电工电器控制仪表及安全用电的基础知识.docx
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电工电器控制仪表及安全用电的基础知识
电工、电器控制、仪表及安全用电的基础知识
第一章电工基础知识
第一节电路及其物理量
1.电路
电流经过的闭合路径称为电路。
电路是为了某种需要由电工设备或电路元件按一定方式组合而成。
（1）电路的作用
实现电能的传输、分配与转换
2.电路的组成部分
电路的基本物理量
1.电流
电流的形成：
电流是由电荷（带电粒子）有规则的定向运动形成的。
电流的方向：
习惯上规定正电荷移动的方向为电流的方向
电流的大小用电流强度I表示：
I=Q/t
每秒通过导体截面的电量为1库仑（C），则电流为1安培。
电流的国际单位制是安培【A】，较小的单位还有毫安【mA】和微安【μA】等，它们之间的换算关系为：
2.电压
物理对电压的定义是：
电场力把单位正电荷从电场中的一点移到另一点所做的功。
其表达式为：
从工程应用的角度来讲，电路中电压是产生电流的根本原因。
数值上，电压等于电路中两点电位的差值。
即：
电压的国际单位制是伏特[V]，常用的单位还有毫伏[mV]和千伏【KV】等，换算关系为：
电工技术基础问题分析中，通常规定电压的正方向由高电位指向低电位，因此电压又称作电压降。
3.电动势
将单位正电荷从电源的负极移到正极所做的功，称为电源的电动势。
电动势是衡量电源转化能量本领大小的物理量。
E－表示电动势的符号
E---单位为伏特
电压和电流、电动势的方向
对基本物理量方向的规定
4.电阻
导体对电流所呈现的阻碍作用称为电阻。
R=ρL/S
R——电阻（Ω）
L——导体长度（m）
S——导体截面积（m2）
ρ——导体的电阻率（Ω.m）
电阻温度系数
导体的电阻大小与温度有关。
导体在温度每增加1℃时,电阻值所增加的百分数用
表示.
铜的电阻温度系数为:
0.0047/℃。
表示温度每升高1℃，其电阻比原来增加0.47℅
几种材料的电阻率与电阻温度系数
5.电功
电能的转换是在电流作功的过程中进行的。
因此，电流作功所消耗电能的多少可以用电功来量度。
电功：
式中单位：
U【V】；I【A】；t【s】时，电功W为焦耳【J】
日常生产和生活中，电能（或电功）也常用度作为量纲：
1度=1KW•h=1KV•A•h
1度电的概念:
1000W的电炉加热1小时；
100W的电灯照明10小时；
40W的电灯照明25小时。
注意：
1度=1kW•h=3600000J
6.电功率
电工技术中，单位时间内电流所作的功称为电功率。
电功率用“P”表示：
国际单位制：
U【V】，I【A】，电功率P用瓦特【W】
1KW=1000W
如果电路是纯电阻电路，电能完全转化为电路的热力学能，电功率的公式可写成
通常情况下，用电器的实际功率并不等于额定电功率。
当实际功率小于额定功率时，用电器实际功率达不到额定值，当实际功率大于额定功率时，用电器易损坏。
电流的热效应
电流通过导体时会发热，这种现象称为电流的热效应。
实验证明：
电流通过导体时产生的热量与电流强度的平方成正比，与导体电阻和通电时间成正比，这个定律叫焦耳定律。
Q=I2Rt
Q－电流流过导体产生的热量 焦（J）
I－通过导体的电流 安培（A）
t－通电时间 秒
纯电阻电路 W＝Q=I2Rt
第二节电路的基本定律
部分电路欧姆定律
德国科学家欧姆1827年得出的实验结论:
在一段不包含电源的电路中,通过导体的电流与这段导体两端电压成正比,与导体的电阻成反比.
全电路欧姆定律
全电路中的电流跟电源的电动势成正比，跟整个电路的电阻成反比，这个规律叫做全电路欧姆定律:
负载端电压
或
电阻的串、并联及应用
1.电阻的串联电路
几个电阻依次连接，中间没有分岔支路的连接方式
电阻串联电路特点：
（1）流过每一个电阻的电流相同
I1＝I2＝I3
（2）电路两端总电压等于各电阻电压之和
U=U1+U2+U3
（3）总电阻等于各电阻之和
R=R1+R2+R3
（4）串联电阻两端电压与其电阻值成正比
2.电阻的并联电路
在电路中，将几个电阻的一端共同连接在电路的一个点上，把他们的另一端共同连接在电路的另一个点上。
并联电路的特点
（1）各并联电路两端电压相等，并等于电路两端的电压。
U＝U1＝U2＝U3＝Un
（2）电路的总电流等于各并联电阻的电流之和
I＝I1＋I2＋I3＋In
（3）并联电路的总电阻的倒数等于各电阻的倒数之和
3.电阻的混联电路
电路中的电阻元件既有串联又有并联的连接方式，称为混联。
串联电阻的实际应用
（1）用几个电阻串联获得阻值较大电阻
（2）用几个电阻构成分压器
（3）利用串联电阻方法限制与调节电流大小
（4）电工测量时应用串联的方法扩大电表测量电压的量程。
电工、电器控制、仪表及安全用电的基础知识
第一章电工基础知识
第三节单相正弦交流电路
上两节的电信号是直流信号，其大小和方向随时间是不变化的。
但由于发电厂生产的电压信号主要是以正弦规律变化的（称为正弦交流电），因此得到广泛应用。
日常生活中的电冰箱、洗衣机、抽油烟机、电饭锅、空调、等都是交流电；而电视机、微波炉、电脑、收录机、影碟机等是用交流电经整流、变压后使用直流电。
广义上说所有家电都是用交流电的，只不过有的内部转换成直流电。
交流电与直流电相比有三个主要优点：
第一，交流电可以用变压器改变电压，便于远距离输电。
第二，交流电机比相同功率的直流电机构造简单，造价低。
第三，可以用整流装置，将交流电变换成所需的直流电。
所以，实际中广泛应用交流电。
一、正弦交流电的概念
大小和方向均随时间变化的电压或电流称为交流电。
其中，大小和方向均随时间按正弦规律变化的电压或电流称为正弦交流电。
正弦交流电广泛应用于工农业生产、科学研究及日常生活中。
正弦交流电的优越性：
容易获得；
便于传输、分配和使用；
有利于电器设备的运行和维护；
1.正弦交流电的频率、周期和角频率
正弦量一秒钟内经历的循环数称为频率，用f表示。
正弦量变化一个循环所需要的时间称周期，用T表示。
正弦量一秒钟内经历的弧度数称为角频率，用ω表示。
显然
三者是从不同的角度反映的同一个问题：
正弦量随时间变化的快慢程度。
2.正弦交流电的瞬时值、最大值和有效值
（1）瞬时值
正弦量随时间按正弦规律变化，对应各个时刻的数值称为瞬时值，瞬时值是用正弦解析式表示的，即：
瞬时值是变量，注意要用小写英文字母表示。
瞬时值对应的表达式应是三角函数解析式。
（2）最大值
正弦量振荡的最高点称为最大值，用Um（或Im）表示。
（3）有效值
有效值是指与正弦量热效应相同的直流电数值。
例
交流电流i通过电阻R时，在t时间内产生的热量为Q；
直流电流I通过相同电阻R时，在t时间内产生的热量也为Q。
我们把做功能力相等的直流电的数值I定义为相应交流电i的有效值，有效值可确切地反映正弦交流电的大小，常用E,U,I表示。
经数学推算，有效值和最大值之间存在如下关系：
熟记：
在工程应用中常用有效值表示幅度。
常用交流电表指示的电压、电流读数，就是被测物理量的有效值。
标准电压220V，也是指供电电压的有效值。
问题与讨论
若购得一台耐压为300V的电器，是否可用于220V的线路上?
该用电器最高耐压低于电源电压的最大值，所以不能用。
3.正弦交流电的相位、初相和相位差
（1）相位
显然，相位反映了正弦量随时间变化的整个进程。
（2）初相
初相确定了正弦量计时初始的位置
（3）相位差：
同频率正弦量间的初相差
不同频率的正弦量之间不存在相位差
二、正弦交流电三要素
设正弦交流电流：
幅值、角频率、初相角成为正弦量的三要素。
第四节 变压器
一、概述
变压器是一种常见的电气设备，在电力系统和电子线路中应用广泛。
变压器的主要功能有：
变电压：
电力系统
变电流：
电流互感器
变阻抗：
电子线路中的阻抗匹配
二、变压器的分类
1.按用途分:
（1）电力变压器（输配电用）
（2）仪用变压器:
a.电压互感器
b.电流互感器
（3）整流变压器
2.按相数分
（1）三相变压器
（2）单相变压器
3.按制造方式
（1）壳式
（2）心式
三、变压器结构
1.电力变压器
老式电力变压器的结构图
变压器的结构
单相变压器
变压器的电路
显然，电力变压器主要也是由铁芯和绕组两大部分构成，另外加上一些外部辅助和保护设备。
电力变压器的用途
（1）发电机出口电压一般不太高，因此无法将电能输送到远处。
利用变压器变换电压的作用，将发电机出口电压升高，就可达到向远距离输送电能的目的。
（2）用户不能直接使用传输的高压电。
必须利用电力变压器将高压变换为低压配电值，满足各类用户对不同电压的需求。
电力工业中常采用高压输电低压配电，实现节能并保证用电安全。
具体如下：
2.单相变压器的工作原理
变压器是按电磁感应原理工作的。
如图所示,如果把变压器的原线圈接在交流电源上，在原线圈中就有交流电流流过，交变电流在铁心中产生交变磁通，这个变化的磁通经过闭合磁路同时穿过原线圈和副线圈。
交变的磁通将在线圈中产生感生电动势，因此，在变压器原线圈中产生自感电动势的同时，在副线圈中也产生了互感电动势。
变压器的工作原理
单相变压器
一次、二次绕组互不相连，能量的传递靠磁耦合。
一个线圈的电流变化,在相邻的线圈产生感应电动势,它们在电的方面彼此独立,之间的相互影响是靠磁场将其联系起来的,电子学上,称为磁耦合。
通过实验验证，电压和电流与线圈的匝数有如下关系：
K为变比（匝比）
结论：
改变匝数比，就能改变输出电压。
结论：
一次、二次侧电流与匝数成反比。
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第二章低压电器
一、低压电器的概述
低压电器是一种能根据外界的信号和要求，手动或自动地接通、断开电路，以实现对电路或非电对象的切换、控制、保护、检测、变换和调节的元件或设备。
控制电器按其工作电压的高低，以交流1200V、直流1500V为界，可划分为高压控制电器和低压控制电器两大类。
低压电器可以分为配电电器和控制电器两大类，在工业、农业、交通、国防以及人们用电部门中，大多数采用低压供电。
1.低压配电电器：
熔断器、断路器、刀开关等
2.低压控制电器：
接触器、启动器、继电器等。
二、低压配电电器
1.低压刀开关
低压开关主要起隔离、转换、接通、分断电路的作用
（1）HD、HS型刀开关，用于380V时，带灭弧罩者可分断刀开关的额定电流，不带灭弧罩者可分断0.3倍的刀开关额定电流。
（2）闸刀开关（开启式负荷开关）
特点：
结构简单，用途广
类型：
两极开关、三极开关
用途：
不频繁接通、切断操作；短路保护
安装：
垂直安装
（3）铁壳开关（封闭式负荷开关）
特点：
带灭弧罩、机械联锁
用途：
不频繁接通、切断操作；短路保护
安装：
垂直安装
（4）组合开关
组合开关又称转换开关，动触点装在转轴上，用手柄转动转轴使动触片与静触片接通与断开。
可实现多条线路、不同联接方式的转换。
主要用于机床设备的电源引入开关，也可用来通断5KW以下电机电路或小电流电路。
2.低压熔断器
熔断器简称保险，是最简便有效的短路保护装置。
低压熔断器一般串联在被保护的线路中。
线路正常工作时如同一根导线，起通路作用；当线路短路时熔断器的易熔片熔断，使电路断开，从而起到保护线路上其他电器设备的作用。
熔断器产品外形图
（1）瓷插式熔断器：
结构简单、价格低廉和更换熔丝方便等优点，但其灭弧能力差，熔断时仍会有炽热的金属粒或熔珠飞溅流淌。
广泛应用于照明线路和小容量电动机的短路保护。
额定电流在15A以下的熔断器还可以用作7.5KW以下电动机的过载保护。
（2）无填料封闭管式熔断器：
分断能力强，保护特性好，更换熔体方便，运行安全可靠等优点，缺点是价格较高。
适用于低压电力网络和成套配电装置的短路保护及俩接过载保护。
（3）有填料密闭管式熔断器
分段能力强，保护特性好，使用安全，可用于具有大短路电流的电力网络或配电装置中，缺点是熔体不能更换，经济性较差。
（4）螺旋式熔断器
具有分断流能力大，体积小，更换熔丝方便，安全可靠，熔丝熔断后能有显示等特点，使用与交流380V的配电线路中过载和短路保护，可用于电动机的保护。
3.低压断路器
又称空气开关、自动空气开关。
可用来接通和分断负载电路，也可用来控制不频繁起动的电动机。
自动空气开关具有多种保护功能（过载、短路、欠电压保护等）、动作值可调、分断能力高、操作方便、安全等优点，所以目前被广泛应用。
三、控制电器
1.接触器
接触器是用来频繁接通和断开电路的自动切换电器，它具有手动切换电器所不能实现的遥控功能，同时还具有欠压、失压保护的功能，接触器的主要控制对象是电动机
交流接触器产品外形图
交流接触器的结构组成
主触头用于主电路流过的大电流（需加灭弧装置）
辅助触头体积较小，主要用于通断控制电路的小电流，辅助常开触头一般起自锁或连锁作用；辅助常闭触头在电路中一般起互锁作用。
2.时间继电器
时间继电器是在感受外界信号后，其执行部分需要延迟一定时间才动作的一种继电器，分有通电延时型和断电延时型。
JS7-4A时间继电器的产品外形图
JS7-A空气阻尼式时间继电器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：
线圈通电时，电磁力克服弹簧的反作用拉力而迅速将衔铁向下吸合，衔铁带动杠杆延时使常闭触点分断，常开触点闭合。
3.热继电器
热继电器是利用电流的热效应原理切断电路以起过载保护的电器设备。
热继电器外形与结构
热继电器的结构组成
（1）串接在电动机主电路中的三个发热元件
（2）串接在电动机控制电路中的常闭触点。
工作原理
热继电器的发热元件绕在双金属片上，当电动机过载时，过大的电流产生热量，使双金属片弯曲推动连锁机构动作，使常闭触点打开，导致控制电路断电，电动机主电路随之断电，达到过载保护的目的。
4.控制按钮
主要用来控制接触器、继电器等设备的线圈得电与失电，从而控制电力拖动系统的起动与停止，改变系统的工作状态。
控制按钮不能直接控制主电路，而是在控制电路中发出手动“指令”控制接触器、继电器等，再用这些电器去控制主电路的通断。
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第三章电动机
一、电动机的分类和基本结构
电机：
实现能量转换或信号转换的电磁装置
发电机——将机械能转换为电能；
电动机——将电能转换为机械能。
绝大多数污水处理厂都使用三相异步电动机
三相异步电动机的铭牌数据
2.额定功率PN
PN=3kW→轴上输出机械功率的额定值
3.额定电压UN
UN=380V→定子三相绕组应施加的线电压
4.额定电流IN
IN=7.2A→定子三相绕组的额定线电流
5.联结方式
通常三相异步电动机3kW以下者，联结成星形，4kW以上者，联结成三角形。
6.额定转速nN
电机在额定电压、额定负载下运行时的转子转速。
7.额定功率因数λN=cosφN
8.绝缘等级
指电机绝缘材料能够承受的极限温度等级，分为A、E、B、F、H五级，A级最低（105ºC），H级最高（180ºC）。
三相异步电动机的基本结构
三相异步电动机主要部件是由定子和转子两大部分组成。
此外，还有端盖、机座、轴承、风扇等部件。
电动机的外形
1.定子
铁心：
由外周有槽的硅钢片叠成。
（1）鼠笼式转子
铁心槽内放铜条或铸铝形成转子绕组。
（2）绕线式转子
同定子绕组一样，也分为三相，并且接成星形。
另一端分别接滑环，可外接电阻
转子:
在旋转磁场作用下，产生感应电动势或电流
（鼠笼转子）
鼠笼式电动机与绕线式电动机的的比较：
鼠笼式：
结构简单、价格低廉、工作可靠；不能人为改变电动机的机械特性。
绕线式：
结构复杂、价格较贵、维护工作量大；转子外加电阻可人为改变电动机的机械特性。
定子三相绕组的联接方法有星形和三角形
二、电动机的启动与运行
（一）三相异步电动机的起动
异步电动机通电后，从静止状态到稳定运行状态的过渡过程称为起动。
电机容量在10kW以下，并且小于供电变压器容量的20％时，电动机可以直接加全压起动，称为全压起动。
全压起动也叫做直接起动。
其优点：
操作简单；
缺点：
起动电流较大，通常是额定电流的4~7倍，这么大的起动电流将使线路电压下降，严重时影响同一电网上的其它负载正常工作。
如果三相异步电动机不满足直接起动条件，就要采取降压起动的措施，以减小起动电流给电网和设备带来的不利因素。
（1）Y—Δ降压起动
即：
电动机起动时定子绕组连成星形，起动后转速升高，当转速基本达到额定值时再切换成三角形连接的起动方法。
Y—Δ降压起动的优缺点
优点：
起动电流降为全压起动时的1/3；
缺点：
起动转矩也降为全压起动时的1/3。
适用范围
正常运行时定子绕组为三角形连接，且每相绕组都有两个引出端子的电机。
（2）自耦降压起动
利用三相自耦变压器将电动机在起动过程中的端电压降低，以达到减小起动电流的目的。
自耦变压器备有40％、60％、80％等多种抽头，使用时要根据电动机起动转矩的要求具体选择。
自耦降压起动的优缺点
优点：
具有不同的抽头，可以根据起动转矩的要求，比较方便的得到不同的电压。
缺点：
设备体积大、成本高。
适用范围
适用于容量较大的电动机或不能用Y-Δ降压起动的鼠笼式三相异步电动机。
（二）电动机的运行
1.起动前的检查
（1）熟记与电机性能有关的数据，如电机额定转速、功率、电压、电流等；
（2）确认电机能满足所传动的工作机械性能要求，如转速、起动电流、电压等；
（3）检查安装情况，周围环境状况是否适合。
（4）确认进入出线盒的电源线联结可靠，电机外壳处的接地线接触良好。
（5）检查电源开关、隔离开关、测量仪表、保护装置、起动柜等，是否处于正常状态。
（6）检查电机的冷却系统是否达到了说明书的要求。
（7）如有必要，应检查绝缘电阻是否达到规定要求。
（8）如有必要应确认电机的旋转方向。
2.起动后的检查
（1）检查电动机的旋转方向。
（2）检查电动机在起动和加速时有无异常声音和振动。
（3）检查起动电流是否正常，电源的电压降是否过大。
（4）检查起动时间是否正常。
（5）起动后的负载电流是否正常（应低于铭牌上标记的额定电流），三相电压电流是否平衡。
（6）检查起动装置在起动过程中是否正常。
3.运行中的检查
（1）电动机的外部紧固件是否有松动，电气联结处是否因接触不良而发热变色。
（2）详细观察和记录各指示仪表的读数，从中发现是否有异常现象。
（3）运行时详细观察电机噪声是否过大，是否有异常噪声存在，电机是否振动，是否有焦味或绝缘漆的臭味等异味，电机温度是否过高。
三、电动机的控制
应用电动机拖动生产机械，称为电力拖动。
利用继电器、接触器实现对电动机和生产设备的控制和保护，称为继电接触控制。
1.直接起动
供电变压器容量足够大
小容量笼型电动机
↓
直接起动
优点:
电气设备少，线路简单
缺点:
起动电流大，引起供电系统电压波动
刀开关直接起动
适用：
小容量
起动不频繁的笼型电动机
2.点动控制
3.连续运转控制
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第四章常用电工仪表
一、电流表的使用
电流表用于测量电路中的电流。
它串接于被测量电路中。
（1）使用时，应使电流由表的“+”端流入，“–”端流出，从而使电流表的指针正偏。
否则，指针会反偏。
（2）对于多量程的电流表，使用时应先试用大量程，逐步由大到小，直到合适的量程（使读数超过刻度的2/3或1/2），且在改变量程时应停电，以防测量机构受到冲击。
二、钳形电流表
钳形电流表主要用来在不断开电路的情况下测量交流电流
使用时应注意以下几点：
（1）在进行测量时用手捏紧扳手使钳口张开，被测载流导线的位置应放在钳口中间，然后，松开扳手，使钳口（铁心）闭合，表头即有指示。
（2）测量时应先估计被测电流的大小，选择合适的量程或先选用较大的量程测量，然后再视被测电流的大小减小量程，使读数超过刻度的1/2，以获得较准的读数。
（3）为使读数准确，钳口两个面应保证很好的接合，如有杂声，可将钳口重新开合一次，若声音依然存在，就检查在钳口接合面上是否有杂物或污垢，如有污垢，可用棉丝蘸汽油擦干净。
（4）不能用于高压带电测量
（钳型电流表外形）
（5）测量完毕后一定要把量程开关放在最大电流量程位置，以免下次使用时由于未经选择量程而造成仪表损坏。
（6）为了测量小于5A以下的电流时能得到较准确的读数，在条件许可时，可把导线在钳口上多绕几圈，如图所示。
实际电流值应为读数除以穿过钳口内侧的导线匝数。
三、电压表的使用
电压表用于测量电路中各部分的电压，它与被测量电路并联。
（1）使用时，应将该表“＋”接线柱接电源的正极或高电位，“–”接线柱接电源的负极或低电位，从“＋”端到“–”端为实际电压降方向，这样才能使电压表指针正偏。
否则，指针会反偏。
（2）测量时，对于多量程电压表应先选用较大的量程测量，然后再视被测电压的大小减小量程，使读数超过刻度2/3或1/2，在改变量程时，不允许带电变换，以免使测量机构遭受冲击。
四、指针式万用表的使用
一般万用表可用来测量直流电流、直流电压、交流电流、交流电压、电阻、电感、电容、音频电平及晶体三极管的电流放大系数β值等。
指针式万用表的使用方法如下：
（1）端钮（或插孔）选择要正确，万用表的红色测试棒连接线要接到红色端钮上（或插入标有“＋”号的插孔内），黑色测试棒连接线要接到黑色端钮上（或插入标有“–”号的插孔内）。
（2）转换开关位置的选择，在使用既有测量种类转换开关又有测量量程选择开关的万用表时，应先选择测量种类，再选择量程。
（3）量程选择要合适根据被测量的大致范围，将量程选择开关转至适当的量限上，若测量电压或电流，最好使指针指在量程的1/2至2/3的范围内；若测量电阻，最好使指针指在量程1/2附近，这样读数较为准确。
（4）正确进行读数在万用表标度盘上有很多标度尺，它们分别适用于不同的被测对象。
因此测量时既要读取对应标度尺上读数，同时也应注意标度尺的读数和量程的配合，以免出现差错。
（5）欧姆档的正确使用：
欧姆档的使用包括倍率档选择、调零、测试。
倍率档的选择应以使指针停留在刻度线较稀的部分为宜，使指针尽量接近标度尺的中间部分（即中值电阻），指针越接近1/2,读数越准确。
（6）在万用表欧姆档测电阻之前应进行调零，在选择好倍率档后，将两根测试棒碰在一起，同时转动“调零旋钮”，使指针刚好指在欧姆标度尺的零位上。
每换一次倍率档，就必须调零一次，
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