新第二章1(基本概念定律).ppt

电气工程学概论,第一章 绪 论,一、课程内容,电工技术,（电工学）,（强电）,（弱电）,电工学 - 针对非电专业的技术基础课程,主要讨论：用电技术的基本理论和基本方法，以及专业上 常用的电子器件、机电器件及其基本电路,电子技术,电路问题,学时：80,+ 16（实验）,电力能源系统,电磁及电动器件,（共十章）,电气工程学概论,电路分析方法,相量运算及交流电路分析,电路的频率特性,电路过渡过程,模拟信号与模拟系统,数字信号与数字系统,二、课程要求,讲授：,实验：,作业：,考核：,平时成绩：（作业、课堂测验）,期末试卷：,实验预习报告、实验操作过程、实验总结报告,掌握电工技术的新知识，提高解决和分析问题的能力,出勤率，课堂吸收率, 迟到现象。,独立、认真完成。,三、教材,2、电工学（I） 电工技术，姚海彬，高教出版社,1、电气工程学概论,（本周二下午 14楼314室购买 11元/册）,3、电工技术学习指导，王月芹，天津大学出版社,4、电工学实验教程，王萍，高等教育出版社,参考教材,学 号,学号（十位）,2-1 电路与电路模型,2-2 电路的状态和过程,2-4 电路的功率和能量,2-3 电路基本定律,2-5 线性电路与非线性电路,2-6 恒定电压、电流激励下的电路问题,2-7 变化电压、电流激励下的电路问题,第二章 电路问题,2.1.1 电路与电路图,2-1 电路与电路模型,1、电 源： 驱动电路工作的激励能源,2、功能部件: 实现电气装置功能所必需的元器件,3、连接导线: 担负传输电能量和电信号的作用,电路：是由电源、部件和导线三个部分组成，并实现既定功能 的闭合回路系统 。常用电路图的形式来表述。,2.1.2 电路中常用的术语,1、元件、器件、设备和系统,2、电路、网络和系统,3、力能电路与信号电路,电路,元件,目的,组合方式,、器件,、设备,电路是为了某种需要由某些电器设备或器件或元件按一定方式组合起来的。,元件：最小单位。,器件：元件组合到一定的规模。,简单的电路 复杂的电路,器件构成设备，设备组成系统。,1) 力能电路,电灯 电炉 . 电动机,光能,机械能,热能,中间环节,电源,负载,起传输和分配电能的作用,供电设备,吸收电能,电能传输效率高。,实现能量的传输和转换。,(强电),照明电路,动力电路,电压高、电流和功率大 (106Kw、105Kw)。,380V、220V；50Hz,2) 信号电路,中间环节,信号源,负载,电信号转换、放大，传递给扬声器,保证信号传递质量。,功率低 (10-3w),(弱电),传递和处理信号。,处理：放大、变换,、滤波,16Hz20kHz 正弦、方波、三角波,4、电路元件的并联与串联,电阻：串联R = R1 + R2 + + RN ； 并联 1/R = 1/R1 + 1/R2 + + 1/RN,电感：串联 L = L1 + L2 + + LN ； 并联电感 1/L = 1/L1 + 1/L2 + + 1/LN,电容：串联1/C = 1/C1 + 1/C2 + + 1/CN ；并联 C = C1 + C2 + + CN,5、开路与短路,短路状态 : 两点之间用理想导线（零电阻导线）直接相连,开路状态 : 一条支路在任意一点处被断开,2.1.3 电路模型,物理过程,表示耗能,无源元件,实际电气设备,电路模型,表示建立电场,表示建立磁场,有源元件,电气设备,(多种物理现象),基本模型的组合,基本模型,实际电路,模型化,理论分析,+测量,1、理想电路元件,1) 电阻 R 表示耗能过程,3) 电感 L 表示建立磁场,2) 电容 C 表示建立电场,无源元件,空气电容器、纸介质电容器、云母介质电容器、陶瓷电容器、电解电容,有源元件,电流源,电压源,4) 电源(有源元件 独立源),实际电源模型,5) 电源(有源元件 受控源),独立源模型,2、电路模型,由理想电路元件所组成的电路。,电路模型是对实际电路电磁性能的科学抽象和概括,具有一般性。,特点：,1) 只见参数，不见设备,2) 联结关系不变，但不表示联结 形式不变。,手电筒电路模型,晶体管电路模型,高频下电阻元件模型,思考题,那种联结正确？,?,2.2 电路的状态与过程,2.2.1 状态与过程描述,状态：瞬间的，状态用电路的状态参数集(电压、电流等)描述；,在电路分析中，用大写字母（如 I、U ）表示恒定的状态参数； 用小写字母（如 i、u ）表示随时间变化的状态参数,过程：对某一时间段而言，是这一段时间里电路状态的有序集合,原始稳态 新的稳态,2.2.2 稳态过程与暂态过程,稳态：是指稳定状态，不随时间变化(恒定)或随时间周期性重复的状态。,暂态过程 ：当发生换路时，即结构 或激励 发生突然改变，,也称为瞬态过程， 是电路分析的重要内容。,源,力能: 电源 信号: 信号源,激励,输入,传输,负载(负荷),响应,发生在负载上的响应,输出,2.3.1 电路问题,1 激励、响应,激励- 电源或信号源的电压(电流)，它推动电路工作。,响应-由激励在电路各个部分产生的电压和电流。,响应 Y,激励 X,(响应之一),2.3 电路基本定律,2 电路系统,1) 系统分析,根据系统内部结构和参数，建立Y =f (X)关系。,2) 系统综合,根据激励X与响应Y的关系，构造系统的结构。通常所讲的设计。,3) 系统辨识,系统存在，但内部结构及系统功能未知，建立系统响应Y与激励X的关系。通常所讲的建模。,研究电路的,u,i 关系,功能关系,4) 系统诊断,电路变量,时变量,非时变量,(小写字母),(大写字母),u、i、p,U、I、P,已知: 激励、结构、参数,3 电路分析的基本方法,2) 根据不同元件电压和电流关系-平衡约束(由KCL、KVL),1) 根据各元件电压和电流关系-元件约束(由元件本身特点决定),U1=R1I U2=R2I U3=R3I,Ul,U3,U2,I,US =U1 + U2 + U3,然后,元件约束,平衡约束,-数学模型,最后 求解,首先确定,求解：电压、电流、功率,a. 5A b.不定,2.3.2 电压、电流及其参考方向,一、问题的引出,I2,复杂电路时，各变量的实际方向无法确定,电路在交流信号及其它时变激励作用时，变量的实际方向是随时 间变化,?,结果,1) 为涉及到的各个电流、电压设定参考方向。,2) 参考方向一旦设定，不能再改变。,0 参考方向与实际方向一致。,0 参考方向与实际方向相反。,二、任意选定一个方向为正-正方向(参考方向),I=5A,I= -5A,!,3) 参考方向与公式配合使用。,U = RI,U = RI,三、关联参考方向,电流方向设从高电位端流入,电流方向设从高电位端流出,电位参考点符号：,物理“地”,真正“地”,多为电路公共节点，设其电位值=0,多为电路中多电源汇合点，其电位值=0,悬空端 标注电源端电压,四、电位参考点及工程电路的简化画法,-12V,+12V,与“地”相联的电源符号,不画,简化画法：,2.3.3 基尔霍夫定律,定律：通过实验得到的，无须证明的结论。 定理：从基本事实出发，推导计算出的规律，需证明。,一、名词术语,1 支路 m,acb,，ab,，adb,2 结点 n,结点a,，结点b,3 回路 l,acba,4 网孔 N,acba,，adba,，acbda,，adba,显然，凡是网孔均属于回路，而回路不一定是网孔。,二、基尔霍夫第一定律（KCL）,也称电流定律。它是研究结点上各支路电流间的关系。,结点a：i1 + i3 = i2,i1 + i3 - i2 = 0,(代数和),4A,3A,1A,=?,-5A,8A,-7A,4 + 3 -7 =0,-IC - IA - IB = 0,KCL推广：,流入任一封闭面的电流的代数和等于零。,结点 封闭面,对于电路中的任何一个结点，在任一瞬时，流入该结点的电流的代数和等于零， 。,广义结点,?,(1) 列写KCL方程时，电流变量前面的运算符号只取决于电流变量的参考方向与结点的关系。,(2) 所求变量(电流)值的正负，决定了变量的参考方向与实际方向的关系。,!,i1 + i3 - i2 = 0,i1 = 2.5 A , i2 = - 1.6 A,回路 ：,回路 ：,回路 ：,UAB,UR2 - UAB = 0,UR2 - US + UR1 = 0,-,US,UR1,三、基尔霍夫第二定律（KVL）,也称电压定律。它是研究回路中各部分电压间的关系,电路中任意回路上各段电压的代数和恒等于零。,+,= 0,对不闭合回路,UAB,UAB - US + R1I1= 0,(1)列写KVL方程时，电压变量前面的运算符号只取决于电压变量的参考方向与回路循行方向的关系（循行方向可任意设定）。,(2)所求变量(电压)值的正负，决定了变量的参考方向与实际方向的关系。,!,UR2 - US + UR1 = 0,UR1 = 10 V , UR2 = - 15 V,四、基尔霍夫定律 (KL) 的适用条件,KCL电流连续性原理在电路中的具体表述,元件类型：线性、非线性,电路中变量性质：时变、非时变,KVL电位单值性原理在电路中的具体表述,适用于有各种不同元件所构成的电路,KL对它们没有要求,I1 + I2 = I3,UR1 = I1 R1 = 2.625V; UR2 = I2 R2 = 0.624V; UR3 = I3 R3 = 2.374V,1、设定各支路电流的参考方向及回路方向，如图中所示,2、建立完备计算模型,3、联立求解完备计算模型确定电路状态,3I1 2I2 = 2,2I2 + 2I3 = 3,I1 = 0.875 A; I2 = 0.312 A; I3 = 1.187 A;,示例1：应用KL定律求解恒定激励下电路的步骤,根据KCL确定结点电流关系：,I1 + I2 I3 = 0,根据KVL确定回路电压关系：,I: 3I1 2I2 5 + 3 = 0,II: 2I2 + 2I3 3 = 0,示例2：应用KL定律求解动态电路,先用KCL定律确定 i1、 i2 、 i3的关系：,对网孔I和网孔II运用KVL定律建立方程：,i1 + i2 i3 = 0,将上述三个方程整理成：,功：J 功率：W、Kw .,2.4 电路的功和功率,一、功与功率的关系,二、功率的正负,P = U I,P 0 ，消耗功率 (吸收功率),1 电流方向设从高电位端流入,P 0 ，外力作功，起电源作用，供出功率,2 电流方向设从高电位端流出,P = U I,0 ，消耗功率(吸收功率), 0 ，供出功率, = U I 或 =U I ， 是否涉及到 U 、 I 的具体数值？,P = U I,P = U I,吸收,供出,供出,吸收,?,判断那个是吸收功率? 那个是供出功率?,示例：判断各个元件是消耗还是产生电功率,解：,I2 = I1 + 3 = 5.5 A,设定各支路电流参考方向及回路方向,根据KCL：,4 I1 6 4 = 0,根据KVL:,I1 = 2.5 A,US1方向与 I1 方向相反， PUS1 = US1 I1 = 6 2. 5 = 15 W 0， US1 供出功率；,US2方向与 I2 方向 相反， PUS2 = US2 I2 = 4 5.5 = 22 W 0， US2 产生功率；,IS 方向与其两端电压US2 方向一致， PUS2 = US2 IS = 4 3 = 12 W 0， IS 吸收功率。,UR方向与 I1 方向一致，PR = 4 2.52 = 25 W 0，R消耗电功率；,一、线性系统,2.5 线性电路与非线性电路,系统的激励与响应之间的关系是线性的。,线性方程：线性代数方程,、线性微分方程、线性差分方程。,二、线性系统性质,1. 比例性(齐次性),2. 叠加性,X Y,kX kY,X1 Y1,X2 Y2,X1 +X2 Y1 +Y2,线性系统是比例性和叠加性的统一。,k1X1 + k2X2 k1Y1 + k2Y2,2.5.1 线性电路,1比例性应用,(NP结构、参数未知),解：,三、性质应用,UR,U1,= k,| ?,方法1,方法2,电路的响应,单独作用于电路的激励,电压电流表测量UR,通过电路求解UR,(已知NP结构及参数),已知：U1= 90V，求：I,解：,设 I=1A,I=1A,I=1A,U1=45V,U1=90V,I=2A,2A,3A,1A,4A,比例性应用举例,2叠加性应用,叠加性在电路问题重的应用,- 叠加原理,!,各激励单独作用于电路时的响应分量的叠加,1. 除源原则,2. 叠加分量与原始量的关系,3. 适用条件,叠加性应用举例,已知：结构如图、参数R1 、R2 、R、 IS 、US 求：各支路电流,、设参考方向,、将原电路分解成 各激励源单独作用和,应用叠加定理求解步骤,线性电路中，任何一条支路中的电流（或电），都