工業電器與自動化電子教案工業電器與自動化第一篇工業電器基礎

在工業生產，電的應用極為廣泛。電氣化的程度已成為衡量一個國家生產技術水平和綜合國力的主要標志之一。一、電的特點（一）轉化容易（二）傳輸方便（三）便于控制和測量。二、常用的工業電器及電子設備考慮到本教材主要面向“工藝類”專業高職技能型人才的培養，主要以三相電機、單相、三相電源以及照明電路和基本電子電路為典型載體，訓練學員的工業電器選擇、安裝、即使用能力的培養。電器篇導言工業電器與自動化

第一單元電工基礎關鍵詞：直流電路、交流電路、電源、負載、電路中間環節、交流電路的有效值學習目標：知識目標：熟悉電路的組成、電參量的含義及表示方式；掌握單相交流電的組成及三要素；了解RLC電路特點；了解自感、互感現象；熟悉三項交流電路及連接方式。能力目標：會使用常用電工儀器儀表；能設計簡單直流電路并通電調試，會用常用電路定律分析電路；能根據電路圖安裝日光燈調試并會排除常見故障。第一單元電工基礎

一、電路的組成將電器件和電設備按照一定的方式聯接在一起形成各種電路（電流流通的路徑）。電路由電源、負載和中間環節（包括連接導線、控制保護設備）組成。1．電源：是電路中提供能量的設備，它將其他形式的能轉換為電能。發電機、電池等都是常用的電源。

2．負載是將電能轉換為其他形式能量的設備。電動機、電爐等都是常用的負載。電源與負載的區別主要是能量轉換的方向不同。

3．中間環節開關和連接導線被稱為為中間環節。1-1直流電路二、電路的常用元件符號

分析電路時，往往是對電路模型進行分析計算，而不是實際電路。可將電路中的理想元件用常用的元件符號代替，使電路圖得到簡化。常見的電路元件符號如下：

電源：

負載：電阻-電容-

中間環節：開關-1-1直流電路電路示意圖

1-1直流電路三、電路的物理量及參考方向1．電流電荷有規律的定向運動形成電流，電流不僅有大小，也有方向。規定正電荷運動的方向為電流的方向。在較為復雜的電路中往往難于事先確定電流的實際方向。所以分析電路時，一般先假定電流方向，用箭頭標出，該方向稱為電流的“參考方向”。按照標注的“參考方向”計算電路，當電流為正值時，表示電流的實際方向與參考方向一致；反之，則表示電流的實際方向與參考方向相反。因此，在指定的電流參考方向下，根據電流的正負，就可以確定電流的實際方向。所以在分析電路時，首先必須在電路中標注出“參考方向”。1-1直流電路三、電路的物理量及參考方向2．電壓及電位（1）電壓電壓是衡量電場作功能力大小的物理量。電場中（或電路中）任意兩點a、b之間的電壓，等于電場力將電荷從a點移到b點所做的功與電荷的比值，即：電壓用符號U或u表示，在國際單位制中，電壓的單位為V（伏特）。常用單位還有mV（毫伏）、kV（千伏）。電壓的方向是由高電位指向低電位的方向，即電位降的方向。1-1直流電路三、電路的物理量及參考方向2．電壓及電位（2）電位電位在物理學中又稱為電勢。在電路中任選一點為參考零點，則電路中任意一點相對于參考點之間的電壓即為該點的電位，其單位也是V（伏特）。兩點間的電壓，高電位端為“+”極，低電位端為“－”極。分析較復雜電路時，往往事先無法確定電壓的極性，故需先指定電壓的參考極性（或參考方向）。電壓的“參考方向”可以用箭頭表示，也可以用“+”、“－”極表示，還可用雙下標表示，例如Uab，表示a點為“+”極，b點為“－”極。電路中電壓的“參考方向”選定后，當電壓為正值時，表示電壓的實際方向與參考方向一致，反之，表示電壓的實際方向與參考方向相反。1-1直流電路三、電路的物理量及參考方向3．電動勢

電動勢是衡量外力做功的物理量，外力克服電場力把單位正電荷從負極移到正極所做的功被稱為電動勢，一般用符號E表示，單位為V（伏特）。電動勢的方向是由電源負極指向正極。電動勢的方向指向電位升，而電壓的方向指向電位降。1-1直流電路三、電路的物理量及參考方向

4．電阻與電導

電阻是反映某一導體對電流阻礙作用大小的物理量，這一阻礙作用的大小由電阻值來表征，用符號R表示。在國際單位制中（SI制中）電阻的單位是Ω（歐姆），簡稱為歐。電阻還常用kΩ（千歐）和MΩ(兆歐)表示。電阻的倒數稱為電導，它也是反映導體導電能力的物理量，電導一般用字母表示，即，在SI制中，電導的單位為S（西門子），簡稱為西。1-1直流電路三、電路的物理量及參考方向

4．功率

電流流過電路時，不斷發生能量的轉換。有的元件吸收電能，將電能轉換成其他形式的能量，有的元件將其他形式的能轉換為電能，向電路供出能量。為了表征電路中某一段吸收或產生能量的速率，引入了電功率的概念。電功率一般用字母P表示，在SI制中P的單位是W（瓦特）簡稱為瓦，也常用kW（千瓦）來表示。在直流電路中功率表示為：1-1直流電路四、電路分析基本定律

1．歐姆定律（一）部分電路歐姆定律德國物理學家歐姆經過精確實驗發現導體中電流I的大小與加在導體兩端的電壓U成正比，其比值為電阻R，這個關系稱為部分電路歐姆定律。即：U=RI（二）全電路歐姆定律在實際的簡單電路中，電源的電動勢為E，電源內部具有電阻，叫做內電阻，用r0表示。R是外電路電阻。實驗證明：在全電路中，電流I與電源電動勢E成正比，與外電路電阻和內電阻之和成反比。即：1-1直流電路四、電路分析基本定律2．基爾霍夫定律（一）基爾霍夫電流定律（KCL）

在任意時刻，流入電路中某一節點的電流之和等于流出該節點的電流之和。即：∑I出=∑I入。（二）基爾霍夫電壓定律（KVL）

對于電路中的任一回路，從回路中任意一點出發，按繞行方向（順時針或逆時針）沿回路繞行一周，則回路的電壓升之和等于電壓降之和。即：∑U升=∑U降。（二）幾個概念：支路：電路中每一條無分支的電路，稱為支路。節點：三條或三條以上支路的連接點，稱為節點。回路：電路中任何一閉合路徑稱為回路。網孔：閉合路徑內部不含有支路的回路。1-1直流電路五、電路三種狀態1．通路狀態開關接通后，電路中有電流流動，即電路的正常工作狀態。2．開路狀態（斷路）當電路中開關斷開、導線斷開或用電設備故障時，電路不能形成回路，電路中沒有電流流過，這種狀態稱為開路。此時端電壓等于電源的電動勢。3．短路狀態當負載兩端用導線連接起來時，電流不再通過負載而直接由導線回到電源，電路的這種狀態稱為短路狀態。這是一種危害極大的電路非正常工作狀態，由于一般電源的內阻都很小，因此，短路時電流很大，可能燒毀電源。為了防止短路事故的發生，應在電路里安裝熔斷器，避免短路狀態發生。

1-1直流電路例題電路如圖所示，US1=10V，US2=4V，R1=2Ω，R2=2Ω，R3=4Ω，求:各支路電流I1，I2，I3和各電阻兩端電壓U1，U2，U3是多少？1-1直流電路電荷運動就有磁場存在。許多電氣設備都是通過電與磁的相互作用、相互轉化而工作的。例如電動機、發電機、變壓器、繼電器、電工儀表等。一、電流磁場（一）直導線電流磁場通電直導體的周圍存在著磁場，它的磁場線是垂直于導線平面內以導線為圓心的同心圓。判斷導線周圍磁場的方向，用右手螺旋定則。具體方法為：右手握住直導線，將大拇指指向電流流動的方向，四指所指的方向就是磁場方向。（二）環形電流磁場將導線繞成環形(稱為螺線管或線圈)，并給線圈通電，則導線周圍也存在磁場，此時的磁場方向也是用右手螺旋定則來判斷，方法為：右手握住螺線管，四指指向線圈中的電流流動的方向，大拇指所指方向則為磁場方向。

1-2電磁特性二、描述磁場的物理量（一）磁通量磁通量簡稱磁通。描述為通過與磁場方向垂直的某一截面S上磁力線的總數。當截面積一定時，垂直通過該截面積的磁力線愈多，說明磁場愈強，反之則愈弱。磁通用Φ表示，單位是Wb（韋伯），Mx（麥克斯韋）。（二）磁感應強度磁感應強度是一個描述磁場強弱的物理量。磁感應強度的數值等于通過與磁場方向垂直的單位面積的磁力線數目，磁感應強度用字母B表示，在均勻磁場中，磁感應強度計算公式如下：

B——磁感應強S——垂直于磁力線的面積；Φ——通過S的磁通。磁感應強度的單位是T（特斯拉）。

1-2電磁特性二、描述磁場的物理量（三）磁場強度磁場中某點磁感應強度與介質的導磁系數的比值，稱為該點的磁場強度，磁場強度用字母H表示，計算公式如下：

式中H——磁場強度；

B——磁感應強度；

μ——介質的導磁系數。磁場強度單位是安/米（A/m），也是一個矢量，在均勻磁場中它的方向同磁感應強度的方向相同。

1-2電磁特性三、磁路（一）磁路：磁通(或磁力線)集中通過的路徑稱為磁路，相當于電路的概念，如圖所示是變壓器鐵心中的磁路示意圖。從圖中可以看出：1．用鐵磁材料做成鐵心，將線圈繞在鐵心上，可視為磁通被約束在鐵心中。

2．通過鐵心的磁通稱為主磁通，鐵心外的磁通稱為漏磁通，漏磁通愈小愈好。

3．磁力線是閉合的曲線，通過鐵心時磁阻很小，通過氣隙時磁阻較大。場方向。

1-2電磁特性三、磁路（二）電磁感應：磁通發生改變時，在磁路中會產生感應電動勢。

（三）電磁感應定律感應電動勢的大小與穿過線圈磁通的變化率成正比，這稱為法拉弟電磁感應定律。該定律說明：磁鐵插入線圈中的速度愈快，磁通變化率就愈高，感應電動勢就愈大，反之則愈小。（四）楞次定律感應電流產生的感應磁通總是阻礙原磁通的變化，當原磁通增加時，感應磁通與原磁通方向相反，以阻礙原磁通的增加；當原磁通減小時，感應磁通又與原磁通方向相同，以阻礙原磁通的減小，這種現象被稱為楞次定律。

1-2電磁特性四、自感、互感現象（一）自感現象由于流過線圈本身的電流發生變化而引起的電磁感應現象叫自感應現象，簡稱自感。由自感產生的電動勢稱為自感電動勢。自感電動勢與線圈本身的電感量成正比，線圈電感量是線圈的固有參數，電感量用字母L表示L與線圈匝數和結構等情況有關。自感電動勢還與線圈中電流的變化率成正比，當L為定值時，電流變化愈快，自感電動勢愈大，反之愈小。就是說，在線圈的電感量L一定時，電流的變化率愈大，線圈兩端的自感電動勢愈大。自感電動勢,其中L是自感系數，單位為亨利（H）。

1-2電磁特性四、自感、互感示意圖1、自感示圖2、互感示圖

1-2電磁特性四、自感、互感現象（二）互感現象兩個匝數分別為N1和N2的線圈L1和線圈L2相互靠近時，當線圈L1中的電流發生變化時，將引起另一個線圈L2中產生感應電動勢的現象稱為互感現象，簡稱互感。利用互感原理可以制成常見的變壓器，變壓器的初級線圈就相當于線圈Ll，次級線圈就相當于線圈L2。互感現象說明線圈L1和線圈L2之間存在磁的耦合，稱為互感耦合。線圈L1是通電后產生磁場，而線圈L2則是由磁產生電動勢。由互感所產生的電動勢稱為互感電動勢，簡稱互感電勢。當兩個線圈確定后，一個線圈中互感電動勢的大小正比于另一個線圈中的電流變化率。互感電勢為：其中M為互感系數，單位為亨利（H）。

1-2電磁特性工頻交流電在工業生產中發揮著越來越大的作用，常用的交流電為正弦交流電一、正弦交流電

（一）正弦交流電的基本概念正弦交流電是指大小和方向都隨時間按正弦規律變化的交流電。在電氣工程上廣泛采用正弦交流電的原因在于：1．可以通過交流發電機將多種能量轉換為正弦交流電。2．容易進行電壓變換，利用變壓器改變電壓值，可以方便地實現高壓輸電和低壓配電。3．電路的計算比較簡便，波形連續平滑，便于分析計算。4．便于遠距離輸電和安全用電。5．交流電氣設備比直流電氣設備結構簡單，便于使用和維修。1-3交流電路特性一、正弦交流電

（二）正弦交流電的產生正弦交流電是由交流發電機產生的,當線圈以角速度ω勻速轉動時，感應電動勢為：

式中：Em為感應電動勢的最大值，單位為V(伏特)ω為角速度，單位為rad/s（弧度/秒），也稱為角頻率t為時間，單位為s（秒）為初相位，單位為弧度（或度）上式稱為正弦交流電的表達式。正弦交流電的特征由頻率(或周期)、最大值(或有效值)和初相來確定，稱為正弦量的三要素。1-3交流電路特性一、正弦交流電

（三）正弦交流電的圖示及三要素1-3交流電路特性一、正弦交流電

（三）正弦交流電的圖示及三要素1．周期和頻率正弦交流電變化一次所需要的時間稱為周期T，常用單位是s（秒）。正弦交流電在單位時間內變化的次數稱為頻率用f，單位是Hz（赫茲）。我國工業電力網所供給的交流電頻率（即工業頻率，簡稱工頻）為50Hz2．幅值和有效值正弦交流電在一個周期內的最大值稱為幅值，Em、Um及Im分別表示電動勢、電壓及電流的幅值（最大值）。在工程技術中，常用有效值來表征交流電壓、電流的大小。交流電的有效值就是和它的熱效應相等的直流值。其他類似，電壓和電流。3．初相位和相位差

當t=0時，正弦電量的相位角稱為初相角，簡稱初相。1-3交流電路特性二、單相正弦交流電路正弦交流電向量表示交流電可以用有向線段表示，這種表示方式被稱為相量圖。在畫相量圖時，線段的長短代表正弦交流電的大小，箭頭代表正弦交流電的方向，初相位（輻角）的參考方向（=0）應以實軸正方向為基準，逆時針方向的角度為正，順時針方向的角度為負。例如：

1-3交流電路特性二、單相正弦交流電路（一）純電阻電路在交流電路中，凡由電阻作為負載(如白熾燈、電阻爐及電烙鐵等)組成的電路，都叫純電阻電路。設通過電阻R的電流為：，則電阻兩端電壓為：

純電阻電路的電阻和電壓有效值之間的關系也符合歐姆定律即：交流電通過電阻電路時的平均功率為：

純電阻電路的向量圖：1-3交流電路特性二、單相正弦交流電路（二）純電感電路在純電感電路中，由于交流電的大小和方向都在不斷地變化，因此在電感線圈中便不停地感應出自感電動勢，這個自感電動勢時刻起著阻礙電流變化作用。這種由電感對交流電產生的阻礙作用叫做感抗，用XL表示，單位為Ω（歐姆）。感抗的大小與通過它的電流頻率成正比。在直流電路中，由于電流不變化(即f=0)，所以感抗為零，相當于短路。在交流純電感電路中，電壓與電流瞬時值之間關系為：設電流為，則，可知：感抗，則電流有效值、電壓有效值（最大值）與感抗之間的關系遵守歐姆定律，即，并且電壓瞬時值超前于電流瞬時值90度。純電感電路向量圖：1-3交流電路特性二、單相正弦交流電路（三）純電容電路在純電容電路中，電容兩端電壓與電流的瞬時值之間關系為：

若電壓的解析式為：

則容抗電流、電壓、容抗三者之間的關系符合歐姆定律

純電容電路的向量圖：1-3交流電路特性二、單相正弦交流電路（四）RL串聯電路流過電阻和電感的電流為同一電流i。在該電路中，外加電壓u可以分成兩部分：一部分是電阻兩端的電壓uR，一部分是電感兩端的電壓uL，其相位超前于電流90度。式中稱為電路的阻抗，它的單位也是歐姆。1-3交流電路特性二、單相正弦交流電路（四）RL串聯電路流過電阻和電感的電流為同一電流i。在該電路中，外加電壓u可以分成兩部分：一部分是電阻兩端的電壓uR，一部分是電感兩端的電壓uL，其相位超前于電流90度。式中稱為電路的阻抗，它的單位也是歐姆。1-3交流電路特性二、單相正弦交流電路（四）RL串聯電路流過電阻和電感的電流為同一電流i。在該電路中，外加電壓u可以分成兩部分：一部分是電阻兩端的電壓uR，一部分是電感兩端的電壓uL，其相位超前于電流90度。式中稱為電路的阻抗，它的單位也是歐姆。1-3交流電路特性二、單相正弦交流電路（四）RL串聯電路流過電阻和電感的電流為同一電流i。在該電路中，外加電壓u可以分成兩部分：一部分是電阻兩端的電壓uR，一部分是電感兩端的電壓uL，其相位超前于電流90度。式中稱為電路的阻抗，它的單位也是歐姆。1-3交流電路特性二、單相正弦交流電路（五）RL交流電路中的功率1．有功功率：在RL交流電路中，電路實際消耗的平均功率稱為有功功率，用字母P表示，，單位是W(瓦特)或kW(千瓦)。2．無功功率：在RL交流電路中，由于電感是儲能元件，電流并不是在全部做功消耗，而是有一部分用來進行電源和儲能元件之間的能量轉化，為此用無功功率來表示能量互換的大小。無功功率用Q表示。

單位是Var(乏)或kVar(千乏)。

3．視在功率：將電源的電壓與電流的乘積稱為視在功率，用字母S表示，單位是VA(伏安)或kVA(千伏安)。4．功率因數

：S與P夾角的余弦稱為功率因數

。1-3交流電路特性三、三相正弦交流電路（一）三相電動勢：

三相發電機的構造原理與單相發電機完全相同，只是在電樞上繞有三套獨立的完全相同的線圈(或叫繞組)，它們在空間位置上互差120度，分別稱為U相、V相、W相，三相電動勢分別為：

1-3交流電路特性三、三相正弦交流電路（二）三相電源的聯接

1．三相電源的星(Y)形聯接將發電機三相繞組的尾端聯接成一點N，從首端引出三條相線，這就是三相繞組的Y形聯接。在供電線路，引出三根端線，又稱火線（相線）。由結點N引出一根線，叫做中性線(簡稱中線)，結點N叫做中性點(簡稱中點)。如果N點接地，則N點就叫做零點，中性線又稱為零線。從配電變壓器引出的四根線，即構成了三相四線制供電系統。在電路對稱的情況下，線電壓和相電壓存在如下關系：其中：Up為相電壓，Ul為線電壓。1-3交流電路特性三、三相正弦交流電路（二）三相電源的聯接

2．三相電源的三角(Δ)形聯接電源的三相繞組的另一種接法是Δ形聯接。把每相繞組的尾端與另一相繞組的首端依次相接，構成一個閉合回路，并從三個連接點各引出一根導線，即端線(火線)，就構成三相電源的三角(Δ)形聯接。

一般發電機的三相繞組都是對稱的。在Δ形聯接中，線電壓和相電壓在數值上是相等的，線電流和相電流在負載對稱情況下的關系為：式中Il——線電流，Ip——相電流。1-3交流電路特