2012能源管理师培训课件(电气-上) 第02章――电工学与电子技术基础

§2.1直流电路电路就是电流通过的路径，它由电源、负载、连接导线和开关等组成。一、基本量（一）电流电荷流动形成电流，在宏观范围内，电流就是电荷的定向流动。要产生电流需要两个条件：一方面必须存在可以自由运动的电荷，另一方面必须有迫使电荷做定向运动的某种作用。金属导体中电流的载流子是自由电子。电解质溶液中电流的载流子是正离子和负离子。半导体材料的载流子是电子和空穴。第二章电工学与电子技术基础知识通常情况下气体没有可以自由移动的电荷，但是气体分子电离以后会产生可以导电的电子、正离子和负离子。电流的大小用电流强度（简称电流）来表示。电流的数值等于单位时间内通过导体截面的电荷量。通常用I表示，按I=Q/t计算。（二）电位、电压电场中某点的电位，在数值上等于单位正电荷沿任意路径从该点移动到无限远处的过程中，电场力所作的功。单位为伏特（简称伏，V）。在电场中电位等于零的点叫做参考点，电位高于零电位的点，电位为正，电位低于零电位的点，电位为负。电场中两点之间的电位差，称为电压.（三）电动势电场中，将单位正电荷从低电位移向高电位时克服外力所作的功称为电动势。电动势的正方向规定由低指向高电位，即电位升高的方向。（四）电阻在电场力作用下，电流在导体中流动时受到的阻力，称为电阻。用符号R或r表示。在一定温度下，截面积均匀、材料相同的一段金属导体的电阻大小，与其长度成正比、截面积成反比，并与材料有关，这种关系称为电阻定律，可用下式计算：式中：R——导体的电阻，单位为欧姆（Ω）；L——导体的长度，单位为米（m）;S——导体截面积，单位为平方米(m2);ρ——导体电阻率，单位为欧姆米（Ω•m）.SLR二、电路及连接（一）串联电路1.电阻串联2.电源串联（二）并联电路1.电阻并联2.电源并联电源并联需要保证电源电压大小一致（三）混联电路电路中既有元件的串联又有元件的并联，称为混联电路nkkeqRRnRRR121nkSksssUUsnUUU121neqRRRRR11111321三、欧姆定律欧姆定律：通过电阻的电流与电阻两端所加电压成正比，与电阻成反比，按下式计算：RUI如果闭合电路内包含电源，则电路中电流与电源的电动势成正比，与电路中负载电阻和电源的内阻之和成反比：0rREIE——电源电动势，单位为伏特r0——电源内阻四、电流的热效应、短路和断路（一）电流的热效应电流通过导体时由于自由电子的碰撞，电能不断的转换为热能，这种电流通过导体产生热的现象叫做电流的热效应。Q=I2Rt=W式中：Q——导体产生的热量，单位为焦耳（J）;I——流过导体的电流，单位为安培（A）;R——电路的电阻，单位为欧姆(Ω)；t——电流通过导体的时间，单位为秒(s);W——消耗的电能，单位为焦耳（J）.（二）短路当电源通向负载的两根导线不经过负载而直接接通时，就发生电源被短路的情况。这时电路中的电流可能增大到远远超过导线所允许的电流限制，会造成电气设备过热，损坏设备等现象。（三）断路（开路）当电源通向负载时，其中有一部分电路断开，该条电路上没有了电流，就叫断路。例题：如图1所示的电路图，已知R1=16Ω，R2=8Ω；R3=4Ω;电池电动势为6V；闭合开关，发现电流表示数为0。求(1)求R1两端电压；(2)R4的阻值是多少？(3)流过R3和R4支路的电流是多大？解：(1)VRRRUR416*816166*2111(2)由于电流表示数为零，根据电桥平衡的原理可以R1、R2、R3、R4满足下式：4321RRRR代入数值，可求得R4=2Ω。(3)ARUI1246第二节单相交流电路一、交流电定义所谓交流电，其电动势、电压及电流的大小和方向都随时间按照一定规律做周期性变化。工业应用的交流电，一般按照正弦曲线的规律变化。在一个电路里，如果电源的电动势e(t)随时间做周期性变化，则各段电路中的电压u(t)和电流i(t)将随时间做周期性变化，这种电路叫做交流电路。二、交流电的基本物理量i(t)=Imcos(ωt+ψ)（一）瞬时值和最大值；（二）周期、频率和角频率；交流电每交变一次所需的时间叫做周期T，频率f表示每秒内交流电交变的周期数。角频率ω为单位时间内变化的角度。fT22当相位差为零时，叫做同相；相位差为180度时叫做反相；若相位差大于0，叫做超前；相位差小于0，叫做滞后。（四）有效值周期量的有效值是指一个在效应（如热效应）上与周期量在一个周期内的平均效应相等的直流量。有效值的定义，又称为均方根值：TdttiTI02)(1有效值为最大值的21(三)相位、初相位和相位差ψi=(ωt+ψi)|t=0为电流的初相位，与计时零点选择有关。在任一瞬间，两个同频率的正弦电流的相位之差叫做相位差，相位差就是初相位的差，与频率无关。三、正弦稳态电路的功率（一）瞬时功率)cos(2)()cos(2)(iutItitUtu无源+ui_)2cos(cos)sin(2)cos(2)(iuiuφtUIφUItItUuitpiup有时为正,有时为负p0，电路吸收功率p0，电路发出功率tiOupUIcosUIcos(2t+u+i)（二）平均功率（有功功率）TtpTP0d1TiuttUIUIT0d)]2cos(cos[1φUIcoscos=cos(u-i)称为功率因数，用符号λ表示。有功功率代表一端口实际消耗的功率，不仅与电压和电流的有效值的乘积有关，且与它们之间的相位差有关。平均功率又称为有功功率，指瞬时功率在一个周期内的平均值，用符号P表示：tiOupUIcosUIcos(2t+u+i)（三）无功功率φUIQsindefQ的大小反映网络与外电路交换功率的大小，是由储能元件电容和电感的性质决定的。无功功率表示交换功率的最大值，用Q表示单位：var(乏)。（四）视在功率反映电气设备的容量，是满足电路的有功功率和无功功率两者的计算需要时，要求外部提供的功率容量，用S表示。)(VA:def伏安单位UISZSPcosZSQsin有功功率:P=UIcos单位：W无功功率:Q=UIsin单位：var视在功率:S=UI单位：V·A222SQP四、交流电路的元件（一）交流电路中的电阻元件欧姆定律仍适用于交流电路中的电阻元件，即瞬时电压和瞬时电流之间仍然是一个简单的比例关系。电阻元件，其电压、电流的相位一致。（二）交流电路的电容元件1.电容和电容器电容器是电工技术中常用的元件之一，它的基本性能是可以储存电荷和电能。凡是被绝缘物质隔开的两个导体就构成电容器。把电容器的两个极板分别与直流电源正负极相连时，在电场力的作用下两块极板就会带上等量的正负电荷。对于某一电容器，电量与电压的比值Q/U是一个常数，对不同的电容器，这个比值一般不同。电量与电压的比值反映了电容器储存电荷本领的大小，叫做电容器的电容量，简称电容，C=Q/U。单位是法拉(F)。电容器的电容取决于电容器本身的结构，而与外加电压的大小无关。一般情况两极板的正对面积越大，其电容就越大;两极板间的距离越小，正负电荷的吸引力越大，吸引的电荷越多，电容也越大。2.电容元件电压与电流的关系电容元件在充电放电的过程中，只是进行了能量的吞吐，并没有消耗能量，因此称其为储能元件。dtduiidtu（三）交流电路的电感元件1.电感元件一个线圈通有电流时，所产生的磁场使线圈每匝具有的磁通称为自感磁通。整个线圈具有的磁链称为自感磁链。电流越大，线圈中产生的磁通越多，相应磁链也越大。当线圈不含有铁磁材料时，自感磁通与它的电流成正比:φ=Li。L称为自感系数，又称电感，单位为亨利(H)。2.电感与电压、电流的关系dtdiLdudt-3.电感元件的磁能量当电流一定时，电感L越大，磁场能量WL也越大，因而电感L又是反映了线圈储能能力的标志。对于一个电感元件，当通过的电感电流越大，磁场能量WL也越大。电感元件在电流变化时，只是与外电路进行能量的转换，本身并不消耗能量，所以电感元件也是储能元件。§2.3三相交流电路三相交流电路是由三个频率相同、振幅相同、彼此相位相差120°的正弦电动势作为供电电源的电路。一、三相电路的优点在发电方面，三相比单相效率要高50%左右；在输电方面，比单相输电节省钢材25%；在配电方面，三相变压器比单相经济且便于接入负载；在用电设备方面，三相电器具有结构简单、成本低、运行可靠、维护方便等优点。二、对称三相电源的产生通常由三相同步发电机产生，在三相绕组中产生对称三相电压。（1）瞬时值表达式)cos(2)(tUtuA)120cos(2)(tUtuB)120cos(2)(tUtuB（3）向量表示0UUA120UUB120UUC（4）对称三相电源的特点三相对称电源具有时间对称性，三相电源的瞬时值之和为零，相量和也为零。（5）对称三相电源的顺序。三相电源中各相电源经过同一值的先后顺序称为相序。正序：A-B-C-A;负序：A-C-B-A三、三相电源的联接（一）星形连接（Y联接）（二）三角形连接（Δ联接）把X、Y、Z短接，引出一个公共接头O。其中A、B、C三根称为火线，从中点O引出的叫做中线，用N表示。这种联接叫做三相四线制。实际中还常常使中线接地，只保留三根火线作为输出的引线，这叫做三相三线制。四、三相负载的及其联接三相电路的负载由三部分组成，其中每一部分叫做一相负载，三相负载也有星形和三角形两种联接方式，见下图：L1NL2L3+–+–+–1u–+–+–+31u2u3u12u23u–++–+L2L1L312uBCU–31u23uY接法Δ接法当各相负载的阻抗相等时，称为三相对称负载。星形连接时，负载两端承受电源的相电压，线电流等于相电流，中线电流等于各相负载电流的相量和。三角形接法，只能用在三相负载平衡的条件下。负载两端的电压为相电压，负载的相电压等于三相电源的线电压。线电流等于相电流的倍，并较相电流滞后30°。3cos3cos3llPPIUIUPCCCBBBAAACBAIUIUIUPPPPcoscoscos一般情况计算公式：三相负载对称时，cosφA=cosφB=cosφA=cosφ,（2）三相无功功率一般情况：CCCBBBAAACBAIUIUIUQQQQsinsinsin三相负载对称：sin3sin3llPPIUIUQ五、三相电路的功率计算三相电流的总功率是相关各相功率之和。（1）三相有功功率(3)三相视在功率视在功率为三相电源提供的能量：三相负载对称时，三相视在功率为一相视在功率的3倍，即：22QPSllPPIUIUS33三相四线制不对称时应考虑中线电流功率。§2.4电子技术基础一、半导体的导电特性（一）N型半导体和P型半导体在半导体中掺入微量的杂质(某种元素)，形成杂质半导体。掺入五价元素，自由电子的数目大量增加，成为主要导电方式，称为电子半导体或者N型半导体。其中自由电子是多数载流子（多子），空穴是少数载流子（少子）。掺入三价元素，空穴的数目大量增加，空穴导电成为主要的导电方式，称为空穴半导体或者P型半导体。其中空穴是多数载流子，自由电子是少数载流子。无论N型P型半导体，对外都不显电性。（二）PN结1.PN结的形成在一块本征半导体两侧通过扩散不同的杂质,分别形成N型半导体和P型半导体。此时将在N型半导体和P型半导体的结合面上形成如下物理过程:因浓度差空间电荷区形成内电场内电场促使少子漂移多子的扩散运动由杂质离子形成空间电荷区最后,多子的扩散和少子的漂移达到动态平衡。2.PN结的单向导电性外加的正向电压有一部分降落在PN结区，方向与PN结内电场方向相反，削弱了内电场。于是,内电场对多子扩散运动的阻碍减弱，扩散电流加大。扩散电流远大于漂移电流，可忽略漂移电流的影响，PN结呈现低阻性。PN结加正向电压时的导电情况如图所示。PN结加正向电压时的导电