比较 用自耦变压器降压起动图4-16 用自耦变压器降压起动控制电路 3.绕线式异步电动机的起动图4-17 绕线式转子回路串电阻起动接线 二、异步电动机的调速 由转差率 可知，电动机的转速： (4-13) 1.改变磁极对数调速 2.改变电源频率调速 3.在转子电路中串接电阻调速图4-18 绕线式转子串电阻调速的机械特性曲线 三、异步电动机的反转图4-19 三相电动机正、反转控制 四、异步电动机的制动 1.机械制动 图4-20 电磁抱闸结构示意图 1闸瓦 2闸轮 3弹簧 4铁心线圈 5衔铁 6杠杆 2.电气制动(1)电源反接制动 (2)能耗制动图4-21 能耗制

45、动接线 4-5 异步电动机的铭牌和技术数据 一、异步电动机的铭牌 二、异步电动机的技术数据 (1)效率与功率因数 (4-14) (4-15) 功率因数就是指cosN。 (2)堵转电流/额定电流 (3)堵转转矩/额定转矩 (4)最大转矩/额定转矩 4-6 异步电动机的选择 一、类型的选择 异步电动机有鼠笼式和绕线式两种。前者具有结构简单，维护方便，价格低廉等优点，其主要缺点是起动性能较差，调速困难，因此适用于空载或轻载起动，无调速要求的场合，例如运输机、搅拌机和功率不大的水泵，风机等；后者起动性能较好，并可在不太大的范围内调速，但其结构复杂，维护不便，故适用于要求起动转矩大和能在一定范围内调速的

46、设备，如起重机、卷扬机等多用绕线式异步电动机拖动。 二、转速的选择 通常异步电动机的同步转速不低于500 r/min，因此要求转速低的生产机械还需配减速装置。 三、额定功率(容量)的选择 (1)连续工作方式 电动机功率应满足： (4-16) (2)断续工作方式 负载持续率 (4-17) 如果生产机械负载持续率与标准持续率不同，应先将实际负载持续率w下的实际负载功率Pw换算成最接近的标准负载持续率N下的功率Ps，其换算公式为： (4-18) (3)短时工作方式 实际上，生产机械的实际工作时间tw不一定等于标准持续时间ts，此时应按下式将实际工作时间tw下的实际功率Pw换算成标准持续时间ts下的功

47、率Ps ： (4-19) 所选电动机的功率为: (4-20) 4-7 交流单相异步电动机 一、单相异步电动机的工作原理图4-22 简单的单相电动机图4-23 脉动磁场波形和分解为两个旋转方向的旋转磁场 二、单相电动机的起动 为了使单相电动机能自行起动，在定子上除装有单相的主绕组(又称工作绕组)外，另装一辅助绕组(又称起动绕组)，它与主绕组在空间相差90电角度，主绕组和辅助绕组均接到同一单相电源上，在辅助绕组中串入适当的电阻或电容，使辅助绕组中的电流相位不同于主绕组，以获得空间上相差90电角度，而时间上又相差一定的电角度的两个脉动磁势。这样就会在电动机内形成一种两相旋转磁势，从而产生起动转矩。图

48、4-24 电容式电动机接线图 第五章 低压电器及控制电路 5-1 常用低压电器 一、刀开关 二、铁壳开关图5.1 刀开关结构图(a)结构图 (b) 图形符号及文字符号图5-2 铁壳开关(a)结构图 (b)符号1手柄 2转轴 3速断弹簧4闸刀 5夹座 6熔断器 三、组合开关图5-3 HZ1025/3型组合开关1静触头 2动触头 3绝缘垫板4绝缘方轴 5手柄 四、自动开关图5-4 自动开关(a)电力线路用 (b)照明线路用 (c)电力自动开关示意图 (d)图形符号及文字符号1、2衔铁 3双金属片 4杠杆 5搭扣 6主触头 五、接触器图5-5 CJ12交流接触器(a)结构图 (b)符号1灭弧罩 2弹

49、簧片 3主触头 4接线端子 5反作用弹簧6线圈端子 7辅助常闭(动断)触头 8辅助常开(动合)触头 9衔铁 10铁心 11短路环 12线圈 六、继电器 (1)电流继电器图5-6 JT4电流继电器 (2)中间继电器图5-7 JZ7中间继电器 (3)电压继电器 2.时间继电器图5-8 JS7A时间继电器外形与原理示意图及图形符号(a)外形 (b)原理示意图 3.热继电器图5-9 热继电器外形及原理示意图1热元件 2双金属片 3传动板 4传动杆(温度补偿片)5动触头 6复位调节螺钉 7手动复位装置8电流调节凸轮 9触头活板 七、主令电器 1.控制按钮图5-10 控制按钮的外形、结构示意和图形符号 2

50、.行程开关图5-11 LX19行程开关的外形和结构示意图(a)外形 (b)结构示意 (c)表示符号1滚轮 2凸轮 3推杆 4微动开关 5复位弹簧 6撞杆 八、熔断器图5-12 熔断器(a)RC型 (b)RL型 (c)RM型 (d)表示符号 5-2 异步电动机电气控制的典型环节 一、电路图的作用和绘制原则图5-13(a)电动机正、反转电气控制电路图 (b)电动机正、反转电气控制接线图 1.电路图的用途 通过电路图，便于详细理解表达对象的作用原理； 用于测试和寻找故障； 为绘制接线图提供依据。 2.电路图的绘制原则 电路图中所有的电器部件都必须按国家标准规定的图形符号和种类代号(字母文字符号)来表

51、示。 电器元件及各部件均按未通电和不受外力作用时的正常状态画出。 电器元件及各部件不按实际位置画，而是以阅读和分析电路工作原理的需要为主画出。主电路画在辅助电路的左侧或上面，各分支电路按动作顺序从上到下或从左向右依次排列。 同一种类的电器元件用同一字母文字符号后加数字序号来区分。同一个电器的不同部件可用同一个字母文字符号标注，其相似部分可以在种类代号之后用圆点()或横杠()隔开的数字来区分，也可用触头编号的方法来区分。 3.接线图 各电器不画实体，以图形符号代表，各电器元件的位置均应与实际安装位置一致。 接线图中的各电器元件的字母文字符号及接线端子的编号应与电路图一致，并按电路图联接。 不在同一处的电器元件的联接应通过接线端子进行。 画连接导线时，应标明导线的规格、型号、根数及穿线管的尺寸。 二、异步电动机直接起动的电气控制电路 1.单方向旋转电路 (1)单向连续运行控制图5-14 单方向旋转控制电路图 电气控制电路的保护功能： 短路保护 过载保护 失压保护 (2)既能连续运行又能点动的控制图5-15 电动机单方向旋转既能连续运行又能点动的控制电路 (3)两地(或多地)控制图5-16 两地控制电路 2.正反转控制电路图5-17 正、反转电路图5-18 双互锁的正反转电路 3.行程控制电路图5-19 行程控制正、