第1章电工基础 1.1电 能 1.1.1电能的产生 电能是大自然能量循环中的一种转换形式。 能源是自然界赋予人类生存和社会发展的重要物质资源，自然界固有的原始能源称为 次能源，分为可再生能源和不可再生能源。一次能源包括煤炭、石油、天然气以及太阳能 风能、水能、地热能、海洋能、生物能等。其中太阳能、风能、水能、地热能、海洋能、生 物能等在自然界中能不断得到补充，或者可以在较短周期内再产生，属于可再生能源；煤 炭、石油、天然气、核能等能源的形成经过亿万年，在短期内无法恢复再生，属于不可再生 能源。 电能是一种二次能源，主要是由不可再生的一次能源转化或加工而产生的。其主要的 转化途径是化石能源的燃烧，将化学能转化为热能；加热水使其气化成蒸汽推动汽轮机， 从而将热能转化为机械能：最后由汽轮机带动发电机利用电磁感应原理将机械能转化为 电能 电能因清洁安全、输送快速高效、分配便捷、控制精确等一系列优点，成为迄今为止人 类文明史上最优质的能源，它不仅易于实现与其他能量（如机械能、热能、光能等）的相 互转换，而且容易控制与变换，便于大规模生产、远距离输送和分配，同时还是信息的载 体，在现代人类生产、生活和科研活动中发挥着不可替代的作用。 1.1.2电能的特点 与其他能源相比，电能具有以下特点 (1)电能的产生和利用比较方便。电能可以采用大规模的工业生产方法集中地获得， 把其他能源转换为电能的技术相对成熟 (2)电能可以远距离传输，且损耗较低，输送具有实时、方便、高效等特点。 (3)电能能够很方便地转化为其他能量，能够用于各种信号发生、传递和信息处理， 实现自动控制。 (4)电能本身的产生、传输和利用的过程已能实现精确可靠的自动化信息控制。电力 系统各环节的自动化程度也相对较高。 001
三电工技术基础实践与应用 1.2电源 电源是电路的源泉，它为电路提供电能。现在应用的电源有各种干电池电源、太阳能电 源、风力发电电源、火力发电电源、水力发电电源、核能发电电源等，如图1一1所示。 图1-1()是风力发由机外形，风叶在风力的推动下转动。通过传动机构带动发电机转动 发出电能：图1-1()是太阳能电池板，在阳光的照射下电池板的“+”“-”电极上输 出电流。 6.QA-70A a (b) (d) 图1-1各种电源 (a)干电池：(b)蓄电池：(c)风力发电：(d)太阳能电池板 1.2.1直流电源 直流电源是指电压和电流的大小、方向不随时间变化的电源，是维持电路中形成稳恒电 流的装置。常见的直流电源有干电池、蓄电池、直流发电机等。 为了更直观地描述直流电源特性，可以用一种由理想电路元件组成的电路模型来表示实 际电路，常用的有电压源和电流源两种。 1.电压源 (1)定义：电压源是一种理想的电路元件，其两端电压总能保持定值或一定的时间函 数，且电压值与流过它的电流无关的元件叫理想电压源。 (2)电路符号：电压源的图形符号如图1-2所示。 (3)理想电压源的电压、电流关系：电源两端电压由电源本身决定，与外电路无关 与流经它的电流方向、大小无关。通过电压源的电流由电源及外电路共同决定。伏安关系曲 002
第1章电工基础 线如图1-3所示 。H北。 (a) (b】 围1-2电压源的图形符号 图1一3电压源的伏安特性曲线 ()直流电源：(b)理想电压 2.电流源 (1)定义：电流源是另一种理想的电路元件，不管外部电路如何，其输出电流总能保 持定值或一定的时间函数。其值与它的两端电压无关的元件定 义为理想电流源。 (2)电路符号：电流源的图形符号如图1-4所示 (3)理想电流源的电压、电流关系：电流源的输出电图1-4电流源的图形符号 流由电源本身决定，与外电路无关；与它两端电压无关。 电流源两端的电压由其本身输出电流及外部电路共同决定。其伏安关系曲线如图1-5 所示。 图1一5电流源的伏安特性曲线 1.2.2交流电源 日常生产生活中用电，多为交流电，这种交流电一般指的是正弦交流电。 正弦信号是一种基本信号，任何复杂的周期信号可以分解为按正弦规律变化的分量。因 此对正弦交流电的分析研究具有重要的理论价值和实际意义。 正弦交流电量是电流、电压随时间按正弦规律作周期变化的电量。它是由交流发电机或 正弦信号发生器产生的。 以电流为例，其瞬时值表达式为： i(t)=ncos(+) (1-1) 其波形图如图1-6所示。 003
三电工技术基础实践与应用 图1-6正弦电流波形 式(1-1)中，1m为正弦量的振幅，是正弦量在整个振荡过程中达到的最大值：(+ 中)为随时间变化的角度，称为正弦量的相位或相角。为正弦量的角频率，表示正弦量的 相位随时间变化的角速度。中为正弦量在1=0时刻的相位，称为正弦量的初相位。 幅值1、角频率ω和初相位中称为正弦量三要素。对于任意正弦交流电量，当其幅值 1、角频率和初相位中确定后，该正弦量就能完全确定。 1.幅值 幅值（振幅、最大值）：反映正弦量变化过程中所能达到的最大幅度。 正弦量在任一瞬间的值称为瞬时值，用小写字母来表示，如i、“、©分别表示电流、电 压及电动势的瞬时值。瞬时值中最大的值称为幅值或最大值，用I、U、E.表示。 2.周期与频率 (1)周期：正弦量变化一次所需的时间称为周期T,单位为8（秒）。 (2)频率：每秒内变化的次数称为频率，单位为（赫兹）。 频率是周期的倒数，即 f=2 (1-2) 在我国和大多数国家电网频率都采用交流50Hz作为供电频率，有些国家如美国、日本 等供电频率为60z。在其他不同领域，使用的频率也不同，如表1-1所示。 表1-1不同领域的频率表 领域 使用频率 高频炉频率 200-300k 中频炉频率 500-8000Hz 高速电动机电源频率 1500-2000kHz 收音机中波段 530-1600k 收音机短波段 2.3-23M 移动通信 900 MHz 1 800 MHz 无线通信 300Gh 004
第1章电工基础 (3)角频率：为相位变化的速度，反映正弦量变化的快慢。它与周期和频率的关系为： w-27=2mf(ai/) (1-3) 3.初相位 (1)相位：反映正弦量变化的进程 (2)初相位中：表示正弦量在=0时的相角。 (3)相位差：是用来描述电路中两个同频正弦量之间相位关系的量 设 u(t)=U..cos(t+中.)，i(t)=1ncos(ol+中：) (1-4)】 则相位差为： =(+b）-(+b,)=b-b (1-5) 式(1-5)表明同频正弦量之间的相位差等于初相之差，如果p>0,称u超前i,或 滞后u,表明u比i先达到最大值：如图1-7(a)所示。如果p<0,称i超前u,或u滞后 i,表明i比先达到最大值，如图1-7(b)所示。如果p=0,称i与u同相，如图1 7(c)所示。 (a) (b) 图1-7不同相位差的电压电流波形 (a)g>0:(b)gc0:(c）g=0 4.有效值 正弦电流、电压和电动势的大小，往往不是用他们的幅值，而是用有效值来计 算的。 有效值：与交流热效应相等的直流的值定义为交流电的有效值。有效值是从电流的热效 应来规定的。周期性电流、电压的瞬时值随时间而变，为了衡量其平均效应，工程上采用有 效值来表示。周期电流、电压有效值的物理意义如图1一8所示，通过比较直流电流/和交 流电流i在相同时间T内流经同一电阻R产生的热效应，即令： R()dt RPT (1-6) 从中获得周期电流和与之相等的直流电流/之间的关系！ 1= () (1-7) 这个直流量1称为周期量的有效值。需要注意的是，式(1-7)只适用于周期变化的量，不 适用于非周期变化的量。 当周期电流为正弦量时，即：(t)=Icos(a+中) 005