第一节　电工与电子电路知识

一、电工基本知识

（一）电的基本知识

1.电的本质

任何物质都是由基本的微粒——原子所组成的，而原子的结构是：中间是由质子和中子所组成的原子核，外部则是围绕着原子核不断地作着高速运动的若干电子。其中每一个质子带有一个单位的正电荷，每一个电子带有一个单位的负电荷，中子不带电荷。电荷只有正、负两种。

在一般情况下，原子内部的质子和电子的数量相等，原子显示不带电的性质，即处于所谓的中性状态。当因为某种原因使原子失去电子时，原子带正电，而当原子获得电子时，原子带负电。这就是一切物质带电的根本原因。

2.电场和电场强度

（1）电场

如同一块磁铁周围存在磁场一样，带电体周围空间存在着一种特殊的物质——电场。电场具有以下两个重要的特性：

①位于电场中的任何带电体，都要受到电场力的作用。

②带电体在电场中受到电场力的作用而移动时，电场力对带电体做功，这说明电场具有能量。

（2）电场强度

通过试验得知电场是有强弱的，且电场中任意一点的电场强度，在数值上等于放在该点的单位正电荷所受电场力的大小，电场强度的方向就是正电荷受力的方向。所以电场强度是一个既有大小又有方向的量——矢量。电场强度用符号E表示，单位是牛每库（N/C）。

3.电流和电流强度

（1）电流

电荷的定向运动就叫做电流。

（2）电流强度

电流强度是衡量电流大小的物理量。单位时间内流过导体截面积的电荷量叫做电流强度。电流强度用符号I表示，单位是安培（A）。

通常把电流强度简称为电流。它是一个标量，电流方向只表明电荷的定向运动方向。如果电流的大小和方向都不随时间变化，这样的电流叫做直流电流或稳恒电流。如果电流的大小随时间变化但方向不随时间变化的电流叫做脉动电流。如果电流的大小和方向都随时间变化，这样的电流叫做交流电流。

4.电位和电压

（1）电位

由于电场的作用，电路中的电荷在任一位置，都具有一定的能量。正电荷在电路中某点所具有的能量与电荷所带电荷量的比叫做该点电位，一般用V表示。

电路中各点的电位是相对的，与参考点的选择有关。比参考点高的电位为正，比参考点低的电位为负。电位的单位是伏特（V）。在国际单位制中，电位的常用单位还有千伏（kV）和毫伏（mV）。

（2）电压

电路中任意两点间的电位差，叫电压。电压一般用U表示。

电压和电位都是反映电场或电路能量特性的物理量，两者既有联系又有区别。电位是相对的，它的大小与参考点选择有关；电压是不变的，它的大小与参考点选择无关。

（二）电路元件

1.电阻

导体（导电性能良好的物体）中的自由电子在电场力的作用下作定向运动，形成电流。做定向运动的自由电子，要与在平衡位置附近不断振动的原子发生碰撞，阻碍自由电子的定向运动。导体对电流的阻碍作用就叫做电阻，用字母R表示。任何物体都有电阻。

导体电阻的大小不仅与导体的材料有关，还与物体的尺寸有关。经实验证明，在一定的温度下，一定材料制成的导体电阻与导体的长度成正比，与导体的截面积成反比。这个实验规律叫做电阻定律。均匀导体的电阻可用公式表示为

R=（ρL）/S

式中　ρ——电阻率，单位是欧米（Ω·m）；

L——导体的长度，单位是米（m）；

S——导体的截面积，单位是平方米（m2）；

R——导体的电阻，单位是欧（Ω），在国际单位制中，电阻的常用单位还有千欧（kΩ）和兆欧（MΩ）。

2.电容器

被绝缘介质隔开的两个导体的总体，叫做电容器。组成电容器的两个导体叫做极板，中间的绝缘物质叫做电容器的介质。电容器的最基本特性是能够储存电能。

电容器的电容量简称电容，用字母C表示，单位是法（F）。

在实际应用中，法拉的单位太大，常用较小的单位有微法（μF）和皮法（pF）。

需要指出的是，一个电容器的电容量并不由外加电压来决定。电容量是电容的固有属性。一般来讲，电容器的电容量主要受以下几方面影响：

（1）极板的面积越大，电容量越大。

（2）极板间的距离越大，电容量越小。

（3）极板间介质的介电常数越大，电容量越大。

电容器是电路的基本元件之一，在各种电子产品和电力设备中有着广泛的应用。在电子技术中电容常用于滤波、移相、选频等；在电力系统中，电容可用来提高电力系统的功率因数。

3.电感元件

通过一个线圈的电流越大，所产生的磁场越强，穿过线圈的磁通就越多，那么磁链也就越大。通过实验证明：线圈的磁链和通过线圈的电流成正比。线圈的磁链与电流的比值叫做自感系数，又称电感。电感用符号L表示，即

L=Ψ/i

式中　Ψ——磁链，单位是韦（Wb）；

i——电流，单位是安（A）。

电感单位用亨（H）表示，较小的单位用毫亨（mH）、微亨（μH）表示。

线圈的电感是描述一个线圈特征的物理量，它与线圈的结构有关，而与通过线圈中的电流无关。也就是一个线圈的匝数、尺寸、有无铁芯以及铁芯的形状确定后，这个线圈的电感就是一个定值了。

电感又分为线性电感和非线性电感。一个空心线圈，当它的结构一定时，它的电感是一个常数，不随线圈中电流的变化而变化，电流与磁通之间成正比关系，这种电感叫线性电感。铁芯线圈中的电感随电流的变化而变化，线圈中的电流与磁通之间不成正比关系，这种电感叫非线性电感。

4.电源和电动势

（1）电源

电源是把其他形式能量转换成电能的装置。电源种类很多，如：干电池或蓄电池把化学能转换成电能；光电池把太阳的光能转化成电能；发电机把机械能转化成电能等。

（2）电动势

如图1-1所示，在电源内部，电流能从负极流向正极，也就是能从低电位流向高电位，这是因为在电源内部有一种非静电力——电源力在起作用。如在发电机中这种力就是机械能产生的电磁力，在电池内就是化学能产生的化学力。电源力能将电源内部的正电荷源源不断地从低电位移向高电位，从而维持电源的电压。从而在外部电路形成不间断的电流。

电源内部电源力由负极指向正极，因此电源电动势的方向规定为由电源的负极（低电位）指向正极（高电位）。

电源正极电位高，负极电位低。接通负载后，外电路中电场力移动正电荷形成电流，电流方向从高电位（正极）流向低电位（负极）；在电源内部电源力移动正电荷形成电流，电流从低电位（负极）流向高电位（正极）。

应当指出的是，电动势与电压是两个物理意义不同的物理量，电动势存在于电源内部，是衡量电源力做功本领的物理量；电压存在于电源的内、外部，是衡量电场力做功本领的物理量。电动势的方向从负极指向正极，即电位升高的方向；电压的方向是从正极指向负极，即电位降低的方向。

5.电功和电功率

（1）电功

电流能使电灯发光、电动机转动、电炉发热等，这些都是电流做功的表现。在电场力作用下，电荷定向运动形成的电流所做的功称为电能。电流做功的过程就是电能转换成其他形式的能的过程。

电流所做的功，即电能为

W=UIt

式中　U——加在导体两端的电压，单位是伏（V）；

I——导体中的电流，单位是安（A）；

t——通电时间，单位是秒（s）；

W——电能，单位是焦（J）。

上式表明，电流在一段电路上所做的功，与这段电路两端的电压、电路中的电流和通电时间成正比。

对于纯电阻电路，欧姆定律成立，即I=U/R。代入上式，得到

W=I2Rt

（2）电功率

电流在单位时间内所做的功叫做电功率。它是描述电流做功的快慢程度的物理量。如果在时间t内，电流通过导体所做的功为W，那么电功率为

P=W/t

式中　W——电流所做的功（即电能），单位是焦（J）；

t——完成这些功所用的时间，单位是秒（s）；

P——电功率，单位是瓦（W）。

（三）电磁感应

1.磁体和磁场

（1）磁体

某些物体具有吸引铁、镍、钴等物质的特性，这种特性就叫做磁性。具有磁性的物体叫磁体。磁铁是最常见的磁体，它两端的磁性最强，磁性最强的地方叫磁极。任何磁铁都有一对磁极，一个叫南极，用S表示；一个叫北极，用N表示。南极和北极总是成对出现并且强度相等，不存在独立的北极或南极。磁极之间存在着相互作用力。同名磁极互相排斥，异名磁极互相吸引。

（2）磁场

磁极之间的作用力是通过磁极周围的磁场传递的。在磁力作用的空间，有一种特殊的物质叫磁场。

2.电流的磁效应

电流可以产生磁场。通电导体的周围存在着磁场，这种现象叫电流的磁效应。磁场的强弱和通电导体的电流大小有关，电流越大，磁场越强；它还与通电导体的距离有关，离导体越近，磁场越强。

3.磁感应强度和磁通

（1）磁感应强度

实践证明，带电导体在磁场中会受到力的作用。一定长度的导体中通过一定量的电流，在磁场中不同的点所受到的力是不一样的，这说明磁场中各点的强弱是不一样的，磁感应强度就是反映磁场中某点强弱的物理量，用B表示，单位是特（T）。

磁感应强度不仅反映某点的强弱，还反映了该点的磁场方向。磁感应强度是矢量。磁场中某点磁力线的切线方向就是该点磁感应强度的方向。

（2）磁通

磁感应强度B仅仅反映了磁场中某一个点的性质。在实际工作中，往往要考虑某一个面的磁场情况，为此，引入一个新的物理量——磁通，用字母Φ表示。磁感应强度B和与其垂直一个截面积S的乘积，叫做通过该面积的磁通。

在匀强磁场中，磁感应强度B是一个常数，磁通的计算公式为

Φ=BS

式中　B——匀强磁场的磁感应强度，单位是特（T）；

S——与B垂直的某一个截面面积，单位是平方米（m2）；

Φ——通过该面积的磁通，单位是韦（Wb）。

4.磁场强度

（1）磁导率

实践证明，在磁场中放置某种物质，会对磁场的强弱产生影响。放置不同的物质，对磁场强弱的影响不同。对磁场影响的强弱程度取决于所放置物质的导磁性能。物质导磁性能的强弱用磁导率μ表示，单位是亨/米（H/m）。不同物质的磁导率是不同的。在相同情况下，μ值越大，磁感应强度B越大，磁场越强；μ值越小，磁感应强度B越小，磁场越弱。

（2）磁场强度

磁感应强度B与物质的磁导率有关系，磁场中某点的磁场强度等于该点的磁感应强度与介质磁导率μ的比值，即

H=B/μ

式中　B——磁感应强度，单位是特（T）；

μ——介质的磁导率，单位是亨/米（H/m）；

H——磁场强度，单位是安/米（A/m）。

磁场强度是矢量，它的方向与该点磁感应强度的方向相同。

5.铁磁材料的磁化

（1）铁磁材料的磁化

一些原来没有磁性的物质，放在磁场中，在外磁场的作用下，会产生磁性，这种现象就叫做磁化。所有铁磁物质都能够被磁化。

（2）剩磁

当某一种被磁化的物质，在外磁场被去掉以后，仍能保持一定的磁性，这种磁性叫做剩磁。

（3）退磁

要想使物体的剩磁除去，也就是退磁，可采用多种方法，其中一种就是给有剩磁的物体加反向磁场。

6.电磁感应定律

（1）电磁感应现象

电流的磁效应即电能生磁。1831年，英国科学家法拉第应用电磁感应的方法，使磁场中的导体在一定条件下产生了感应电流。像这样利用磁场产生电流的现象叫做电磁感应现象，用电磁感应的方法产生的电流叫做感应电流。

通过实验得出结论是：闭合回路中的一部分导体在磁场中作切割磁力线运动时，回路中有感应电流。另一种实验得出结论是：穿过闭合回路的磁通发生变化时，回路中也有感应电流产生。

上述两个结论，阐述了产生感应电流的两种不同的条件，实际上是从不同角度观察问题的结果。两种说法是统一的，本质是相同的，所得结果也是完全一样的。

（2）感应电动势

如果闭合回路中有持续的电流，那么该回路中必定有电动势，因此在电磁感应现象中，闭合回路中有感应电流产生，这个回路必定有感应电动势存在。由电磁感应产生的电动势叫做感应电动势。

电路中感应电动势的大小，和穿过这个回路的磁通的变化率成正比，这就是法拉第电磁感应定律。

7.自感与互感

（1）自感现象和自感电动势

当通过线圈的电流发生变化时，它所产生的磁场也要发生变化，通过线圈本身的磁通也在变化，线圈本身要产生感应电动势，这个电动势阻碍线圈中原来电流的变化。这种因通过线圈的电流的变化而在线圈自身引起电磁感应的现象，叫做自感现象。在自感现象中产生的感应电动势，叫做自感电动势。

（2）互感现象和互感电动势

如图1-2所示，当线圈A中的电流发生变化时，电流产生的磁场也要发生变化，通过线圈的磁通也要随之变化，其中必然要有一部分磁通通过线圈B，这部分磁通叫做互感磁通。互感磁通同样随着线圈A中电流的变化而变化，因此，线圈B中要产生感应电动势。同样，如果线圈B中的电流发生变化时，也会使线圈A中产生感应电动势。这种现象叫做互感现象，所产生的感应电动势叫做互感电动势。

（四）直流电路

1.电路

电流流通的闭合路径叫做电路。它由电源、负载、连接导线、控制和保护装置四部分组成，最简单的电路如图1-3所示。

2.电阻串联电路

把几个电阻依次连接起来，组成中间无分支的电路，叫做电阻串联电路。如图1-4所示。

（1）电阻串联电路的特点

①串联电路中电流处处相等。

I1=I2=I3=…=In

②电路两端的总电压等于串联电阻上分电压之和。

U=U1+U2+U3+…+Un

③电路的总电阻等于各串联电阻之和。

R=R1+R2+R3+…+Rn

④串联电路中的电压分配和功率分配关系

a.串联电路中各个电阻两端的电压与各个电阻的阻值成正比。

Un=IRn

b.各个电阻所消耗的功率也和各个电阻阻值成正比。

Pn=I2Rn

（2）电阻串联的应用

由于电阻串联后将增大电路的总电阻，因此常用串联电阻的方法来限制电路中的电流，如直流电机串联电阻来实现降压启动；稳压电路中的限流电阻等。

利用电阻串联电路的分压原理，还可制成分压器及多量程的电压表。

3.电阻并联电路

把两个或两个以上电阻接到电路中的两点之间，两电阻承受的是同一个电压的电路，叫做电阻的并联电路。如图1-5所示。

（1）电阻并联电路的特点

①电路中各个电阻两端的电压相同。

Ul=U2=U3=…=Un

②电阻并联电路总电流等于各支路电流之和。

I=I1+I2+I3+…+In

③并联电路的总电阻的倒数等于各并联电阻倒数的和。

1/R=1/R1+1/R2+1/R3+…+1/Rn

④电阻并联电路的电流分配和功率分配关系

a.并联电路中各支路电流和各个电阻的阻值成反比。

In=U/Rn

b.各支路电阻消耗的功率和各个电阻的阻值成反比。

（2）电阻并联电路的应用

生活中的民用电路，即是典型的电阻并联电路。用电器的额定电压是220V。供电电压也是220V，只有将用电器并联到供电线路上，才能保证用电器都在额定电压下正常工作。此外，只有将用电器并联使用，才能在断开或闭合某个用电器时，不影响其他电器的正常工作。利用并联电阻的分流原理，还可以制成分流器及多量程的电流表。

（五）单相正弦交流电

1.单相正弦交流电

在直流电路中，电流和电压的大小和方向都不随时间变化，在交流电路中，电流和电压的大小和方向随时间做周期性变化，这样的电流、电压分别称作交变电流、交变电压，统称为交流电。随时间按正弦规律变化的电流电，称做正弦交流电。如图1-6所示为常见交流电的电流波形图。

2.正弦交流电的基本物理量

（1）周期

正弦交流电电流完成一次周期性变化所用的时间，叫做周期，用T表示，单位是秒。

（2）频率

交流电在单位时间内（1s）完成周期性变化的次数，叫做频率，用字母f表示，单位是赫，符号为Hz。

我国发电厂发出交流电的频率是50Hz，习惯上称为“工频”。这种交流电完成一次周期性变化的时间是1/50s。

（3）角频率

单位时间内电角度的变化量，叫做角频率。角频率和周期、频率有如下关系

ω=2πf

式中　f——频率，单位是赫（Hz）。

ω——角频率，单位是弧度/秒（rad/s）。

（4）相位和相位差

由电动势公式e=Emsin（ωt+φ0）可知，电动势的瞬时值e是由振幅Em和正弦函数sin（ωt+φ0）共同决定的。t时刻线圈平面与中性面的夹角为（ωt+φ0），叫做交流电的相位。

相位是表示正弦交流电在某一时刻所处状态的物理量，它不仅决定瞬时的大小和方向，还能反映正弦交流电的变化趋势。

两个同频率正弦交流电，任一瞬间的相位之差就叫做相位差。它与时间无关，在正弦量变化过程中的任一时刻都是一个常数。

（5）交流电的有效值

交流电和直流电具有不同的特点，但从能量转换的角度来看，两者是可以等效的。理论和实践证明，正弦交流电的最大值是有效值的倍。有效值和最大值是从不同角度反应交流电强弱的物理量。通常所说的交流电的电流、电压、电动势的值，不作特殊说明都是指有效值。例如，日常生活用电的电压是220V，是指其有效值为220V。

3.交流电和直流电比较有三个主要优点：

（1）交流电可以用变压器改变电压，便于远距离输电。

（2）交流电机比相同功率的直流电机构造简单，造价低。

（3）可以应用整流装置，将交流电变换成所需的直流电。

因此，在生产和生活中交流电得到广泛使用。

（六）三相正弦交流电

1.三相交流电的优点

三相交流电路在实际的电力系统中应用十分广泛，它比单相交流电路有更多的优点：

（1）三相交流发电机比尺寸相同的单相发电机输出的功率大。

（2）三相交流电机和变压器的结构、制造都较简单，便于使用和维护，运转时比单相发电机的振动小。

（3）远距离输电时比单相发电机节约线材。

（4）三相电动机比单相电动机性能平稳可靠，工农业生产大量使用交流电动机。

2.三相交流电动势的产生

三相交流电动势是由三相交流发电机产生的。三相交流发电机的原理示意图如图1-7所示。它的主要组成部分是定子和转子。转子是转动的磁极，定子是在铁芯槽上放置三个几何尺寸与匝数相同的线圈（称作定子绕组），它们排列在圆周上的位置彼此相差120°，分别用Ul-U2，Vl-V2，Wl-W2表示。Ul、Vl、Wl表示各相绕组的首端。U2、V2、W2表示各相绕组的末端。各相绕组的电动势的参考方向规定为由线圈的末端指向始端。当原动机带动转子顺时针以角速度ω匀速转动时，就相当于每相绕组以角速度ω逆时针匀速旋转，做切割磁力线运动，因而产生感应电动势气eU、eV、eW。由于三个绕组的结构相同，在空间相差120°，因此，三个电动势的振幅、频率相同，彼此间的相位差120°。以eU为参考正弦量，则三相电动势的瞬时表达式为

eU=Emsinωt

eV=Emsin（ωt―120°）

eW=Emsin（ωt+120°）

它们的波形如图1-8所示。

在电工技术和电力工程中，把这种有效值相等、频率相同、相位上彼此相差120°的三相电动势叫做对称三相电动势，供给三相电动势的电源就叫做三相电源。产生三相电动势的每个绕组叫做一相。

3.电源的星形和三角形接法

三相发电机三个绕组的连接方法有两种，一种是星形（Y）连接，另一种是三角形（△）连接。

（1）电源的星形接法

如图1-9所示，将发电机三相绕组的末端U2、V2、W2连接在一起成为一个点，始端U1、V1、W1分别与负载相连，这种连接方法就叫做星形连接。

在这种连接方式中，公共端点叫做中点或零点，用N表示，从中点引出的导线叫做中线或零线，中线一般是接地的，又叫做地线。从线圈的首端Ul、Vl、Wl引出的三根电线叫做相线（俗称火线），分别用黄、绿、红三种颜色表示。这种供电系统叫做三相四线制，用符号“Yo”表示。

三相四线制供电系统可输送两种电压，即相电压与线电压。各相线与中线之间的电压叫做相电压，一般分别用UU、UV、UW表示其有效值。

相线与相线之间的电压叫做线电压，用UUV、UVW、UWU表示其有效值。它们与相电压之间的关系为

一般线电压用UL表示，相电压用UP表示，线电压与相电压之间的数量关系可以写成

（2）电源的三角形接法

电源的另一种连接方法是三角形连接，如图1-10所示。将发电机三相绕组依次首尾相连，接成一个三角形的闭合回路，从三个连接点引出三根导线向外送电。在此情况下，线电压即等于相电压。

UL=UP

从理论上分析，在三角形回路中，不会产生回路电流。因为三相对称电动势瞬时值的代数和或有效值的矢量和等于零。

但在实际中，三相发电机的三相绕组不能做到完全一样，因而三相电动势也不能完全对称。三相电动势合起来并不是绝对等于零。这样在三角形回路中，就有可能产生环路电流，而绕组的内阻是很小的，这个电流会很大，将会导致烧坏发电机。所以发电机的绕组很少接成三角形，通常都接成星形。

4.负载的星形和三角形接法

（1）负载的星形接法

把各相负载的末端U2、V2、W2连在一起接到三相电源中线上，这种连接方法叫做负载有中线的星形接法，用YO表示。图1-11（a）为三相负载有中线的星形接法的原理图，图1-11（b）为实际电路。

（2）负载的三角形接法

把三相负载分别接到三相交流电源的每两根相线之间，负载的这种连接方法叫做三角形连接，用符号“△”表示。图1-12（a）所示的是负载作三角形连接的原理图，图1-12（b）所示是三相负载作三角形接法实际电路图。

（七）变压器

1.用途

变压器是根据电磁感应原理制成的一种静止的电气设备，它的基本作用是变换交流电压，即把某一数值的交流电压变为频率相同电压为另一数值的交流电。在输电方面，为了节省输电导线的用铜量和减少线路上的电压降及线路的功率损耗，通常利用变压器升高电压；在用电方面，为了用电安全，可利用变压器降低电压。此外，变压器还可用于变换电流大小和变换阻抗大小。

2.变压器的基本结构

无论何种变压器，其基本构造和工作原理是相同的，都由铁磁材料构成的铁芯和绕在铁芯上的线圈（亦称绕组）两部分组成。变压器常见的结构形式有两类：芯式变压器和壳式变压器。芯式变压器如图1-13所示，其特点是绕组包围铁芯，用铁量较少，构造简单，绕组的安装和绝缘处理比较容易，因此多用于容量较大的变压器中。壳式变压器如图1-14示，其特点是铁芯包围绕组。这种变压器用铜量较少，多用于小容量的变压器。

3.变压器的工作原理

如图1-15所示，单相变压器是由绕在同一个铁芯上的两个匝数不同的线圈构成的。它的铁芯是一个闭合的磁路，用硅钢片叠成。它的一个线圈接电源，叫做原线圈（又叫一次线圈或初级线圈），另一个线圈接负载，叫做副线圈（又叫二次线圈或次级线圈）。变压器的符号为T。

变压器是按电磁感应原理进行工作的。如果把变压器的原线圈接在交流电源上，在原线圈中就有电流流过，这个交变电流将在铁芯中产生交变的磁通。这个变化的磁通经过闭合磁路同时穿过原线圈和副线圈。由于交变的磁通将在线圈中产生感应电动势。因此，在变压器的原线圈中产生自感电动势的同时，在副线圈中也产生了互感电动势。对于负载来说，副线圈中的互感电动势就相当于电源电动势。如果在副线圈上接上负载，那么电能将通过负载转换成其他形式的能。从能量传递的角度来看，电能通过变压器铁芯中的交变磁通，根据电感应原理，从原线圈传递到副线圈，能量由电源提供。铁芯中的磁通是传递能量的桥梁。变压器只能传递能量而不能产生能量，如果变压器副边有一定的能量输出，那么它的原边就必须有相应的能量输入，当略去变压器内部少量损耗时，则变压器输出的功率和输入的功率是必然相等的。

4.变压器的分类

变压器的种类很多，不同类型的变压器在性能、结构上有很大差别。一般变压器可按用途、结构和相数分类。

（1）按用途分类

按照用途变压器可分为：用于输配电系统的电力变压器；用于工业动力系统中直流拖动的专用电源变压器；用于电力系统或实验室等场合的调压变压器；用于测量电压的电压互感器、测量电流的钳形电流表等测量变压器；用于潮湿环境或人体常常接触场合的安全变压器。

（2）按结构分类

按绕组数不同可分为：双绕组变压器、三绕组变压器、多绕组变压器以及自耦变压器。

按铁芯结构形式可分为壳式变压器和芯式变压器。

（3）按相数分类

按相数可分为：单相变压器、三相变压器和多相变压器。

二、电子电路基本知识

（一）半导体基本知识

1.PN结

（1）PN结的形成

采用不同的掺杂工艺，通过扩散作用，将P型半导体与N型半导体制作在同一块半导体（通常是硅或锗）基片上，在它们的交界面就形成空间电荷区称为PN结，如图1-16所示。

（2）PN结的单向导电性

PN结具有单向导电性，即在PN结上加正向电压时，PN结电阻很低，正向电流较大，PN结处于导通状态；PN结加反向电压时，PN结电阻很高，反向电流很小，PN结处于截止状态，如图1-17、图1-18所示。

2.二极管

（1）二极管结构

将PN结加上相应的电极引线和管壳，就成为晶体二极管，按结构可将其分为点接触型和面接触型两类。如图1-19所示。

（2）二极管的伏安特性

二极管既然是一个PN结，它当然具有单向导电性，其伏安特性曲线如图1-20所示。

当外加正向电压很低时，由于外电场还不能克服PN结内电场对多数载流子扩散运动的阻力，故正向电流很小，几乎为零。当正向电压超过一定数值后，内电场被大大削弱，电流增长很快，这个一定数值的正向电压称为死区电压，其大小与材料及环境温度有关。通常，硅管的死区电压约为0.5V，锗管约为0.1V。导通时的正向压降，硅管约为0.6～0.8V，锗管约为0.2～0.3V。

在二极管上加反向电压时，由于少数载流子的漂移运动，形成很小的反向电流。反向电流有两个特点：一是它随温度的上升增长很快；一是在反向电压不超过某一范围时，反向电流的大小基本恒定，而与反向电压的高低无关，故通常称它为反向饱和电流。而当外加反向电压过高时，反向电流将突然增大，二极管失去单向导电性，这种现象称为击穿。二极管被击穿后，一般不能恢复原来的性能，便失效了。产生击穿时加在二极管上的反向电压称为反向击穿电压UBR。

（3）二极管的主要参数

用来表示二极管的性能好坏和适用范围的技术指标，称为二极管的参数。不同类型的二极管有不同的特性参数。主要参数：

①最大整流电流IOM

最大整流电流是指二极管长时间连续工作时，允许通过的最大正向平均电流值，其值由半导体材料、PN结截面面积及外部散热条件等有关。因为电流通过管子时会使管芯发热，温度上升，温度超过容许限度（硅管为141℃左右，锗管为90℃左右）时，就会使管芯过热而损坏。所以在规定散热条件下，二极管使用中不要超过二极管最大整流电流值。

②反向工作峰值电压URWM

加在二极管两端的反向电压高到一定值时，会将管子击穿，失去单向导电能力。为了保证使用安全，规定了最高反向工作电压值。

（4）二极管的种类及应用

二极管利用PN结的基本特性，根据PN结的材料、掺杂分布、几何结构和偏置条件的不同，可以制造多种功能的晶体二极管。

如利用PN结单向导电性可以制作整流二极管、检波二极管和开关二极管，利用击穿特性制作稳压二极管；利用高掺杂PN结隧道效应制作隧道二极管；利用结电容随外电压变化效应制作变容二极管。使半导体的光电效应与PN结相结合还可以制作多种光电器件。

（二）晶体三极管

1.晶体三极管基本结构和分类

晶体三极管（简称晶体管）是电子电路的核心元件，它的放大作用和开关作用促使电子技术飞速发展。

晶体管的结构，最常见的有平面型和合金型两类。硅管主要是平面型，锗管都是合金型。它们是在一块半导体基片上制作两个相距很近的PN结，两个PN结把整块半导体分成三部分，中间部分是基区，两侧部分是发射区和集电区，排列方式有PNP和NPN两种，其结构如图1-21所示，结构示意图和符号如图1-22所示。从三个区引出相应的电极，分别为基极b发射极e和集电极c。

发射区和基区之间的PN结叫发射结，集电区和基区之间的PN结叫集电结。基区很薄，而发射区较厚，杂质浓度大，PNP型三极管发射区“发射”的是空穴，其移动方向与电流方向一致，发射极箭头向里；NPN型三极管发射区“发射”的是自由电子，其移动方向与电流方向相反，发射极箭头向外。发射极箭头指向也是PN结在正向电压下的导通方向。

2.晶体管的放大原理

NPN型和PNP型晶体管的工作原理类似，仅在使用时电源极性连接不同而已。下面以NPN型晶体管为例来分析讨论。

按图1-23所示，做一个实验。把晶体管接成两个电路：基极电路和集电极电路。发射极是公共端，因此这种接法称为晶体管的共发射极接法。发射结加正向电压（正向偏置），由于EC大于EB，集电结加的是反向电压（反向偏置），这样晶体管才能起到放大作作用。改变可变电阻RB，则基极电流IB、集电极电流IC和发射极电流IE都发生变化。测量结果见表1-1。

由此实验及测量结果可得出下面结论：

（1）IE=IC+IB。

（2）IC和IE比IB大得多。IB的少量变化可以引起IC的较大变化。

（3）当IB=0（将基极开路）时，IC=ICEO。

（4）要使晶体管起放大作用，发射结必须正向偏置，而集电结必须反向偏置。

实际上三极管是一种电流放大器件，是利用基极电流的微小变化去控制集电极电流的巨大变化，但在实际使用中常常利用三极管的电流放大作用，通过电阻转变为电压放大作用。

三极管的电流放大作用是三极管最基本的和最重要的特性。

3.晶体管的特性曲线及三个工作区域

（1）输入特性

三极管的输入特性是指当集一射极电压UCE为常数时，基极电流IB与基-射极电压UBE之间的关系曲线，如图1-24所示。

（2）输出特性

三极管的输出特性是指当基极电流IB一定时，集电极电流IC与集-射极电压UCE之间的关系曲线。在不同的IB下，可得出不同的曲线，所以三极管的输出特性是一组曲线，如图1-25所示。

通常把输出特性曲线分为三个区（三种工作状态）：

截止状态：当加在三极管发射结的电压小于PN结的导通电压，基极电流为零，集电极电流和发射极电流都为零，三极管这时失去了电流放大作用，集电极和发射极之间相当于开关的断开状态，我们称三极管处于截止状态。

放大状态：当加在三极管发射结的电压大于PN结的导通电压，并处于某一恰当的值时，三极管的发射结正向偏置，集电结反向偏置，这时基极电流对集电极电流起着控制作用，使三极管具有电流放大作用，这时三极管处放大状态。

饱和导通状态：当加在三极管发射结的电压大于PN结的导通电压，并当基极电流增大到一定程度时，集电极电流不再随着基极电流的增大而增大，而是处于某一定值附近不怎么变化，这时三极管失去电流放大作用，集电极与发射极之间的电压很小，集电极和发射极之间相当于开关的导通状态。三极管的这种状态我们称之为饱和导通状态。

4.晶体管的主要参数

（1）电流放大系数β

（2）集-基极反向截止电流ICBO

（3）集-射极反向截止电流ICEO

（4）集电极最大允许电流ICM

（5）集-射极反向击穿电压U（BR）CEO

（6）集电极最大允许耗散功率PCM

（三）晶闸管

1.晶闸管结构

晶闸管（Thyristor）是晶体闸流管的简称，以前被简称为可控硅；晶闸管是PNPN四层半导体结构，它有三个极：阳极，阴极和门极，如图1-26、图1-27所示。

2.晶闸管工作原理

它是由一个P-N-P-N四层半导体构成的，中间形成了三个PN结可控硅元件的结构，它们的管芯都是由P型硅和N型硅组成的四层P1N1P2N2。它有三个PN结（J1、J2、J3），从J1结构的P1层引出阳极A，从N2层引出阴极K，从P2层引出控制极G，所以它是一种四层三端的半导体器件。

晶闸管在工作过程中，它的阳极（A）和阴极（K）与电源和负载连接，组成晶闸管的主电路，晶闸管的门极G和阴极K与控制晶闸管的装置连接，组成晶闸管的控制电路。

晶闸管为半控型电力电子器件，它的工作条件如下：

（1）晶闸管承受反向阳极电压时，不管门极承受何种电压，晶闸管都处于反向阻断状态。

（2）晶闸管承受正向阳极电压时，仅在门极承受正向电压的情况下晶闸管才导通。这时晶闸管处于正向导通状态，这就是晶闸管的闸流特性，即可控特性。

（3）晶闸管在导通情况下，只要有一定的正向阳极电压，不论门极电压如何，晶闸管保持导通，即晶闸管导通后，门极失去作用。门极只起触发作用。

（4）晶闸管在导通情况下，当主回路电压（或电流）减小到接近于零时，晶闸管关断。分析原理时，可以把晶闸管看作由一个PNP管和一个NPN管所组成，其等效图解如图1-28所示。

3.晶闸管分类

（1）晶闸管按其关断、导通及控制方式可分为普通晶闸管（SCR）、双向晶闸管（TRIAC）、逆导晶闸管（RCT）、门极关断晶闸管（GTO）、BTG晶闸管、温控晶闸管（TT国外，TTS国内）和光控晶闸管（LTT）等多种。

（2）晶闸管按其引脚和极性可分为二极晶闸管、三极晶闸管和四极晶闸管。

4.主要参数

为了正确地选择和使用晶闸管，还必须了解它的电压、电流等主要参数的意义。晶闸管的主要参数有以下几项：

（1）正向重复峰值电压UFRM

在控制极断路和晶闸管正向阻断的条件下，可以重复加在晶闸管两端的正向峰值电压，称为正向重复峰值电压，用符号UFRM表示。按规定此电压为正向转折电压的80％。

（2）反向重复峰值电压URRM

就是在控制极断路时，可以重复加在晶闸管元件上的反向峰值电压，用符号URRM表示。按规定此电压为反向转折电压的80％。

（3）正向平均电流IF

在环境温度不大于40℃和标准散热及全导通的条件下，晶闸管可以连续通过的工频正弦半波电流（在一个周期内的）平均值，称为正向平均电流IF，简称正向电流。通常所说多少安的晶闸管，就是指这个电流。

（4）维持电流IH

在规定的环境温度和控制极断路时，维持元件继续导通的最小电流称为维持电流IH。

5.主要用途

晶闸管被广泛应用于各种电子设备和电子产品中，多用来作可控整流、逆变、变频、调压、无触点开关等。

（四）IGBT元件简介

1.IGBT元件简介

IGBT即绝缘栅双极晶体管。

绝缘栅双极晶体管（Insulated-Gate Bipolar Transistor-IGBT或IGT）综合了GTR和MOSFET的优点，因而具有良好的特性。

GTR和GTO是双极型电流驱动器件，由于具有电导调制效应，所以其通流能力很强，但开关速度较低，所需驱动功率大，驱动电路复杂。而电力MOSFET是单极型电压驱动器件，开关速度快，输入阻抗高，热稳定性好，所需驱动功率小而且驱动电路简单。将这两类器件相互取长补短适当结合而成的复合器件。

2.IGBT的结构和工作原理

IGBT是三端器件，具有栅极G、集电极C和发射极E。图1-29（a）给出了一种由N沟道VDMSFET与双极型晶体管组合而成的IGBT的基本结构。IGBT比VDMOSFET多一层P+注入区，因而形成了一个大面积的P+N+结J1。这样使得IGBT导通时由P+注入区向N基区发射少数载流子，从而对漂移区电导率进行调制，使得IGBT具有很强的通流能力。其简化等效电路如图1-29（b）所示，可以看出这是用双极型晶体管与MOSFET组成的达林顿结构，相当于一个由MOSFET驱动的厚基区PNP晶体管。图中RN为晶体管基区内的调制电阻。因此，IGBT的驱动原理与电力MOSFET基本相同。它是一种场控器件，其开通和关断是由栅极和发射极间的电压UGE决定的，当UGE为正且大于开启电压UGE（th）时，MOSFET内形成沟道，并为晶体管提供基极电流进而使IGBT导通。由于前面提到的电导调制效应，使得电阻RN减小，这样高耐压的IGBT也具有很小的通态压降。当栅极与发射极间施加反向电压或不加信号时，MOSFET内的沟道消失，晶体管的基极电流被切断，使得IGBT关断。

以上所述PNP型晶体管与N沟道MOSFET组合而成的IGBT称为N沟道IGBT，记为N-IGBT，其电气图形符号如图1-29（c）所示。相应的还有P沟道IGBT，记为P-IGBT，将图1-29（c）中的箭头反向即为P-IGBT的电气图形符号。实际当中N沟道IGBT应用较多。因此下面仍以其为例进行介绍。

三、整流与逆变

（一）整流

1.整流概念

在电力电子电路中，通过电力电子开关器件将交流电转换为直流电的过程称为整流。半导体整流电源包括整流、滤波、稳压等环节，如图1-30所示。

2.整流电路

（1）单相半波整流电路

图1-31给出了单相半波整流电路的原理电路。由于整流二极管具有单向导电特性，因此，当u2为正半周时，整流二极管导通；而u2为负半周时，整流二极管不通，因而在u2的一个周期内，负载电阻RL上的电压波形便如图1-31（c）所示。

可见，电压u2仅有半个周期向负载电阻RL提供电压，因此这种电路便叫半波整流电路。

（2）单项桥式整流电路

如图1-32所示，四只二极管组成桥式整流电路。在u2正半轴时，D1、D3导通，而D2、D4截止，RL得到一个上正下负的电压；在u2负半轴时，D1、D3截止，而D2、D4导通，RL也得到一个上正下负的电压。RL上的电压波形如图1-32（c）所示。

（3）单相半波可控整流电路

把不可控的单相半波整流电路中的二极管用晶闸管代替，就成为单相半波可控整流电路。下面分析这种可控整流电路在接电阻性负载的工作情况（接电感性负载和接电阻性负载的情况大不相同）。

如图1-33所示是接电阻性负载RL的电路，图1-34是接电阻性负载时单相半波可控整流的电压与电流的波形图。从图可见，在输入交流电压u的正半周时，晶闸管T承受正向电压。假如在t1时刻[图1-34（a）]给控制极加上触发脉冲[图1-34（b）]，晶闸管导通，负载上得到电压。当交流电压u下降到接近于零值时，晶闸管正向电流小于维持电流而关断。

在电压u的负半周时，晶闸管承受反向电压，不可能导通，负载电压和电流均为零。在第二个正半周内，再在相应的t2时刻加入触发脉冲，晶闸管再行导通。这样，在负载RL上就可以得到如图1-34（c）所示的电压波形。图1-34（d）所示的波形为晶闸管所承受的正向和反向电压，其最高正向和反向电压均为输入交流电压的幅值

显然，在晶闸管承受正向电压的时间内，改变控制极触发脉冲的输入时刻（移相），负载上得到的电压波形就随着改变，这样就控制了负载上输出电压的大小。

（4）单相半控桥式整流电路

单相半波可控整流电路虽然有电路简单、调整方便、使用元件少的优点，但却有整流电压脉动大、输出整流电流小的缺点。较常用的是半控桥式整流电路（简称半控桥），其电路如图1-35所示。电路与单相不可控桥式整流电路相似，只是其中两个臂中的二极管被晶闸管所取代。

在变压器副边电压u的正半周（a端为正）时，T1和D2承受正向电压。这时，如对晶闸管T1引入触发信号，则T1和D2导通，电流的通路为

a→T1→RL→D2→b

这时T2和D1都因承受反向电压而截止。

同样，在电压u的负半周时，T2和D1承受正向电压。这时，如对晶闸管T2引入触发信号，则T2和D1导通，电流的通路为

b→T2→RL→D1→a

这时T1和D2处于截止状态。

当整流电路接电阻性负载时，单相半控桥的电压与电流的波形如图1-36所示。显然，与单相半波整流相比，桥式整流电路的输出电压的平均值要大一倍。

3.四象限整流电路

（1）四象限整流电路工作原理及其控制

四象限整流器是一个交直流电力转换系统，它采用IGBT将交流电转换成直流电，其特点如下：

与二极管桥式整流电路相比，采用了可控元件IGBT元件与二极管反向并联。

直流侧输出电压幅值大于交流侧输入电压幅值。

在交流电路中即使有感性负载，功率因数也能控制到1.0。

即使交流电电源电压或直流负载发生变化时，直流输出电压也能被控制在恒定状态。

采用PWM控制技术。

①四象限整流器和二极管整流器基本电路比较

采用四象限整流器和二极管整流器将交流转换成直流的基本电路的比较如图1-37所示。采用四象限整流器的时候，其电路功能在IGBT的控制门电路启动之前，由于所有的IGBT被关闭，与二极管的电路功能是一样的。

如图1-38所示的二极管整流电路中，二极管只有在施加正向电压时，才会导通。如果没有电抗元件，负载为纯电阻，整流电压、电流波形如图1-38所示。

在电源电压正半周期内，流过负载的电流为i1。在电源电压负半周期内，流过负载的电流为i2。这里，施加在负载上的电压UD是全波整流的直流电压。这是交流一直流转换的基本原则。一般来说，由于电路中有电感元件（如牵引变压器和电机）和电容元件（如滤波电容器），交流电源的功率因数不可能达到1.0。此外，如图1-38所示，用整流器获得的直流电压UD不可能大于电源电压。

②四象限整流器基本原理及其控制

四象限整流器可以将交流转换成直流外，整流器的功率因数可控制到1.0的近似值，而且直流输出电压可以高于交流输入电压有效值。四象限整流器电路工作状态说明如下。

a.功率因数控制

为了使整流器的功率因数控制在1.0，必须采用控制的办法，让网侧电流接近于正弦波，并且使电网电压US和电流IS同相。为控制IS与US同相，串接在输入电路中的电感LS的电压ULS是一个很重要的参数。

b.升压斩波器US

由于电感LS的存在，且采用了PWM（脉宽调制）技术，因此四象限整流器实质上是一个升压斩波器。

c.PWM整流器的导通和关断过程

控制PWM整流器IGBT的导通和关断过程，可使交流电流IS和输入电压US同相，并且保持直流电压恒定。

PWM整流器的工作由4个周期组成，即：

（a）只增加交流输入电流IS的周期；

（b）当交流输入电流在增加和降低时受到控制的周期；

（c）在输入电压为负向而整流器工作与Ⅰ相同的周期；

（d）在输入电压为负向而整流器工作与Ⅱ相同的周期。

以上每个周期可分成1～4和1′～4′微时间模式，现仅以周期Ⅰ的1～4微时间模式进行分析说明：

在1～4模式中，电源电压US为正向，而调制波为负向。

[Ⅰ-1模式]

在这个模式中，由于直流电压高于交流电压，放电电流从滤波电容器FC流经IGBT-QV和QX到交流电源，由此，交流电IS以高比率增加。

[Ⅰ-2模式]

在这个方式中，交流电源经由IGBT-QV和续流二极管FDU形成短路，整流器输入电压Uc的极性与交流电源电压相反，由于电抗LS的续流，交流电增加。然而，交流电增加的比率与Ⅰ-1方式相比还是低一些。

[Ⅰ-3模式]

这一模式是Ⅰ-1方式的重复。在这个方式中，电能重新生成并返回到交流电路。由于从FC放电电流的原因，交流电增加的比率高。

[Ⅰ-4模式]

像Ⅰ-2方式一样，在这个方式中，交流电源被短路而交流电增加。本方式与Ⅰ-2方式不同之处是由IGBT-QX和FDY形成回路。

（二）逆变

1.概念

逆变就是将整流单元输出的直流电转换为交流电的过程。和谐型电力机车通过改变逆变电路的输出电压和输出频率来控制牵引电机的转矩和转速。

2.逆变器的工作原理

现以单相逆变器为例，说明直流如何转换成交流（逆变器操作）。

图1-39（a）表明开关A和D闭合时的工作状态，而图1-39（b）表明开关B和C闭合时的工作状态。虽然该电路采用直流电源，操作这些开关可以将施加在负载上的电压反向，即通过操作这些开关，交流电压可以施加在负载上。这是直流一交流转换的基本原理。图1-40表明一个三相逆变器的操作，使用的是半导体元件而不是图1-39中的开关。根据表中模式1到6的导通和关断过程，通过闭合/关断这些元件，可获得U、V和W相由电压E和0组成的矩形波，然后，每两个相之间则有线点压UV、VW、WU。由此，可获得120°相位差的三相交流电压。图1-40和图1-41表明在60°到120°、180°到240°、300°到360°区域内各相相电流的流通路径。此时，ZU，Zv和Zw被认为是纯电阻。