交直流电路和磁路的基本知识

交、直流电路和磁路的基本知识蔡永飞2013年3月6日培训大纲•一、电流、电压、电位及电动势基本概念•二、欧姆定律、基尔霍夫定律•三、正弦交流电三要素、瞬时值、最大值、有效值•四、正弦交流电功率及功率因数概念及计算方法•五、三相交流电相电压、线电压、相电流、线电流概念及计算方法•六、电与磁的基础知识一、电流、电压、电位及电动势基本概念1、电荷的定向移动称为电流，电流的方向规定以正电荷移动的方向为电流方向，电流的大小取决于在一定时间内通过导体截面的电荷量的多少，通常规定单位时间内通过导体横截面的电量称为电流，用I表示：I=q/tI：通过导体的电流单位：Aq：t秒内通过导体横截面的电量单位：Ct：电流通过导体的时间单位：S国际单位制中，电流的单位为安（A），在表示比较大或较小的电流时，也用千安（kA）、毫安（mA）、微安（μA）。它们的数学换算关系为：1kA=103A1A=103mA1mA=103μA1kA=103A=106mA=109μA电流分为两大类：直流电流、交流电流直流电流：方向不随时间变化的电流。交流电流：大小和方向随时间改变的电流。2、电压在图所示电路中，正电荷从高电位端流向低电位端必然要受到电场力的作用，也就是说电场力对正电荷做了功。电压就是衡量电场力做功本领大小的物理量。电压的大小反映电场力做功能力的强弱，电场力把单位正电荷从电场中A点移到B点所做的功称为A、B两点间的电压，用UAB表示。ABWUQ习惯规定电场力移动正电荷做功的方向为电压的实际方向，即高电位指向低电位。3、在电子电路中，为了便于分析，一般取电路中某一点作为参考点，认为这个点的电位为零，那么其它点到参考点的电压就是该点的电位，某一点的电位在数值上等于电场力将单位正电荷从该点移动到参考点所做的功。在国际单位制中，电压的单位为伏（V），当计量比较大或较小电压时，可以用千伏（kV）、毫伏（mV）、微伏（μV）。它们的数学换算关系是：1kV=103V1V=103mV1mV=103μV1kV=103V=106mV=109μV电动势的方向是从低电位端指向高电位端，这同时也反映了电源力移动正电荷的方向；而电压的方向是从高电位端指向低电位端，反映了电场力移动电荷的方向。根据做功类型的不同，把电源外部的电路称为外电路，而把电源内部的电路称为内电路，合称为全电路。WEQ4、电动势电动势就是反映电源内部电源力（即非电场力）做功能力的物理量，它的大小反映电源力做功能力的大小，用E表示。二、欧姆定律、基尔霍夫定律1、欧姆定律欧姆定律指出：“通过导体的电流I与加在导体两端的电压U成正比，与导体的电阻R成反比。”欧姆定律表达式为：UIR2、基尔霍夫定律支路：电路中的一个分支称为一条支路，它的特点是每一条支路流过同一电流。节点：电路中三条或者三条以上的支路相汇集的点称为节点。回路：在复杂电路中，由两条或两条以上支路组成的闭合的电路称为回路。（1）基尔霍夫电流定律（KCL）基尔霍夫电流定律也称节点电流定律，其内容是：“在任一瞬间，对电路的任一节点，流入该节点的电流之和等于流出该节点的电流之和。”其数学表达式为：∑Ii=∑Io如果规定流入节点的电流为正，流出节点的电流为负；这个定律内容是：在任一时刻，对电路中的任一节点，所有电流的代数和为零。数学表达式为：∑I=0便于大家理解基尔霍夫电流定律，如下图所示电路是网络电路的一部分，已知电流I1=2A，I2=4A，I3=7A，试求图中的电流I4【解】I1+I2-I3+I4=02+4-7+I4=0I4=1A（2）基尔霍夫电压定律（KVL基尔霍夫电压定律也称回路电压定律，内容指出：“在任一时刻，沿电路任一闭合回路，所有支路电压的代数和恒等于零。”其数学表达式为：∑U=0一般把负载放在等式的左边，把电源放在等式的右边。∑IR=∑E便于大家理解基尔霍夫电压定律如下图所示为一电路的其中一部分，已知电源电动势E1=16V，E2=4V；电阻R1=3Ω，R2=5Ω，R3=2Ω，R4=10Ω；电流I1=1A，I2=4A，I3=3A，试求图中的电流I4。【解】I1R1+I2R2-I3R3-I4R4=E1+E21×3+4×5-3×2-10×I4=16+4I4=-0.3A交流电:大小和方向都周期性变化、在一个周期上的函数平均值为零。正弦交流电:按正弦规律变化的交流电。瞬时值最大值初相位最大值角频率初相位i=Imsin(ωt+ψ)角频率ImOiωtψ正弦交流电的三要素正弦交流电的波形三、正弦交流电三要素、瞬时值、最大值、有效值I=Im√2U=Um√2E=Em√2正弦交流电的有效值：e、i、uEm、Im、UmE、I、U瞬时值最大值有效值四、正弦交流电功率及功率因数概念及计算方法1、有功功率：瞬时功率在一个周期内的平均值。cosUIP2、无功功率：表示储能元件与电源之间进行能量交换的规模。电阻消耗的功单位:WsinUIQ3、视在功率：电路的总电压与总电流的有效值的乘积。单位：varUIS单位：VA视在功率用来表示电气设备（如发电机、变压器等）的容量。电感、电容与电源之间能量的交换。22QPSsincosSQSP视在功率S、有功功率P、无功功率Q组成功率三角形，如下图：4、功率因数:对电源利用程度的衡量。cosSQP供电局一般要求用户的09cos.纯电阻电路：cosφ=1电感性电路：0cosφ1，电路中存在无功功率Q。SP/cos有功功率与视在功率的比值，称为功率因数提高功率因数的意义（1）充分利用电源设备的容量可以为同等容量供电系统的用户提供更多的有功功率，提高供电能力。（2）减小输电线路上的能量损耗电流I与功率因数成反比。因为线路有电阻，通过线路的电流I越大，线路损失的功率就越大，线路的电压降就越多。cosPIU为了减小电能损耗，改善供电系统质量，需提高cosφ。提高功率因数的方法提高功率因数，常用的方法是在感性负载的两端并联电容器。五、三相交流电相电压、线电压、相电流、线电流概念及计算方法1、三相交流电：最大值相等、频率相同、相位互差120度的三个正弦电动势。EmBeAeCe120sin120sinsintEetEetEemCmBmAωt2、三相电源的星形联结（Y接）星形联结：将电源的三相绕组末端U2、V2、W2连在一起，首端U1、V1、W1分别与负载相连，这种方式就叫做星形联结。W1V1U2V2W2NU1UNVW三相绕组末端相连的一点称中点或零点，一般用“N”表示。从中点引出的线叫中性线（简称中线），由于中线一般与大地相连，通常又称为工作接地（或零线）。从首端U1、V1、W1引出的三根导线称相线。由于它与大地之间有一定的电位差，一般通称火线。有中线的三相制称为三相四线制，无中线的三相制称为三相三线制。相电压：电源每相绕组两端的电压，有中线时，各相线与中线之间的电压称为相电压。线电压：相线与相线之间的电压称为线电压VUUVUUUWVVWUUUUWWUUUU线、相电压间相量关系式相量图UU•UW•UV•VWUUVUWUU30o线、相电压间数量关系式由相量图可得3作星形联结时，线电压在数值上等于相电压的在图示参考方向上线电压在相位上要比它所对应的相电压超前30°，三个线电压之间互有120°相位差，所以电源的线电压也是对称的。倍，相线UU33、三相电源的三角形联结（Δ接）三角形联结：将电源一相绕组的末端与另一相绕组的首端依次相连，再从首端U1、V1、W1分别引出端线，这种连接方式就叫三角形联结。UVW三相电源作三角形联结时，线电压就是相电压，即：相线UU4、三相负载的联结三相负载的联结方式有两种，星形(Y)联结和三角形(D)联结。–+uUNuW–+iUNiViWiN+_uV(1)星形(Y)联结三相负载的星形联结，就是将三相负载（如三相电动机）各相的末端连在一起，形成负载的中（性）点N′，将N′点接至电源的中（性）点N，再将各相负载的始端接至三相电源的相线。相电流负载的相电压线电流流过相线的电流每相负载两端的电压流过每相负载的电流线电压相线与相线之间的电压相线UU3相线II线电压在相位上要比它所对应的相电压超前30°(2)三角形(D)联结iWUVWiViUiUViVWiWU–+uUV–+uVW–+uWU将各相负载的始末端依次相连，然后将三个连接点接至三相电源的相线，则这种联结方式称为三角形联结。相电流负载的相电压线电流流过相线的电流每相负载两端的电压流过每相负载的电流线电压相线与相线之间的电压相线UU线电流在相位上滞后所对应的相电流30°。相线II3六、电与磁的基础知识1、磁场B=H•磁场强度H，是线圈安匝数的一个表征量，反映磁场来源的强弱，与磁介质没有关系•磁感应强度B,表示磁场源在特定环境下的效果•磁导率u用来表征物质导磁性能的物理量，单位H／m（亨［利］/米）,真空磁导率0=4×10-7H／m,非铁磁物质如空气、绝缘材料等，近似等于真空磁导率,铁磁物质如铁、镍，磁导率远于真空磁导率达数千甚至上万倍。•用磁力线来描述磁场NS2、磁力线（磁感应线）不相交的闭合曲线，切线方向表示磁场方向，疏密程度表示磁场大小3、磁通量•通过磁场中某一面积S的磁感应强度B的通量称为通过该面积的磁通量(磁通)，符号、单位Wb（韦伯）•=BScos4、磁化曲线•不同的磁性材料有不同的磁导率•同一材料当其磁通密度不同时，亦有不同的磁导率起始段，磁导率小线性区，磁导率大且不变饱和区当H比较小，即励磁电流比较小时，B与H均比较小（区域I），随着H的增加，B成比例的增加，且增加较快（区域II）。但是当H增加到一定程度后，再增加H，则B增加就变得比较缓慢，接近饱和。（区域III）磁感应强度磁场强度磁化曲线在电机中的应用：电机在正常运行的情况下，其铁磁材料处于已开始饱和但饱和程度并不很深的状态。如果铁磁材料中B取得太小，铁磁材料未饱和，虽然所需励磁电流较小，但B小导致磁通小，电机容量不大，电机有效材料未能得到充分利用，反之，如果铁磁材料中B取得太大，以致铁磁材料处于深度饱和，虽然电机的容量有所提高，但付出的代价是励磁电流要增加很多很多，从而带来一系列的不良后果。磁滞损耗5、磁滞现象和磁滞损耗当导磁材料位于交变磁场中被反复磁化，B—H曲线呈磁滞回线，如图从磁滞回线上看，磁密B的变化总是滞后于磁场强度H的变化，这种现象称为磁滞现象剩磁现象：铁磁材料反复磁化后，励磁电流下降为0，H下降到0，B并不会下降至0，而是保留了一部分磁性Br，这种现象就是铁磁材料的剩磁现象。要使剩磁消失，通常需进行反向磁化。将B=0时的H值称为矫顽磁力Hc导磁材料中将引起能量损耗，称为铁芯损耗。铁芯损耗分为两部分：磁滞损耗和涡流损耗。磁滞损耗：铁磁材料在交变磁场作用下反复磁化的过程中，磁畴之间不停地相互摩擦，消耗能量引起损耗，称为磁滞损耗。交变磁化一周在铁心的单位体积内所产生的磁滞损耗能量与磁滞回线所包围的面积成正比。磁滞损耗要引起铁心发热。为了减小磁滞损耗，应选用磁滞回线狭小的磁性材料制造铁心。硅钢就是变压器和电机中常用的铁心材料，其磁滞损耗较小。磁畴：分子中电子的绕核运动和自转将形成分子电流，分子电流将产生磁场，每个分子都相当于一个小磁铁。由于磁性物质分子的相互作用，使分子电流在局部形成有序排列而显示出磁性，这些小区域称为磁畴。涡流损耗：在交变电路中通过铁芯的磁通是随时间作周期变化的交变磁通，根据电磁感应定律，在铁芯中将产生电动势并有电流流过，这些电流在铁芯内部围绕磁通呈漩涡状流动，称为涡流，铁芯本身有电阻，涡流引起的损耗称为涡流损耗。（为减小涡流损耗，电机和变压器的铁心都用含硅量较高的薄硅钢片叠成。）涡流损耗磁性物质的磁化示意图(a)无外场，磁畴排列杂乱无章。(b)在外场作用下，磁畴排列逐渐进入有序化。高磁导率的成因磁性物质没有外场时，各磁畴是混乱排列的，磁场互相抵消；当在外磁场作用下，磁畴就逐渐转到与外场一致的方向上，即产生了一个与外场方向一致的磁化磁场，从而磁性物质内的磁感应强度