电工学张南主编.ppt

1 电工学 一九九九年七月 2 概论 3 主要教学内容 电工学 电工技术 电子技术 直流电路 交流电路暂态分析 三相电路变压器 电动机 工业控制 三极管 放大电路运算放大电路数字集成电路 上篇 下篇 4 电工技术应用举例 1 工业控制 电机控制机床控制生产过程自动化控制楼宇电梯控制 电工技术的应用 5 电工技术应用举例 2 信号检测 压力 温度 水位 流量等的测量与调节电子仪器医疗仪器 6 家用电器 电灯 电话广播 电视冰箱 洗衣机家庭影院 电工技术应用举例 3 7 智能建筑 电工技术应用举例 4 8 中央空调及加湿器 美国TEMPSTAR 中央吸尘 加拿大DUOVAC 中央热水炉 美国A O SMITH小区安防 智能系统 周界双层红外监测防闯入系统 保安电子巡更系统 重要场所 主要路口24小时摄象监视系统 门卫与住户对讲系统 车辆自动识别准入系统 燃气泄露 烟感探头 紧急求助 非法入室自动报警系统 彩屏可视对讲 公共信息发布 家电远程控制系统 水 电 气三表IC卡远程计量系统 所有房间留有电视 电话及数据接口 分户电话交换机实现内部通话 9 楼宇电梯的控制 信号检测 供电系统 电机 执行机构 可编程序控制器 ProgrammableLogicController 电机控制器 10 汽车电子 汽车电子 电源发动机控制行驶装置报警与安全装置旅居性仪表娱乐通讯 电工技术应用举例 5 11 ElectricVehicle 12 21世纪绿色环保汽车EV 安全 舒适 可靠 无废气排放 零排放 高效率 涡轮增压ABS自动巡航GPS卫星定位6 8安全气囊 13 14 机电一体化 15 汽车电子 16 课程性质 技术基础课 课程对象 工科非电专业 课程特点 内容丰富 技术更新快 紧密联系实际 应用非常广泛 本课是非电专业一切电类后续课程 电子技术 计算机原理 自动控制等 的基础 学时少 内容多 不能轻视 否则 对以后的学习将会造成很大影响 17 主要教学环节 18 学分 4 5总学时 90 面授 70电工技术30学时 电子技术35学时实验学时 20基础实验18学时 9个 综合性实验6学时 1个 19 本课程考核由期末书面考试 实验 含实验报告 平时 考勤 测验等 三部分组成 其中 期末书面书面考试占总成绩的70 实验 含实验报告 占总成绩的20 平时作业占总成绩的10 本课程的考核方式 20 教材及参考书 电工学 少学时 第二版 张南主编高等教育出版社 电工学 第五版 秦增煌主编 21 希望和要求 教学形式 课堂上 多媒体授课 课后 复习预习 22 第一章电路分析基础 23 1 1电路的基本概念 一 电路的组成 电路的基本组成部分是电源 负载和中间环节 24 电路元件的理想化 在一定条件下突出元件主要的电磁性质 忽略其次要因素 把它近似地看作理想电路元件 为什么电路元件要理想化 便于对实际电路进行分析和用数学描述 将实际元件理想化 或称模型化 二 电路元件和电路模型 返回 25 手电筒的电路模型 返回 26 1 电源有载工作 通路 开关闭合 通路 开关断开 开路 cd短接 短路 三 电路的工作状态 返回 27 电压和电流 由欧姆定律可列上图的电流 负载电阻两端电压 电源的外特性曲线 当 R0 R时 由上两式得 返回 28 2 开路 开路就是将电路断开 开路时电路中没有电流 负载上也没有电压 开路时电源的端电压称为开路电压或空载电压 用Uo表示 显然 U0 E 开路时 开关触点a b之间的电压Uab Uo E 特征 I 0U U0 EP 0 29 3 短路 可以看出 负载R上已没有电压 所以负载电流IR 0短路后电源回路的电流电源的内阻Ro往往很小 所以短路电流很大 这会引起电源或导线绝组的损坏 短路是一种电路事故 由于操作不当等原因 短路现象是难以避免的 所以要有保护措施 简单可行的方法是在线路中装设熔断器 使熔断器内的熔丝 又称保险丝 与负载串联 FU 如果负载发生短路 熔丝会很快烧断 使电源和供电线路得到保护 30 U 0I IS E R0PE P R0I2P 0 短路的特征 31 电路的物理量及其参考方向 电流电压电动势 32 电路中物理量的正方向 物理量的正方向 33 物理量的实际正方向 34 物理量正方向的表示方法 35 电路分析中的假设正方向 参考方向 问题的提出 在复杂电路中难于判断元件中物理量的实际方向 电路如何求解 电流方向A B 电流方向B A 36 1 在解题前先设定一个正方向 作为参考方向 解决方法 3 根据计算结果确定实际方向 若计算结果为正 则实际方向与假设方向一致 若计算结果为负 则实际方向与假设方向相反 2 根据电路的定律 定理 列出物理量间相互关系的代数表达式 37 例 已知 E 2V R 1 问 当U分别为3V和1V时 IR 38 39 4 为了避免列方程时出错 习惯上把I与U的方向按相同方向假设 1 方程式U I R仅适用于假设正方向一致的情况 2 实际方向 是物理中规定的 而 假设正方向 则是人们在进行电路分析计算时 任意假设的 3 在以后的解题过程中 注意一定要先假定 正方向 即在图中表明物理量的参考方向 然后再列方程计算 缺少 参考方向 的物理量是无意义的 提示 40 欧姆定律 U I参考方向相同时 U I参考方向相反时 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参考方向相同 U IR U IR 41 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 42 四 电功率和电能 功率的概念 设电路任意两点间的电压为U 流入此部分电路的电流为I 则这部分电路消耗的功率为 43 在U I正方向选择一致的前提下 吸收功率 负载 发出功率 电源 若P UI 0 若P UI 0 44 功率设电路任意两点间的电压为U 流入此部分电路的电流为I 则这部分电路消耗的功率为 功率平衡 由U E R0I得UI EI R0I2 P PE P 电源输出的功率 电源内阻上损耗功率 电源产生的功率 W为瓦 特 KW为千瓦 45 当计算的P 0时 则说明U I的实际方向一致 此部分电路消耗电功率 为负载 所以 从P的 或 可以区分器件的性质 或是电源 或是负载 结论 在进行功率计算时 如果假设U I正方向一致 当计算的P 0时 则说明U I的实际方向相反 此部分电路发出电功率 为电源 46 解 一个月的用电量W Pt 60 W 30 h 5 4kWh 47 1 2基尔霍夫定律 用来描述电路中各部分电压或各部分电流间的关系 其中包括克氏电流和克氏电压两个定律 名词注释 48 支路 ab ad 共6条 回路 abda bcdb 共7个 节点 a b 共4个 例 49 一 基尔霍夫电流定律 对任何节点 在任一瞬间 流入节点的电流等于由节点流出的电流 或者说 在任一瞬间 一个节点上电流的代数和为0 克氏电流定律的依据 电流的连续性 例 或 50 电流定律还可以扩展到电路的任意封闭面 I1 I2 I3 I 0 电流定律的扩展 I 51 二 基尔霍夫电压定律 从回路中任意一点出发 沿顺时针方向或逆时针方向循行一周 则在这个方向上的电位升之和等于电位降之和 或电压的代数和为0 U1 U4 U2 U3U1 U2 U3 U4 0即 U 0 返回 52 上式可改写为E1 E2 R1I1 R2I2 0或E1 E2 R1I1 R1I1即 E RI 在电阻电路中 在任一回路循行方向上 回路中电动势的代数和等于电阻上电压降的代数和 在这里电动势的参考方向与所选回路循行方向相同者 取正号 一致者则取负号 电压与回路循行方向一致者 取正号 反之则取负号 注 返回 53 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 规定电位降取正号 电位升取负号 3 开口电压可按回路处理 注意 对回路1 54 基尔霍夫电压定律的推广 可应用于回路的部分电路 U UA UB UAB或UAB UA UB E U RI 0或U E RI 注 列方程时 要先在电路图上标出电流 电压或电动势的参考方向 返回 55 解 由基尔霍夫电压定律可得 1 UAB UBC UCD UDA 0即UCD 2V 2 UAB UBC UCA 0即UCA 1V 返回 56 解 应用基尔霍夫电压定律列出EB RBI2 UBE 0得I2 0 315mA EB RBI2 R1I1 US 0得I1 0 57mA 应用基尔霍夫电流定律列出I2 I1 IB 0得IB 0 255mA 返回 57 关于独立方程式的讨论 问题的提出 在用克氏电流定律或电压定律列方程时 究竟可以列出多少个独立的方程 58 59 设 电路中有N个节点 B个支路 N 2 B 3 小结 60 1 3V 4V 1 5V I1 I2 I3 61 对于简单电路 通过串 并联关系即可求解 如 62 对于复杂电路 如下图 仅通过串 并联无法求解 必须经过一定的解题方法 才能算出结果 如 63 在电路中 电阻的联接形式是多种多样的 其中最简单和最常用的是串联与并联 具有串 并联关系的电阻电路总可以等效变化成一个电阻 所谓等效是指两个电路的对外伏安关系相同 等效 返回 1 3电阻串并联联接的等效变换 64 如果电路中有两个或两个以上的电阻串联 这些电阻的串联可以等效为一个电阻 一 电阻的串联 伏安关系 65 两个串联电阻上的电压分别为 66 式中G为电导 是电阻的倒数 在国际单位制中 电导的单位是西门子 S 上式也可写成 两个或两个以上的电阻的并联也可以用一个电阻来等效 二 电阻的并联 67 两个并联电阻上的电流分别为 68 计算图中所示电阻电路的等效电阻R 并求电流I和I5 例题 69 1 4支路电流法 凡不能用电阻串并联化简的电路 一般称为复杂电路 在计算复杂电路的各种方法中 支路电流法是最基本的 它是应用基尔霍夫电流定律和电压定律分别对节点和回路列出方程 求出未知量 返回 70 支路电流法 以支路电流为未知量 应用基尔霍夫定律 KCL KVL 列方程组求解 对上图电路支路数 b 3结点数 n 2 回路数 3单孔回路 网孔 2 若用支路电流法求各支路电流应列出三个方程 71 1 在图中标出各支路电流的参考方向 对选定的回路标出回路循行方向 2 应用KCL对结点列出 n 1 个独立的结点电流方程 3 应用KVL对回路列出b n 1 个独立的回路电压方程 通常可取网孔列出 4 联立求解b个方程 求出各支路电流 对结点a 例1 I1 I2 I3 0 对网孔1 对网孔2 I1R1 I3R3 E1 I2R2 I3R3 E2 支路电流法的解题步骤 72 求各支路电流 1 对每一支路假设一未知电流 I1 I6 4 解联立方程组 例1 73 节点a 列电流方程 节点c 节点b 节点d b a c d 取其中三个方程 74 列电压方程 电压 电流方程联立求得 b a c d 75 N 4B 6 R6 a I3s I3 例2 电流方程 支路电流未知数少一个 支路中含有恒流源的情况 76 N 4B 6 电压方程 I3s 77 支路电流法小结 解题步骤 结论与引申 1 2 对每一支路假设一未知电流 1 假设未知数时 正方向可任意选择 对每个节点有 1 未知数 B 4 解联立方程组 对每个回路有 根据未知数的正负决定电流的实际方向 3 列电流方程 列电压方程 2 原则上 有B个支路就设B个未知数 恒流源支路除外 例外 N 1 2 独立回路的选择 已有 N 1 个节点方程 需补足B N 1 个方程 一般按网孔选择 78 支路电流法的优缺点 优点 支路电流法是电路分析中最基本的方法之一 只要根据克氏定律 欧姆定律列方程 就能得出结果 缺点 电路中支路数多时 所需方程的个数较多 求解不方便 支路数B 4须列4个方程式 79 1 5结点电压法 当电路中支路较多 结点较少时可选其中一个结点作参考点 求出其他结点的相对于参考点的电压 进而求出各支路电流 这种方法称为结点电压 位 法 返回 80 电路中电位的概念 电位 电路中某点至参考点的电压 记为 VX 通常设参考点的电位为零 1 电位的概念 电位的计算步骤 1 任选电路中某一点为参考点 设其电位为零 2 标出各电流参考方向并计算 3 计算各点至参考点间的电压即为各点的电位 某点电位为正 说明该点电位比参考点高 某点电位为负 说明该点电位比参考点低 81 电位值是相对的 参考点选得不同 电路中其它各点的电位也将随之改变 电路中两点间的电压值是固定的 不会因参考点的不同而改变 注意 电位和电压的区别 82 电位在电路中的表示法 83 借助电位的概念可以简化电路图 84 参考电位在哪里 85 例1 图示电路 计算开关S断开和闭合时A点的电位VA 解 1 当开关S断开时 2 当开关闭合时 电路如图 b 电流I2 0 电位VA 0V 电流I1 I2 0 电位VA 6V 电流在闭合路径中流通 86 结点电位的概念 87 88 2个结点的结点电压方程的推导 设 Vb 0V结点电压为U 参考方向从a指向b 2 应用欧姆定律求各支路电流 1 用KCL对结点a列方程 I1 I2 IS I3 0 因为E2 U I2R2 所以 89 将各电流代入KCL方程则有 整理得 注意 1 上式仅适用于两个结点的电路 2 分母是各支路电导之和 恒为正值 分子中各项可以为正 也可以可负 当E和IS与结点电压的参考方向相反时取正号 相同时则取负号 而与各支路电流的参考方向无关 即结点电压方程 90 例1 试求各支路电流 解 求结点电压Uab 应用欧姆定律求各电流 91 例2 电路如图 已知 E1 50V E2 30VIS1 7A IS2 2AR1 2 R2 3 R3 5 求结点电压Uab 注意 恒流源支路的电阻R3不应出现在分母中 92 对于含恒流源支路的电路 列节点电位方程时应按以下规则 93 例3 计算电路中A B两点的电位 C点为参考点 I1 I2 I3 0I5 I3 I4 0 解 1 应用KCL对结点A和B列方程 2 应用欧姆定律求各电流 3 将各电流代入KCL方程 整理后得 5VA VB 30 3VA 8VB 130 解得 VA 10VVB 20V 94 1 6叠加原理 对于线性电路 任何一条支路中的电流 都可以看成是由电路中各个电源 电压源或电流源 单独作用时 在此支路中所产生的电流的代数和 这就是叠加原理 返回 95 所谓电路中各个电源单独作用 就是将电路中其它电源置0 即电压源短路 电流源开路 96 1 6叠加原理 在多个电源同时作用的线性电路 电路参数不随电压 电流的变化而改变 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 97 I2 I1 A I2 I1 B I2 R1 I1 E1 R2 A E2 I3 R3 E1 B R1 R2 I3 R3 R1 R2 A B E2 I3 R3 98 例 迭加原理用求 I I 2A I 1A I I I 1A 99 应用迭加定理要注意的问题 1 迭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 100 4 迭加原理只能用于电压或电流的计算 不能用来求功率 如 I3 R3 101 补充说明 102 例 103 例 电路如图 已知E 10V IS 1A R1 10 R2 R3 5 试用叠加原理求流过R2的电流I2和理想电流源IS两端的电压US b E单独作用 c IS单独作用 解 由图 c 104 1 电压源 伏安特性 电压源模型 1 7理想电压源和理想电流源 主要讲有源元件中的两种电源 电压源和电流源 105 理想电压源 恒压源 RO 0时的电压源 特点 1 输出电压不变 其值恒等于电动势 即Uab E 2 电源中的电流由外电路决定 106 恒压源中的电流由外电路决定 设 E 10V 当R1R2同时接入时 I 10A 例 107 恒压源特性中不变的是 E 恒压源特性中变化的是 I 会引起I的变化 外电路的改变 I的变化可能是 的变化 或者是 的变化 大小 方向 I 恒压源特性小结 E Uab a b R 108 2 电流源 电流源模型 109 理想电流源 恒流源 RO 时的电流源 特点 1 输出电流不变 其值恒等于电流源电流IS 2 输出电压由外电路决定 110 恒流源两端电压由外电路决定 设 IS 1A 111 恒流源特性小结 恒流源特性中不变的是 Is 恒流源特性中变化的是 Uab 会引起Uab的变化 外电路的改变 Uab的变化可能是 的变化 或者是 的变化 大小 方向 理想恒流源两端可否被短路 112 恒压源与恒流源特性比较 Uab的大小 方向均为恒定 外电路负载对Uab无影响 I的大小 方向均为恒定 外电路负载对I无影响 输出电流I可变 I的大小 方向均由外电路决定 端电压Uab可变 Uab的大小 方向均由外电路决定 113 3 理想源的串联和并联 1 串联 n个电压源的串联可用一个电压源等效代替 且等效电压源的大小等于n个电压源的代数和 uS uS1 uS2 uSn a 电压源串连 114 b 电流源的串联 只有大小相等 方向相同的电流源才允许串联 其等效电流源等于其中任一电流源的电流 大小 方向 iS iS1 iS2 isn 115 c 电压源和电流源的串连 uS 任一元件与电流源串联对外电路来说 就等效于这个电流源 串联元件对外电路不起作用 116 2 并联 n个电流源的并联可用一个电流源等效代替 且等效电流源的大小等于n个电流源的代数和 iS iS1 iS2 iSn a 电流源的并联 117 只有大小相等 方向相同的电压源才允许并联 其等效电压源等于其中任一电压源的电压 大小 方向 uS uS1 uS2 uSn b 电压源的并联 118 c 电压源与电流源并联 任一电流源与电压源并联对外电路来说 就等效于这个电压源 并联元件对外电路不起作用 119 3 两种电源的等效互换 等效互换的条件 对外的电压电流相等 I I Uab Uab 即 120 等效互换公式 则 121 122 等效变换的注意事项 123 注意转换前后E与Is的方向 2 124 不存在 125 4 进行电路计算时 恒压源串电阻和恒电流源并电阻两者之间均可等效变换 RO和RO 不一定是电源内阻 126 I E R a b Uab Is 原则 Is不能变 E不能变 电压源中的电流I IS 恒流源两端的电压 127 应用举例 128 接上页 R1 R3 Is R2 R5 R4 I3 I1 I 1