电工技术课件电路与电子技术.ppt

电路与电子技术 焦超群电气工程学院办公地点 电气工程楼301联系电话 51687108课件邮箱 学生自建 教材及参考书目 教材 李守成教授主编 电工电子技术 第二版 西南交通大学出版社 电工技术实验导航 讲义 北京交通大学电气电工基地编 参考资料 秦曾煌主编 电工学 上 下册邱关源主编 电路 第四或第五版康华光主编 电子技术基础 第一篇电路部分 电路理论公认有两个组成部分 电路分析和电路综合 电路分析就是在特定的激励下求一个给定电路的响应 电路综合则是在特定的激励下为了达到预期的响应而来构成一个电路 也有学者把模拟电路故障诊断看作是电路理论的第三个组成部分 三者之中电路分析是基础 本门课主要涉及的主要是电路分析的部分内容 电路分析研究对象 电路分析研究的直接对象是电路模型 而不是我们所能看得见和摸得着的实际电路 由实际电路抽象出电路模型 根据电路的一些基本定律和定理建立电路的数学模型 即数学方程 并对其进行定性分析或定量分析以取得分析结果 涉及数学知识 高等数学 积分变换 物理本质以及涉及数学知识 物理本质 电磁学 当实际电路本身的尺寸远小于电路工作时电磁波的波长时 电信号在电路中的传输时间可以忽略不计 即与空间因素无关 只产生时间函数 这种电路称之为集中参数电路模型 本书简称其为电路 线性代数 20世纪40年代以后 随着通信技术和控制技术的急剧发展 电路理论经理了一次重大变革 电路理论的发展简史和现状 20世纪30年代 电路理论形成了一门独立的学科 20世纪30 40年代 电路理论在理论上进一步成熟 20世纪50年代中期以来 由于各种新型非线性器件的出现 使电路理论发展成为非线性时变有源非互易大规模的电路理论 20世纪60年代 电子计算机的广泛使用不仅为电路理论提供了崭新的工具 而且从根本上变革了电路的分析和设计方法 第1章电路模型 基本定律 分析方法 1 1 1电路和电路模型 1 1 2电路的基本物理量及其参考方向 1 2 1无源元件 1 2 2有源元件 1 2 3电路的工作状态 1 3 1基尔霍夫定律 1 3 2电路中电位的概念及计算 本章要求 1 理解电压与电流参考方向的意义 2 理解电路的基本定律并能正确应用 3 了解电路的有载工作 开路与短路状态 理解电功率和额定值的意义 4 会计算电路中各点的电位 第1章 一 电路模型和基本定律 1 1 1电路和电路模型 1 实现电能的传输 分配与转换 2 实现信号的传递与处理 1 电路的作用 电路是电流的通路 是为了某种需要由电工设备或元件按一定方式组合而成的总体 2 电路的组成部分 电源 提供电能的装置 负载 取用电能的装置 中间环节 传递 分配和控制电能的作用 电路一般由电源负载及中间环节三部分组成 直流电源 提供能源 信号处理 放大 调谐 检波等 负载 信号源 提供信息 电源或信号源的电压或电流称为激励 它推动电路工作 由激励所产生的电压和电流称为响应 3 电路模型 手电筒的电路模型 为了便于用数学方法分析电路 一般要将实际电路模型化 用足以反映其电磁性质的理想电路元件或其组合来模拟实际电路中的器件 从而构成与实际电路相对应的电路模型 例 手电筒 电池 导线 灯泡 开关 手电筒由电池 灯泡 开关和筒体组成 理想电路元件主要有电阻元件 电感元件 电容元件和电源元件等 手电筒的电路模型 电池 导线 灯泡 开关 电池是电源元件 其参数为电动势e和内阻ro 灯泡主要具有消耗电能的性质 是电阻元件 其参数为电阻r 筒体用来连接电池和灯泡 其电阻忽略不计 认为是无电阻的理想导体 开关用来控制电路的通断 今后分析的都是指电路模型 简称电路 在电路图中 各种电路元件都用规定的图形符号表示 1 1 2电路的基本物理量及其参考方向 这六个量已经在电磁学中学习过 为了便于应用 在此对本课程应用较多的电流 电压和功率作一介绍 1 电路的基本表征量它们是对电路进行分析和定量研究的先决条件 分为基本变量和基本复合量两种 1 1 2电路的基本物理量及其参考方向 1 电流 电流强度 电流 电荷的定向移动形成电流 我们把单位时间内通过导体截面的电量定义为电流强度 简称为电流 2 电压 电压 单位正电荷在电场力的作用下从一点移到另一点所做的功 对于交流输电而言 一般将35 220kv的电压等级称为高压 hv 330kv及以上 1000kv以下的电压称为超高压 ehv 1000kv及以上的电压称为特高压 uhv 直流有500k 800k 一般交流电常用的电压有 110v 220v 380v 3kv 6kv 10kv 20kv 27kv 35kv 50kv 66kv 110kv 220kv 330kv 500kv 750kv 1000kv等 3 功率 功率 单位时间内一段电路消耗或产生的能量称为该段电路的功率 截至2011年底 全国发电装机容量10 5亿千瓦 其中 水电2 3亿千瓦 火电7 6亿千瓦 核电1191万千瓦 风电4700万千瓦 火电机组100万 75万 66万 60万 50万 35万 33万 30万 25万 22万 20万 14 2万 13 5万 12 5万 10万 5万等额定容量 物理中对基本物理量规定的方向 2 电路基本物理量的实际方向 2 参考方向的表示方法 电流 电压 1 参考方向 在分析与计算电路时 对电量任意假定的方向 3 电路基本物理量的参考方向 实际方向与参考方向一致 电流 或电压 值为正值 实际方向与参考方向相反 电流 或电压 值为负值 3 实际方向与参考方向的关系 注意 在参考方向选定后 电流 或电压 值才有正负之分 若i 5a 则电流从a流向b 例 若i 5a 则电流从b流向a 若u 5v 则电压的实际方向从a指向b 若u 5v 则电压的实际方向从b指向a 电压和电流参考方向的选取是完全任意的 并不一定代表实际方向 而且它们之间没有任何相互依赖和相互约束的关系 它们的选取完全是彼此独立的 但为了方便起见 常采用电流 电压正方向一致的规定 称为关联参考方向 即 电流的参考方向从电压参考方向的 极流到 极 4 关联参考方向 关联参考方向 非关联参考方向 4 电气设备的额定值 额定值 电气设备在正常运行时的规定使用值 电气设备的三种运行状态 欠载 轻载 i in p pn 不经济 过载 超载 i in p pn 设备易损坏 额定工作状态 i in p pn 经济合理安全可靠 1 2 1无源元件 1 电阻元件 电阻元件是表征材料或器件对电流呈现阻力 损耗能量的元件 其上电压电流关系 伏安关系 可用u i关系方程来描述 电阻元件的伏安关系可用u i平面的一条曲线来描述 欧姆定律 u i为关联参考方向 u i为非关联参考方向 表达式中有两套正负号 式前的正负号由u i参考方向的关系确定 u i值本身的正负则说明实际方向与参考方向之间的关系 通常取u i为关联参考方向 u ir u ir 解 对图 a 有 u ir 例 应用欧姆定律对下图电路列出式子 并求电阻r 对图 b 有 u ir 线性电阻元件 电路符号 伏安特性 线性电阻元件是这样的理想元件 在电压和电流取关联参考方向下 在任何时刻它两端的电压和电流关系服从欧姆定律 线性电阻元件的伏安特性是通过原点的一条直线 需要指出的是 欧姆定律 1 只适用于线性电阻 r为常数 2 如电阻上的电压与电流参考方向非关联 公式中应冠以负号 3 说明线性电阻的电压和电流是同时存在 同时消失的 是无记忆 双向性的元件 电阻的功率和储能 上述结果说明电阻元件在任何时刻总是消耗功率的 能量可用功率表示 从t0到t电阻消耗的能量 2 电容元件 电容元件是表征产生电场 储存电场能量的元件 在外电源作用下 电容器两极板上分别带上等量异号电荷 撤去电源 板上电荷仍可长久地集聚下去 其特性可用u q平面上的一条曲线来描述 称为库伏特性 线性电容元件 电路符号 库伏特性 任何时刻 线性电容元件极板上的电荷q与电压u成正比 q u库伏特性是过原点的直线 线性电容元件的伏安关系1 伏安关系的微分形式 若电容的端电压u和电流i取关联参考方向 则有 上式表明 1 i的大小取决于u的变化率 与u的大小无关 电容是动态元件 2 当u为常数 直流 时 i 0 电容相当于开路 电容有隔断直流作用 3 实际电路中通过电容的电流i为有限值 则电容电压u必定是时间的连续函数 伏安关系的积分形式 上式表明 电容元件有记忆电流的作用 故称电容为记忆元件需要指出的是 1 当u i为非关联方向时 上述微分和积分表达式前要冠以负号 2 上式中u t0 称为电容电压的初始值 它反映电容初始时刻的储能状况 也称为初始状态 电容的功率和储能1 电容的功率 当u i为取关联方向时 上式表明 1 当电容充电 u 0 du dt 0 则i 0 电容器极板上的电荷q增加 p 0 电容吸收功率 2 当电容放电 u 0 du dt 0 则i 0 电容器极板上的电荷q减小 p 0 电容发出功率 表明电容能在一段时间内吸收外部供给的能量转化为电场能量储存起来 在另一段时间内又把能量释放回电路 因此电容元件是无源元件 是储能元件 它本身不消耗能量 2 电容的储能 对功率积分得 从t0到t电容储能的变化量 上式表明 1 电容的储能只与当时的电压值有关 电容电压不能跃变 反映了储能不能跃变 2 电容储存的能量一定大于或等于零 3 电感元件 电感元件是表征产生磁场 储存磁场能量的元件 一般把金属导线绕在一骨架上来构成一实际电感器 当电流通过线圈时 将产生磁通 其特性可用 i平面上的一条曲线来描述 称为韦安特性 线性电感元件 电路符号 韦安特性 任何时刻 通过线性电感元件的电流i与其磁链 成正比 i韦安特性是过原点的直线 线性电感元件的伏安关系1 伏安关系的微分形式 若电感的端电压u和电流i取关联参考方向 根据电磁感应定律与楞次定律则有 上式表明 1 电感电压u的大小取决于i的变化率 与i的大小无关 电感是动态元件 2 当i为常数 直流 时 u 0 电感相当于短路 3 实际电路中电感的电压u为有限值 则电感电流i不能跃变 必定是时间的连续函数 伏安关系的积分形式 上式表明 电感元件有记忆电压的作用 故称电感为记忆元件 需要指出的是 1 当u i为非关联方向时 上述微分和积分表达式前要冠以负号 2 上式中i t0 称为电感电流的初始值 它反映电感初始时刻的储能状况 也称为初始状态 电感的功率和储能1 电感的功率当u i取关联参考方向时 1 当电流增大 i 0 di dt 0 则u 0 线圈中的磁链y增加 p 0 电感吸收功率 2 当电流减小 i 0 di dt 0 则u 0 线圈中的磁链 减小 p 0 电感发出功率 表明电感能在一段时间内吸收外部供给的能量转化为磁场能量储存起来 在另一段时间内又把能量释放回电路 因此电感元件是无源元件 是储能元件 它本身不消耗能量 2 电感的储能对功率积分得 从t0到t电感储能的变化量 上式表明 1 电感的储能只与当时的电流值有关 电感电流不能跃变 反映了储能不能跃变 2 电感储存的能量一定大于或等于零 1 2 2有源元件 1 理想电压源1 定义 其两端电压总能保持定值或一定的时间函数 且电压值与流过它的电流i无关的元件叫理想电压源 2 电路符号 3 理想电压源的电压 电流关系 1 电源两端电压由电源本身决定 与外电路无关 与流经它的电流方向 大小无关 2 通过电压源的电流由电源及外电路共同决定 伏安关系曲线如下图示 4 实际电压源 1 实际电压源模型考虑实际电压源有损耗 其电路模型用理想电压源和电阻的串联组合表示 这个电阻称为电压源的内阻 2 实际电压源的电压 电流关系 2 理想电流源1 定义 不管外部电路如何 其输出电流总能保持定值或一定的时间函数 其值与它的两端电压u无关的元件定义为理想电流源 2 电路符号 3 理想电流源的电压 电流关系 1 电流源的输出电流由电源本身决定 与外电路无关 与它两端电压无关 2 电流源两端的电压由其本身输出电流及外部电路共同决定 伏安关系曲线如下图示 4 实际电流源 1 实际电流源模型考虑实际电流源有损耗 其电路模型用理想电流源和电阻的并联组合表示 这个电阻称为电流源的内阻 2 实际电流源的电压 电流关系 3 受控电源 非独立源 受控源是用来表征在电子器件中所发生的物理现象的一种模型 它反映了电路中某处的电压或电流控制另一处的电压或电流的关系 1 定义电压或电流的大小和方向受电路中其他地方的电压 或电流 控制的电源 称受控源 2 符号 3 分类受控源有两个控制端钮 又称输入端 两个受控端钮 又称输出端 所以受控源也称为四端元件 根据控制量和被控制量是电压u或电流i 受控源可分四种类型 当被控制量是电压时 用受控电压源表示 当被控制量是电流时 用受控电流源表示 1 电流控制的电流源 cccs 受控电流源的电流为 2 电压控制的电流源 vccs 受控电流源的电流为 3 电压控制的电压源 vcvs 受控电压源的电压为 4 电流控制的电压源 ccvs 受控电压源的电压为 4 受控源与独立源的比较 1 独立源电压 或电流 由电源本身决定 与电路中其它电压 电流无关 而受控源的电压 或电流 由控制量决定 2 独立源在电路中起 激励 作用 在电路中产生电压 电流 而受控源只是反映输出端与输入端的受控关系 在电路中不能作为 激励 1 2 3电路的工作状态 开关闭合 接通电源与负载 负载端电压 u ir 特征 1 电源有载工作 电流的大小由负载决定 在电源有内阻时 i u 或u e ir0 当r0 r时 则u e 表明当负载变化时 电源的端电压变化不大 即带负载能力强 开关闭合 接通电源与负载 负载端电压 u ir 特征 电流的大小由负载决定 在电源有内阻时 i u 或u e iro ui ei i ro p pe p 负载取用功率 电源产生功率 内阻消耗功率 电源输出的功率由负载决定 负载大小的概念 负载增加指负载取用的电流和功率增加 电压一定 电源与负载的判别 u i参考方向不同 p ui 0 电源 p ui 0 负载 u i参考方向相同 p ui 0 负载 p ui 0 电源 1 根据u i的实际方向判别 2 根据u i的参考方向判别 电源 u i实际方向相反 即电流从 端流出 发出功率 负载 u i实际方向相同 即电流从 端流出 吸收功率 特征 开关断开 2 空载状态 1 开路处的电流等于零 i 02 开路处的电压u视电路情况而定 电路中某处断开时的特征 电源外部端子被短接 3 短路状态 1 短路处的电压等于零 u 02 短路处的电流i视电路情况而定 电路中某处短路时的特征 1 3基尔霍夫定律 支路 电路中的每一个分支 一条支路流过一个电流 称为支路电流 结点 三条或三条以上支路的联接点 回路 由支路组成的闭合路径 网孔 内部不含支路的回路 例1 支路 ab bc ca 共6条 回路 abda abca adbca 共7个 结点 a b c d 共4个 网孔 abd abc bcd 共3个 1 3 1基尔霍夫电流定律 kcl定律 1 定律 即 入 出 在任一瞬间 流向任一结点的电流等于流出该结点的电流 实质 电流连续性的体现 或 0 对结点a i1 i2 i3 或i1 i2 i3 0 基尔霍夫电流定律 kcl 反映了电路中任一结点处各支路电流间相互制约的关系 电流定律可以推广应用于包围部分电路的任一假设的闭合面 2 推广 i 例 广义结点 i 0 ia ib ic 0 在任一瞬间 沿任一回路循行方向 回路中各段电压的代数和恒等于零 2 基尔霍夫电压定律 kvl定律 1 定律 即 u 0 在任一瞬间 从回路中任一点出发 沿回路循行一周 则在这个方向上电位升之和等于电位降之和 对回路1 对回路2 e1 i1r1 i3r3 i2r2 i3r3 e2 或i1r1 i3r3 e1 0 或i2r2 i3r3 e2 0 基尔霍夫电压定律 kvl 反映了电路中任一回路中各段电压间相互制约的关系 1 列方程前标注回路循行方向 电位升 电位降e2 ube i2r2 u 0i2r2 e2 ube 0 2 应用 u 0列方程时 项前符号的确定 如果规定电位降取正号 则电位升就取负号 3 开口电压可按回路处理 注意 对回路1 例 对网孔abda 对网孔acba 对网孔bcdb r6 i6r6 i3r3 i1r1 0 i2r2 i4r4 i6r6 0 i4r4 i3r3 e 0 对回路adbca 沿逆时针方向循行 i1r1 i3r3 i4r4 i2r2 0 应用 u 0列方程 对回路cadc 沿逆时针方向循行 i2r2 i1r1 e 0 注意 通过以上叙述和分析可看出 基尔霍夫定律仅仅由元件相互间的联结方式所决定 而与元件的性质无关 这种电流或电压间的约束关系称为拓扑约束 而我们把前面介绍的各种电路元件中电流与电压的关系 也就是取决于元件性质的约束关系称为元件约束 这样说来 电路中电流和电压就要受到两类约束 即拓扑约束和元件约束 由于基尔霍夫定律反映了电路最基本的定律 因此不论是直流电路还是以后要介绍的交流电路 不论是线