2.1　电工基础知识

2.1.1　有关电的基本概念

电

自然界中的物质是由原子构成的，每个原子都是由一个带正电荷的原子核和一定数量带负电荷的电子所组成的。这些电子，分层围绕原子核做高速旋转，如下图所示。

正电荷与负电荷有同性相斥、异性相吸的特性。不同的物质有不同的原子，它们所具有的电子数目也是不一样的。例如，钠原子有11个电子，原子结构如下图所示。在通常情况下，原子核所带的正电荷和电子所带的负电荷在数量上相等，所以物体就不显示带电现象。

原子核吸引电子的吸力大小与距离的二次方成反比。如果由于某种外力的作用，使离原子核较远的外层电子摆脱原子核的束缚，跑到另一个物体上，那么这样就会使物体带电，失去电子的物体带正电，获得电子的物体带负电。

一个带电体所带电荷的多少可以用电子数目来表示，我们常以库仑（用C表示）作为电荷量的单位。

1C=6.24×1018个电子电荷量

当电荷积聚不动时，这种电荷称为静电；如果电荷处在运动状态，则称为动电。

静电

静电是人类最早认识的、由摩擦起电现象所产生的电荷，分布在电介质表面或体积内及在绝缘导体表面；它相对于动电，是静止的，特性是电流小、不形成回路。

随着高分子聚合材料的广泛应用，静电危害问题日益突出。静电不仅可引起着火、爆炸，还可使产品质量受到影响、电子元器件损坏、数据丢失等。

电力输送过程和电路

电力输送过程

电路

电路是由相互连接的电子、电气元器件（如电阻、电容、电感、二极管、晶体管和开关等）构成的网络。

电形成电路，形成我们需要的各种动力。例如，手电筒用来在黑暗中照明，通过开关来控制灯泡的亮灭。

要实现灯泡的亮灭控制，需要以下4个条件。

（1）电池提供电能。→电源

（2）灯泡作为发光体，是消耗电能的装置。→负载

（3）开关控制灯炮的亮灭。→控制元件

（4）金属片或线把灯泡、电池、开关连接起来。→导线

电路图

用实物来表示电源、负载、控制元件等很麻烦。在电路技术应用中，我们把电源、负载、控制元件等用相应的符号表示出来，用相应符号表示的电路称为电路图。

2.1.2　直流电路

电流

电荷在电路中沿着一定方向移动，电路中就有了电流。如同水管中的水流有大有小，根据产生的效应大小来判断电流的大小。电流通过灯泡时，灯丝变热而发光，这是电流的热效应。电流还可以发生磁效应。

如果在1s内通过导体横截面的电荷量是1C，那么导体中的电流就是1A，即

在相同的时间里，通过导体横截面的电荷量小，电流就小；通过导体横截面的电荷量大，电流就大。如果在10s内通过导体横截面的电荷量是20C，那么导体中的电流为

在实际生活中，安培是一个很大的单位。所以，常用的单位还有毫安（mA）和微安（µA）。换算关系为

1A=103mA=106μA

金属导体中正电荷不会流动，但金属导体中有大量的自由电子，靠自由电子的流动，会产生电流。历史上规定正电荷定向流动的方向为电流的方向，与负电荷流动的方向相反。所以，在电源外部，电流的方向是从电源正极流向负极的。

直流电和交流电

直流电

如果在一个电路中，电荷沿着一个不变的方向流动，那么这就是“直流电”。直流电是方向不随时间而改变的电流。直流电用DC表示。蓄电池、干电池、直流发电机及各种整流电源产生直流电，有固定的正、负极。

交流电

交流电是方向和大小都随时间做周期性变化的电流。交流电用AC表示。我们日常用的电就是交流电。

交流电的频率一般是50Hz。当然也有其他频率，如电子线路中有交流方波、交流三角波等，但这些波形的交流电不是导体切割磁力线产生的，而是电容充放电、开关晶体管工作时产生的。

电位

正电荷在电路中某点所具有的能量与电荷所带电荷量的比称为该点的电位。

电路中选择不同的参考点，某点的电位是不同的。为了方便，把参考点的电位规定为零，高于参考点的电位为正，反之为负。

电位就像是河流的水位。

电压

电路中任意两点间的电位之差称为两点间的电压。

我们知道，水压越大，水流越急，水压越小，水流越缓。电压与水压相似，电压越高，灯泡越亮，电压越低，灯泡越暗。水压与电压的比较如下图所示。

在电路分析中，电压的计算经常与电位的概念有关。通常，参考点的选取是任意的，电路中各点的电位数值与参考点的选取有关；而任意两点间的电压则等于这两点电位之差，与参考点的选取无关。

a、b两点间电压Uab=Va-Vb

1　电压的单位为伏特（V）

2　常用的单位有千伏（kV）

3　低电压可以用毫伏（mV）表示

4　弱电压可以用微伏（μV）表示

电动势

循环水路中维持水流连续的是水泵。电路中也一样，要想得到持续的电流，离不开电源，电源产生的电压称为电动势。

又可以说，电源内部非静电力移送单位正电荷，将其从电源的负极移至正极所做的功，叫作电源的电动势。

例如，在具有一定负载的直流电路中，若要维持电路中的电流恒定不变，就必须设法维持电路两端有恒定的电压。这就必须由非静电力不断对电荷做功来实现。

电动势是反映电源把其他形式的能转化成电能本领的物理量。电动势使电源两端产生电压。

电动势的方向规定为在电源内部由低电位指向高电位的方向，与电压的方向相反。国际单位制中，电动势的单位为伏特（V），简称伏。其他常用的单位有千伏（kV）、毫伏（mV）、微伏（µV）。

（1）电池在新的时候做功能力很强，电能充足，使用久了之后做功能力大大下降，这时电压也低了。

（2）电压存在于电源的两端，也存在于电源的外部电路中，即电路中的两点之间。

（3）在电源内部，电动势的方向与电压的方向相反，电动势的方向是电位升高的方向。

电阻

任何导体都对电流通过具有一些阻碍作用，这就是电阻。在电路中用来限制电流、调节电压的元器件，则被称为电阻器，在日常生活中一般直接称为电阻。电阻器可分为固定电阻器和可变电阻器（也称电位器）。

在国际单位制中，电阻的单位是欧姆，简称欧，符号是Ω。如果导体两端的电压是1V，通过的电流是1A，那么该导体的电阻就是1Ω。

其他的电阻单位有千欧（kΩ）和兆欧（MΩ）。换算关系为

1MΩ=106Ω，1kΩ=103Ω

电阻的分类

常用的碳膜电位器是由炭黑与树脂混合物喷涂在马蹄形胶木板上烘干而成的。线绕电位器的电阻体是由电阻丝绕制而成的，先将电阻丝绕在胶木板上，然后分成马蹄形，装在外壳中。

欧姆定律

欧姆定律研究的是电流、电压和电阻间的相互关系。这个关系可表示为两种形式：部分电路的欧姆定律和全电路（闭合电路）的欧姆定律。

部分电路的欧姆定律：在一段电路中，流过电阻R的电流I与电阻两端的电压U成正比，而与这段电路的电阻R成反比，即

闭合电路的欧姆定律：闭合电路的电流I跟电源的电动势E成正比，跟内、外电路的电阻之和r+R成反比，即

电路状态

在连接电路时，常听到有通路、断路、短路3种说法，这3种情况各不相同。

通路

通路是指闭合开关接通电路，电流流过用电器，使用电器进入工作的状态。

断路

断路是指电路被切断，电路中没有电流通过的状态。

除正常地切断电源，使电路断开外，在下列情况下也会出现断路：用电器连接处接触不良；用电器内部断线；电路中电流过大，烧坏熔丝。

短路

短路是指电流不经用电器而直接构成回路。短路可分为整个电路短路和部分电路短路。

当发生整个电路短路时，整个电路电阻很小，电流很大，电路强烈发热，会损坏电源甚至引起火灾；电源短路后，通过用电器的电流几乎为零，用电器也不能工作。

部分电路短路是指电路中某一部分电路首尾短接，其后果与上述整个电路短路相似，只是热效应稍小，但是也能使与短路部分串接的电线或元器件因电流过大而受损害，甚至也会引起火灾，损坏电源。

短路是电路连接时应特别注意避免的一种不正常情况。

2.1.3　单相交流电路

交流电

电流有交流电流和直流电流之分，电压和电动势也有交流和直流之分。

在工程上常把大小和方向随时间做周期性变化，并且在一个周期内平均值为零的电压、电流或电动势统称为交流电。

此外，还有其他一些满足大小和方向随时间做周期性变化，并且在一个周期内有正负变化的任意交流电。

正弦交流电

交流三角波、交流方波都有自己的变化规律。正弦交流电指的是电压、电流或电动势的变化规律符合正弦函数变化的一种交流电。

因变量y的大小随着自变量x的变化而变化，这是数学公式对于量值大小变化的一种规律性描述。

从数学角度讲，波形中任意时刻的数值所对应的方向是该点的切线方向，即在每一时刻，不同数值的变化的趋向是不同的。但是对交流电来说，有时说明量值的正负就足够了。

交流电路和直流电路的区别

电源、负载和连接导线等中间环节是构成电路的基本要素。交流电路和直流电路的很多区别就在于电源和负载。

总之，直流电路有直流电路的分析方法，交流电路不能用直流电路的分析方法进行分析，在定量的分析、计算中必须区别对待。

纯电阻交流电路

在交流电路中，只含有电阻元件的电路叫作纯电阻交流电路。纯电阻交流电路中不含电感和电容元件或设备。

在纯电阻交流电路中，电压与电流同相位，如下图所示。

下面对直流电路和纯电阻交流电路进行比较。

纯电感交流电路

只含有纯电感元件的交流电路叫作纯电感交流电路，如下图所示。

当电路中的电流发生变化时，由于有某些元件的存在，电路可能要阻碍电流的这种变化。电路阻碍电流变化的性质称为电感。

电感是由电感性质的元件产生的。任何线圈都是由导线绕制而成的，而导线本身都具有电阻，所以严格来讲只产生电感而自身没有电阻的电感线圈实际上是不存在的。

但是，当电感元件产生的电感远远大于其自身电阻时，为了讨论问题方便，可以把电阻的影响忽略掉，认为某些电感元件是纯电感元件。所以，纯电感交流电路是一种理想化的电路模型。

此外，即使是自身电阻比较大的线圈，也可以根据等效变换的原则把电感线圈能够产生的电感和自身的电阻进行串联，这样得到的等效电路仍具有原电路的功能。这种电路的特点实际上也是纯电感交流电路和纯电阻交流电路的叠加作用，因此讨论纯电感交流电路，对讨论含有电感的电路有着重要的作用。

纯电容交流电路

通常把电路中存储电荷并送回电路中去的能力称为电容。

只含有电容性质元件的交流电路叫作纯电容交流电路，如下图所示。

纯电容交流电路只考虑电容元件的电容性对电路的作用。在实际的交流电路中，只有电容作为负载的电路基本不存在。

电容元件是一种储存能量的元件，自身并不消耗电能。完全意义上的负载应该承担能量转化的作用，即把电能转化成其他形式的有用的能量。

在交流电路中，各种元器件对电路的综合作用很多情况下是分立元器件作用的叠加。也就是说，讨论纯电容交流电路是为学习RC或RLC等电路做准备的。

2.1.4　三相交流电路

三相交流电

三相交流电是三相交流电流、三相交流电压和三相交流电动势的总称。

在单相正弦交流电路中，单相交流电压、单相交流电流和单相交流电动势都是按照正弦规律变化的。可以形象地说，三相交流电就是3个单相交流电对电路的整体作用。

通常我们说的三相交流电指的是三相正弦交流电，如下图所示。

三相交流电是由3个频率相同、幅值相同但各相之间的相位互差120°的单相交流电组成的。三相交流电是由一台三相发电机产生的，三相交流电的大小和方向随时间一起周期性变化。

1　制造三相发电机、变压器都比制造单相发电机、变压器省材料，而且构造简单，性能优良

2　用同样材料所制造的三相电机，其容量比单相电机大50%

3　在输送同样功率的情况下，三相输电线较单相输电线，可节省有色金属25%，而且电能损耗较单相输电时少

由于三相制系统在发电、输电、配电及电能转化为机械能方面都有明显的优越性，所以使得三相制得到了广泛的应用。

如下图所示，三相发电机示意图中的磁极是静止的，由线圈和铁芯组成的电枢是旋转的，这样是为了讨论问题方便，而实际的绝大多数发电机的电枢是静止的，磁极是旋转的。

三相绕组固定在铁芯上，铁芯与绕组合称为电枢。

三相三线制

什么是三相三线制

三相三线制是电源和负载之间连接的一种方式。我们把供电系统中不引出中性线的星形连接和三角形连接，即电源和负载之间只有3根相线连接的接法，称为三相三线制。

三相三线制的排列

电力系统高压架空线路是典型的三相三线制接法。

三相三线制只包括三相交流电的3根相线（A相、B相和C相）。由于没有中性线（N线）和地线（PE线），所以这种供电方式不能用于三相不对称负载。

此外，三相三线制由于没有外壳接地保护，一般不作为民用；工厂车间里，除有些三相电动机和变压器外也较少使用。

三相四线制

什么是三相四线制

把电源的3根相线（电源的首端）与三相负载的首端相连，把电源的星接点与负载的星接点用一根线相连，就构成了三相四线制接法。我们把连接两个星接点的连线称为中性线。

三相四线制的构成

三相四线制是电源和负载均为星形连接时的一种供电方式。

由于在三相四线制中有中性线存在，从而保证星形连接的各相负载上的电压始终接近对称，在负载不平衡时也不致发生某一相电压升高或降低。

此外，在三相四线制中，若一相断线，仍可以保证其他两相负载两端的电压不变，所以在低压供电线路上广泛采用三相四线制。

三相交流电源的星形连接

三相交流电源的连接

在发电厂中，发电机的引出端是由黄（A或U）、绿（B或V）、红（C或W）三色的3个汇流排经过断路器接到主变压器上的。

三相交流电源的三相四线制星形连接

从三相绕组的始端A（U1）、B（V1）、C（W1）也引出3根线，给负载供电时，这3根端线叫L1、L2、L3相线，该3根相线和中性线（N线）构成4根供电线，如下图所示，这就是三相交流电源的三相四线制星形连接。

由于负载在绝大多数情况下都是不对称负载，因此，低压三相负载的电源常采用三相四线制星形连接供电。

三相交流电源的三角形连接

三相交流电源的三角形连接就是把一个绕组的末端和另一个绕组的始端依次始末相连，构成一个闭合回路，如下图所示。

当电源采用三角形连接时，线路中只有一种电压供电，即端线之间的线电压uAB、uBC、uCA。

当三相电源只用3根线传输时，这种供电方式称为三相三线制，在低压供电系统中很少采用。

三相负载和单相负载

电力系统的负载，从它们接用的相数来看可以分成两类：一类是单相负载，另一类是三相负载。

三相负载的星形连接

三相负载的星形连接有两种：一种是三相三线制接法，另一种是三相四线制接法。三相三线制接法如下图所示。

以电动机为例，将电动机的三相绕组的末端连接起来，将电动机的三相绕组的始端和三相电源的端线连接起来，就构成了负载的三相三线制星形连接。

三相负载的三角形连接

三相负载接成三角形连接的电力设备通常是变压器和三相电动机。

把电动机的三相绕组AX、BY、CZ的始端和末端依次连接起来，每相绕组便构成三角形的一条边，再从三角形的3个顶点引出3根导线与三相电源的三相相线相连，就构成了负载的三角形连接，如下图所示。