1、交、直流電路和磁路的基本知識蔡永飛2013年3月6日培訓(xùn)大綱一、電流、電壓、電位及電動勢基本概念二、歐姆定律、基爾霍夫定律三、正弦交流電三要素、瞬時(shí)值、最大值、有效值四、正弦交流電功率及功率因數(shù)概念及計(jì)算方法五、三相交流電相電壓、線電壓、相電流、線電流概念及計(jì)算方法六、電與磁的基礎(chǔ)知識一、電流、電壓、電位及電動勢基本概念 1、 電流 電荷的定向移動稱為電流，電流的方向規(guī)定以正電荷移動的方向?yàn)殡娏鞣较颍娏鞯拇笮∪Q于在一定時(shí)間內(nèi)通過導(dǎo)體截面的電荷量的多少，通常規(guī)定單位時(shí)間內(nèi)通過導(dǎo)體橫截面的電量稱為電流，用 I 表示： I=q/tI：通過導(dǎo)體的電流 單位：A q：t秒內(nèi)通過導(dǎo)體橫截面的電量 單位

2、：C t：電流通過導(dǎo)體的時(shí)間 單位：S 國際單位制中，電流的單位為安（A），在表示比較大或較小的電流時(shí)，也用千安（kA）、毫安（mA）、微安（A）。它們的數(shù)學(xué)換算關(guān)系為： 1kA=103A 1 A=103mA 1mA=103A 1kA=103A=106mA=109A 電流分為兩大類：直流電流、交流電流 直流電流：方向不隨時(shí)間變化的電流。 交流電流：大小和方向隨時(shí)間改變的電流。 2、電壓 在圖所示電路中，正電荷從高電位端流向低電位端必然要受到電場力的作用，也就是說電場力對正電荷做了功。電壓就是衡量電場力做功本領(lǐng)大小的物理量。電壓的大小反映電場力做功能力的強(qiáng)弱，電場力把單位正電荷從電場中A點(diǎn)移到B

3、點(diǎn)所做的功稱為A、B兩點(diǎn)間的電壓，用UAB表示。 習(xí)慣規(guī)定電場力移動正電荷做功的方向?yàn)殡妷旱膶?shí)際方向，即高電位指向低電位。3、電位在電子電路中，為了便于分析，一般取電路中某一點(diǎn)作為參考點(diǎn)，認(rèn)為這個(gè)點(diǎn)的電位為零，那么其它點(diǎn)到參考點(diǎn)的電壓就是該點(diǎn)的電位，某一點(diǎn)的電位在數(shù)值上等于電場力將單位正電荷從該點(diǎn)移動到參考點(diǎn)所做的功。 在國際單位制中，電壓的單位為伏（V），當(dāng)計(jì)量比較大或較小電壓時(shí)，可以用千伏（kV）、毫伏（mV）、微伏（V）。它們的數(shù)學(xué)換算關(guān)系是： 1kV=103V 1 V=103mV 1mV=103V 1kV=103V=106mV=109V 電動勢的方向是從低電位端指向高電位端，這同時(shí)也反

4、映了電源力移動正電荷的方向；而電壓的方向是從高電位端指向低電位端，反映了電場力移動電荷的方向。根據(jù)做功類型的不同，把電源外部的電路稱為外電路，而把電源內(nèi)部的電路稱為內(nèi)電路，合稱為全電路。 4、電動勢 電動勢就是反映電源內(nèi)部電源力（即非電場力）做功能力的物理量，它的大小反映電源力做功能力的大小，用E表示。二、歐姆定律、基爾霍夫定律1、 歐姆定律 歐姆定律指出：“通過導(dǎo)體的電流I與加在導(dǎo)體兩端的電壓U成正比，與導(dǎo)體的電阻R成反比。” 歐姆定律表達(dá)式為： 2 、基爾霍夫定律 支路：電路中的一個(gè)分支稱為一條支路，它的特點(diǎn)是每一條支路流過同一電流。節(jié)點(diǎn)：電路中三條或者三條以上的支路相匯集的點(diǎn)稱為節(jié)點(diǎn)。回

5、路：在復(fù)雜電路中，由兩條或兩條以上支路組成的閉合的電路稱為回路。（1）基爾霍夫電流定律（KCL） 基爾霍夫電流定律也稱節(jié)點(diǎn)電流定律，其內(nèi)容是：“在任一瞬間，對電路的任一節(jié)點(diǎn)，流入該節(jié)點(diǎn)的電流之和等于流出該節(jié)點(diǎn)的電流之和。”其數(shù)學(xué)表達(dá)式為： Ii=Io 如果規(guī)定流入節(jié)點(diǎn)的電流為正，流出節(jié)點(diǎn)的電流為負(fù)；這個(gè)定律內(nèi)容是：在任一時(shí)刻，對電路中的任一節(jié)點(diǎn)，所有電流的代數(shù)和為零。數(shù)學(xué)表達(dá)式為： I=0 便于大家理解基爾霍夫電流定律，如下圖所示電路是網(wǎng)絡(luò)電路的一部分，已知電流I1=2A，I2=4A，I3=7A，試求圖中的電流I4。 【解】根據(jù)基爾霍夫電流定律有I1+I2-I3+I4=0代入數(shù)值可得2+4-7

6、+I4=0I4=1A （2） 基爾霍夫電壓定律（KVL）基爾霍夫電壓定律也稱回路電壓定律，內(nèi)容指出：“在任一時(shí)刻，沿電路任一閉合回路，所有支路電壓的代數(shù)和恒等于零。”其數(shù)學(xué)表達(dá)式為： U=0 一般把負(fù)載放在等式的左邊，把電源放在等式的右邊。那么其數(shù)學(xué)表達(dá)式為： IR=E 便于大家理解基爾霍夫電壓定律如下圖所示為一電路的其中一部分，已知電源電動勢E1=16V，E2=4V；電阻R1=3，R2=5，R3=2，R4=10；電流I1=1A，I2=4A，I3=3A，試求圖中的電流I4。 【解】根據(jù)基爾霍夫電壓定律有I1R1+I2R2-I3R3-I4R4=E1+E2代入數(shù)值可得13+45-32-10I4=1

7、6+4I4=-0.3A 交流電: 大小和方向都周期性變化、在一個(gè)周期上 的函數(shù)平均值為零。正弦交流電: 按正弦規(guī)律變化的交流電。瞬時(shí)值最大值初相位最大值角頻率初相位 i = Imsin(t +)角頻率ImOit正弦交流電的三要素正弦交流電的波形三、正弦交流電三要素、瞬時(shí)值、最大值、有效值I =Im2U =Um 2E =Em 2正弦交流電的有效值：e、i、uEm、Im、UmE、I、U瞬時(shí)值最大值有效值四、正弦交流電功率及功率因數(shù)概念及計(jì)算方法1、有功功率 ：瞬時(shí)功率在一個(gè)周期內(nèi)的平均值。2、無功功率：表示儲能元件與電源之間進(jìn)行能量交換的規(guī)模。電阻消耗的功 單位: W3、視在功率：電路的總電壓與總

8、電流的有效值的乘積。 單位：var單位：VA視在功率用來表示電氣設(shè)備（如發(fā)電機(jī)、變壓器等）的容量。電感、電容與電源之間能量的交換。視在功率S、有功功率P、無功功率Q組成功率三角形，如下圖：4、功率因數(shù) :對電源利用程度的衡量。 供電局一般要求用戶的 純電阻電路：cos=1電感性電路：0cos1，電路中存在無功功率Q。有功功率與視在功率的比值，稱為功率因數(shù)提高功率因數(shù)的意義（1）充分利用電源設(shè)備的容量 可以為同等容量供電系統(tǒng)的用戶提供更多的有功功率，提高供電能力。（2）減小輸電線路上的能量損耗 電流I與功率因數(shù)成反比。因?yàn)榫€路有電阻，通過線路的電流I越大，線路損失的功率就越大，線路的電壓降就越多

9、。 為了減小電能損耗，改善供電系統(tǒng)質(zhì)量，需提高cos。提高功率因數(shù)的方法提高功率因數(shù)，常用的方法是在感性負(fù)載的兩端并聯(lián)電容器。五、三相交流電相電壓、線電壓、相電流、線電流概念及計(jì)算方法1、三相交流電：最大值相等、頻率相同、相位互差120度的三個(gè)正弦電動勢。Em t2、三相電源的星形聯(lián)結(jié)（Y接） 星形聯(lián)結(jié)：將電源的三相繞組末端U2、V2、W2連在一起，首端U1、V1、W1分別與負(fù)載相連，這種方式就叫做星形聯(lián)結(jié)。三相繞組末端相連的一點(diǎn)稱中點(diǎn)或零點(diǎn)，一般用“N”表示。從中點(diǎn)引出的線叫中性線（簡稱中線），由于中線一般與大地相連，通常又稱為工作接地（或零線）。從首端U1、V1、W1引出的三根導(dǎo)線稱相線。

10、由于它與大地之間有一定的電位差，一般通稱火線。有中線的三相制稱為三相四線制，無中線的三相制稱為三相三線制。 相電壓：電源每相繞組兩端的電壓，有中線時(shí)，各相線與中線之間的電壓稱為相電壓。 線電壓：相線與相線之間的電壓稱為線電壓線、相電壓間相量關(guān)系式相量圖UUUWUV30o線、相電壓間數(shù)量關(guān)系式由相量圖可得 作星形聯(lián)結(jié)時(shí)，線電壓在數(shù)值上等于相電壓的在圖示參考方向上線電壓在相位上要比它所對應(yīng)的相電壓超前30，三個(gè)線電壓之間互有120相位差，所以電源的線電壓也是對稱的。 倍，3、三相電源的三角形聯(lián)結(jié)（接） 三角形聯(lián)結(jié)：將電源一相繞組的末端與另一相繞組的首端依次相連，再從首端U1、V1、W1分別引出端線

11、，這種連接方式就叫三角形聯(lián)結(jié)。UVW三相電源作三角形聯(lián)結(jié)時(shí)，線電壓就是相電壓，即：4、三相負(fù)載的聯(lián)結(jié)三相負(fù)載的聯(lián)結(jié)方式有兩種，星形(Y)聯(lián)結(jié)和三角形(D)聯(lián)結(jié)。 +uUNuW +iUNiViWiN+ _uV(1)星形(Y)聯(lián)結(jié) 三相負(fù)載的星形聯(lián)結(jié)，就是將三相負(fù)載（如三相電動機(jī)）各相的末端連在一起，形成負(fù)載的中（性）點(diǎn)N，將N點(diǎn)接至電源的中（性）點(diǎn)N，再將各相負(fù)載的始端接至三相電源的相線。 相電流負(fù)載的相電壓線電流流過相線的電流每相負(fù)載兩端的電壓流過每相負(fù)載的電流線電壓相線與相線之間的電壓線電壓在相位上要比它所對應(yīng)的相電壓超前30(2)三角形(D)聯(lián)結(jié)iWUVWiViUiUViVWiWU +uU

12、V +uVW +uWU 將各相負(fù)載的始末端依次相 連，然后將三個(gè)連接點(diǎn)接至三相電源的相線，則這種聯(lián)結(jié)方式稱為三角形聯(lián)結(jié)。相電流負(fù)載的相電壓線電流流過相線的電流每相負(fù)載兩端的電壓流過每相負(fù)載的電流線電壓相線與相線之間的電壓線電流在相位上滯后所對應(yīng)的相電流30。六、電與磁的基礎(chǔ)知識1、磁場 B=H磁場強(qiáng)度H，是線圈安匝數(shù)的一個(gè)表征量，反映磁場來源的強(qiáng)弱，與磁介質(zhì)沒有關(guān)系磁感應(yīng)強(qiáng)度B,表示磁場源在特定環(huán)境下的效果磁導(dǎo)率u用來表征物質(zhì)導(dǎo)磁性能的物理量，單位Hm（亨利/米）,真空磁導(dǎo)率0=410-7Hm ,非鐵磁物質(zhì)如空氣、絕緣材料等，近似等于真空磁導(dǎo)率 ,鐵磁物質(zhì)如鐵、鎳，磁導(dǎo)率遠(yuǎn)于真空磁導(dǎo)率達(dá)數(shù)千甚

13、至上萬倍。用磁力線來描述磁場NS2、磁力線（磁感應(yīng)線）不相交的閉合曲線，切線方向表示磁場方向，疏密程度表示磁場大小3、磁通量通過磁場中某一面積S的磁感應(yīng)強(qiáng)度B的通量稱為通過該面積的磁通量(磁通)，符號、單位Wb（韋伯）=BScos4、磁化曲線不同的磁性材料有不同的磁導(dǎo)率同一材料當(dāng)其磁通密度不同時(shí)，亦有不同的磁導(dǎo)率起始段，磁導(dǎo)率小線性區(qū)，磁導(dǎo)率大且不變飽和區(qū) 當(dāng)H比較小，即勵(lì)磁電流比較小時(shí)，B與H均比較小（區(qū)域I），隨著H的增加，B成比例的增加，且增加較快（區(qū)域II）。但是當(dāng)H增加到一定程度后，再增加H，則B增加就變得比較緩慢，接近飽和。（區(qū)域III）磁感應(yīng)強(qiáng)度磁場強(qiáng)度磁化曲線在電機(jī)中的應(yīng)用：

14、電機(jī)在正常運(yùn)行的情況下，其鐵磁材料處于已開始飽和但飽和程度并不很深的狀態(tài)。如果鐵磁材料中B取得太小，鐵磁材料未飽和，雖然所需勵(lì)磁電流較小，但B小導(dǎo)致磁通小，電機(jī)容量不大，電機(jī)有效材料未能得到充分利用，反之，如果鐵磁材料中B取得太大，以致鐵磁材料處于深度飽和，雖然電機(jī)的容量有所提高，但付出的代價(jià)是勵(lì)磁電流要增加很多很多，從而帶來一系列的不良后果。磁滯損耗5、磁滯現(xiàn)象和磁滯損耗 當(dāng)導(dǎo)磁材料位于交變磁場中被反復(fù)磁化，BH曲線呈磁滯回線，如圖從磁滯回線上看，磁密B的變化總是滯后于磁場強(qiáng)度H的變化，這種現(xiàn)象稱為磁滯現(xiàn)象剩磁現(xiàn)象：鐵磁材料反復(fù)磁化后，勵(lì)磁電流下降為0，H下降到0，B并不會下降至0，而是保留

15、了一部分磁性Br，這種現(xiàn)象就是鐵磁材料的剩磁現(xiàn)象。要使剩磁消失，通常需進(jìn)行反向磁化。將 B=0時(shí)的 H 值稱為 矯頑磁力 Hc導(dǎo)磁材料中將引起能量損耗，稱為鐵芯損耗。鐵芯損耗分為兩部分：磁滯損耗和渦流損耗。磁滯損耗： 鐵磁材料在交變磁場作用下反復(fù)磁化的過程中，磁疇之間不停地相互摩擦，消耗能量引起損耗，稱為磁滯損耗。交變磁化一周在鐵心的單位體積內(nèi)所產(chǎn)生的磁滯損耗能量與磁滯回線所包圍的面積成正比。磁滯損耗要引起鐵心發(fā)熱。為了減小磁滯損耗，應(yīng)選用磁滯回線狹小的磁性材料制造鐵心。硅鋼就是變壓器和電機(jī)中常用的鐵心材料，其磁滯損耗較小。磁疇： 分子中電子的繞核運(yùn)動和自轉(zhuǎn)將形成分子電流，分子電流將產(chǎn)生磁場，

16、每個(gè)分子都相當(dāng)于一個(gè)小磁鐵。 由于磁性物質(zhì)分子的相互作用，使分子電流在局部形成有序排列而顯示出磁性，這些小區(qū)域稱為磁疇。渦流損耗： 在交變電路中通過鐵芯的磁通是隨時(shí)間作周期變化的交變磁通，根據(jù)電磁感應(yīng)定律，在鐵芯中將產(chǎn)生電動勢并有電流流過，這些電流在鐵芯內(nèi)部圍繞磁通呈漩渦狀流動，稱為渦流，鐵芯本身有電阻，渦流引起的損耗稱為渦流損耗。（為減小渦流損耗，電機(jī)和變壓器的鐵心都用含硅量較高的薄硅鋼片疊成。）渦流損耗磁性物質(zhì)的磁化示意圖(a)無外場，磁疇排列雜亂無章。(b)在外場作用下，磁疇排列逐漸進(jìn)入有序化。高磁導(dǎo)率的成因 磁性物質(zhì)沒有外場時(shí)，各磁疇是混亂排列的，磁場互相抵消；當(dāng)在外磁場作用下，磁疇就逐漸轉(zhuǎn)到與外場一致的方向上，即產(chǎn)生了一個(gè)與外場方向一致的磁化磁場，從而磁性物質(zhì)內(nèi)的磁感應(yīng)強(qiáng)度大大增加物質(zhì)被強(qiáng)烈的磁化了。 磁性物質(zhì)被廣泛地應(yīng)用于電工設(shè)備中，電動機(jī)、電磁鐵、變壓器等設(shè)備中線圈中都含有的鐵心。就是利用其磁導(dǎo)率大的特性，使得在較小的電流情況下得到盡可能大的磁感應(yīng)強(qiáng)度和磁通。非磁性材料沒有磁疇的結(jié)構(gòu)，所以不具有磁化特性。右手定則左手定則通電導(dǎo)線在磁場中受到力的作用，受力方向采用左手定則判斷磁產(chǎn)