电工电子技术及应用全套课件

1、电工电子技术及应用 第一章 直流电路第六节 电路元件第一节 电路及电路模型 第二节 电路的主要物理量及相互关系第三节 电阻的连接第四节 电路的工作状态、开路及短路第五节 基尔霍夫定律及应用 第一节电路及电路模型 电路是电流的通路，是为了某种需要由电工设备或电路元件按一定方式组合而成。 电路模型手电筒的电路模型 为了便于分析电路,一般要将实际电路模型化，用理想电路元件或其组合来模拟实际电路中的器件，从而构成与实际电路相对应的电路模型。例：手电筒R+RoES+UI电池导线灯泡开关 手电筒由电池、灯泡、开关和筒体组成。 理想电路元件主要有电阻元件、电感元件、电容元件和电源元件等。手电筒的电路模型R+

2、RoES+UI电池导线灯泡开关 电池是电源元件，其参数为电动势 E 和内阻Ro； 灯泡主要具有消耗电能的性质，是电阻元件，其参数为电阻R； 筒体用来连接电池和灯泡，其电阻忽略不计，认为是无电阻的理想导体。 开关用来控制电路的通断。 今后分析的都是指电路模型，简称电路。在电路图中，各种电路元件都用规定的图形符号表示。 (1) 实现电能的传输、分配与转换 (2)实现信号的传递与处理放大器扬声器话筒电路的作用发电机升压变压器降压变压器电灯电动机电炉.输电线第二节 电路的主要物理量及相互关系 物理中对基本物理量规定的方向1. 电路基本物理量的实际方向物理量实 际 方 向电流 I正电荷运动的方向电动势E

3、 (电位升高的方向) 电压 U(电位降低的方向)高电位 低电位 单 位kA 、A、mA、A低电位 高电位kV 、V、mV、VkV 、V、mV、V(2) 参考方向的表示方法电流：Uab 双下标电压： (1) 参考方向IE+_ 在分析与计算电路时，对电量任意假定的方向。Iab 双下标2. 电路基本物理量的参考方向aRb箭 标abRI正负极性+abU U+_实际方向与参考方向一致，电流(或电压)值为正值；实际方向与参考方向相反，电流(或电压)值为负值。(3) 实际方向与参考方向的关系注意： 在参考方向选定后，电流 ( 或电压 ) 值才有正负之分。 若 I = 5A，则电流从 a 流向 b；例：若 I

4、 = 5A，则电流从 b 流向 a 。abRIabRU+若 U = 5V，则电压的实际方向从 a 指向 b；若 U= 5V，则电压的实际方向从 b 指向 a 。1）电流定义 带电粒子或电荷在电场力作用下的定向运动形成电流。单位时间内流过导体截面的电荷量定义为电流强度。2）电流的单位A（安培）、mA(毫安）、A（微安）3、 电流3）电流的实际方向 正电荷运动的方向。(客观存在）Riabab电流的方向可用箭头表示,也可用字母顺序表示( )1）电位定义：电场力把单位正电荷从一点移到参考点所做 的功。单位：V（伏特）、kV（千伏）、mV(毫伏）（电路中电位参考点：接地点，Vo= 0）4、 电压二、电压

5、电场力把单位正电荷从一点移到另一点所做的功。单位：定义：V（伏特）、kV（千伏）、mV(毫伏）实际方向：由高电位端指向低电位端也可用字母顺序表示( )，RUAB也可用+，- 号表示。电压的方向可用箭头表示,+ U - 定义：电源力把单位正电荷从 “-” 极板经电源内部移到 “+” 极板所做的功。 单位：5、 电动势V（伏特）、kV（千伏）、mV(毫伏）实际方向：由低电位端指向高电位端电动势的方向用+，- 号表示，R +IEU+-也可用箭头表示。U = E 6、电阻 1）电阻的定义：导体对电流的阻碍作用，用字母R表示，单位为欧姆（）。金属导体的电阻大小可用下式计算 = 式中，l为导体长度(m)；

6、A为导体横截面积（m2） ；为导体电阻率（m）；各种不同金属材料的电阻率是不同的。 2）应用：在常用的导电材料中，银、铜、铝的电阻率都很小，即对电流的阻碍作用小。其中铜、铝被广泛用来制造各种导线，电机、变压器、电器的线圈及各种导电元器件。电阻率比较高的材料主要用来制造各种电阻元件，例如镍铬合金及铁铬铝合金的电阻率较高，并有长期承受高温的能力，因此常用来制造各种电热器件，如电炉、电熨斗、电热水器、电吹风等的发热电阻丝。常用的滑线电阻、绕线电阻等也用镍、铬合金制造。 7、 欧姆定律U、I 参考方向相同时，U、I 参考方向相反时，RU+IRU+I 表达式中有两套正负号： 式前的正负号由U、I 参考方

7、向的关系确定； U、I 值本身的正负则说明实际方向与参考 方向之间的关系。 通常取 U、I 参考方向相同。U = RI U = RI解：对图(a)有, U = RI例：应用欧姆定律对下图电路列出式子，并求电阻R。对图(b)有, U = RIRU6V+2AR+U6V I(a)(b)I2A电路端电压与电流的关系称为伏安特性。 遵循欧姆定律的电阻称为线性电阻，它表示该段电路电压与电流的比值为常数。I/AU/Vo线性电阻的伏安特性线性电阻的概念： 线性电阻的伏安特性是一条过原点的直线。第三节电阻的连接一、 电阻的串联特点:1)各电阻一个接一个地顺序相联；两电阻串联时的分压公式：R =R1+R23)等效

8、电阻等于各电阻之和；4)串联电阻上电压的分配与电阻成正比。R1U1UR2U2I+RUI+2)各电阻中通过同一电流；应用：降压、限流、调节电压等。二、 电阻的并联两电阻并联时的分流公式：(3)等效电阻的倒数等于各电阻倒数之和；(4)并联电阻上电流的分配与电阻成反比。特点:(1)各电阻连接在两个公共的结点之间；RUI+I1I2R1UR2I+(2)各电阻两端的电压相同；应用：分流、调节电流等。三、电阻的混联 实际应用中有时会遇到既有电阻串联又有电阻并联的电路，称为电阻的混联电路，如图所示。解混联电路，必须首先分清哪些是串联电阻，哪些是并联电阻，再运用前面学过的串联及并联电阻电路的特点去求解。对图中电

9、路而言，其等效电阻（总电阻）R可用下式计算 R = R1 + R2 + 第四节电路的工作状态、开路及短路 开关闭合,接通电源与负载负载端电压U = IR 特征:一、工作状态（负载状态） 电流的大小由负载决定。 在电源有内阻时，I U 。或 U = E R0I电源的外特性EUI0 当 R0R 时，则U E ，表明当负载变化时，电源的端电压变化不大，即带负载能力强。 开关闭合,接通电源与负载。负载端电压U = RI 特征:一、工作状态（负载状态） 电流的大小由负载决定。 在电源有内阻时，I U 。或 U = E RoIUI = EI RoIP = PE P负载取用功率电源产生功率内阻消耗功率 电源

10、输出的功率由负载决定。负载大小的概念: 负载增加指负载取用的电流和功率增加(电压一定)。电源与负载的判别U、I 参考方向不同，P = UI 0，电源； P = UI 0，负载。U、I 参考方向相同，P =UI 0，负载； P = UI 0，电源。 1. 根据 U、I 的实际方向判别2. 根据 U、I 的参考方向判别电源： U、I 实际方向相反，即电流从“+”端流出， （发出功率）； 负载： U、I 实际方向相同，即电流从“-”端流出。 （吸收功率）。电气设备的额定值额定值: 电气设备在正常运行时的规定使用值电气设备的三种运行状态欠载(轻载)： I IN ，P IN ，P PN (设备易损坏)额

11、定工作状态： I = IN ，P = PN (经济合理安全可靠) 1. 额定值反映电气设备的使用安全性；2. 额定值表示电气设备的使用能力。例：灯泡：UN = 220V ，PN = 60W电阻： RN = 100 ，PN =1 W 特征: 开关 断开二、开路状态I = 0电源端电压 ( 开路电压 )负载功率U = U0 = EP = 01. 开路处的电流等于零； I = 02. 开路处的电压 U 视电路情况而定。电路中某处断开时的特征:I+U有源电路电源外部端子被短接三、短路状态 特征:电源端电压负载功率电源产生的能量全被内阻消耗掉短路电流（很大）U = 0 PE = P = R0IP = 0

12、1. 短路处的电压等于零； U = 02. 短路处的电流 I 视电路情况而定。电路中某处短路时的特征:I+U有源电路 第五节 基尔霍夫定律及应用支路：电路中的每一个分支。 一条支路流过一个电流，称为支路电流。节点：三条或三条以上支路的联接点。回路：由支路组成的闭合路径。网孔：内部不含支路的回路。I1I2I3ba+-E2R2+ -R3R1E1123例1：支路：ab、bc、ca、 （共6条）回路：abda、abca、 adbca （共7 个）节点：a、 b、c、d (共4个）网孔：abd、 abc、bcd （共3 个）adbcE+GR3R4R1R2I2I4IGI1I3I一、 基尔霍夫第一定律电流定

13、律(KCL)1定律 即: 入= 出 在任一瞬间，流向任一节点的电流等于流出该节点的电流。 实质: 电流连续性的体现。或: = 0I1I2I3ba+-E2R2+ -R3R1E1对节点 a：I1+I2 = I3或 I1+I2I3= 0 基尔霍夫电流定律（KCL）反映了电路中任一节点处各支路电流间相互制约的关系。 电流定律可以推广应用于包围部分电路的任一假设的闭合面。2推广I =?例:广义节点I = 0IA + IB + IC = 0ABCIAIBIC2+_+_I51156V12V 在任一瞬间，沿任一回路绕行方向，回路中各段电压的代数和恒等于零。二 基尔霍夫第二定律电压定律（KVL)1定律即： U

14、= 0 在任一瞬间，从回路中任一点出发，沿回路绕行一周，则在这个方向上电位升之和等于电位降之和。对回路1：对回路2： E1 = I1 R1 +I3 R3R2 I2 + R3 I3 =E2或 R1 I1 + R3 I3E1 = 0 或 R2 I2 + R3 I3 E2 = 0 I1I2I3ba+-E2R2+ -R3R1E112 基尔霍夫电压定律（KVL） 反映了电路中任一回路中各段电压间相互制约的关系。1列方程前标注回路绕行方向； 电位升 = 电位降 E2 =UBE + R2 I2 U = 0R2I2 E2 + UBE = 02应用 U = 0列方程时，项前符号的确定： 如果规定电位降取正号，则

15、电位升就取负号。3. 开口电压可按回路处理 注意：1对回路1：E1UBEE+B+R1+E2R2I2_例：对网孔abda：对网孔acba：对网孔bcdb：R6R6 I6 R3 I3 + R1 I1 = 0R2 I2R4 I4R6 I6 = 0R4 I4 + R3 I3E = 0对回路 adbca，沿逆时针方向绕行：R1 I1 + R3 I3 + R4 I4R2 I2 = 0应用 U = 0列方程对回路 cadc，沿逆时针方向绕行：R2 I2 R1 I1 + E = 0adbcE+R3R4R1R2I2I4I6I1I3I三、支路电流法支路电流法：以支路电流为未知量、应用基尔霍夫 定律（KCL、KVL

16、）列方程组求解。对上图电路支路数： b=3 节点数：n =212ba+-E2R2+ -R3R1E1I1I3I23回路数 = 3 单孔回路（网孔）=2若用支路电流法求各支路电流应列出三个方程1. 在图中标出各支路电流的参考方向，对选定的回路 标出回路绕行方向。2. 应用 KCL 对结点列出 ( n1 )个独立的节点电流 方程。3. 应用 KVL 对回路列出 b( n1 ) 个独立的回路 电压方程（通常可取网孔列出） 。4. 联立求解 b 个方程，求出各支路电流。ba+-E2R2+ -R3R1E1I1I3I2对节点 a：例1 ：12I1+I2I3=0对网孔1：对网孔2：R1 I1 +R3I3 =E

17、1R2I2 +R3I3 =E2支路电流法的解题步骤:(1) 应用KCL列(n-1)个节点电流方程 因支路数 b=6，所以要列6个方程。(2) 应用KVL选网孔列回路电压方程(3) 联立解出 IG 支路电流法是电路分析中最基本的方法之一，但当支路数较多时，所需方程的个数较多，求解不方便。例2：adbcE+GR3R4R1R2I2I4IGI1I3I对节点 a： I1 I2 IG = 0对网孔abda：RG IG R3 I3 + R1 I1 = 0对节点 b： I3 I4 +IG = 0对节点 c： I2 + I4 I = 0对网孔acba： R2 I2 R4I4 RG IG = 0对网孔bcdb：

18、R4 I4 + R3 I3 = E 试求检流计中的电流IG。RG第六节 电路元件 由于在电路分析计算中，只研究电能与负载之间的相互能量转换关系，因此对电路实行控制、保护、测量的辅助环节一般均予忽略，不加考虑。这样就可以把理想电路的元件按负载及电源而分为理想无源元件和理想电源元件两大类。一、理想无源元件 理想无源元件包括理想电阻元件、理想电容元件、理想电感元件三种。简称电阻元件（电阻）、电容元件（电容）和电感元件（电感）。这样，电阻、电容和电感这三个名词既代表了三种电路元件，又是表征它们量值和大小的实际元、器件。其中电阻是表征电路中消耗电能的元件，电容是表征电路中储存电场能的元件，电感是表征电路

19、中储存磁场能的元件。二、理想电源元件 理想电源元件是从实际电源中抽象出来的。当实际电源本身的功率损耗可忽略不计而只起电源作用时，这种电源便可以用一个理想电源来表示，理想电源可理想电压源和理想电流源两种。1、理想电压源（恒压源） 电压源模型由上图电路可得: U = E R0 I若 R0 = 0理想电压源 : U EU0=E 电压源的外特性IUIRLR0+-EU+ 理想电压源是由电动势 E和内阻 R0 串联的电源的电路模型。 若 R0RL ，I IS ，可近似认为是理想电流源。电流源电流源模型R0UR0UIS+理想电流源（恒流源)例1：(2) 输出电流是一定值，恒等于电流 IS ；(3) 恒流源两

20、端的电压 U 由外电路决定。特点:(1) 内阻R0 = ；设 IS = 10 A，接上RL 后，恒流源对外输出电流。RL当 RL= 1 时， I = 10A ，U = 10 V当 RL = 10 时， I = 10A ，U = 100V外特性曲线 IUISOIISU+_电流恒定，电压随负载变化。3、实际 电压源与实际电流源的等效变换由图a： U = E R0I由图b： U = R0 ISR0 IIRLR0+EU+电压源等效变换条件:E = R0ISRLR0UR0UISI+电流源 等效变换时，两电源的参考方向要一一对应。 理想电压源与理想电流源之间无等效关系。 电压源和电流源的等效关系只对外电路

21、而言， 对电源内部则是不等效的。 注意事项：例：当RL= 时，电压源的内阻 R0 中不损耗功率， 而电流源的内阻 R0 中则损耗功率。 任何一个电动势 E 和某个电阻 R 串联的电路， 都可化为一个电流为 IS 和这个电阻并联的电路。R0+EabISR0abR0+EabISR0ab第二章 交流电路第一节 正弦交流电量的三要素第二节 正弦交流电的表示法及简单运算第三节 单一参数正弦交流电路 第四节 串联交流电路第五节 功率因数的意义及提高方法第六节 三相交流电路 第一节 正弦交流电量的三要素正弦量： 随时间按正弦规律做周期变化的量。Ru+_iu+_正弦交流电的优越性： 便于传输；易于变换 便于运

22、算； 有利于电器设备的运行； . . . . .正半周负半周Ru+_第一节 正弦交流电量的三要素设正弦交流电流：角频率：决定正弦量变化快慢幅值：决定正弦量的大小 幅值、角频率、初相角成为正弦量的三要素。初相角：决定正弦量起始位置Im2TiO一、交流电的周期、频率和角频率周期T：变化一周所需的时间 （s）角频率：（rad/s）频率f：（Hz）T* 无线通信频率： 30 kHz 30GMHz* 电网频率：我国 50 Hz ，美国 、日本 60 Hz* 高频炉频率：200 300 kHZ* 中频炉频率：500 8000 HziO二、交流电的瞬时值、最大值和有效值 1. 瞬时值 交流电在变化过程中某一

23、时刻的值称为瞬时值。规定用英文小写字母 、 、 等表示。瞬时值是时间的函数，只有具体指出哪一时刻，才能求出确切的数值与方向。 2. 最大值 数值最大的瞬时值称最大值（又称峰值），用带有下标m的英文大写字母表示，如 、 和 等。 3. 有效值 正弦交流电在实际中常用有效值来计量，如铭牌所示的参数及仪表指示值一般都是指有效值。 有效值是根据电流的热效应来定义的，即某一交流电流通过电阻R，经过一周期所产生的热量与另一直流电流通过相同电阻经过相同时间所产生的热量相等，即以此直流电流的数值作为交流电流的有效值。按照规定，有效值用英文大写字母表示，如 、 、 等。峰值与有效值有效值：与交流热效应相等的直流

24、定义为交流电的有效值。峰值：Im、Um、Em则有交流直流峰值必须大写,下标加 m。同理：有效值必须大写 注意：交流电压、电流表测量数据为有效值交流设备名牌标注的电压、电流均为有效值 给出了观察正弦波的起点或参考点。: 1、 相位：2、初相位： 表示正弦量在 t =0时的相角。 反映正弦量变化的进程。iO三、交流电的相位、初相位和相位差如：若电压超前电流两同频率的正弦量之间的初相位之差。3、相位差 ：uiuitO电流超前电压电压与电流同相 电流超前电压 电压与电流反相uituiOuitui90OuituiOtuiuiO 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， 与计时的

25、选择起点无关。注意: tO第二节 正弦量的表示法及简单运算三角函数式表示法波形图表示法 .正弦量的表示方法必须小写相量表示法uO2.正弦量用旋转有向线段表示设正弦量:若:有向线段长度 = 有向线段以速度 按逆时针方向旋转则: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。有向线段与横轴夹角 = 初相位u0 xyOO1. 电压与电流的关系设大小关系：相位关系 ：u、i 相位相同根据欧姆定律: 频率相同相位差 ：矢量图第三节 单一参数正弦交流交流电路Ru+_一、纯电阻电路2. 功率关系(1) 瞬时功率 p：瞬时电压与瞬时电流的乘积小写结论: （耗能元件）,且随时间变化。pituO

26、tpOiu瞬时功率在一个周期内的平均值 大写(2) 平均功率(有功功率)P单位:瓦（W）PRu+_pptO注意：通常铭牌数据或测量的功率均指有功功率。 基本关系式： 频率相同 U =I L 电压超前电流90相位差1. 电压与电流的关系二、纯电感电路设：+-eL+-LutuiiO或则: 感抗() 电感L具有通直阻交的作用直流： f = 0, XL =0，电感L视为短路定义：有效值:交流：fXL感抗XL是频率的函数矢量图超前根据：O2. 功率关系(1) 瞬时功率(2) 平均功率 L是非耗能元件储能p 0分析：瞬时功率 ：+p 0p 0充电p 0充电p XC 时， 0 ，u 超前 i 呈感性当 XL

27、 XC 时 ， 0 ， u 滞后 i 呈容性当 XL = XC 时 ， = 0 ， u. i 同相 呈电阻性 由电路参数决定。2.功率关系储能元件上的瞬时功率耗能元件上的瞬时功率 在每一瞬间,电源提供的功率一部分被耗能元件消耗掉,一部分与储能元件进行能量交换。(1) 瞬时功率设：RLC+_+_+_+_(2) 平均功率P （有功功率）单位: W总电压总电流u 与 i 的夹角cos 称为功率因数，用来衡量对电源的利用程度。(3) 无功功率Q单位：var总电压总电流u 与 i 的夹角根据电压三角形可得：电阻消耗的电能根据电压三角形可得：电感和电容与电源之间的能量互换(4) 视在功率 S 电路中总电压

28、与总电流有效值的乘积。单位：VA 注： SNUN IN 称为发电机、变压器 等供电设备的容量，可用来衡量发电机、变压器可能提供的最大有功功率。 P、Q、S 都不是正弦量，不能用矢量表示。阻抗三角形、电压三角形、功率三角形SQP将电压三角形的有效值同除I得到阻抗三角形将电压三角形的有效值同乘I得到功率三角形R例1：已知:求:(1)电流的有效值I与瞬时值 i ;(2) 各部分电压的有效值与瞬时值；(3) 作相量图；(4)有功功率P、无功功率Q和视在功率S。在RLC串联交流电路中，解：(1)(2)通过计算可看出：而是(3)相量图(4)或(4)或呈容性第五节 功率因数的意义及提高方法一.功率因数:对电

29、源利用程度的衡量。X+-的意义：电压与电流的相位差，阻抗的辐角时,电路中发生能量互换,出现无功当功率这样引起两个问题:(1) 电源设备的容量不能充分利用若用户： 则电源可发出的有功功率为： 若用户： 则电源可发出的有功功率为： 而需提供的无功功率为:所以 提高 可使发电设备的容量得以充分利用无需提供的无功功率。二. 功率因数cos 低的原因（2）增加线路和发电机绕组的功率损耗(费电)所以要求提高电网的功率因数对国民经济的发展有重要的意义。设输电线和发电机绕组的电阻为 :要求:(、定值)时所以提高 可减小线路和发电机绕组的损耗。(导线截面积) 日常生活中多为感性负载-如电动机、日光灯，其等效电路

30、及矢量关系如下图。 矢量图+-+-+-感性等效电路40W220V白炽灯 例40W220V日光灯 供电局一般要求用户的 否则受处罚。 常用电路的功率因数纯电阻电路R-L-C串联电路纯电感电路或纯电容电路电动机 空载电动机 满载 日光灯 （R-L串联电路）三.功率因数的提高(2) 提高功率因数的措施: 必须保证原负载的工作状态不变。即：加至负载上的电压和负载的有功功率不变。 在感性负载两端并电容I(1) 提高功率因数的原则：+- 结论并联电容C后：(2) 原感性支路的工作状态不变:不变感性支路的功率因数不变感性支路的电流(3) 电路总的有功功率不变因为电路中电阻没有变，所以消耗的功率也不变。(1)

31、 电路的总电流 ，电路总功率因数I电路总视在功率S四. 并联电容值的计算相量图:又由矢量图可得：即:+-思考题:1.电感性负载采用串联电容的方法是否可提高功率因数,为什么?2.原负载所需的无功功率是否有变化,为什么?3.电源提供的无功功率是否有变化,为什么?例1:解：(1)（2）如将 从0.95提高到1，试问还需并多 大的电容C。（1）如将功率因数提高到 ,需要 并多大的电容C,求并C前后的线路的电流。一感性负载,其功率P=10kW, ，接在电压U=220V , =50Hz的电源上。即即求并C前后的线路电流并C前:可见 : cos 1时再继续提高，则所需电容值很大（不经济），所以一般不必提高到

32、1。并C后:(2)从0.95提高到1时所需增加的电容值例2:解：(1)电源提供的电流为：电源的额定电流为：(1) 该电源供出的电流是否超过其额定电流？已知电源UN=220V , =50Hz，SN=10kVA向PN=6kW,UN=220V， 的感性负载供电，(2) 如并联电容将 提高到0.9，电源是否还有 富裕的容量？例2:该电源供出的电流超过其额定电流。（2）如将 提高到0.9后，电源提供的电流为： 该电源还有富裕的容量。即还有能力再带负载；所以提高电网功率因数后，将提高电源的利用率。第六节 三相交流电路本节要求： 1. 搞清对称三相负载Y和联结时相线电压、相线 电流关系。 2. 掌握三相四线

33、制供电系统中单相及三相负载的正 确联接方法，理解中线的作用。 3. 掌握对称三相电路电压、电流及功率的计算。 三相交流发电机示意图一、三相电源1. 三相电源的产生工作原理：动磁生电(尾端)+eUeVeWU2U1V1V2W1W2(首端)+ +_eeU1U2 三相绕组示意图电枢绕组及其电动势定子转子W2U1U2V2NSW1-+V1三相电动势瞬时表示式铁心（作为导磁路经）三相绕组匝数相同空间排列互差120: 直流励磁的电磁铁定子转子发电机结构对称三相电动势的瞬时值之和为 0三相交流电到达正最大值的顺序称为相序。最大值相等频率相同相位互差120称为对称三相电动势三个正弦交流电动势满足以下特征供电系统三

34、相交流电的相序为 U V W2. 三相电源的星形联结(1) 联接方式中性线(零线、地线)中性点端线(相线、火线)在低压系统,中性点通常接地，所以也称地线。相电压：端线与中性线间（发电机每相绕组）的电压线电压：端线与端线间的电压、Up+、UlU2YZNVWUeU+eW+eV+(2) 线电压与相电压的关系根据KVL定律由相量图可得相量图 30UXYZNVWeU+eW+eV+同理3. 三相电源的三角形联结+VUW三相负载不对称三相负载： 不满足 ZU =ZV= ZW 如由单相负载组成的三相负载对称三相负载：ZU=ZV= ZW 如三相电动机二. 三相负载分类单相负载：只需一相电源供电 照明负载、家用电

35、器负载三相负载：需三相电源同时供电 三相电动机等三相负载的联接 三相负载也有 Y和 两种接法，至于采用哪种方法 ，要根据负载的额定电压和电源电压确定。三相负载连接原则（1） 电源提供的电压=负载的额定电压；（2） 单相负载尽量均衡地分配到三相电源上。UV电源W保险丝三相四线制380/220伏N 额定相电压为220伏的单相负载 额定线电压为380伏的三相负载三相负载星形联结线电流：流过端线的电流相电流：流过每相负载的电流结论： 负载 Y联结时，线电流等于相电流。Y: 三相三线制YN：三相四线制(1) 联结形式+ZVZWZUNN+N负载中性点N 电源中性点(2) 负载Y联结三相电路的计算1)负载端

36、的线电压电源线电压2)负载的相电压电源相电压3)线电流相电流Y 联结时：4)中线电流负载 Y 联结带中性线时, 可将各相分别看作单相电路计算+ZVZWZUNN+负载对称时,中性线无电流,可省掉中性线。(3) 对称负载Y 联结三相电路的计算所以负载对称时，三相电流也对称。 负载对称时，只需计算一相电流，其它两相电流可根据对称性直接写出。+ZVZWZUNN+N+例1：N+NRURVRWUWV若RU=RV= RW = 5 ，求线电流及中性线电若RU=5 , RV=10 , RW=20 ,求线电流及 一星形联结的三相电路，电源电压对称。设电源线电压 。 负载为电灯组，流 IN ;中性线电流 IN 。中

37、性线电流解：已知：(1) 线电流 三相对称N+NRURVRWUWV(2) 三相负载不对称（RU=5 、RV=10 、RW=20 ） 分别计算各线电流中性线电流例2：照明系统故障分析解: (1) U相短路1) 中性线未断 NRURWRVUVNW 此时U相短路电流很大，将U相熔断丝熔断，而 V相和W相未受影响，其相电压仍为220V, 正常工作。 在上例中，试分析下列情况 (1) U相短路: 中性线未断时，求各相负载电压； 中性线断开时，求各相负载电压。 (2) U相断路: 中性线未断时，求各相负载电压； 中性线断开时，求各相负载电压。 此情况下，B相和C相的电灯组由于承受电压上所加的电压都超过额定

38、电压（220V) ，这是不允许的。 2) U相短路, 中性线断开时, 此时负载中性点N即为U, 因此负载各相电压为 UVNWNiUiWiV+ (2) U相断路 2) 中性线断开 V、W相灯仍承受220V电压, 正常工作。1) 中性线未断变为单相电路，如图(b)所示, 由图可求得IVWUUUV+(b) NRURWRVUVNW(a)结论 （1）不对称负载Y联结又未接中性线时，负载相电压不再对称，且负载电阻越大，负载承受的电压越高。 （2） 中线的作用：保证星形联结三相不对称负载的相电压对称。 （3）照明负载三相不对称，必须采用三相四线制供电方式，且中性线（指干线）内不允许接熔断器或刀闸开关。 1.

39、 联结形式三相负载的三角形联结线电流: 流过端线的电流相电流: 流过每相负载的电流 、 、ZUVZVWZWUUWV+线电流不等于相电流(2) 相电流(1) 负载相电压=电源线电压即: UP = UL 一般电源线电压对称，因此不论负载是否对称，负载相电压始终对称, 即2. 分析计算相电流：线电流： UUV=UVW=UWU=UL=UPZUVZVWZWUUWV+相量图VWABWUVWUVWU30负载对称时, 相电流对称，即VW(3) 线电流由相量图可求得为此线电流也对称，即 。 线电流比相应的相电流滞后30。三相负载的联接原则负载的额定电压 = 电源的线电压应作 联结负载的额定电压 = 电源线电压应

40、作 Y 联结 应使加于每相负载上的电压等于其额定电压，而与电源的联接方式无关。 三相电动机绕组可以联结成星形，也可以联结成三角形，而照明负载一般都联结成星形（具有中性线）。四、 三相功率无论负载为 Y 或联结，每相有功功率都应为 Pp= Up Ip cosp对称负载 联结时： 同理对称负载Y联结时：相电压与相电流的相位差当负载对称时：P = 3Up Ipcosp所以 有一三相电动机, 每相的等效电阻R = 29, 等效 感抗XL=21.8, 试求下列两种情况下电动机的相电流、 线电流以及从电源输入的功率，并比较所得的结果： (1) 绕组联成星形接于UL =380 V的三相电源上; (2) 绕组

41、联成三角形接于UL=220 V的三相电源上。例1:解:(1)(2) 比较(1), (2)的结果: 有的电动机有两种额定电压, 如220/380 V。当电源电压为380 V时, 电动机的绕组应联结成星形；当电源电压为220 V时, 电动机的绕组应联结成三角形。在三角形和星形两种联结法中, 相电压、相电流以及功率都未改变，仅三角形联结情况下的线电流比星形联结情况下的线电流增大 倍。 三相对称负载作三角形联结，UL =220V，当S1、 S2 均闭合时，各电流表读数均为17.3A，三相功率 P = 4.5 kW，试求: 1) 每相负载的电阻和感抗； 2) S1合、S2断开时, 各电流表读数和有功功率

42、P； 3) S 1断、S 2闭合时, 各电流表读数和有功功率P。例2：ZWUAAAS1S2ZUVZVWWUV或：P =I 2R P =UIcostg =XL / R 解：(1) 由已知条件可求得ZWUAAAS1S2ZUVZVWWUV2) S1闭合、S2断开时 IU=IW =10A IV =17.32 A 流过电流表 U、W的电流变为相电流 IP，流过电流表V 的电流仍为线电流IL 。因为开关s均闭合时 每相有功功率 P =1.5 kW 当 S1合、S2断时，ZUV、ZVW的相电压和相电流不变，则PUV、PVW不变。P = PUV+PVW = 3 kWS1AAAS2ZUVZWUZVWWUVIV

43、= 0A 3) S1断开、 S2闭合时变为单相电路ZUVZVWZWUUWI1I2 I1 仍为相电流 IP ， I2 变为 1/2 IP 。 IU=IW =10 A+ 5 A= 15A I2 变为 1/2 IP，所以 UV、 VW 相的功率变为原来的1/4 。 P = 1/4 PUV+ 1/4 PVW +PWU = 0.375 W+ 0.375 W+ 1.5 W = 2.25 kWAAAS1S2ZUVZVWZWUUVW第三章 电磁与变压器第一节 电磁基础知识第二节 变压器的基本结构及工作原理第三节 常用变压器第一节 电磁基础知识一、磁场及其物理量1、磁感应强度B : 定义：表示磁场内某点磁场强弱

44、和方向的物理量。大小: 方向:与电流的方向之间符合右手螺旋定则。单位: 特斯拉(T)，高斯（GS）1T = 10 4 GS均匀磁场: 各点磁感应强度大小相等，方向相同的 磁场，也称匀强磁场。2、 磁通磁通 ：穿过垂直于B方向的面积A中的磁力线总数。 说明: 如果不是均匀磁场，则取B的平均值。在均匀磁场中 = B A 或 B= /A 磁感应强度B在数值上可以看成为与磁场方向垂直的单位面积所通过的磁通,故又称磁通密度。单位:韦伯(Wb) 麦 克斯韦 (Mx) 1Wb =10 8 Mx3、磁通势（磁势）F 实验表明通电线圈产生的磁场强弱与线圈内通入电流I的大小及线圈的匝数N成正比，把I与N的乘积称为

45、磁势，单位安（A）即 真空的磁导率为常数，用 0表示，有：4、 磁导率（导磁系数）磁导率 ：表示磁场媒质磁性的物理量，衡量物质 的导磁能力。相对磁导率 r： 任一种物质的磁导率 和真空的磁导率0的比值。磁导率 的单位：亨/米（H/m）二、磁场对电流的作用 实验表明，不仅载流导体能够产生磁场，反过来磁场对电流也有作用。如图所示，在磁感应强度为B(T)的匀强磁场中，放入电流为I(A)的直导线时，在线长为 (m)上作用 的磁场力为 式中，要求F、B和 两两垂直，如果不能满足要求，应该取其垂直分量，如图中的 起作用。磁场力的单位为牛顿(N)。 载流直导线在磁场中所受磁场力的方向，可用左手定则判断：伸开

46、左手，使拇指与其余四指垂直且处于同一平面上，让磁感线垂直通过手心，四指指向电流的方向，则拇指所指方向为磁场力的方向，如图所示。三、电磁感应 当导体与磁场间发生相对运动(即切割磁感线)，或线圈中的磁通发生变化时，在导体或线圈中就会产生电动势，这种现象称为电磁感应。由电磁感应产生的电动势称为感应电动势。闭合回路中由感应电动势所引起的电流，称为感应电流。电磁感应是各类电机、变压器工作的理论基础。 1、导体在磁场中切割磁感线产生的感应电动势 如果导体在磁场中作切割磁感线的相对运动，则在导体内会产生感应电动势，如图所示。感应电动势的大小为 式中， 、 、 分别为磁感应强度、导体长度和导体运动的速度，并且

47、要求 、 和 e相互垂直，如果不垂直，应该取其垂直分量。 感应电动势的方向可以根据右手定则判断：伸出右手，拇指与其余四指垂直并在同一平面上，让磁感线垂直通过掌心，大拇指的方向指向导体运动方向，则四指所指方向为感应电动势的方向，如图所示。 2穿过线圈的磁通发生变化时。在线圈中产生的感应电动势 通过图中实验可知，当穿过线圈的磁通发生变化时，在线圈内会感应电动势，产生感应电动势的大小与穿过线圈的磁通对时间的变化率和线圈的匝数成正比。由楞次定律可以判断感应电动势的方向，由感应电动势引起的感应电流所产生的磁通总是阻碍其初始磁通的变化。四、铁磁材料的电磁性能1、高导磁性 铁磁材料的磁导率通常都很高，即 r

48、 1 (如坡莫合金，其 r 可达 2105 ) 。 铁磁材料能被强烈的磁化，具有很高的导磁性能。 铁磁材料主要指铁、镍、钴及其合金等。 铁磁材料的高导磁性被广泛地应用于电工设备中，如电机、变压器及各种铁磁元件的线圈中都放有铁心。在这种具有铁心的线圈中通入不太大的励磁电流，便可以产生较大的磁通和磁感应强度。2、 磁饱和性BJ 磁场内磁性物质的磁化磁场 的磁感应强度曲线；B0 磁场内不存在磁性物质时的 磁感应强度直线；B BJ曲线和B0直线的纵坐标相 加即磁场的 B-H 磁化曲线。OHBB0BJBab磁化曲线铁磁材料由于磁化所产生的磁化磁场不会随着外磁场的增强而无限的增强。当外磁场增大到一定程度时

49、，铁磁材料的全部磁畴的磁场方向都转向与外部磁场方向一致，磁化磁场的磁感应强度将趋向某一定值。如图。 B-H 磁化曲线的特征： Oa段：B 与H几乎成正比地增加； ab段： B 的增加缓慢下来； b点以后：B增加很少，达到饱和。OHBB0BJBab 有铁磁材料存在时，B 与 H不成正比，铁磁材料的磁导率不是常数，随H而变。 有铁磁材料存在时，与 I 不成正比。 铁磁材料的磁化曲线在磁路计算上极为重要，其为非线性曲线，实际中通过实验得出。 OHB,B磁化曲线B和与H的关系3、 磁滞性 铁磁材料在交变磁场中反复磁化，其B-H关系曲线是一条回形闭合曲线，称为磁滞回线。磁滞性：铁磁材料中磁感应强度B的变

50、化总是滞后于 外磁场变化的性质。磁滞回线OHBBrHc剩磁感应强度Br (剩磁) ： 当线圈中电流减小到零(H=0)时，铁心中的磁感应强度。矫顽磁力Hc： 使 B = 0 所需的 H 值。 铁磁材料不同，其磁滞回线和磁化曲线也不同。 几种常见磁性物质的磁化曲线a 铸铁 b 铸钢 c 硅钢片O0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0103H/(A/m)H/(A/m)1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 103B/T1.81.61.41.21.00.80.60.40.2ababcc按铁磁物质的磁性能，磁性材料分为三种类型：(1)软磁材料 具有较小的矫顽磁力

51、，磁滞回线较窄。一般用来制造电机、电器及变压器等的铁心。常用的有铸铁、硅钢、坡莫合金即铁氧体等。(2)永磁材料 具有较大的矫顽磁力，磁滞回线较宽。一般用来制造永久磁铁。常用的有碳钢及铁镍铝钴合金等。(3)矩磁材料 具有较小的矫顽磁力和较大的剩磁，磁滞回线接近矩形，稳定性良好。在计算机和控制系统中用作记忆元件、开关元件和逻辑元件。常用的有镁锰铁氧体等。 磁滞损耗（Ph）由磁滞所产生的能量损耗称为磁滞损耗（Ph）。 磁滞损耗的大小： 单位体积内的磁滞损耗正比与磁滞回线的面积和磁场交变的频率 f。OHB 磁滞损耗转化为热能，引起铁心发热。 减少磁滞损耗的措施： 选用磁滞回线狭小的磁性材料制作铁心。变

52、压器和电机中使用的硅钢等材料的磁滞损耗较低。 设计时应适当选择值以减小铁心饱和程度。涡流损耗: 由涡流所产生的功率损耗。 涡流：交变磁通在铁心内产生感应电动势和电流，称为涡流。涡流在垂直于磁通的平面内环流。涡流损耗转化为热能，引起铁心发热。减少涡流损耗措施： 提高铁心的电阻率。铁心用彼此绝缘的钢片叠成，把涡流限制在较小的截面内。 4、涡流五、磁路简介 在电机、变压器及各种铁磁元件中常用磁性材料做成一定形状的铁心。铁心的磁导率比周围空气或其它物质的磁导率高的多，磁通的绝大部分经过铁心形成闭合通路，磁通的闭合路径称为磁路。磁路的欧姆定律磁路的欧姆定律是分析磁路的基本定律 环形线圈如图，其中媒质是均

53、 匀的，磁导率为， 试计算线圈内部 的磁通 。 解：1. 引例AxHxIN匝式中：F=NI 为磁通势，由其产生磁通； Rm 称为磁阻，表示磁路对磁通的阻碍作用； l 为磁路的平均长度； A为磁路的截面积。2. 磁路的欧姆定律 若某磁路的磁通为，磁通势为F ，磁阻为Rm，则此即磁路的欧姆定律。3. 磁路与电路的比较 磁路磁通势F磁通磁阻电路电动势 E电流密度 J 电阻磁感应强度B电流 INI+_EIR4. 磁路分析的特点(1)在处理电路时不涉及电场问题，在处理磁路时离不开磁场的概念；(2)在处理电路时一般可以不考虑漏电流，在处理磁路时一般都要考虑漏磁通；(3)磁路欧姆定律和电路欧姆定律只是在形式

54、上相似。由于 不是常数，其随励磁电流而变，磁路欧姆定律不能直接用来计算，只能用于定性分析；(4)在电路中，当 E=0时，I=0；但在磁路中，由于有剩磁，当 F=0 时， 不为零；第二节 变压器的基本结构及工作原理 变压器是一种常见的电气设备，在电力系统和电子线路中应用广泛。变电压：电力系统 变阻抗：电子线路中的阻抗匹配变电流：电流互感器 变压器的主要功能有： 在能量传输过程中，当输送功率P =UI cos 及负载功率因数cos 一定时：电能损耗小节省金属材料（经济） 概述U IP = I RlI S 一、单相变压器的基本结构 单相变压器是指接在单相交流电源上用来改变单相交流电压的变压器，一般容

55、量都很小，主要用作控制及照明变压器。它由铁心和线圈（又称绕组）两部分组成。 1. 铁心 铁心是变压器的磁路部分，并作为变压器的机械骨架。对铁心的要求是导磁性能要好，磁滞损耗及涡流损耗要小，它一般均由表面绝缘的.35mm厚硅钢片叠成，也有用冷轧硅钢片卷制后切割而成，称为C型变压器。 1. 铁心 变压器铁心的结构型式可分为心式、壳式和卷制式，如图所示。心式变压器在两侧的铁心柱上放置线圈，形成线圈包围铁心的形状。壳式变压器则在中间的铁心柱上放置线圈，形成铁心包围线圈的形状。卷制式C型变压器生产效率高，质量好，是今后的发展方向。一、单相变压器的基本结构变压器的磁路绕组：一次绕组二次绕组单相变压器+由高

56、导磁硅钢片叠成厚0.35mm 或 0.5mm铁心变压器的电路一次绕组N1二次绕组N2铁心变压器的结构变压器的分类电压互感器 电流互感器 按用途分电力变压器 (输配电用)仪用变压器 整流变压器 按相数分三相变压器 单相变压器 按制造方式壳式心式变压器符号二、 变压器的工作原理单相变压器+一次绕组N1二次绕组N2铁心 一次、二次绕组互不相连，能量的传递靠磁耦合。1、变压器的空载运行一次侧接交流电源，二次侧开路。+1i0 ( i0N1) 1空载时，铁心中主磁通是由一次绕组磁通势产生的。有效值:同 理：主磁通按正弦规律变化，设为 则变压器一次侧等效电路如图 由于电阻 R1 和感抗 X1 (或漏磁通)较

57、小,其两端的电压也较小,与主磁电动势 E1比较可忽略不计，则+变压器空载时:故有（匝比）K为变比结论：改变匝数比，就能改变输出电压。2、变压器的负载运行一次侧接交流电源，二次侧接负载。+11i1 ( i1N1) i1i2 ( i2N2) 2有载时，铁心中主磁通是由一次、二次绕组磁通势共同产生的合成磁通。2i2+e2+e2+u2Z 有载运行 可见，铁心中主磁通的最大值m在变压器空载和有载时近似保持不变。即有 不论变压器空载还是有载，一次绕组上的阻抗压降均可忽略，故有由上式，若U1、 f 不变，则 m 基本不变，近于常数。空载：有载：+|Z |+一般情况下：I0 (23)%I1N 很小可忽略。或结

58、论：一次、二次侧电流与匝数成反比。或：1.提供产生m的磁势2.提供用于补偿 作用 的磁势磁势平衡式：空载磁势有载磁势3.变压器的功率关系 变压器在传输电能的过程中，不可避免地要产生损耗，单相变压器从电源输入的有功功率和向负载输出的有功功率可分别用下式计算 两者之差为变压器的损耗 ，它包括铜损耗 和铁损耗 两部分，即铜损耗、铁损耗 铜损耗 是电流通过一、二次绕组电阻时产生的损耗，它与电流的平方成正比，当变压器供给的负载发生变化时，一、二次绕组中的电流也随之变化，故铜损耗又称可变损耗。 铁损耗 是交变的主磁通在变压器铁心中产生的磁滞及涡流损耗，变压器在工作时，由于一次绕组的电压基本上保持不变，使铁

59、心中的主磁通保持不变，故铁损耗也基本上保持不变，因此铁损耗又称不变损耗。 效率变压器的效率 ：变压器的输出功率 与输入功率 之比1） 变压器的型号变压器的铭牌和技术数据S J L 1000/10 变压器额定容量(KVA) 铝线圈 冷却方式J:油浸自冷式F:风冷式相数S:三相D:单相 高压绕组的额定电压(KV)2） 额定值 额定电压 U1N、U2N 变压器二次侧开路（空载）时，一次、二次侧绕组允许的电压值单相：U1N ，一次侧电压， U2N，二次侧空载时的电压三相：U1N、U2N，一次、二次侧的线电压 额定电流 I1N、I2N 变压器满载运行时，一次、二次侧绕组允许的电流值。单相：一次、二次侧绕

60、组允许的电流值三相：一次、二次侧绕组线电流 额定容量 SN 传送功率的最大能力。单相：三相：容量 SN 输出功率 P2 一次侧输入功率 P1 输出功率 P2注意：变压器几个功率的关系（单相）效率容量：一次侧输入功率：输出功率： 变压器运行时的功率取决于负载的性质2) 额定值第三节 常用变压器 一、三相变压器 现代的电力系统都采用三相制供电，因而广泛采用三相变压器来实现电压的转换。当发电站发出的电能在输送到用户的过程中，通常需用很长的输电线，根据，在输送功率和负载的功率因数cos一定时，输电线路上的电压越高，则流过输电线路中的电流就越小。这不仅可以减小输电线的截面积，节约导体材料的消耗，同时还可