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电气培训

选煤电气基础知识

电能的应用，在生产技术上曾引起了划时代的革命。

在现代工业、农业及国民经济的其它各个部门中，逐渐以电力作为主要的动力来源。

工业上的各种生产机械主要是用电动机来驱动的。

随着生产和科学技术发展的需要，电子技术得到高度发展和广泛应用，它对于社会生产力的发展，也起着变革性的推动作用，直接影响到人类的物质、文化生活。

电能所以会得到广泛的应用，是因为其具有无可比拟的优越性，其优越性体现在：

1、便于转换，包括与其它形式能源的转换（电能与热能、电能与机械能之间的转换）和电能之间的转换（整流器将交流电能转换为直流电能，振荡器将直流电能转换为交流电能）；2、便于输送，电能可以方便的输送到远方，输电设备简单，输电效率高；3、便于控制，电能可以达到高度自动化控制。

电气（electrical，electricalpowerandequipment）是电能的生产、传输、分配、使用和电工装备制造等学科或工程领域的统称。

电气知识对我们在生产、生活中的用电方式及用电安全有指导意义，尤其对于在工业生产的岗位上工作的人来讲，电气基础知识是必须掌握的。

第一节电路的基本概念和基本定律

一、电路

1、电路的定义：

电路是电流的通路，各种电气装置的工作都是通过电路来实现的。

包括电源、负载、导线和控制设备四个组成部分。

电源：

电路中电能的来源，是将其它形式的能量转变成电能的装置，如：

发电机，蓄电池。

负载：

即用电设备。

负载的功能是将电能转变成其它形式的能量。

如：

电动机，灯泡等。

导线：

是连接电源与负载的装置。

作用是传输电能和电信号。

控制设备：

改变电路状态和保护电路不受损坏的装置，起到分配电能的作用。

如：

开关，熔断器等。

2、电路的作用：

电能的传输和转换；电信号的传递和处理。

3、电路的基本物理量及其正方向：

电路的基本物理量有电流、电压。

3.1电流

电流：

电流是由电荷（带电粒子）有规则的定向运动而形成的。

电流在数值上等于单位时间内通过某一导体横截面的电荷量。

电流的方向是客观存在的，这里我们引入一个概念：

电位（electricpotential）也叫做电势，是将单位正电荷从参考点移到另一点反抗电场力所做的功。

电流的方向就是由高电位到低电位的指向。

电流的单位是安培（A）。

电流的大小：

电流的大小叫电流强度（简称电流），是指单位时间内通过导体横截面积的电荷量。

每秒通过1库仑的电量称为1安培（A）。

电流的方向：

规定正电荷移动的方向为电流的方向。

电流形成的原因：

电压使电路中电荷定向移动形成电流。

电流产生的条件：

（1）必须具有能够自由移动的电荷。

（2）导体两端存在电压（要使闭合回路中得到持续电流，必须要有电源）。

电流的单位：

千安（KA）、安培（A）、毫安（mA）、微安（μA）。

1KA=1000A；1A=1000mA；1mA=1000μA

电流可分为直流电流和交流电流：

大小和方向不随时间变化的电流叫直流电流；大小和方向随时间作周期性变化的电流叫交流电流。

3.2电压：

电压就是电位的差值，电压的方向规定由高电位端指向低电位端。

电压的单位是伏特（V）。

1KV=1000V

二、基本电路分析

1、电路的有载工作状态、开路与短路

有载工作状态：

电路中有电源、负载，形成完整回路的状态。

开路也可称为断路，即电路中由于部件损坏或其它原因导致的电路不通。

短路是指在电路中存在电位差的两个端点因为某种原因没有通过电气部件直接连接在一起。

短路通常是一种严重的事故，它可能发生在电路中的任何部位，但原因往往是由于绝缘损坏或接线不慎，因此经常检查电气设备和线路的绝缘情况是很重要的安全措施。

2、电阻的串联和并联

2.1电阻（符号：

R）表示导体对电流阻碍作用的大小。

导体的电阻的大小决定于导体的材料、长度和横截面积，还与温度有关。

其国际单位为：

欧姆（Ω），规定：

如果导体两端的电压是1V，通过导体的电流是1A，这段导体的电阻是1Ω。

2.2串联和并联

如果电路中有两个或更多个电阻一个接一个的顺序相联，并且在这些电阻中通过同一电流，则这样的联接法就称为电阻的串联。

串联电阻上电压的分配与电阻成正比。

（如图1）

图1图2

I2

图1中两个串联电阻分别为U1=IR1=（R1∕R1+R2）×U

U2=IR2=（R2∕R1+R2）×U

如果电路中有两个或更多个电阻联接在两个公共的节点之间，则这样的联接法就称为电阻的并联。

并联电阻上电流的分配与电阻成反比。

（如图2）

图2中两个串联电阻分别为I1=U∕R1=（R2∕R1+R2）×I

I2=U∕R2=（R1∕R1+R2）×I

三、欧姆定律

1、欧姆定律的内容：

导体中的电流，跟导体两端的电压成正比，跟导体的电阻成反比。

2、欧姆定律的公式

设电阻为R的导体两端所加电压为U，通过它的电流为I，则欧姆定律可表示为：

R=U/I

式中，I、U、R是同一导体或同一段电路上的电流强度、电压、电阻，即具有同体性。

3、欧姆定理的应用-----伏安法测电阻

用电压表和电流表分别测出电路中某一导体两端的电压和通过的电流,就可以根据欧姆定律算出这个导体的电阻，这种用电压表电流表测电阻的方法叫伏安法。

伏安法测电阻法在实际生产应用中有较广泛的应用。

四、电气图形

1、端子标记

三相交流电源的引入线用L1、L2、L3、N、PE标记。

直流系统电源正、负极、中间线分别用L+、L－与M标记。

三相动力电器的引出线分别按U、V、W顺序标记。

电气图中各电器的接线端子用规定的字母数字符号标记。

按国家标准GB4026—83《电器接线端子的识别和用字母数字符号标志接线端子的通则》规定。

2、电气图形

常用的电气图有系统图、框图、电路图、位置图和接线图等。

通常，系统图用于描述系统或成套装置。

国家标准GB6988.3—86《电气制图、系统图和框图》中，具体规定了绘制系统图和框图的方法，并阐述了它的用途。

位置图用来表示成套装置、设备中各个项目位置的一种图。

接线图是电气装备进行施工配线、敷线和校线工作时所应依据的图样之一。

它必须符合电器装备的电路图的要求，并清晰地表示出各个电器元件和装备的相对安装与敷设位置，以及它们之间的电连接关系。

在国家标准GB6988.5—86《电气制图、接线图和接线表》中详细规定了编制接线图的规则。

第二节常用控制电器基本知识

一、常用电器的分类

任何设备都需要操纵者给予一定的指令，才能完成规定的控制动作过程。

控制电器是自动控制中不可缺少的器件。

常用电器分类如下：

1、按适用的电压范围分类

分为低压电器和高压电器。

低压电器按所控制的对象又分为低压配电电器和低压控制电器。

2、按所起作用分类

依据电器所起的作用可分为控制电器和保护电器。

3、按动作性质分类

依据电器的动作性质可分为自动控制电器和非自动控制电器。

二、控制按钮结构及工作原理

控制按钮是手动控制电器的一种，用来发出信号和接通或断开控制电路。

图3是按钮的结构示意图和图文符号，图3（a）中1、2是动断（常闭）触点，3，4是动合（常开）触点，5是复位弹簧，6是按钮帽。

图3（b）为图文符号。

（a）结构示意（b）图文符号

图3

三、交流接触器结构及工作原理

1、接触器

接触器是利用电磁吸力的原理工作的，主要由电磁机构和触头系统组成。

电磁机构通常包括吸引线圈、铁心和衔铁三部分。

图4为接触器的结构示意图与图文符号，（a）图中，1、2，3、4是静触点，5、6是动触点，7、8是吸引线圈，9、10分别是动、静铁心，11是弹簧。

（b）图中，1、2之间是常闭触点，3、4之间是常开触点，7、8之间是线圈。

图4

（a）结构示意（b）图文符号

电磁铁特点如下：

根据吸引线圈通电电流的性质分类，电磁铁分为直流电磁铁和交流电磁铁。

通常采用短路环来解决交流电磁铁的振动问题。

短路环的示意图如图5所示，其中1为短路环，2为铁心。

短路环起到磁通分相的作用，把极面上的交变磁通分成两个交变磁通，并且使这两个磁通之间产生相位差，那么它们所产生的吸力间也有一个相位差，这样，两部分吸力就不会同时达到零值，当然合成后的吸力就不会有零值的时刻，如果使合成后的吸力在任一时刻都大于弹簧拉力，就消除了振动。

接触器主要用于频繁接通或分断交、直流电路，具有控制容量大，可远距离操作等特性。

按被控电流的种类可分为交流接触器和直流接触器，这里主要介绍常用的交流接触器。

2、电磁式交流接触器

2.1结构：

电磁式接触器主要由电磁系统、触点系统、

灭弧系统及其它部分组成。

（1）电磁系统：

电磁系统包括电磁线圈和铁图5

心，是接触器的重要组成部分，依靠它带动触点的闭合与断开。

（2）触点系统：

触点是接触器的执行部分，包括主触点和辅助触点。

主触点的作用是接通和分断主回路，控制较大的电流，而辅助触点是在控制回路中，以满足各种控制方式的要求。

（3）灭弧系统：

灭弧装置用来保证触点断开电路时，产生的电弧可靠的熄灭，减少电弧对触点的损伤。

为了迅速熄灭断开时的电弧，通常接触器都装有灭弧装置，一般采用半封式纵缝陶土灭弧罩，并配有强磁吹弧回路。

（4）其它部分：

有绝缘外壳、弹簧、短路环、传动机构等。

2.2工作原理：

当接触器电磁线圈不通电时，弹簧的反作用力和衔铁芯的自重使主触点保持断开位置。

当电磁线圈通过控制回路接通控制电压（一般为额定电压）时，电磁力克服弹簧的反作用力将衔铁吸向静铁心，带动主触点闭合，接通电路，辅助接点随之动作。

2.3电磁式接触器的选用与运行维护

（1）选用：

①主回路触点的额定电流应大于或等于被控设备的额定电流，控制电动机的接触器还应考虑电动机的起动电流。

为了防止频繁操作的接触器主触点烧蚀，频繁动作的接触器额定电流可降低使用。

②接触器的电磁线圈额定电压有36V、110V、220V、380V等，电磁线圈允许在额定电压的80%～105%范围内使用。

（2）运行维护：

①运行中检查项目：

1）通过的负荷电流是否在接触器额定值之内；

2）接触器的分合信号指示是否与电路状态相符；

3）运行声音是否正常，有无因接触不良而发出放电声；

4）电磁线圈有无过热现象，电磁铁的短路环有无异常；

5）灭弧罩有无松动和损伤情况；

6）辅助触点有无烧损情况；

7）传动部分有无损伤；

8）周围运行环境有无不利运行的因素，如振动过大、通风不良、尘埃过多等。

②维护：

在电气设备进行维护工作时，应一并对接触器进行维护工作。

1）外部维护：

a．清扫外部灰尘；

b．检查各紧固件是否松动，特别是导体连接部分，防止接触松动而发热。

2）触点系统维护：

a．检查动、静触点位置是否对正，三相是否同时闭合，如有问题应调节触点弹簧；

b．检查触点磨损程度，磨损深度不得超过1mm，触点有烧损，开焊脱落时，须及时更换；轻微烧损时，一般不影响使用。

清理触点时不允许使用砂纸，应使用整形锉；

c．测量相间绝缘电阻，阻值不低于10兆欧；

d．检查辅助触点动作是否灵活，触点行程应符合规定值，检查触点有无松动脱落，发现问题时，应及时修理或更换。

3）铁芯部分维护：

a．清扫灰尘，特别是运动部件及铁芯吸合接触面；

b．检查铁芯的紧固情况，铁芯松散会引起运行噪音加大；

c．铁芯短路环有脱落或断裂要及时修复。

4）电磁线圈维护：

a．测量线圈绝缘电阻；

b．线圈绝缘物有无变色、老化现象，线圈表面温度不应超过65℃；

c．检查线圈引线连接，如有开焊、烧损应及时修复。

5）灭弧罩部分维护：

a．检查灭弧罩是否破损；

b．灭弧罩位置有无松脱和位置变化；

c．清除灭弧罩缝隙内的金属颗粒及杂物。

3、真空式交流接触器

真空接触器利用真空灭弧室灭弧，用以频繁接通和切断正常工作电流，通常用于远距离接通和断开中、低压频繁启停的交流电动机。

　　主要型号为：

CKJ/CKJ5系列低压真空交流接触器，广泛适用于煤矿、电力、冶金、纺织、高层建筑等各种行业部门。

CKJ5-63A/-80A/-125A/-250A/-400A/-630A型低压真空交流接触器适用于交流频率：

50HZ、额定电压：

1140V、额定电流63A至630A的馈电网络，远距离接通和分断电路，以及频繁起动和停止交流电动机之用。

特别适宜与各种保护装置配合，组装成隔爆型电磁起动器。

3.1真空接触器的组成

　　真空接触器主要由真空灭弧室和操作机构组成。

真空灭弧室具有通过正常工作电流和频繁切断工作电流时可靠灭弧的两个作用。

但不能切断过负荷电流和短路电流。

操作机构是由带铁芯的吸持线圈和衔铁构成。

线圈通电，吸引衔铁，接触器闭合；线圈失电，接触器断开。

吸持线圈一般有直流和交流两种形式。

真空灭弧室的外壳用玻璃或陶瓷绝缘材料制成，内部的真空度通常在0.01Pa以上。

由于壳内的空气少，触头开距可以做得很小，电弧也较容易被熄灭。

触头材料一般用铜、锑、锇等合金制成。

灭弧室内屏蔽罩的作用是：

当分断电流时，凝结触头间隙中扩散出来的金属蒸汽，有助于熄弧，还可以防止金属蒸汽溅落到绝缘外壳上降低其绝缘强度。

动触头与外壳下端用波纹管连接，动触头可以上下运动又不会漏汽。

3.2真空接触器结构及工作原理

　　真空接触器通常由绝缘隔电框架、金属底座、传动拐臂、电磁系统、辅助开关和真空开关管等部件组成。

当电磁线圈通过控制电压时，衔铁带动拐臂转动，使真空开关管内主触头接通，电磁线圈断电后，由于分闸弹簧作用，使主触头分断。

　　真空开关管是以上封盖、下封盖、金属波纹管和陶瓷管等组成，外壳采用95瓷绝缘材料制成波纹式的瓷管，它具有爬电距离大、机械强度高、耐热和耐冲击的特点。

真空开关管内封装一对动静触头，触头材料采用耐磨且低截流值的Cu－W－Wc，这样在满足开断性能的条件下，减小开断过程中由于截流引起的过电压，提高了真空开关管的使用寿命。

当金属波纹管轴向运动时带动动触头做分合闸动作。

　　电磁系统考虑实际吸力特性和反力特性良好配合，以及发挥接触器运行时噪音低、节电的优点，采用滞留双线圈由起动和维持两绕组组成，通过辅助开关切换，为了便于用户进行交流电源操作，接触器带有桥式整流装置。

　　机械锁扣：

当闭合线圈通电时，接触器吸合，机械锁扣锁住；当闭合线圈断电时，机械锁扣脱扣，接触器释放。

脱扣线圈在热态时，其电压在Us85％－110％范围内使接触器可靠释放。

3.3真空接触器的优点

　　真空接触器熄弧能力强，耐压性能好，操作频率较高，寿命长，无电弧外喷，体积小、重量轻、维修周期较长。

四、继电器

1、时间继电器

图6为空气阻尼式通电延时型时间继电器的结构示意图和图文符号。

它是利用空气阻尼的原理来获得延时的。

主要由电磁系统、气室及触点系统组成。

工作原理：

在图6（a）中当线圈11通电时，电磁力克服弹簧14的反作用拉力而迅速将衔铁向上吸合，衔铁13带动杠杆15立即使1、2常闭触点分断，3、4常开触点闭合。

（a）结构示意（b）图文符号

图6　空气阻尼通电延时型时间继电器

2、热继电器

热继电器的测量元件通常采用双金属片，由两种具有不同线膨胀系数的金属碾压而成。

主动层采用膨胀系数较高的铁镍铬合金，被动层采用膨胀系数很小的铁镍合金。

当双金属片受热后将向被动层方向弯曲，当弯曲到一定程度时，通过动作机构使触点动作。

如图7所示，（a）图是热继电器的结构中感受部分的示意图，（b）图为图文符号。

在图7（a）中发热元件2通电发热后，主双金属片1受热向左弯曲，推动导板3向左推动执行机构发生一定的运动。

电流越大，执行机构的运动幅度也越大。

当电流大到一定程度时，执行机构发生跃变，即触点发生动作从而切断主电路。

（a）感受部分结构示意（b）图文符号

图7　热继电器

热继电器是一种利用电流的热效应来切断电路的保护电器，它在控制电路中用作小容量电动机的过载保护。

3、速度继电器

速度继电器用来感受转速。

它的感受部分主要包括转子和定子两大部分，执行机构是触头系统。

当被控电机转动时，带动继电器转子以同样速度旋转而产生电磁转矩，使定子克服外界反作用力转动一定角度，转速越高角度越大。

当转速高于设定值时，速度继电器的触点发生动作，当速度小于这一设定值时，触点又复原。

速度继电器常用于电机的降压起动和反接制动，其图文符号如图8所示。

图8　速度继电器图文符号

第三节三相电路

一、三相电路的产生

正弦交流电路，是指含有正弦电源（激励）而且电路各部分所产生的电压和电流（响应）均按正弦规律变化的电路。

在生产上和日常生活中所用的交流电，一般都是指正弦交流电。

正弦电压和电流等物理量，常称为正弦量，正弦量变化一次所需的时间（秒）称为周期T。

每秒内变化的次数称为频率f，它的单位是赫兹（Hz）。

频率是周期的倒数，即f=1∕T。

在我国和大多数国家都采用50Hz作为电力标准频率，有些国家（如美国、日本等）采用60Hz。

这种频率在工业上应用广泛，习惯上也称为工频。

120°

三相电路实际上是一种特殊的交流电路。

由于三相电路的对称性，可采用一相电路分析，以简化计算。

事实上，电力系统所采用的供电方式绝大多数属于三相制，日常用电是取自三相制中的一相。

对称三相电源：

三个频率相同、相位互差120°的正弦交流电源按一定方式联接而成。

如右图：

对称三相电源的特点

三相制电力系统：

由三个频率相同、相位互差120°的正弦交流电源供电的系统。

对称三相电源的产生通常由三相同步发电机产生，三相绕组在空间互差120°，当转子转动时，在三相绕组中产生感应电压，从而形成对称三相电源。

每相始端与末端间的电压，亦即火线与中线间的电压，称为相电压。

而任意两始端间的电压，亦即两火线间的电压，称为线电压。

通常在低压配电系统中相电压为220V，线电压为380V。

二、三相制的优点

三相制相对于单相制在发电、输电、用电方面有很多优点，主要有：

1、三相发电机比单相发电机输出功率高。

2、经济：

在相同条件下（输电距离，功率，电压和损失）三相供电比单相供电省铜。

3、性能好：

三相电路的瞬时功率是一个常数，对三相电动机来说，意味着产生转矩均匀，电机振动小。

4、三相制设备（三相异步电动机，三相变压器）简单，易于制造，工作经济、可靠。

由于上述的优点，三相制得到广泛的应用。

三、三相电路中负载的接法

三相电路中负载的联接方法有两种——星形联接和三角形联接。

三相电动机作为负载，其三个接线端总是与电源的三根火线相联。

但电动机本身的三相绕组可以联成星形或三角形。

它的接法在铭牌上标出，例如380V、Y接法或380V、△接法。

N

星形联接（Y接）：

把三个绕组的末端X,Y,Z接在一起，把始端A,B,C引出来。

（如图a）

三角形联接（接）：

三个绕组始末端分别对应相联。

（如图b）

C

图a图b

图9

下面引出几个名词：

端线（火线）：

A,B,C三端引出线。

中线：

中性点引出线（接地时称地线），接无中线。

线电压：

火线与火线之间的电压。

相电压：

每相电源（负载）的电压。

线电流：

流过火线的电流。

相电流：

流过每相电源（负载）的电流。

四、对称三相电路线电压与相电压的关系

负载为Y型接法：

线电流与对应的相电流相同。

负载为型接法：

线电压与对应的相电压相同。

第四节三相异步电动机

一、电动机的分类

电动机可分为交流电动机和直流电动机两大类。

交流电动机又分为异步电动机（感应电动机）和同步电动机。

在生产上主要用的是交流电动机，特别是三相异步电动机。

二、三相异步电动机的工作原理

三相异步电动机的工作原理：

三相异步电动机主要是由转子和定子绕组两部分组成的。

当定子绕组中通入三相电流后，它们共同产生的合成磁场是随电流的交变而在空间不断的旋转着，这就是旋转磁场。

旋转磁场同磁极在空间旋转所起的作用是一样的。

也就是，三相电流产生的旋转磁场切割转子导体，便在其中感应出电动势和电流，转子电流同旋转磁场相互作用而产生的电磁转矩使电动机转动起来。

电动机转子的转动方向和磁场旋转的方向是相同的，磁场的转向与通入绕组的三相电流的相序有关，如果将同三相电源联接的三根导线中的任意两根的一端对调位置，电动机反转。

三、三相异步电动机的铭牌数据

要正确使用电动机，必须看懂铭牌，以Y132M-4电动机为例

三相异步电动机

型号Y132M-4

功率7.5kw

频率50Hz

电压380V

电流15.4A

接法△

转速1440r/min

绝缘等级B

工作方式连续

年月编号

XXX电机厂

型号说明：

Y132M-4

Y表示三相异步电动机132表示机座中心高M表示机座长度代号（S-短机座；M-中机座；L-长机座）4表示磁极数（即四极电机）

磁极数与同步转速对照表如下

磁极数

2

4

6

8

同步转速（r/min）

3000

1500

1000

750

四、三相异步电动机的启动方式

三相异步电动机可分为鼠笼式和绕线式两种。

其中，鼠笼式三相异步电动机本身结构简单，多用于不调速的生产机械上，故多采用直接启动（即全压启动）方式，个别情况下采用降压启动方式。

1、鼠笼式异步电动机的降压启动：

1.1自耦变压器启动法

图10是采用自动控制自耦变压器降压启动的控制电路。

是由交流接触器、热继电器、时间继电器、按钮和自耦变压器等元件组成。

图中KM1为正常运转接触器，KM2为降压启动接触器，KA为启动中间继电器，KT为降压启动时间继电器。

图10　自耦变压器降压启动

1.2Y-Δ启动法

凡是正常运行时三相定子绕组接成三角形运转的三相鼠笼型感应电动机，都可采用Y-Δ降压启动。

启动时，定子绕组先接成Y联结，接入三相交流电源，启动电流下降到全压启动时的1/3，对于Y系列电动机直接启动时启动电流为额定电流IN的5.5～7倍。

当转速接近额定转速时，将电动机定子绕组改成Δ联结，电动机进入正常运行。

这种方法简便、经济，可用在操作较频繁的场合，但其启动转矩只有全压启动时的1/3，Y系列电动机启动转矩为额定转矩的1.4～2.2倍。

图11为用于13kW以上电动机的启动电路，由三个接触器和一个时间继电器构成。

图11　Y-Δ启动

2、绕线式异步电动机的降压启动：

2.1转子回路串启动变阻器

在绕线式异步电动机转子回路中接入适当的电阻，一方面使转子回路的电阻增加，从而使转子和定子的启动电流减少，启动转矩相应减小。

另一方面由于转子回路的电阻增加后，转子回路的功率因素增加使启动转矩相应增大。

2.2转子回路串频敏变阻器

转子回路中串入频敏变阻器，实质是串入一个随转子电流频率而变的启动电阻（频敏变阻器，是一种静止的无触点电磁元件），从而获得良好的启动特性，选择适当参数，可获得接近恒转矩等机械特性。

五、三相交流异步电动机的维修及故障分析

对异步电机的定期维护和故障分析是异步电机检修的基本环节，了解并掌握定期维修及故障分析的内容和方法是维修电机的基本技能。

1、定期维修

1.1维修时限通常是一年进行一次。

1.2维修内容：

（1）查电机各部件有无机械损伤，若有则作相应修复或更换。

（2）对拆开的电机进行清理，清除所有油泥、污垢。

清理中，注意观查绕组绝缘状况。

若油漆为暗褐或深棕色，说明绝缘已老化，对这种绝缘要特别注意不要碰撞使它脱落。

若发现有脱落应进行局部绝缘修复和刷漆。

（3）拆下轴承，浸在柴油或汽油中彻底清洗后，再用干净汽油清一遍。

检查清洗后的轴承是否转动灵活