电工基础知识

第一章电工基础知识

第一节电路的基本概念

1、电  路     电流流过的路叫做电路。最简单的电路由电源、负载和导线、开关等元件组成。电路处处连通叫做通路。只有通路，电路中才有电流通过。电路某一处断开叫做断路或者开路。电路某一部分的两端直接接通，使这部分的电压变成零，叫做短路。

2、电  源     把其他形式的能转换成电能的装置叫做电源。发电机能把机械能转换成电能，干电池能把化学能转换成电能。发电机、干电池等叫做电源。通过变压器和整流器，把交流电变成直流电的装置叫做整流电源。能提供信号的电子设备叫做信号源。晶体三极管能把前面送来的信号加以放大，又把放大了的信号传送到后面的电路中去。晶体三极管对后面的电路来说，也可以看做是信号源。整流电源、信号源有时也叫做电源。

3、负 载    把电能转换成其他形式的能的装置叫做负载。电动机能把电能转换成机械能，电阻能把电能转换成热能，电灯泡能把电能转换成热能和光能，扬声器能把电能转换成声能。电动机、电阻、电灯泡、扬声器等都叫做负载。晶体三极管对于前面的信号源来说，也可以看作是负载。

第二节电路的基本物理量与欧姆定律

1、电  流    电荷的定向移动叫做电路中，电流常用I表示。电流分直流和交流两种。电流的大小和方向不随时间变化的叫做直流。电流的大小和方向随时间变化的叫做交流。电流的单位是安（A），也常用毫安（mA)或者微安(uA)做单位。1A=1000mA,1mA=1000uA。电流可以用电流表测量。测量的时候，把电流表串联在路中，要选择电流表指针接近满偏转的量程。这样可以防止电流过大而损坏电流表。

2、电  压      河水之所以能够流动，是因为有水位差；电荷之所以能够流动，是因为有电位差。电位差也就是电压。电压是形成电流的原因。在电路中，电压常用U表示。电压的单位是伏（V），也常用毫伏（mV）或者微伏（uV）做单位。1V=1000mV，1mV=1000uV。

      电压可以用电压表测量。测量的时候，把电压表并联在电路上，要选择电压表指针接近满偏转的量程。如果电路上的电压大小估计不出来，要先用大的量程，粗略测量后再用合适的量程。这样可以防止由于电压过大而损坏电压表。

3、电动势     电动势是反映电源把其他形式的能转换成电能的本领的物理量。电动势使电源两端产生电压。在电路中，电动势常用δ表示。电动势的单位和电压的单位相同，也是伏。

    电源的电动势可以用电压表测量。测量的时候，电源不要接到电路中去，用电压表测量电源两端的电压，所得的电压值就可以看作等于电源的电动势。如果电源接在电路中，用电压表测得的电源两端的电压就会小于电源的电动势。这是因为电源有内电阻。在闭合的电路中，电流通过内电阻r有内电压降，通过外电阻R有外电压降。电源的电动势δ等于内电压Ur和外电压UR之和，即δ=Ur+UR 。严格来说，即使电源不接入电路，用电压表测量电源两端电压，电压表成了外电路，测得的电压也小于电动势。但是，由于电压表的内电阻很大，电源的内电阻很小，内电压可以忽略。因此，电压表测得的电源两端的电压是可以看作等于电源电动势的。

      干电池用旧了，用电压用测量电池两端的电压，有时候依然比较高，但是接入电路后却不能使负载（收音机、录音机等）正常工作。这种情况是因为电池的内电阻变大了，甚至比负载的电阻还大，但是依然比电压表的内电阻小。用电压表测量电池两端电压的时候，电池内电阻分得的内电压还不大，所以电压表测得的电压依然比较高。但是电池接入电路后，电池内电阻分得的内电压增大，负载电阻分得的电压就减小，因此不能使负载正常工作。为了判断旧电池能不能用，应该在有负载的时候测量电池两端的电压。有些性能较差的稳压电源，有负载和没有负载两种情况下测得的电源两端的电压相差较大，也是因为电源的内电阻较大造成的。

4、导体、绝缘体和半导体

　　1．导体 具有大量能够自由移动的带电粒子(自由电子或正、负离子)，因而能很好地传导电流的物体，在传导电流时呈现较小的电阻。如金、银、铜、铁、锡、石墨、碳及电解液等。

　 2．绝缘体 没有或只有极少量能自由移动的带电粒子，因而电流不能或很难通过的物体，对电流传导呈现非常大的电阻。如空气、木材、棉、毛、玻璃、瓷、橡胶、塑料等。

　 3．半导体 导电性能介于导体和绝缘体之间的物体，在某一特定条件下呈导体状态，够传导电流，当改变某一特定条件时又呈现绝缘体状态，不允许电流通过。如锗、硅晶体二极管及金属的氧化物、硫化物。

5、电   阻       电路中对电流通过有阻碍作用并且造成能量消耗的部分叫做电阻。电阻常用R表示。电阻的单位是欧（Ω），也常用千欧（kΩ）或者兆欧（MΩ）做单位。1kΩ=1000Ω,1MΩ=1000000Ω。导体的电阻由导体的材料、横截面积和长度决定。电阻可以用万用表欧姆档测量。测量的时候，要选择电表指针接近偏转一半的欧姆档。如果电阻在电路中，要把电阻的一头烫开后再测量。

6、欧姆定律     导体中的电流I和导体两端的电压U成正比，和导体的电阻R成反比，即：I=U/R  这个规律叫做欧姆定律。如果知道电压、电流、电阻三个量中的两个，就可以根据欧姆定律求出第三个量，即： I=U/R，R＝U／I，U＝I×R

在交流电路中，欧姆定律同样成立，但电阻R应该改成阻抗Z，即I＝U／Z

7、电阻的并联  电阻并联后总电阻的阻值比任何一个分电阻的阻值都小。并联电路的总电阻的倒数等于各并联电阻的倒数之和

公式：

并联恒压.并联电路的支路和干路电压相等.U=U1=U2=U3.

并联分流.并联电路的干路电流等于各个支路电流之和. I=I1+I2+I3.....

8、电阻的串联   串联电路的总电阻的阻值比任何一个分电阻的阻值都大串联电路的总电阻等于各串联电阻的阻值之和。公式：R总=R1+R2

串联恒流.串联电路的各处电流相等. I=I1=I2=I3.....

(I1=I2,根据欧姆定律,U1/R1=U2/R2,U1R2=U2R1,U1/U2=R1/R2)

串联分压.总电压(电源电压)等于各个用电器电压之和.U=U1+U2+U3+.....

第三节    交流电路

1、周 期     交流电完成一次完整的变化所需要的时间叫做周期，常用T表示。周期的单位是秒（s）,也常用毫秒（ms）或微秒（us）做单位。1s=1000ms，1s=1000000us。

2、频 率   交流电在1s内完成周期性变化的次数叫做频率，常用f表示。频率的单位是赫（Hz），也常用千赫（kHz）或兆赫（MHz）做单位。1kHz=1000Hz，1MHz=1000000Hz。交流电频率f是周期T的倒数，即

                    f     =1／T

3、相 位   相位是反映交流电任何时刻的状态的物理量。交流电的大小和方向是随时间变化的。比如正弦交流电流，它的公式是i=Isin2πft。i是交流电流的瞬时值，I是交流电流的最大值，f是交流电的频率，t是时间。随着时间的推移，交流电流可以从零变到最大值，从最大值变到零，又从零变到负的最大值，从负的最大值变到零，，如图3甲所示。在三角函数中2πft相当于角度，它反映了交流电任何时刻所处的状态，是在增大还是在减小，是正的还是负的等等。因此把2πft叫做相位，或者叫做相。                                                           

      如果t等于零的时候，i并不等于零，公式应该改成i=Isin(2πft+ψ),那么2πft+ψ叫做相位，ψ叫做初相位，或者叫做初相。

相位差 两个频率相同的交流电相位的差叫做相位差，或者叫做相差。这两个频率相同的交流电，可以是两个交流电流，可以是两个交流电压，可以是两个交流电动势，也可以是这三种量中的任何两个。

      例如研究加在电路上的交流电压和通过这个电路的交流电流的相位差。如果电路是纯电阻，那么交流电压和电流电流的相位差等于零。也就是说交流电压等于零的时候，交流电流也等于零，交流电压变到最大值的时候，交流电流也变到最大值。这种情况叫做同相位，或者叫做同相。如果电路含有电感和电容，交流电压和交流电流的相位差一般是不等于零的，也就是说一般是不同相的，或者电压超前于电流，或者电流超前于电压。

      加在晶体管放大器基极上的交流电压和从集电极输出的交流电压，这两者的相位差正好等于180°。这种情况叫做反相位，或者叫做反相。

4、电 容   电容是衡量导体储存电荷能力的物理量。在两个相互绝缘的导体上，加上一定的电压，它们就会储存一定的电量。其中一个导体储存着正电荷，另一个导体储存着大小相等的负电荷。加上的电压越大，储存的电量就越多。储存的电量和加上的电压是成正比的，它们的比值叫做电容。如果电压用U表示，电量用Q表示，电容用C表示，那么

                 C＝Q／U

      电容的单位是法（F），也常用微法（uF）或者微微法（pF）做单位。1F=106uF，1F=1012pF。

      电容可以用电容测试仪测量，也可以用万用电表欧姆档粗略估测。欧姆表红、黑两表笔分别碰接电容的两脚，欧姆表内的电池就会给电容充电，指针偏转，充电完了，指针回零。调换红、黑两表笔，电容放电后又会反向充电。电容越大，指针偏转也越大。对比被测电容和已知电容的偏转情况，就可以粗略估计被测电容的量值。在一般的电子电路中，除了调谐回路等需要容量较准确的电容以外，用得最多的隔直、旁路电容、滤波电容等，都不需要容量准确的电容。因此，用欧姆档粗略估测电容量值是有实际意义的。但是，普通万用电表欧姆档只能估测量值较大的电容，量值较小的电容就要用中值电阻很大的晶体管万用电表欧姆档来估测，小于几十个微微法的电容就只好用电容测试仪测量了。

5、容 抗 交流电是能够通过电容的，但是电容对交流电仍然有阻碍作用。电容对交流电的阻碍作用叫做容抗。电容量大，交流电容易通过电容，说明电容量大，电容的阻碍作用小；交流电的频率高，交流电也容易通过电容，说明频率高，电容的阻碍作用也小。实验证明，容抗和电容成反比，和频率也成反比。如果容抗用XC表示，电容用C表示，频率用f表示，那么

                           XC＝1／(2πfC)

    容抗的单位是欧。知道了交流电的频率f和电容C，就可以用上式把容抗计算出来。

6、电 感   电感是衡量线圈产生电磁感应能力的物理量。给一个线圈通入电流，线圈周围就会产生磁场，线圈就有磁通量通过。通入线圈的电源越大，磁场就越强，通过线圈的磁通量就越大。实验证明，通过线圈的磁通量和通入的电流是成正比的，它们的比值叫做自感系数，也叫做电感。如果通过线圈的磁通量用φ表示，电流用I表示，电感用L表示，那么

               L＝ φ／I

电感的单位是亨（H），也常用毫亨（mH）或微亨（uH）做单位。1H=1000mH，1H=1000000uH。

7、感  抗     交流电也可以通过线圈，但是线圈的电感对交流电有阻碍作用，这个阻碍叫做感抗。电感量大，交流电难以通过线圈，说明电感量大，电感的阻碍作用大；交流电的频率高，交流电也难以通过线圈，说明频率高，电感的阻碍作用也大。实验证明，感抗和电感成正比，和频率也成正比。如果感抗用XL表示，电感用L表示，频率用f表示，那么

                       XL＝ 2πfL

感抗的单位是欧。知道了交流电的频率f和线圈的电感L，就可以用上式把感抗计算出来。

8、阻 抗      具有电阻、电感和电容的电路里，对交流电所起的阻碍作用叫做阻抗。阻抗常用Z表示。阻抗由电阻、感抗和容抗三者组成，但不是三者简单相加。如果三者是串联的，又知道交流电的频率f、电阻R、电感L和电容C，那么串联电路的阻抗

Z=R+( XL- XC)

                               阻抗的单位是欧。

    对于一个具体电路，阻抗不是不变的，而是随着频率变化而变化。在电阻、电感和电容串联电路中，电路的阻抗一般来说比电阻大。也就是阻抗减小到最小值。在电感和电容并联电路中，谐振的时候阻抗增加到最大值，这和串联电路相反。

第四节     三相交流电路

1、由三相交流电源供电的电路。简称三相电路。三相交流电源指能够提供3个频率相同而相位不同的电压或电流的电源，最常用的是三相交流发电机。三相发电机的各相电压的相位互差120°。它们之间各相电压超前或滞后的次序称为相序。三相电动机在正序电压供电时正转，改为负序电压供电时则反转。因此，使用三相电源时必须注意其相序。一些需要正反转的生产设备可通过改变供电相序来控制三相电动机的正反转。

　　三相电源连接方式 常用的有星形连接(即Y形)和三角形连接(即△形)。

一般常作星形联接，即三个   

末端X、Y、Z连在一起，三个首端A、B、C

连同末端连接点N引出，               三相对称电动势

这样联接的优点是：

① 可以提供两种电压；

② 各相绕组承压低；

③ 空载时发电机无内耗。

图中由星性点引出的导线称为中线，

从电源的3个始端引出的三条线称为端线(俗称火线）每相绕组的端

电压、、，称为相电压，。任意两根端线之间的电压称为线电压。星形连接时线电压为相电压的根号3倍；3个线电压间的相位差仍为120°，它们比3个相电压各超前30°。星形连接有一个公共点，称为中性点。三角形连接时线电压与相电压相等，且3个电源形成一个回路，只有三相电源对称且连接正确时，电源内部才没有环流。

相电压：端线与地线或各相的首端与末端间的电压叫做相电压。

线电压：端线与端线间的电压叫线电压。  

　　三相负载 按三相阻抗是否相等分为对称三相负载和不对称三相负载。三相电动机、三相电炉等属前者；一些由单相电工设备接成的三相负载(如生活用电及照明用电负载)，通常是取一条端线和由中性点引出的中线(俗称地线)供给一相用户，取另一端线和中线给另一相用户。这类接法三条端线上负载不可能完全相等，属不对称三相负载。三相负载的连接方式也有星形与三角形之分。

将三相负载的一端分别接在三相电源的A、B、C上，另一端连在一起接在中点上，即为星形联接。星形联接中两根相线之间的线电压是两个相电压的矢量差。由数学关系可以求得线电压与相电压的关系为：U线=根号3倍的U相。例如相电压为220伏，星形联接时，线电压则为380伏。星形联接时，每相线圈与电源端线串接，所以线电流等于相电流，即I线=I相。

将三相线圈按头尾的次序，依次连接组成闭合三角形，叫做三角形联接法。由于每相线圈直接并接在电源的两相之间，所以线电压就等于相电压，即U线=U相。同时根据矢量方法三角形连接时线电流不等于相电流，其关系为：I线=根号3倍I相

三相交流电的有功功率：P=√3U线I线CosΦ

　　三相电路的瞬时功率(见交流电路中的功率)等于各相瞬时功率之和。即：P＝PA＋PB＋PC

式中下标分别表示各相。对称三相电路的平均功率与其瞬时功率相等。其无功功率为UIsin。对称三相电路的瞬时功率为常量，因此，正常运行时带动三相发电机的原动机所受的反力矩和三相电动机的输出转矩都是平稳的。

2、三相异步电动机的额定值刻印在每台电动机的铭牌上,一般包括下列几种：

1.型号：为了适应不同用途和不同工作环境的需要，电动机制成不同的系列,每种系列用各种型号表示。例如 Y 132 M- 4

Y →三相异步电动机，其中三相异步电动机的产品名称代号还有：YR为绕线式异步电动机；YB为防爆型异步电动机；YQ为高起动转距异步电动机。

132→机座中心高(mm)

M →机座长度代号

4 →磁极数

2.接法：这是指定子三相绕组的接法。一般鼠笼式电动机的接线盒中有六根引出线,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。

如果U1、V1 、W1分别为三相绕组的始端(头) ,则U2、V2、W2是相应的末端(尾)。这六个引出线端在接电源之前,相互间必须正确联接。联接方法有星形(Y)联接和三角形()联接两种。通常三相异步电动机自3kW以下者,联接成星形;自4kW以上者, 联接成三角形。

3.额定功率PN：是指电动机在制造厂所规定的额定情况下运行时,

其输出端的机械功率,单位一般为千瓦（kW）。

对三相异步电机，其额定功率：PN=UNINηNcosN

式中ηN和cosN分别为额定情况下的效率和功率因数。

4.额定电压UN：是指电动机额定运行时,外加于定子绕组上的线电压,单位为伏（V）。

一般规定电动机的工作电压不应高于或低于额定值的5%。当工作电压高于额定值时,磁通将增大，将使励磁电流大大增加,电流大于额定电流,使绕组发热。同时,由于磁通的增大,铁损耗(与磁通平方成正比)也增大,使定子铁心过热；当工作电压低于额定值时，引起输出转矩减小，转速下降,电流增加，也使绕组过热，这对电动机的运行也是不利的。

我国生产的Y系列中、小型异步电动机，其额定功率在3kW以上的,额定电压为380 V，绕组为三角形联接。额定功率在3 kW及以下的,额定电压为380/220V,绕组为Y/联接(即电源线电压为380 V时,电动机绕组为星形联接；电源线电压为220 V时,电动机绕组为三角形联接)。

5.额定电流IN：是指电动机在额定电压和额定输出功率时,定子绕组的线电流,单位为安（A）。

当电动机空载时,转子转速接近于旋转磁场的同步转速,两者之间相对转速很小,所以转子电流近似为零,这时定子电流几乎全为建立旋转磁场的励磁电流。当输出功率增大时,转子电流和定子电流都随着相应增大,

6.额定频率fN：我国电力网的频率为50赫兹（Hz），因此除外销产品外,国内用的异步电动机的额定频率为50赫兹。

7.额定转速nN：是指电动机在额定电压、额定频率下,输出端有额定

功率输出时, 转子的转速,单位为转/分(r/min)。由于生产机械对转速的要求不同,需要生产不同磁极数的异步电动机,因此有不同的转速等级。最常用的是四个极的异步电动机(n0=l500 r/min)。

8.额定效率ηN：是指电动机在额定情况下运行时的效率, 是额定输出功率与额定输入功率的比值。即 ηN=×100%=×100%

异步电动机的额定效率ηN约为75%～92%。从下图中的η=f(P2)曲线可以看出，在额定功率的75%左右时效率最高。

9.额定功率因数cosN：因为电动机是电感性负载,定子相电流比相电压滞后一个角，cos就是异步电动机的功率因数。

三相异步电动机的功率因数较低,在额定负载时约为0. 7～0. 9之间，而在轻载和空载时更低，空载时只有0. 2～0. 3。因此,必须正确选择电动机的容量, 防止'大马拉小车'，并力求缩短空载的时间。上图中的cos=f(P2)曲线反映的是功率因数和输出功率之间的关系。

10.绝缘等级：它是按电动机绕组所用的绝缘材料在使用时容许的极限温度来分级的。

所谓极限温度,是指电动机绝缘结构中最热点的最高容许温度。其技术数据见下表：

绝缘等级     极限温度℃

A             105  

E             120

B             130

F             155

H             180

11.工作方式：反映异步电动机的运行情况，可分为三种基本方式：连续运行、短时运行和断续运行。

第二章   电工常用仪表的使用

第一节　电工仪表概述

电工仪表是用于测量电压、电流、电能、电功率等电量和电阻、电感、电容等电路参数的仪表，在电气设备安全、经济、合理运行的监测与故障检修中起着十分重要的作用。电工仪表的结构性能及使用方法会影响电工测量的精确度，电工必须能合理选用电工仪表，而且要了解常用电工仪表的基本工作原理及使用方法。
一、电工仪表的分类及符号
常用电工仪表有：直读指示仪表，它把电量直接转换成指针偏转角，如指针式万用表；比较仪表，它与标准器比较，并读取二者比值，如直流电桥；图示仪表，它显示二个相关量的变化关系，如示波器；数字仪表，它把模拟量转换成数字量直接显示，如数字万用表。常用电工仪表按其结构特点及工作原理分类：有磁电式、电磁式、电动式、感应式、整流式、静电式和数字式等。
为了表示常用电工仪表的技术性能，在电工仪表的表盘上有许多符号，如被测量单位的符号、工作原理符号、电流种类符号、准确度等级符号、工作位置符号和绝缘强度符号等。

二、仪表准确度等级                                      
1．  仪表的误差            
仪表的误差是指仪表的指示值与被测量的真实值之间的差异，它有三种表示形式。                 
（1）绝对误差，是仪表指示值与被测量的真实值之差，即   
ΔX＝X－X0
式中：X为被测物理量的指示值；X0为真实值；ΔX为绝对误差。
（2）相对误差，是绝对误差ΔX对被测量的真实值X0的百分比，用δ表示，                  
（3）引用误差，是绝对误差ΔX对仪表量程Am的百分比。         
仪表的误差分为基本误差和附加误差两部分。基本误差是由于仪表本身特性及制造、装配缺陷所引起的，基本误差的大小是用仪表的引用误差表示的。附加误差是由仪表使用时的外界因素影响所引起的，如外界温度，外来电磁场，仪表工作位置等。            
2．仪表准确度等级
仪表准确度等级共七个准确度等级 0.1 0.2 0.5 1.0 1.5 2.5 5.0   
基本误差% ±0.1 ±0.2 ±0.5 ±1.0 ±1.5 ±2.5 ±5.0  
通常0.1和0.2级仪表为标准表,0.5级至1.5级仪表用于实验室,1.5级至5.0级则用于电气工程测量。仪表的最大绝对误差ΔX m与仪表量程Am之比称为仪表的准确度±K%，
表示准确度等级的数字愈小，仪表准确度越高。选择仪表的准确度必须从测量的实际出发，不要盲目提高准确度，在选用仪表时还要选择合适的量程，准确度高的仪表在使用不合理时产生的相对误差可能会大于准确度低的仪表。