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本节主要介绍电工的基本知识，包括电路的结构、电流、电压等基本物理量，交流电的基础知识，电力变压器工作原理，电动机的种类以及调速方式等。通过学习，要求能掌握电路的组成及相关的基本物理量的意义及其单位符号，了解正弦交流电三要素的定义，掌握单相和三相负载的连接方法，了解电力变压器的组成和工作原理以及理解电机的结构和调速方法。
一、电路的基本概念
1．电路和电路图
电路就是电流所流经的路径。作用是实现电能的传输和转换。电路的形式是多种多样的，无论复杂还是简单，通常一个完整的电路由电源、负载、开关和保护装置及连接导线等五部分组成。
2．电路的基本物理量
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物理量名称 |
意义 |
符号 |
单位名称 |
单位符号 |
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电流 |
单位时间内通过导体截面的电能量或电荷量 |
I（i） | 安培 | A |
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电压 |
电场中两电位的差值叫两点间的电压或电压降 |
U（u） |
伏特 |
V |
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电功率 |
在单位时间内电路中电流产生的或者消耗的电能 |
P |
瓦特 |
W |
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电阻 |
反映导体对电流起阻碍作用大小的一个物理量 |
R |
欧姆 |
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3．电路的工作状态
电路的三种状态：通路（额定工作状态）、短路和开路。
- ① 开路状态是电路的开关断开，电路中没有电流通过的状态，特征是电路电流为零。
- ② 短路状态是电源未经负载而直接由导体构成闭合的回路，特点是短路电流很大。
- ③ 额定工作状态是各种电气设备的电压、电流及功率等都在其额定值，即电路处于正常工作状态。
二、交流电
由于交流电具有生产容易、成本低廉、便于输送和控制、易于转换和测量的优点，从而得到广泛的应用，而且通过整流设备能方便地把交流电变换成直流电。
1．正弦交流电
直流电和交流电的区别是：直流电的方向不随时间的变化而变化；而交流电的方向却随着时间的变化而变化。由于交流电波形是按照正弦曲线的规律变化，所以称之为正弦交流电。
正弦交流电电流瞬时值表达式为
式中包括正弦交流电的三要素：交流电最大值Im、角频率w、初相角j。可见，交流电由三要素确定。
正弦交流电的基本物理量如下所述。
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名称 |
定义 |
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最大值 |
交流电在正、反方向对其数值达到的最高点。用Im表示 |
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周期 |
交流电流每重复变化一次所需的时间叫周期。用T表示，单位：s（秒） |
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频率 |
交流电流的瞬时值每秒重复的次数称为频率。用f表示，单位：Hz（赫兹） |
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相位 |
相位是表示交流电在某一瞬间所变化的电角度 |
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角频率 |
表示交流电每秒钟内变化的电角度。用w表示，单位：弧度/秒 |
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初相角 |
正弦量在t=0时刻的相位叫做初相位或初相角。用j表示 |
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有效值 |
交流电流和直流电流通过同一电阻时产生的热量相等，这个直流电流的大小作为交流电的有效值。用I、U表示 |
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瞬时值 |
交流电在某一时刻的大小称为这一时刻交流电的瞬时值 |
交流电的有效值与最大值的关系为
我们通常所讲的交流电数值及交流电表测出的数值都是交流电的有效值或称为额定值，但在考虑用电设备的耐压时，就应考虑交流电的最大值。如家用电风扇使用交流电压220V是有效值，而内部的各部件则能承受311V的最大值。
2．三相交流电
三相交流电是由三个大小相等、频率相同、相位彼此相差120°的三个电动势所组成的供电系统。
三相四线制供电是电能生产、输送和分配的主要方法，由三根相线（端线）和一根零线（中线）组成，能同时输送两种电压，即线电压
（380V）和相电压
（220V）。线电压和相电压间的关系为
负载连接的方法有单相负载与三相电源连接方法和三相负载与三相电源连接方法。单相负载是连接在三相电源的任意一根相线和零线上工作的，如日用电器承受的220V电压。三相负载可以由单相负载组成，也可以由单个三相负载构成。通常把各相负载相同的三相负载叫做对称三相负载。如果各相负载不同，就叫不对称三相负载。
三相负载与三相电源连接方法有以下两种，见下表。
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名称 |
接线方法 |
线电压与相电压关系 |
线电流与相电流关系 |
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星形连接（Y接） |
三相负载分别接在三相电源的一根相线和中线之间 |
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三角形连接（△接） |
三相负载分别在三相电源每两根相线之间 |
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三相负载连接前应确定设备的额定电压，具体可观察设备的铭牌或查阅设备说明书，额定电压是220V采用星形连接，额定电压是380V则采用三角形连接。
三、电力变压器
从安全的角度考虑，用电设备工作电压越低，使用越安全。而从输电的角度考虑，传送一定的电功率时，电压越高则电流越小，在线路的损耗也越小、越经济。所以在电力系统中需要一种设备把各种不同电压进行转换，这就是变压器。
1．电力变压器的用途
电力变压器是一种静止的电气设备，利用电磁感应原理，改变交流电压而保持交流电频率不变的电气设备。用符号
表示。由于变压器是利用电磁感应原理制成的，只应用于交流电。如需要直流电压时，可以先通过交流电变压得到相应的电压后，再整流得到直流电压。
2．电力变压器的基本结构
电力变压器主要部件电磁部分由绕组和铁心组成。绕组是变压器的电路，采用绝缘扁铜线或圆铜线绕制而成；铁心构成磁路，常采用硅钢片叠成。除了电磁部分，还有油箱、冷却装置、绝缘套管、调压和保护装置等部件。其中变压器油主要起绝缘和散热作用。
3．变压器的基本工作原理
变压器与交流电源相接的绕组叫做一次侧绕组（又称原边绕组或初级绕组），与负载相接的绕组叫做二次侧绕组（又称副边绕组或次级绕组）。
变压器工作原理是：当变压器的原绕组接入交流电源后就有交流电流通过，于是在铁心中产生交变磁通，称为主磁通Ф。由于一次侧绕组、二次侧绕组在同一个铁心上，所以铁心上的主磁通同时通过一次侧绕组和二次侧绕组。因此在变压器一次侧绕组产生自感电动势的同时，在二次侧绕组中产生互感电动势，这个互感电动势对负载来讲，就相当于它的电源电动势，当二次侧与负载构成闭合回路，就有感应电流流过负载。
4．变压器的额定值
- ①额定电压U1N/U2N，单位为V或者kV。U1N指正常运行时一次侧应加的额定电压。U2N指一次侧加额定电压、二次侧处于空载状态时的电压。三相变压器的额定电压指的是线电压。
- ②额定容量SN，单位为VA或kVA。SN为变压器的视在功率。
- ③额定电流I1N/I2N，单位为A或kA。是变压器正常运行时所能承担的电流，在三相变压器中均代表线电流。
单相：
四、电动机
1．电动机的用途和分类电动机是把电能转换成机械能的动力设备。小区加压给水、提升排水水泵，电梯的升降都需要用电动机作为动力，电动机种类繁多，一般分类方法如下表所示。
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电机分类原则 |
种类 |
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按电流分类 |
直流电动机、交流电动机 |
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按交流电源相数分类 |
单相电动机、三相电动机 |
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按工作原理分类 |
同步式、异步式 |
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按转子结构分类 |
鼠笼式、绕线式 |
2．异步电动机的基本结构
异步电动机又叫感应电动机，是利用电磁感应原理制成，由定子和转子两部分组成。
- ① 定子由机座、定子铁心和定子绕组组成。三相电动机的定子绕组由三相对称的绕组组成。定子绕组接线方式，按电机额定电压分为星形（Y形）和三角形（△形）两种。电机额定电压220V应采用星形连接，额定电压380V采用三角形连接。
- ② 转子是电动机的转动部分，由转子铁心、转子绕组和转轴等部分组成。转子绕组根据其结构可分为鼠笼式和绕线式两种。
3．三相异步电动机的调速方法
在实际应用中，异步电动机用于转速需要变化的地方，如电梯在运行过程中不同阶段需要不同的速度以满足快速升降的要求。三相异步电动机调速的方法主要有以下三种，见下表。
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方 法 |
原 理 |
特 点 |
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变极调速 |
改变三相异步电动机定子的磁极对数 |
有级的调速，调速级数少 |
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变压调速 |
改变三相异步电动机定子绕组的输入电压 |
无级调速但效率低、发热较严重 |
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变频变压调速 |
改变异步电动机的电源频率来改变电动机的转速 |
调速范围、控制精度、动态特性具有良好的运行质量和控制特性 |
随着交流电动机调速控制理论、电力电子技术、微处理器为核心的数字化控制技术的发展，变频变压调速在工业生产的所有领域和家电产品中得到广泛应用。如变频恒压供水系统、变频调速电梯等，都是通过改变接入电机电源的频率达到改变转速和输出功率的目的。变频变压调速常用交—直—交变频方式，基本的工作过程是：首先由整流设备把交流电变成直流电，再由逆变器将直流电变为交流电供给电动机，在逆变的过程中同时调制输出电压的幅值和频率。