电工电子技术

电工电子技术I 西安交通大学电气工程学院纽春萍niuyue 课程简介 主要内容和任务研究电工的基本概念 基本理论和基本方法 包括 电路分析 安全用电 电机变压器及控制 电气测量为学习后续课程 从事相关专业的研究提供必要的基础理论和实验技能 课程性质研究电工技术理论和应用的技术基础课程 教学安排和基本要求 课堂教学 48学时基本要求 认真听课 积极参与课堂讨论 按时交作业 每周三交作业 单周单号交 双周双号交 重视实验 重在应用 理论联系实际 及时答疑 第1章电路的基本概念和基本定理 主要内容及要求 1 1电路的基本概念理解电路的基本概念 掌握电压电流参考方向 电路中功率的计算1 2基尔霍夫定律掌握基尔霍夫电流定律和基尔霍夫电压定律1 3无源电路元件掌握电阻 电感和电容元件的基本特性1 4有源电路元件掌握电压源和电流源两种独立电源元件的基本特性受控源的基本特性1 5电路的工作状态了解电气设备的额定值和电路工作的有载 开路和短路工作状态1 6电路中电位的概念和计算理解电路中电位的概念 电位与电压的区别 1 1电路的基本概念 电路与电路模型 电路 电流的通路 为了某种需要将电工设备或电路元件 按一定方式连接起来组成的系统 1电路的作用 1 实现电能的传输 分配与转换 电力电路 2 实现信号的传递与处理 信号电路 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 发电机 升压变压器 降压变压器 电灯 电动机 电炉 输电线 3电路模型 手电筒的电路模型 实际电路的理想化模型 用理想电路元件等效实际电路 例 手电筒 电源 中间环节 负载 开关 理想电路元件主要有电阻 电感 电容和电源元件等 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 由电池 开关 灯泡 筒体组成 1 1 2电流和电压及参考方向 电路中的基本物理量 电流 电压 电动势 电流I 电荷的定向流动 电压U 描述电场力对电荷作功的物理量 电动势E 描述电源中非电场力对电荷作功的物理量 手电筒的电路模型 电路中物理量的方向 实际方向 物理上规定的方向 电压U 高电位 低电位 电流I 正电荷运动的方向 电动势E 低电位 高电位 手电筒的电路模型 电路分析中的参考方向 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 电流方向A B 电流方向B A U1 A B R U2 IR 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 则实际方向与参考方向一致 若计算结果为负 则实际方向与参考方向相反 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 4 关联参考方向 电压和电流的参考方向取为一致 为关联参考方向 电压和电流的参考方向取为相反 为非关联参考方向 参考方向 分析电路时任意假定的方向 参考方向的表示方法 或Iab 电流 电压和电动势 或Uab 参考方向小结 电压电流 实际方向 是客观存在的物理现象 参考方向 是人为假设的方向 在分析计算电路时 一定先假定电压电流的 参考方向 然后再列方程求解 即U I为代数量 有正负之分 当参考方向与实际方向一致时为正 否则为负 为方便列电路方程 习惯假设I与U的参考方向一致 关联参考方向 1 1 3电路中的功率 1 功率的定义 单位时间内 某电路所吸收或放出的能量 2 电能传递方向电源 负载 p u i其中 p 功率 u 端电压 i 电流 直流 P U I 发出功率 吸收功率 规定参考方向的情况下功率的写法 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 电压电流参考方向为关联参考方向 规定参考方向的情况下功率的写法 电压电流参考方向为非关联参考方向 P UI 若P 0 输出功率 起电源作用 若P 0 电阻消耗功率肯定为正 吸收功率或消耗功率 起负载作用 电源和负载的判别 U I参考方向不同 P UI 0 吸收功率 负载 P UI 0 发出功率 电源 U I参考方向相同 P UI 0 吸收功率 负载 P UI 0 发出功率 电源 根据U I的实际方向判别 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 举例功率计算与器件性质判断 1 2基尔霍夫定律 Kirchhoff sLaw 基尔霍夫电流定律 KCL 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 基尔霍夫电压定律 KVL 例 写出电路图的支路 结点 回路和网孔 支路 ad ab ac bd bc dc 结点 a b c d 回路 abda acba bcdb dacbd dacd dabcd dbacd 网孔 abda acba bcdb 1 2 1基尔霍夫电流定律 KCL定律 1 定律 在任意时刻 流入任一结点的电流总和等于流出该结点的电流总和 即 入 出 或 0 对结点a I1 I2 I3 或I1 I2 I3 0 基尔霍夫电流定律反映了电路中任一结点处各支路电流间相互制约的关系 实质 电流连续性 2 应用KCL的步骤 选定结点 标出各支路电流的参考方向 针对结点应用KCL列方程 KCL可以推广应用于包围部分电路的任一假设的闭合面 3 推广应用 例 广义结点 IA IB IC 0 任意时刻 沿任一回路循行方向 回路中各段电压的代数和恒等于零 1 2 2基尔霍夫电压定律 KVL定律 即 U 0 1 定律 任意时刻 沿任一回路循行方向 回路中电位升之和等于电位降之和 对回路1 对回路2 E1 I1R1 I3R3 E2 I2R2 I3R3 或I1R1 I3R3 E1 0 或I2R2 I3R3 E2 0 基尔霍夫电压定律反映了电路中任一回路中各段电压间相互制约的关系 注意方向 2 应用KVL的步骤 选定回路 标出回路循行方向 针对回路应用KVL列方程 3 开口电压的处理 电位升 电位降E2 UBE I2R2 U 0I2R2 E2 UBE 0 对回路1 开口电压可按回路处理 注 KCL和KVL适用于由各种不同元件组成的直流电路和交流电路 1 3无源电路元件 理想电路元件 有源电路元件 无源电路元件 无源电路元件 电阻 电感 电容 1 3 1电阻 R 伏安特性 电阻上电压与电流的关系 电阻R单位欧姆 电导G 1 R 单位西门子 S 电阻分为线性电阻和非线性电阻 线性电阻 电阻两端的电压与通过的电流成正比 伏安特性表示为 u iR线性电阻值为一常数 非线性电阻 电阻两端的电压与通过的电流不成正比 伏安特性表示为 u f i 非线性电阻值不是常数 线性电阻的伏安特性 半导体二极管的伏安特性 线性电阻的功率 电阻是耗能元件 复习上节课内容 电压 电流的参考方向功率计算基尔霍夫定律无源电路元件 1 解题前先设定电压和电流的参考方向 参考方向 3 根据计算结果确定实际方向 若计算结果为正 则实际方向与参考方向一致 若计算结果为负 则实际方向与参考方向相反 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 4 关联参考方向 电压和电流的参考方向取为一致 为关联参考方向 电压和电流的参考方向取为相反 为非关联参考方向 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 功率计算 进行功率计算时 如果假设U I参考方向一致 则吸收功率P UI 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 KCL定律 在任意时刻 流入任一结点的电流总和等于流出该结点的电流总和 即 入 出 或 0 KVL定律 任意时刻 沿任一回路循行方向 回路中电位升之和等于电位降之和 基尔霍夫定律 即 U升 U降 或 U 0 非线性电阻 电阻两端的电压与通过的电流不成正比 伏安特性表示为 u f i 非线性电阻值不是常数 线性电阻的功率 电阻元件 线性电阻 伏安特性为 u iR线性电阻值为一常数 根据伏安特性电阻分为线性电阻和非线性电阻 非线性电阻元件的电阻表示方法 静态电阻 直流电阻 动态电阻 交流电阻 Q 电路符号 静态电阻与动态电阻的图解 U I i u 等于工作点Q的电压U与电流I之比 等于工作点Q附近电压 电流微变量之比的极限 电阻的串联 n个电阻串联可等效为一个电阻 分压公式 两个电阻串联时 电阻的并联 n个电阻并联可等效为一个电阻 分流公式 两个电阻并联时 电阻星形接法与三角形接法的等效变换 电阻的星形连接 电阻的三角形连接 3端悬空 1端和2端之间等效电阻相等 电阻星形接法与三角形接法的等效变换 当时 当时 电感描述线圈通有电流时产生磁场 储存磁场能量的性质 电感 单位 H mH 线性电感 L为常数 非线性电感 L不为常数 1 3 2电感 L 电流通过N匝线圈产生 磁链 电流通过一匝线圈产生 磁通 感应电动势 由KVL 伏安特性 直流 i I u 0 电感相当于短路 单位电流产生的磁链 电感元件储能 将上式两边同乘上i 并积分 则得 电感将电能转换为磁场能储存在线圈中 当电流增大时 磁场能增大 电感元件从电源取用电能 当电流减小时 磁场能减小 电感元件向电源放还能量 磁场能 电感是储能元件 不消耗能量 电感储能与流经电流平方成正比 1 3 3电容 C 描述电容两端加电源后 其两个极板上分别聚集起等量异号的电荷 在介质中建立起电场 并储存电场能量的性质 电容 当电压u变化时 在电路中产生电流 单位 F F pF 直流 u U i 0 电容相当于开路 伏安特性 单位电压下存储的电荷 线性电容 C为常数 电容元件储能 将上式两边同乘上u 并积分 则得 电容将电能转换为电场能储存在电容中 当电压增大时 电场能增大 电容元件从电源取用电能 当电压减小时 电场能减小 电容元件向电源放还能量 电场能 电容储能与端电压平方成正比 电容是储能元件 不消耗能量 无源元件小结 理想元件的特性 u与i的关系 L C R 1 4有源电路元件 电源元件 独立电源 受控电源 独立提供电能 供能受其他支路电压和电流控制 包括电压源和电流源 1 电压源 电压源是由电动势US和内阻R0串联的电源电路模型 电压源模型 由KVL可得 U US IR0 U0 US 电压源的外特性 理想电压源 O 电压源 若R0 0 理想电压源 U US 若R0 RL U Us 可近似认为是理想电压源 理想电压源 恒压源 I 外特性曲线 I U US O 例 2 输出电压是一定值 恒等于电动势 对直流电压 有U US 3 恒压源中的电流由外电路决定 特点 1 内阻R0 0 设US 10V 接上RL后 求恒压源对外输出电流 当RL 1 时 当RL 10 时 U I 10V 10A U I 10V 1A 电压恒定 电流随负载变化 2 电流源 电流源是由电流IS和内阻R0并联的电源的电路模型 由上图电路可得 U0 ISR0 电流源的外特性 理想电流源 O IS 电流源 若R0 理想电流源 I IS 若R0 RL I IS 可近似认为是理想电流源 理想电流源 恒流源 外特性曲线 I U IS O 例 2 输出电流是一定值 恒等于电流IS 3 恒流源两端的电压U由外电路决定 特点 1 内阻R0 设IS 10A 接上RL后 恒流源对外输出电压 当RL 1 时 电流恒定 电压随负载变化 I 10A U 10V I 10A U 100V 当RL 10 时 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 与电压源并联的元件对电压源的电压没有影响 与电流源串联的元件不会影响电流源的电流 附加例题 3电压源与电流源的等效变换 由图a U US IR0 由图b U ISR0 IR0 等效变换条件 电源外特性相同 电压源 电流源 电流源 电压源 等效变换时 两电源的参考方向要一一对应 理想电压源与理想电流源之间无等效关系 电压源和电流源的等效关系只对外电路而言 对电源内部则是不等效的 例 开路状态 电压源不消耗功率 电流源消耗功率 任何一个电动势US和某个电阻R串联的电路 都可化为一个电流IS和这个电阻并联的电路 注意事项 利用电压源与电流源的等效变换可以简化电路分析 例1 试用电压源与电流源等效变换的方法计算通过电阻R5的电流 接上页 R1 R3 Is R2 R5 R4 I3 I1 I 接上页 IS R5 R4 I R1 R2 R3 I1 I3 代入数值计算 已知 U1 12V U3 16V R1 2 R2 4 R3 4 R4 4 R5 5 IS 3A解得 I 0 2A 负号表示实际方向与假设方向相反 I4 IS I 3 0 2 2 8A UR4 I4R4 2 8 4 11 2V P I