电工学(第1章）.ppt

1 2 欢迎学习 电工学及电气设备 电工学及电气设备 是一门非电专业的技术基础课程 它的主要任务是为学生学习专业知识 专业课程及将来从事工程技术工作打好理论基础 并使学生受到必要的基本技能的训练 为此 在本课件中对基本理论 基本定律 基本概念及基本分析方法都作了尽可能详尽的阐述 通过实例 例题和习题来说明理论的实际应用 以加深学生对理论的掌握和理解 了解电工技术及电气设备的发展与生产发展之间的密切关系 3 1电路分析基础 本章的主要内容 重点概念 电压 电流及电动势参考方向的规定及表示 电压源和电流源及其等效变换 基本理论 基尔霍夫定律 基本方法 支路电流法 节点电压法 4 1 1 1电路的组成及功能1 电路的组成 1 1电路的基本概念 a 实际电路 b 电路模型 图1 1手电筒电路 电工设备 器件电路 5 2 电路的功能 1 实现电能的转换 传输和分配 2 信号的传递和处理 a 电力系统 b 扩音机 图1 2电路示意图 6 其中电源或信号源的电流或电压推动电路工作 称为激励 激励在电路各部分产生的电流和电压 称为响应 所谓电路分析 就是在已知电路结构和元件参数的情况下 讨论激励和响应之间的关系 7 1 1 2电路的基本物理量1 电流交流用表示 直流用I表示 单位为安培 A 2 电位及电压 1 电位的概念及计算电位是相对的物理量 因此不确定参考点 就无法确定电位 也没有意义 规定参考点的电位为零 在电路中 参考点用表示 A点的电位则表示为VA 8 1 电位的概念及计算 续 例1 1 如图所示电路 以B点为参考点 求各点的电位 再以A点为参考点 求各点的电位 图1 3例1 1用图 解 1 2 9 2 电压用符号或U表示 电路中A B两点间的电压 表示为 其单位是 V 伏 3 电动势交流用表示 直流用E表示 单位是 V 伏 4 功率瞬时功率用表示 平均功率用P表示 单位为瓦特 W 常用的单位还有千瓦 kW 10 1 1 3电压 电流的参考方向 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 电路如何求解呢 电流方向A B 电流方向B A Us1 A B R Us2 IR 图1 4电路图 11 物理量的实际正方向 注 这些物理量的实际方向是唯一的 物理量 实际正方向 电流I 正电荷移动的方向 电动势E 电源驱动正电荷移动的方向 低电位高电位 电压U 电位降落的方向 高电位低电位 12 在分析计算电路时 对电流 电压人为地假定一正方向作为它们的参考方向 因此对参考方向来说它是因人而异 且不唯一 解决方法 1 在解题前必须先设定一个方向 作为参考方向 2 根据电路的定律 定理以及所设的参考方向列出物理量间相互关系的代数表达式 并计算求解 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 注 当已知实际方向时 参考方向尽量取成与实际方向一致 13 1 电流的参考方向 表示及规定 用箭头或用双下标表示 I R Iab a b 2 电压的参考方向 表示及规定 电压的参考方向是由假定高电位指向低电位 图1 5电流的参考方向 图1 6电压的参考方向 14 3 电动势的参考方向 表示及规定 电动势E的参考方向由低电位指向高电位 此时有 图1 7电压与电动势的关系 a b 15 4 电压 电流的关联参考方向 为了分析 计算的方便 通常情况下 选取元件电压的参考方向与电流的参考方向一致 即为电压 电流的关联参考方向 电源的电流 电压参考方向则选取不关联 a b c d 图1 8电压 电流的关联参考方向 16 在应用时 要注意参考方向和实际方向之分 按参考方向写欧姆定律 然后再将实际值代入 b a 图1 9例1 2用图 例1 2 4 电压 电流的关联参考方向 续 17 在进行部分电路的功率计算时 同样按照该电路两端电压及电流的参考方向 正确写出功率的计算公式 然后再将电压和电流的实际值代入 即计算出了功率的值 1 当计算的P 0时 此部分电路吸收功率或消耗功率 起负载作用 2 当计算的P 0时 此部分电路输出功率 起电源作用 所以 从P的 或 可以区分元件的性质 或是电源 或是负载 18 例1 3 如图 方框代表电源或负载 已知 试问那些方框是电源 哪些方框是负载 解 I U a d c b 如图 a 有 起电源的作用 图1 10例1 3用图 如图 b 有 起负载的作用 如图 c 有 起负载的作用 如图 d 有 起电源的作用 19 1 2电压源 电流源及等效变换 1 2 1电压源及伏安特性 1 理想电压源 特点 1 无论负载电阻如何变化 输出电压不变 2 电源中的电流由外电路决定 输出功率可以无穷大 图1 11理想电压源及伏安特性 a b 20 这说明恒压源中的电流由外电路决定 设 US 10V 当R1 R2同时接入时I 10A 如图电路 例1 4 图1 12例1 4用图 21 2 实际电压源特性 R0称为电源的内阻或输出电阻 当R0 0时 实际电压源模型就变成恒压源模型 图1 13电压源及伏安特性 I a b 22 1 理想电流源 1 2 2电流源及伏安特性 特点 1 输出电流不变 其值恒等于电流源电流IS 2 端电压由外电路决定 图1 14理想电流源及伏安特性 a b 23 这说明恒流源两端电压由外电路决定 如图电路 例1 5 图1 15例1 5用图 24 当内阻R0 时 电流源模型就变成恒流源模型 2 实际电流源特性 图1 16电流源及伏安特性 b 或 电流源 25 恒压源与恒流源特性比较 恒压源 恒流源 不变量 变化量 b Uab的大小 方向均为恒定 外电路负载对Uab无影响 Is 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 26 Uab 1 2 3电压源与电流源的等效变换 a b 图1 17电压源与电流源 27 等效互换公式 Uab 因为有 故有 和 a 图1 18电压源与电流源的等效互换 28 电压源与电流源的等效互换 例1 6 图1 19例1 6用图 29 总结 1 等效 是指 对外 等效 等效互换前后对外伏 安特性一致 对内不等效 或 图1 20电压源与电流源互换 a b 30 2 注意变换前后US与IS的方向 图1 21电压源与电流源互换 a b c d 31 3 以下两种情况不能等效互换 a b IS b b a US I R0 Uab a I Uab R0 图1 22电压源与电流源的特例 32 如图电路中 已知 U1 12V U3 16V R1 2 R2 4 R3 4 R4 4 R5 5 IS 3A 求I及恒流源IS的功率 R5 例1 7 图1 23例1 7用图 33 a b 例1 7 续 解 34 c d 例1 7 续 35 d R5 e Is R4 I R1 R2 R3 I1 I3 R5 例1 7 续 负号表示实际方向与假设的参考方向相反 代入数值计算得I 0 2A 36 I4 IS I 3 0 2 2 8A 又 UR4 I4R4 2 8 4 11 2V R4 4 IS 3AI 0 2A 说明电流源是作为电源发出功率 f 例1 7 续 求恒流源IS的功率 37 图1 24电路图 计算如图电路中的电流I时 哪种方法及结果正确 讨论题 38 图1 24电路图 讨论题 续 39 1 开路 如图 当开关S断开 此时电源输出功率为零 1 2 4电路的工作状态 图1 25电路开路状态 40 2 通路 图1 26电路通路状态 41 1 电工设备额定值概念 2 额定工作状态 额定工作状态是最经济 最合理的工作状态 3 额定工作状态 4 短路与短接 1 短接的概念 2 短路的概念 3 短路电流 图1 27电路的短路与短接 a b 42 1 3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 其中包括克氏电流定律 KCL 和克氏电压定律 KVL 两个定律 43 支路 共3条 回路 共3个 节点 a b 共2个 网孔 共2个 图1 28例1 8用图 例1 8 44 对任何节点 在任一瞬间 流入节点的电流之和等于由节点流出的电流之和 或者说 在任一瞬间 一个节点上电流的代数和为0 I2 克氏电流定律的依据 电流的连续性 或 流入为正流出为负 1 3 1克氏电流定律 图1 29节点电流的关系 45 电流定律还可以扩展到电路的任意封闭面 图1 30广义节点举例 a b 46 对电路中的任一回路 沿任意方向绕行一周 其电位降等于电位升 或电压的代数和为0 例如 网孔 1 即 对网孔 2 对回路 3 电位降 电位升 电位降为正电位升为负 1 3 2克氏电压定律 电位降 电位升 图1 31电路图 47 其中独立的电压方程有 电压参考方向与网孔的绕行方向一致时 各电压前的符号取为正 反之 取为负号 注 一定要选择网孔或回路的绕行方向 48 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 分析以下电路中应列几个电流方程 几个电压方程 例1 9 图1 32例1 9用图 49 例1 8 续 50 设 电路中有N个节点 B个支路 N 2 B 3 小结 图1 33电路图 51 未知量 支路电流 解题思路 根据克氏定律 列节点电流和网孔电程 然后联立求解 1 4电路的基本分析方法 1 4 1支路电流法 图1 34例1 10用图 A节点 网孔1 网孔2 便可求解出未知量 如果已知 例1 10 52 1 对每一个未知电流的支路假设电流 I1 In 的参考方向 4 将独立的电流及电压方程联立 解得各支路的未知电流 针对每个独立节点 有 2 运用KCL 列出独立电流方程 针对每个网孔或独立回路 有 3 运用KVL 列出独立电压方程 53 1 4 2节点电压法 未知量 节点电压 解题思路 列出关于节点电压为未知量的节点电压方程 求解出各节点电压 然后由支路电压的关系求出各支路电流 节点电压的概念 在电路中任选一节点 设其电压为零 用标记 此点称为参考节点 其它各节点对参考点的电压 便是该节点的节点电压 记为 UX 图1 35节点电压 a b 54 节点电压方程的推导过程 US2 I6 图1 36三节点电路 55 根据KCL 分别对独立节点列电流方程 节点A 节点B 1 其中 根据KVL 分别对各网孔列电压方程 2 3 8 5 7 6 4 56 这组方程中有几个未知量 都是那些未知量 将代入 1 2 并整理可得 节点电压方程 57 节点A 节点B 58 关于节点电压方程的一般规律 某独立节点电压乘以自电导 减去所有相邻独立节点的节点电压乘以互电导 等于与该节点相联的电流源电流的代数和 再加上与该节点相联的电压源电压乘以电压源支路电导的代数和 对于电流源 流入节点的电流取正 反之取负 对于电压源 其 极靠近该节点 电压源电压乘以电压源支路的电导取正 反之则取负 59 1 US1 A B C I3 R2 R3 R5 R6 IS2 I1 I2 I5 R1 I4 4 2 3 R4 US2 IS1 试证明各节点电压与R3 R4无关 写出节点电压方程 I6 例1 11 60 证 取C点为参考节点 对于节点A 利用KCL 1 对于节点B 利用KCL 2 A点的节点电压为 3 4 B点的节点电压为 5 6 由式 3 6 可得 61 将代入式 1 和 2 并且则有 7 8 整理式 7 8 得 节点A电压方程 节点B电压方程 62 所以R3 R4的存在或改变对节点电压和各支路电流均无影响 因此可将它们用导线短接 但如果R3 R4为 或它们被断开 则会使节点电压和支路电流改变 讨论题 如果将R3用导线短接