电工基础知识

电工基础知识

电工作业人员培训知识 电工作业人员培训知识 电工作业人员 一、电工作业和电工作业人员 电工作业指从事电气装置的安装、运行、检修、试验等工作的作业 电工作业包括低压运行维修、高压运行维修及行业专业性电工作业。 关于高压与低压的划分存在着不同的说法 。 《 电业安全规程 》 和 《 电工作业人员安全考核标准 》 按照设备对地电压， 250V （工频 50Hz ）及以下者划定为低压。 将 250V 以上者划定为高压。 《 低压电器基本标准 》 等国家标准将 1200V 及以下的电器列为低压电器。 《 民用建筑电气设计规范 》 等更多标准将 1000V 以下划为低压配电范围。 1000V 一下常见的只有配电电压 0.23/0.4kV （相应的用电电压 220/380V ）的系统。其对地电压一般不超过 250V 。因此，标准的不协调尚不致对高、低压电工作业造成误解。 电工作业人员指直接从事电工作业的人员。电工作业人员必须年满 18 岁，必须具备初中以上文化程度，不得有妨碍从事电工作业的病症和生理缺陷。从技术上考虑，电工作业人员必须具备必要的电气专业知识和电气安全技术知识；按其职务和工作性质，应熟悉有关安全规程；应学会必要的操作技能和触电急救方法。 电工人员必须经过安全技术培训，并经过考试合格后方可从事电工作业。新参加电气工作的人员、实习人员和临时参加劳动的人员，必须经过安全知识教育后，方可参加制定的工作，但不得单独工作。对外单位派来支援的电气工作人员，工作前应介绍现场电气设备接线情况和有关安全措施。 电工是特殊工种、又是危险工种。首先，其作业过程和工作质量不但关联着自身的安全，而且关联着他人和周围设备设施的安全；其次，专业电工工作点分散、工作性质不专一，不便于跟班检查和追踪检查。因此，专业电工必须掌握必要的电气安全技能，必须具备良好的电气安全知识。 二、电工作业人员的安全职责 专业电工应当了解生产与安全的辩证统一，把生产和安全看作是一整体，充分理解“生产必须安全，安全促进生产”的基本原则，不断提高安全意识。 就岗位安全职责而言，专业电工应做到以下几点： 就岗位安全职责而言，专业电工应做到以下几点： （ 1 ）严格执行各项安全标准、法规、制度和规程。包括各种电气标准、电气安装规范和验收规范、电气运行管理规程、电气安全操作规程及其他有关规定 。 （ 2 ）遵守劳动纪律，终于职责，做好本职工作，认真执行电工岗位安全责任制。 （ 3 ）正确使用各种工具和劳动保护用品，安全地完成各项生产任务。 （ 4 ）努力学习安全规程、电气专业技术和电气安全技术；参加各项有关的安全活动；宣传电气安全；参加安全检查，并提出意见和建议等。 专业电工应树立良好的职业道德。除前面提到的忠于职责、遵守纪律、努力学习外、还应注意互相配合，共同完成生产任务。应特别注意杜绝以 电谋私、制造电气故障等违法行为。 培训和考核是提高专业安全技术水 平，使之获得独立操作能力的基本途径。通过培训和考核，最大限度地提高专业电工的技术水平和安全意识 1-2 直流电流 1-3 电磁感应 1-4 单相交流电路 1-5 三相交流电路 1-6 磁路 1-7 电子技术常识 第一章 电工基础 失去电子或得到电子的微粒称为正电荷或负电荷。带有电荷的物体称为带电体。电荷的多少用电量表示。其单位为 C （库或库仑）。库是很大的单位，常用的电量单位是 μ C （微库或微库仑） 1C=10 6 μC 。在电荷的周围存在着电场。引进电场中的电荷将受到力的作用，这个叫做电场力。 1-1 电荷和电场 电场强度和电位是表征电场中各点性质的两个基本物理量。电场中某点的电场强度即单位正电荷在该点所受到的电场力。电场强度的单位是 v/m （伏 / 米）。如用 E 表示电场强度， 则 : E=F/Q 式中 E — 电场强度， v/m ; F — 电场力， Q — 电量， C 。 电场中某点的电位是指在电场中将单位正电荷从该点移至电位叁考点时电场力所做的功。电位的常用单位是伏（ V ），千伏（ KV ）等。 电场中某两点之间的电位差称为这两点之间的电压或电压降。 电压的符号是 U 、 u ，其单位与电位差的单位相同。 1KV=1000V 在由两个电极构成的均匀电场中，电极间电场强度（ E ）与电极间电压（ U ）的关系 式中 d — 电极间的距离， m. 显然，可以将电场强度理解为单位距离上的电压。电压越高，可能产生的电场强度也越高。 E=U/d 不论所使用的是何种绝缘材料，其上电场强度达到某一限度时，其绝缘性能都将遇到破坏。这电场强度称作该绝缘材料的击穿电场强度，简称击穿强度。 当空气中电场强度超过 25~30kv/cm 时，即可能发生击穿放电。 一、电流和电路 电流是带电微粒的定向运动。通常以正电荷移动的方向作为电流的正方向。大小和方向不随时间变化的电流成为直流电流；大小和方向随时间作周期性变化的电流称为交流电流。 1-2 直流电路 电流的大小称为电流强度，简称电流。符号 I 、 I ，电流的单位是安培（ A ）、微安（ μ A ） 毫安（ mA ）， 1A=1000mA 电路是电流流经的路径。各种电气装置的工作都是通过电路来实现的。电路由电源、负载、连接导线、控制电器及辅助设备组成的。 电源是提供电能的设备。把非电能转变为电能，如电池把化学能转换成电能、发电机把机械能转变成电能。负载是电路中消耗电能的设备，把电能转变为其他形式的能量。控制电器是负载的控制设备。如开关、断路器、电磁开关、减压启动等都属于控制电器。辅助设备包括各种继电器、熔断器以及测量仪表等 。 连接导线的作用是传输电能或传送电信号。 为便于分析实际电路，通常用符号表示组成电路的实际元件，即画出电路图。下图是所示为最简单电路的实物接线图。 简单电路图 电池 灯泡 负载 电源 E I R U + _ + _ 二、电路中的负载元件 按照加在负载上的电压与通过负载的电流关系，可将负载分为电阻、电感、电容 3 种基本负载元件。实际负载可视为这 3 种元件的组合。对于直流电路的稳态过程，无需考虑电感和电容的作用。 电阻是电流流动过程中遇到的阻力。电阻的符号是 R 、 r ，单位是 Ω （欧）、 M Ω （兆欧）等 1M Ω = 1×10 6 Ω ρ — 材料的电阻率 电阻率是单位长度、单位截面积导线的电阻，是表明材料导电性能的参数。电阻率的符号是 ρ ，单位是 Ω .m 。 导体的电阻按下式计算： R= ρL/S L 、 S — 导体的长度和截面积； 二、欧姆定律 1. 内容：流过电阻 R 的电流 I 与电阻两端的电压 U 成正比。 I 与 U 的方向一致 R I U + _ 注意：用欧姆定律列方程时，一定要在 图中标明参考方向 。 U=IR 或 I=U/R 或 R=U/I 从欧姆定律可知，在电路中如果电压保持不变，电阻越小则电流越大；而电阻越大则电流越小。当电阻趋近于零时，电流很大，这种电路状态称为短路；当电阻趋近于无穷大时，电流几乎为零，这种状态称为开路。在一个图中所示的饱含电源在内的闭合回路中，电压与电流之间的关系符合 全电路欧姆定律。即 I R 0 R + - E U + - I 开关闭合 , 接通电源与负载 ① 电流的大小由负载决定。 ② 在电源有内阻时， I  U  当 R 0<< R 时，则 U  E ，表明当负载变化时，电源的端电压变化不大， 即带负载能力强。 电源的外特性 E U I 0 四、 基尔霍夫定律 b a + - E 2 R 2 + - R 3 R 1 E 1 支路：电路中的每一个分支。 一条支路流过一个电流，称为支路电流。 结点： 三条或三条以上支路的联接点。 回路： 由支路组成的闭合路径。 网孔： 内部不含支路的回路。 1 ．定律 在任一瞬间，流向任一结点的电流等于流出该结点的电流 即 :  Ｉ 入 =  Ｉ 出 或 :  Ｉ = 0 I 1 + I 2 = I 3 或 I 1 + I 2 – I 3 = 0 实质 : 电流连续性的体现 。 基尔霍夫电流定律（ KCL ）反映了电路中任一结点处各支路电流间相互制约的关系。 五、串联电路和并联电路 1 、串联电路 串联电路是把几个电路或其他电路元件的收尾端顺次连接起来，使电流只有一条通路的电路。在串联电路中，电路的总电压等于各元件上的电压降之和。即 U=U 1 +U 2 R=R 1 + R 2 U 1 /U 2 =R 1 /R 2 2 、并联电路 并联电路是把电阻或其它元件的首端和尾端、尾端和首端相互连接起来，使电流同时有几条通路的电路。在并联电路中，各元件两端的电压为同一电压。电路的总电流等于各支路电路电流的之和。即 I=I 1 +I 2 R=R 1 R 2 /R 1 +R 2 I 1 /I 2 =R 2 /R 1 六、电功率和电能 电功率用以表示电气设备作功的能力，即电气设备单位时间内所做的功。功率的符号是 P, 单位是（ W ）（瓦）、 kW （千瓦）， 1kW=1000W. 电功率与电压和电流的乘积成正比。在直流电路中， 电功率可以表示为： P=UI=I 2 R=U 2 /R （瓦 ） 电能的单位是 J （焦或焦耳）。电能表示电气设备在一般时间内所转换的能量，即 W=Pt 式中 W — 电能， J; P — 功率， W ； t — 持续时间， s 。 实用中常用 Kw.h 作为电能的单位， 1KW.h=3.6X10 6 J. 一、正弦交流电路 生产和生活中使用的交流电绝大部分是正弦交流电。其特点是电流、电压的大小和方向都随着时间按正弦函数的规律变化。 1-3 单相交流电路 ω 矢量与横轴夹角 = 初相 位 矢量以角速度 按逆时针方向旋转 矢量长度 = i= Im sin( ω t+ φ )=Imsin(2л ft+φ ) i — 时刻 t 的电流瞬时值， A ； Im — 电流最大值， A ； t — 时间， s; ω — 角频率， ω =2лf=2л /T ， rad/s , 其中为周期， s; f — 频率， Hz ； φ — 初相角， rad . 交流电每一循坏所用的时间叫周期；每秒钟交变的周期数叫做频率 ； 每秒钟交变的弧度数叫做角频率。周期和频率互为倒数。（ ω t+ φ ） 叫做相位， t=0 时的相位 φ 叫做初相位。 因为最大值、角频率和初相位 确定了正弦量的所有特征。所以称之为正弦交流电的三要素。通常用有效值来表征交流电的大小。有效值是与该交流电做功能力相同的直流电的有效值。最大值为有效值的 倍。 式中 I 、 U — 分别为电流和电压有效值 Um — 电压最大值。 二、简单交流电 1 、纯电阻电路 和 R I U + _ U IR 1. 瞬时功率 p ： 瞬时电压与瞬时电流的乘积 ω t u i p ω t 1. （耗能元件） 结论： 2. 随时间变化 3. 与 成比例 纯电阻电阻，如电压为 u= Umsin ωt 则电流为 im =Um/R sin ωt 显然，电流与电压相位相同。其最大值和有效值都符合欧姆定律，即 根据欧姆定律 : 设 这一功是消耗在电阻上用来做功（将电能转换为热能）的功率；称为有功功率。 2 、纯电感电路 + - e L + - L 1. 电压与电流的关系 设 ： u ω t u i i O ① 频率相同 ② U = I  L ③ 电压超前电流 90  相位差 有效值 : 定义： 则 : 或 感抗 (Ω) 直流 ： f = 0 , X L =0 ，电感 L 视为 短路 相量图 3 、电感电路中的功率 1. 瞬时功率 p ： L i u Q 的单位：乏、千乏 (var 、 kvar ) 则 4 、 无功功率 Q Q 的定义：电感瞬时功率所能达到的最大值。用 以衡量电感电路中能量交换的规模 。 3 、纯电熔电路 u i C + _ 基本 关系式： 设 ： 则： 电流与电压的变化率成正比。 ① 频率相同 ② I = U C ③ 电流超前电压 90  相位差 i u i u 有效值 或 定义： 容抗 （ Ω ） 则 : X C 直流： X C ，电容 C 视为 开路 交流： f 所以电容 C 具有隔直通交的作用 相量图 超前 由 ： 可得相量式 2 、 电容电路中的功率 1. 瞬时功率 p u i + - 充电 p 放电 放电 P < 0 释放 能量 充电 P > 0 储存 能量 2. 平均功率 P 瞬时功率达到的最大值（吞吐规模） 3. 无功功率 Q （电容性无功取负值） 前面已经介绍过了纯电阻、纯电感、纯电容电路的功率。在既有电阻又有电感电容单相电路中，功率表示为 P= UI cos φ =I 2 R Q=UIsin φ =I 2 X 式中 P — 有功功率， W ； Q — 无功功率， var ; I 、 U — 电压、电流， V 、 A φ — 功率因数角。 三、单相交流电电路的功率 如果令 S=UI ，则可以用 S 表示在即有电阻，又有电抗的电源设备所必须具备的供电能力。 S 成为视在功率。单位是 V.A 。表达式为 1-5 三相交流电路 一、三相交流电路的产生 e 0 e A e B e C 2   120 ° 240 ° 360 ° E B E A . . 120 ° 120 ° 120 ° E C . 三相电动势瞬时表示式 相量图 三相电源和三相负载都有星形接法和三角形接法 。 在低压系统 , 中性点通常接地，所以也称地线。 相电压：端线与中性线间（发电机每相绕组）的电压 线电压：端线与端线间的电压 端线 ( 相线、火线 ) 中性线 ( 零线、地线 ) X Y Z N B C A e A + – e C + – e B + – 2. 三相电源的星形联结 (1) 联接方式 、 U p 、 U l – + + – + B A C – 3. 三相电源的三角形联结 一、磁路组成 磁路是磁通的闭合回路。依靠电磁感应原理工作的电气设备，如发电机、变压器、各种电磁铁都带有不同类型的磁路。 在流线圈是产生磁通的来源。线圈匝数 N 与线圈电流 I 的乘积称为磁动势。磁通在磁路中遇到的阻力称为磁组。磁组的符号使 Rm ，单位是 1/H, 磁组的表达式为 Rm=l/uS 1-5 磁 路 式中 l —— 导磁体的长度； S —— 导磁体的 界面计； u —— 材料磁导率 一般情况下，空气隙的磁组比铁心的磁组大得多。 二、 磁感应强度 磁感应强度 B : 表示磁场内某点磁场强弱和方向的物理量。 磁感应强度 B 的大小 : 磁感应强度 B 的方向 : 与电流的方向之间符合右手螺旋定则。 均匀磁场 : 各点磁感应强度大小相等，方向相同的  磁场，也称 匀强磁场 。 磁路的欧姆定律是分析磁路的基本定律 解：根据安培环路定律，有 设磁路的平均长度为 l ，则有 1. 引例 S x  H x I N 匝 三、 磁路的欧姆定律 1-7 电子技术常识 一、半导体 半导体器件是电子技术的重要组成部分。半导体是指导电能力介于导体和绝缘体之间的材料。硅、锗、硒及大多数金属化物和硫化物属于半导体材料。其中，硅和锗是用得最多的半导体材料。 硅单晶中的共价健结构 Si Si Si Si 1 、 本征半导体 完全纯净的、具有晶体结构的半导体，称为本征半导体 。 价电子 共价健 晶体中原子的排列方式 共价键中的两个电子，称为 价电子 。 这一现象称为本征激发。 温度愈高，晶体中产生的自由电子便愈多 。 本征半导体的导电机理 价电子 价电子在获得一定能量（温度升高或受光照）后，即可挣脱原子核的束缚，成为 自由电子 （带负电），同时共价键中留下一个空位，称为 空穴 （带正电）。 空穴 Si Si Si Si 自由电子 2 、本征半导体的导电机理 自由电子和 空穴都称为载流子。 自由电子和 空穴成对地产生的同时，又不断复合。在一定温度下，载流子的产生和复合达到动态 平衡，半导体中载流子便维持一定的数目。 当半导体两端加上外电压时，在半导体中将出现两部分电流 (1) 自由电子作定向运动  电子电流 (2) 价电子递补空穴  空穴电流 注意 ： (1) 本征半导体中载流子数目极少 , 其导电性能很差； (2) 温度愈高， 载流子的数目愈多 , 半导体的导电性能也就愈好。 所以，温度对半导体器件性能影响很大。 二、半导体二极管 1 、 基本结构 (a) 点接触型 (b) 面接触型 结面积大、正向电流大、结电容大，用于工频大电流整流电路。 (c) 平面型 用于集成电路制作工艺中。 PN 结结面积可大可小，用于高频整流和开关电路中。 结面积小、结电容小、正向电流小。用于检波和变频等高频电路。 图 1 – 12 半导体二极管的结构和符号 阴极 阳极 ( d ) 符号 D 阴极引线 阳极引线 二氧化硅保护层 P 型硅 N 型硅 ( c ) 平面型 金属触丝 阳极引线 N 型锗片 阴极引线 外壳 ( a ) 点接触型 铝合金小球 N 型硅 阳极引线 PN 结 金锑合金 底座 阴极引线 ( b ) 面接触型 二极管的结构示意图 2 、 伏安特性 硅管 0.5V,锗管0 .1V 。 反向击穿 电压 U (BR) 导通压降 外加电压大于死区电压二极管才能导通。 外加电压大于反向击穿电压二极管被击穿，失去单向导电性。 正向特性 反向特性 特点：非线性 硅0.6~0.8V锗0.2~ 0.3V U I 死区电压 反向电流 在一定电压 范围内保持 常数。 3 、 主要参数 二极管长期使用时，允许流过二极管的最大正向平均电流。 2. 反向工作峰值电压 U RWM 是保证二极管不被击穿而给出的反向峰值电压，一般是二极管反向击穿电压 U BR 的一半或三分之二。二极管击穿后单向导电性被破坏，甚至过热而烧坏 。 3. 反向峰值电流 I RM 指二极管加最高反向工作电压时的反向电流。反向电流大，说明管子的单向导电性差， I RM 受温度的影响，温度越高反向电流越大。硅管的反向电流较小，锗管的反向电流较大，为硅管的几十到几百倍 。 二极管 的单向导电性 2. 二极管加反向电压（反向偏置，阳极接负、阴极接正 ）时， 二极管处于反向截止状态，二极管反向电阻较大，反向电流很小。 3. 外加电压大于反向击穿电压二极管被击穿，失去单向导电性。 4. 二极管的反向电流受温度的影响，温度愈高反向电流愈大。 1. 二极管加正向电压（正向偏置，阳极接正、阴极接负 ）时， 二极管处于正向导通状态，二极管正向电阻较小，正向电流较大。 五、 半导体三极管 1 、 基本结构 N N P 基极 发射极 集电极 NPN 型 B E C PNP 型 P P N 基极 发射极 集电极 符号： B E C I B I E I C B E C I B I E I C NPN 型三极管 PNP 型三极管 发射区：掺 杂浓度最高 基区：最薄， 掺杂浓度最低 发射结 B E C N N P 基极 发射极 集电极 结构特点： 集电区： 面积最大 四、 晶闸管是在晶体管基础上发展起来的一种 大功 率半导体器件。它的出现使半导体器件由弱电领域 扩展到强电领域。 晶闸管 也像半导体二极管那样具有 单向导电性，但它的导通时间是可控的，主要用于整流、逆变、 调压及开关等方面。 优点： 体积小、重量轻、效率高、动作迅速、维修简单、操作方便、寿命长、 容量大（正向平均电流达千安、正向耐压达数千伏）。 (a) 外形 K G A (b) 符号 G 控制极 三 个 PN 结 P1 P2 N1 N2 四 层 半 导 体 K 阴极 阳极 A 晶闸管是具有三个 PN 结的四层结构 , 其外形、结构及符号如图。 1 、 基本结构