电工入门第一节第二课

第一节 电工基础知识 

十一、交流电的工作原理

图1 - 11 (a)是一个简单的交流电路,当交流电源的出线端a为正极,b为负极时，电流就从a端流出，经过电阻R流回b端，如图中实线箭头所示。当出线端a变为负极,b变为正极， 电流就由b端流出，经过R流回a端，如图中虚线箭头所示。交流电不仅方向随时间作周期性 的变化，其大小也随时间连续变化，在每一瞬间都会有不同的数值。所以,在交流电路中，采用小写字母i、u、e、p等表示交流电的瞬时值。

交流发电机也是利用电磁感应原理进行工作的，其结构如图1 -11（b）所示。在N、S两个 磁极之间有一个装在轴上的圆柱形铁芯，它可以在磁极之间转动，俗称转子。转子铁芯槽内嵌 放着线圈（图中只画出了其中的一匝）。为使大家便于理解，我们把图1-11（b）简化成图1 - 11（c）的形式。

设转子以均匀的角速度w（其定义后面给出）逆时针方向旋转,则导体4也随转子一起旋 转。导体转到位置1时，切割不到磁力线，导体中不产生感应电动势。转到位置2时,将因切 割磁力线产生感应电动势，用右手定则可以判定其方向是由里向外的。转到位置5时，不切割 磁和线，没有感应电动势产生。转到位置6时又将切割磁力线而产生感应电动势，用右手定则 可以判定其方向是从外向里的。这样，导体4随转子旋转一周时，导体中感应电动势的方向 交变一次，即转到N极下是一个方向，转到S极下变为另一个方向，此即为产生交流电的基本 原理。

十二、正弦波交流电的周期、频率和角频率

正弦交流电的瞬时值每经过一定的时间会重复一次，在交流电变化的过程中，由某一瞬时 值经过一个循环后变化到同样方向和大小的瞬时值，叫做变化一周。我们把交流电变化一周 表示为360°或2tt弧度,称为电角度。

如图1 -12所示，交流电变化一周所需用的时间叫周期,用字母T表示，以秒作单位。周期越短，交流电变化越快。在Is内变化的周期数，叫做交流电的频率，用字母/来表示。每秒钟变化一周期，定为1赫兹（Hz）。我国电力网供给的交流电是50H_Z，则周期为0.02g。

期与频率的关系为

进行正弦交流电路的计算时，常采用角频率ω这个参数。角频率ω与频率f的差别就是 它不用每秒钟变化的周期数而用每秒钟所经历的角度来表示交流电变化的快慢。交流电变化 一周可表示为360°,也就是2tt弧度。因此角频率ω与频率f、周期T的关系为

式中:ω的单位为弧度/秒,常写成rad/s。 50Hz相当于314rad/s。

十三、三相交流电的工作原理

我国发电厂和电力网生产、输送与分配的交流电都是三相交流电。这是因为三相交流电 具有许多优点。在发电设备方面，三相交流发电机比同样尺寸的单相交流发电机输出功率大; 在输电方面，三相供电制也较单相供电制节省材料•，从用电的使用来看,生产中广泛使用的三 相交流电动机与直流电动机及其他类型的交流电动机相比，有性能优良、结构简单、价格低廉 等优点。

概括地说,三相交流电是3个单相交流电的组合，这3个单相交流电的最大值相等，频率 相同，只是在相位上相差120°。

.图1 -13（a）所示的是三相交流发电机的示意图。发电机的定子绕组分为3组，每组为一 相，各相绕组在空间位置上彼此相差120°,对称地嵌放在定子铁芯内侧的线槽内。显然，它们 的始端（A、B、C）和它们的末端（X、Y、Z）在空间位置上彼此相差120°。转子上装置着N#两 个磁极，当转子以角速度顺时针方向旋转时，由于三相的绕-在铁芯中放置的位置彼此相 隔120°,所以一旦磁极转到正对A - X绕组时,A相电动势达到最大值，而B相绕组壽要等 转子磁极转1/3周（即120°）后，其中的电动势才达到最大值,也就是A相电动势超前B相电 动势120°。同理,B相电动势超前C相电动势120°,C相电动势又超前于A相电动势120°。 很显然，三相电动势的频韦相同，最大值相等，但初相角不同。假设A相电动势的初相角为 0。,则B相为-120°,C相为120°。用三角函数式表示为

十四、三相四线制供电电路

假如我们注意观察一下工厂的低压配电电路,就会发现三相供电电路有四根线，其中三根线 是“火线”，另一根线为“地线”。在三相供电电路中，A、B、C三相绕组的末端X、Y、Z接在一起称 为中性点(用"0”表示)，以0点引出一根公共导线作为从负载流回电源的公用回线，叫中性线或 零线，其余的三根线叫相线。这样的供电电路叫三相四线制供电电路，如图1 -14(a)所示。

在应用中我们只要观察一卞低压架空线就会发现，一般情况下中性线都比相线要细或与 相线一般粗，这又怎么解释呢？下面我们就来分析一下中性线上的电流底有多大。

假设三个相是对称的，各相负载完全相同，三相电流的有效值也相等，莪们有兰知函数表 示每相电流，即

A、B、C兰相电流波形如图1 - 14(b)所示，任取四个瞬间，不论哪个瞬间,三相电 流的瞬时值之和等于零。这就意味着，在三相负载平衡时，中性线上的电流等于零，因此某些 三相对称负载可以省去中性线。在实际应用中，三相供电电路的负载不可能对称，仍需加中性 线，但中性线电流总是小于每一相的电流。

十五、星形接法

在三相四线制供电电路中,我们常取两种电压。三相异步电动机需接380V的电压，而照 明则需接220V的电压。电网是怎样提供两种电压的呢？图1-15(a)是三相交流发电机绕组 的星形接法。一般规定,发电机每相绕组两端的电压(也就是相线与中性线间的电压)称为相 电压，用U_A、U_B、U_C表示。两相始端之间的电压(也就是相线与相线之间的电压)称为线电压， 用表示U_AB,，U_Bc，Uc_A。这里请注意线电压下脚注字母的顺序，它表示线电压的正方向是从A 相到B相，因此书写时不能颠倒。 -

线电压和相电压之间的关系是什么呢？从图1 - 15(b)的矢量可以看出：线电压U_AB之间 存在着相位差，所以u_AB包含着A相和B相两相电压，但由于u_A和u_B之间存在着相位差，所以U_AB等于u_A与u_B的矢量和。又因为u_A和U_B是反向串联的，所以U_AB就等于u_A加上负的U_B。利用矢量图可以推出线电压和相电压的关系为

即

写成一般公式为

由上面分析可以得出以下结论:发电机三相绕组作星形连接时，线电压的有效值等于相电 压有效值的万倍，在相位上线

电压较它对应的相电压超前30°。

平时说的220V就是相电压，而星形接法的线电压则为380V,如图1 -15（c）所示。

三相电源每相绕组或每相负载中的电流叫相电流;而由电源向负载每一相供电的电路上 的电流叫线电流。显然，在星形接法中，相电流等于线电流。

十六、三角形接法

很多三相平衡负载，如三相异步电动机等,常接成三角形，如图1 - 16（a）所示。

所谓三角形接法，就是把各相负载的首尾端分别接在三根相线的每两根相线之间,接人顺 序是:A相负载的末端X接B相负载的始端B;B相末端Y’接C相负载的始端C'；C相负载的 末端Z'接A相负载的始端A',然后把3个连接点分别接到电源的三根相线上。图1 - 16( a) 中的②是一台接成三角形的电动机在电源线上的接法。可以看出，负载作三角形连接时，线电 压等于相电压，但相电流并不等于线电流。从图I-16(a)中可以看出，线电流I_A等于相电流I_AB与-I_AC的矢量和。

线电流与相电电流的关系可以绘成矢量图，如图1 -16(b)所示，可以看出

写成一般公式为

综上所述，三相对称负载作三角形连接时,线电流的有效值等于相电流有效值的倍，线 电流在相位上较它对应的相电流滞后30°