第一章 直流电路

现实生活中，我们经常听到或说起很多有关电方面的名词、术语，也经常有很多用电方面的困惑。这些名词、术语究竟是怎样定义的?它们之间有什么关系?是什么因素导致电压的高低、电流的大小?为什么会发生由用电引发的火灾?为什么家里几个月没人住，还会产生电费?很多经常听到的，看似简单，又不容易说清的问题，通过本章的学习都会有明确的答案。

§1—1 电学的基本物理量

一、电量

自然界中的一切物质都是由分子组成的，分子又是由原子组成的，而原子是由带正电荷的原子核和一定数量带负电荷的电子组成的。在通常情况下，原子核所带的正电荷数等于核外电子所带的负电荷数，原子对外不显电性。但是，用一些办法，可使某种物体上的电子转移到另外一种物体上。失去电子的物体带正电荷，得到电子的物体带负电荷。物体失去或得到的电子数量越多，则物体所带的正、负电荷的数量也越多。

物体所带电荷数量的多少用电量来表示。电量是一个物理量，它的单位是库仑，用字母C表示。1C的电量相当于物体失去或得到6.25×1018个电子所带的电量。

二、电流

电荷的定向移动形成电流。电流有大小，有方向。

1．电流的方向

1、人们规定正电荷定向移动的方向为电流的方向。金属导体中，电流是电子在导体内电场的作用下定向移动的结果，电子流的方向是负电荷的移动方向，与正电荷的移动方向相反，所以金属导体中电流的方向与电子流的方向相反，如图1—1所示。

2．电流的大小

电学中用电流强度来衡量电流的大小。电流强度就是l秒钟通过导体截面的电量。电流强度用字母word/media/image2.png表示，计算公式如下：

word/media/image3.png

式中 word/media/image4_1.png——电流强度，单位安培(A)；

word/media/image5.png——在t秒时间内，通过导体截面的电量数，单位库仑(C)；

word/media/image6.png

word/media/image7.png——时间，单位秒(s)。

实际使用时，人们把电流强度简称为电流。电流的单位是安培，简称安，用字母A表示。如果1秒内通过导体截面的电量为1库仑，则该电流的电流强度为1安培，习惯简称电流为1安。实际应用中，除单位安培外，还有千安(word/media/image8.png)、毫安(word/media/image9.png)和微安(word/media/image10.png)。它们之间的关系为：

word/media/image11.png

word/media/image12.png

word/media/image13.png

三、电压

为了弄清楚电荷在导体中定向移动而形成电流的原因，我们对照图1—2a水流的形成来理解这个问题。

从图1—2a可以看到外水由一A槽经C管向8槽流去。水之所以能在C管中进行定向移动，是由于A槽水位高，B槽水位低所致：A，B两槽之间的水位差即水压，是实现水形成水流的原因。与此相似，当图1—2b中的开关S闭合后，电路里就有电流。这是因为电源的正极电位高，负极电位低。两个极间电位差(电压)使正电荷从正极出发，经过负载R移向负极形成电流。所以，电压是自由电荷发生定向移动形成电流的原因。在电路中电场力把单位正电荷由高电位a点移向低电位b点所做的功称为两点间的电压，用word/media/image14_1.png表示。所以电压是a与b两点间的电位差，它是衡量电场力做功本领大小的物理量。

电压用字母U表示，单位为伏特，电场力将1库仑电荷从a点移到b点所做的功为1焦耳，则ab间的电压值就是1伏特，简称伏，用字母V表示。常用的电压单位还有千伏(kV)，毫伏(mV)等。它们之间的关系为：

1 kV=word/media/image15.pngV

l V=word/media/image15.pngmV

电压与电流相似，不但有大小，而且有方向。对于负载来说，电流流人端为正端，电流流出端为负端。电压的方向是由正端指向负端，也就是说负载中电压实际方向与电流方向一致。在电路图中，用带箭头的细实线表示电压的方向。

四、电动势、电源

在图1—2a中，为使水在C管中持续不断地流动，必须用水泵把B槽中的水不断地泵入A槽，以维持两槽间的固定水位差，也就是要保证C管两端有一定的水压。在图1—2b中，电源与水泵的作用相似，它把正电荷由电源的负极移到正极，以维持正、负极间的电位差，即电路中有一定的电压使正电荷在电路中持续不断地流动。

电源是利用非电力把正电荷由负极移到正极的，它在电路中将其他形式能转换成电能。电动势就是衡量电源能量转换本领的物理量，用字母E表示，它的单位也是伏特，简称伏，用字母V表示。

电源的电动势只存在于电源内部。人们规定电动势的方向在电源内部由负极指向正极。在电路中也用带箭头的细实线表示电动势的方向，如图1—2b所示。当电源两端不接负载时，电源的开路电压等于电源的电动势，但二者方向相反。

生活中用测量电源端电压的办法，来判断电源的状态。比如测得工作电路中两节5号电池的端电压为2.8 V，则说明电池电量比较充足。

五、电阻

一般来说，导体对电流的阻碍作用称为电阻，用字母R表示。电阻的单位为欧姆，简称欧，用字母word/media/image16.png表示。

如果导体两端的电压为1伏，通过的电流为1安，则该导体的电阻就是1欧。

常用的电阻单位还有千欧(kword/media/image16.png)、兆欧(Mword/media/image16.png)。它们之间的关系为：

1 kword/media/image16.png=word/media/image15.pngword/media/image16.png

1 Mword/media/image16.png=word/media/image15.pngkword/media/image16.png

应当强调指出：电阻是导体中客观存在的，它与导体两端电压变化情况无关，即使没有电压，导体中仍然有电阻存在。实验证明，当温度一定时，导体电阻只与材料及导体的几何尺寸有关。对于二根材质均匀、长度为L、截面积为S的导体而言，其电阻大小可用下式表示：

word/media/image17.png

式中 word/media/image18.png——导体电阻，单位为欧(word/media/image16.png)；

word/media/image19.png——导体长度，单位为米(m)；

word/media/image20.png——导体截面积，单位为平方毫米(word/media/image21.png)；

word/media/image22.png——电阻率，单位为欧·米(word/media/image16.png·m)。

式中电阻率是与材料性质有关的物理量。电阻率的大小等于长度为1m，截面积为1word/media/image21.png的导体在一定温度下的电阻值，其单位为欧米(word/media/image16.png：m)。例如，铜的电阻率为1.7×word/media/image23.pngword/media/image16.png·m，就是指长为1m，截面积为1mmz的铜线的电阻是1.7×word/media/image23.pngword/media/image16.png。几种常用材料在20word/media/image24.png时的电阻率见表1—1。

从表中可知，铜和铝的电阻率较小，是应用极为广泛的导电材料。以前，由于我国铝的矿藏量丰富，价格低廉，常用铝线作输电线。由于铜线有更好的电气特性，如强度高、电阻率小，现在铜制线材被更广泛应用。电动机、变压器的绕组一般都用铜材。

表1—1 几种常用材料在20℃时的电阻率

六、电功、电功率

电流通过用电器时，用电器就将电能转换成其他形式的能，如热能、光能和机械能等。我们把电能转换成其他形式的能叫做电流做功，简称电功，用字母W表示。电流通过用电器所做的功与用电器的端电压、流过的电流、所用的时间和电阻有以下的关系：

word/media/image27.png

如果公式(1—3)中，电压单位为伏，电流单位为安，电阻单位为欧，时间单位为秒，则电功单位就是焦耳，简称焦，用字母J表示。

电流在单位时间内通过用电器所做的功称为电功率，用字母P表示。其数学表达式为：

word/media/image28.png

将公式(1—3)代入公式1—4后得到：

word/media/image29.png

若在公式(1—4)中，电功单位为焦耳，时间单位为秒，则电功率的单位就是焦耳/秒。焦耳/秒又叫瓦特，简称瓦，用字母W表示。在实际工作中，常用的电功率单位还有千瓦(kW)、毫瓦(mW)等。它们之间的关系为：

1kW=word/media/image15.pngW

1W=word/media/image15.pngmW

从公式1—5中可以得出如下结论：

1．当用电器的电阻一定时，电功率与电流平方或电压平方成正比。若通过用电器的电流是原来电流的2倍，则电功率就是原功率的4倍；若加在用电器两端电压是原电压的2倍,则电功率就是原功率的4倍。

2．当流过用电器的电流一定时，电功率与电阻值成正比。对于串联电阻电路，流经各个电阻的电流是相同的，则串联电阻的总功率与各个电阻的电阻值的和成正比。

3．当加在用电器两端的电压一定时，电功率与电阻值成反比。对于并联电阻电路，各个电阻两端电压相等，则各个电阻的电功率与各电阻的阻值成反比。

在实际工作中，电功的单位常用千瓦小时(kW·h)，也叫“度”。1千瓦小时是1度，它表示功率为1千瓦的用电器1小时所消耗的电能，即：

1kW·h=1kW×1h=3.6×word/media/image30.pngJ

例题1 一台42英寸(1英寸=2.54厘米)等离子电视机的功率约为300W，平均每天开机3小时，若每度电费为人民币0.48元，问一年(以365天计算)要交纳多少电费?

解：

电视机的功率P=300 W=0.3 kW

电视机一年开机的时间t=3×365=1 095 h

电视机一年消耗的电能W=Pt=0.3×1 095=328.5 kW·h

一年的电费为328.5×0.48=157.68元

七、电流的热效应

电流通过导体使导体发热的现象叫做电流的热效应。电流的热效应是电流通过导体时电能转换成热能的效应。

电流通过导体产生的热量，用焦耳一楞次定律表示如下：

word/media/image31.png

式中 word/media/image5.png——热量，单位焦耳(J)；

word/media/image2.png——通过导体的电流，单位安培(A)；

word/media/image18.png——导体电阻，一单位欧姆(word/media/image16.png)；

word/media/image7.png——导体通过电流的时间，单位秒(S)

焦耳一楞次定律的物理意义是：电流通过导体所产生的热量，与电流强度的平方、导体的电阻及通电时间成正比。

在生产和生活中，应用电流热效应制作各种电气。如白炽灯、电烙铁、电烤箱、熔断器等在工厂中最为常见；电吹风、电褥子等常用于家庭中。但是电流的热效应也有其不利的一面，如电流的热效应能使电路中不需要发热的地方(如导线)发热，导致绝缘材料老化，甚至烧毁设备，导致火灾，是一种不容忽视的潜在祸因。

例题2 已知当一台电烤箱的电阻丝流过5 A电流时，每分钟可放出1.2×word/media/image30.pngJ的热量，求这台电烤箱的电功率及电阻丝工作时的电阻值。

解：

根据公式(1—4)，电烤箱的电功率为：

word/media/image32.png

电阻丝工作时电阻值为：

word/media/image33.png

§1—2 电 路

一、电路的组成和作用

电流所流过的路径称为电路。它是由电源、负载、开关和连接导线等4个基本部分组成的，如图1—3所示。电源是把非电能转换成电能并向外提供电能的装置。常见的电源有干电池、蓄电池和发电机等。负载是电路中用电器的总称，它将电能转换成其他形式的能。如电灯把电能转换成光能；电烙铁把电能转换成热能；电动机把电能转换成机械能。开关属于控制电器，用于控制电路的接通或断开。连接导线将电源和负载连接起来，担负着电能的传word/media/image34.png

输和分配的任务。电路电流方向是由电源正极经负载流到电源负极，在电源内部，电流由负极流向正极，形成一个闭合通路。

二、电路图

在设计、安装或维修各种实际电路时，经常要画出表示电路连接情况的图。如果是画如图1—3所示的实物连接图，虽然直观，但很麻烦。所以很少画实物图，而是画电路图。所谓电路图就是用国家统一规定的符号，来表示电路连接情况的图。表1—2是几种常用的电工符号。图1—4是图1—3的电路图。

表1—2 几种常用的电工符号

三、电路的三种状态

电路有三种状态：即通路、开路、短路。

通路是指电路处处接通。通路也称为闭合电路，简称闭路。只有在通路的情况下，电路才有正常的工作电流开路是电路中某处断开，没有形成通路的电路。开路也称为断路，此时

电路中没有电流；短路是指电源或负载两端被导线连接在一起，分别称为电源短路或负载短路。电源短路时电源提供的电流要比通路时提供的电流大很多倍，通常是有害的，也是非常危险的，所以一般不允许电源短路。

§1—3 欧姆定律

一、一段电阻电路的欧姆定律

所谓一段电阻电路是指不包括电源在内的外电路，如图1—5所示。实验证明，二段电阻电路欧姆定律的内容是，流过导体的电流强度与这段导体两端的电压成正比；与这殷导体的电阻成反比。其数学表达式为：

word/media/image46.png

式中 word/media/image2.png——导体中的电流，(A)；

word/media/image47.png——导体两端的电压，(V)；

word/media/image18.png——导体的电阻，(word/media/image16.png)。

在公式（1—7)中，已知其中两个量，就可以求出第三个未知量；公式(1—7)又可写成另外两种形式：

1. 已知电流、电阻，求电压：

word/media/image48.png

2. 已知电压、电流，求电阻：

word/media/image49.png

例题3 一台直流电动机励磁绕组在220V电压作用下，通过绕组的电流为0.427A，求绕组的电阻。

解：

已知电压U=220 V，电流I=0.427 A，由公式(1—9)得：

word/media/image50.png

二、全电路欧姆定律

全电路是指含有电源的闭合电路。全电路是由各段电路连接成的闭合电路。如图1—6所示，电路包括电源内部电路和电源外部电路，电源内部电路简称内电路，电源外部电路简称外电路。在全电路中，电源电动势word/media/image52_1.png、电源内电阻word/media/image53_1.png、外电路电阻word/media/image54_1.png和电路电流word/media/image4_1.png之商的关系为：

word/media/image55.png

式中 word/media/image2.png——电路中的电流，(A)；

word/media/image56.png——电源电动势，(V)；

word/media/image18.png——外电路电阻，(word/media/image16.png)；

word/media/image57.png——内电路电阻，(word/media/image16.png)。

公式(1—10)是全电路欧姆定律。定律说明电路中的电流强度与电源电动势(word/media/image56.png)成正比，与整个电路的电阻（word/media/image58.png）成反比。

将公式(1—10)变换后得到：

word/media/image59.png

式中 word/media/image47.png——外电路电压；

word/media/image60.png——内电路电压。

外电路电压是指电路接通时电源两端的电压，又叫做路端电压，简称端电压。这样，公式(1—11)的含义又可叙述为：电源电动势在数值上等于闭合回路的各部分电压之和。根据全电路欧姆定律研究全电路处于三种状态时，全电路中电压与电流的关系是：

1．当全电路处于通路状态时，由公式(1—11)可以得出端电压为：

word/media/image61.png

由公式可知，随着电流的增大，外电路电压也随之减小。电源内阻越大，外电路电压减小得越多。在直流负载时需要恒定电压供电，所以总是希望电源内阻越小越好。

2. 当全电路处于断路状态时，相当于外电路电阻值趋于无穷大，此时电路电流为零，开路内电路电阻电压为零，外电路电压等于电源电动势。

3．当全电路处于短路状态时，外电路电阻值趋近于零，此时电路电流叫短路电流。由于电源内阻很小，所以短路电流很大。短路时外电路电压为零，内电路电阻电压等于电源电动势。

全电路处于三种状态时，电路中电压与电流的关系见表1—3。

表1—3 电路中电压与电流的关系

通常电源电动势和内阻在短时间内基本不变，且电源内阻又非常小，所以可近似认为电源的端电压等于电源电动势。今后不特别指出电源内阻时，就表示其阻值很小忽略不计。但对于电池来说，其内阻随电池使用时间延长而增大。如果电池内阻增大到一定值时，电池的电动势就不能使负载正常工作了。如旧电池开路时两端的电压并不低，但装在收音机里，却不能使收音机发声，这是由于电池内阻增大所致。

例题4如图1一6所示的电路。电源电动势word/media/image56.png=24 V，电源内阻word/media/image57.png=-4word/media/image16.png，负载电阻word/media/image18.png=20word/media/image16.png。求电路中的电流，电源的端电压，负载电压和电源内阻电压。

解：

根据公式(1—10)，电路中的电流：

word/media/image68.png

由公式(1一11)，电路中电源的端电压：

word/media/image69.png

根据公式(1—8)，电路中的负载电压：

word/media/image70.png

根据公式(1一8)，电路中电源内阻的电压：

word/media/image71.png

§1—4 电阻的串联、并联电路

一、电阻的串联电路

在一段电路上，将几个电阻的首尾依次相连所构成的一个没有分支的电路，叫做电阻的串联电路。如图1—7a所示是电阻的串联电路。图1—7b是图1—7a的等效电路。电阻的串联电路有以下特点：

1．串联电路中流过各个电阻的电流都相等，即：

word/media/image72.png…word/media/image73.png

2．串联电路两端的总电压等于各个电阻两端的电压之和，即：

word/media/image75.png…word/media/image76.png

3．串联电路的总电阻(即等效电阻)等于各串联的电阻之和，即：

word/media/image77.png…word/media/image78.png

根据欧姆定律得出，word/media/image79.png，word/media/image80.png，…，word/media/image48.png可以得出：

word/media/image81.png…word/media/image82.png

或者

word/media/image83.png word/media/image84.png

此公式表明，在串联电路中，龟阻的阻值越大，这个电阻所分配到的电压越大；反之，电压越小，即电阻上的电压分配与电阻的阻值成正比。这个理论是电阻串联电路中最重要的结论，用途极其广泛。比如，用串联电阻的办法来扩大电压表的量程：

在如图1—7a所示的，电路中，将word/media/image85.png代人公式(1—14）式中

word/media/image86.png

这两个公式可以直接计算出每个电阻从总电压中分得的电压值，习惯上就把这两个式子叫做分压公式。

电阻串联的应用极为广泛。例如：

(1)用几个电阻串联来获得阻值较大的电阻。

(2)用串联电阻组成分压器，使用同一电源获得几种不同的电压。如图1—8所示，由

R１～R4组成串联电路，使用同一电源，输出4种不同数值的电压。

(3)当负载的额定电压(标准工作电压值)低于电源电压时，采用电阻与负载串联的方法，使电源的部分电压分配到串联电阻上，以满足负载正确的使用电压值。例如，一个指示灯额定电压6 V，电阻6word/media/image16.png，若将它接在12 V电源上，必须串联一个阻值为6word/media/image16.png的电阻，指示灯才能正常工作。

(4)用电阻串联的方法来限制调节电路中的电流。在电工测量中普遍用串联电阻法来扩大电压表的量程。

二、电阻的并联电路

将两个或两个以上的电阻两端分别接在电路中相同的两个节点之间，这种连接方式叫做电阻的并联电路。如图１—9a所示是电阻的并联电路，图1—9b是图１—9a的等效电路。

电阻的并联电路有如下特点：

1．并联电路中各个支路两端的电压相等，即：

word/media/image75.png…word/media/image76.png

2．并联电路中总的电流等于各支路中的电流之和，即：

word/media/image88.png…word/media/image89.png

3．并联电路的总电阻(即等效电阻)的倒数等于各并联电阻的倒数之和，即：

word/media/image90.png…word/media/image91.png

若是两个电阻并联，根据公式1—18可求并联后的总电阻为：

word/media/image92.png

根据公式(1—l6)及欧姆定律可以得出：

word/media/image93.png

公式(1—20)表明，在并联电路中，电阻的阻值越大，这个电阻所分配到的电流越小，反之越大，即电阻上的电流分配与电阻的阻值成反比。这个结论是电阻并联电路特点的重要推论，用途极为广泛，比如，用并联电阻的办法，扩大电流表的量程。

电阻并联的应用，同电阻串联的应用一样，也很广泛。例如：

(1)因为电阻并联的总电阻小于并联电路中的任意一个电阻，因此，可以用电阻并联的方法来获得阻值较小的电阻。

(2)由于并联电阻各个支路两端电压相等，因此，工作电压相同的负载，如电动机、电灯等都是并联使用，任何一个负载的工作状态既不受其他负载的影响，也不影响其他负载。在并联电路中，负载个数增加，电路的总电阻减小，电流增大，负载从电源取用的电能多，负载变重；负载数目减少，电路的总电阻增大，电流减小，负载从电源取用的龟能少，负载变轻。因此，人们可以根据工作需要启动或停止并联使用的负载。

(3)在电工测量中应用电阻并联方法组成分流器来扩大电流表的量程。

§1—5 电工测量基本知识

自然界中的物理量，都可以使用特定的工具来进行测量。测量各种电量的仪器仪表，统称为电工测量仪表。电工测量仪表种类繁多，最常见的是测量基本电量的仪表。

电工仪表依据测量方法、仪表结构、仪表用途来分，有很多种。概括来说，电工仪表用来测量电路中的电流、电压、电功率、电功、功率因数、电量的频率{电阻、绝缘状况等物理量。由此就有用各种被测物理量冠名的仪表，如电流表、电压表等。其中一些电量要在后续课程中介绍。本书简单介绍电工应用中最常用的仪表——万用表。万用表是一种便携式仪表。由于其能够测量交流、直流电压或电流参数：以及电路中的电阻等；被称为万用表。根据万用表内部结构、工作原理的不同，可以把万用表分为：机械指针式万用表(简称机械表)笼和电子数显式万用表(简称电子表)两类。本节重点介绍机械表。

一、万用表的外形及基本组成

如图1-10所示，是机械指针式万用表的外形。

操作万用表的主要部分有三个：挡位拨盘、表笔、读数表头。万用表除了这几部分外，最主要的是表内电路和表头机电基本体模块部分。万用表的表壳部分承担着各部分的保护与承载的责任。由于万用表是一种移动测量仪表，容易受到磕碰摔砸的损害，所以应注意防护：

1. 挡位拨盘

如图1—11所示，用于选择测量哪种物理量，一般万用表都至少设有如下四个挡位，每个挡位又分为几个不同量限或不同倍率的挡位：

交流电压挡：测量交流电压，如图1—11所示，又分为10 V，50 V，250 V，500 V，1 000 V五个子挡位。

直流电压挡：测量直流电压，如图1—11所示，又分为0.25 V，2.5 V，10 V，50 V，250 V，500 V六个子挡位。

直流电流挡：用于测量直流电流值，如图1—11所示，又分为1 mA，10 mA，100 mA，1 000 mA四个子挡位。

电阻挡：用于测量电器阻值，如图1—11所示，又分为×1，×10，×l00，×1 k四个子挡位。

电压、电流的每个挡位的数值表示的是量限(或量程)，待测的物理量值应小于该值。在选择挡位时，要选择一个挡位量限大于被测量值，并且与被测量值最接近的一个量限的挡位。比如，要测一个直流电压，估计其值约为190 V，则应选择直流250 V挡位。此时挡位值250 V大于被测量190 V，且250 V挡位比500 V，1 000 V两个挡位更接近被测量值。这样选择既能保证万用表的安全，又能保证测量精度。

机械表电阻挡的几个挡位表示几个不同的倍率。由于机械表的表头指针在整个刻度的20％～80％之间，读数比较准确，尤其是电阻挡位对应的表头刻度的非均匀性，在这个范围内更利于读取数值，所以，利用电阻挡的倍率选择，可以使表头指针落在该范围内。电子表电阻挡位的标示数值与电流、电压的数值一样，表示量限，不是倍率。电子表的挡位选择方法与电流、电压挡位一样。

2．表头

如图1—12所示为万用表表头。

机械表头有若干条刻度线：刻度线1是电阻值读取线，指针指向最右端，指示值为0；指针指向最左端，指示值为word/media/image63.png。注意被测电阻的实际阻值是指示值与所选挡位的倍率的乘积。比如，在R×1 k挡，当从刻度线上读取35时，如图1—13所示，电阻的测量阻值为35×1 kword/media/image16.png=35 kword/media/image16.png；刻度线2是均匀刻度线，用于

读取电压、电流的指示值。被测对象的测量值也经常需要从读取值换算而得到。比如使用直流电压500 V挡，按50刻度线读数，如果读取值为43，如图1一14所示，则被测电压的测量值为43×(500+50)=430 V；如果按250刻度线读数，见刻度线，读数应为215，则被测电压的测量值为215×(500÷250)=430 V，即从同二类的刻度线读数，经过换算，得到的测量值是一样的。机械表头经常还有其他一些刻度线，请参照有关书籍。

电子表头的读数比较简单，可直接读数，然后冠以所选挡位的单位，即是被测对象的测量值。比如使用电流20 mA挡，读数值为15.5，则测量值为l5.5 mA。

3．表笔

万用表的两表笔一般使用红黑两种颜色，红表笔一般插在标有“十”的插孔内，黑表笔一般插在标有“一”的插孔内。测量电压时，红、黑表笔分别接在高、低电位端；测量电流时，红、黑表笔分别接在电流的流入端和流出端。否则表针会反向打针，对万用表不利。

二、万用表的使用步骤

1．确认万用表的状态，保证各部分的功能正常可靠。

2. 明确要测量的物理量。一般包括交流电压、直流电压、直流电流和电阻器阻傅。

3．选择合适的挡位，如前所述。

4．适当接人被测对象。测量电压时，直接将红、黑表笔并接在被测元件的高、低电位两端或电路中的高、低电位点上。测量电流时，须断开被测电路，将红、黑表笔接八电路的电流流出、流入端，使电流经红表笔流入表内，从黑表笔流出时测量电阻器阻值时，电阻器须脱离电路，然后将表笔两端接在电阻器两端测量即可。

5．获取测量值。读取刻度值，并进行必要的换算及冠以单位，如前所述。

6．测量值的分析。对测得值要进行确认，是否合理，是否具备科学性。

三、万用表的使用注意事项

1．万用表是便携式仪表，本身精度不高，可能有5％以内的误差。

2．测量电阻时，首先要进行电阻值调零，方法是将表笔短接，使用万用表面板上的调零钮进行调整。

3．注意检查万用表内的电池，当电量不足时，会影响电阻的测量。

4．万用表最容易发生的损坏是，当万用表处在电流挡时，测量电压，此时极易永久性损坏内部电路及表头。避免的办法是，每次用完万用表，都将挡位置于交流电压最高挡(一般为1 000 V)。

习 题

1．电流是用来表示_________的物理量，常用的单位是_________。

2．电阻是用来表示_________的物理量，常用的单位是_________。

3．电压是用来表示_________的物理量，常用的单位是_________。

4．分别用公式来表示下面各组量之间的关系：

(1) 电量、电流、时间

(2) 电流、电压、电阻

(3) 电功、电功率、时间

5．电流通过导体的发热现象叫__________，发热的多少与_________的平方成正比，与电阻的阻值成_________，与时间成正比，这个关系写成公式是__________。

6．导体中电流的方向规定是__________的方向。电流方向与电子流方向___________。

7．简单描述电路各组成部分的作用。

8．画图表示电路的3种状态。

9．镍铬电炉丝的电阻率是1.1×word/media/image26.pngword/media/image16.png·m，炉丝截面积0.6word/media/image21.png。如果将电炉接在220 V的电源上，使炉丝通过3 A的电流，应选用多长的电炉丝?

10．有两只灯泡，一只110 V 110 W，另一只110 V 60 W，试问哪只灯泡的电阻大?若将两只灯泡串联接在220 V的线路中，是否可以正常使用，通电后有什么现象。

11．有3个电阻word/media/image98.png=5word/media/image16.png，word/media/image99.png =3word/media/image16.png，word/media/image100.png =2word/media/image16.png，串联后接在12 V的电源上，求电路中的电流，各电阻上的电压。

12．有两只220 V的灯泡，一只15 W，另一只25 W，并联接在220 V电源上。求电路的等效电阻、总电流和各灯泡流过的电流。

13．有60 W，40 W，20 W三只220 V的灯泡，要接在220 V电源上正常使用，应采取哪种连接方式?画出电路图。

14．将两只220 V 60 W的灯泡串联接入220 V电路中，每只灯泡实际消耗的电功率是多少?灯泡的寿命有何变化? 这种情况是否可以应用到实际生活中(举例说明)?

15．简单叙述电工技术中广泛使用铜材料的原因。

16．列举几项节电方法。

17．万用表一般有__________和__________两种类型，一般万用表可用来测量__________、__________和__________三种物理量。

18．万用表最容易发生的永久损坏是当万用表处于__________挡位时，被用来测量

19．用万用表测量电阻时，要先对万用表进行__________操作。

20．使用万用表测量交、直流电压、电流。

第二章 电磁的基本知识

人们的生活因为有了电而便捷、精彩、时尚。人们总爱假想“如果有一天，这个世界突然没了电……”，可是，如果这个世界没有了磁，会怎样呢?

实际上电与磁有着密不可分的关系。正因为有了这个关系，我们才有了电、电灯、电视、电话、计算机、电动机……，同时一也因为这个关系，导致了我们的电气寿命的短暂，突发故障的不约而至。你想知道这是什么原因吗?

§2—1 磁的基本知识

一、磁现象

早在2 000多年前，我们的祖先就发现了磁铁矿石具有吸引铁的性质。人们把物体能够吸引铁、钻、镍及其合金的性质称为磁性，把具有磁性的物体叫做磁体。磁体上磁性最强的位置称为磁极，磁体有两个磁极：即南极和北极，通常用字母S表示南极(常涂红色)，用字母N表示北极(常涂绿色或白色)。条形、蹄形、针形磁铁的磁极位于它们的两端。值得注意的是任何一个磁体的磁极总是成对出现的。若把一个条形磁铁分割成若干段，则每段都会同时出现南极、北极。这叫做磁极的不可分割性。磁极与磁极之间存在的相互作用力称为磁力：?其作用规律是同性磁极相斥，异性磁极相吸。一根没有磁性的铁棒，在其他磁铁的作用下获得磁性的过程叫磁化。如果把磁铁拿走，铁棒仍有的磁性则称为剩磁。

二、磁场、磁感应线

磁体周围存在磁力作用的空间称为磁场。我们经常看见两个互不接触的磁体之间具有相互作用力，它们是通过磁场这一特殊物质进行传递的。磁场之所以是一种特殊物质，是因为它不是由分子和原子等粒子组成的。虽然磁场是一种看不见、摸不着的特殊物质，但通过实验可以证明它的存在。例如，在一块玻璃板上均匀地撒些铁粉，在玻璃板下面放置一个条形磁铁。铁粉在磁场的作用下排列成规则线条，如图2—1所示。这些线条都是从磁铁的。N极到S极的光滑曲线，如图2一1b所示。我们把这些曲线称为磁感应线，用它能形象描述磁场的性质。

实验证明磁感应线具有下列特点：

1．磁感应线是闭合曲线

在磁体外部，磁感应线从N极出发，然后回到S极，在磁体内部，是从S极到N极，这叫做磁感应线的不可中断性，如图2—2所示。

2. 磁感应线互不相交

这是因为磁场中任何一点磁场方向只有一个。

3．磁感应线的疏密程度与磁场强弱有关。

磁感应线稠密表示磁场强，-磁感应线稀疏表示磁场弱。

三、磁通、磁感应强度

为了描述磁场在上定面积上的分布情况而引入了磁通这一物理量。

在磁场中，把通过与磁场方向垂直的某一面积的磁感应线的总数目，叫做通过该面积的磁通，用字母word/media/image103.png表示。磁通的单位是韦伯“简称韦，用Wb表示。

磁感应强度是用来表示磁场中各点磁场强弱和方向的物理量，用字母B表示。

垂直通过单位面积的磁感应线的数目叫做该点的磁感应强度。它既有大小，又有方向。在磁场中某点磁感应强度的方向，就是位于该点磁针北极所指的方向，它的大小在均匀磁场中可表示为：

word/media/image104.png

式中 word/media/image105.png—一磁感应强度 (T)；

word/media/image103.png——磁通(Wb)；

word/media/image20.png——垂直于磁感应线方向通过磁感应线的面积(word/media/image106.png)。

公式(2—1)说明磁感应强度的大小等于单位面积的磁通。如果通过单位面积的磁通越多，则磁感应线越密，磁场也越强，反之磁场越弱。

磁感应强度的单位是韦/米word/media/image107.png，称为特斯拉，简称特，用字母T表示。

四、磁导率

实验证明，铁、钻、镍及其合金对磁场影响强烈，具有明显的导磁作用。但是自然界绝大多数物质对磁场影响甚微，导磁作用很差。为了衡量各种物质导磁的性能，引入磁导率这一物理量，用字母word/media/image108.png表示。磁导率的单位为亨利/米(H/m)。不同物质有不同的磁导率。在其他条件相同的情况下，某些物质的磁导率比真空中的强，另一些物质的磁导率比真空中的弱。

经实验测得真空的磁导率为word/media/image109.png，且是常数。

为了便于比较各种物质的导磁性能，把各种性质的磁导率与真空中的磁导率进行比较，引人相对磁导率这一物理量。任何一种物质的磁导率与真空的磁导率的比值叫做相对磁导率，用以表示。即：

word/media/image110.png

相对磁导率没有单位，只是说明在其他条件相同的情况下，物质的磁导率是真空磁导率的多少倍。

根据各种物质的磁导率的大小，可将物质分成三类。

word/media/image111.png<1的物质叫做反磁物质，如铜、银等；

word/media/image111.png>1的物质叫做顺磁物质，如空气、铝等；

word/media/image111.png>>1的物质叫做铁磁物质，如铁、钴、镍及其合金等。

由于铁磁物质的相对磁导率很高，所以铁磁物质被广泛地应用于电工技术方面(如制作变压器、电磁铁。电动机的铁心等)。

表2—1中列出了几种铁磁物质的相对磁导率，供参考。

表2—1 几种铁磁物质的相对磁导率

§2—2 电流的磁场

一、通电直导线的磁场

磁铁周围有磁场，通电直导线的周围也有磁场。例如，一根直导线垂直穿过水平放置的纸板，在纸板上均匀地撒些铁粉。当直导线通电时，铁粉以导线为中心形成许多同心圆，如图2—3所示：铁粉的分布情况表示磁感应线分布情况。若直导线中电流消失，则纸板上的铁粉又呈均匀分布。从而证明了“动电生磁”，即磁场是伴随电流而存在的，而电流永远被磁场所包围。经实验证明，磁场方向与电流方向有关。若直导线垂直纸面，电流向着读者而来，则磁场方向是逆时针方向；若直导线上的电流是离开读者而丢，则磁场方向为顺时针方向，如图2—4a

所示：为了讨论问题方便起见；规定用符号，word/media/image113.png分别表示电流或磁感应线垂直进人和流出纸面的方向。

通电直导线周围磁场方向与导线中的电流方向之间的关系可用安培定则(又称右手螺旋定则)进行判定。其具体内容是：右手拇指指向电流方向，贴在导线上，其余四指弯曲握住直导线，则弯曲四指的方向就是磁感应线的环绕方向；如图2—4b所示。

实验证明，通电直导线四周的磁感应线距直导线越近，磁感应线越密，磁感应强度越大，反之，磁感应线越疏k磁感应强度越小。导线中通过电流越大，靠近直导线的磁感应线越密集，磁感应强度越大；反之，导线中通过电流越小，靠近直导线的磁感应线越稀疏，磁感应强度越小。

二、通电螺线管的磁场

已经知道通电直导线周围有磁场存在。若将通电直导线绕成多匝螺线管后，在它的周围还有磁场存在吗?为证实这个问题。将磁针放在螺线管附近科当螺线管不通电时，磁针没有偏转。当通电时，磁针发生偏转。这就说明通电螺线管周围有磁场存在。对于一个确定的螺线管，磁场的强弱与螺线管中所通过的电流大小成正比。

通电螺线管磁场方向，与螺线管中通过的电流方向的关系，用右手螺旋定则进行判定，如图2—5所示。

右手螺旋定则的内容是：用右手握住螺线管，让弯曲的四指所指的方向与螺线管中流过的电流方向一致，那么拇指所指的那一端就是螺线管的N极。由图2—5可知，通电螺线管的磁场与条形磁铁的磁场相似。因此，一个通电螺线管相当于一块条形磁铁。

总之，凡是通电的导线，在其周围必定会产生磁场，从而说明电流与磁场之间有着不可分割的联系。电流产生磁场的这种现象叫做电流的磁效应。

三、磁场对载流直导线的作用

通过前面学习已经知道，两块磁铁之间有力的作用一载流直导线周围也存在磁场，若将其放入磁场中，两者之间也会产生力，现在用如图2—6所示的实验来证实这一问题。

在图2—6a中，U形磁铁中水平放置一根直导线，它与磁感应线垂直。当导线上没有电流通过时，导线在磁场里静止不动。当导线上有电流通过，且背离读者而去，则导线因受磁场作用而向左运动。若改变导线中的电流方向(见图2—6b)，即电流方向指向读者，则导线受磁场作用向右运动。上述实验说明载流直导线在磁场的作用下而产生运动。在磁极固定时，运动方向与电流方向有关；若导线中电流方向不变，只改变磁极方向，则导线的运动方向也发生改变。电动机就是利用载流导线在磁场中产生运动的原理制成的。

载流直导线在磁场作用下产生运动，而运动是在力的作用下产生的。载流直导线在磁场中所受到的力称为电磁作用力，简称电磁力，用字母F表示。电磁力既有大小，也有方向。

电磁力方向(即导线运动方向)、电流方向和磁场方向三者相互垂直。因为电磁力的方向与磁场方向及电流方向有关。所以，用左手定则(又称电动机定则)来判定兰者之间的关系。

左手定则的内容是：伸平左手，使大拇指与其余四指垂直，手心对着N极，让磁感应线垂直穿过手心，四指的指向代表电流方向，则大拇指所示的方向就是磁场对载流直导线的作用力方向，如图2—7所示。

实验证明，在匀强磁场中，当载流直导线与磁场方向垂直时，磁场对载流直导线作用力的大小，与导线所处的磁感应强度、通过直导线的电流以及导线在磁场中的长度的乘积成正比。即：

word/media/image118.png

式中 word/media/image105.png——磁感应强度(Wb/word/media/image106.png)；

word/media/image2.png——直导线中通过的电流(A)；

word/media/image19.png——直导线在磁场中的长度(m)；

word/media/image119.png——直导线受到的电场力(N)。

四、磁场对通电线圈的作用

由于磁场对通电导线有作用力，因此，磁场对通电线圈也有力的作用。在均匀磁场中放置一个矩形通电线圈abcd，如图2—8所示。

当线圈平面与磁感应线平行时，因为ab和dc边与磁感应线平行，不受磁场作用，没有电磁力，ad和bc边与磁感应线

垂直，受磁场作用而有电磁力。根据左手定则，ad边的受力方向是垂直向上，而bc边的受力方向是垂直向下。因为，ad=bc，根据公式(2—3)，可知，ad和bc边所受的电磁力大小相等。由于这一对电磁力大小相等，方向相反，所以构成一对力偶。故线圈在力偶的作用下，围绕轴线word/media/image121.png做顺时针旋转。如图2—8所示是一个单匝线圈的直流电动机的工作原理图。

§2—3 电磁感应

电和磁是可以互相转化的。在一定条件下，电流能够产生磁场；同样，磁场也能使导线中产生电流。：磁转化为电的现象叫做电磁感应。

一、电磁感应现象

为了研究电磁感应现象，先做两个实验。

实验一：将直导线AB放在磁场中，它的两端与检流计连接构成闭合回路，如图2—6所示。当导线向右移动垂直切割磁感应线时，检流计指针偏转，如图2—9a所示，表示导线中有电流产生；导线向左方垂直移动切割磁感应线时，检流计指针也发生偏转，但方向与前面的相反；如图2—9b所示。

导体不动，没有切割磁感应线时，检流计指针无偏转，说明导线中没有电流。通过实验可以看到，导线的移动速度越快，检流计指针偏转越大，即电流越大。

实验二：将线圈的两端与一个检流计连接而构成闭合回路，如图2—10所示。

当条形磁铁插入线圈瞬间，线圈中的磁通量增加，检流计指针向右偏转。如图2—10a所示，说明线圈中磁通发生变化，线圈中有电流出现。若把条形磁铁从线圈中拔出，在拔出瞬间，检流计指针向相反方向偏转，说明线圈中磁通也发生变化，线圈中也有电流出现，如图2—10b所示。当条形磁铁在线圈中停止运动时，检流计指针无偏转，线圈中磁通没有变化，线圈中也没有电流。如果条形磁铁插人或拔出的速度越快，即磁通量变化得越快，则检流计指针偏转越大，反之，检流计指针偏转越小。

上述两个实验说明，无论是直导线在磁场中作切割磁感应线运动，还是磁铁对线圈作相对运动，都是由于运动使得穿过(直导线或线圈组成的)闭合回路中的磁通量发生了改变，因而在直导线或线圈中产生电动势。若直导线或线圈构成回路，则直导线或线圈中将有电流出现。回路中磁通量的变化是导致直导线或线圈中产生电动势的根本原因，即“动磁生电”。磁通量的变化越大，产生的电动势越大。

因磁通变化而在直导线或线圈中产生电动势的现象，叫做电磁感应。由电磁感应产生的电动势叫做感应电动势。由感应电动势在闭合电路形成的电流，叫做感应电流。

二、法拉第定律

从如图2—10所示的实验中可知，感应电动势的大小，取决于条形磁铁插入或拔出的快慢，即取决于磁通变化的快慢。磁通变化越快，感应电动势就越大；反之就越小。磁通变化的快慢，用磁通变化率来表示。例如，有一单匝线圈，在word/media/image124.png时刻穿过线圈的磁通为word/media/image125.png，在此后的某二时刻word/media/image126.png，穿过线圈的磁通为word/media/image127.png，那么在word/media/image128.png这段时间内，穿过线圈的磁通变化量为：

word/media/image129.png

因此，单位时间内的磁通变化量，即磁通变化率是：

word/media/image130.png

在单匝线圈中产生的感应电动势的大小是：

word/media/image131.png

式中的绝对值符号，表示只考虑感应电动势的大小，不考虑方向。

对手多匝线圈来说，因为通过各匝线圈的磁通变化率是相同的，所以每匝线圈感应电动势大小相等。因此，多匝线圈感应电

动势是单匝线圈感应电动势的N倍，即：

word/media/image132.png

式中 word/media/image133.png——在word/media/image134.png时间内感应电动势的平均值(V)；

word/media/image135.png——线圈匝数；

word/media/image136.png/word/media/image134.png——磁通变化率；

word/media/image136.png——线圈中磁通变化量 (Wb)；

word/media/image134.png——磁通变化word/media/image136.png所用的时间(s)。

公式(2—5)说明，当穿过线圈的磁通发生变化时，线圈两端的感应电动势的大小只与磁通变化率成正比。这就是法拉第定律。

三、楞次定律

法拉第电磁感应定律，只解决了感应电动势的大小取决于磁通变化率，但无法说明感应电动势的方向与磁通量变化之间的关系。为了找出它们之间的规律，必须对前面的实验再作进一步研究。

从图2—10实验中可以看到穿过线圈的原磁通的方向是向下的。

如图2—11a所示，当磁铁插入线圈时，线圈中的原磁通量增加，产生感应电动势。感应电流由检流计的正端流人。此时，感应电流在线圈中产生一个新的磁通。根据安培定则可以判定，新磁通与原磁通的方向相反，也就是说，新磁通阻碍原有磁通增加。

如图2—1lb所示，当磁铁由线圈中拔出时，线圈中的原有磁通减少，产生感应电动势，感应电流由检流计的负端流人。此时，感应电流在线圈中产生一个新的磁通，根据安培定则判定，新磁通与原有磁通的方向是相同的，也就是说，新磁通阻碍原有磁通的减少。

经过上面的讨论得出一个规律：线圈中磁通变化时，线圈中产生感应电动势，其方向是使它形成的感应电流产生新磁通来阻碍原有磁通的变化。也就是说，感应电流的新磁通总是阻碍原有磁通的变化。这个规律被称为楞次定律。

应用楞决定律来判定线圈中产生感应电动势的方向或感应电流的方向，具体方法步骤如下：

1．首先明确原磁通的方向和原磁通的变化(增加或减少)的情况。

2．根据楞次定律判定感应电流产生新磁通的方向。

3．根据新磁通的方向，应用安培定则(右手螺旋定则)判定出感应电动势或感应电流的方向。

例如，在图2—11中，线圈固定不动，条形磁铁向下、向上运动时，判断线圈a、b两端感应电动势的方向。

当磁铁向下运动时，原磁通西增加，且方向向下，由楞次定律可知新磁通西7的方向向上。根据安培定则可判断出，大拇指的指向是新磁通的方向，其余四指的指向就是感应电动势的方向，即由b到a，如图2—11a所示。

当磁铁向上运动时，原磁通word/media/image103.png减少，且方向向下，由楞次定律可知新磁通word/media/image139.png的方向向下，阻碍原磁通的减少，根据安培定则可判断出，感应电动势的方向是由a到b，如图2—11b所示。

对于直导线切割磁感应线向产生感应电动势的方向，用右手定则进行判定。右手定则内容是：伸开右手，使大拇指与其余四指垂直并且与手掌在同一平面内，手心对着磁极的N极，让磁感应线垂直穿过手心，大拇指指向导体的运动方向，其余四指所指的方向就是感应电动势的方向，如图2—12所示。右手定则又叫发电机定则。

四、电磁感应定律

为了使法拉第定律不仅能表示出感应电动势的大小，同时也能表示出它的方向。把法拉第定律与楞次定律结合起来就是电磁感应定律。电磁感应定律的内容是：感应电动势的大小与磁通变化率成正比，感应电流的方向总是阻碍原磁通变化。

§2—4 自感、互感

一、自感

自感是一种电磁感应现象；下面通过实验说明什么是自感。在图2—13a中，有两个相同的灯泡。合上开关后，灯泡HL1立刻正常发光。灯泡HL2慢慢变亮。其原因是在开关S闭合的瞬间，线圈L中的电流是从无到有，线圈中这个电流所产生的磁通也随之增加，于是在线圈中产生感应电动势。根据楞次定律，由感应电动势所形成的感应电流产生的新磁通，要阻碍原磁通的增加；感应电动势的方向与线圈中原来电流的方向相反，使电流不能很快地上升，所以灯泡HL2只能慢慢变亮。

在图2—13b中，当开关S断开时，HL灯泡不会立即熄灭，而是突然一亮然后熄灭。其原因是在开关S断开的瞬间，线圈中电流要减小到零，线圈中磁通也随之减小。由于磁通变化在线圈中产生感应电动势。根据楞次定律；感应电动势所形成的感应电流产生的新磁通，阻碍原磁通的减少，感应电动势方向与线圈中原来的电流方向一致，阻止电流减少，即感应电动势维持电感中的电流慢慢减小。所以灯泡HL不会立刻熄灭。

通过两个实验可以看到，由于线圈自身电流的变化，线圈中也要产生感应电动势。把由于线圈自身电流变化而引起的电磁感应叫做自感应，简称自感。由自感现象产生的电动势叫做自感电动势。

为了表示自感电动势的大小，引入一个新的物理量，叫自感系数。当一个线圈通过变化电流后，单位电流所产生的自感磁通数，称为自感系数，也称电感量，简称电感，用字母L表示。电感是测量线圈产生自感磁通本领大小的物理量。如果一个线圈中流过1安电流，能产生1韦的自感磁通，则该线圈的电感就是1亨利，简称亨，用字母H表示。在实际使用中，有时用亨利单位太大，常采用较小的单位毫亨(mH)、微亨(pH)。它们之间的关系为：

word/media/image141.png

word/media/image142.png

电感L是线圈的固有参数，它取决于线圈的几何尺寸以及线圈中介质的磁导率。如果介质磁导率恒为常数，这样的电感叫线性电感，如空心线圈的电感L为常数；反之，则称为非线性电感，如有铁心的线圈的电感L不是常数。

自感在电工技术中，既有利又有弊。如日光灯是利用镇流器(铁心线圈)产生自感电动势提高电压来点亮灯管的，同时也利用它来限制灯管电流。但是，在有较大电感元件的电路被切断瞬间，电感两端的自感电动势很高，在开关刀口断开处产生电弧，烧毁刀口，影响设备的使用寿命；在电子设备中，这个感应电动势极易损坏设备的元器件，必须采取相应措施，予以避免。

二、互感

互感也是一种电磁感应现象。图2—14中有两个互相靠近的线圈。当原线圈电路的开关S闭合时，原线圈中的电流增大，磁通也增加，副线圈中磁通也随之增加而产生感应电动势，检流计指针偏转，说明副线圈中也有电流。当原线圈电路开关S断开时，原线圈中的电流减小，磁通也减小，这个变化的磁通使副线圈中产生感应电动势，检流计指针向相反方向偏转。

这种由于—个线圈电流变化，引起另一个线圈中产生感应电动势的电磁感应现象，叫做互感现象，简称互感。由互感产生的感应电动势称为互感电动势。

人们利用互感现象，制成了电工领域中伟大的电器——变压器。

习 题

1. 人们把具有__________的特性叫磁性，把具有__________特性的物体叫磁体。

2．每个磁体都有__________个磁极，即__________极和__________极。

3．自然界有一些物质，如__________，它们受到磁场作用后会带有磁性，这种现象叫__________。

4．磁铁之间存在力的作用，两个磁铁的__________性磁极相互排斥，__________性磁极相互吸引。

5．磁感应线是一些__________曲线。在磁体外部磁感应线是从__________极出发到__________极终止；在磁体内部是从__________极出发到__________极终止。

6．磁通是描述__________的物理量，单位是__________。

7．磁感应强度是描述__________的物理量，单位是__________。

8．感应电动；势是指__________产生的电动势,一般可以用__________判定它的方向。

9．通电直导线感应电动势的大小与__________、__________和__________有关,线圈的感应电动势大小与__________有关。

10．电磁铁是利用____________________原理做成的，发电机是利用______________________原理做成的，而电动机是利用____________________原理制成的。

11．工业应用的磁铁，都是通电线圈使铁心磁化现象的具体应用。试应用安培定则判定习题图2—1中线圈通电后磁极的极性，或根据磁极的极性判定电源的极性。

12．应用右手定则，判定习题图2—2的感应电动势方向、导线运动方向、磁场方向。

13．根据楞次定律和安培定则，判定线圈中感应电动势或感应电流的方向，见习题图2—3。

14．自感是在__________中产生感应电动势的现象，互感是在__________中产生感应电动势的现象。

15．说说在日常生活中，应用最多的自感是什么?

16．自盛电动势的威力巨大，你能有什么办法降低它产生的电压吗?

17．设计一个试验，测一测一群人中谁的反应最快?

第三章 正弦交流电路

18世纪中叶，有个叫欧拉的瑞士数学家。他在前人研究的基础上，取得了非常多的研究成就，共写下了886本书籍和论文，其中分析、代数、数论占。40％，几何占18％，物理和力学占28％，天文学占11％，弹道学、航海学、建筑学等占3％。在他之后的数学家拉格朗日、拉普拉斯，都把欧拉当导师。在数学中，欧拉首次提出很多现在还在使用的基本概念，如sin，cos，tan，word/media/image147.png，word/media/image148.png (word/media/image149.png)。

欧拉提出的正弦函数在当今的电气技术中，有很大的应用。因为现在我们这个世界上，几乎找不到与正弦方式输送无关的电能，几乎到处都能找到以正弦方式使用的电能。

实践证明，使用正弦规律是最聪明、最科学的。

§3—1 正弦交流电的产生

一、正弦交流电的特点种

第一章直流电路中所讨论的直流电；其电流(及电压、电磁势)的大小和方向是不随时间变化的。但是在生产实际中，除了应用直流电外，还广泛地应用交流电。所谓交流电是指电流(及电压、电动势)的大小和方向随时间的变化而变化。交变电流、交变电压和交变电动势统称为交流电。通常将交流电分为正弦交流电和非正弦交流电两大类。正弦交流电是指其交流量随时间按正弦规律变化。

人们经常用图形表示电流(及电压、电动势)随时间变化的规律，这种图形称为波形图，如图3—1所示。

图中横坐标表示时间，纵坐标表示不同时刻的交流量(电流、电压、电动势)值。从如图3—1b所示的波形图中可以看到，正弦交流电(如无特别说明都简称交流电)的特点是：

1．变化的瞬时性

正弦交流电的大小和方向时时刻刻都在变化。

2. 变化的周期性

正弦交流电每隔一定时间又作重复的变化。

3．变化的规律性

正弦交流电是随着时间按正弦规律变化的。

正弦交流电在工农业生产以及日常生活中应用广泛，是由于它具有便于远距离传输和分配，交流发电机结构简单、运行可靠、维修方便、节省材料、具有更低的电磁干扰等优点。

二、正弦交流电的产生

正弦交流电是由交流发电机产生的。如图3—2a所示是最简单的交流发电机示意图j它由定子和转子组成。定子有N，S两个固定磁极。转子是一个可以转动的钢质圆柱体，其上紧绕着一匝导线。导线两端分别接到两个相互绝缘的铜环上，铜环与连接外电路的电刷相接触。

当用原动机(如水轮机或汽轮机)拖动电枢转动时，由于运动导线切割磁感应线而在线圈中产生感应电动势。为了得到正弦波形的感应电动势，应采用特定形式的磁极，使磁极与电枢之间的空隙中的磁感应强度按下列规律分布：

第一，磁感应线垂直于电枢表面。

第二，磁感应强度B在电枢表面按正弦规律分布。

如图3—2b所示。在磁极中心位置处的磁感应强度最大，用word/media/image152.png表示；在磁性分界面处的磁感应强度为零。磁感应强度等于零的平面叫做中性面，如图3—2b所示的word/media/image121.png水平面。如线圈所在位置的平面与中性面成a角，此处电枢表面的磁感应强度为：

word/media/image153.png

当电枢在磁场中从中性面开始，以匀角速度word/media/image154.png逆时针转动时，单匝线圈的a、b边在磁场内切割磁感应线产生感应电动势。单匝线圈中产生的磁感应电动势为：

word/media/image155.png

如果线圈有N匝，则总的感应电动势为：

word/media/image156.png

当word/media/image157.png=90word/media/image158.png及word/media/image157.png=270word/media/image158.png时，感应电动势具有最大值，即：

word/media/image159.png

式中 word/media/image160.png——感应电动势最大值 (V)；

word/media/image161.png——线圈的匝数；

word/media/image162.png——最大磁感应强度(Wb/word/media/image106.png)；

word/media/image163.png——线圈的有效长度（m）

word/media/image164.png——导线运动速度（m/s）

将公式(3—3)代人公式(3—2)后，得：

word/media/image165.png

因为电枢在磁场中以角速度word/media/image154.png作匀速转动，在任意时刻线圈平面与中性面的夹角word/media/image157.png等于角速度word/media/image154.png与时间word/media/image7.png的乘积，即：

word/media/image166.png

因此，感应电动势的数学式又可以写成：

word/media/image167.png

这样就把感应电动势随角度变化转为随时间变化。为今后研究交流电正弦量提供了方便。同理，交流电压、交流电流可表示为：

word/media/image168.png

§3—2 正弦交流电的三要素

一、周期、频率、角频率

由如图3—1所示中的正弦交流电流波形图可以看出，它从零开始随时间延长而增至最大值，然后逐渐减到零；以后由零开始反向增至最大值，然后再回到零。这样，交流电流就变化一次。交流电就按照这样的规律做周而复始的变化，变化一次叫做一周。交流电变化一周所需要的时间叫做周期，用字母T表示，单位是秒(s)，较小的单位有毫秒(ms)和微秒(word/media/image169.png)。它们之间的关系为：

word/media/image170.png

周期的长短表示交流电变化的快慢l周期越小，说明交流电变化一周所需的时间越短，交流电的变化越快；反之，交流电的变化越慢。

频率是指在一秒钟内交流电变化的次数，用字母word/media/image148.png表示，单位为赫兹；简称赫，用Hz表示。当频率很高时，可以使用千赫(kHz)、一兆赫(MHz)、吉赫(GHz)：等。它们之间的关系为：

word/media/image171.png

word/media/image172.png

word/media/image173.png

频率和周期一样，是反映交流电变化快慢的物理量。它们之间的关系为：

word/media/image174.png

我国农业生产及日常生活中使用的交流电标准频率为50Hz。通常把50Hz，的交流电称为工频交流电。

交流电变化的快慢除了用周期和频率表示外，还可以用角频率表示。所谓角频率就是交流电每秒钟变化的角度，用字母word/media/image154.png表示，单位是rad/s(弧度/秒)。

周期、频率和角频率的关系是：

word/media/image175.png

二、瞬时值、最大值、有效值

正弦交流电(简称交流电)的电动势、电压、电流，在任袁

瞬间的数值叫交流电的瞬时值，用小写字母word/media/image133.png，word/media/image176.png，word/media/image177.png表示。

瞬时值中最大的值称为最大值。最大值也称为振幅或峰值。在波形图生，曲线的最高点对应的纵轴值，即表示最大值。用word/media/image160.png，word/media/image178.png，word/media/image179.png分别表示电动势、电压、电流的最太值。它们之间的关系为：

word/media/image180.png

由公式(3—9)可知，交流电的大小和方向是随时间变化的，瞬时值在零值与最大值之间变化，没有固定的数值。因此，不能随意用一个瞬时值来反映交流电的做功能力。如果选用最大值，就夸大了交流电的做功能力，因为交流电在绝大部分时间内都比最大值要小。这就需要选用一个数值，能等效地反映交流电做功的能力。为此，引人了交流电的有效值这一概念。

正弦交流电的有效值是这样定义的：如果一个交流电通过一个电阻，在一个周期内所产生的热量，和某一直流电流在相同时间内通过同一电阻产生的热量相等，那么，这个直流电的电流值就称为交流电的有效值。正弦交流电的电动势。电压、电流的有效值分别用字母word/media/image56.png，word/media/image47.png，word/media/image2.png表示。通常所说的交流电的电动势、电压、电流的大小都是指它的有效值，交流电气设备铭牌上标注的额定值、交流电仪表所指示的数值也都是有效值。今后在谈到交流电的数值时，如无特殊注明，都是指有效值。

理论计算和实验测试都可以证明，它们之间的关系为：

word/media/image181.png

三、相位、初相和相位差

在如图3—3所示中，两个相同的线圈固定在同一个旋转轴上，它们相互垂直，以角速度叫逆时针旋转。在AX和BY线圈中产生的感应电动势分别为word/media/image183.png和word/media/image184.png，如图3—4所示。

当t=0时，AX线圈平面与中性面之间的夹角word/media/image185.png=0word/media/image158.png，BY

线圈平面与中性面之间的夹角word/media/image186.png=90word/media/image158.png。在任意时刻两个线圈的感应电动势分别为：

word/media/image187.png

公式中，word/media/image188.png和word/media/image189.png是表示交流电变化进程的一个角度，称为交流电的相位或相角，它决定了交流电在某一瞬时所处的状态。word/media/image190.png=0时的相位叫初相位或初相。它是交流电在计时起始时刻的电角度，反映了交流电的初始值。例如，AX，BY线圈的初相分别是word/media/image185.png=0word/media/image158.png，word/media/image186.png =90word/media/image158.png。在word/media/image7.png=0时，两个线圈的电动势分别为word/media/image183.png=0，word/media/image191.png。两个频率相同的交流电的相位之差叫相位差。令上述word/media/image183.png的初相位word/media/image185.png=0word/media/image158.png，word/media/image184.png的初相位word/media/image186.png=90word/media/image158.png，则两个电动势的相位差为：

word/media/image192.png

可见，相位差就是两个电动势的初相差。

从如图3—5所示可以看到，初相分别为word/media/image185.png和word/media/image186.png的频率相同的两个电动势的同向最大值，不能在同一时刻出现。就是说word/media/image184.png比word/media/image183.png超前word/media/image194.png角度达到最大值，或者说word/media/image183.png比word/media/image184.png滞后word/media/image194.png角度达到最大值。

综上所述，一个交流电变化的快慢用频率表示；其变化的幅度，用最大值表示；其变化的起点用初相表示。

如果交流电的频率、最大值、初相确定后，就可以准确确定交流电随时间变化的情况。因此，频率、最大值和初相称为交流电的三要素。

例题1 已知两正弦电word/media/image183.png=1OOsin(100word/media/image195.pngword/media/image196.png60word/media/image158.png)V，word/media/image184.png =65sin(100word/media/image195.pngword/media/image196.png30word/media/image158.png) V，求各电动势的最大值、频率、周期、相位、初相及相位差。

解：

（1）振幅

word/media/image197.png word/media/image198.png

（2）频率

word/media/image199.png

（3）周期

word/media/image200.png

（4）相位

word/media/image201.png

（5）初相

word/media/image202.png word/media/image203.png

（6）相位差

word/media/image204.png

§3—3 正弦交流电的表示法

正弦交流电的表示方法有三角函数式法和正弦曲线法两种。它们能真实地反映正弦交流电的瞬时值随时间的变化规律，同时也能完整地反映出交流电的三要素。

一、三角函数式法

正弦交流电的电动势、电压、电流的三角函数式为：

word/media/image205.png

若知道了交流电的频率、最大值和初相，就能写出三角函数式，用它可以求出任一时刻的瞬时值。

例题2 已知正弦交流电的频率word/media/image148.png=50 Hz，最大值word/media/image178.png=310 V，初相word/media/image194.png=word/media/image206.png。求word/media/image7.png=1/300 S时的电压瞬时值。

解：

电压的三角函数标准式为：

word/media/image207.png

则其电压瞬时值表达式为：

word/media/image208.png

将t=0.01 s代人上式

word/media/image208.png

word/media/image209.png

二、正弦曲线法-波形法

正弦曲线法就是利用三角函数式相对应的正弦曲线，来表示正弦交流电的方法。

在如图3—6所示中，横坐标表示时间word/media/image7.png或者角度word/media/image210.png，纵坐标表示随时间变化的电动势瞬时值。图中正弦曲线反映出正弦交流电的初相word/media/image194.png=0。word/media/image133.png最大值word/media/image160.png，周期T以及任一时刻的电动势瞬时值。这种图也叫做波形图。

§3—4 单相交流电路

在直流电路中，电路的参数只有电阻R。而在交流电路中，电路的参数除了电阻R以外，还有电感L和电容C。它们不仅对电流有影响，而且还影响了电压与电流的相位关系。因此，研究交流电路时，在确定电路中数量关系的同时，必须考虑电流与电压的相位关系，这是交流电路与直流电路的主要区别。本节只简单介绍纯电阻、纯电感、纯电容电路。

一、纯电阻电路

纯电阻电路是只有电阻而没有电感、电容的交流电路。如白炽灯、电烙铁、电阻炉组成的交流电路都可以近似看成是纯电阻电路，如图3—7所示。在这种电路中对电流起阻碍作用的主要是负载电阻。

加在电阻两端的正弦交流电压为word/media/image176.png，在电路中产生了交流电流word/media/image177.png，在纯电阻电路中，龟压和电流瞬时值之间的关系，符合欧姆定律，即：

word/media/image212.png

由于电阻值不随时间变化，则电流与电压的变化是一致的。就是说，电压为最大值时，电流也同时达到最大值；电压变化到零时，电流也变化到零。如图3—8所示。纯电阻电路中，电流与电压的这种关系称为“同相”。

通过电阻的电流有效值为：

word/media/image214.png

公式3—14是纯电阻电路的有效值。在纯电阻电路中，电流通过电阻所做的功与直流电路的计算方法相同，即：

word/media/image215.png

二、纯电感电路

纯电感电路是只有电感而没有电阻和电容的电路。如由电匪很小的电感线圈组成的交流电路，都可近似看成是纯电感电路，如图3—9所示。

在如图3—9所示的纯电感电路中；如果线圈两端加上正弦交流电压，则通过线圈的电流word/media/image177.png也要按正弦规律变化。由于线圈中电流发生变化，在线圈中就产生自感电动势，它必然阻碍线圈电流变化。经过理论分析证明，由于线圈中自感电动势的存在，使电流达到最大值的时间，要比电压滞后90word/media/image158.png，即四分之一周期。也就是说，在纯电感电路中，虽然电压和电流都按正弦规律变化，但两者不是同相的，如图3—10所示，正弦电流比线圈两端正弦电压滞后90word/media/image158.png，或者说，电压超前电流90word/media/image158.png。

理论证明，纯电感电路中线圈端电压的有效值word/media/image47.png，与线圈通过电流的有效值之间的关系是：

word/media/image217.png

word/media/image218.png是电感线圈对角频率为叫的交流电所呈现的阻力，称为感抗，用word/media/image219.png表示，即：

word/media/image220.png

式中 word/media/image219.png——感抗(word/media/image16.png)；

word/media/image148.png——频率(Hz)；

word/media/image19.png——电感(H)。

感抗是用来表示电感线圈对交流电阻碍作用的物理量。感抗的大小，取决于通过线圈电流的频率和线圈的电感量。对于具有某一电感量的线圈而言，频率越高，感抗越大，通过的电流越小；反之，感抗越小，通过的电流越大。收音机中的高频扼流圈不让高频电流通过，只让低频电流通过，就是这个道理。在直流电路中，由于频率为零，故线圈的感抗也为零，线圈的电阻很小，可以把线圈看成是短路的。

例题3有一电感为0.1 mH的线圈，分别接在电压word/media/image47.png=0.1 V，频率为word/media/image221.png=1 000 Hz，word/media/image222.png =1 MHz的两个交流电源上。求两种情况下通过线圈的电流。

解：

当word/media/image221.png=1 000 Hz时，感抗为：

word/media/image223.png

word/media/image224.png

当word/media/image222.png=1 MHz时，感抗为：

word/media/image225.png

word/media/image226.png

结论：同一个电源电压、同一个电感，交流电频率差1 000倍，word/media/image219.png差1 000倍，电流差1 000倍!

三、纯电容电路

电容器是由两个金属板中间隔着不同的介质(云母、绝缘纸等)组成的。它是存放电荷的容器。电容器中的两个金属板叫电

容器两个极板。如果把电容器的两个极板分别与直流电路两端连接，如图3—11所示，则两极板间有电压，在极板间建立了电场。在电场力作用下，驱使自由电子运动，使两个极板分别带上数量相等符号相反的电荷。与电源正极相连的极板带正电荷，与电源负极相连的极板带负电荷。实验证明，极板上存有电荷word/media/image5.png越多，则极板间的电压word/media/image47.png越高，二者成正比。因此，将电容器的电量word/media/image5.png与极板间电压的比值叫做电容器的电容量，简称电容，用字母word/media/image228.png表示，即：

word/media/image229.png

式中 word/media/image5.png——下任意极板上的电量 (C)；

word/media/image47.png——两极板间的电压(V)；

word/media/image228.png——电容量(F)

当电容器极板间电压为l伏，极板上电量为1库仑，则电容器的电容量为1法拉，简称法，用字母F表示。在实际应用中，由于法拉单位过大，所以经常使用微法(word/media/image230.png)和皮法(word/media/image231.png)为电容的单位，它们之间的关系为：

word/media/image232.png

word/media/image233.png

常用的电容器符号如图3—12所示。

电容器在电工和电子技术中应用广泛。如在电力系统中用它改善系统的功率因数，在电子技术中用它进行滤波、耦合、隔直、旁路、选频等。在这里只简单介绍电容在交流电路的作用。

纯电容电路是只有电容而没有电阻、电感的电路。如电介质损耗很小，绝缘电阻很大的电容器组成的交流电路。可近似看成纯电容电路。

在如图3—13所示的纯电容电路中，电容器接上交流电源。在电压升高的过程中，电容器充电，在电压降低的过程中，电容器放电。由于电容器端电压按正弦规律变化，致使电容器不断地进行充电、放电。于是在电路中形成按正弦规律变化的电流。理论分析证明：电路中电流达到同方向最大值的时间，比电容器的端电压超前90word/media/image158.png，即提前四分之一周期。也就是说在纯电容电路中，虽然电流与电压都按正弦规律变化；但两者的相位不同，如图3—14所示，纯电容电路中的电流超前电压90word/media/image158.png。

理论证明：在纯电容电路中，电容两端电压的有效值word/media/image47.png与电路电流有效值word/media/image2.png之间的关系是：

word/media/image236.png

1/word/media/image237.png是电容对角频率为word/media/image154.png的交流电所呈现的阻力，称为容抗，用word/media/image238.png表示，即：

word/media/image239.png

容抗是用来表示电容器对电流阻碍作用大小的一个物理量，单位是欧，用word/media/image16.png表示。容抗的大小与频率及电容量成反比。当电容器的容量一定时，频率越高，容抗越小，电流越大；反之，频率越低，容抗越大电流越小。在直流电路中，由于电流电频率为零，因此，容抗为无限大。这表明，电容器在直流电路中相当于开路。但在交流电路中，随着电流频率的增加，容抗逐渐减小。因此，电容器在交流电路中相当于通路。这就是电容器隔断直流，通过交流的原理。

例题4 有一个电容器的电容C=0.159，word/media/image230.png试求它在频率为50 Hz和1 MHz时的容抗。如果电源电压为100 V，求在频率为50 Hz和1 MHz时的电流。

解：

当word/media/image221.png=50 Hz时

word/media/image240.png

word/media/image241.png

当word/media/image222.png=1 MHz时

word/media/image242.png

word/media/image243.png

§3—5 三相交流电路

在单相交流电路的电源电路上有两根输出线，而且电源只有—个交变电动势。如果在交流电路中三个电动势同时作用，每个电动势大小相等，频率相同，但初相不同，则称这种电路为三相制交流电路。其中，每个电路称为三相制电路的一相。

三相制电路应用广泛，其电源是三相发电机。和单相交流电相比；三相交流电具有以下优点：

1．三相发电机比尺寸相同的单相发电机输出的功率大。

2．三相发电机的结构和制造与单相发电机相比，并不复杂，使用方便，维修简单，运转时振动也很小。

3. 在条件相同、输送功率相同的情况下，三相输电线比单相输电线可节约25％左右的线材。

一、三相电动势的产生

三相交流电是由三相发电机产生的，如图3—15所示是三相发电机的结构示意图。它由定子和转子组成。在定子上嵌入三个绕组，每个绕组叫一相，合称三相绕组。绕组的一端分别用U1，V1，W1表示，叫做绕组的始端，另一端分别用U2，V2，W2表示，叫绕组的末端。三相绕组始端或末端之间的空间角为120word/media/image158.png。转子为电磁铁，磁感应强度沿转子表面按正弦规律分布。

当转子以匀角速度word/media/image154.png逆时针方向旋转时，在三相绕组中分别感应出振幅相等，频率相同，相位互差120word/media/image158.png的三个感应电动势，这三相电动势称为对称三相电动势。三个绕组中的电动势分别为：

word/media/image245.png

word/media/image246.png

word/media/image247.png

显而易见，word/media/image249.png相绕组的word/media/image250.png比word/media/image47.png相绕组的word/media/image251.png落后120word/media/image158.png，word/media/image252.png相绕组的word/media/image253.png比V相绕组的word/media/image250.png落后120word/media/image158.png。

如图3—16所示是三相电动势波形图。由图可见三相电动势的最大值。角频率相等，相位差120word/media/image158.png。电动势的方向是从末端指向始端，即U2到U1，V2到V1，W2到W1。

在实际工作中经常提到三相交流电的相序问题，所谓相序就是指三相电动势达到同向最大值的先后顺序。在图中，最先达到最大值的是word/media/image251.png，其次是word/media/image250.png，最后是word/media/image253.png；它们的相序是U一V一W，该相序称为正相序，反之是负序或逆序，即W—V一U。通常三相对称电动势的相序都是指正相序，用黄、绿、红三种颜色分别表示U，V，W三相。

二、三相电源绕组的联结

三相发电机的每相绕组都是独立的电源，均可以采用如图3—17所示的方式向负载供电。这是三个独立的单相电路，构成三相六线制，有六根输电线，既不经济又没有实用价值。在现代供电系统中，发电机三相绕组通常用星形联结或三角形联结两种方式。但是，发电机绕组一般不采用三角形接法而采用星形接法。因此，这里只介绍星形接法。

将发电机三相绕组的末端U2，V2，W2连在一起，成为一个公共点，再将三相绕组的始端U1，V1，W1引出，接负载的三根输电线。这种接法称为星形接法或Y形接法，如图3—18所示。公共点称作电源中点，用字母N表示。从始端引出的三根输电线叫做相线或端线，俗称火线。从电源中点N引出的线叫做中线。中线通常与大地相连接，因此，把接地的中点叫零点，把接地的中线叫零线。

如果从电源引出四根导线，这种供电方式叫星接三相四线制；如果不从电源中点引出中线，这种供电方式叫星接三相三线制。

电源相线与中线之间的电压叫做相电压，在如图3—18所示中用word/media/image255.png，word/media/image256.png，word/media/image257.png表示，电压方向是由始端指向中点。

电源相线之间的电压叫做线电压，分别用word/media/image258.png，word/media/image259.png，word/media/image260.png 表示。电压的正方向分别是从端点U1到V1，V1到W1，W1到U1。

三相对称电源的相电压相等，线电压也相等，则相电压word/media/image261.png与线电压word/media/image262.png之间的关系为：

word/media/image263.png

公式(3一21)表明三相对称电源星形联结时，线电压的有效值等于相电压有效值的1.7倍。

三、三相交流电路负载的联结

在三相交流电路中，负载由三部分组成，其中，每二部分称为一相负载。如果各相负载相同，则叫做对称三相负载；如果各相负载不同，则叫做不对称三相负载。例如，三相电动机是对称三相负载，日常照明电路是不对称三相负载。根据实际需要，三相负载有两种连接方式，星形(Y形)联结和三角形(△形)联结。

1．负载的星形联结

设有三组负载word/media/image264.png，word/media/image265.png，word/media/image266.png，若将每组负载的一端分别接在电源三根相线上，另一端都接在电源的中线上，如图3—19，所示，这种连接方式叫做三相负载的星形联结。图中word/media/image264.png，word/media/image265.png，word/media/image266.png为各相负载的阻抗，N为负载的中性点：

由图可见，负载两端的电压称为相电压。如果忽略输电线上的压降，则负载的相电压等于电源的相电压；三相负载的线电压就是电源的线电压。负载相电压word/media/image261.png与线电压word/media/image262.png间的关系为：

word/media/image267.png

word/media/image268.png

星接三相负载接上电源后，就有电流流过相线、负载和中线。流过相线的电流word/media/image269.png，word/media/image270.png，word/media/image271.png叫做线电流，统一用word/media/image272.png表示。流过每相负载的电流word/media/image269.png，word/media/image270.png，word/media/image271.png叫做相电流，统一用word/media/image273.png表示。流过中线的电流word/media/image274.png叫做中线电流。

如果图3—19所示中的三相负载各不相同(负载不对称)时，中线电流不为零，应当采取三相四线制。如果三相负载相同(负载对称)时，流过中线的电流等于零，此时可以省略中线。如图3—20所示是三相对称负载星形联结的电路图。可见去掉中线后，电源只需三根相线就能完成电能输送，这就是三相三线制。

三相对称负载呈星形联结时，线电流word/media/image272.png等于相电流word/media/image273.png，即：

word/media/image277.png

在工业上，三相三线制和三相四线制应用广泛。对于三相对称负载(如三相异步电动机)应采用三相三线制，对于三相不列称的负载，如图3—21所示的照明线路，应采用三相四线制。

值得注意的是，采用三相四线制时，中线的作用是使各相的相电压保持对称。因此，在中线上不允许接熔断器t更不能拆除中线。

2．负载的三角形联结

设有三相对称负载word/media/image264.png，word/media/image265.png；word/media/image266.png，将它们分别接在三相电源两相线之间，如图3—22所示，这种连接方式叫做负载的三角形联结。

负载呈三角形联结时，负载的相电压word/media/image261.png就是电源的线电压word/media/image262.png，即：

word/media/image279.png

当对称负载呈三角形联结时，电源线上的线电流word/media/image272.png有效值与负载上相电流word/media/image273.png有效值有如下的关系：

word/media/image280.png

分析了三相负载的两种联结方式后，可以知道，负载呈三角形联结时的相电压是其呈星形联结时的相电压的1.7倍。因此，当三相负载接到电源时，究竟是采用星形连接还是三角形联结，应根据三相负载的额定电压而定。

§3—6 常用电气照明电路

在工农业生产及日常生活中使用广泛的照明灯具，有白炽灯、节能灯、日光灯、碘钨灯、高压汞灯和高压钠灯等。本节只简单介绍白炽灯、节能灯和日光灯等照明电路。

一、白炽灯照明电路

白炽灯一般是真空玻璃泡内包含灯丝的结构，因此白炽灯有时也称为灯泡。白炽灯要通过灯口与电路相接。历史上曾经有两种灯口形式：螺口式和卡口式。相对应的灯泡也有两种接口形式：螺口式和卡口式。由于卡口式的安全缺陷，国家标准中已经禁止生产和使用卡口式灯具。螺口式灯具如图3—23所示。灯丝是由高熔点钨丝绕制的。当灯丝流过电流时，根据电流热效应，使其发热到白炽程度而发光。

如图3—24所示是白炽灯照明电路。由图可知，只要将白炽灯和开关串接后再并接到电源上，就组成了照明电路。

应当指出，白炽灯安装时要注意下列事项：

1．应检查灯泡额定电压与供电电压是否一致。否则，灯泡不能正常工作。

2．安装螺口灯泡时，必须将火线经开关接到螺口灯头底座的中心接线端上，以防触电。

3．白炽灯与开关串接后再并接到电源上，火线应当进入开关，既能控制灯，又能保证安全。

4．白炽灯的安装应远离易燃易爆物质。

在安装白炽灯时，通常使用验电笔来判定电源火线。验电笔的构造如图3—25所示。验电时手要接触笔尾的金属体，笔尖接触电线或与之相连的插座、导体等，如图3—26所示。当笔中的氖管发光时，笔尖接触的就是火线。

二、节能灯照明电路

节能灯作为一种新型灯具，经过近十年的发展，已经形成了相当的产业规模，据有关部门统计，原来白炽灯应用空间的60％已经被节能灯具占有。之所以形成这种局面，是由于节能灯使用寿命长、耗电低的特性，一只5 W的节能灯可以达到25 W的白炽灯的照度，其平均使用寿命是白炽灯使用寿命的8倍。

节能灯的接口部分与白炽灯标准相同，可以互换使用。

节能灯的结构和工作原理与白炽灯有很大的不同。白炽灯是一种简单的电加热高温致光原理，而节能灯是借助电子技术，产生高频高压，进而使特种气体启辉发光。结构、原理的不同，导致性能的差异，也导致价格的不同，所以节能灯要贵一些。

节能灯与白炽灯安装注意事项一样，特殊提示一点，尽管节能灯有快速启辉的特点，但节能灯不适合在频繁开关的场合使用，否则会影响其使用寿命。在有调光要求的场合使用节能灯，会导致调光的不连续。

三、日光灯照明电路

日光灯照明电路由目光灯管、镇流器、．启辉器和灯脚架组成。如图3—27所示是日光灯电路。

日光灯管是一抽成真空后再充入少量氩气的玻璃管，在管子两端各装有一个通电时发射大量电子的灯丝。管内壁涂有荧光粉，管内还放有微量水银。

镇流器是一个铁心线圈。它有两个作用，一是产生较高的电压来点燃灯管，二是目光灯管点燃后用它来限制灯管电流。

启辉器的结构如图3—28所示，充有氖气的玻璃泡中封装有动触片与静触片，其中动触片是双金属片，受热时伸展与静触片相接触，冷却后恢复原状又与静触片分离。在动、静触片的引出端上并接一个容量较小的纸介质电容器。玻璃泡和电容器被封装在一个圆柱形的铝壳中。

日光灯不工作时，灯管的灯丝、镇流器、启辉器和开关是串联在一起的，如图3—27所示。当合上开关S后，220 V交流电压全部加在启辉器的动、静触片间而使之产生辉光(红色)放电。放电所产生的热量使双金属片伸展与静触片相接触，则此刻整个电路构成通路：就在电路被接通的瞬间，灯丝因流过电流而发射大量电子。同时，动静触片接触时，辉光消失。双金属片

因失去热源恢复原状与静触片脱离。此时，镇流器(铁心线圈)因突然断电而产生自感电动势，其方向与电源电压方向相同，自感电动势与电源电动势一起加在灯管两端。灯丝附近的电子在高压下加速运动，使管内的氩气电离而导电；进而使管内水银变为蒸气，水银蒸气也因被电离而导电，辐射出紫外线激励管内壁荧光粉发光。

第四章 变压器与三相异步电动机

变压器和交流电动机是比较耐用的电器，但这两种电器在具体的应用环境中，处于“顶天立地”的特殊地位。前者一般要给所有的设备供电，后者一般是最终的执行设备。特殊的地位，特殊的作用，往往受到特殊的关照。一个变压器出现问题，可能影响一家工厂的生产，一个社区的供电。作为使用者，应了解它们的特性，给予它们恰当的维护，使它们始终处于正常的工作状态。

§4—1 变压器的基本结构和工作原理

变压器是一种能改变交流电压而保持交流电频率不变的静止的电器设备。

在电力系统的送变电过程中，变压器是一种重要的电器设备。送电时，通常使用变压器把发电机的端电压升高。对于输送一定功率的电能，电压越高，电流就越小，输送导线上的电能损耗越小。由于电流小，则可以选用截面积小的输电导线，能节约大量的金属材料。用电时，又利用变压器将输电导线土的高电压降低，以保证人身安全和减少用电器绝缘材料的消耗。

通常超高压输电线上的电压可达500 kV(即50万伏)。但是，在工农业生产和日常生活中需要各种不同等级的交流电压。例如，应用广泛的三相异步电动机的额定电压为380 V或220 V，一般照明电压为220 1V，机床局部照明的额定电压为36 V、24 V或者更低，许多设备经常要求多种电压供电。所以在实际工作中，采用各种规格的变压器来满足不同的需要。变压器除了能改变交变电压外，还具有改变交流电流(如电流互感器)，变换阻抗(如电子电路中的输入，输出变压器)以及改变相位等作用。所以，变压器是输配电、电工测量和电子技术等方面不可缺少的电器设备。

一、变压器的基本结构

虽然变压器种类繁多，用途各异，电压等级和容量不同，但变压器的基本结构大致相同。最简单的变压器是由一个闭合的软磁铁心和两个套在铁心上又相互绝缘的绕组所构成，如图4—1所示。

绕组又称线圈，是变压器的电路部分。与交流电源相接的绕组叫做一次绕组，简称一次；与负载相接的绕组叫做二次绕组，简称二次，如图4-2所示。

铁心是变压器的磁路部分，

用厚度为0.35～0.5 mm时硅钢片叠戏。根据变压器铁心构造及绕组配置情况，变压器有芯式和壳式两种。如图4—3a所示是单相芯式变压器，采用口形铁心。一、二次绕组分别套在铁心上。如图4—3b所示是单相壳式变压器，常用的有山字形（E1）F形、日字形等铁心，如图4—4既示。

二、变压器的工作原理

如图4—5所示是单相变压器工作原理示意图。为了分析问题方便。规定：凡与一次有关的各量，在其符号右下角标以“1”，而与二次有关的各量，在其符号右下角标以“2”。如一、二次电压：电流、匝数及电动势分别用word/media/image288.png、word/media/image289.png，word/media/image290.png、word/media/image291.png，word/media/image292.png、word/media/image293.png，word/media/image294.png、word/media/image295.png表示。

当变压器一次接人交流电源以后，在一次绕组中就有交流电流流过，于是在铁心中产生交变磁通，称为主磁通。它随着电源频率而变化，主磁通集中在铁心内；极少一部分在绕组外闭合，称为漏磁通，它一般很小，可忽略不计。所以L可以认为一、二次绕组同时受主磁通作用。根据电磁感应定律，一、二次绕组都将产生感应电动势。如果二次接有负载构成闭合回路，就有感应电流产生。变压器通过一、二次绕组的磁耦合把电源的能量传送给负载。

1．变压器变压原理

设一、二次的匝数分别为word/media/image292.png和word/media/image293.png，忽略漏磁通和一、二次直流电阻的影响。由于一、二次绕组同时受主磁通的作用，在两个绕组中产生的感应电动势word/media/image183.png和word/media/image184.png的频率与电源的频率相同。若主磁通随时间的变化率为word/media/image136.png/word/media/image134.png，则由电磁感应定律可得一、二次绕组的感应电动势为：

word/media/image296.png

word/media/image297.png

变压器一、二次的端电压与感应电动势在数值上是近似相等的，所以在考虑了上面两个式子，以及不考虑相位关系，只考虑它们的大小，则可以得到一、二次电压有效值之间如下关系：

word/media/image298.png

式中 word/media/image288.png——一次交流电压的有效值(V)；

word/media/image289.png——二次交流电压的有效值 (V)；

word/media/image292.png——一次绕组的匝数；

word/media/image293.png—一二次绕组的匝数；

word/media/image299.png——一、二次的电压比，或称匝数比。

公式(4—1)表明变压器一、二次绕组的电压比等于它们的匝数出。当word/media/image299.png>1时，word/media/image292.png >word/media/image293.png，则word/media/image288.png>word/media/image289.png，这种变压器是降压变压器；当word/media/image299.png<1时，word/media/image292.png <word/media/image293.png，则word/media/image288.png<word/media/image289.png，这种变压器是升压变压器。因此，只要选择一、二次绕组的不同匝数比，就可以满足升压或降压的要求。

例题1 一台变压器的一次绕组接在10 kV的高压输电线上，要求二次绕组输出400 V电压，如果二次绕组的匝数为800匝。求变压器的电压比和二次绕组的匝数word/media/image293.png。

解：

根据公式(4—1)电压比为：

word/media/image300.png

则

word/media/image301.png

2．变压器变换电流原理

任何一种变压器在变压过程中只起能量传递作用，无论变换后的电压是升高还是降低，电能都不会增加，也不能减少。根据能量守恒定律；在忽略损耗时，变压器输出的功率word/media/image302.png应与变压器从电源获得的功率word/media/image303.png相等，即：

word/media/image304.png

或 word/media/image305.png

由此则有：

word/media/image306.png

公式(4—2)是变压器变换电流公式。此式说明变压器工作时，一、二次绕组的电流大小与一、二次韵电压或匝数成反比，或者为变压器电压比的倒数。实际上，变压器在改变电压的同时也改变了电流。电流互感器就是根据这二原理制成的。

例题2 在3 300 V的交流电路中接入一台变压器，若把电压降至为220 V，已知一次绕组的匝数是2 100匝，二次绕组接入的负载word/media/image99.png为10word/media/image16.png。求二次绕组的匝数和一、二次绕组中的电流?

解：

根据公式(4—1)得出变压器的电压比为：

word/media/image307.png

word/media/image308.png

根据欧姆定律得出二次绕组的电流为：

word/media/image309.png

由公式(4—2)可得出一次绕组中电流为：

word/media/image310.png

三、几种常见变压器

1．单相照明变压器

如图4—6 所示是一种常见的单相照明变压器：它由铁心和两个相互绝缘的线圈组成，一般为壳式。这种变压器的一次额定电压有220 V和880 V两种，二次电压多为36 V。在特殊危险场合使用时，二次电压为24 V或12 V。有的变压器二次电压为6 V，专供指示灯用。单相照明变压器经常为工厂内部的局部照

明灯具提供安全电压，以确保人身安全。

2．三相变压器

在工业生产中三相变压器应用较为广泛。所谓三相变压器实质上是三个容量相同的单相变压器组成的。如图4—7所示是三相变压器的示意图。在每个铁心柱上都绕着同一相的一次(即高压)绕组和二次 (即低压)绕组。

根据三相电源和负载的不同情况，

变压器一、二次绕组都可作Y形或△形联结。如图4—8所示是三相变压器的标准接线图。对于大容量的三相变压器多采用Y/△联结，即高压绕组为Y形联结，低压绕组为△形联结。这是因为Y形联结的相电压是线电压的1/word/media/image312.png，有利于线圈绝缘；而低压绕组呈△形联结，可使导线截面比Y形联结的小。对于容量不大且需要中线的变压器，多采用Y/word/media/image313.png联结，即高压绕组为Y形联结。word/media/image313.png表示低压绕组是Y形联结并接有中线。这种连接可使用户获得线电压和相电压两种电压，特别适用于动力和照明混合性质的负载。

3．自耦变压器

如图4—9所示是自耦变压器示意图。自耦变压器有一个环形铁心，线圈绕在铁心上，即只有一个绕组。一、二次绕组有一部分是公用的，也就是说高压绕组的一部分兼作低压绕组。它与一般变压器一样，一、二次的电压比等于一、二次的匝数比。二次电压的引出点是一个能沿着线圈的裸露表面自由滑动的电刷触头；改变触头的位置，就能得到需要的输出电压。

自耦变压器常用于实验室和交流异步电动机的降压启动设备中，它的最大特点是可以通过“调压”来获得所需要的电压。

四、变压器的主要技术数据

变压器的规格型号及其主要技术数据都标在它的铭牌上，作为使用变压器的重要依据。变压器的主要技术数据包括：额定电压、额定电流、额定容量和温升等。

1．额定电压

变压器一次的额定电压，是指变压器所用绝缘材料的绝缘强度所规定的电压值，二次额定电压是变压器空载时，一次加上额定电压后，二次两端的电压值。两个额定电压分别用word/media/image315.png，word/media/image316.png表示。单相变压器word/media/image315.png，word/media/image316.png是指一、二次交流电压的有效值，三相变压器word/media/image315.png，word/media/image316.png是指一、二次线电压的有效值。

2．额定电流

指变压器在允许温升的条件下，所规定的一、二次绕组中允许流过的最大电流，变压器飞二次电流分别用word/media/image318.png和word/media/image319.png表示。单相变压器word/media/image318.png和word/media/image319.png是指电流的有效值，三相变压器是指线电流的有效值。

3．额定容量

表示变压器工作时所允许传递的最大功率。单相变压器的额定容量是二次额定电压和额定电流之积；三相变压器的额定容量也是二次额定电压和额定电流之积(应为三相之和)。额定容量用字母S表示，单位是伏安(V·A)。

4．温升

温升是指变压器在额定工作时；允许超出周围环境温度的数值。它取决于变压器绝缘材料的耐热等级，见表4—1。

表4—1 绝缘材料耐热等级

五、变压器的使用要点

电工应用环境中的变压器，一般用于电能的高、低电压的变换。一台变压器往往为一个社区、一个工厂、一个车间、一套设备转换能源。它工作的自然环境、自身品质、所带负载的变化、保养的状况都可能影响其工作。变压器如出现小事故则影响工作，并可能报废设备。大型变压器出现事故，严重时可能发生爆炸，危及人身安全。

大型专用变压器都有专人进行维护、监管。一般相关人员只要注意变压器的外在特征变化，及时报告有关人员，履行告知即可。

正常工作的变压器，一般都有一些轻微的振动声音，有一定温升，没有气味。一旦振动声音明显增加，出现怪味、打火等特殊现象时，就必须及时报告并远离。

§4—2 三相异步电动机的用途和结构

一、电动机概述

电动机是把电能转换成机械能，并输出机械转矩的动力设备。现代各种机械广泛应用电动机来驱动。

一般电动机可分为直流电动机和交流电动机两大类。交流电动机按使用电源相数可分为单相电动机和三相电动机两种，而三相电动机又分同步式和异步式两种，异步电动机按转子结构不同又分成笼式和绕线式两种。

三相异步电动机结构简单、维修方便、运行可靠，与相同容量的其他电动机相比具有质量轻、成本低、价格便宜等优点。因此，被广泛用来做中、小型轧钢机、各种机床以及轻工机械和鼓风机的拖动部分。根据统计，国内有90％左右的电力拖动机械使用异步电动机，其中，小型异步电动机占70％以上。在电网的总负载中异步电动机的用电量占60％以上。

二、三相笼式异步电动机的基本结构

三相笼式异步电动机主要是由定子和转子两部分组成，如图4—10所示。

三相异步电动机的定子部分包括机座、定子铁心和定子绕组。机座用铸铁或铸钢制成。它支承着定子铁心。定子铁心由互相绝缘的硅钢片叠制而成，内圆有槽孔，定子绕组嵌在槽内，如图4—11所示。

定子绕组是定子的电路部分，由三相对称绕组组成。三相绕组的各相彼此独立，按互差120word/media/image321.png的电角度嵌放在定子槽内，并与定子铁心绝缘。定子绕组的首端分别用U1，V1，W1表示，而绕组的末端分别用U2，V2，W2表示。

转子由转子铁心、转子绕组和转轴等部分组成。转子铁心是由外圆有槽孔的硅钢片叠制而成，槽内放置铜条(或铸铝)。铁心两端分别用导电的端环将槽内的铜条连接起来，形成短接回路；如果去掉转子铁心，转子的结构与笼子相似，如图4—12所示。

绕线式异步电动机只是转子结构不同，它的转子是由绕组组成的，与定子绕组一样也是三相的。

§4—3 三相异步电动机的转动原理

一、演示实验

为子说明三相异步电动机的转子是怎样旋转起来的，先做二个演示实验。

如图4—13所示中有一个装有手柄的马蹄形磁铁，在磁极中间放置一个可以自由转动的导电的鼠笼转子，转子与磁极之间没有机械联系。当摇动手柄使马蹄形磁铁旋转时，就会看到鼠笼转子跟着磁铁旋转。手柄摇得越快，转子转得越快，若是改变磁铁的旋转方向，鼠笼转子的旋转方向也跟着改变。

由上述实验可知，转子转动的首要条件是要有一个旋转磁场。

二、定子旋转磁场的产生

实际的笼式异步电动机中，旋转磁场是由定子绕组中的三相交流电产生的。

如果三相异步电动机的定子铁心中放有三相对称绕组U1一U2，V1一V2，W1一W2，并呈星形(Y)联结，接人三相对称电源时，三相对称绕组中有电流通过，即：

word/media/image325.png

三相对称电流的波形图如图4—14所示。规定交流电正半周时，电流从绕组首端流人，尾端流出；负半周时，电流从绕组末端流入，首端流出。流人以符号word/media/image327.png表示，流出以符号 word/media/image328.png表示；当交流电流过三相绕组时，每相绕组都将产生一个按正弦规律变化的磁场，三相绕组的合成磁场随着时间的推移而不断改变方向形成旋转磁场，如图4—15所示。

当word/media/image210.png=0时，U相绕组电流word/media/image329.png=0；V相绕组电流word/media/image330.png为负半周，按规定电流是从末端V2流入，从首端V1流出；W相绕组电流word/media/image331.png为正半周，电流是从绕组首端W1流人，从末端W2流出。根据右手螺旋定则可以判定，互相电流的合成磁场的N极在正上方，S极在正下方，如图4—15a所示。

当word/media/image210.png=90word/media/image321.png时，word/media/image329.png为正半周；电流从绕组首端U1流人，由末端U2流出；V相和W相电流word/media/image330.png和word/media/image331.png都是负半周，电流分别从绕组末端V2和W2流人，从首端V1和W1流出。三相电流的合成磁场如图4—15b所示，可以看出合成磁场的轴线沿顺时针方向转了90word/media/image321.png。此刻，磁场的N极在右方，S极在左方。

当word/media/image210.png=180word/media/image321.png时，U相绕组电流word/media/image329.png=0；V相绕组电流word/media/image330.png为正半周，按规定电流是从首端V1流入，从末端V2流出；W相绕组电流word/media/image331.png为负半周，电流是从绕组末端W2流入，从首端W1流出。可以判定，量相电流的合成磁场的N极在正下方，S极在正上方，如图4—15c所示。三相电流的合成磁场的轴线又沿顺时针方向转了90word/media/image321.png。

从上面分析可知，当异步电动机定子绕组分别通人对称三相交流电后，在定子空间能产生一个随时间延续的旋转磁场。

在如图4—15所示中，每相定子绕组只有二个线圈，三相绕组的首端之间空间角相差120word/media/image321.png。合成磁场有两个磁极，也称一对磁极。对一对磁极来说，在三相交流电流变化一周时，磁场在空间旋转一周。当交流电流的频率为2 Hz，磁场转速为2 r/s；当交流电流频率为3 Hz时，磁场转速为3 r/s；以此类推，当交流电流的频率为word/media/image148.pngHz时，则磁场的转速为word/media/image332.pngword/media/image148.pngr/s。通常旋转磁场的转速都折合成每分钟多少转，这样一对磁极旋转磁场的转速(r/min)是：

word/media/image333.png

如果每相绕组由两个线圈串联组成，则每相绕组的首端之间相差60word/media/image321.png空间角。如图4—16所示，磁场有4个磁极，即有两对磁极。可以看到，交流电流变化一周只转过180word/media/image321.png。

以此类推，当旋转磁场具有任意磁极对数时，交流电流变化一周，旋转磁场在空间只能转过1/word/media/image334.png周，字母word/media/image334.png表示旋转磁场的磁极对数。因此，旋转磁场的转速咒，与交流电频率、磁极对数之间的关系为：

word/media/image335.png

式中 word/media/image336.png——旋转磁场的转速(也叫做同步转速)，r/min；

word/media/image148.png——三相交流电源的频率，Hz；

word/media/image334.png旋转磁场的磁极对数。

公式(4—3)表明旋转磁场的转速随磁极对数增加而降低。表4—2是电源频率为50 Hz时，相对应磁极对数的旋转磁场转速。

表4—2 电源频率为50 Hz时磁极对数与旋转磁场转速的关系

三、旋转磁场对转子的作用

定子中产生的旋转磁场将切割转子铜条，此时可以把磁场看成不动，而认为：转子相对于磁场运动。假设旋转磁场是顺时针方向旋转，那么转子相对于磁场，可看成是作逆时针方向转动，如图4一17所示。在转子铜条中产生感应电动势和感应电流，可用右手定则确定其方向。在转子上半部的铜条中，感应电流的方向指向读者，在转子下半部铜条中感应电流的方向背离读者。

转子中载有感应电流的铜条与旋转磁场作用，产生电磁力。根据左手定则判定：转子上顶部铜条所受的力是指向右方，下底部铜条所受的力是指向左方。这两个力大小相等，方向相反，构成电磁转矩，于是转子就跟随旋转磁场转动起来，这就是三相笼式异步电动机的转动原理。转子转速word/media/image299.png必定小于同步转速word/media/image336.png。如果，word/media/image339.png，则转子与旋转磁场之间没有相对运动，转子上的镉条不能切割磁感应线，就不会产生感应电动势和感应电流，也就不能形成电磁转矩，所以转子不能以同步转速运行。实际上，转子转速总是小于同步转速，即word/media/image340.png。也就是说，转子转速与旋转磁场的转速不同步，而是异步的，这就是异步电动机名称的由来。

正常运行时，转子的转速word/media/image299.png称为至相异步电动机的额定转速。比如有一种一对磁极的三相异步电动机，同步转速word/media/image336.png为3 000 r/min，正常运行时的额定转速word/media/image341.png为2 906 r/min。

转子的转动方向与旋转磁场的旋转方向是一致的。如果把按顺时针方向旋转叫做电动机的正转，那么就把按逆时针方向旋转叫做电动机的反转。旋转磁场的转向与通人定子绕组的三相交流电流的相序有关。如果把三相电源接到定子绕组首端的三根导线中的任意两相对调位置，旋转磁场则反转，电动机也就跟着改变转动方向。

§4—3 三相异步电动机的使用

一、启动

电动机接通电源后，转子转速从零达到稳定转速的过程，叫做启动。

启动时若加在电动机定子绕组上的电压是电动机工作时的额定电压，就称为全压启动，如图4—18所示。

在刚启动时，转子尚未转动，但旋转磁场已经产生。磁场以最大相对速度切割转子铜条，在铜条中产生很大的感应电流。与变压器的原理相似，定子绕组相当于变压器的一次，转子的铜条相当于变压器的二次。所以，在电动机启动瞬间，定子绕组中要出现很大的启动电流，一般全压启动时的启动电流是额定电流的4～7倍。电动机在不频繁启动时，启动时间很短；(只有1～3 s)，虽然电流很大，但对电动机影响不大。如果电动机启动频繁，由于热量积累，可使电动机过热，容易造成绝缘材料老化，缩短电动机的使用寿命。电动机启动电流过大；还会在短时间内造成供电线路电压降增大，使负载两端电压短时间下降。这样小但使电动机本身启动转矩减小，以至于启动不起来，还会影响同一供电线路上其他负载正常运行。若是三相电动机，由于电压下降，使转速降低，转矩减小，以至于带不动负载，而产生堵转现象。

在实际工作中要尽量避免电动机的频繁启动。如车削加工时，使用摩擦离合器或电磁离合器将主轴与电动机转轴分离，从而减少电动机的启动和停车，避免启动电流过大，影响电动机的使用寿命。

一般说来，笼式异步电动机额定功率小于7.5 kW，或者额定功率大于7.5 kW且小于供电电源容量的20％，都可以采用全压启动。

如果线路不允许电动机全压启动，则采用降压启动的方式来限制启动电流。降压启动是利用启动设备将电压适当降低后，加到电动机定子绕组上进行启动，待电动机启动以后，再使电压恢复到额定值。降压启动适用于空载或轻载下启动。

常见的降压启动方法有4种：-在定子绕组中串联电阻(或电抗器)的降压启动、自耦变压器降压启动、延边三角形降压启动、星形(Y)一三角形(△)变换降压启动。

二、反转

在生产上常需要电动机反转，如图4—19所示。当开关向上合时，电动机正转。当开关向下合时，把接在电动机上的三相电源的U相和V相进行对调，改变定子绕组中三相交流电流的相序，因此，旋转磁场改变了转向≯电动机即可实现反转。

三、制动

制动就是在电动机切断电源后，给它一个与转动方向相反的转矩，使它很快地减速或停车。如起重机的吊钩需要立即减速或停车以达到准确定位，万能铣床主轴迅速停转等，都需要制动。

制动的方法一般有机械制动和电力制动两大类。

机械制动是利用机械装置，使电动机在切断电源后，达到迅速停转的方法。使用较普遍的有电磁抱闸，如图4—20所示。

电磁抱闸的工作原理如下：当接通电源后，电磁抱闸的线圈得电而吸引衔铁，克服了弹簧的拉力，迫使杠杆向上移动，使闸瓦和闸轮分开，此时电动机启动，正常运转。一旦电动机的电源被切断，-电磁抱闸的线圈也同时失电。于是衔铁被释放，在弹簧拉力的作用下，闸瓦紧紧抱住闸轮，电动机被迅速制动而停车。

电磁抱闸方法在起重机械中被广泛采用，这种制动方法不但可以准确定位，而且在电动机突然断电时，还可以避免重物自行掉落而产生事故。

电力制动常用的方法有反接制动和能耗制动。

反接制动是依靠改变输入电动机的电源相序，使定子绕组产生反向旋转磁场，从而使转子受到与原来转动方向相反的转矩，而迅速停转。采用反接制动必须注意，当制动到转子转速接近零时，应及时切断电源，否则电动机将反向运行。

能耗制动是电动机脱离电源后，立即向它的定子绕组通人直流电流，就能使电动机制动，这种方法制动平稳，定位准确。

四、三相笼式异步电动机的铭牌数据

目前我国已经推广使用Y系列三相异步电动机。现在以Y132M2—4为例，介绍铭牌数据。

1．型号

Y系列电动机型号由4部分组成，第二部分汉语拼音字母Y表示异步电动机，第二部分数字表示中心高(转轴中心至安装平台表面的高度)；第三部分英文字母为机座长度代号(S表示短机座、M表示中机座，L表示长机座)，字母后的数字为铁心长度代号(1一短铁心，2一长铁心)，横线后的数字为电动机的极数；第四部分为特殊环境代号，没标符号者表示电动机只适用于普通环境，W表示用于户外环境，F表示用于化工防腐环境。

2．功率

铭牌上所标出的功率是在额定运行情况下，电动机转轴上输出的机械功率，又叫容量，通常用word/media/image345.png或word/media/image302.png表示，单位是瓦(W)或千瓦(kW)。

3．额定频率

指电动机在额定运行时的电频率，我国规定工频为50 Hz。

4．额定电压

指电动机额定运行时加在定子绕组上的线电压值，单位是伏(V)

5．额定电流

指电动机在额定运行时定子绕组的电流值，单位是安(A)。

6．额定转速

指电动机在额定运行时电动机的转速，单位是r/min。

7．工作方式：

也称为定额，是指电动机的运转状态H分连续、短时、断续等三种。“连续”是指电动机在额定运行情况下长期连续使用，用word/media/image346.png表示；“短时”是指电动机在限定时间内短期运行，用word/media/image347.png表示，“续”是指电动机以间歇方式运行，用word/media/image348.png表示。

8．接线

指定子绕组的连接方式，有星形接法和三角形接法两种。使用时根据铭牌标志正确连接。如图4—21所示，笼式三相异步电动机的接线盒有6根引出线，标有U1，V1，W1，U2，V2，W2，其中，U1，U2是第一相绕组的两端，V1，V2是第二相绕组的两端，W1，W2是第三相绕组的两端。

9．绝缘等级

指绝缘材料的耐热等级，通常为7个等级。

此外，三相异步电动机的主要技术数据还有功率因数、效率、启动电流、启动转矩和最大转矩等，但不在铭牌上标出，可从产品目录中查得。

五、三相异步电动机使用要点

三相异步电动机是一种比较耐用的电动机种类，但由于它是机电一体的设备，以及由于使用频度、工作环境、保养程度的原因，故障比较多发。作为直接的使用者，要熟悉使用要点，及时告知有关人员设备状况，保证设备安全、正常工作。

1．过于频繁的启、停，正、反转，会影响使用寿命及导致过载。

2．电动机内部不正常的声音，都是故障的表现，处理不及时，都会导致电动机的灾难。电动机缺相运行、连续过载、轴承等机械故障，都会伴有不正常声音，应及时采取相应措施。

3．当电动机发出怪味时，应及时检查，防止故障扩大。

§4—5单相异步电动机

单相异步电动机被广泛用于工业设备和日常生活上。例如，民用电风扇、洗衣机、脱水机、电冰箱、家用空调器等，都是用单相异步电动机作动力。单相异步电动机的功率较小，一般为几瓦至几百瓦。

单相异步电动机的定子绕组是单相的，转子通常是笼式。当交流电流通过定子绕组时，电动机内产生交变磁通，该磁通的方向是时而垂直向上，时而垂直向下，是一个脉动磁场。也就是说，单相定子绕组产生的磁场不是旋转磁场，因而转子不能自行转动起来。

为了使它能自行转动，通常在电动机的定子铁心上，再装一个启动绕组。如图4—22所示是单相电容式异步电动机原理图。它的定子绕组有两个，一个是工作绕组A1A2(又叫主绕组或运行绕组)，一个是启动绕组B1B2 （又叫副绕组)。A1A2与BlB2在空间互成90word/media/image321.png，在启动绕组中串接一个适当的电容器。

当电动机与电源接通后，各绕组就分别通入交流电流，A1A2绕组中电流word/media/image352.png。要滞后电源电压，而B1B2绕组串有电容器，电流word/media/image353.png要超前电源电压。如果电容器的容量选择适当，可使电流word/media/image352.png与word/media/image353.png之间具有90word/media/image321.png的相位差，如图4—23a所示。此时，电动机定子绕组就产生一个旋转磁场，如图4—23 b所示。笼式转子在旋转磁场的作用下，就随着旋转磁场而转动起来。

实际使用时，注意电容器是一个故障多发元件。更换时，应选用与原电容器容量相同、耐压等级不低于原件的电容器。

习 题

1．变压器是利用__________原理制成的。

2．变压器除了能改变__________外， 还具有__________、__________和__________等作用。

3. 变压器的电压比由__________决定，变压器的一、二次电压之比等于变压器的__________。

4．当需要获得连续变化的交流电压时，可以选用__________。

5. 通常大型动力变压器一般都是__________相结构，小功率的电源变压器、照明变压器一般是___________相结构。

6. 与其他种类的电动机相比，三相异步电动机具有__________、__________和_________等优点，使用极为广泛。

7．作为一般使用人员，应注意大型动力变压器的__________，如变压器的__________、__________和__________等。一旦有明显的变化，应履行__________义务。

8．电动机外壳的铁肋是用于__________，使用时应注意保持__________。

9. 三相异步电动机正常使用时，它的转速主要由电动机的__________决定，受负载变化的影响不大。

10．电动机的启动是指——的过程。全压启动是指____________________的启动方式。三相异步电动机全压启动时的启动电流会很高，可能达额定电流的__________倍，为了避免这种冲击电流导致的不良影响，必要时须采用___________。

11．降压启动是指__________的启动方式。适用于__________场舍，常用的降压启动方式主要有__________、___________和__________四种。

12．三相异步电动机的反转可以通过改变____________的方法实现。

13．电动机的制动是指____________________的过程。常用的方法有__________、__________和__________等。

14．单相交流电动机一般都有__________套绕组，用于__________和__________。

15．画出三相异步电动机的接线端子图，并分别表示出电动机接成星形和三角形的联结方法。

16．三相异步电动机的使用者，应注意什么事项?

17．变压器一次接在word/media/image288.png=220 V的电源上，已知二次电压word/media/image289.png=20 V，如果二次匝数word/media/image354.png=120匝，问一次匝数是多少?

18．有-单相变压器，一次电压word/media/image288.png为3 300 V，二次电流word/media/image291.png为60 A，变压比为15。求二次电压word/media/image289.png和一次电流word/media/image290.png各为多少?

19．有一变压器一次电压为6 600 V，二次电压为220 V。如果在二次接一电阻炉，其额定电压为220 V，功率为40 kW。问该变压器的一、二次电流各为多少?

第五章 简单机床电路

很多人习惯说，做电工的人，做得时间越长越胆小。为什么呢?原因可能是与电的特点有关。电看不见，却摸得着，不小心就可能触电。电路检修以后，首次通断电都是由电工完成。正常则可，不正常时，即使有二次在他的脸边手下，“嘭”的一个大火球，不受伤，也够记一辈子的。直接操纵大电流的通断是有危险的。

但是现在有很多技术，让电工及设备操作员，摆脱了直接在手底下操作大电流的通、断。这种技术可以用小至几个微安的电流，控制数千安培电流的通、断。采用这种技术后，即使有短路等故障，操作者也不必冒着被电弧烧伤的危险：

这种技术可以是复杂的电力电子技术，但更常见的是继电接触器控制技术。继电接触器控制技术是使用极为广泛的以弱控强、远距离(遥)控制的技术，它使操作者安全、轻松、快速、可靠地控制电路的通断：本章将介绍继电接触控制的最基本原理与应用。

§5—1 常用低压电器

低压电器一般指工作电压低于1 000 V的电器。

机床常用低压电器在机床控制电路中主要起通断、控制、保护、调节等作用。

低压电器分为手动电器和自动电器两类。手动电器是由工作人员手动操作的，这类电器包括刀开关、组合开关、铁壳开关和按钮等。自动电器是按照指令、信号或某个物理量的变化而自或动作的。这类电器有各种继电器、接触器等，还有起保护作用能电器，如熔断器等。

一、开关

开关通常是指用手操纵，对电路进行接通或断开的一种控制电器。

1．刀开关

它是一种应用广泛、结构简单的手动电器。刀极数目有二极和三极两种，如图5—1a所示是二极刀开关的结构图及符号。在瓷质底座上装有静插座，安装熔丝的接头和带瓷质手柄的闸刀等。胶盖罩住刀片和静插座，当电源被切断时，它能熄灭刀片和静插座之间产生的电弧，防止电弧烧伤操作人员。

安装刀开关时应将电源线接在静插座上，将用电器接在刀开关的出线端。这样在分闸时，刀片和熔丝不会带电，以保证装换熔丝和维修用电器的人员安全。

刀开关主要用于接通和切断电路或隔离电源。常用的刀开关有word/media/image356.png，word/media/image357.png系列胶盖瓷底刀开关，它们的额定电压为交流380 V，额定电流有15 A，30 A和60 A三种。

长期使用的刀开关，刀口部分易被电弧灼伤，严重灼伤的刀开关应及时更换。应正确使用熔断器(见后面单元)，如果出现熔断器连接部分、导线连接部分氧化、烧黑的部分，要进行清理，必要时进行更换。

严禁在没有盖好开关盖的情况下，接通或断开有负载电路。操作刀开关时不能动作迟缓，犹豫不决。动作越慢，越容易出电弧，影响开关使用寿命，容易出危险。

2．铁壳开关

铁壳开关又叫负荷开关。如图5—2所示，铁壳开关主要由动闸刀、速断弹簧、刀座、操作手柄、熔断器等组成。将这些元件装在一个铁壳内，所以称为铁壳开关。速断弹簧能迅速将动闸刀从刀座拉开，使电弧迅速拉长而熄灭。在操作手柄一侧的铁壳边上有一凸肋，它的作用是当开关接通时，铁壳盖不能打开；而铁壳盖打开时，开关不能合闸，以保证安全。安装时，铁壳应可靠接地对以防意外漏电引起操作者触电。长期使用的铁壳开关应注意触头的使用状况，触头状况不佳，可能导致被控电动机缺相运行，烧坏电动机：

铁壳开关实质上也是刀开关，它可以用28 kW以下的电动机直接启动控制，也可用作电源隔离开关或负荷开关。常用的铁壳开关有HH3系列，额定电压为交流440 V，额定电流有15 A，30 A，60 A，100 A和200 A等几种。

3．组合开关

组合开关是一种结构紧凑的手动开关，又叫手动转换开关。它的种类很多，如图5—3所示是HZ10—25/3型三级组合开关。三极组合开关共有6个静触头和3个动触头；静触头的一端固定在胶木边框内，另一端伸出盒外，并附有接线螺钉，以便和电源及用电器相连接。从如图5—3b，c所示可见三个动触片装在绝缘垫板上，并套在方轴上，通过手柄可使方轴作90word/media/image321.png正反向转动，从而使动触片与静触片保持接通。

组合开关在机床控制电路中，经常作电源引人开关。它可以用于直接启动5.5 kW以下的小功率笼式电动机，或用作正、反转换开关等，也可以控制局部照明线路；常用的HZ10系列普通类型组合开关的额定电压为交流380 V，额定电流有10 A，25 A，60 A，100 A四种，极数有1～4极4种。

4．按钮

按钮也是一种手动开关，用于控制电动机或机床控制电路的接通或断开。

按照按钮的用途和触头配置，可把按钮分为常开的启动按钮、常闭的停止按钮和复合按钮三种，如图5—4所示。按钮在松手停按后，一般都自动复位。

复合按钮有两对触头，桥式动触头和上部两个静触头组成一对常闭触头，又和下部两个静触头组成一对常开触头。按下按钮时，桥式动触头向雨移动，先断开常闭触头，然后闭合常开触头，停按后，在弹簧作用下自动复位。复合按钮如果只使用其中一对触头，即成为常开的启动按钮或常闭的停止按钮。常用按钮为LAl9和LA-10系列，除单只按钮外，还有双连和三连按钮。按钮的额定电压为交流380 V，触头额定电流为5 A。LA19一11型按钮帽中还装有指示灯，可以用灯亮与不亮来表示电路某种工作状态。

按钮一般通过按钮帽螺钉，固定在操作面板上，使用时注意螺钉一旦松动，及时拧紧，防止按钮被按人面板内，导致失控及内部短路。

二、接触器

接触器是一种自动的电磁式开关。它通过电磁力作用下的吸合和反向弹簧力作用下的释放，使触头闭合和分断，导致电路的接通和断开。接触器是电力拖动中最主要的控制电器之一。接触器分为直流和交流两大类，结构大致相同。这里只简单介绍交流接触器。

如图5—5a所示是交流接触器的结构图。它主要由电磁铁和触头两部分组成。电磁铁包括静铁心、线圈和动铁心等，其中静铁心与线圈固定不动，动铁心又称衔铁，可以移动。触头由桥式动触头和静触头组成，桥式动触头和电磁系统的动铁心通过绝缘支架固定在一起。

如图5—5b所示是交流接触器的工作原理图。当按下按钮时线圈得电，静铁心产生电磁力，将动铁心吸合，带动桥式动触头向下移动，使之与静触头接触。这时电动机与电源接通，电动机启动运转。当松开按钮时线圈断电，I电磁力消失，在反向弹簧力作用下，动、静触头分离，自动切断电动机的电源，电动机停转。因此，只要控制线圈的通、断电，就可以使接触器的触头开闭，从而达到控制主电路的接通或切断。

接触器的触头有主触头和辅助触头两种。通常主触头有三对，它的接触面积较大；并有灭弧装置，能通过较大的电流。主触头在电路中，控制用电器的启动与停止。

接触器的常态是线圈没有通电时触头的工作状态。此时，处于断开的触头称为常开触头，处于闭合的触头称常闭触头。常态时，主触头是常开的，辅助触头有常开与常闭两种形式。

接触器的符号。(见图5—5c)。主触头、辅助触头和线圈接在不同电路中，所以在电路图经常分开画出。辅助触头符号用一段的常开触头和常闭触头符号表示，如图5—5c右侧所示。主触头符号由一般常开触头符号加接触器功能符号组成，如图5—5c左侧所示。图5—5c中间是表示线圈的符号。

如图5—5d所示是交流接触器的剖面图。

接触器一般直接控制电动机等设备的动力电源电路。主触头受电弧影响，使用寿命较短，应定期检查监视触头使用情况。避免由于触头问题，导致不能停车、缺相不能启动、电动机缺相运行等。禁止接触器在没有灭弧罩的情况下负载工作。正常工作的接触器有轻微的振动声，一旦发出连续的较强的振动声，应及时通知专业人员。

三、热继电器

电动机在运行过程中，由于长期负荷过大，频繁启动或者缺相运行等，都可能使电动机定子绕组的电流超过额定值，这种现象叫做过载。此时，熔断器并不熔断，定子绕组将发热，温度升高，使绕组的绝缘材料损坏，严重时烧毁电动机。热继电器就是用来作过载保护的电器。

热继电器是利用电流热效应而制作的继电器。使用热继电器时，应将热元件的电阻丝串接在主电路中，将常闭触头串接在有接触器线圈的控制电路中。如图5—6所示是热继电器的工作原理图。热元件是一段电阻不大的电阻丝，串接在主电路中。双金属片2由膨胀系数不同的两种金属辗压而成，上层金属的膨胀系数小，下层金属的膨胀系数大。当负载电流超过额定值时，双金属片2受热产生足够的膨胀，向上弯曲，使扣板3脱扣，弹簧4拉下扣板，使常闭触头5断开。触头5与接触器线圈串联，所以线圈断电，主触头断开，负载停止工作。

由于双金属片有热惯性，因而热继电器不能做短路保护。当出现短路事故时，要求电路立即断开，而热继电器却不能马上动作。但是，热继电器的热惯性；也有一定好处。例如，电动机启动或者短时过载，热继电器不会立即动作，这样就避免了电动机不必要的停车。热继电器复位时，按下复位键6即可。

四、熔断器

熔断器是一种简单而有效的保护电器，主要用于保护电源免受短路的损害。熔断器串联在被保护的电路中，在正常情况下相当于一根导线。当发生短路或严重过载时，电路电流超过额定值，熔丝或熔片因过热而熔断，自动切断电路。

熔体是熔断器的主要元件，一般用低熔点铅锡合金做成熔丝，大电流电路中使用的熔体是用铜银制成的薄片。在熔体熔断时将会产生强烈的电弧，熔化金属飞溅，会烧伤人身或引起电路事故。因此，熔体要装在外壳里面组成熔断器。

常用的熔断器为螺旋式，它的形状与结构如图5—7 a，b所示。熔断器的表示符号

如图5—7c所示。

word/media/image364.png系列螺旋式熔断器的额定电压为500 V，额定电流为2 A，4 A，6 A，…，200 A等。熔丝额定电流、熔断电流与线径有关，具体数值见表5—1。

表5—1 部分铅锡合金(铅95％，锡5％)熔丝的额定电流和熔断电流

选择熔断器的容量时，应根据电路的工作情况而定。对于工作电流稳定的电路，如照明、电热等电路，熔体额定电流应等于或稍大于负载工作电流。在异步电动机直接启动电路中，启动电流可达到额定电流的4～7倍，此时熔体额定电流应是电动机额定电流的2.5～4倍。

熔断器发生熔断时，尤其是熔丝爆断时，切忌不加分析直接更换熔丝，或更换更大容量的熔丝，马上投入使用。熔丝的熔断主要是电路的故障导致的，应确认排除故障，才可通电继续工作。

§5—2 机床的几种控制线路

一、点动控制线路

如图5—8所示是接触器点动控制线路。这种控制线路的特点是按下按钮，电动机就转动，松开按钮，电动机就停转，所以叫做点动控制线路。电动葫芦的起重电动机控制，车床拖板箱快速移动的电动机控制等，都采用点动控制线路。

如图5—8所示的电气线路可分为两部分，一是由三相电源L1，L2和L3经熔断器FU1和接触器的三对主触头KM到三相异步电动机电路，是动力电路又称主电路。二是由熔断器FU2、按钮SB和接触器线圈KM组成的控制电路，又称辅助电路。该线路的工作原理如下：

1．准备使用时先合上开关S。

2．启动与运行

按下SBword/media/image62.png线圈KM得电word/media/image62.png三对主触头KM闭合(电源与负载接通)word/media/image62.png电动机M启动、运行。

3．停止

松开SBword/media/image62.png线圈KM失电word/media/image62.png三对主触头KM断开(电源与负载断开)word/media/image62.png电动机M停转。

二、看懂机床控制线路的基本要领

为了便于掌握机床控制线路，下面介绍一些识图的基本要求。

1．电气原理图

用以表达机床控制线路工作原理的是电气原理图。电气原理图是根据电气作用原理用展开法绘制的，不考虑电气设备和电气元件的实际结构及安装情况，只作研究电气原理与分析故障用。它能清楚地指出电流的路径、控制电器与用电器的相互关系和线路的工作原理。

所谓展开法，就是把某个电气设备的一条或数条电路按水平或垂直位置画出，按照电路的先后工作顺序一一排列起来，然后接到电源上。一般将主电路画在图样左边或上部，把控制电路画在图样的右边或下部。这种画法可把同一电气的部件分开，分别画在主电路和控制电路的相应部位，但要用同一符号表示。如图5—8所示，接触器的主触头在主电路中，而接触器的线圈在控制电路中，但是都用KM符号表示，说明它们是同一电气的部件。这样使得主电路与控制电路容易区别，便于单独对主电路与控制电路的各自工作过程，及它们的相互联系进行分析。各电气触头的位置是电路没有通电或电气未受外力的常态位置，分析控制线路工作时应从触头的常态位置进行。

2．看图的基本原则

看图时，先分析主电路，然后研究控制电路，以及控制电路对主电路的控制作用。

主电路在电气原理图的左边或上部，表示该电路通过电流较大，是给负载供电的电路，并受控制电路的控制。

控制电路在电气原理图的右边或下部，表示该电路通过的电流较弱。控制电路是给控制电器供电的电路，又是控制主电路动作的电路。

(1)分析主电路。分析主电路应注意如下内容。

1)要搞清楚主电路的负载是什么，有几个。知道负载的特点、用途、接法方式和具体要求。

2)要知道用电器是用什么电气控制的，这样才能更好地了解用电器的工作过程。

3)了解主电路中的保护元件和电气。

4)最后要看电源是380 V，还是220 V，以及供电设备等。

(2)分析控制电路。分析控制电路应注意如下内容。

1)看电源是交流电源还是直流电源，是从什么地方接来的，电压等级是什么。一般从主电路的一根相线和中线接来的是单相220 V，从两根相线接过来的是单相380 V。若是从控制变压器上接来的，目前常用的电压值有l27 V，36 V，6.3 V等：有时也采用直流电源。

2)看清楚控制电路的结构是由什么电气元件组成，根据控制电路分析主电路的动作情况。

3)知道各电气元件之问的相互联系。电路中所有的电气元件都不是孤立的，而是相互联系的。在电路中有时是用甲电气去控制乙电气，再用乙电气去控制丙电气。所以要了解它们的相互联系，知道动作的次序，才能清楚控制电路的控制作用。

最后还要看看是否还有其他电路，如机床照明电路等。

三、接触器自锁控制线路

在点动控制线路中，电动机运行时操作人员的手必须始终按下按钮，否则电动机就要停转。若要求电动机长时间连续运转，是不适宜的。可采用如图5—9所示的接触器自锁控制线路。这种线路的主电路与如图5—8所示的点动控制线路相同，不再重述。但在控制电路中增加一个常闭停止按钮SB1，在常开启动按钮SB2的两端，并联了接触器的一对常开辅助触头KM。

接触器自锁控制线路的工作原理如下：

1．准备

使用时先合上开关S。

2．启动

按下SB2使其常开触头闭合word/media/image62.png线圈KM得电

word/media/image62.pngword/media/image367.pngword/media/image62.png电动机M启动运行

当松开SB2，其常开触头恢复分断后，因为接触器的常开辅助触头KM仍然闭合，将SB2短接，控制电路仍保持接通状态，所以接触器线圈KM继续得电，电动机能持续运转。

这种松开启动按钮后，接触器能够自己保持得电的作用叫做自锁，与启动按钮并联的接触器一、对常开辅助触头叫做自锁触头。

3. 停止

按下SB1使其常闭触头立即分断word/media/image62.png线圈KM失电

word/media/image62.pngword/media/image368.pngword/media/image62.png电动机M断电停转

当松开SB1；其常闭触头恢复闭合后，因接触器的自锁触头KM在切断控制电路时已经分断，停止了自锁，这时接触器线圈KM不可能得电。要使电动机重新运行，必须进行重新启动。

接触器自锁控制线路另一个重要特点是具有欠压和失压保护作用。当电源电压低于额定电压85％时，称为欠压，由于某种原因突然断电，称为失压。在工作过程中，出现欠压或失压时，接触器电磁铁的吸力将减弱或消失，接触器的触头将恢复常态，电动机停转，同时机床的运动部件也停止运行：车削刀具被卡在工件上，若没有自锁保护时，一旦恢复正常供电，电动机自行启动，将会造成设备损坏和人身伤害事故。

采用这种接触器自锁控制线路，由于自锁触头与主触头在欠压或失压时同时断开。即使供电恢复正常，控制电路也不能接通，电动机不会自行启动。操作人员可以从容地将卡住的刀具退出，重新启动机床。

四、接触器联锁的正反转控制线路

大多数生产机械的运动部件，往往要求正反两个方向运动。如铣床主轴正转和反转，起重机的提升或下降，磨床砂轮架的起落等，都需要电动机正反转来实现。要想改变异步电动机的转向，必须将接在定子绕组三相电源的任意两根相线对调。

如图5—10所示是接触器联锁的正反转控制线路。使用了两个接触器KM1、KM2，分别控制电动机的正转和反转。从主电路可以看出，两个接触器主触头所接通的电源相序不同，KM1按L1—L2一L3接线；KM2按L3一L2一L1接线，所以能改变电动机的转向。相应地有两个控制电路，由按钮SB2和线圈KM1等组成正转控制电路；由按钮SB3和线圈KM2组成反转控制电路。

该控制线路的工作原理如下：

1．准备

使用时先合上开关S。

2．正转控制

按下SB2word/media/image62.png线圈KM1得电word/media/image62.png

word/media/image370.png

3. 停车

按SB1word/media/image62.pngword/media/image371.pngword/media/image62.pngword/media/image372.png

4. 反转控制

按SB3word/media/image62.png线圈KM2得电word/media/image62.png

word/media/image373.png

从上面分析可以看到，当正转控制电器工作时，反转控制电路中串接的常闭辅助触头KM1是分断的，使接触器KM2不能得电，电动机不能反转。同样，在反转控制电路工作时，正转控制电路中串接的常闭辅助触头KM2，是分断的，使接触器KM1不能得电，电动机也不能正转。就是说，正转控制电路与反转控制电路不能同时得电，主触头KM1和KM2不能同时闭合，否则将造成电源两相短路事故。尽有接触器KM1失电复位后，接触器KM2才能得电；同样，只有接触器KM2失电复位后，接触器KM1才能得电。这种相互制约的作用称为联锁(或互锁)，所有的常闭辅助触头称为联锁触头(或互锁触头)。由于联锁双方是接触器，所以把这种控制方式叫做接触器联锁。

该控制线路还采用热继电器作过载保护，其热元件FR串联在主电路电。当主电路电流超过额定值时：热元件FR发热使双金属片弯曲，将扣板脱扣，把控制电路中热继电器常闭触头FR分断，控制电路失电，线圈KM1或KM2失电，主触头分断，电动机停转，这样就起到了过载保护作用。若重新启动，应按下热继电器复位键，使常闭触头FR复位；以保证控制电路的接通。

如图5一10所示控制线路不足之处是改变电动机的转向时，必须先停车，再启动，对操作者不够方便。

为了解决这个问题，可增设按钮联锁。如图5—11所示为双重联锁的正反转控制线路。它采用复合按钮，将正转启动按钮SB2的常闭触头串接在反转控制电路中，同样将反转控制电路中的启动按钮SB3的常闭触头串接在正转控制电路中。图中虚线相连的为同一按钮的另外一对触头。这样便可以保证正、反转两条控制电路不会同时被接通。

如图5一11所示。在按下SB2时，其常闭触头先行分断，断开反转控制电路，使接触器KM2失电释放，电动机停转。与此同时SB2常开触头闭合，接通正转控制电路，使接触器KM1得电动作，电动机正转。同样，按SB3时，先行断开正转控制电路，使电动机停转，与此同时，接通反转控制电路，使电动机反转。这种线路兼有接触器联锁和按钮联锁的优点，操作方便，安全可靠且反转迅速，因此，应用广泛。

五、C620—1型车床控制线路

如图5—12所示是C620一1型车床控制线路。动力电路由电源开关S1、主轴电动机电路和冷却液泵电动机电路组成。控制电路由主轴电动机控制电路、冷却液泵电动机控制电路、照明电路等部分组成。

动力电路有两台三相异步电动机，M1是车床主轴电动机，M2是冷却液泵电动机，由接触器KM控制，它们都接在主触头KM的一侧。冷却液开关S2，通常放在常开的位置。M1与M2分别接有热继电器FR1和FR2，经过熔断器FUZ接至开关S1。

车床主轴控制电路由三相电源L1和L2相供电。由串联的热继电器FR1和FR2的常闭触头，与接触器线圈KM相联，再接启动按钮SB2及并联的自锁触头KM、停止按钮SB1。

冷却液泵电动机由负荷开关S2控制。

机床照明电路中，EL是车床照明灯，S3是照明灯开关，TR是380 V/36 V变压器，照明灯由变压器副边供给36 V安全电压。

该线路的卫作原理如下：

1．准备

工作时先合上开关S1。

2．启动

按下SB2word/media/image62.png线圈KM得电word/media/image62.png

word/media/image376.png

3．停止

按下SB1word/media/image62.png线圈KM失电word/media/image62.png

word/media/image377.png

4．照明

由S3控制EL灯的工作。

电路中各保护作用部分不再重述，请自己分析。

工作结束时，应依次拉开S2，S3，S1等开关。

习 题

1. 继电接触器控制技术是使用极为广泛的__________、__________的技术。

2．低压电器一般指工作电压低于__________的电器。

3．机床常用低压电器在机床控制电路中主要起____________________等作用。

4．使用刀开关时，严禁在__________的情况下接通或断开有负载电路。操作刀开关时要__________，不能动作迟缓，犹豫不决。动作越慢，越容易__________，越影响开关使用寿命，越容易出危险。

5．按钮一般通过__________固定在操作面板上，使用时注意一旦松动，要及时加固，防止按钮被按入面板内，导致__________。

6．接触器主触头受__________影响，使用寿命较短，应定期检查监视触头使用情况。

7．接触器主触头出现问题，可能导致__________、__________和__________等问题。

8．禁止接触器在__________情况下控制负载工作。

9．正常工作的接触器有轻微的振动声，一旦__________，应及时通知专业人员。

10．电动机在运行过程中，由于长期负荷过大、频繁启动、缺相运行等原因，都可能使电动机定子绕组的电流超过额定值，这种现象叫做__________。

11．热继电器是用于保护____________________的，熔断器用于保护__________。

12．什么生产机械常采用点动控制线路?这种控制线路的特点是什么?

13．结合图5—9简述自锁作用。

14．三相异步电动机正、反转控制线路是根据__________原理设计的?

15．结合图5—10，说明联锁的使用目盼。

16．结合图5—11，说明双重联锁好处。

17. 画图说明自锁触头和互锁触头在控制线路中各是怎样连接的?

18．叙述C620一1型车床控制线路的启动、停止工作过程。

第六章 安全用电

安全问题无小事。安全用电是用电环境中永恒的话题，永远的任务。掌握必要的安全用电知识，可以使自己避免触电的危险，关键时还可以帮助别人，保护财产。

§6—1 触 电

一、触电事故

机床是将电能转换为机械能的生产设备。机床配电线路与机床紧密相连，装配时电气应具有良好的绝缘设置，但长期工作的绝缘材料容易发生老化或破损，造成漏电。人体不慎接触或接近带电体会发生触电。

人体接触或接近带电体，而引起局部受伤或死亡的现象称为触电。

按人体受伤害的程度，触电可分为电伤和电击两种。电伤是

指人体外部受伤，如电弧灼伤，与带电体接触后的皮肤红肿，大电流下熔化金属飞溅烧伤皮肤等。电击则是指人体内部器官受损伤的现象。电击是电流流过人体而引起的，人体常因电击而死亡，所以它是最危险的触电事故。电击伤人的程度，与流过人体电流的频率、大小、途径、持续时间长短以及触电者本身的情况有关。实践证明，频率为25～300 Hz的电流最危险，随着频率的增加，危险胜减小。人体通过1 mA的工频电流，就有麻木的感觉，电流大于50 mA，就会有生命危险，100 mA的工频电流则足以致人死亡。电流通过心脏和大脑易发生死亡事故，所以头部触电或左手到右脚触电最危险。另外，人体通电时间越长，危险性越大。

通过人体的电流大小与触及的电压、人体的电阻有关。人体电阻与触电部位皮肤表面的干湿情况，接触面积的大小及身体素质有关。人体电阻各不相同，通常人体电阻约800欧至几万欧。若人体电阻为１ kword/media/image16.png，触及50 V工频电源，流过人体电流为50 mA，就有生命危险。所以国家规定安全电压额定值等级为42 V，36 V，24 V，12 V，6 V。但必须注意，42 V或36 V并非绝对安全，在充满导电粉末、相对湿度较高或酸碱蒸气浓度大等情况下，可能发生触及36V电压而死亡的事故。在上述情况下，必须使用24V或更低等级的电压。

除上述两种触电情况外，还有高压电弧触电和跨步电压触电。高压电弧触电是人体接近高压带电体时，由于两者电位差很大而引起电弧，使人触电伤亡。

当高压线破断落地时，以高压线为中心在其周围形成一个强电场，如图6一1所示。当人或牲畜走入断线点8 m以内的电场时，由于前后脚之间有较高的电压引起触电，这种触电称为跨步触电。

二、触电原因及方式

常见的触电原因有三个方面：一是缺乏电气知识，如用潮湿的手去开关电灯。接触电气，或者发现有人触电时，不去迅速拉断电源，直接去拉触电者而造成触电；二是违章操作，明知不准带电操作，而冒险进行，结果触电受伤或死亡；三是输电线或电气设备的绝缘老化或破损，造成漏电，人体触碰时造成触电事故。触电方式有两种，一是人体直接与正常带电体接触。如图6—2a所示，在三相四线制配电中，人的手触及一根相线时称为单相触电。这时人体处在相电压下，电流从人手经过全身，由脚经地回到电源中线，这是十分危险的。如果脚与地面橡胶绝缘，则回路电阻增加，电流减小，危险性会大大减小。若身体出汗或赤脚着地，回路电阻减小，危险性增加。

在三相三线制的配电线路中，没有中线，但输电线与大地之间存在电容，交流电也能形成通路。二只手触及任一相线时，能形成单相触电，如图6—2所示。

在三相电路中若人体与两根相线接触，如图6一3所示为两

相触电。此时，人体在线电压作用下，危险性变大。

另一种触电方式是与正常工作的不应带电的金属部分接触而触电。例如，电动机金属外壳。由于定子绕组绝缘损坏，漏电绕组与外壳相碰，人体触及电机金属外壳时，会使人体触电，如图6—4所示。

§6—2 安全用电措施

一、常用安全用电措施

安全用电的基本原则是不接触低压带电体，不靠近高压带电体。常用的安全用电措施如下：

1．火线必须进开关

在开关处于分断状态时，用电器就不带电，有利于维修和避免触电。

2．合理选择照明电压

一般工厂和家庭照明选用220 V电压供电。机床照明决不允许选用220 V电压供电：而应选36 V以下电压供电。

3．合理选择导线和熔丝

导线通过电流时，不允许过热，所以导线的额定电流应比实际电流大些。而熔丝在电路中起保护作用，要求电路短路时熔丝能迅速熔断，应选比额定电流稍大的熔丝来保护较大电流的电路。

4．电气设备应有一定的绝缘电阻

电气设备金属外壳与通电线圈之间必须有一定的绝缘电阻，否则当人体触及正在工作的电气设备。(如电动机、电风扇)的金属外壳时，就会触电。通常要求固定电气设备的绝缘电阻不应低于1 Mword/media/image16.png，可移动的电气设备绝缘电阻应大于1 Mword/media/image16.png。

5．电气设备的安装要正确

电气设备应根据安装说明书进行安装。带电部分应加防护罩，高压带电体更应注意有效防护，使一般人无法靠近高压带电体。必要时应加联锁装置以防触电。

6．采用各种保护用具

如绝缘手套、绝缘鞋、绝缘钳、棒、垫等，以保证工作人员安全操作。在家庭中可使用干燥的木质桌凳、玻璃、橡皮等做保护用具，保证人身安全。

7．正确使用移动电具

使用手电钻等移动电具必须戴绝缘手套，调换钻头时应切断电源。

8．严禁违章冒险

一般不允许带电操作，紧急情况急需处理带电电气时要用右手，将左手放在口袋中，以减少电伤害程度。

9．正确使用、遵守安全标志要求

现在企业用电比较规范，重要场合都有明显的标志，要养成正确使用、遵守安全标志要求的习惯。安全标志有如下几个种类：

禁止类：禁止合闸，有人工作；

禁止攀登，高压危险；

禁止合闸，线路有人工作；

允许类：在此工作；

提示类：由此向下；

警告类：止步，高压危险。

二、电气设备的保护接地和保护接零

在正常情况下电气设备的金属外壳是不带电的。但在绝缘损坏时外壳就会带电。为保证人体触及漏电设备金属外壳不会触电，通常都采用保护接地或保护接零的安全措施。

1．保护接地

把电动机、变压器、铁壳开关等不带电的金属外壳或构架与大地做可靠的连接，称作保护接地。通常采用深埋在地下的角铁、钢管作为接地体。接地电阻不得大于4word/media/image16.png。

保护接地适甩于1 000 V以上的电气设备以及电源中线不直接接地的1 000 V以下的电气设备。如图6—5所示，电动机采用了保护接地。这样即使人体触及漏电的电气设备的金属外壳也不会触电；因人体电阻比接地体电阻大得多，两者并联，则漏电电流几乎全部经接地电阻流人大地，从而保证了人身安全。

所有涉及人身安全的设备，都应采取可靠的接地保护。

2．保护接零

将电气设备在正常情况下，不应带电的金属外壳或构架与供电系统中的零线连接，叫做保护接零，如图6—6所示。

保护接零适用于三相四线制中线接地系统中的电气设备。接零后若电气设备的某相因破损而漏电时，叫做该相短路。短路电流立即将熔断丝烧断或采取其他保护电器动作，切断电源以避免触电危险。

如图6—7所示是单相用电器(如电风扇、洗衣机)使用的三脚插头和三孔插座。插头的正确接法是把用电器会属外壳用导线接在插头的2号插脚上。单相用电器保护接零时，必须注意把用电器的金属外壳用导线直接与保护零线相连，而绝不允许将金属外壳直接与用电器零线相连，如图6—8所示。如图6—8b所示是单相用电器保护接零的错误接法，这种接法一旦零线熔丝熔断，用电器的金属外壳就带电，将会造成人体触电。

三、安全用电十不准

1．不准带电移动电气设备。

2．不准赤脚站在地面上带电作业。

3．不准挂钩接线。

4．不准使用三危线路。三危线路是指对地距离不符合要求的“拦腰线、地爬线、碰头线”。

5．所有进行电气操作及值班工作人员不准喝酒。

6．不准带负荷拉刀闸。停电时先拉分开关再拉总开关，送电时则顺序相反。

7．对电气知识一知半解者，要严加管理，不准玩弄电气设备或乱拉乱接线。

8．照明不准一线一地制。

9．不准约时停、送电。

10．不准私设电网。未经公安及主管部门批准，任何单位和个人私设电网都是违法行为。

§6—3 电气事故及紧急处理

一、触电急救

1．触电解救

凡遇到触电者，救护人员要采取最快的办法使触电者迅速脱离电源。如果距离电源开关或插座较近，当立即切断电源或者用干燥的竹竿或木棒打掉带电体使触电者脱离电源；救护者也可用绝缘钳或戴绝缘手套、穿绝缘鞋，将触电者拉离电源。千万不能赤手去拉触电者!

2．紧急救护

在触电者脱离电源后，应立即进行现场紧急救护并及时报告医院。当触电者还未失去知觉时，应将他抬到空气流通的地方休息，不能让他乱走乱动。当触电者出现心脏停搏、无呼吸等假死现象时，应在现场采用人工呼吸或胸外挤压法进行抢救。决不能给休克者注射强心针剂。

人工呼吸法适用于有心跳但无呼吸的触电者，如图6—9所示。

首先将触电者仰卧在平地上，鼻孔朝天颈后仰。然后清理口鼻腔的阻塞物使其通畅，解扣松衣使触电者身体放松。做人工呼吸时，要捏住触电者鼻子，贴嘴吹气；松开鼻子让废气从鼻、口排出。每隔3～5 S重复一次。

胸外挤压法适用于有呼吸但无心跳的触电者。具体操作方淮如图6—10所示。触电者仰卧在平地上，松扣解衣，救护者把一只手的中指对准凹膛，手掌平铺前胸，然后掌根用力下按，迫使心脏血液流出心房。突然松手，让血液流回心房。每隔1 S重复一次。

当触电者既无呼吸又无心跳时，可同时采用人工呼吸法和胸外挤压法进行急救。

二、对电气设备做好监护

机床的电气控制线路或电器在运行过程中。往往会产生一些故障，如电动机不能启动或停车，甚至发生电动机烧毁等事故。事故发生之前通常都有异常现象。如果操作人员能及时觉察并采取措施，就可以避免事故发生，做到安全生产。

做好运行中的监护工作，首先必须熟悉电动机或电气的性能，才能分辨它们在运行中出现的症状是否异常。监护工作是通过操作人员的感官进行的，一般方法是听、闻、看、摸。

1．听

就是注意电动机和电气的声响是否正常。如电动机正常运行时发出均匀轻微声，过载时出现“嗡嗡”声，轴承损坏时出现“喀喀”声；交流接触器正常动作时发出“叭哒”声，出现故障时，听不到声音或出现抖动声。

2．闻

就是注意电动机和电气在运行中是否出现怪味。正常情况下是没有怪味的，如闻到焦臭味，可能是电动机或电气绕组的绝缘材料将要烧损。

3．看

就是观察电动机和电气运行中是否有冒烟或打火现象。若有这种现象可能是绕组正在烧损，或者接头有松断处。此外，还要观察电动机运行中有无振动现象。

4．摸

就是触摸电动机和电气外壳温度是否正常。如果过热，可能是电动机或电气绕组烧损前的征兆，应立即停车检修。

注重运行中的监护工作，可及时发现异常现象，采取适当措施，找有关人员进行检查和修理。这样可以减少事故，特别是可以避免严重事故的发生。

三、电火警的紧急处理

发生电火警时，最重要的是立即切断电源，然后救火，并及时报警。

没有确切知道电源是否被切断时，决不能用水或普通灭火器灭火，因为万一电源未被切断，就会造成触电。可选用四氯化碳灭火器、砂土等灭火。也可用二氧化碳灭火器灭火，但使用时应注意，不要喷射到人的皮肤或脸上，以防冻伤和使人窒息。

救火时不要随便扯动电线或触及电气设备。抢运物品时，要留心地上的电线。

四、防雷击的安全措施

通常在高大建筑物或在雷区的每个建筑物的顶部，安装避雷针来预防雷击。对于使用室外电视机或收录机天线的用户，应装避雷器或防雷用转换开关。在正常天气时将天线接人室内，在雷雨前将天线转接到接地体上；以防由天线引人雷击。

在雷雨天气人们尽量少外出走动，更不要在大树下避雨，不应站在高处，而应蹲在低处且两脚并拢。

习 题

1．人体接触或接近带电体，而弓l起局部受伤或死亡的现象称为__________。

2．按人体受伤害的程度，触电可分为__________和__________两种。

3．高压电弧触电是指______________________________。

4．跨步电压触电是指______________________________。

5．发生电火警时，最重要的是立即__________，然后__________，并及时__________。

6．对电气设备做好监护的四字要诀是__________。

7．触电解救是指______________________________，触电急救是指______________________________。触电急救一般有__________和__________两种办法。

8．受电击者在__________情况下，使用人工呼吸法施救；在__________情况下，使用胸外挤压法施救，在__________情况下，使用两种方法施救。

9．请写出五种以上安全用电措施。

10．画图说明保护接地和保护接零两种保护措施的接线方法。

11．列出五种以上用电禁忌。

《电工基础知识》

建议课时安排

说明：章节习题中带*的为选做题，教师可根据学生的程度酌情安排。

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