建筑电气基础知识

第第2 2章章 建筑电气基础知识建筑电气基础知识2.1 电路的基本概念2.2 电路的基本定律2.3 单相交流电路2.4 三相交流电路2.5 磁路与变压器2.6 三相异步电动机主要内容主要内容普通高等教育“十一五”国家级规划教材返回目录2.1 2.1 电路的基本概念电路的基本概念2.1.1电路的组成及作用2.1.2 电路的基本物理量2.1.3 电路的工作状态主要内容主要内容普通高等教育“十一五”国家级规划教材返回目录2.1.12.1.1电路的组成及作用电路的组成及作用1.电路的组成 电路是由电工设备和元器件按一定方式联接起来的总体，为电流流通提供了路径。图2-1所示电路是一个手电筒电路，它由电源、负载和中间环节（包括联接导线和开关）三部分组成。其中，干电池为电源，灯泡为负载，连接导线和开关为中间环节。在电路中随着电流的流动，进行着不同形式能量之间的转换。主要内容主要内容普通高等教育“十一五”国家级规划教材下一页2.1.12.1.1电路的组成及作用电路的组成及作用电源：电路中供给电能的设备和器件称为电源，它是将非电能转换为电能的装置。如发电机、干电池等。负载：电路中使用电能的设备和元件称为负载，它是将电能转换成非电能的装置。中间的环节：是把电源与负载联接起来的部分，起传递和控制电能的作用。对于一个完整的电路来说，电源（或信号源）、负载和中间环节是三个基本组成部分，它们缺一不可。主要内容主要内容普通高等教育“十一五”国家级规划教材下一页2.1.12.1.1电路的组成及作用电路的组成及作用电路模型 在实际应用中，通常用电路图来表示电路。在电路图中，各种电器元件都不需要画出原有的形状，而是采用国家统一规定的图形符号来表示。图2-2为图2-1所示的手电筒的电路图。这种用理想元件构成的电路也称为实际电路的“电路模型”，我们在进行理论分析时所指的电路，就是这种电路模型。主要内容主要内容普通高等教育“十一五”国家级规划教材下一页2.1.12.1.1电路的组成及作用电路的组成及作用2.电路的作用 电路按其功能可分为两类：一类是电力电路，它主要起实现电能的传输和转换作用，因此，在传输和转换过程中，要求尽量减少能量损耗以提高效率。另一类是信号电路，其主要作用是传输和处理信号等（例如语言、音乐、图像、温度等）。在这种电路中，一般所关心的是信号传递的质量，如要求不失真、准确、灵敏、快速等。主要内容主要内容普通高等教育“十一五”国家级规划教材返回2.1.2 2.1.2 电路的基本物理量电路的基本物理量1、电流 2电压与电位 3电动势 4.电功率与电能 主要内容主要内容普通高等教育“十一五”国家级规划教材返回2.1.2 2.1.2 电路的基本物理量电路的基本物理量1、电流 电流是一种物理现象，是带电粒子（电荷）的定向运动形成的。电流的大小用电流强度来衡量。电流强度是指单位时间内通过导体横截面的电荷量。电流强度习惯上又常被称为电流。大小和方向均不随时间改变的电流叫做恒定电流，简称直流，其强度用符号I表示。如果电流的大小和方向都随时间变化，则称为变动电流。其中一个周期内电流的平均值为零的变动电流则称为交变电流，如正弦波电流等，其强度用符号i来表示。主要内容主要内容普通高等教育“十一五”国家级规划教材下一页2.1.2 2.1.2 电路的基本物理量电路的基本物理量 对于直流电流，单位时间内通过导体横截面的电荷量是恒定不变的，其电流强度 (2-1)对于变动电流，在很小的时间间隔内，通过导体横截面的电荷量为，则该瞬间电流强度为 (2-2)电流的单位是安培，国际符号为A。它相当于1秒内通过横截面的电荷为1库仑(C)。有时也会用到千安(KA)，毫安(mA)或微安（A）。.主要内容主要内容普通高等教育“十一五”国家级规划教材下一页2.1.2 2.1.2 电路的基本物理量电路的基本物理量 习惯上，我们规定正电荷移动的方向为电流的方向。电流的方向是客观存在的，但在电路分析中，有时某段电流的实际方向难以判断，甚至实际方向在不断改变，为了解决这一问题，需引入电流的参考方向概念。一段电路中任意选定一个方向就叫电流的参考方向，在电路图中用实线箭头表示，有时也用双下标表示，如iAB，其参考方向是由A指向B。主要内容主要内容普通高等教育“十一五”国家级规划教材下一页2.1.2 2.1.2 电路的基本物理量电路的基本物理量 选定的参考方向不一定就是电流的实际方向。当电流的参考方向与实际方向一致时，电流为正值（I 0）；当电流的参考方向与实际方向相反时，电流为负值（I B，则沿此参考方向的电压为正值，U0，即电压的实际方向与此参考方向相同；反之，若A点的电位低于B点的电位，即B，则沿此参考方向的电压为负值，UXC时，即电压超前电流 角，电路呈感性；下一页2.3.2 2.3.2 正弦交流电路的计算方法正弦交流电路的计算方法主要内容主要内容普通高等教育“十一五”国家级规划教材 2）当XLXC时，0，即电压滞后电流，电路呈容性；3）当XLXC时，0，即电压与电流同相位，电路呈电阻性。三种情况的相量图如图2-32所示：由上面分析可知：-90 90，当电源频率不变时，改变电路参数L或C可以改变电路的性质；若电路参数不变，也可以改变电源频率达到改变电路的性质。下一页2.3.2 2.3.2 正弦交流电路的计算方法正弦交流电路的计算方法主要内容主要内容普通高等教育“十一五”国家级规划教材 下一页2.3.2 2.3.2 正弦交流电路的计算方法正弦交流电路的计算方法主要内容主要内容普通高等教育“十一五”国家级规划教材 从图2-32的相量图还可看出，电阻电压 、电抗电压 和端电压 三个相量组成一个直角三角形，又叫电压三角形，它与阻抗三角形是相似三角形。即 其中 下一页2.3.2 2.3.2 正弦交流电路的计算方法正弦交流电路的计算方法主要内容主要内容普通高等教育“十一五”国家级规划教材 例2.4 电路如图2-33(a)图所示为正弦交流电路中的一部分,已知电压表V1的读数为6V，V2的读数为8V，试求端口电压U。解 以电流为参考相量，画出相量图如图2-33(b)所示。下一页2.3.2 2.3.2 正弦交流电路的计算方法正弦交流电路的计算方法主要内容主要内容普通高等教育“十一五”国家级规划教材 由相量图可见，、三者组成一直角三角形，故得 本例也可用相量法计算：/0 则/0 设电流相量为=6 V/90=j8 V 由KVL得/53.1V 返回2.3.32.3.3功率因数及其改善的方法功率因数及其改善的方法主要内容主要内容普通高等教育“十一五”国家级规划教材1、功率因数2、改善功率因素的意义 3、改善功率因素的方法 返回2.3.32.3.3功率因数及其改善的方法功率因数及其改善的方法主要内容主要内容普通高等教育“十一五”国家级规划教材1.功率因数 二端网络电压、电流参考方向如图2-34所示，则网络在任一瞬间时吸收的功率即瞬时功率为(2-62)其中 为电压与电流的相位差。下一页2.3.32.3.3功率因数及其改善的方法功率因数及其改善的方法主要内容主要内容普通高等教育“十一五”国家级规划教材二端网络所吸收的平均功率即有功功率P为(2-63)可见，正弦交流电路的有功功率等于电压、电流的有效值和电压、电流相位差角余弦 的乘积。这里称为二端网络的功率因数，称为功率因数角。下一页2.3.32.3.3功率因数及其改善的方法功率因数及其改善的方法主要内容主要内容普通高等教育“十一五”国家级规划教材 有几种特殊值：，功率因数 ，二端网络为一等效纯电阻，网络吸收的有功功率 ，没有能量的交换；，功率因数 ，二端网络为纯电抗，则网络吸收的有功功率 ，这与前面的结果完全一致；，说明二端网络中必有储能元件，因此，二端网络与电源间有能量的交换。对于感性负载，电压超前电流，；对于容性负载，电压滞后电流，。下一页2.3.32.3.3功率因数及其改善的方法功率因数及其改善的方法主要内容主要内容普通高等教育“十一五”国家级规划教材电源的额定输出功率为 它除了决定于本身容量（即额定视在功率）外，还与负载功率因数有关。返回2.3.32.3.3功率因数及其改善的方法功率因数及其改善的方法主要内容主要内容普通高等教育“十一五”国家级规划教材2改善功率因素的意义 工厂用电设备除了电热设备、电阻炉和白炽灯外，基本上都是电感性负荷，运行时需要电力系统供给大量的无功功率，功率因素较低。由于无功功率的存在使得系统中的电流增大，从而使电力系统的有功损耗增加。为了最大效率发挥发、供、配电设备的能力，减少功率损耗和电能损耗，节约电能，减小电压损失，改善电压质量，必需进行无功功率补偿。下一页2.3.32.3.3功率因数及其改善的方法功率因数及其改善的方法主要内容主要内容普通高等教育“十一五”国家级规划教材 供电部门一般要求新建企业的月平均功率因素达到0.9以上。当企业的自然总平均功率因素较低，单靠提高用电设备的自然功率因素达不到要求时，应装设必要的无功功率补偿设备，以进一步提高企业的功率因素，节约电能。返回2.3.32.3.3功率因素及其改善的方法功率因素及其改善的方法主要内容主要内容普通高等教育“十一五”国家级规划教材3.改善功率因素的方法 提高功率因数的方法，基本上分为：改善用电设备自然功率因数和安装人工补偿装置两种。提高用电设备的自然功率因数即合理选择电动机，使其尽可能在高负荷率状态下运行；人工补偿一般选用电力电容器补偿。下面分析利用并联电容器来提高功率因数的方法。下一页2.3.32.3.3功率因素及其改善的方法功率因素及其改善的方法主要内容主要内容普通高等教育“十一五”国家级规划教材 一感性负载功率因数为 ，电流为 ，在其两端并联电容器C，如图2-35所示，并联电容以后由相量图可知，电容电流补偿了负载中的无功电流，总电流减小，电路的总功率因数 提高了。下一页2.3.32.3.3功率因素及其改善的方法功率因素及其改善的方法主要内容主要内容普通高等教育“十一五”国家级规划教材 通过相量图还可计算由 提高到 时需并联补偿的电容容量。（2-64）在实际生产中并不要求把功率因数提高到1，因为这样做需要并联的电容较大，不经济。功率因数提高到什么程度为宜，需做具体的技术经济比较而决定。通常只将功率因数提高到0.90.95之间。下一页2.3.32.3.3功率因素及其改善的方法功率因素及其改善的方法主要内容主要内容普通高等教育“十一五”国家级规划教材 补偿电容器的接线通常可分为三角形和星形两种形式；安装地点则有集中安装和就地补偿之分，如对异步电动机并联电容器应进行单独就地无功补偿。返回