电工基础 第2版 课件 教学PPT 作者 陈菊红 主编 第01章 电路的基本概念和基本定律

1、电工基础电 工 基 础上海电机学院2013-10-27电工基础主要内容o1直流电路直流电路o电路基本概念和定律（基本物理量和元件、二端网络等效、欧姆定律、基尔霍夫定律）o电路基本分析法的应用计算（电压电位计算、支路电流法、回路电流法）o电路基本定理的应用计算（弥尔曼定理、叠加定理、戴维南定理、最大功率传输定理）o2单相正弦交流电路单相正弦交流电路o正弦量的三要素、正弦量的相量表示法（复数基本知识）oRLC串联、并联电路的基本分析（阻抗、导纳、谐振）o正弦电路的综合分析与计算（电压、电流、功率）电工基础主要内容o3三相正弦交流电路三相正弦交流电路o三相对称负载电路的分析与计算（Y形、形的单组和两

2、组负载电路、故障电路）o三相不对称负载电路的分析与计算（Y形、形的单组负载电路）o4非正弦周期性电路非正弦周期性电路o非正弦周期性电路的综合分析与计算（傅里叶级数表示式、有效值、平均功率）o5线性动态电路线性动态电路o动态电路基本概念和换路定律o一阶动态电路的时域分析法（三类响应及其三要素法；一次、二次响应）电工基础第一章第一章 电路的基本概念和基本定律电路的基本概念和基本定律第一节第一节 电路和电路模型电路和电路模型第二节第二节 电路的基本物理量电路的基本物理量第三节第三节 电阻元件和欧姆定律电阻元件和欧姆定律第四节第四节 电压源和电流源电压源和电流源第五节第五节 电路的工作状态电路的工作状

3、态第六节第六节 基尔霍夫定律基尔霍夫定律 主要内容：主要内容：电工基础第一节第一节 电路和电路模型电路和电路模型 一一.电路电路 1.电路的定义：电路的定义： 电路是各种电气设备按一定方式联接起来的整体，电路是各种电气设备按一定方式联接起来的整体， 它提供了电流流通的路径。它提供了电流流通的路径。 2.电路的功能：电路的功能： 电路的功能基本上可以分成两大类：一类是用来实电路的功能基本上可以分成两大类：一类是用来实现现电能的转换、传输和分配电能的转换、传输和分配； 另一类则是在信息网络另一类则是在信息网络中，用来中，用来传递、储存、加工和处理各种电信号传递、储存、加工和处理各种电信号。 电工基

4、础二二.电路模型电路模型 1.电路模型：电路模型： 用理想元件及其组合近似替代实际电路元件，从而把用理想元件及其组合近似替代实际电路元件，从而把实际电路的本质特征反映出来，构成了与实际电路相对实际电路的本质特征反映出来，构成了与实际电路相对应的理想化电路，称为电路模型。应的理想化电路，称为电路模型。 2.电路图：电路图： 用规定的电路符号表示各种理想元件而得到的电路模用规定的电路符号表示各种理想元件而得到的电路模型图称为电路原理图，简称电路图。型图称为电路原理图，简称电路图。 第一节第一节 电路和电路模型电路和电路模型电工基础三三.实际电路的分类实际电路的分类 实际电路可分为实际电路可分为“集

5、中参数电路集中参数电路”和和“分分布参数电路布参数电路”两大类。当一个实际电路的几何两大类。当一个实际电路的几何尺寸远小于电路中电磁波的波长时，称为尺寸远小于电路中电磁波的波长时，称为“集集中参数电路中参数电路”。否则就称为。否则就称为“分布参数电路分布参数电路”。 第一节第一节 电路和电路模型电路和电路模型返回主目录返回主目录电工基础 第二节第二节 电路的基本物理量电路的基本物理量一、电流、电压及其参考方向一、电流、电压及其参考方向 1.电流：电流： （1）定义：）定义： 带电粒子的定向移动形成了电流。单位时带电粒子的定向移动形成了电流。单位时 间内通过导体截面的电荷量定义为电流强度，简称间

6、内通过导体截面的电荷量定义为电流强度，简称 为电流，用为电流，用 i 表示。表示。 （2）数学表达式：）数学表达式： （3）方向：通常规定正电荷移动的方向为电流的方向。）方向：通常规定正电荷移动的方向为电流的方向。 （4）直流电流：当电流的大小和方向不随时间而变化）直流电流：当电流的大小和方向不随时间而变化 时，称为直流电流，简称直流（时，称为直流电流，简称直流（DC）。）。 d qid t电工基础 第二节第二节 电路的基本物理量电路的基本物理量2.电压：电压：（1）定义：电压是电场力移动单位正电荷所做的功。）定义：电压是电场力移动单位正电荷所做的功。（2）数学表达式：）数学表达式：（3）方向

7、：规定电压的方向是电场力移动正电荷的方向。）方向：规定电压的方向是电场力移动正电荷的方向。（4）直流电压：在直流时，电压表达式写为）直流电压：在直流时，电压表达式写为ABABdwudqABABWUQ电工基础3. 参考方向参考方向（1）实际方向：以上对电流、电压规定的方向，是电路中）实际方向：以上对电流、电压规定的方向，是电路中客观存在的实际方向，称为实际方向。客观存在的实际方向，称为实际方向。 （2）参考方向：参考方向是人们）参考方向：参考方向是人们任意选定任意选定的一个方向。的一个方向。（3）应用：）应用： 可任意选定一个参考方向，并由参考方向和电可任意选定一个参考方向，并由参考方向和电压或

8、电流值的正、负来反映该电压或电流的实际方向。压或电流值的正、负来反映该电压或电流的实际方向。 参考方向一经选定，在分析电路的过程中就不再变动。参考方向一经选定，在分析电路的过程中就不再变动。 第二节第二节 电路的基本物理量电路的基本物理量电工基础图图1 1- 电压的参考方向与参考极性的表示方法电压的参考方向与参考极性的表示方法图图1-2 1-2 电流的参考方向与实际方向电流的参考方向与实际方向(i0) (i0) 第二节第二节 电路的基本物理量电路的基本物理量电工基础（4）关联参考方向：）关联参考方向： 对于同一元件或同一段电路的电流和电压参考方向，对于同一元件或同一段电路的电流和电压参考方向，

9、彼此原是可以独立无关地任意选定的，但为了方便起见，彼此原是可以独立无关地任意选定的，但为了方便起见，习惯上采用习惯上采用“关联关联”参考方向参考方向。即电流的参考方向与电压。即电流的参考方向与电压参考参考“”极到极到“”极的方向选为一致。极的方向选为一致。 当电流、电压采用关联参考方向时，电路图上只需当电流、电压采用关联参考方向时，电路图上只需标电流参考方向和电压参考极性中的任意一种即可。标电流参考方向和电压参考极性中的任意一种即可。 第二节第二节 电路的基本物理量电路的基本物理量电工基础 第二节第二节 电路的基本物理量电路的基本物理量二电位二电位1.定义定义：在电路中任选一点在电路中任选一点

10、o作为参考点，则该电路中作为参考点，则该电路中某一点某一点A点到参考点的电压称为点到参考点的电压称为A点的电位，用点的电位，用 表示，表示，即即 AAOu 电位与电压的单位相同，也是用伏特（电位与电压的单位相同，也是用伏特（V）计量。）计量。 因电路参考点的电位为零，所以参考点也称因电路参考点的电位为零，所以参考点也称零电位点零电位点。A电工基础2.特点：特点： 说明说明: 电路中电路中A点、点、B点间的电压是点间的电压是A点与点与B点电位之差，点电位之差，因此，因此，电压又叫电位差电压又叫电位差。ABABu 第二节第二节 电路的基本物理量电路的基本物理量电工基础三三. 电动势电动势 1.定义

11、：定义：电源力把单位正电荷从电源的负极移电源力把单位正电荷从电源的负极移到正极所做的功，称为电源的电动势，用到正极所做的功，称为电源的电动势，用e表表示，即示，即BAdwedq 电动势的方向是电源力克服电场力移动正电荷电动势的方向是电源力克服电场力移动正电荷的方向，是从低电位指向高电位的方向。的方向，是从低电位指向高电位的方向。 第二节第二节 电路的基本物理量电路的基本物理量电工基础2.特点特点： (1) 同一电源两端，电动势和电压大小相等、方向相反同一电源两端，电动势和电压大小相等、方向相反. 图图1-6a中中u=e ，图，图1-6b中中u=-e (2) 电动势只针对电源而言电动势只针对电源

12、而言. 第二节第二节 电路的基本物理量电路的基本物理量图图1 1-6 电源的电动势电源的电动势e与端电压与端电压u电工基础 第二节第二节 电路的基本物理量电路的基本物理量四四. 功率与电能功率与电能 1.功率及其正、负号的意义功率及其正、负号的意义 电功率电功率(简称功率简称功率)是衡量电路中能量变化速率的物理量是衡量电路中能量变化速率的物理量，定义定义式为式为 直流电路中，功率与电流、电压均不随时间变化，上式可写直流电路中，功率与电流、电压均不随时间变化，上式可写 成成P =U Idtdwp 电工基础 一段电路在一段电路在u 、 i 关联参考方向下，若关联参考方向下，若（1）p 0 说明这段

13、电路上电压和电流的实际方向是一致的，说明这段电路上电压和电流的实际方向是一致的， 正电荷在电场力作用下做了功，正电荷在电场力作用下做了功，电路吸收了功率；电路吸收了功率；（2）p 0 则这段电路上电压和电流的实际方向不一致，一定则这段电路上电压和电流的实际方向不一致，一定 是有外力克服电场力做了功，是有外力克服电场力做了功，电路发出功率电路发出功率，也可以说，也可以说电电 路吸收了负功率。路吸收了负功率。 必须必须注意注意关联参考方向及各数值的正、负号的含义关联参考方向及各数值的正、负号的含义。 第二节第二节 电路的基本物理量电路的基本物理量电工基础第二节第二节 电路的基本物理量电路的基本物理

14、量 2. 电能电能 单位时间内电路吸收或释放的电能为该电路的功率单位时间内电路吸收或释放的电能为该电路的功率p,那么在那么在t0-t1时间内电路转换的电能为时间内电路转换的电能为w，有，有直流时， p为常量，则 国际单位制中，电能W的单位是焦耳（J），它表示功率为1W的用电设备在1s时间内所消耗的电能10ttWpdt10()WP tt电工基础实用中还常用千瓦小时（h）俗称“度”的电能单位，即 第二节第二节 电路的基本物理量电路的基本物理量361=11036003.6 10kW hWsJ 度电电工基础第三节第三节 电阻元件和欧姆定律电阻元件和欧姆定律一电阻元件一电阻元件1. 电阻元件的伏安特性电

15、阻元件的伏安特性 电阻元件是反映电路器件消耗电能这一物理性能的一电阻元件是反映电路器件消耗电能这一物理性能的一种理想元件。种理想元件。 它有两个端钮与外电路相联接，是一个它有两个端钮与外电路相联接，是一个二端元件二端元件。 描述各种理想元件的端电压与电流之间的关系称为元件约描述各种理想元件的端电压与电流之间的关系称为元件约束关系，简称束关系，简称VCR。 电阻元件的伏安特性可通过电阻元件的伏安特性可通过伏安特性曲线伏安特性曲线进行描述。进行描述。电工基础第三节第三节 电阻元件和欧姆定律电阻元件和欧姆定律.欧姆定律欧姆定律欧姆定律反映电阻元件的欧姆定律反映电阻元件的VCR线性电阻元件在线性电阻元

16、件在u、i 关联参考方向下，关联参考方向下，欧姆定律为欧姆定律为 u=Ri 或或 i=Gu 直流时直流时：U=RI 或或 I=GU R - 线性电阻元件的电阻，单位线性电阻元件的电阻，单位: 欧姆（欧姆（） G - 线性电阻元件的电导，线性电阻元件的电导，单位单位: 西门子（西门子（S）电工基础第三节第三节 电阻元件和欧姆定律电阻元件和欧姆定律线性电阻元件在线性电阻元件在u、i 非关联参考方向下非关联参考方向下，欧姆定律为，欧姆定律为 u=Ri 或或 i= Gu 直流时直流时：U= RI 或或 I= GU应用欧姆定律时必需注意电压和电流的参考方向应用欧姆定律时必需注意电压和电流的参考方向电工基

17、础第三节第三节 电阻元件和欧姆定律电阻元件和欧姆定律.伏安特性曲线伏安特性曲线元件的伏安特性还可通过元件的伏安特性还可通过伏安特性曲线伏安特性曲线进行描述。进行描述。图图1 1- 线性电阻元件及其伏安特线性电阻元件及其伏安特性性电工基础. 电阻元件的分类电阻元件的分类1）线性电阻线性电阻：若电阻：若电阻R值与其工作电压或电流无关，则值与其工作电压或电流无关，则称其为线性电阻元件称其为线性电阻元件 。其伏安特性曲线是一条通过原。其伏安特性曲线是一条通过原点的直线。点的直线。2）非线性电阻非线性电阻：如果电阻的如果电阻的电阻值不是一个常数，会随着电阻值不是一个常数，会随着其工作电压或电流的变化而变

18、其工作电压或电流的变化而变化则称为非线性电阻元件。其化则称为非线性电阻元件。其伏安特性曲线不再是一条直线。伏安特性曲线不再是一条直线。第三节第三节 电阻元件和欧姆定律电阻元件和欧姆定律图图1 1- 非线性电阻的伏安特性非线性电阻的伏安特性电工基础二二 电阻元件的功率与耗能电阻元件的功率与耗能1.计算线性电阻元件在任一瞬间吸收功率的公式为计算线性电阻元件在任一瞬间吸收功率的公式为p=ui=Ri2=Gu22.在直流情况下，计算式可写成在直流情况下，计算式可写成P=UI=RI2=GU2注意式中的电压和电流必须是同一电阻元件的电压和电流注意式中的电压和电流必须是同一电阻元件的电压和电流第三节第三节 电

19、阻元件和欧姆定律电阻元件和欧姆定律电工基础第四节第四节 电压源和电流源电压源和电流源一、电压源一、电压源 1.理想电压源理想电压源： 理想电压源是一个理想二端元件：其端电压是一理想电压源是一个理想二端元件：其端电压是一个定值个定值Us或是一定的时间函数或是一定的时间函数us ，与流过它的电流无与流过它的电流无关关；而流过它的电流不全由它本身确定而流过它的电流不全由它本身确定，应由与之相应由与之相连接的外电路共同确定连接的外电路共同确定.电工基础第四节第四节 电压源和电流源电压源和电流源图图1-151-15 电压源模型及直流电压源的伏安特性电压源模型及直流电压源的伏安特性电工基础2. 实际电压源

20、实际电压源 理想电压源实际上是不存在的，电源内部总是存理想电压源实际上是不存在的，电源内部总是存在一定的电阻，称之为内阻。在一定的电阻，称之为内阻。 实际电压源可以用一个理想电压源和内阻相串联实际电压源可以用一个理想电压源和内阻相串联的电路模型来表示，如图的电路模型来表示，如图1-16所示，其端口处伏安关所示，其端口处伏安关系为：系为： ssIRUU第四节第四节 电压源和电流源电压源和电流源电工基础第四节第四节 电压源和电流源电压源和电流源图图1-16 1-16 实际直流电压源模型及其伏安特性实际直流电压源模型及其伏安特性电工基础二、电流源二、电流源 1.理想电流源理想电流源 理想电流源是一个

21、理想二端元件：它输出定值电流理想电流源是一个理想二端元件：它输出定值电流Is或是一定的时间函数或是一定的时间函数is ，与它的端电压无关；而它的，与它的端电压无关；而它的端电压不全由它本身确定，应由与之相连接的外电路共端电压不全由它本身确定，应由与之相连接的外电路共同确定同确定.第四节第四节 电压源和电流源电压源和电流源电工基础第四节第四节 电压源和电流源电压源和电流源图图1-1- 电流源模型及直流电流源的伏安特性电流源模型及直流电流源的伏安特性电工基础2. 实际电流源实际电流源 理想电流源实际上也是不存在的，由于其内电导的理想电流源实际上也是不存在的，由于其内电导的存在，电流源中的电流并不能

22、全部输出，有一部分将在存在，电流源中的电流并不能全部输出，有一部分将在内部分流。内部分流。 实际电流源可用一个理想电流源与内电导相并联的实际电流源可用一个理想电流源与内电导相并联的电路模型来表示，如图电路模型来表示，如图1-1-所示。其端口处伏安关系所示。其端口处伏安关系为：为： ssUGII第四节第四节 电压源和电流源电压源和电流源电工基础第四节第四节 电压源和电流源电压源和电流源图图1-181-18 实际直流电流源模型及其伏安特性实际直流电流源模型及其伏安特性电工基础第五节第五节 电路的工作状态电路的工作状态一、开路一、开路 开路状态也称为断路状态开路状态也称为断路状态，这时电源和负载未构

23、成，这时电源和负载未构成通路，负载上电流为零，电源空载，不输出功率。通路，负载上电流为零，电源空载，不输出功率。 开路时电源的端电压称为开路时电源的端电压称为开路电压开路电压，用，用Uoc表示。表示。 实际电压源在开路时，流过的电流实际电压源在开路时，流过的电流I=0，端口电压等于，端口电压等于电压源电压即电压源电压即Uoc=Us电工基础二、短路二、短路 短路状态指电源两端由于某种原因而短接在一起短路状态指电源两端由于某种原因而短接在一起情况，情况，这时相当于负载电阻为零，电源的端电压为零，这时相当于负载电阻为零，电源的端电压为零，不输出功率。不输出功率。 短路时电源的输出电流称为短路时电源的

24、输出电流称为短路电流短路电流，用，用Isc表示表示。 实际电流源短路时实际电流源短路时Isc=Is。 第五节第五节 电路的工作状态电路的工作状态电工基础三、额定工作状态三、额定工作状态 电气设备工作在额定值的情况下称为电气设备工作在额定值的情况下称为额定工作状态额定工作状态。 电源设备的额定值一般包括电源设备的额定值一般包括额定电压额定电压UN、额定电流、额定电流IN和额定容量和额定容量SN。 负载的额定值一般包括负载的额定值一般包括额定电压额定电压UN、额定电流、额定电流IN和和额定功率额定功率PN。 应合理使用电气设备，尽可能使其工作在额定状态应合理使用电气设备，尽可能使其工作在额定状态下

25、，这样既安全可靠又能充分发挥设备的作用，这种下，这样既安全可靠又能充分发挥设备的作用，这种工作状态有时也称为工作状态有时也称为“满载满载”，设备超过额定值工作时，设备超过额定值工作时称称为为 “过载过载”。 应避免应避免设备设备长时间长时间“过载过载”。第五节第五节 电路的工作状态电路的工作状态返回主目录返回主目录电工基础第六节第六节 基尔霍夫定律基尔霍夫定律一、与拓扑约束有关的几个名词一、与拓扑约束有关的几个名词1.支路支路：电路中每个分支都称为一条支路。电路中每个分支都称为一条支路。2.节点：节点：电路中三条或三条以上支路的汇接点称为电路中三条或三条以上支路的汇接点称为节点。节点。3.回路

26、回路：电路中任一闭合的路径称为回路。电路中任一闭合的路径称为回路。4.网孔：网孔：回路平面内不含有其它支路的回路称为网孔。回路平面内不含有其它支路的回路称为网孔。电工基础第六节第六节 基尔霍夫定律基尔霍夫定律图图1-1- 电路举例电路举例支路：支路：、回路：回路：、 、节点：节点：、网孔：网孔：、 电工基础第六节第六节 基尔霍夫定律基尔霍夫定律二、基尔霍夫电流定律二、基尔霍夫电流定律(KCL)1.定律定律： 基尔霍夫电流定律可表述为：在集中参数电路中，基尔霍夫电流定律可表述为：在集中参数电路中，任一时刻流入任一时刻流入 (或流出或流出)节点的所有支路电流的代数和节点的所有支路电流的代数和恒等于零。数学表达式为恒等于零。数学表达式为 i=0电工基础第六节第六节 基尔霍夫定律基尔霍夫定律2. KCL推广应用推广应用： 流入电路流入电路任一封闭面的任一封闭面的电流