电气工程学基础第一讲(2)石.ppt

电气工程学基础与节能技术 能源管理师试点培训教材 使用教材 之三 电气工程学基础与节能技术 国家节能中心编著 河北省节能监察监测中心 第二章电工学与电子技术基础知识 主要内容 直流电路 单相交流电路 三相交流电路 电子技术基础 第一节直流电路 几个常用概念 电路 电流通过的路径 内电路 电源内部的一段电路 组成 由电源 负载 连接导线和开关等组成 外电路 负载 连接导线和开关等 直流电路 由线性电阻和直流电源构成的电路 合闸 接通电路 分闸 断开电路 第一节直流电路 几个常用概念 电路 组成 内电路 外电路 直流电路 合闸 分闸 第一节直流电路 一 基本物理量 1 电流 电流 电荷流动形成电流 电流大小 电流强度 I 电流强度 单位为安培 A t 通过电荷量Q所用的时间 秒 s Q 通过导体截面的电荷量 库伦 C 第一节直流电路 但紫外线 X射线 宇宙线以及火焰等会使气体分子电离 产生电子和正 负离子 从而使气体具有导电性 电流方向 规定正电荷流动的方向 电流种类 金属导体中电流 自由电子 载流子 电解质溶液中电流 正离子和负离子 气体中电流 没有可以自由移动的电荷 气没体有导电性 是良好的绝缘体 第一节直流电路 2 电位 电压 电位 在电场中定义 电路中 电场中某点的电位 在数值上等于单位正电荷沿任意路径从该点移动到无限远处的过程中 电场力所做的功 参考点 在电场中电位等于零的点 通常以大地或无限远处为参考点 电位 0 正值 电位 0 负值 电压 电场中两点之间的电位差 第一节直流电路 U 两点之间的电位差 即电压 伏特 V A 电场力所做的功 焦耳 J 电压大小 电压正方向 从高电位指向低电位 3 电动势 电动势 电场中 将单位正电荷从低电位移向高电位时外力克服电场力所作的功 电动势大小 第一节直流电路 E 电动势 伏特 V A 外力所做的功 焦耳 J 电动势的正方向 规定由低电位指向高电位 即电位升高的方向 4 电阻 电阻 在电场力作用下 电流在导体中流动时受到的阻力 电动势 第一节直流电路 电阻大小 R 导体的电阻 欧姆 S 导体截面积 平方米 m2 L 导体长度 米 m 导体电阻率 欧姆米 m 当导线的截面S和电阻率 不均匀时 二 电路及连接3 第一节直流电路 1 串联电路 电阻串联 电阻首尾依次相连电流只有一条通路 各电阻流过的电流都相等 电源串联 第一节直流电路 前一个电源的负极 后一个电源的正极 2 并联电路 电阻并联 若干个电阻并排连接起来 各电阻两端的电压都相等 第一节直流电路 电源并联 所有电源正极连接在一起 电源的正极所有电源负极连接在一起 电源的负极 获得较大的输出电流 3 混联电路 三 欧姆定律 第一节直流电路 四 电流的热效应 短路 1 电流的热效应 热效应 电流通过导体时自由电子碰撞 电能转换为热能 热效应大小 Q 导体产生的热量 焦耳 J W 消耗的电能 KW h 焦耳 J I 导体中通过的电流 安培 A R 电路的电阻 欧姆 t 电流通过导体的时间 秒 s 第一节直流电路 2 短路 电源通向负载的两根导线不经过负载直接接通 危害 电路中电流过大 损坏设备 3 断路 电源通向负载时 部分电路断开 该条电路电流 0 第一节直流电路 补充 2 组成 由电源 负载 连接导线和开关等组成 一 电路及组成 1 电路 电流通过的路径 电源 将非电能转换成电能的装置 例如 发电机 干电池 负载 将电能转换成非电能的装置 例如 电动机 电炉 灯 中间环节 连接电源和负载的部分 其传输和分配电能的作用 例如 输电线路 二 电压和电流的参考方向 二 电压和电流的参考方向 1 电路的物理量 电流I电压U电动势E 2 电路中各物理量的方向 物理量方向 实际方向 物理中对电量规定的方向 参考方向 在分析计算时 对电量人为规定 物理量的实际方向 举例 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 AB 电流方向 1 在解题前先设定一个方向 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 例 已知 E 2V R 1 问 当U分别为3V和1V时 IR a b IR E R 3 数值计算 a b IR E R 实际方向与参考方向一致 实际方向与参考方向相反 三 电路元件 1 电阻元件 电阻 具有对电流起阻碍作用性质 单位 线性电阻 电阻值与它所通过的电流和所施加电压无关 即电阻值固定不变 或 满足欧姆定律的电阻为线性电阻 1 电阻 一般物理特性 线性电阻 伏安特性曲线 电路元件U I之间函数关系 非线性电阻 电阻的功率 在关联参考方向下 电阻元件上消耗的功率为 2 正弦交流电路中 根据欧姆定律 电流 电压的关系 频率相同 相量关系 大小关系 相位相同 功率 瞬时功率p 瞬时电压与瞬时电流的乘积 耗能元件 结论 随时间变化 与成比例 平均功率 有功功率 P 一个周期内的平均值 2 电感元件L 参考方向 电压 电流 磁通 电动势 电感 一般物理特性 电感中电流 电压的关系 电感的储能 电感是一种储能元件 储存的磁场能量为 正弦交流电路中 u L 基本关系式 电压与电流关系 频率相同 相位相差900 u领先i900 大小关系 感抗 相量关系 设 电感电路中的功率 瞬时功率p u L i 储存能量 释放能量 可逆的能量转换过程 平均功率P 有功功率 结论 纯电感不消耗能量 只和电源进行能量交换 无功功率Q 定义 电感瞬时功率所能达到的最大值 用以衡量 电感电路中能量交换的规模 3 电容元件C 单位 F F pF Q的单位 乏 千乏 var kvar 1 电容C 一般物理特性 单位电压下存储的电荷 电容上电流 电压的关系 电容的储能 电容是一种储能元件 储存的电场能量为 2 电路中必须有提供能量的器件或装置 基本关系式 电容电路中电流 电压的关系 设 频率相同 相位相差900 u落后i900 大小关系 相量关系 设 则 电容电路中的功率 瞬时功率p 平均功率P 电容元件 是不消耗能量的 在电源与元件之间 无功功率Q 即电容元件无功功率取负值 只发生能量的交换 电感无功功率取正值 以资区别 1 常用的直流电源 2 常用的交流电源 干电池 蓄电池 正弦交流电源 产生多种波形的各种信号发生器 交流稳压电源 直流稳流电源 直流发电机 直流稳压电源 3 电源的电路模型 四 电源 电源的电路模型 独立电流源 独立电压源 4 独立电压源 1 模型 理想电压源 实际电压源模型 2 理想电压源 理想电压源的特点 恒压源 特点 电源中的电流由外电路决定 输出电压不变 其值恒等于电压源Uab US 3 实际电压源 电路模型 由理想电压源和内阻组成 电压源的工作状态 带载 开路 短路 电压源有载工作 开关合上 伏安特性 a 电压与电流关系 b 功率与功率平衡 PS USI 是电压源产生的功率 P UI 是电源输出的功率 P0 R0I2 是电源内阻上所损耗的功率 c 电源与负载的判别 电源 和 的实际方向相反电流从电源 端流出 负载 和 的实际方向相同电流从电源 端流入 电压源开路 开关断开 I 0 P 0 U U0 US 电压源短路 P 0 U 0 I IS US R0 五 电路中电位的概念 1 电压的概念 两点间的电压就是两点的电位差 其它各结点对参考点的电压 便是该结点的电位 2 电位和电压的区别 电位值是相对的 参考点选得不同 电路中其它各 两点间电压值是固定的 不会因参考点的不同而改变 点的电位也将随之改变 第二节单相交流电路 一 交流电 1 定义 电动势 电压及电流的大小和方向都随 时间按照一定规律做周期性变化 2 正弦交流电 按正弦规律变化 交流电路中 e t u t i t 均按正弦规律变化 第二节单相交流电路 二 交流电中三要素 1 瞬时值和最大值 或 第二节单相交流电路 定义 交流电路中e u和i 最大值 振幅 Em Im Um 2 周期 频率和角频率 快慢 周期T 交流电每交变一次 或一周 所需的时间 频率f 每秒内交流电交变的周期数或次数 Hz kHz 角频率 单位时间内变化的角度 rad s 有效值 E I U 关系 3 相位 初相位和相位差 相位 初相位 通常 i 即在主值范围取值 相位差 在任一瞬间两个同频率的正弦交流电的相位之差 注意 同相 超前 滞后 关系 两个同频率正弦量间的相位差 初相差 例 若购得一台耐压为300V的电器 是否可用于220V的线路上 电器最高耐压低于电源电压的最大值 所以不能用 第二节单相交流电路 三 正弦量的表示方法 2 正弦量的相量表示法 1 种类 瞬时值表达式 相量 波形图 第二节单相交流电路 1 回顾复数 第二节单相交流电路 根据欧拉公式 代入上式可得 指数形式 极坐标形式 第二节单相交流电路 2 正弦量的相量表示法 为了与一般的复数相区别 把表示正弦量的复数称为相量 并在大写字母头上打 例 正弦电压 用相量表示 四 正弦稳态电路的功率 1 瞬时功率p 第二节单相交流电路 恒定量 正弦量 其频率是电压或电流的2倍 2 平均功率 定义 有功功率P 第二节单相交流电路 功率因数 第二节单相交流电路 3 无功功率 定义 交换功率的最大值Q 乏 var 意义 大小反映网络与外电路交换功率的大小 由储能元件电容和电感的性质决定的 第二节单相交流电路 4 视在功率 定义 反映电气设备的容量 是满足电路的有功功率和无功功率两者的需要时 要求外部提供的功率容量 S伏安 VA 第三节三相交流电路 三相交流电路 由三个频率相同 振幅相同 相位彼此相差120 的正弦电动势作为供电电源的电路 一 三相交流电路的优点 发电方面 比单相电源可提高效率50 输电方面 比单相输电节省钢材25 配电方面 三相变压器比单相经济且便于接入负载 用电设备 结构简单 成本低 运行可靠 维护方便 第三节三相交流电路 二 对称三相电源的产生 三相同步发电机A B C始端X Y Z末端三相绕组在空间互差120 转子以均匀角速度 转动在三相绕组中产生感应电压 形成对称三相电源 1 瞬时值表达式 第三节三相交流电路 2 波形图 3 相量表示 4 对称三相电源的特点 第三节三相交流电路 5 对称三相电源的相序 正序 顺序 A B C A负序 逆序 A C B A 三个振幅相等 频率相同 相位差120 的一组正弦电源称为对称三相正弦电源 它们分别称为A相 B相和C相 6 对称三相电源 按照各相电压经过正峰值的先后次序来说 第三节三相交流电路 三 三相电源的联接 1 星形联接 Y联接 将三相电源的末端X Y Z接在一起 N中点 将各相的首端A B C以及中点N与四根输电线 分别称为相线和中线 联接 从相线与中线之间得到三个相电压 从三根相线之间得到三个线电压 Y联接 第三节三相交流电路 各相电动势的参考方向 选定自绕组的末端 始端 第三节三相交流电路 相电压 火线对零线间的电压 对称 第三节三相交流电路 流过相线的线电流等于流过每相电源的相电流 线电压是相电压的 3倍 相电压与线电压关系 对称 第三节三相交流电路 线电压 火线间的电压 线电压有效值用UL表示 2 三角形联接 联接 第三节三相交流电路 各相的始端和末端依次相连 再由A B C引出三根相线与负载相连 接法无中线 各相负载上的电压Uab Ubc Uca 电源的线电压 UL 负载对称 线电流对称 第三节三相交流电路 3 三相三线制与三相四线制 三相四线制 三相三线制 中线接地 四 三相负载及其联接 负载有两种接法 星形接法 三角形接法 第三节三相交流电路 1 Y Y联接的三相电路 Y形三相负载连接到Y形对称三相电源 当三相负载相同时 即ZA ZB ZC Z时 是对称三相电路 中线电流等于各相负载电流的相量和 负载两端承受电源的相电压 线电流等于相电流 第三节三相交流电路 在Y Y形联接的对称三相电路中 中线电流为零 中线可以不用 可以只用三根相线传输 三相三线制 适合于高压远距离传输电之用 对于日常生活的低压用电 由于三相负载不完全对称 还有一定的中线电流存在 中线还必须保留 即采用三相四线制供电系统 假如不用中线 不对称三相负载的三相电压将不相同 过高的相电压可能损坏电气设备 三相四线制供电系统中 保险丝绝对不能接在中线上 因为中线断开后 各相负载上的电压将随负载大小变化 过高的电压可能损坏电气设备 第三节三相交流电路 2 Y 联接的三相电路 Y形联接的对称三相电源和 联接的对称负载 是对称三相电路 负载的相电压等于三相电源的线电压线电流等于相电流的 3线电流较相电流滞后30 第三节三相交流电路 五 三相电路的功率计算 1 三相有功功率 三相负载对称时 2 三相无功功率 第三节三相交流电路 三相负载对称时 3 三相视在功率 视在功率为三相电源提供的能量 三相负载对称时 第三节三相交流电路 三相负载对称时 3 三相视在功率 视在功率为三相电源提供的能量 三相负载对称时 第四节电子技术基础 一 半导体的导电特性 1 N型半导体和P型半导体 杂质半导体 在本征半导体中掺入微量的杂质 某种元素 电子半导体或N型半导体 多子 电子 空穴半导体或P型半导体 多子 空穴 中性 PN结的形成 第四节电子技术基础 2 PN结 在一块半导体单晶上一侧掺杂成为P型半导体 另一侧掺杂成为N型半导体 两个区域的交界处就形成了一个特殊的薄层 称为PN结 第四节电子技术基础 电子和空穴浓度差 多子的扩散运动 扩散运动 空间电荷区 PN结 耗尽层 空间电荷区 内电场 第四节电子技术基础 内电场有利于少子运动 漂移 少子的运动与多子运动方向相反 扩散与漂移的动态平衡 PN结 PN结的单向导电特性 PN外加正向电压 正偏 第四节电子技术基础 PN结外加反向电压 反偏 第四节电子技术基础 综上所述 当PN结正向偏置时 回路中将产生一个较大的正向电流 PN结处于导通状态 当PN结反向偏置时 回路中反向电流非常小 几乎等于零 PN结处于截止状态 可见 PN结具有单向导电性 第四节电子技术基础 将PN结封装在塑料 玻璃或金属外壳里 再从 P区和N区分别焊出两根引线作正 负极 a 外形图 b 符号 二 半导体二极管 1 基本结构 第四节电子技术基础 2 半导体二极管的类型 按半导体材料分 硅二极管 锗二极管 按PN结结构分 点接触型 面接触型点接触型管子中不允许通过较大的电流 因结电容小 可在高频下工作 面接触型二极管PN结的面积大 允许流过的电流大 但只能在较低频率下工作 按用途划分 有整流二极管 检波二极管 稳压二极管 开关二极管 发光二极管 变容二极管等 第四节电子技术基础 3 主要参数 1 最大整流电流IF 长期运行时 允许通过的最大正向平均电流 2 最高反向工作电压UR 工作时允许加在二极管两端的反向电压值 通常将击穿电压UBR的一半定义为UR 3 反向电流IR 通常希望IR值愈小愈好 4 最高工作频率fM 第四节电子技术基础 fM值主要决定于PN结结电容的大小 结电容愈大 二极管允许的最高工作频率愈低 三 半导体三极管 半导体三极管又称 晶体三极管 或 晶体管 有三个电极 基极b 发射极e和集电极c能起放大 振荡