作者：蔡杏山
出版社：电子工业出版社
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电气工程师自学成才手册(基础篇)试读：
前言
随着科学技术的发展，社会各领域的电气化程度越来越高，这使得电气及相关行业需要越来越多的电工技术人才。对于一些对电工技术一无所知或略有一点基础的人来说，要想成为一名电气工程师或达到相同的技术程度，既可以在培训机构培训，也可以在职业学校系统学习，还可以自学成才，不管是哪种情况，都需要一些合适的学习图书，选择一些好图书，不但可以让学习者轻松迈入电工技术大门，而且能让学习者的技术水平迅速提高，快速成为电工技术领域的行家里手。《电气工程师自学成才手册》是一套零基础起步、由浅入深、知识技能系统全面的电工技术学习图书，读者只要具有初中文化水平，通过系统阅读本套图书，就能很快达到电气工程师的技术水平。本套图书分为基础篇、提高篇、精通篇三册，其内容说明如下。《电气工程师自学成才手册（基础篇）》主要包括电工基础知识，电工工具的使用与导线选用连接，电工电子测量仪表的使用，低压电器，电子元器件，变压器，电动机，三相异步电动机的常用控制电路，单相异步电动机及控制电路，直流电动机及控制电路，常用机床电气控制电路，变频器入门，PLC入门等内容。《电气工程师自学成才手册（提高篇）》主要包括住宅配电线路的设计规划，常用电动工具的使用，暗装方式敷设电气线路，明装方式敷设电气线路，开关、插座的接线与安装，灯具、浴霸的接线与安装，弱电线路及门禁系统的接线与安装，电工识图基础，电工测量电路的识读，照明与动力配电线路的识读，供配电系统电气线路的识读，电子电路的识读，电力电子电路的识读，实用电工电子电路的识读，变频器的组成与主电路原理及检修，变频器的电源、驱动电路原理与检修，变频器的其他电路原理与检修等内容。《电气工程师自学成才手册（精通篇）》主要包括PLC入门与实践操作，三菱FX系列PLC硬件接线和软元件说明，三菱PLC编程与仿真软件的使用，基本梯形图元件与指令的使用及实例，步进指令的使用及实例，应用指令的使用举例，模拟量模块的使用，PLC通信，变频器的使用，变频器的典型控制功能及应用电路，变频器的选用、安装与维护，PLC与变频器的综合应用，触摸屏与PLC的综合应用，交流伺服系统的组成与原理，三菱通用伺服驱动器的硬件系统，三菱伺服驱动器的显示操作与参数设置，伺服驱动器三种工作模式的应用举例与标准接线，步进电机与步进驱动器的使用及应用实例，三菱定位模块的使用等内容。《电气工程师自学成才手册》丛书主要有以下特点：
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本书在编写过程中得到了许多教师的支持，其中蔡玉山、詹春华、黄勇、何慧、黄晓玲、蔡春霞、刘凌云、刘海峰、刘元能、邵永亮、朱球辉、蔡华山、蔡理峰、万四香、蔡理刚、何丽、梁云、唐颖、王娟、吴泽民、邓艳姣、何彬、何宗昌、蔡理忠、黄芳、谢佳宏、李清荣、蔡任英和邵永明等参与了资料的收集和部分章节的编写工作，在此一并表示感谢。由于我们水平有限，书中的错误和疏漏在所难免，望广大读者和同仁予以批评指正。编 者第1章电工基础知识1.1 电路基础1.1.1 电路与电路图
图1-1（a）所示是一个简单的实物电路，该电路由电源（电池）、开关、导线和灯泡组成。电源的作用是提供电能；开关、导线的作用是控制和传递电能，称为中间环节；灯泡是消耗电能的用电器，它能将电能转变为光能，称为负载。因此，电路是由电源、中间环节和负载组成的。
图1-1（a）所示为实物电路图，使用实物图来绘制电路很不方便，为此人们就采用一些简单的图形符号代替实物的方法来画电路，这样画出的图形就称为电路图。图1-1（b）所示的图形就是图1-1（a）所示实物电路的电路图，不难看出，用电路图来表示实际的电路非常方便。图1-1 一个简单的电路1.1.2 电流与电阻
1.电流
在图1-2所示电路中，将开关闭合，灯泡会发光，为什么会这样呢？原来当开关闭合时，带负电荷的电子源源不断地从电源负极经导线、灯泡、开关流向电源正极。这些电子在流经灯泡内的钨丝时，钨丝会发热，温度急剧上升而发光。图1-2 电流说明图
大量的电荷朝一个方向移动（也称定向移动）就形成了电流，这就像公路上有大量的汽车朝一个方向移动就形成“车流”一样。实际上，我们把电子运动的反方向作为电流方向，即把正电荷在电路中的移动方向规定为电流的方向。图1-2所示电路的电流方向是：电源的正极→开关→灯泡→电源的负极。
电流用字母“I”表示，单位为安培（简称安），用“A”表示，比安培小的单位有毫安（mA）、微安（μA），它们之间的关系为361A=10mA=10μA
2.电阻
在图1-3（a）所示电路中，给电路增加一个元器件——电阻器，发现灯光会变暗，该电路的电路图如图1-3（b）所示。为什么在电路中增加了电阻器后灯泡会变暗呢？原来电阻器对电流有一定的阻碍作用，从而使流过灯泡的电流减小，灯泡变暗。图1-3 电阻说明图
导体对电流的阻碍称为该导体的电阻，电阻用字母“R”表示，电阻的单位为欧姆（简称欧），用“Ω”表示，比欧姆大的单位有千欧（kΩ）、兆欧（MΩ），它们之间关系为361MΩ =10kΩ =10Ω
导体的电阻计算公式为
式中，L为导体的长度（单位：m）；S为导体的横截面积（单位：2m）；ρ 为导体的电阻率（单位：Ω·m）。不同的导体，ρ 值一般不同。表1-1列出了一些常见导体的电阻率（20℃时）。
在长度L和横截面积S相同的情况下，电阻率越大的导体其电阻越大，例如，L、S相同的铁导线和铜导线，铁导线的电阻约是铜导线的 5.9 倍，由于铁导线的电阻率较铜导线大很多，为了减小电能在导线上的损耗，让负载得到较大电流，供电线路通常采用铜导线。表1-1 一些常见导体的电阻率（20℃时）
导体的电阻除了与材料有关外，还受温度影响。一般情况下，导体温度越高电阻越大，如常温下灯泡（白炽灯）内部钨丝的电阻很小，通电后钨丝的温度上升到千度以上，其电阻急剧增大；导体温度下降电阻减小，某些导电材料在温度下降到某一值时（如-109℃），电阻会突然变为零，这种现象称为超导现象，具有这种性质的材料称为超导材料。1.1.3 电位、电压和电动势
电位、电压和电动势对于初学者来说较难理解，下面通过图1-4所示的水流示意图来说明这些术语。首先来分析图1-4中的水流过程。图1-4 水流示意图
水泵将河中的水抽到山顶的A处，水到达A处后再流到B处，水到B处后流往C处（河中），同时水泵又将河中的水抽到A处，这样使得水不断循环流动。水为什么能从A处流到B处，又能从B处流到C处呢？这是因为A处水位较B处水位高，B处水位较C处水位高。
要测量A处和B处水位的高度，必须先要找一个基准点（零点），就像测量人身高要选择脚底为基准点一样，这里以河的水面为基准A（C处）。AC之间的垂直高度为A处水位的高度，用H表示，BC之间B的垂直高度为B处水位的高度，用H表示，由于A处和B处水位高度不AB一样，它们存在着水位差，该水位差用H表示，它等于A处水位高ABABAB度H与B处水位高度H之差，即H=H−H。为了让A处源源不断有水往B、C处流，需要水泵将低水位的河水抽到高处的A点，这样做水泵是需要消耗能量的（如耗油）。
1.电位
电路中的电位、电压和电动势与上述水流情况很相似。如图1-51所示，电源的正极输出电流，流到A点，再经R流到B点，然后通过2R流到C点，最后流到电源的负极。图1-5 电位、电压和电动势说明图
与图1-4所示水流示意图相似，图1-5所示电路中的A、B点也有高低之分，只不过不是水位，而称之为电位，A点电位较B点电位高。为了计算电位的高低，也需要找一个基准点作为零点，为了表明某点为零基准点，通常在该点处画一个“⊥”符号，该符号称为接地符号，接地符号处的电位规定为0V，电位单位不是米，而是伏特（简称伏），用V表示。在图1-5所示电路中，以C点为0V（该点标有接地符AB号），A点的电位为3V，表示为U=3V，B点电位为1V，表示为U=1V。
2.电压
图1-5所示电路中的A点和B点的电位是不同的，有一定的差距，这种电位之间的差距称为电位差，又称电压。A点和B点之间的电位ABABABA差用U表示，它等于A点电位U与B点电位U的差，即U=UB1−U=3V−1V=2V。因为A点和B点电位差实际上就是电阻器R两端的R1ABR1电位差（即电压），R1两端的电压用U表示，所以U=U。
3.电动势
为了让电路中始终有电流流过，电源需要在内部将流到负极的电流源源不断地“抽”到正极，使电源正极具有较高的电位，这样正极才会输出电流。当然，电源内部将负极的电流“抽”到正极需要消耗能量（如干电池会消耗化学能）。电源消耗能量在两极建立的电位差称为电动势，电动势的单位也为伏特，图1-5所示电路中电源的电动势为3V。
由于电源内部的电流方向是由负极流向正极的，故电源的电动势方向规定为从电源负极指向正极。1.1.4 电路的三种状态
电路有三种状态：通路、开路和短路，这三种状态的电路如图1-6所示。图1-6 电路的三种状态
1.通路
图1-6（a）所示电路处于通路状态。电路处于通路状态的特点有：电路畅通，有正常的电流流过负载，负载正常工作。
2.开路
图1-6（b）所示电路处于开路状态。电路处于开路状态的特点有：电路断开，无电流流过负载，负载不工作。
3.短路
图1-6（c）所示电路处于短路状态。电路处于短路状态的特点有：电路中有很大电流流过，但电流不流过负载，负载不工作。由于电流很大，很容易烧坏电源和导线。1.1.5 接地与屏蔽
1.接地
接地在电工电子技术中应用广泛，接地常用图1-7所示的符号表示。接地主要有以下含义。
① 在电路图中，接地符号处的电位规定为0V。在图1-8（a）所示电路中，A点标有接地符号，规定A点的电位为0V。
② 在电路图中，标有接地符号处的地方都是相通的。图1-8（b）所示的两个电路图虽然从形式上看不一样，但实际的电路连接是一样的，故两个电路中的灯泡都会亮。图1-7 接地符号图1-8 接地符号含义说明图
③ 在强电设备中，常常将设备的外壳与大地连接，当设备绝缘性能变差而使外壳带电时，可迅速通过接地线泄放到大地，从而避免人体触电，如图1-9所示。图1-9 强电设备的接地
2.屏蔽
在电气设备中，为了防止某些元器件和电路工作时受到干扰，或者为了防止某些元器件和电路在工作时产生干扰信号影响其他电路正常工作，通常对这些元器件和电路采取隔离措施，这种隔离称为屏蔽。屏蔽常用图1-10所示的符号表示。
屏蔽的具体做法是用金属材料（称为屏蔽罩）将元器件或电路封闭起来，再将屏蔽罩接地（通常为电源的负极）。图1-11所示为带有屏蔽罩的元器件和导线，外界干扰信号无法穿过金属屏蔽罩干扰内部元器件和电路。图1-10 屏蔽符号图1-11 带有屏蔽罩的元器件和导线1.2 欧姆定律
欧姆定律是电工电子技术中的一个最基本的定律，它反映了电路中电阻、电流和电压之间的关系。欧姆定律分为部分电路欧姆定律和全电路欧姆定律。1.2.1 部分电路欧姆定律
部分电路欧姆定律内容是：在电路中，流过导体的电流I的大小与导体两端的电压U成正比，与导体的电阻R成反比，即
也可以表示为U=IR或
为了让大家更好地理解欧姆定律，下面以图1-12为例来说明。图1-12 欧姆定律的几种形式AB
如图1-12（a）所示，已知电阻R=10Ω，电阻两端电压U=5V，那么流过电阻的电流
如图1-12（b）所示，已知电阻R=5Ω，流过电阻的电流I=2A，那AB么电阻两端的电压U=I·R=（2×5）V=10V。
在图1-12（c）所示，流过电阻的电流I=2A，电阻两端的电压ABU=12V，那么电阻的大小
下面再来说明欧姆定律在实际电路中的应用，如图1-13所示。图1-13 部分电路欧姆定律应用说明图
在图1-13所示电路中，电源的电动势E=12V，A、D之间的电压AD123U与电动势E相等，三个电阻R、R、R串接起来，可以相当于一123个电阻R，R=R+R+R=（2+7+3）Ω=12Ω。知道了电阻的大小和电阻器两端的电压，就可以求出流过电阻器的电流I123
求出了流过R、R、R的电流I，并且它们的电阻大小已知，就123R1R1可以求R、R、R两端的电压U（U实际就是A、B两点之间的电ABR2BCR3CD压U）、U（实际就是U）和U（实际就是U），即R1R2R3ABBCCDAD
从上面可以看出U+U+U=U+U+U=U=12V
在图1-13所示电路中如何求B点电压呢？首先要明白，求某点电B压指的就是求该点与地之间的电压，所以B点电压U实际就是电压BDBU。求U有以下两种方法。BBDBCCDR2R3
方法一：U=U=U+U=U+U=（7+3）V=10VBBDADABADR1
方法二：U=U=U−U=U−U=（12−2）V=10V1.2.2 全电路欧姆定律
全电路是指含有电源和负载的闭合回路。全电路欧姆定律又称闭合电路欧姆定律，其内容是：闭合电路中的电流与电源的电动势成正比，与电路的内、外电阻之和成反比，即
全电路欧姆定律应用如图1-14所示。图1-14 全电路欧姆定律应用说明图0
图1-14中点画线框内为电源，R表示电源的内阻，E表示电源的电动势。当开关S闭合后，电路中
有电流I流过，根据全电路欧姆定律可求得
电源输出电压（也即电阻R两端的电压）U=IR=1×10V=10V，内000阻R两端的电压U=IR=1×2V=2V。如果将开关S断开，电路中的电00流I=0A，那么内阻R上消耗的电压U=0V，电源输出电压U与电源电动势相等，即U=E=12V。
根据全电路欧姆定律不难看出以下几点。
① 在电源未接负载时，不管电源内阻有多大，内阻消耗的电压始终为0V，电源两端电压与电动势相等。
② 当电源与负载构成闭合电路后，由于有电流流过内阻，内阻会消耗电压，从而使电源输出电压降低。内阻越大，内阻消耗的电压越大，电源输出电压越低。
③ 在电源内阻不变的情况下，如果外阻越小，电路中的电流越大，内阻消耗的电压也越大，电源输出电压也会降低。
由于正常电源的内阻很小，内阻消耗的电压很低，故一般情况下可认为电源的输出电压与电源电动势相等。
利用全电路欧姆定律可以解释很多现象。比如用仪表测得旧电池两端电压与正常电压相同，但将旧电池与电路连接后除了输出电流很小外，电池的输出电压也会急剧下降，这是因为旧电池内阻变大的缘故；又如将电源正、负极直接短路时，电源会发热甚至烧坏，这是因为短路时流过电源内阻的电流很大，内阻消耗的电压与电源电动势相等，大量的电能在电源内阻上消耗并转换成热能，故电源会发热。1.3 电功、电功率和焦耳定律1.3.1 电功
电流流过灯泡，灯泡会发光；电流流过电炉丝，电炉丝会发热；电流流过电动机，电动机会运转。由此可以看出，电流流过一些用电设备时是会做功的，电流做的功称为电功。用电设备做功的大小不但与加到用电设备两端的电压及流过的电流有关，还与通电时间长短有关。电功可用下面的公式计算W=UIt
式中，W表示电功，单位是焦（J）；U表示电压，单位是伏（V）；I表示电流，单位是安（A）；t表示时间，单位是秒（s）。
电功的单位是焦耳（J），在电学中还常用到另一个单位：千瓦时（k W·h），也称度。1kW·h=1度。千瓦时与焦耳的换算关系是：3661kW·h=1×10W×（60×60）s=3.6×10W·s=3.6×10J
1kW· h可以这样理解：一个电功率为1000W的灯泡连续使用1h，消耗的电功为1kW· h（即消耗1度电）。1.3.2 电功率
电流需要通过一些用电设备才能做功。为了衡量这些设备做功能力的大小，引入一个电功率的概念。电流单位时间做的功称为电功率。电功率用P表示，单位是瓦（W），此外还有千瓦（kW）和毫瓦（mW），它们之间的换算关系是361kW=10W=10 mW
电功率的计算公式是P=UI
根据欧姆定律可知U=IR，I=U/R，所以电功率还可以用公式22P=IR和P=U/R来求得。
下面以图1-15所示电路来说明电功率的计算方法。
在图1-15所示电路中，白炽灯两端的电压为220V（它与电源的电动势相等），流过白炽灯的电流为0.5A，求白炽灯的功率、电阻和白炽灯在10s所做的功。
白炽灯的功率 P=UI=220V·0.5A=110V·A=110W
白炽灯的电阻 R=U/I=220V/0.5A=440V/A=440Ω
白炽灯在10s做的功 W=UIt=220V·0.5A·10s=1100J图1-15 电功率的计算说明图1.3.3 焦耳定律
电流流过导体时导体会发热，这种现象称为电流的热效应。电热锅、电饭煲和电热水器等都是利用电流的热效应来工作的。
英国物理学家焦耳通过实验发现：电流流过导体，导体发出的热量与导体流过的电流、导体的电阻和通电的时间有关。焦耳定律具体内容是：电流流过导体产生的热量，与电流的平方及导体的电阻成正比，与通电时间也成正比。由于这个定律除了由焦耳发现外，俄国科学家楞次也通过实验独立发现，故该定律又称为焦耳-楞次定律。
焦耳定律可用下面的公式表示2Q=IRt
式中，Q表示热量，单位是焦耳（J）；R表示电阻，单位是欧姆（Ω）；t表示时间，单位是秒（s）。
举例：某台电动机额定电压是220V，线圈的电阻为0.4Ω，当电动机接220V的电压时，流过的电流是3A，求电动机的功率和线圈每秒发出的热量。
电动机的功率是 P=UI=220V×3A=660W22
电动机线圈每秒发出的热量 Q=IRt=（3A）×0.4Ω×1s=3.6J1.4 电阻的连接方式
电阻是电路中应用最多的一种元器件，电阻在电路中的连接形式主要有串联、并联和混联三种。1.4.1 电阻的串联
两个或两个以上的电阻头尾相连串接在电路中，称为电阻的串联，如图1-16所示。图1-16 电阻的串联
电阻串联有以下特点：
① 流过各串联电阻的电流相等，都为I。
② 电阻串联后的总电阻R增大，总电阻等于各串联电阻之和，即12R=R+R
③ 总电压U等于各串联电阻上电压之和，即R1R2U=U+U12R1R2
④ 串联电阻越大，两端电压越高，因为R 在图1-16所示电路中，两个串联电阻上的总电压U等于电源电动12势，即U=E=6V；电阻串联后总电阻R=R+R=12Ω；流过各电阻的电1R11流电阻R上的电压U=IR=（0.5×5）2R22V=2.5V，电阻R上的电压U=IR=（0.5×7）V=3.5V。1.4.2 电阻的并联 两个或两个以上的电阻头头相接、尾尾相连并接在电路中，称为电阻的并联，如图1-17所示。图1-17 电阻的并联 电阻并联有以下特点。 ① 并联的电阻两端的电压相等，即R1R2U=U ② 总电流等于流过各个并联电阻的电流之和，即12I=I+I ③ 电阻并联总电阻减小，总电阻的倒数等于各并联电阻的倒数之和，即 该式可变形为12 ④ 在并联电路中，电阻越小，流过的电流越大，因为R 在图1-17所示电路中，并联的电阻R、R两端的电压相等，R1R212U=U=U=6V；流过R的电流流过R的电流1212总电流I=I+I=（1+0.5）A=1.5A；R、R并联总电阻为1.4.3 电阻的混联 一个电路中的电阻既有串联又有并联时，称为电阻的混联，如图1-18所示。图1-18 电阻的混联 对于电阻混联电路，总电阻可以这样求：先求并联电阻的总电阻，然后再求串联电阻与并联电阻的总电阻之和。在图1-18所示电路中，34并联电阻R、R的总电阻为 电路的总电阻为120R=R+R+R=（5+7+4）Ω=16Ω1 读者如果有兴趣，可求图1-18所示电路中总电流I，R两端电压R12R23R33434U，R两端电压U，R两端电压U和流过R、R的电流I、I的大小。
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