第一单元“电工基础”电子教案

工业电器与自动化电子教案工业电器与自动化第一篇工业电器基础

在工业生产，电的应用极为广泛。电气化的程度已成为衡量一个国家生产技术水平和综合国力的主要标志之一。一、电的特点（一）转化容易（二）传输方便（三）便于控制和测量。二、常用的工业电器及电子设备考虑到本教材主要面向“工艺类”专业高职技能型人才的培养，主要以三相电机、单相、三相电源以及照明电路和基本电子电路为典型载体，训练学员的工业电器选择、安装、即使用能力的培养。电器篇导言工业电器与自动化

第一单元电工基础关键词：直流电路、交流电路、电源、负载、电路中间环节、交流电路的有效值学习目标：知识目标：熟悉电路的组成、电参量的含义及表示方式；掌握单相交流电的组成及三要素；了解RLC电路特点；了解自感、互感现象；熟悉三项交流电路及连接方式。能力目标：会使用常用电工仪器仪表；能设计简单直流电路并通电调试，会用常用电路定律分析电路；能根据电路图安装日光灯调试并会排除常见故障。第一单元电工基础

一、电路的组成将电器件和电设备按照一定的方式联接在一起形成各种电路（电流流通的路径）。电路由电源、负载和中间环节（包括连接导线、控制保护设备）组成。1．电源：是电路中提供能量的设备，它将其他形式的能转换为电能。发电机、电池等都是常用的电源。

2．负载是将电能转换为其他形式能量的设备。电动机、电炉等都是常用的负载。电源与负载的区别主要是能量转换的方向不同。

3．中间环节开关和连接导线被称为为中间环节。1-1直流电路二、电路的常用元件符号

分析电路时，往往是对电路模型进行分析计算，而不是实际电路。可将电路中的理想元件用常用的元件符号代替，使电路图得到简化。常见的电路元件符号如下：

电源：

负载：电阻-电容-

中间环节：开关-1-1直流电路电路示意图

1-1直流电路三、电路的物理量及参考方向1．电流电荷有规律的定向运动形成电流，电流不仅有大小，也有方向。规定正电荷运动的方向为电流的方向。在较为复杂的电路中往往难于事先确定电流的实际方向。所以分析电路时，一般先假定电流方向，用箭头标出，该方向称为电流的“参考方向”。按照标注的“参考方向”计算电路，当电流为正值时，表示电流的实际方向与参考方向一致；反之，则表示电流的实际方向与参考方向相反。因此，在指定的电流参考方向下，根据电流的正负，就可以确定电流的实际方向。所以在分析电路时，首先必须在电路中标注出“参考方向”。1-1直流电路三、电路的物理量及参考方向2．电压及电位（1）电压电压是衡量电场作功能力大小的物理量。电场中（或电路中）任意两点a、b之间的电压，等于电场力将电荷从a点移到b点所做的功与电荷的比值，即：电压用符号U或u表示，在国际单位制中，电压的单位为V（伏特）。常用单位还有mV（毫伏）、kV（千伏）。电压的方向是由高电位指向低电位的方向，即电位降的方向。1-1直流电路三、电路的物理量及参考方向2．电压及电位（2）电位电位在物理学中又称为电势。在电路中任选一点为参考零点，则电路中任意一点相对于参考点之间的电压即为该点的电位，其单位也是V（伏特）。两点间的电压，高电位端为“+”极，低电位端为“－”极。分析较复杂电路时，往往事先无法确定电压的极性，故需先指定电压的参考极性（或参考方向）。电压的“参考方向”可以用箭头表示，也可以用“+”、“－”极表示，还可用双下标表示，例如Uab，表示a点为“+”极，b点为“－”极。电路中电压的“参考方向”选定后，当电压为正值时，表示电压的实际方向与参考方向一致，反之，表示电压的实际方向与参考方向相反。1-1直流电路三、电路的物理量及参考方向3．电动势

电动势是衡量外力做功的物理量，外力克服电场力把单位正电荷从负极移到正极所做的功被称为电动势，一般用符号E表示，单位为V（伏特）。电动势的方向是由电源负极指向正极。电动势的方向指向电位升，而电压的方向指向电位降。1-1直流电路三、电路的物理量及参考方向

4．电阻与电导

电阻是反映某一导体对电流阻碍作用大小的物理量，这一阻碍作用的大小由电阻值来表征，用符号R表示。在国际单位制中（SI制中）电阻的单位是Ω（欧姆），简称为欧。电阻还常用kΩ（千欧）和MΩ(兆欧)表示。电阻的倒数称为电导，它也是反映导体导电能力的物理量，电导一般用字母表示，即，在SI制中，电导的单位为S（西门子），简称为西。1-1直流电路三、电路的物理量及参考方向

4．功率

电流流过电路时，不断发生能量的转换。有的元件吸收电能，将电能转换成其他形式的能量，有的元件将其他形式的能转换为电能，向电路供出能量。为了表征电路中某一段吸收或产生能量的速率，引入了电功率的概念。电功率一般用字母P表示，在SI制中P的单位是W（瓦特）简称为瓦，也常用kW（千瓦）来表示。在直流电路中功率表示为：1-1直流电路四、电路分析基本定律

1．欧姆定律（一）部分电路欧姆定律德国物理学家欧姆经过精确实验发现导体中电流I的大小与加在导体两端的电压U成正比，其比值为电阻R，这个关系称为部分电路欧姆定律。即：U=RI（二）全电路欧姆定律在实际的简单电路中，电源的电动势为E，电源内部具有电阻，叫做内电阻，用r0表示。R是外电路电阻。实验证明：在全电路中，电流I与电源电动势E成正比，与外电路电阻和内电阻之和成反比。即：1-1直流电路四、电路分析基本定律2．基尔霍夫定律（一）基尔霍夫电流定律（KCL）

在任意时刻，流入电路中某一节点的电流之和等于流出该节点的电流之和。即：∑I出=∑I入。（二）基尔霍夫电压定律（KVL）

对于电路中的任一回路，从回路中任意一点出发，按绕行方向（顺时针或逆时针）沿回路绕行一周，则回路的电压升之和等于电压降之和。即：∑U升=∑U降。（二）几个概念：支路：电路中每一条无分支的电路，称为支路。节点：三条或三条以上支路的连接点，称为节点。回路：电路中任何一闭合路径称为回路。网孔：闭合路径内部不含有支路的回路。1-1直流电路五、电路三种状态1．通路状态开关接通后，电路中有电流流动，即电路的正常工作状态。2．开路状态（断路）当电路中开关断开、导线断开或用电设备故障时，电路不能形成回路，电路中没有电流流过，这种状态称为开路。此时端电压等于电源的电动势。3．短路状态当负载两端用导线连接起来时，电流不再通过负载而直接由导线回到电源，电路的这种状态称为短路状态。这是一种危害极大的电路非正常工作状态，由于一般电源的内阻都很小，因此，短路时电流很大，可能烧毁电源。为了防止短路事故的发生，应在电路里安装熔断器，避免短路状态发生。

1-1直流电路例题电路如图所示，US1=10V，US2=4V，R1=2Ω，R2=2Ω，R3=4Ω，求:各支路电流I1，I2，I3和各电阻两端电压U1，U2，U3是多少？1-1直流电路电荷运动就有磁场存在。许多电气设备都是通过电与磁的相互作用、相互转化而工作的。例如电动机、发电机、变压器、继电器、电工仪表等。一、电流磁场（一）直导线电流磁场通电直导体的周围存在着磁场，它的磁场线是垂直于导线平面内以导线为圆心的同心圆。判断导线周围磁场的方向，用右手螺旋定则。具体方法为：右手握住直导线，将大拇指指向电流流动的方向，四指所指的方向就是磁场方向。（二）环形电流磁场将导线绕成环形(称为螺线管或线圈)，并给线圈通电，则导线周围也存在磁场，此时的磁场方向也是用右手螺旋定则来判断，方法为：右手握住螺线管，四指指向线圈中的电流流动的方向，大拇指所指方向则为磁场方向。

1-2电磁特性二、描述磁场的物理量（一）磁通量磁通量简称磁通。描述为通过与磁场方向垂直的某一截面S上磁力线的总数。当截面积一定时，垂直通过该截面积的磁力线愈多，说明磁场愈强，反之则愈弱。磁通用Φ表示，单位是Wb（韦伯），Mx（麦克斯韦）。（二）磁感应强度磁感应强度是一个描述磁场强弱的物理量。磁感应强度的数值等于通过与磁场方向垂直的单位面积的磁力线数目，磁感应强度用字母B表示，在均匀磁场中，磁感应强度计算公式如下：

B——磁感应强S——垂直于磁力线的面积；Φ——通过S的磁通。磁感应强度的单位是T（特斯拉）。

1-2电磁特性二、描述磁场的物理量（三）磁场强度磁场中某点磁感应强度与介质的导磁系数的比值，称为该点的磁场强度，磁场强度用字母H表示，计算公式如下：

式中H——磁场强度；

B——磁感应强度；

μ——介质的导磁系数。磁场强度单位是安/米（A/m），也是一个矢量，在均匀磁场中它的方向同磁感应强度的方向相同。

1-2电磁特性三、磁路（一）磁路：磁通(或磁力线)集中通过的路径称为磁路，相当于电路的概念，如图所示是变压器铁心中的磁路示意图。从图中可以看出：1．用铁磁材料做成铁心，将线圈绕在铁心上，可视为磁通被约束在铁心中。

2．通过铁心的磁通称为主磁通，铁心外的磁通称为漏磁通，漏磁通愈小愈好。

3．磁力线是闭合的曲线，通过铁心时磁阻很小，通过气隙时磁阻较大。场方向。

1-2电磁特性三、磁路（二）电磁感应：磁通发生改变时，在磁路中会产生感应电动势。

（三）电磁感应定律感应电动势的大小与穿过线圈磁通的变化率成正比，这称为法拉弟电磁感应定律。该定律说明：磁铁插入线圈中的速度愈快，磁通变化率就愈高，感应电动势就愈大，反之则愈小。（四）楞次定律感应电流产生的感应磁通总是阻碍原磁通的变化，当原磁通增加时，感应磁通与原磁通方向相反，以阻碍原磁通的增加；当原磁通减小时，感应磁通又与原磁通方向相同，以阻碍原磁通的减小，这种现象被称为楞次定律。

1-2电磁特性四、自感、互感现象（一）自感现象由于流过线圈本身的电流发生变化而引起的电磁感应现象叫自感应现象，简称自感。由自感产生的电动势称为自感电动势。自感电动势与线圈本身的电感量成正比，线圈电感量是线圈的固有参数，电感量用字母L表示L与线圈匝数和结构等情况有关。自感电动势还与线圈中电流的变化率成正比，当L为定值时，电流变化愈快，自感电动势愈大，反之愈小。就是说，在线圈的电感量L一定时，电流的变化率愈大，线圈两端的自感电动势愈大。自感电动势,其中L是自感系数，单位为亨利（H）。

1-2电磁特性四、自感、互感示意图1、自感示图2、互感示图

1-2电磁特性四、自感、互感现象（二）互感现象两个匝数分别为N1和N2的线圈L1和线圈L2相互靠近时，当线圈L1中的电流发生变化时，将引起另一个线圈L2中产生感应电动势的现象称为互感现象，简称互感。利用互感原理可以制成常见的变压器，变压器的初级线圈就相当于线圈Ll，次级线圈就相当于线圈L2。互感现象说明线圈L1和线圈L2之间存在磁的耦合，称为互感耦合。线圈L1是通电后产生磁场，而线圈L2则是由磁产生电动势。由互感所产生的电动势称为互感电动势，简称互感电势。当两个线圈确定后，一个线圈中互感电动势的大小正比于另一个线圈中的电流变化率。互感电势为：其中M为互感系数，单位为亨利（H）。

1-2电磁特性工频交流电在工业生产中发挥着越来越大的作用，常用的交流电为正弦交流电一、正弦交流电

（一）正弦交流电的基本概念正弦交流电是指大小和方向都随时间按正弦规律变化的交流电。在电气工程上广泛采用正弦交流电的原因在于：1．可以通过交流发电机将多种能量转换为正弦交流电。2．容易进行电压变换，利用变压器改变电压值，可以方便地实现高压输电和低压配电。3．电路的计算比较简便，波形连续平滑，便于分析计算。4．便于远距离输电和安全用电。5．交流电气设备比直流电气设备结构简单，便于使用和维修。1-3交流电路特性一、正弦交流电

（二）正弦交流电的产生正弦交流电是由交流发电机产生的,当线圈以角速度ω匀速转动时，感应电动势为：

式中：Em为感应电动势的最大值，单位为V(伏特)ω为角速度，单位为rad/s（弧度/秒），也称为角频率t为时间，单位为s（秒）为初相位，单位为弧度（或度）上式称为正弦交流电的表达式。正弦交流电的特征由频率(或周期)、最大值(或有效值)和初相来确定，称为正弦量的三要素。1-3交流电路特性一、正弦交流电

（三）正弦交流电的图示及三要素1-3交流电路特性一、正弦交流电

（三）正弦交流电的图示及三要素1．周期和频率正弦交流电变化一次所需要的时间称为周期T，常用单位是s（秒）。正弦交流电在单位时间内变化的次数称为频率用f，单位是Hz（赫兹）。我国工业电力网所供给的交流电频率（即工业频率，简称工频）为50Hz2．幅值和有效值正弦交流电在一个周期内的最大值称为幅值，Em、Um及Im分别表示电动势、电压及电流的幅值（最大值）。在工程技术中，常用有效值来表征交流电压、电流的大小。交流电的有效值就是和它的热效应相等的直流值。其他类似，电压和电流。3．初相位和相位差

当t=0时，正弦电量的相位角称为初相角，简称初相。1-3交流电路特性二、单相正弦交流电路正弦交流电向量表示交流电可以用有向线段表示，这种表示方式被称为相量图。在画相量图时，线段的长短代表正弦交流电的大小，箭头代表正弦交流电的方向，初相位（辐角）的参考方向（=0）应以实轴正方向为基准，逆时针方向的角度为正，顺时针方向的角度为负。例如：

1-3交流电路特性二、单相正弦交流电路（一）纯电阻电路在交流电路中，凡由电阻作为负载(如白炽灯、电阻炉及电烙铁等)组成的电路，都叫纯电阻电路。设通过电阻R的电流为：，则电阻两端电压为：

纯电阻电路的电阻和电压有效值之间的关系也符合欧姆定律即：交流电通过电阻电路时的平均功率为：

纯电阻电路的向量图：1-3交流电路特性二、单相正弦交流电路（二）纯电感电路在纯电感电路中，由于交流电的大小和方向都在不断地变化，因此在电感线圈中便不停地感应出自感电动势，这个自感电动势时刻起着阻碍电流变化作用。这种由电感对交流电产生的阻碍作用叫做感抗，用XL表示，单位为Ω（欧姆）。感抗的大小与通过它的电流频率成正比。在直流电路中，由于电流不变化(即f=0)，所以感抗为零，相当于短路。在交流纯电感电路中，电压与电流瞬时值之间关系为：设电流为，则，可知：感抗，则电流有效值、电压有效值（最大值）与感抗之间的关系遵守欧姆定律，即，并且电压瞬时值超前于电流瞬时值90度。纯电感电路向量图：1-3交流电路特性二、单相正弦交流电路（三）纯电容电路在纯电容电路中，电容两端电压与电流的瞬时值之间关系为：

若电压的解析式为：

则容抗电流、电压、容抗三者之间的关系符合欧姆定律

纯电容电路的向量图：1-3交流电路特性二、单相正弦交流电路（四）RL串联电路流过电阻和电感的电流为同一电流i。在该电路中，外加电压u可以分成两部分：一部分是电阻两端的电压uR，一部分是电感两端的电压uL，其相位超前于电流90度。式中称为电路的阻抗，它的单位也是欧姆。1-3交流电路特性二、单相正弦交流电路（四）RL串联电路流过电阻和电感的电流为同一电流i。在该电路中，外加电压u可以分成两部分：一部分是电阻两端的电压uR，一部分是电感两端的电压uL，其相位超前于电流90度。式中称为电路的阻抗，它的单位也是欧姆。1-3交流电路特性二、单相正弦交流电路（四）RL串联电路流过电阻和电感的电流为同一电流i。在该电路中，外加电压u可以分成两部分：一部分是电阻两端的电压uR，一部分是电感两端的电压uL，其相位超前于电流90度。式中称为电路的阻抗，它的单位也是欧姆。1-3交流电路特性二、单相正弦交流电路（四）RL串联电路流过电阻和电感的电流为同一电流i。在该电路中，外加电压u可以分成两部分：一部分是电阻两端的电压uR，一部分是电感两端的电压uL，其相位超前于电流90度。式中称为电路的阻抗，它的单位也是欧姆。1-3交流电路特性二、单相正弦交流电路（五）RL交流电路中的功率1．有功功率：在RL交流电路中，电路实际消耗的平均功率称为有功功率，用字母P表示，，单位是W(瓦特)或kW(千瓦)。2．无功功率：在RL交流电路中，由于电感是储能元件，电流并不是在全部做功消耗，而是有一部分用来进行电源和储能元件之间的能量转化，为此用无功功率来表示能量互换的大小。无功功率用Q表示。

单位是Var(乏)或kVar(千乏)。

3．视在功率：将电源的电压与电流的乘积称为视在功率，用字母S表示，单位是VA(伏安)或kVA(千伏安)。4．功率因数

：S与P夹角的余弦称为功率因数

。1-3交流电路特性三、三相正弦交流电路（一）三相电动势：

三相发电机的构造原理与单相发电机完全相同，只是在电枢上绕有三套独立的完全相同的线圈(或叫绕组)，它们在空间位置上互差120度，分别称为U相、V相、W相，三相电动势分别为：

1-3交流电路特性三、三相正弦交流电路（二）三相电源的联接

1．三相电源的星(Y)形联接将发电机三相绕组的尾端联接成一点N，从首端引出三条相线，这就是三相绕组的Y形联接。在供电线路，引出三根端线，又称火线（相线）。由结点N引出一根线，叫做中性线(简称中线)，结点N叫做中性点(简称中点)。如果N点接地，则N点就叫做零点，中性线又称为零线。从配电变压器引出的四根线，即构成了三相四线制供电系统。在电路对称的情况下，线电压和相电压存在如下关系：其中：Up为相电压，Ul为线电压。1-3交流电路特性三、三相正弦交流电路（二）三相电源的联接

2．三相电源的三角(Δ)形联接电源的三相绕组的另一种接法是Δ形联接。把每相绕组的尾端与另一相绕组的首端依次相接，构成一个闭合回路，并从三个连接点各引出一根导线，即端线(火线)，就构成三相电源的三角(Δ)形联接。

一般发电机的三相绕组都是对称的。在Δ形联接中，线电压和相电压在数值上是相等的，线电流和相电流在负载对称情况下的关系为：式中Il——线电流，Ip——相电流。1-3交流电路特