电工电子技术教案第一章.ppt

电工电子技术,欢迎学习,第1章 电路分析基础,第2章 正弦交流电路,第3章 三相交流电路,第4章 磁路与变压器,第5章 异步电动机及其控制,第一篇 电工技术基础,理解电流、电压参考方向的问 题；掌握基尔霍夫定律及其具体 应用；了解电气设备额定值的定 义；熟悉电路在不同工作状态下 的特点；深刻理解电路中电位的 概念并能熟练计算电路中各点的 电位。,第1章 电路分析基础,学习要点,1.1 电路分析基础知识,1.2 电气设备的额定值及电路的工作状态,1.3 基本电路元件和电源元件,1.4 电路定律及电路基本分析方法,1.5 电路中的电位及其计算方法,1.6 叠加定理,1.7 戴维南定理,第1章 电路分析基础,1.1 电路分析基础知识,1、导体、绝缘体和半导体,原子核中有质子和中子，其中质子带正电，中子不带电。,绕原子核高速旋转的电子带负电。,自然界物质的电结构：,导体的外层电子数很少且距离原子核较远，因此受原子核的束缚力很弱，极易挣脱原子核的束缚游离到空间成为自由电子，即导体的特点就是内部具有大量的自由电子。,半导体的外层电子数一般为4个，其导电性界于导体和绝缘体之间。,绝缘体外层电子数通常为8个，且距离原子核较近，因此受到原子核很强的束缚力而无法挣脱，我们把外层电子数为8个称为稳定结构，这种结构中不存在自由电子，因此不导电。,当外界电场的作用力超过原子核对外层电子的束缚力时，绝缘体的外层电子同样也会挣脱原子核的束缚成为自由电子，这种现象我们称为“绝缘击穿”。绝缘体一旦被击穿，就会永久丧失其绝缘性能而成为导体。,1、绝缘体是否在任何条件下都不导电？,2、半导体有什么特殊性？,半导体的导电性虽然介于导体和绝缘体之间，但半导体在外界条件发生变化时，其导电能力将大大增强；若在纯净的半导体中掺入某些微量杂质后，其导电能力甚至会增加上万乃至几十万倍，半导体的上述特殊性，使它在电子技术中得到了极其广泛地应用。,负载：,2、电路的组成与功能,电路 由实际元器件构成的电流的通路。,（1）电路的组成,电源：,电路中提供电能的装置。如发电机、蓄电池等。,在电路中接收电能的设备。如电动机、电灯等。,中间环节：,电源和负载之间不可缺少的连接、控制和保护部件，如连接导线、开关设备、测量设备以及各种继电保护设备等。,电路可以实现电能的传输、分配和转换。,电力系统中：,电子技术中：,电路可以实现电信号的传递、存储和处理。,（2）电路的功能,3、电路模型和电路元件,电源,负 载,实体电路,中间环节,与实体电路相对应、由理想元件构成的电路图，称为 实体电路的电路模型。,电路模型,负载,电源,开关,白炽灯的电路模型可表示为：,实际电路器件品种繁多，其电磁特性多元而复杂，采取模型化处理可获得有意义的分析效果。,如,R,L,消耗电能的电特性可用电阻元件表征,产生磁场的电特性可用电感元件表征,由于白炽灯中耗能的因素大大于产生磁场的因素，因此L 可以忽略。,理想电路元件是实际电路器件的理想化和近似，其电特性单一、确切，可定量分析和计算。,白炽灯电路,电阻元件 只具耗能的电特性,电容元件 只具有储存电能的电特性,理想电压源 输出电压恒定，输出电流由它和负载共同决定,理想电流源 输出电流恒定，两端电压由它和负载共同决定,电感元件只具有储存磁能的电特性,理想电路元件分有无源和有源两大类,无源二端元件,有源二端元件,必须指出，电路在进行上述模型化处理时是有条件的：实际电路中各部分的基本电磁现象可以分别研究，并且相应的电磁过程都集中在电路元件内部进行。这种电路称为集中参数元件的电路。,集中参数元件的特征,1. 电磁过程都集中在元件内部进行，其次要因素可以忽略。如R，L、C这些只具有单一电磁特性的理想电路元件。,2. 任何时刻从集中参数元件一端流入的电流恒等于从它另一端流出的电流，并且元件两端的电压值完全确定。,工程应用中，实际电路的几何尺寸远小于工作电磁波的波 长，因此都符合模型化处理条件，均可按集中假设为前提， 有效地描述实际电路，从而获得有意义的电路分析效果。,4. 电路中的电压、电流及其参考方向,（1）电流,电流的国际单位制是安培【A】，较小的单位还有毫安【mA】和微安【A】等，它们之间的换算关系为：,1A=103mA=106A=109nA,电荷有规则的定向移动形成电流。电流的大小用电流强度表征，定义式为：,大小、方向均不随时间变化的稳恒直流电可表示为：,在电工技术分析中，仅仅指出电流的大小是不够的，通常以正电荷移动的方向规定为电流的参考正方向。,直流情况下,（2）电压,高中物理课对电压的定义是：电场力把单位正电荷从电场中的一点移到另一点所做的功。其表达式为：,注意：变量用小写字母表示，恒量用大写字母表示。,电压的国际单位制是伏特V，常用的单位还有毫伏mV和千伏【KV】等，换算关系为：,1V=103mV=103KV,电工技术基础问题分析中，通常规定电压的参考正方向由高电位指向低电位，因此电压又称作电压降。,从工程应用的角度来讲，电路中电压是产生电流的根本原因。数值上，电压等于电路中两点电位的差值。即：,（3）电流、电压的参考方向,对电路进行分析计算时应注意：列写电路方程式之前，首先要在电路中标出电流、电压的参考方向。电路图上电流、电压参考方向的标定，原则上任意假定，但一经选定，在整个分析计算过程中，这些参考方向就不允许再变更。,非关联参考方向,关联参考方向,实际电源上的电压、电流方向总是非关联的，实际负载上的电压、电流方向是关联的。因此，假定某元件是电源时，应选取非关联参考方向，假定某元件是负载应选取关联参考方向。,在电路图上预先标出电压、电流的参考方向，目的是为解题时列写方程式提供依据。因为，只有参考方向标定的情况下，方程式各电量前的正、负号才有意义。,为什么要在电路图中预先标出参考方向？,例如,设参考方向下US=100V，I=5A，则说 明电源电压的实际方向与参考方向一致；,电流为负值说明其实际方向与图中所标示的参考方向相反。,参考方向一经设定，在分析和计算过程中不得随意改动。方程式各量前面的正、负号均应依据参考方向写出，而电量的真实方向是以计算结果和参考方向二者共同确定的。,思考 回答,1.在电路分析中，引入参考方向的目的是什么？,2.应用参考方向时，你能说明“正、负”、“加、,减”及“相同、相反”这几对词的不同之处吗？,电路分析中引入参考方向的目的是：为分析和计算电路提供方便和依据。,应用参考方向时，“正、负”是指在参考方向下，电压、电流数值前面的正负号，如某电流为“5A”，说明其实际方向与参考方向相反，某电压为“100V”，说明该电压实际方向与参考方向一致；“加、减”指参考方向下电路方程式中各量前面的加、减号；“相同”是指电压、电流为关联参考方向，“相反”指的是电压、电流参考方向非关联。,日常生产和生活中，电能（或电功）也常用度作为量纲：1度=1KWh=1KVAh,5. 电能、电功率和效率,（1）电能,电能的转换是在电流作功的过程中进行的。因此，电流作功所消耗电能的多少可以用电功来量度。电功：,式中单位：U【V】；I【A】；t【s】时，电功W为焦耳【J】,1度电的概念,1000W的电炉加热1小时；,100W的电灯照明10小时；,40W的电灯照明25小时。,电功率反映了电路元器件能量转换的本领。如100W的电灯表明在1秒钟内该灯可将100J的电能转换成光能和热能；电机1000W表明它在一秒钟内可将1000J的电能转换成机械能。,（2）电功率,电工技术中，单位时间内电流所作的功称为电功率。电功率用“P ”表示：,国际单位制：U 【V】，I【A】，电功率P用瓦特【W】,通常情况下，用电器的实际功率并不等于额定电功率。当实际功率小于额定功率时，用电器实际功率达不到额定值，当实际功率大于额定功率时，用电器易损坏。,用电器额定工作时的电压叫额定电压，额定电压下的电功率称为额定功率；额定功率通常标示在电器设备的铭牌数据上，作为用电器正常工作条件下的最高限值。,提高电能效率能大幅度节约投资。据专家测算，建设1千瓦的发电能力，平均在7000元左右；而节约1千瓦的电力，大约平均需要投资2000元，不到建设投资的1/3。通过提高电能效率节约下来的电力还不需要增加煤等一次性资源投入，更不会增加环境污染。,（3）效率,电气设备运行时客观上存在损耗，在工程应用中，常把输出功率与输入功率的比例数称为效率，用“”表示：,所以，提高电能效率与加强电力建设具有相同的重要地位，不仅有利于缓解电力紧张局面，还能促进资源节约型社会的建立。,想想 练练,1、某用电器的额定值为“220V，100W”，此电器正常工作10小时，消耗多少焦耳电能？合多少度电？,2、一只标有“220V，60W”的电灯，当其两端电压为多少伏时电灯能正常发光？正常发光时电灯的电功率是多少？若加在灯两端的电压仅有110伏时，该灯的实际功率为多少瓦？额定功率有变化吗？,3、把一个电阻接在6伏的直流电源上，已知某1分钟单位时间内通过电阻的电量为3个库仑，求这1分钟内电阻上通过的电流和电流所做的功各为多少？,3A，1080J,3600000J，1度电,220V，60W；15W，不变。,检验学习结果,电路由哪几部分组成？试述电路的功能？,为何要引入参考方向？参考方向和实际方向有何联系与区别？,何谓电路模型？,学好本课程，应注意抓好四个主要环节：提前预习、 认真听课、及时复习、独立作业。还要处理好三个基本 关系：听课与笔记、作业与复习、自学与互学。,1.2 电气设备的额定值及电路的工作状态,1. 电气设备的额定值,电气设备长期、安全工作条件下的最高限值称为额定值。,电气设备的额定值是根据设计、材料及制造工艺等因素，由制造厂家给出的技术数据。,2. 电路的三种工作状态,IUS(RSRL),（1）通路, U=USIRS ,（2）开路, U=US , U=0 ,IUS/RS,（3）短路,右下图电路，若已知元件吸收功率为20W，电压U=5V，求电流I。,分析：,由图可知UI为关联参考方向，因此:, 举例2：右下图电路，若已知元件中电流为I=100A，电压U=10V，求电功率P，并说明元件是电源还是负载。,解：,UI非关联参考，因此:,元件吸收正功率，说明元件是负载。,I为负值，说明它的实际方向与图上标示的参考方向相反。,检验学习结果,1. 电源外特性与横轴相交处的电流=？电流工作状态？,2. 该电阻允许加的最高电压=？允许通过的最大电流=？,3.额定电流为100A的发电机，只接了60A的照明负载，还有40A电流去哪了？,4.电源的开路电压为12V,短路电流为30A,则电源的US=?RS=？,1.3 基本电路元件和电源元件,1. 电阻元件,线性电阻元件伏安特性,由电阻的伏安特性曲线可得，电阻元件上的电压、电流关系为即时对应关系，即：,因此，电阻元件称为即时元件。即时,电阻产品实物图,电阻元件图符号,电阻元件上的电压、电流关系遵循欧姆定律。即元件通过电流就会发热，消耗的能量为：,2. 电感元件和电容元件,线性电感元件的韦安特性,对线性电感元件而言，任一瞬时，其电压和电流的关系为微分(或积分)的动态关系，即：,显然，只有电感元件上的电流,电感产品实物图,电感元件图符号,发生变化时，电感两端才有电压。因此，我们把电感元件称为动态元件。动态元件可以储能，储存的磁能为：,或,（1）电感元件,（2） 电容元件,线性电容元件的库伏特性,对线性电容元件而言，任一瞬时，其电压、电流的关系也是微分(或积分)的动态关系，即：,电容元件的工作方式就是充放电。,电容产品实物图,电容元件图符号,因此，只有电容元件的极间电压发生变化时，电容支路才有电流通过。电容元件也是动态元件，其储存的电场能量为：,或,3. 电源元件,任何电源都可以用两种电源模型来表示，输出电压比较稳定的，如发电机、干电池、蓄电池等通常用电压源模型(理想电压源和一个电阻元件相串联的形式)表示；,柴油机组,汽油机组,蓄电池,各种形式的电源设备图,输出电流较稳定的：如光电池或晶体管的输出端等通常用电流源模型(理想电流源和一个内阻相并联的形式)表示。,（1）电压源,（2）电流源,理想电压源的外特性,电压源模型的外特性,理想电压源和实际电压源模型的区别,电压源模型,输出端电压,理想电压源内阻为零，因此输出电压 恒定； 实际电源总是存在内阻的，因此实际 电压源模型电路中的负载电流增大时， 内阻上必定增加消耗，从而造成输出电 压随负载电流的增大而减小。因此，实 际电压源的外特性稍微向下倾斜。, U ,理想电流源的内阻 R0I(相当于开路)，因此内部不能分流，输出的电流值恒定。,理想电流源的外特性,电流源模型的外特性,电流源模型,实际电流源的内阻总是有限值，因此当负载增大时，内阻上分配的电流必定增加，从而造成输出电流随负载的增大而减小。即实际电流源的外特性也是一条稍微向下倾斜的直线。,理想电流源和实际电流源模型的区别,两种电源之间的等效互换,Us = Is R0,内阻改并联,两种电源模型之间等效变换时，电压源的数和电流源的数值遵循欧姆定律的数值关系，但变换过程中内阻不变。,等效互换的原则：当外接负载相同时，两种电源模型对外部电路的电压、电流相等。,内阻改串联,检验学习结果,1. uL=0时，WL是否为0？ic=0时，WC是否为0？,2.画出图中电感线圈在直流情况下的等效电路模型？,3. 电感元件在直流时相当于短路， L 是否为零？电容元件在直流时相当于开路，C是否为零？,4. 理想电源和实际电源有何区别？理想电源之间能否等效互换？实际电源模型的互换如何？,I = ?,哪个答案对？,问题与讨论,1.4 电路定律及电路基本分析方法,电阻的串联,电阻的并联,等效电路,串联各电阻中通过的电流相同。,并联各电阻两端的电压相同。,如果两个串联 电阻有： R1R2，则RR1,如果两个并联电阻有： R1R2，则RR2,1、电阻的串联与并联,电阻的混联计算举例,解： Rab=R1+ R6+(R2/R3)+(R4/R5),由a、b端向里看， R2和R3，R4和R5 均连接在相同的两点之间，因此是 并联关系，把这4个电阻两两并联 后，电路中除了a、b两点不再有结 点，所以它们的等效电阻与R1和R6 相串联。,电阻混联电路的等效电阻计算，关键在于正确找出电路的连接点，然后分别把两两结点之间的电阻进行串、并联简化计算，最后将简化的等效电阻相串即可求出。,分析：,2、电路名词,支路：一个或几个二端元件首尾相接中间没有分岔，使各元件上通过的电流相等。（m）,结点：三条或三条以上支路的联接点。（n）,回路：电路中的任意闭合路径。（l）,网孔：其中不包含其它支路的单一闭合路径。,m=3,l=3,n=2,网孔=2,支路：共 ？条,回路：共 ？个,节点：共 ？个,6条,4个,网孔：？个,7个,有几个网眼 就有 几个网孔,电路中的独立结点数为n-1个，独立回路数=网孔数。,3、基尔霍夫第一定律（KCL）,基尔霍夫定律包括结点电流定律和回路电压两个定律，是一般电路必须遵循的普遍规律。 基尔霍夫电流定律是将物理学中的“液体流动的连续性”和“能量守恒定律”用于电路中，它指出：任一时刻，流入任一结点的电流的代数和恒等于零。数学表达式：,a,I1 + I2 I3 I4 = 0,若以指向结点的电流为正，背离结点的电流为负，则根据KCL，对结点 a 可以写出：,求左图示电路中电流i1、i2。,整理为： i1+ i3= i2+ i4,可列出KCL：i1 i2+i3 i4= 0,i1i2+10 +(12)=0 i2=1A, 4+7+i1= 0 i1= 3A,其中i1得负值，说明它的实际方向与参考方向相反。,基氏电流定律的推广,I=?,I1+I2=I3,I=0,广义节点,电流定律还可以扩展到电路的任意封闭面。,广义节点,4、基尔霍夫第二定律（KVL）,基尔霍夫电压定律是用来确定回路中各段电压之间关系的电压定律。 回路电压定律依据“电位的单值性原理”，它指出：,任一瞬间，沿任一回路参考绕行方向，回路中各段电压的代数和恒等于零。数学表达式为：U=0,然后根据： U = 0,得：-U1-US1+U2+U3+U4+US4=0,R1I1US1+R2I2+R3I3+R4I4+US4=0,R1I1+R2I2+R3I3+R4I4=US1US4,电阻压降,可得KVL另一形式：IR=US,电源压升,先标绕行方向,根据 U=0对回路#1列KVL方程,电阻压降,电源压升,即电阻压降等于电源压升,此方程式不独立,省略！,对回路#2列KVL常用形式,对回路#3列KVL方程,#1方程式也可用常用形式,KVL方程式的常用形式，是把变量和已知量区分放在方程式两边，显然给解题带来一定方便。,图示电路KVL独立方程为,KVL 推广应用于假想的闭合回路,或写作,对假想回路列 KVL：,UA UB UAB = 0,UAB = UA UB,US IR U = 0,U = US IR,对假想回路列 KVL：,或写作,5、负载获得最大功率的条件,一个实际电源产生的功率通常分为两部分，一部分消耗在电源及线路的内阻上，另一部分输出给负载。,如何使负载上获得最大功率呢？,用左图所示的闭合电路来分析。,电工技术中一般考虑的是如何提高电源的利用率问题，而电子技术中则希望负载上得到的功率越大越好。,电路中通过的电流为：,负载上获得的功率为：,由此式能看出负载上获得最大功率的条件吗？,*R0=RL,把上式加以整理可得：,电源内阻与负载电阻相等称为阻抗匹配。晶体管收音机的输出变压器就是利用这一原理使喇叭上获得最大功率的。,负载上的最大功率为：,检验学习结果,当这两个电阻相串或相并时，等效电阻R？,A4=？ A5 =？,a,b,并联：R10 串联：R10K,A4=7mA A5=3mA,结点n=2 支路b=3,Uab=0 I=0,结点？ 支路？ Uab=？ I=？,1.5 电路中的电位及其计算方法,1、电位的概念,电位实际上就是电路中某点到参考点的电压，电压常用双下标，而电位则用单下标，电位的单位也是伏特V。,电位具有相对性，规定参考点的电位为零电位。因此，相对于参考点较高的电位呈正电位，较参考点低的电位呈负电位。,求开关S打开和闭合时a点的电位值。,画出S打开时的等效电路：,b,a,d,c,c,显然，开关S打开时相当于一个闭合的全电路，a点电位为：,S闭合时的等效电路：,b,a,c,S闭合时，a点电位只与右回路有关，其值为：,d,d,2、电位的计算,电路如下图所示，分别以A、B为参考点计算C和D点的电位及UCD。,以A点为参考电位时,VC = 3 3 = 9 V,VD= 3 2= 6 V,UCD = VC VD = 15 V,以B点为参考电位时,VD = 5 V,VC = 10 V,UCD = VC VD= 15 V,* 电路中某一点的电位等于该点到参考点的电压；,*电路中各点的电位随参考点选的不同而改变，但是任意两点间的电压不变。,检验学习结果,下图电路中若选定C为参考点，当开关断开和闭合时，判断各点的电位值。,求下图电路中开关S闭合和断开时B点的电位。,试述电压和电位的异同，若电路中两点电位都很高，则这两点间电压是否也很高？,在多个电源同时作用的线性电路中，任何支路的 电流或任意两点间的电压，都是各个电源单独作用时所得 结果的代数和。,1.6 叠加定理,内容：,计算功率时不能应用叠加原理！,=,*当恒流源不作用时应视为开路,+,*当恒压源不作用时应视为短路,7.2V电源单独作用时：,用叠加原理求下图所示电路中的I2。,根据叠加原理: I2 = I2 + I2=1+(1)=0,12V电源单独作用时：,用叠加定理求：I= ?,I = I+ I= 2+（1）=1A,“恒流源不起作用”或“令其等于0”，即是将此恒流源去掉，使原恒流源处开路。,20V电压源单独作用时：,4A电流源单独作用时：,应用叠加定理要注意的问题,1. 叠加定理只适用于线性电路（电路参数不随电压、电流的变化而改变）。,2. 叠加时只将电源分别考虑，电路的结构和参数不变。暂时不予考虑的恒压源应予以短路，即令U=0；暂时不予考虑的恒流源应予以开路，即令Is=0。,3. 解题时要标明各支路电流、电压的正方向。原电路中各电压、电流的最后结果是各分电压、分电流的代数和。,4. 叠加定理只能用于电压