綜采維修電工培訓(xùn)教案解析

1、山西焦煤綜團(tuán)有限責(zé)任維司員修職電技能工訓(xùn)叢書(shū)主編郝利榮煤炭工業(yè)出版社內(nèi)容提要本書(shū)是山西焦煤集團(tuán)有限責(zé)任公司員工職業(yè)技能培訓(xùn)叢書(shū)之一。內(nèi)容包括：電工基礎(chǔ)、電子技術(shù)基礎(chǔ)、變壓器與交流異步電動(dòng)機(jī)、綜采工作面安全供電及供電系統(tǒng)、綜采電氣設(shè)備、采煤機(jī)和刮板輸送機(jī)的電氣控制、礦用電纜等，并附有綜采維修電工技能鑒定標(biāo)準(zhǔn)。本書(shū)可作為參加煤炭行業(yè)職業(yè)技能鑒定、技能大賽的有關(guān)人員及綜采維修電工技能培訓(xùn)的教材，也可供有關(guān)工程技術(shù)人員與管理人員學(xué)習(xí)參考。2006年8月第1版2006年8月第1次印刷社內(nèi)編號(hào)5589定價(jià)31.00元前言綜合機(jī)械化采煤是煤礦現(xiàn)代化采煤的主要生產(chǎn)方式，它使回采工作面的主要生產(chǎn)工序連同平巷運(yùn)輸

2、等環(huán)節(jié)都實(shí)現(xiàn)了機(jī)械化和連續(xù)化。隨著我國(guó)煤炭工業(yè)的迅速發(fā)展，采煤工作面綜合機(jī)械化的程度迅速提高，機(jī)電設(shè)備單機(jī)容量和總的容量不斷增大，綜采設(shè)備不斷向重型化、強(qiáng)力化發(fā)展，結(jié)構(gòu)系統(tǒng)越來(lái)越復(fù)雜，技術(shù)越來(lái)越先進(jìn)，這就為綜采設(shè)備的安裝、回撤、使用、維護(hù)提出了較高的要求。綜采工作面電氣設(shè)備的維修是綜采工作面生產(chǎn)過(guò)程中極為重要的組成部分。由于綜采電氣設(shè)備的類(lèi)型和數(shù)量很多，工作環(huán)境惡劣，所以要求有較多的備件和專(zhuān)門(mén)維護(hù)。在綜采工作面，一個(gè)部件發(fā)生故障后，如果不及時(shí)修復(fù)或因配件供應(yīng)不及時(shí)而無(wú)法更換，就有可能妨礙整個(gè)工作面的正常推進(jìn)。因此，加強(qiáng)電氣設(shè)備的維修具有重要的意義。綜采維修電工是指使用機(jī)具及儀表從事綜采工作面的

3、供電、通信、控制等電氣設(shè)備的定檢、維護(hù)、檢修的技術(shù)工人。綜采維修電工的職責(zé)是：保證本職范圍內(nèi)電氣設(shè)備的安全、可靠運(yùn)行；清楚工作環(huán)境的安全狀況，熟知相關(guān)的規(guī)定和標(biāo)準(zhǔn)，熟悉維修范圍內(nèi)的供電系統(tǒng)、設(shè)備分布以及電纜、設(shè)備的運(yùn)行情況；熟悉出現(xiàn)事故時(shí)停電順序和人員撤離路線；掌握機(jī)電設(shè)備的結(jié)構(gòu)、原理性能和事故的處理方法，忠于職守、精心維護(hù)、遵守各種規(guī)章制度。為了創(chuàng)建學(xué)習(xí)型企業(yè)，全面提高員工素質(zhì)，為員工學(xué)習(xí)技術(shù)、掌握技能和業(yè)務(wù)，以及為技能大賽和技能鑒定提供統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)的教材和學(xué)習(xí)資料，山西焦煤集團(tuán)有限責(zé)任公司組織編寫(xiě)了山西焦煤集團(tuán)公司員工必讀叢書(shū)，綜采維修電工是這套叢書(shū)之一。該書(shū)按照中華人民共和國(guó)工人技術(shù)等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

4、煤炭行業(yè)）對(duì)綜采維修電工的要求而編寫(xiě)的。全書(shū)共分八章。第一章至第四章為基本知識(shí)和基本理論，主要內(nèi)容有電工基礎(chǔ)、電子技術(shù)基礎(chǔ)、變壓器與交流異步電動(dòng)機(jī)、綜采工作面安全供電及其供電系統(tǒng)等；第五章至第八章為實(shí)際操作技能，主要內(nèi)容有綜采電氣設(shè)備的工作原理及其維護(hù)、檢修、故障分析，礦用電纜，綜采工作面通信控制和照明系統(tǒng)等。在本書(shū)編寫(xiě)過(guò)程中，針對(duì)煤礦綜采工作面電氣設(shè)備的特點(diǎn)，努力貫徹“理論聯(lián)系實(shí)際”的原則，在內(nèi)容上由淺入深，循序漸進(jìn)，既注重了基礎(chǔ)知識(shí)和基本技能，又注重了知識(shí)的綜合運(yùn)用以及知識(shí)與能力的轉(zhuǎn)化，使教材更貼近實(shí)際和應(yīng)用。在文字的敘述上，力求簡(jiǎn)明、通俗，便于自學(xué)、易于理解。為了適應(yīng)生產(chǎn)需要，書(shū)中還適當(dāng)

5、地編入了調(diào)壓調(diào)頻啟動(dòng)器、電牽引采煤機(jī)的電氣控制等新技術(shù)和新設(shè)備。本書(shū)由郝利榮任主編，裴劍平、邵佩林、張志高任副主編，參加編寫(xiě)的人員有邵佩林、韓錫鈺、曹學(xué)貴、李雙珠、張光斌、常玉春、任學(xué)明，書(shū)中插圖由任學(xué)明繪制。在本書(shū)編審過(guò)程中，得到了太原礦山機(jī)器集團(tuán)有限公司、太原惠特科技有限公司、西山煤礦總公司設(shè)備租賃公司、西銘礦機(jī)電科、職教辦等有關(guān)單位的大力支持和幫助，在此表示衷心的感謝。由于時(shí)間倉(cāng)促，水平有限，書(shū)中難免有不當(dāng)之處，懇請(qǐng)廣大讀者批評(píng)指正。編者2006年6月第一章電工基礎(chǔ)第一節(jié)直流電路的基本概念與基本定律3第二節(jié)電感、電容與電磁感應(yīng)第三節(jié)正弦交流電路18第四節(jié)三相正弦交流電路36第二章電子技術(shù)

6、基礎(chǔ)42第一節(jié)半導(dǎo)體的基礎(chǔ)知識(shí)第二節(jié)晶體二極管與三極管第三節(jié)三極管的放大電路第四節(jié)整流濾波與穩(wěn)壓電路第五節(jié)數(shù)字電路基礎(chǔ)知識(shí)4244.53.66.76.第二章變壓器與交流異步電動(dòng)機(jī)83第一節(jié)變壓器83第二節(jié)交流異步電動(dòng)機(jī)89第四章綜采工作面安全供電及供電系統(tǒng)98第一節(jié)綜采工作面安全供電98第二節(jié)綜采工作面供電系統(tǒng)106第三節(jié)供電保護(hù)第五章綜采電氣設(shè)備133第一節(jié)礦用隔爆高壓配電裝置133第二節(jié)移動(dòng)變電站142第三節(jié)礦用低壓饋電開(kāi)關(guān)155第四節(jié)隔爆型電磁啟動(dòng)器164.第六章采煤機(jī)和刮板輸送機(jī)的電氣控制185第一節(jié)采煤機(jī)電氣控制685第二節(jié)刮板輸送機(jī)電氣控制第七章礦用電纜21521522022122

7、3228第一節(jié)概述第二節(jié)電纜的敷設(shè)與維護(hù)第三節(jié)電纜的連接第四節(jié)電纜的現(xiàn)場(chǎng)修補(bǔ)第五節(jié)電纜的故障及處理第八章綜采工作面通信控制與照明系統(tǒng)231第一節(jié)CK-2型通信控制系統(tǒng)231第二節(jié)ZXZ8-2.5(4)-11(111)型246第三節(jié)綜采照明253附錄：綜采維修電工職業(yè)技能鑒定標(biāo)準(zhǔn)258參考文獻(xiàn)265第一章電工基礎(chǔ)學(xué)習(xí)提示本章主要介紹直流電路的基本概念與基本定律，電感、電容與電磁感應(yīng)，正弦交流電路,三相正弦交流電路等。初級(jí)工應(yīng)掌握電路的基本概念；中、高級(jí)工應(yīng)掌握電路的基本原理,看懂電路圖；技師、高級(jí)技師必須全面掌握電工基礎(chǔ)知識(shí)，能看懂和繪制復(fù)雜的電路圖。第一節(jié)直流電路的基本概念與基本定律、電路的組

8、成與作用電路就是電流通過(guò)的路徑。它的作用是實(shí)現(xiàn)電能的傳輸和轉(zhuǎn)換。電路主要由電源、負(fù)載、導(dǎo)線和控制設(shè)備四部分組成，可分為外電路和內(nèi)電路。從電源端經(jīng)過(guò)負(fù)載再回到電源另一端的電路稱(chēng)為外電路。電源內(nèi)部的通路稱(chēng)為內(nèi)電路。電源：電路中電能的來(lái)源，是將其他形式的能量轉(zhuǎn)變成電能的裝置，是電路中的原動(dòng)力，如發(fā)電機(jī)、蓄電池等。（2）負(fù)載：即用電設(shè)施，也叫負(fù)荷，如電動(dòng)機(jī)、燈泡等。（3）導(dǎo)線：連接電源與負(fù)載的裝置。（4）控制設(shè)備：改變電路狀態(tài)或保護(hù)電路不受損壞的裝置，如開(kāi)關(guān)、熔斷器等。二、電路的基本物理量1. 電流在電場(chǎng)力的作用下，自由電子或離子所發(fā)生的有規(guī)則的運(yùn)動(dòng)稱(chēng)為電流。為了計(jì)量電流的強(qiáng)弱，人們規(guī)定電流強(qiáng)度這一物

9、理量。電流強(qiáng)度是在電場(chǎng)力的作用下單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)某一導(dǎo)體截面的電量。如果電流強(qiáng)度不隨時(shí)間而變化，則稱(chēng)這種電流為直流電流，簡(jiǎn)稱(chēng)直流。電流強(qiáng)度簡(jiǎn)稱(chēng)電流，其表達(dá)式為：I=¥（1-D式中I電流,A；Q電量,C；電流的單位是安培（A），即在1秒（s）內(nèi)通過(guò)導(dǎo)體截面的電量為1庫(kù)侖（C）時(shí)，貝u電流為1安培（A）。在計(jì)量小電流時(shí)，常用毫安（mA）、微安（“A）為單位，而計(jì)量大電流時(shí)則采用千安（kA）。其關(guān)系為1mA-IO-3A1uA=IO-6A1kA二IO3A人們習(xí)慣上規(guī)定正電荷運(yùn)動(dòng)的方向（或負(fù)電荷運(yùn)動(dòng)的相反方向）為電流的方向。2. 電壓和電位電壓是衡量電場(chǎng)做功能力大小的一個(gè)物理量。如圖1-1所示，

10、設(shè)在電場(chǎng)力F的作用下，正電荷Q由A移到B，移動(dòng)距離為1AB，則電場(chǎng)力所做的功為圖1-1電荷在均勻電場(chǎng)中的電位電場(chǎng)力把單位正電荷從A點(diǎn)移到B點(diǎn)所做的功，稱(chēng)為該兩點(diǎn)間的電壓UAB,用公式表示為：皿=卷（1-2）若電場(chǎng)力將1庫(kù)侖（C）的正電荷從A點(diǎn)移到B點(diǎn)，所做的功是1焦耳（J），則A、B間的電壓值為1伏特（V），即伏特擢翻常用的單位還有千伏（kV）、毫伏（mV）、微伏（“V）。1mV=10-3V1MV=10"6V1kV=103V如果選定電路中某一點(diǎn)為參考點(diǎn)，則電路中其他各點(diǎn)與參考點(diǎn)之間的電壓就有一個(gè)確定的電壓值（UAO、UBO）,這些電壓值稱(chēng)為以O(shè)為參考點(diǎn)的各點(diǎn)電位，用符號(hào)V表示，如圖1

11、-1所示。在電場(chǎng)中任意兩點(diǎn)間的電壓稱(chēng)為兩點(diǎn)間的電位差，即Uab=VaVb（1-3）電位的單位與電壓的單位相同。電壓和電位是有區(qū)別的，電路中某兩點(diǎn)間電壓的大小是絕對(duì)的，與參考點(diǎn)無(wú)關(guān)；而某點(diǎn)電位的大小則是相對(duì)的，隨參考點(diǎn)而變。電壓的方向總是從高電位到低電位，即電位降的方向。3. 電動(dòng)勢(shì)電動(dòng)勢(shì)是衡量電源將非電能轉(zhuǎn)換成電能本領(lǐng)的物理量。電源中，外力將單位的正電荷從電源的負(fù)極移到正極所做的功，稱(chēng)為電源的電動(dòng)勢(shì)，用E表示，即(1-4)電動(dòng)勢(shì)的單位也與電位的單位相同。電動(dòng)勢(shì)的方向是由電源的負(fù)極指向正極，因此電動(dòng)勢(shì)的方向與電壓的方向相反，這是兩者的區(qū)別。在數(shù)值關(guān)系上，電動(dòng)勢(shì)等于電源內(nèi)部電壓降與負(fù)載兩端的電壓降

12、之和，即E=Ir+IR如忽略電源內(nèi)部的電壓降ir則電動(dòng)勢(shì)就等于負(fù)載兩端的電壓降，即E=IR當(dāng)外電路即負(fù)載)開(kāi)路時(shí)，則電動(dòng)勢(shì)就等于電路的開(kāi)路電壓。4. 電阻導(dǎo)體對(duì)電流的阻礙作用稱(chēng)為電阻，用符號(hào)R表示，單位為歐姆(Q),簡(jiǎn)稱(chēng)歐。如果導(dǎo)體的兩端電壓為1V通過(guò)電流為1A，則該導(dǎo)體的電阻為1Q,即(1-5)電阻電路電阻常用的單位還有千歐(kQ)和兆歐(MQ)，其換算關(guān)系為：1m=io3n1Mn-io3kn=io6n實(shí)驗(yàn)證明，導(dǎo)體的電阻與導(dǎo)體截面成反比，與導(dǎo)體長(zhǎng)度成正比，并且還與導(dǎo)體的材料有關(guān)。用公式表示為：R=S式中I導(dǎo)體長(zhǎng)度,m;S導(dǎo)體的截面積,mm2;p電阻系數(shù),Qmm2/m0三、歐姆定律、電功和電

13、功率1. 歐姆定律1)段無(wú)源電路的歐姆定律在一段電路中不含電動(dòng)勢(shì)，僅有電阻，如圖1-2所示。這段電路電阻中流過(guò)的電流與加在電阻兩端的電壓成正比，與電阻的大小成反比，即1=¥(1-6)電阻的倒數(shù)稱(chēng)為電導(dǎo)，引用電導(dǎo)G后，歐姆定律還可以寫(xiě)成：Oi=OU(1-7)2)全電路歐姆定律全電路是含有電源的閉合電路，如圖1-3所示。圖中E為電源電動(dòng)勢(shì)，rO為電源的內(nèi)阻，R為負(fù)載電阻。右E，圖1-3含電源的閉合電路全電路歐姆定律的內(nèi)容是：全電路中的電流強(qiáng)度與電源的電動(dòng)勢(shì)成正比，與整個(gè)電路中(即內(nèi)電路和外電路)的電阻成反比，其數(shù)學(xué)式為：(1-8)由上式可得E訴+心U外+U內(nèi)(1-9)全電路中的電壓與電流

14、的變化規(guī)律表現(xiàn)為如下幾個(gè)方面：(1) 電路處于通路狀態(tài)時(shí)，當(dāng)負(fù)載電阻減小時(shí)，電路中電流增大，電源端電壓將略有下降。電路處于斷路狀態(tài)時(shí)，如圖1-4所示，電路的特征可用下列各式表示:J=0U=EPe=O丿即：外電路電阻對(duì)電源來(lái)說(shuō)等于無(wú)限大，電路中電流為零，電源端電壓等于電源電動(dòng)勢(shì),電源不輸出電能。(DJ圖1-4空載短路狀態(tài)時(shí)(電源的兩端a和b由于某種原因連在一起)如圖1-5所示，電路的特征可用下列各式表示:R0電源短路時(shí)，外電路電阻可視為零，電流不再流過(guò)負(fù)載，回路中僅含電源內(nèi)阻，這時(shí)電流很大稱(chēng)為短路電流。短路電流可使電源遭受電磁力的沖擊與熱的損傷而損壞。電源所產(chǎn)生的能量全被內(nèi)阻所消耗。2. 電功與

15、電功率1)電功電流通過(guò)電動(dòng)機(jī)會(huì)帶動(dòng)機(jī)器轉(zhuǎn)動(dòng)，電流通過(guò)電爐會(huì)發(fā)出大量的熱，電流通過(guò)電燈會(huì)發(fā)光，這些能量的傳遞和轉(zhuǎn)換，說(shuō)明電流做功，電流所做的功稱(chēng)為電功，用符號(hào)W表示。電功的大小跟通過(guò)電器的電流和加在用電器兩端的電壓及通電時(shí)間有關(guān)。其計(jì)算公式為：UQ二5=卩=(1-12)電功的單位是焦耳(J)但實(shí)用上焦耳太小，而用千瓦時(shí)(kwh),即度為單位，其換1kwh二3.6X106J算關(guān)系為：2)電功率電流在單位時(shí)間內(nèi)所做的功稱(chēng)電功率。其計(jì)算公式為：P二巴二二誓(1-13)tK電功率常用的單位瓦特(w)、千瓦(kw)，其關(guān)系為：1kW-103W1mW=10-3W由式(1T3可以看出：(1) 當(dāng)電器的電阻一定

16、時(shí)，電器消耗的功率與電流的平方或電壓的平方成正比。例如，電流或電壓是原來(lái)的2倍，功率則是原來(lái)功率的4倍。(2) 當(dāng)流過(guò)用電器的電流一定時(shí)，電功率與電阻成正比。在串聯(lián)電路中，各電阻消耗的功率與電阻成正比。(3) 當(dāng)加在電器兩端的電壓一定時(shí)，功率與電阻成反比。并聯(lián)電路，每個(gè)電阻消耗功率與其電阻成反比。四、電阻的串、并聯(lián)電路1. 電阻的串聯(lián)幾個(gè)電阻一個(gè)接一個(gè)地連接起來(lái)，中間沒(méi)有分支，這種連法稱(chēng)為串聯(lián)。如圖1-6(a)所示為兩個(gè)電阻串聯(lián)電路。電阻串聯(lián)的特點(diǎn)：(1) 通過(guò)各電阻的是同一個(gè)電流；(2) 總電壓等于各電阻上電壓之和，即U=U1+u2(3) 等效電阻R等于各電阻之和，即于是可以把電路等效成如圖

17、1-6(b)所示。各電阻上的電壓分別為：Ru2=r2iR2可見(jiàn)，串聯(lián)各電阻上的電壓與相應(yīng)的電阻成正比。o1。riU；|tuR“;II1Ioo1._-II圖1-6電阻串聯(lián)電路2. 電阻的并聯(lián)幾個(gè)電阻連接在兩個(gè)公共節(jié)點(diǎn)之間，這種連法稱(chēng)為并聯(lián)。如圖1-7(a)所示，表示兩個(gè)電阻并聯(lián)。電阻并聯(lián)的特點(diǎn)：(1) 各電阻兩端是同一電壓；(2) 總電流I等于各并聯(lián)電阻中電流之和，即I=Il+h等效電阻R的倒數(shù)，等于各電阻倒數(shù)之和，即(1-16)丄丄R式(1-16也可寫(xiě)成:G=G+G?(117)于是，可以把電路等效成如圖1-7(b所示。圖1-7電阻并聯(lián)電路兩個(gè)電阻并聯(lián)時(shí)，式(1T6)可以寫(xiě)成:Ri+R2則兩并聯(lián)

18、電阻上的電流分別為:鼻1RiRiRiRi+R2RIRiRi+R2(1-19)可見(jiàn)，并聯(lián)各電阻上的電流與相應(yīng)的電阻成反比。3. 電阻混聯(lián)電路中既有串聯(lián)又有并聯(lián)，這樣的聯(lián)接方式叫混聯(lián)。對(duì)于這樣的電路，首先將混聯(lián)電路簡(jiǎn)化成一個(gè)無(wú)分支電路，再進(jìn)行電流電壓計(jì)算，簡(jiǎn)化方法是：(1) 找出混聯(lián)電路中等電位點(diǎn)進(jìn)行編號(hào)，將電阻對(duì)號(hào)接入各點(diǎn)；(2) 畫(huà)出簡(jiǎn)化電路。第二節(jié)電感、電容與電磁感應(yīng)、電容器1. 電容器和電容量被絕緣材料分隔開(kāi)的兩個(gè)導(dǎo)體，就組成一個(gè)電容器。圖1-8所示為一個(gè)簡(jiǎn)單的平板電容器及其圖形符號(hào)。金屬板A、B稱(chēng)為極板，極板中間的絕緣材料稱(chēng)為介質(zhì)。如果兩極板接上直流電源，在電場(chǎng)力的作用下，自由電子由電源

19、負(fù)極移到極板B上，使極板B帶負(fù)電荷；同時(shí)極板A帶等量的正電荷，直到極板間的電壓與電源電壓相等為止，這種現(xiàn)象叫充電。充電完成后，極板所帶的電量與外加電壓U的大小成正比，即QCU(1-20)+介質(zhì)圖平板電容器式中的比例常數(shù)C稱(chēng)為電容器的電容量，簡(jiǎn)稱(chēng)電容。它的大小完全取決于電容器的結(jié)構(gòu)，是一個(gè)固定不變的量，與所帶電量或兩端電壓大小無(wú)關(guān)。在同樣電壓下,c越大，則Q越大，所以電容量表示單位電壓下電容器1個(gè)極板上儲(chǔ)存電荷量的能力，可寫(xiě)為：C=g仃-21)式中Q電容器1個(gè)極板上儲(chǔ)存的電量£；U電容器兩極板間的電壓,V。當(dāng)U=1V時(shí)，Q=1C時(shí)，電容器C=1法拉(F)。由于法拉這個(gè)單位太大，通常采用

20、較小的單位微法(mF)和皮法(pF),其換算關(guān)系為：1fiF-10_6F1pF=10_6F=10_12F2.電容器的串聯(lián)兩個(gè)或兩個(gè)以上的電容器正、負(fù)極板依次連接的方式，叫電容器的串聯(lián)，如圖1-9所示。串聯(lián)電容器的特點(diǎn)是：(1)每個(gè)電容器所帶電量相等，并等于等效電容器上所帶的電量，即QQiQ2(2)總電壓等于各電容器兩端電壓之和，即L/=U+U?總電容的倒數(shù)等于各電容器電容的倒數(shù)和，即丄二丄+丄cClc2由此得兩個(gè)串聯(lián)電容器的等效電容為：C1C2C1+C2(1-22)(1-23)(1-24)串聯(lián)電容器兩端承受的電壓與其電容量成反比即111當(dāng)兩個(gè)電容器串聯(lián)時(shí)，各電容器兩端承受的電壓分別為:U1C2

21、Cc2ClC1+C2(125)由此可見(jiàn)，電容器串聯(lián)時(shí)總電容量比其中任一串聯(lián)電容器的電容量小。串聯(lián)電容器越多,總電容量越小。而且，電容器串聯(lián)時(shí)，電容器電容量越小，承受的電壓會(huì)越高。5=Fci圖1-9兩個(gè)電容串聯(lián)電路圖1-10兩個(gè)電容器的并聯(lián)電路3. 電容器的并聯(lián)兩個(gè)或兩個(gè)以上的電容器，同性極板連接在一起的連接方式叫做電容器的并聯(lián)，如圖1-10所示。并聯(lián)電容器的特點(diǎn)：(1)每個(gè)電容器兩端電壓相同，并等于外加電壓，即(1-26)(1-27)(1-28)Ui=u2(2)并聯(lián)電容器的總電量等于各電容器電量之和，即Q=Qi十Q2(3) 并聯(lián)后的總電容等于各電容量之和，即CCi+C2由此可見(jiàn)，并聯(lián)電容器的總

22、電容比其中任一個(gè)電容器的電容量都大。而且并聯(lián)電容器越多，總電容量越大。因此，在電容量不能滿足要求的情況下，可以用幾個(gè)電容器并聯(lián)使用,但最高工作電壓按并聯(lián)電器中最小額定工作電壓確定。二、電流的磁場(chǎng)實(shí)驗(yàn)表明，產(chǎn)生磁場(chǎng)的根本原因是電流。在載流導(dǎo)體或永久磁鐵的周?chē)嬖谥艌?chǎng)，磁場(chǎng)是物質(zhì)的一種特殊形態(tài)。磁場(chǎng)有兩種表現(xiàn)形式：一是磁場(chǎng)對(duì)處在磁場(chǎng)內(nèi)的載流導(dǎo)體或鐵磁物質(zhì)有力的作用，在對(duì)磁場(chǎng)做相對(duì)運(yùn)動(dòng)的導(dǎo)體上能產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)；二是磁場(chǎng)具有能量。為了使磁場(chǎng)形象化，可用磁力線來(lái)描繪磁場(chǎng)。磁力線都是些閉合曲線，線上任一點(diǎn)的切線方向即為該點(diǎn)的磁場(chǎng)方向，如圖1-11(a)所示。載流導(dǎo)體周?chē)拇艌?chǎng)方向與產(chǎn)生該磁場(chǎng)電流方向有關(guān)

23、系，磁場(chǎng)的方向與電流方向之間關(guān)系可用右手螺旋定則來(lái)確定。用右手握住通電導(dǎo)體，拇指伸直并指向電流方向，則其余四指所指的方向便是磁力線即磁場(chǎng)方向，如圖1-11(b)所示。對(duì)于通電螺旋線圈周?chē)拇艌?chǎng)，磁場(chǎng)方向也用右手螺旋定則判斷，四指指向線圈中的電流方向，伸直的拇指就表示磁力線的方向，如圖1-11(c)所示。磁力線方向3)2)圖1-11磁場(chǎng)及其方向的判定(a)電流磁場(chǎng)方向；(小載流導(dǎo)體磁力線方向；(門(mén)螺旋線圈磁力線方向三、磁場(chǎng)的基本物理量圖1-12導(dǎo)體受到的作用力1.磁感應(yīng)強(qiáng)度磁感應(yīng)強(qiáng)度是表示磁場(chǎng)內(nèi)某點(diǎn)磁場(chǎng)的強(qiáng)弱和方向的一個(gè)物理量，其大小可用該點(diǎn)磁場(chǎng)作用于1m長(zhǎng)、通過(guò)1A電流的導(dǎo)體在磁場(chǎng)中所受到的力

24、來(lái)衡量，如圖1-12所示，即皆鴛(-29)式中B磁感應(yīng)強(qiáng)度,T;F電磁力,N;I電流,A；/導(dǎo)體長(zhǎng)度,m°磁感應(yīng)強(qiáng)度的單位有：特斯拉(T)、韋伯/米$(Wb/n?)、高斯(Gs)、牛/安米(N/A-m)圖1-12導(dǎo)體受到的作用力1特斯拉門(mén)姦(聶卜勢(shì)罟)W高斯G)2. 磁通磁感應(yīng)強(qiáng)度B與垂直于磁場(chǎng)方向的面積S的乘積，稱(chēng)為通過(guò)該面積的磁通，即=BS(1-30)磁通的單位是韋伯(Wb)，簡(jiǎn)稱(chēng)韋。為了把磁通、磁感應(yīng)強(qiáng)度與磁力線密切聯(lián)系起來(lái)，把垂直穿過(guò)單位面積上的磁力線數(shù)叫磁感應(yīng)強(qiáng)度，也叫做磁通密度，即B=|(1-31)3. 磁勢(shì)要使電路中產(chǎn)生電流必須有電源電動(dòng)勢(shì)。同樣，要使線圈中產(chǎn)生磁通，必

25、須要有磁勢(shì)。通常把電流與線圈匝數(shù)N的乘積叫磁勢(shì)(FC),即(1-32)FC=N/磁勢(shì)的單位是安(A)。磁勢(shì)愈大，產(chǎn)生的磁通愈大，說(shuō)明磁場(chǎng)愈強(qiáng)。4. 磁場(chǎng)強(qiáng)度表示磁場(chǎng)強(qiáng)弱的一個(gè)輔助計(jì)算量，通過(guò)它來(lái)確定磁場(chǎng)與電流的關(guān)系。磁力線通過(guò)的閉合路徑叫磁路。如果磁路長(zhǎng)為L(zhǎng),則磁場(chǎng)強(qiáng)度為：H二甲(1-33)在數(shù)值上表示單位磁路長(zhǎng)度上所加的磁勢(shì)，其單位有:安/厘米(A/cm)、安/米(A/m)05. 磁導(dǎo)率S)磁導(dǎo)率是用來(lái)表示磁場(chǎng)媒質(zhì)的磁性的物理量，也就是用來(lái)衡量物質(zhì)導(dǎo)磁能力的物理量。它與磁場(chǎng)強(qiáng)度的乘積就等于磁感應(yīng)強(qiáng)度，即(134)例如，有兩個(gè)完全相同的線圈，一個(gè)線圈內(nèi)以磁鋼做心，一個(gè)以銅做心。這兩個(gè)線圈內(nèi)的媒

26、質(zhì)不同，則磁導(dǎo)率“不同，通入同樣大小的電流所產(chǎn)生的磁通也不同。因此，磁感應(yīng)強(qiáng)度隨著媒質(zhì)的不同而不同。磁導(dǎo)率的實(shí)用單位為亨利/米真空中的磁導(dǎo)率為儀=47rX10-7H/mo任一媒質(zhì)的磁導(dǎo)率與真空中的磁導(dǎo)率之比叫做相對(duì)磁導(dǎo)率用Mr表示，即1L“0表示在其他條件相同的情況下，媒質(zhì)中的磁感應(yīng)強(qiáng)度是真空中的多少倍。從以上分析可知，磁導(dǎo)率M只與磁路材料有關(guān)，M愈大說(shuō)明材料的導(dǎo)磁性能愈好，也就是說(shuō)能夠用較小的磁場(chǎng)強(qiáng)度產(chǎn)生較大的磁通密度。四、對(duì)載流直導(dǎo)線的作用力把一根通有電流I的導(dǎo)線垂直放入均勻磁場(chǎng)中，如圖1T3(a)所示，載流導(dǎo)線在磁場(chǎng)中受力F的大小與磁通密度B、導(dǎo)線電流I及導(dǎo)線有效長(zhǎng)度成正比。B圖1-13

27、磁場(chǎng)對(duì)通電導(dǎo)體的作用力如果導(dǎo)線l以任意方向放在磁場(chǎng)中，如圖1T3(b)所示，求載流導(dǎo)線所受到的電磁力時(shí)，可將導(dǎo)體l按投影法則，分解為與磁場(chǎng)垂直的分量和平行的分量，其垂直分量為導(dǎo)體的有效長(zhǎng)度，即F=Bllsina式中F電磁力,N；磁感應(yīng)強(qiáng)度，Wb/n?；I導(dǎo)體電流,A；Z通電導(dǎo)體長(zhǎng)度,m;a導(dǎo)體方向與磁場(chǎng)方向的夾角，(°)電磁力的方向可用左手定則來(lái)確定，如圖lT3(a所示。即伸開(kāi)左手于磁場(chǎng)內(nèi)，讓磁力線直穿過(guò)手心，四指伸直指向電流方向，則與四指垂直的拇指的指向便是導(dǎo)體所受電磁力的方向。應(yīng)用左手定則可以判斷通電導(dǎo)體在磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)方向，它和電動(dòng)機(jī)原理相同。五、電磁感應(yīng)電流能夠產(chǎn)生磁場(chǎng)，在一定

28、的條件下，變化的磁場(chǎng)也可以產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)。這種變化的磁場(chǎng)能在導(dǎo)體中引起電動(dòng)勢(shì)的現(xiàn)象叫做電磁感應(yīng)，由電磁感應(yīng)所產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)叫感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，由感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)引起的電流叫感應(yīng)電流。在電力系統(tǒng)中，發(fā)電機(jī)、變壓器等設(shè)備都是根據(jù)電磁感應(yīng)原理制造出來(lái)的。1. 自感電動(dòng)勢(shì)當(dāng)線圈中通過(guò)電流時(shí)，線圈周?chē)欢〞?huì)產(chǎn)生磁場(chǎng)。若線圈中電流發(fā)生變化時(shí)，由這個(gè)變化的電流所產(chǎn)生的磁通也將隨著變化，這個(gè)變化的磁通將在線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。由于這個(gè)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)是由線圈本身的電流變化而產(chǎn)生的，所以叫自感電動(dòng)勢(shì)。自感電動(dòng)勢(shì)的方向總是反抗線圈中磁通變化。當(dāng)電流增加時(shí)，自感電動(dòng)勢(shì)的方向力圖阻止電流增加；而當(dāng)電流減小時(shí)，自感電動(dòng)勢(shì)的方向力圖阻止電流減小

29、。自感電動(dòng)勢(shì)大小是由下列因素決定的：(1) 與電流變化率有關(guān)。電流變化快慢通常用電流變化率表明。所謂電流變化率是指在很短的時(shí)間內(nèi)電流變化的數(shù)值與這段時(shí)間的比值。(2) 與線圈本身的結(jié)構(gòu)(如幾何形狀、匝數(shù))有關(guān)。(3) 與線圈周?chē)橘|(zhì)有關(guān)。2. 互感電動(dòng)勢(shì)兩個(gè)互相靠近的線圈，當(dāng)其中一個(gè)線圈接通電源時(shí)，其電流的變化將引起磁通變化。這個(gè)變化的磁通除穿過(guò)本身線圈外，還有一部分穿過(guò)與它靠近的另一線圈。因此，在另一線圈中會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，這種現(xiàn)象稱(chēng)互感，由互感產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)稱(chēng)互感電動(dòng)勢(shì)。第三節(jié)正弦交流電路一、概述通常把大小和方向隨時(shí)間變化的電流、電壓、電動(dòng)勢(shì)，統(tǒng)稱(chēng)為交流電。在交流電動(dòng)勢(shì)作用下的電路稱(chēng)為交流電

30、路。如果交流電是按正弦規(guī)律變化的，稱(chēng)為正弦交流電。圖1T4所圖1-14正弦交流電的變化曲線正弦交流電有許多優(yōu)點(diǎn)。例如，可以方便地利用變壓器升壓和降壓，便于高壓輸電，減少輸電損失；交流電動(dòng)機(jī)比直流電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，在制造和維護(hù)上都比較經(jīng)濟(jì)；在某些場(chǎng)合下必須用直流電時(shí)，可以用整流設(shè)備很方便地轉(zhuǎn)換成直流電，供給直流負(fù)載。所以正弦交流電得到了廣泛的應(yīng)用。二、正弦交流電的產(chǎn)生正弦交流電動(dòng)勢(shì)是由交流發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的，如圖1-15(a)所示為兩極交流發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)示意圖。在靜止的兩個(gè)磁極N、S之間放置圓柱形鐵心，其上繞有線圈(圖中僅示1匝)。鐵心和線圈合稱(chēng)電樞。線圈的兩端分別接到兩只相互絕緣的銅環(huán)上，銅環(huán)固定在轉(zhuǎn)軸

31、上，環(huán)上壓接電刷與外電路相連。為了使線圈產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)能按正弦規(guī)律變化，把磁極做成特殊形狀，使其氣隙中的磁場(chǎng)按正弦規(guī)律分布。如圖lT5(b)所示，當(dāng)電樞由原動(dòng)機(jī)拖動(dòng)在按正弦規(guī)律分布的磁場(chǎng)中旋轉(zhuǎn)切割磁力線時(shí)，線圈中便會(huì)產(chǎn)生正弦感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。如圖1-15(c)所示，電樞表面的磁感應(yīng)強(qiáng)度可用公式表示為：B=Bmsina電樞在磁場(chǎng)中等速旋轉(zhuǎn)時(shí)，線圈中的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)為：e2BmZ?jsina式中E感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的瞬時(shí)值,V；磁感應(yīng)強(qiáng)度的最大值,T;p線圈有效邊切割磁力線的速度,m/s;I線圈一個(gè)邊的長(zhǎng)度,m;a繞組平面與磁極中性面夾角,(°)o當(dāng)a-90°時(shí)，電動(dòng)勢(shì)最大，即因此，上式可寫(xiě)成

32、：eEmsina(1一35)圖1-15最簡(jiǎn)單的交流發(fā)電機(jī)*在圖1-15(b中，發(fā)電機(jī)電樞在按正弦規(guī)律分布的磁場(chǎng)中旋轉(zhuǎn)1周時(shí)，線圈中的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)e也按正弦規(guī)律交變1次。如果發(fā)電機(jī)是四極的，如圖1T6(a)所示，在2n的空間角內(nèi)，當(dāng)電樞旋轉(zhuǎn)1周時(shí)，電動(dòng)勢(shì)就按正弦規(guī)律變化了2次，如圖1-16(b)所示。交流電在變化過(guò)程中經(jīng)過(guò)的角度叫電角度。電角度和空間角的關(guān)系為：a-p6(1-36)式中a電角度；P磁極對(duì)數(shù);0空間角。交流電在任一瞬間的值稱(chēng)為瞬時(shí)值，瞬時(shí)值用小寫(xiě)字母表示，如i、u、e分別表示交流電流、交流電壓、交流電動(dòng)勢(shì)的瞬時(shí)值。(口)3)三、正弦礙電的三要素四級(jí)交流發(fā)電機(jī)及其電動(dòng)勢(shì)變化曲線正弦交流

33、電的主要特征表現(xiàn)在量值大小、交變的快慢及初始值三個(gè)方面，它們分別由幅值(或有效值)、頻率(或周期)和初相位來(lái)確定。所以，幅值、頻率和初相位就稱(chēng)為正弦量的三要素。最大值：瞬時(shí)值中的最大值，電動(dòng)勢(shì)、電壓和電流分別用大寫(xiě)字母Em、Um和Im表示。(2) 周期T和效率f:周期T為交流電按正弦規(guī)律變化1次所需的時(shí)間，單位為s;頻率f為每秒鐘內(nèi)正弦交流電變化的周期數(shù)，單位為Hz。周期和頻率互為倒數(shù)，即11T=fif=T(1-37)例如，我國(guó)發(fā)電廠發(fā)出的交流電頻率為50Hz；周期為0.02s(3) 角頻率e:正弦交流電在1s內(nèi)變化的電角度。即3=¥二普=2對(duì)(1-38)角頻率的單位為弧度/秒(ra

34、d/s)由于a=et于是式(1-35可寫(xiě)成：e=Emsinet發(fā)電機(jī)所產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)的頻率與發(fā)電機(jī)的磁極對(duì)數(shù)和轉(zhuǎn)速有關(guān)，即pn60(1-39)四、相位與相位差1.相位與初相位如圖1T7所示，設(shè)t=0時(shí)開(kāi)始計(jì)時(shí)，a1b1線圈平面與中性面之間的夾角為龍1,a2b2線圈與中性面之間的夾角為龍2,則在任意時(shí)刻這兩個(gè)電動(dòng)勢(shì)的瞬時(shí)值可分別為：(1-40)S二Emsin(十0i)£2二£msin(a)t+如上式中的電角度(et+如稱(chēng)為該交流電量的相位或相角，它反映了交流電變化的進(jìn)程。顯然，e1的相位(et+龍1)與e2的相位(et+龍2)不相同。電動(dòng)勢(shì)e1、e2的波形圖如圖1-17(b)所

35、示。t=0時(shí)的相位叫初相位或初相，顯然el的初相是龍1,e2的初相是龍2。交流電量的初相可以為正也可以為負(fù)，圖1T8(a)(b分別表示初相為+60。及初相為-30。的正弦電動(dòng)勢(shì)的波形。圖初相位2.相位差兩個(gè)同頻率交流電量的相位之差叫做相位差，用字母9表示，即爭(zhēng)=（汰+01）（如十02）=0102（141）可見(jiàn)，兩個(gè)同頻率交流電量的相位差就等于它們的初相之差。根據(jù)兩個(gè)同頻率正弦量的相位差，可以確立兩個(gè)正弦量之間的相位關(guān)系。一般的相位關(guān)系可分為超前或滯后；特殊的相位關(guān)系有同相、反相、正交幾種。超前、滯后：當(dāng)兩個(gè)同頻率正弦量的相位差0=1-龍2>0時(shí)，即el的初相大于e2的初相時(shí)，el的變化領(lǐng)

36、先e2,這種情況叫做el的相位超前e2,或叫做e2的相位滯后于el。在圖1-19中，el超前e2為135°，或e2滯后el為135°。圖1-19相位關(guān)系動(dòng)勢(shì)el與e2反相。如果(p=1-2=90°,則稱(chēng)兩個(gè)正弦量正交，在圖l-20(c中，電流il與i2正交。圖1-20兩波形的相位關(guān)系(a)同相；厲)反相；匕)正交交流電量的相位差實(shí)際上反映了兩個(gè)交流電量到達(dá)最大值的時(shí)間差，時(shí)差(t的大小等于相位差除以角頻率。即co2tt(1-42)五、交流電的有效值1. 有效值的概念交流電流的有效值是以電流的熱效應(yīng)來(lái)規(guī)定的。因此，有效值的定義如下：如果一個(gè)交流電通過(guò)一個(gè)電阻在一個(gè)周

37、期時(shí)間內(nèi)所產(chǎn)生的熱量和某一直流電流通過(guò)同一電阻在相同的時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生的熱量相等，那么這個(gè)直流電的量值就是交流電的有效值。有效值常用大寫(xiě)字母U、E、I表示。2. 有效值與最大值的關(guān)系根據(jù)有效值的定義，采用圖形面積來(lái)推導(dǎo)有效值與最大值之間的數(shù)量關(guān)系。首先看看接在直流電源上的燈泡A所消耗的能量。在圖1-21(a中,燈泡A的電阻為R，通過(guò)的電流為I時(shí)，燈泡所消耗的功率為：在t秒時(shí)間內(nèi)，燈泡A所消耗的電能為：WA=I2Rt設(shè)直流電流的波形如圖1-21(c所示，那么燈泡A所消耗的電能可以用圖1-21(e)中帶有陰影的矩形面積來(lái)表示。再來(lái)看接在交流電源上的燈泡B所消耗的能量。在圖1-21(b中，燈泡B接在交流電

38、源上，它的電阻也等于R，通過(guò)它的交流電流波形如圖1-21(d所示。燈泡消耗的功率為：因?yàn)殡娏鱥的大小是隨時(shí)間而變化的，所以功率力也隨時(shí)間變化，不能用一個(gè)固定的數(shù)值來(lái)表示。因此，需要用做圖的方法求出燈泡B在t時(shí)間內(nèi)所消耗的電能WB。圖1-21交流電的有效值在圖l-21(d中，如果將電流i每一瞬間的數(shù)值平方，再乘以R,就可以得到在同一瞬間功率的大小。逐點(diǎn)求出功率的瞬時(shí)值，畫(huà)在直角坐標(biāo)中，就得到PB的波形圖，如圖21(f)所示。在一個(gè)周期內(nèi)，電流值雖有正有負(fù)，但是電阻上消耗的功率總是正值。因?yàn)樵诤蟀胫芷趦?nèi)，電流雖為負(fù)值，但i2R仍為正值。燈泡B所消耗的電能可以用圖中的帶有陰影的矩形面積來(lái)表示。從圖中

39、可以看出或用數(shù)學(xué)證明)，矩形的高度平均高度)為：Pb二/濃這時(shí)WB應(yīng)為We二尹Bf=卻浪根據(jù)有效值的定義可得耳gm(1一43)也就是說(shuō)正弦電流的有效值等于最大值的0.707倍,或正弦電流的最大值等于有效值的、：2倍。把正弦電流有效值的概念推廣到正弦電壓和正弦電動(dòng)勢(shì)上同樣可得到：mE丄厲一一卜(1-44)在交流電路中，通常都是用有效值進(jìn)行計(jì)算的。電氣設(shè)備的額定電流、額定電壓也都是用有效值來(lái)標(biāo)定的，交流伏特表和安培表的刻度也都是用有效值來(lái)刻度的?？梢?jiàn)，有效值的應(yīng)用是十分廣泛的。有效值和最大值是對(duì)同一交流電量從不同角度來(lái)反映電流強(qiáng)弱和電壓高低的物理量。在計(jì)算功率時(shí)，要用有效值。但在選擇電器設(shè)備的耐壓

40、時(shí)，必須考慮到最大值。例如，直流耐壓160V的紙介電容器，就不能用于電壓有效值為160V的交流電路。六、正弦交流電的表示法為了便于研究交流電，人們通常用四種形式表示一個(gè)正弦交流電。第一種形式是解析式，就是用一個(gè)數(shù)學(xué)式子來(lái)表示，例如i=12sin(10nt-3°)(A);第二種形式是曲線圖；第三種形式是相量圖，即用旋轉(zhuǎn)矢量來(lái)表示；第四種形式稱(chēng)為符號(hào)形式，是用復(fù)數(shù)來(lái)表示一個(gè)交流電。本節(jié)的重點(diǎn)是研究正弦交流電的矢量圖表示法。旋轉(zhuǎn)矢量表示法，就是用一個(gè)在直角坐標(biāo)中繞原點(diǎn)不斷旋轉(zhuǎn)的矢量，來(lái)表示正弦交流電的方法。旋轉(zhuǎn)矢量常用最大值符號(hào)Em、Im或Um表示。圖1-22所示為用旋轉(zhuǎn)矢量表示交流電動(dòng)勢(shì)

41、的方法。旋轉(zhuǎn)矢量Em沿逆時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)，其角速度等于正弦交流電動(dòng)勢(shì)的角頻率，其長(zhǎng)度代表正弦交流電動(dòng)勢(shì)的最大值或有效值)。若旋轉(zhuǎn)矢量與x軸的正方向同向時(shí)，正弦電動(dòng)勢(shì)的初相為零。若旋轉(zhuǎn)矢量的長(zhǎng)度為Em，角頻率為e,起始時(shí)與橫軸正方向的夾角為龍，則t=0時(shí)刻旋轉(zhuǎn)矢量在縱坐標(biāo)軸y上的投影就等于正弦電動(dòng)勢(shì)的瞬時(shí)值的初始值，即：正弦電動(dòng)勢(shì)的瞬時(shí)值可表示為y=e=Emsin(et+龍)。例如，在tl時(shí)刻，和其對(duì)應(yīng)的正弦電動(dòng)勢(shì)是瞬時(shí)值el。這樣規(guī)定以后，正弦電動(dòng)勢(shì)的每一瞬時(shí)值將和一個(gè)確定的旋轉(zhuǎn)矢量相對(duì)應(yīng)。在tat1時(shí)的瞬時(shí)值，在y軸上有eO、e1與其對(duì)應(yīng)。由于旋轉(zhuǎn)矢量在坐標(biāo)中的位置與時(shí)間有關(guān)，通常稱(chēng)其為時(shí)間矢量

42、。圖1-22旋轉(zhuǎn)矢量需要說(shuō)明：該矢量反映了正弦量三要素，它可以表示一正弦量，但它與速度的空間矢量不同，它只是用來(lái)作為正弦交流電路的計(jì)算工具。通常將這種矢量稱(chēng)為相量。相量的符號(hào)用大寫(xiě)字母上加“表示，如uI等。將同頻率的交流電畫(huà)在同一張旋轉(zhuǎn)相量圖上時(shí)，由于這些相量的角頻率相同，不論它們旋轉(zhuǎn)到什么位置時(shí)，彼此之間的相位關(guān)系始終保持不變，所以在研究各相量之間的關(guān)系時(shí),通常不標(biāo)出角頻率而只按初相和最大值作出相量，這樣作出的圖叫相量圖。例如：£=3051(咖十6(f)u60sin(30°)/=5sin(tdi-30°)圖1-23相量圖它們的相量圖如圖1-23所示。作圖時(shí)要注意

43、，在同一相量圖上，相同單位的相量，要用相同的尺寸比例繪制，如圖1-23中的Em或Um。上面是用最大值作出的相量圖。由于有效值已被人們廣泛使用，因而各正弦量的旋轉(zhuǎn)相量也可以用有效值畫(huà)出。以后畫(huà)相量圖時(shí)，將較多地采用有效值旋轉(zhuǎn)相量圖。有效值相量常用字母U、I、E來(lái)表示。采用相量來(lái)表示正弦交流電的優(yōu)點(diǎn)是，計(jì)算和決定幾個(gè)同頻率交流電相加或相減時(shí)，要比解析式和曲線圖簡(jiǎn)便，故相量圖是研究交流電的重要工具之一。正弦交流電用相量表示以后，它們的和差運(yùn)算就可以采用相量加減的方法進(jìn)行。一般步驟是先畫(huà)出各相量，然后用平行四邊形法則作出總相量，最后用三角方法計(jì)算出結(jié)果。七、純電阻電路純電阻電路，就是既沒(méi)有電感，又沒(méi)有

44、電容而只包含有電阻的電路，如圖l-24（a所示。在實(shí)際生活中，由白熾燈、電烙鐵、電阻爐或電阻器組成的交流電路都可近似地看成是純電阻電路。(c)圖1-24純電阻電路圖1-24純電阻電路1. 電流與電壓的相位關(guān)系為了分析方便起見(jiàn)，設(shè)加在電阻兩端的正弦電壓uR的初相為零，即Ur=根據(jù)歐姆定律，通過(guò)電阻的電流瞬時(shí)值應(yīng)為:(1-45)從上式不難看出，在正弦電壓作用下，電阻中通過(guò)的電流也是一個(gè)同頻率的正弦電流,且與加在電阻兩端的電壓同相位。圖1-24（b和（c分別畫(huà)出了電流、電壓的相量圖有效值）和波形圖瞬時(shí)值）。在作相量圖時(shí)，是以電壓相量作為參考相量的，由于電流與電壓同相，故兩者的指向一致。2. 電流與電

45、壓的數(shù)量關(guān)系由式(1-45可知，通過(guò)電阻的最大電流為:若把兩邊除以2,則得:u晉或Ur=IR(1-46)這說(shuō)明，在純電阻電路中，電壓與電流的有效值之間符合歐姆定律。3. 電路的功率在任一瞬間，電阻中的電流瞬時(shí)值與同一瞬間電阻兩端電壓的瞬時(shí)值的乘積，稱(chēng)為電阻獲取的瞬時(shí)功率，用pR來(lái)表示，即sin2瞬時(shí)功率的變化曲線如圖1-24(c)中的畫(huà)有線條的曲線所示。由于電流與電壓同相，所以pR在任一瞬間的數(shù)值都是正值。這就說(shuō)明，在任一瞬時(shí)電阻都從電源取用功率，起著負(fù)載的作用。由于瞬時(shí)功率時(shí)刻變動(dòng)，不便計(jì)算，因而通常都是計(jì)算一個(gè)周期內(nèi)取用功率的平均值，即平均功率。平均功率又稱(chēng)為有功功率，用P表示。電流、電壓

46、用有效值表示時(shí)，其功率P的計(jì)算與直流電路相同，即7J2P=UrI=PR二卡(1-47)八、純電感電路由電阻很小的電感線圈組成的交流電路，都可以近似地看成是純電感電路。圖1-25所示為由一個(gè)線圈構(gòu)成的純電感電路。1. 電流與電壓的關(guān)系在純電感線圈的兩端，加上交流電壓uL，線圈中必定要產(chǎn)生一交流電流i由于這一電流時(shí)刻都在變化，因而線圈上就產(chǎn)生自感電動(dòng)勢(shì)來(lái)“反抗”電流的改變，因此線圈中的電流變化就要落后于線圈兩端的電壓變化，uL和i之間就會(huì)有相位差。對(duì)于一個(gè)內(nèi)阻很小的電源，其自感電動(dòng)勢(shì)與端電壓總是大小相等方向相反的，即廿F(-L怎卜L簫(1-48)由上式可看出，線圈兩端的電壓大小與電流的變化率成正比

47、。下面就通過(guò)式1-48)來(lái)分析電流與電壓之間的相位關(guān)系。設(shè)線圈中的電流的初相為零，電流波形如圖1-25所示?，F(xiàn)把一周期內(nèi)電流的變化分成四個(gè)階段來(lái)研究。在0n2即第一個(gè)1/4周期內(nèi))。電流從零增加到最大正值。此間電流的變化率AiAt為正值，并且起始時(shí)刻最大，然后逐漸減小到零，根據(jù)式(1-48可知，此期間的電壓uL從最大正值逐漸變?yōu)榱?，如圖1-25所示。圖1-25純電感電路中的電壓和電流(2) 在n2_n(即第二個(gè)1/4周期內(nèi))。電流從最大正值減小到零。此間電流的變化率AiAt為負(fù)值，且從零變到最大負(fù)值，uL也從零變到最大負(fù)值。(3) 在n3n2即第三個(gè)1/4周期內(nèi))。電流從零變?yōu)樽畲筘?fù)值，此間電

48、流的變化率仍為負(fù)值，且從最大負(fù)值變到零，則uL也從最大負(fù)值變到零。(4) 在3n2一2n即第四個(gè)1/4周期內(nèi))。電流從最大負(fù)值變到零，此間電流的變化率為正值，且從零變到最大正值，則uL也從零變到最大正值。圖1-26純電感電路中的相位關(guān)系電路中的相位關(guān)系從以上分析可得電流和電壓的相位關(guān)系。圖1-25所示為i與uL的波形圖，從波形圖中可清楚地看出：在純電感線圈中的正弦電流要比它兩端的電壓滯后90°，或者說(shuō)，電壓總是超前電流90°，圖1-26為電流、電壓的相量圖。設(shè)流過(guò)電感的正弦電流的初相為零，則電流、電壓的瞬時(shí)值表達(dá)式為：i二lmsinwZULmsin(血+于)(149)2.

49、電流與電壓的數(shù)量關(guān)系由數(shù)學(xué)推導(dǎo)可知，電壓的最大值為:若把兩邊同除以2,則得:L4=sZJ或K(1-50)XlfL=2機(jī)(1-51)XL稱(chēng)為電感抗，簡(jiǎn)稱(chēng)感抗，它的單位是歐姆。因此，電感線圈中的電流有效值，就等于線圈兩端電壓的有效值除以它的感抗。圖1-27感抗和頻率的關(guān)系抗是用來(lái)表示電感線圈對(duì)交流電流阻礙作用的一個(gè)物理量。感抗的大小，取決于線圈的電感量L和流過(guò)它的電流的頻率f對(duì)具有某一電感量的線圈而言，f愈高則XL愈大，在相同電壓作用下，線圈中的電流就會(huì)減小。在直流電路中，因頻率f=0,故線圈的感抗也等于零，這時(shí)線圈只起電阻作用。由于一般線圈的電阻很小，故可視電感線圈為短路。圖1-27所示為線圈的

50、感抗隨頻率變化的圖形。3. 電路的功率純電感線圈的瞬時(shí)功率為：Pluii=LmSint(i)t+-y)/msino>fUjm1msincostuf(1-52)專(zhuān)U£m/msin2o)Z=在圖1-28畫(huà)出了pL的變化曲線，從圖中可以看到：在第一和第三個(gè)1/4期內(nèi)，pL是正值，這就表示線圈要從電源方面吸取電能并把它轉(zhuǎn)換成電磁能，儲(chǔ)藏在線圈周?chē)拇艌?chǎng)中，此時(shí)線圈起著一個(gè)負(fù)載的作用。但在第二和第四個(gè)1/4期內(nèi)，pL為負(fù)值，這表示線圈是在向電源輸送能量，也就是線圈把磁能再轉(zhuǎn)換為電能而送回電源，此時(shí)線圈起著一個(gè)電源的作用。綜上所述，純電感線圈時(shí)而“吞進(jìn)”電能，功率為正；時(shí)而“吐出”電能，功

51、率為負(fù)，在-個(gè)周期內(nèi)的平均功率為零。平均功率不能反映線圈能量交換的情況，因而人們就用電流與電壓有效值之乘積來(lái)反映這種能量交換的情況，并把它叫做電路的無(wú)功功率。無(wú)功功率用字母QL表示，QL的大小為：Ql=UlI=I2Xl(1-53)圖1-28純電感電路和功率曲線為與有功功率相區(qū)別，無(wú)功功率的單位用乏爾，簡(jiǎn)稱(chēng)乏。在式（1-53中，當(dāng)各物理量的單位分別用V、A、Q時(shí)，無(wú)功功率的單位就是乏。必須指出，“無(wú)功”的含義是“交換”而不是“消耗”它是相對(duì)“有功”而言的，絕不能理解為“無(wú)用”九、純電容電路由介質(zhì)損耗很小、絕緣電阻很大的電容器組成的交流電路，可近似地看成純電容電路,圖l-29(a所示就是純電容電路

52、。(口)圖1-29純電容電路的中的電壓和電流1. 電流與電壓的相位關(guān)系電容器接入直流電源電路中，在電容器充放電過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生電流，穩(wěn)恒直流電流不能通過(guò)電容器。當(dāng)電容器接到交流電路中時(shí)，由于外加電壓不斷變化，電容器就不斷充放電，電路中就不斷有電流流過(guò)，交流電流可以通過(guò)電容器。電容器兩端的電壓隨電荷的積累即充電)而升高，隨電荷的釋放即放電)而降低的，由于電容電流等于電荷的積累和釋放的變化率，因此電容中的電流與電容兩端的電壓的變化率成正比。設(shè)在At時(shí)間內(nèi)電容器極板上的電荷變化量是AQ,則C銳cAz(1-54)容電路的中的相位關(guān)系圖1-29(b中所示為電壓與電流的變化波形，現(xiàn)根據(jù)式(1-54來(lái)分析電流的

53、變化。在0n/2即第一個(gè)1/4周期內(nèi))。uC從零增加到最大正值。電壓變化率為正值且開(kāi)始為最大，然后逐漸減小到零。根據(jù)式(1-54可知，電流i從最大正值逐漸變?yōu)榱恪?2) 在n/2n即第二個(gè)1/4周期內(nèi))。uC從最大正值變?yōu)榱?，變化率為?fù)且從零到最大負(fù)值。此間電流也從零變到最大負(fù)值。(3) 在n_3n/2即第三個(gè)1/4周期內(nèi))。uC從零變到最大負(fù)值，變化率為負(fù)且從最大負(fù)值變?yōu)榱?。此間電流也從最大負(fù)值變?yōu)榱恪?4) 在3n/2一2n即第四個(gè)1/4周期內(nèi))。uC從最大負(fù)值變?yōu)榱悖兓蕿檎覐牧愕阶畲笳?。此間電流也從零變到最大正值。相位關(guān)系從以上分析可清楚地看出：純電容電路中的電流超前電壓90&#

54、176;，這與純電感電路的情況正好相反。圖1-30所示就是電流、電壓的相量圖。2. 電壓與電流的數(shù)量關(guān)系設(shè)加在電容器兩端的交流電壓的初相為零，則電流、電壓的瞬時(shí)值表達(dá)式為:u(ji/mSin(血+號(hào))(1-55；其中，電流的最大值為：1m一若把上式兩邊同除以2,則得IcvCU=字丄a）CXc=i=2C式中Xc電容抗，簡(jiǎn)稱(chēng)容抗,Q。(1-56)(1-57)式（1-56表明，在純電容電路中，電流的有效值等于它兩端電壓的有效值除以它的容抗。容抗是用來(lái)表示電容器對(duì)電流阻礙作用大小的一個(gè)物理量。容抗的大小與頻率及電容量成反比。當(dāng)電容器的電容量一定時(shí)，頻率f愈高，則容抗XC愈小。在直流電路中，因頻率f=0

55、,故電容器的容抗等于無(wú)限大。這表明，電容器接入直流電路時(shí),在穩(wěn)態(tài)下是處于斷路狀態(tài)的。圖1-31為電容器的容抗隨頻率變化的曲線。3. 電路功率圖1-31容抗和頻率的關(guān)系曲線純電容電路的瞬時(shí)功率為:Ucmsi口血人血（奴+刁）二Ucm/mSinwtCOS3t(1-58)圖1-32純電容電路的功率曲線圖1-32中畫(huà)出了pC的變化曲線。從圖中可看出，在第一和第三個(gè)1/4周期內(nèi)，pC是正值，此時(shí)電容器被充電，從電源吸取能量，并把它儲(chǔ)藏在電容器的電場(chǎng)中，此時(shí)電容器起著一個(gè)負(fù)載的作用。但在第二和第四個(gè)1/4周期內(nèi)，pC是負(fù)值，此時(shí)電容器放電，它把儲(chǔ)藏的電場(chǎng)能量又送回電源，此時(shí)電容器又起著一個(gè)電源的作用。所以在純電容電路中，電容器也是時(shí)而“吞進(jìn)”電能，時(shí)而“吐出”電能，因而電容器不消耗電能，在一個(gè)周期內(nèi)的平均功率為