第1章 电工电路的基础知识

【学习目的】

本章主要介绍电工应掌握的基本电气知识，使电工技术人员理解直流电路和交流电路的基本物理量，认识直流电路和交流电路的不同特点。通过本章的学习，读者应掌握直流电和交流电的应用要求与应用范围。

1.1 直流电路的基础知识

直流电路是指电流方向与大小不随时间产生变化，并且电流方向单一的电路，它是最基本也是最简单的电路，所以了解直流电路的特点及其应用是很重要的。图1-1所示，为典型的直流电动机驱动电路，它采用的就是一个典型的直流供电电路。

1.1.1 直流电路的基本物理量

在直流电路中主要包括电流、电阻、电压这几个物理量。

1. 电流

在物理学中，把电荷的定向移动称为电流，其中正电荷的移动的方向就是电流方向。电流的大小常用电流强度表示，单位时间内通过导体横截面的电荷量称为电流强度，简称电流，即：

式中 Q ——电荷量，单位为库仑“C”；

t ——时间，单位为秒“s”。

I ——电流，单位为安培“A”。

电流的单位还有千安“kA”、毫安“mA”等，电流单位的换算关系为：

1kA=103 A 1A=103mA 1mA=103 μA

【重点提示】

在分析和检测电路时，虽然规定“正电荷的移动方向为电流的正方向”。但应指出金属导体中的电子（负电荷）是由负极向正极运动的，因而规定的电流的方向与负电荷运动的方向相反，如图1-2所示。

电路中的电流分为直流电和交流电，其中直流电的大小和方向都不随时间变化，它通常用符号“DC”表示。图1-3所示为直流电流与时间的关系曲线的示意图。

2. 电阻

在电路中，电荷定向移动时受到的阻力称电阻，或者说导体对电流的阻碍作用称为电阻，该标称量常用 R 表示。电阻的基本单位为欧姆“Ω”，此外还有千欧“kΩ”、兆欧“MΩ”，电阻单位的换算关系为：

1kΩ=103Ω 1MΩ=103kΩ=106Ω

【重点提示】

导体的电阻与导体的电阻率和长度成正比，与导体的横截面积成反比，并随环境温度的升高而增大，用公式表示为：

R=ρl/ S

式中 R─导体的电阻，单位为欧姆“Ω”；

p─导体的电阻率，单位为欧姆·米“Ω·m”。不同材料性质的导体的的电阻率不同。

l─导体的长度，单位为米“m”；

S─导体的横截面积，单位为平方米“m2”。

3. 电压

电压是衡量电场力驱动电荷做功本领大小的物理量（类似水压），它是电源的重要衡量指标。电压的符号为“U”，其基本单位是伏“V”，此外还有千伏“kV”、毫伏“mV”等，它们之间的换算关系为：

1kV=103 V 1V=103mV 1mV=103 μV

1.1.2 直流电路的特点与应用

电路就是电流流过的路径，也就是用导线把电源、控制装置和保护装置及负载等连接起来形成的电气通路，而直流电路就是通过直流电的电路。

在生活和生产中以电池作为电源的电器都采用直流供电方式，例如低压小功率照明灯、直流电动机等。还有许多电器是利用交/直流转换器，将交流电转换成直流电再经过稳压后为电器产品供电，例如，图1-4所示的笔记本电脑和摄录一体机的电源适配器等。

1. 直流电路的供电方式

配电系统常用的直流供电方式有两种：一种是直流二线制供电方式，另一种是直流三线制供电方式。

（1） 直流二线制

直流二线制配电方式是由两根分为正、负极的导线组成，其接线图如图1-5所示。城市无轨电车、矿山牵引机车、地下电气铁道机车等多采用这种配电方式。

（2） 直流三线制

直流三线制配电方式是由三根导线组成，其中一根为零线，另外两根导线相对于零线构成正、负极导线，其接线图如图1-6所示。发电厂、变电所、配电所的自用电和二次设备常采用这种配电方式；电解、电镀也采用这种配电方式供电。

2. 直流电路的连接方式

在直流电路中电源及负载的连接方式有很多种。连接方式不同，则通过负载的电压和电流也不相同，下面简要介绍直流电路的几种连接关系。

（1） 电池的串、并联

图1-7（a）所示为直流电路电池的串联电路。其中每个电池的电压均为U、内阻均为R。若有n个相同的电池串联，则整个串联电池组的总电压与等效内阻分别为：

U串=nU

R串=nR

串联电池组的总电压为单个电池电压的n倍，额定电流相同。

图1-7（b）所示为有n个相同电池的并联的电路，则整个并联电池组的总电压和等效内阻分别为：

U并=U

R并=R /n R总=R1+R 0

并联电池组的额定电流是单个电池额定电流的n倍，电压相同。

（2） 电阻的串、并联

图1-8所示为直流电路电阻的串联电路和并联电路。其中总电压为U、电流为I、总功率为P。

在串联电路中：

① 等效电阻：R=R1+R2+…+Rn

② 分压关系：

③ 功率分配：

【重点提示】

若只有两只电阻R1、R2串联时，如图1-9所示，等效电阻R=R1+R2，则有分压公式：

在并联电路中（电阻R1与R2并联可以表示为R1//R2）：

① 等效电阻：

② 分流关系：R1I1=R2I2=…=RnIn=RI=U

③ 功率分配：R1P1=R2P2=…=RnPn=RP=U2

【重点提示】

若只有两只电阻R1、R2并联时，如图1-10所示，等效电阻为

则有分流公式

（3） 电阻的混联

在电路中，既有电阻的串联关系又有电阻的并联关系，称为电阻混联。对混联电路的分析和计算大体上可分为以下几个步骤：

① 首先整理清楚电路中电阻串、并联关系，必要时重新画出串、并联关系明确的电路图；

② 利用串、并联等效电阻公式计算出电路中总的等效电阻；

③ 利用已知条件进行计算，确定电路的总电压与总电流；

④ 根据电阻分压关系和分流关系，逐步推算出各支路的电流或电压。

图1-11所示为直流电路中简单的电阻混联电路。

这个电路中各电阻的关系为：R2与R3并联后再与R1串联，则可知R2与R3两端的电压相等，可以将R2和R3等效为电阻R0，且有：

则这个电路可以等效为电阻R1与电阻R0串联电路，则

则电流满足的关系为：

I0=I2+I 3且I总=I1=I0

即有：

知道I总的大小就可以求得电阻R1两端电压的大小U1，进而求得等效电阻R0的电压为：

U0=U-U1=4.8V

那么则有：

3. 直流供电电路的应用实例

图1-12所示为直流电动机的正向旋转供电电路实例。在此电路中开关S1、S2、S3和S4组成“H”形开关，以实现对电动机正、反方向旋转的控制。当接通开关S1和S4时，电流通过电动机的A端子流入，从B端子流出，电动机开始正向旋转。

接通开关S2和S3，使电流通过电动机的B端子流入，从A端子流出，电动机开始反向旋转。直流电动机反向旋转供电电路实例如图1-13所示。