《船舶电气设备（一类）》-第一章 电工电子基础

第一章电工电子基础第一节直流电路基础什么是电路呢？例如电子诱饵··○○R水AB3V··什么是电路呢？例如电子诱饵一、电路与电路模型电路是由某些电气元件按一定方式连接起来的总体，它提供了电流流通的路径。电路主要由电源、负载和中间环节三部分组成。1.定义:2.组成:例如：手电筒电路电源中间环节负载电源：其它形式的能量（信号）

电能（电信号）负载：电能（电信号）其它形式的能量（信号）

*一般不希望中间环节产生能量或信号的转换3.作用：（1）实现能量的传输、分配和转换.（2）实现信号的传递与处理。（3）信息的存储。电路模型1.定义：电路模型就是将实际电路中的各种元件按其主要物理性质分别用一些理想电路元件来表示所构成的电路图。3.

手电筒的电路模型R0RUS电源中间环节负载

电路模型只反映实际电路的作用及其相互的连接方式，不反映实际电路的内部结构、几何形状及相互位置。S二.

常见的理想电路元件电阻电容电感连连看？1.电阻元件iuR⑴电压与电流关系

u=i

R

满足欧姆定律

R=u/i若R为常数称为线性电阻若R随u，i的变化而变化称为非线性电阻只有线性电阻才满足欧姆定律p=ui=iR=u/R22

*

P总是大于0即P≥0电阻是耗能元件。(一般电阻上电压与电流取关联参考方向。)⑵功率2.电感元件⑴电感φiueLiue

Ψ=LiL=Ψ／iL单位是亨利(H)L为常数称为线性电感L不是常数称为非线性电感⑵自感电动势eL=dΨdt=Ldidt⑶

电压与电流的关系uL=－eL=Ldidt*

若i=I，uL=0

电感对直流相当于短路⑷能量P=ui=L

ididt*它是一种储能元件不消耗能量>0则P>0吸收能量电能磁场能<0则P<0放出能量磁场能电能3.电容元件⑴电容uiCq

=CuC(法拉F)=q

(库仑)u

(伏)1F=106μF

1μF=106pFC为常数——线性电容C不是常数——非线性电容⑵电压与电流关系i=dqdt=CduCdt若uC＝UC

则i＝0*电容元件对直流相当于开路⑶能量P=uC

i=

C

uCduCdt>0则P>0吸收功率电容充电<0则P<0发出功率电容放电WC=∫t0P

dt=CuC212能量不能突变∴电容两端的电压不能突变电容是一种储能元件,不消耗电能*

WC与U

成正比，与i无关，

当i=0时，WC

仍可能存在。2

电路中能量转换过程

电阻耗能元件电电感源储能元件

电容三、电路变量及其参考方向1.

电流定义：在电场的作用下，电荷有规则的定向移动形成电流，我们把单位时间内通过导体横截面积的电荷量定义为电流强度。大小和方向都随时间改变的叫交流，用i表示大小和方向都不随时间改变的叫直流，用I

表示2.

单位：1安培（A）=1000毫安(mA)1毫安(mA)=1000微安(μA)3.

实际方向：规定正电荷运动的方向。

4.参考方向：在分析和计算电路时往往任意选定某一方向作为电流的正方向，也称参考方向。5.电流参考方向的表示方法:abIabIab二、电压及其参考方向1.定义：电场力把单位正电荷从a点移到b点所作的功定义为a、b两点间的电压。

u=dw/dq交流电压用u表示,直流电压用U表示*参考方向与实际方向的关系在规定的参考方向下，若计算结果

I>0参考方向与实际方向一致

I<0参考方向与实际方向相反2.单位:

1千伏特(kV)=1000伏(V)1伏(V)＝1000毫伏(mV)1毫伏(mV)＝1000微伏(μV)3.实际方向：高电位指向低电位。4.参考方向：任意选定某一方向作为电压的正方向，也称参考方向。5.电压参考方向的表示方法:abUabUabab*参考方向与实际方向的关系在规定的参考方向下，若计算结果

U>0参考方向与实际方向一致

U<0参考方向与实际方向相反三、关联参考方向

若电流和电压的参考方向取得相同，称为关联参考方向，否则称为非关联参考方向。2.电功率1）定义:单位时间内电能所作的功称为电功率,

简称功率.

p=ui四、电能和电功率1.电能W=UIt=Pt当某元件的电压电流关联参考方向时有p=ui当某元件的电压电流非关联参考方向时有p=－uiabIUabIU*若求出的P>0，说明元件在吸收功率，一定是负载，

求出的P<0，说明元件在发出功率，一定是电源。例1、在图示电路中,Uab=5V，I＝2A，求:(1)各个元件的功率;(2)这段电路上的总功率.解:(吸收）(吸收）(吸收）(吸收）（发出）Uab=5V，I＝2A○○○○A1Ω4Ω

－

+10VIR1R2E1E2B+－5V四、欧姆定律

指在同一电路中，通过某段导体的电流跟这段导体两端的电压成正比，跟这段导体的电阻成反比。即：式中：I-电流（A），U-电压（V），R-电阻（Ω）。五、元件的连接将电路元件（如电阻、电容、电感等用电器）逐个顺次首尾相连接称为串联。将各用电器串联起来组成的电路叫串联电路。串联电路中通过各用电器的电流都相等。图(a)电阻R1与R2串联，电源电压为U，则两电阻的电流相等，电压之和等于电源电压。1.串联两个串联电阻可用一个等效电阻来代替，如（b）所示，等效的条件是在同一电压作用下电流保持不变。等效电阻等于各个串联电阻之和，即串联电路中的串联电阻具有分压作用。

2.并联将两个或两个以上同类或不同类的元器件首首相接，同时尾尾亦相连的一种连接方式称为并联，如图所示。并联电路的特点主要有：（1）并联元件的端电压相等；（2）并联电路的总电流是所有元器件的电流之和。

等效R与R1和R2的关系：

六、电路的工作状态1.电路的有载工作如图1-9所示电路的开关K闭合，电路的负载R与电源Us（内阻为Ro）接通，即为电路的有载工作状态。图中开关K断开，电路处于开路。此时电流I=0，各电阻上的电压均为零，电路的功率为零，电源处于空载状态，外端电压等于电源电压。2.电路的开路3.电路的短路

短路是指电路或电路中的一部分被短接，如图所示，a点与b点被导线直接连接起来，负载电阻R短路，电流不流经电阻R，由于电源内阻Ro比较小，短路时的电流I比额定工作时要大很多倍，电源内阻Ro上的电流热效应足以将电源烧毁，甚至引起火灾。

短路故障是引发火灾的重要原因之一，因此所有电路都应具有短路保护措施。通常加装熔断器或自动断路器等装置对电路进行短路保护，一旦发生短路，立即切断电路，避免事故进一步扩大。产生电路短路的原因主要有：一是电气设备绝缘老化或破损，二是操作不当，所以经常检查电气设备的绝缘状态是预防电路短路的重要措施，同时要规范操作。

几个概念支路:

电路中的每一分支叫做支路。一个支路通过同一个电流。节点:

由三条或三条以上的支路相连接的点叫做节点。回路:电路中的任一闭合路径叫做回路。七.基尔霍夫定律图中有6个节点+abdcef纯属失误图中有4个节点图中有6条支路图中有8条支路图中有3个回路图中有7个回路你犯了严重错误

不好意思又错了

聪明的脑瓜

OK！

恭喜你!请问你清楚了吗？一、基尔霍夫电流定律(KCL)

对于电路中的任一节点，在任一瞬间流入节点的电流之和一定等于流出该节点的电流之和。(第一定律)ab＋－＋－I1I2I3E1E2R1R3R2如图：I1

＋I2＝I3

对电路中的任一节点，在任一瞬间，该节点上电流代数和等于零。∑I＝０如图I1

＋I2

－I3＝０规定流入节点的电流取正,流出节点的电流取负。∑Ii＝∑IO推广：适用于封闭面AIBIAICBCIABIBCICAIA

＋IB＋IC＝

0IBICIEIB＋IC＝

IE满足三极管电流分配关系

例：标出图中未知电流大小。2A－8A3A3Ω4Ω···6A1A5A二、基尔霍夫电压定律(KVL)

在任一瞬间，沿任一闭合回路绕行一周，各部分电压降的代数和等于零，即∑U＝０。与绕向一致的电压取正，反之取负。＋－＋－R1R2U1U2I1I2US1US2aU1－US1＋US2－U2=0I1

R1－US1＋US2－I2

R2＝0在电路中任意回路绕行方向上电动势的代数和等于电阻上电压降的代数和

∑US

＝∑IR规定与绕向一致的电压和电流取正，反之取负。US1

－

US2

＝I1

R1

－I2

R2推广:适用于开口电路

U开=ΣU说明:上述两定律适用于任何变化的电压和电流。例1.已知E1=7V，E2=16V，E3=14V，R1=16Ω

R2=3Ω，R3=9Ω。求：K打开时，Uab=？

K闭合时，I3=？1、K打开，I3=0∴UR3=0－E1+Uab+E3－E2=0Uab=7－14+16=9V2、K闭合，Uab=0－E1+E3－E2+

I3R3=0I3=(E1－E3+E2)／R3=9／9=1AE1R1abKE3E2R2R3I3解：一、电位电路中某点的电位等于该点到参考点之间的电压，参考点就是零电位点。Ue=0I=9/9A=1AUa=5VUb=5V－2V=3VUc=5V－6V=－1VUd=－4VUab=2V3Ω＋－＋－e5V4Vabcd2Ω4Ω＋－＋－e5V4Vabcd3Ω2Ω4Ω若参考点选在d点．则：

Ua=9V

Ub=7V

Uc=3V

Ud=0V

Ue=4V

Uab=2V

＊电路中某点的电位与参考点的选择有关，而任意两点之间的电压与参考点的选择无关。第二节交流电路基础

一、正弦交流电的表达式

大小和方向随时间按正弦规律变化的电压、电流和电动势统称为正弦量。

正弦信号的和、差、微积分等运算结果仍是同频率的正弦信号。

当正弦信号作为电路的信号源时，电路中产生的响应仍是同频率的正弦信号。i=Iｍsin(ωt+

)

其波形如图

timI

T从表达式可以看出,当Im、T、

确定后,正弦量就被唯一地确定了,所以这三个量统称为正弦量的三要素。正弦电流i

用三角函数表示为二正弦量的三要素1.周期T、频率f和角频率ω2.最大值和有效值3.相位、初相、相位差周期T:正弦量变化一次所需要的时间称为周期。单位是秒(s）。频率f:1秒钟正弦量变化的次数称为频率。单位是赫兹（HZ)。显然f=1/T

或T=1/f

1.周期Ｔ、频率f和角频率ω角频率ω

:

单位时间里正弦量变化的角度称为角频率。单位是弧度/秒（rad/s）.

ω=2π/T=2πf

周期，频率，角频率从不同角度描述了正弦量变化的快慢。三者只要知道其中之一便可以求出另外两个。２．最大值和有效值

正弦量某一瞬间的值称为瞬时值，瞬时值中最大的称为最大值。Im、Um、

Em分别表示电流、电压和电动势的最大值。

表示交流电的大小常用有效值的概念。

把两个等值电阻分别通一交流电流i

和直流电流Ｉ。如果在相同的时间Ｔ内所产生的热量相等，那么我们把这个直流电流Ｉ定义为交流电流的有效值。所以交流电的有效值是瞬时值的方均根。

即

将电流的三角式带入上式中有:

同理:

3.相位、初相、相位差

相位：我们把ωt+

称为相位。初相：t=0时的相位称为初相

。相位差：任意两个同频率的正弦量的相位之差。用φ

表示。

例：

两者的相位差为:

>0电压超前电流φ角

(或电流滞后电压φ

角)

=0

电压与电流同相位

<0

电流超前电压φ角

=±π

电流与电压反相若:φiu.iωt

φ>0φ

φ<0φ

φ=π

φ=01、平均功率(有功功率）在RLC电路中，只有电阻消耗功率所以电路的有功功率为：P=∑URIRP=UIcosφ式中cosφ为功率因数。

在正弦交流电路中，不管阻抗如何联接，电路的功率等于各元件功率之和。Z=R+jX二、功率关系2、无功功率

电路中无功功率包括电感和电容两个元件的无功功率。QL=ULI

QC=UCIQ=QL－QCZ=R+j(XL-XC)

Q=UIsinφφ＞0，Q＞0电路呈感性

φ＜0，Q＜0电路呈容性P=UIcosφ

=ScosφQ=UIsinφ=Ssinφ3、视在功率S=UI单位是伏安（VA）一般它表示发电设备的容量。

得出功率三角形：PQSφ二.提高功率因数的方法工业负载多数是感性负载，因此提高负载功率因数可在其两端并联电容。

提高功率因数的基本思想是减少无功功率。RLuiC

第三节电磁感应

1磁感应强度

磁感应强度B是表示磁场内某点的磁场强弱和方向的物理量，单位为特斯拉，用字母T表示，即Wb/m2,1T=104Gs(高斯)。

2磁通

磁感应强度B与垂直于磁场方向的面积S的乘积，称为通过该面积的磁通中，单位为韦

伯，符号Wb。磁通Φ与磁感应强度B的关系为：

Φ=BS

一、磁场的基本物理量3磁场强度

磁场强度H是描述磁场性质的物理量，通过它来确定磁场与电流之间的关系。磁场强度的单位为安培/米(A/m),是为了简化计算和分析磁路而引入的物理量，需与磁感应强度B相区别。

4磁导率

磁导率μ是用来衡量物质导磁能力的物理量，磁导率的单位是亨利/米(H/m)。它与磁场强度H的乘积等于磁感应强度B,即：

B=μH

真空中的磁导率为4π×10-7H/m。

二、电流中的磁场三、电磁感应现象与感应电流英国科学家法拉第发现了磁与电之间的相互联系和转化关系。只要穿过闭合电路的磁通量发生变化，闭合电路中就会产生感应电流。这种利用磁场产生电流的现象称为电磁感应现象，产生的电流叫做感应电流。安培力与左手定则安培力是通电导线在磁场中受到的作用力。电流强度为I的长度为L的直导线，置于磁感应强度为B的均匀外磁场中，则导线受到的安培力的大小为：

式中α为导线中的电流I方向与磁场方向之间的夹角。第四节三相交流电路及负载的链接

一．三相交流电概述

我们把幅值相等，频率相同，彼此之间的相位差角相差120°的三个电源称为对称三相电源.1.时域形式:3.相量表达式：2.波形图:4.相量图:uA=UmsinωtuB=Umsinωt（

ωt-120°）uC=Umsinωt（

ωt+120°）其中uA的初相为零，uB滞后uA120°,uC滞后uB

120°，所以相序为A-B-C。1.时域形式:2.波形图ωtuuAuBuC3.相量表达式：.UA=U∠0°=U.

4.相量图:·UC·UB·UA120°120°120°1.星形联结A.B.C分别为三相绕组的首端,X.Y.Z分别为三相绕组的尾端,将三个尾端接在一起用O表示.三个首端引出三根线与负载相联.电压UA,UB,UC的参考方向规定首端指向尾端..

二、连接方式..2.各点与线的名称.

O为中性点(零点),由O点引出的线叫中性线(零线).由A、B、C三端引出的线为端线

(火线).3.相、线电压的定义.

相电压:各端线与中性线之间的电压就是相电压。用有效值UA,UB,UC表示。一般用UP表示,如图所示。

线电压:各端线之间的电压为线电压.

用有效值UAB,UBC,UCA表示。一般用UL表示.如图所示.返回ACOB.UA.UB.UC.UABUBC..UCA(X.Y.Z)端线中性线端线端线相电压:每相负载两端的电压用UP

表示。线电压:各端线之间的电压用UL表示.相电流:每相负载流过的电流用IP

表示.线电流:电源端线流过的电流用IL表示.

4.

三相四线制（有中性线）

三相四线制电路，电源的相、线电压就是负载上的相、线电压。电源对称，则：线电压超前相电压30°,且

AOBC.IA..IC.IBIOZAZBZC○○○○UA.UB.UC.UBC.UCA.UAB.相电压：线电压：相电流：İAİBİC线电流：İAİBİCUA.UB.UC.UAB.UBC.UCA.显然，IP=IL1.对称负载设：ZA=zA∠φA

ZB=zB∠φB

ZC=zC∠φC

若满足{zA=zB=zCφA=φB=φC这样的负载称为对称三相负载。当电源对称，负载也对称时，İA、İB、İC互差120°显然三个电流也是对称关系.

IL=IP=UP／z=UL／√3z

相量图为:

结论:三相对称负载作星形联结时,计算时只需计算一相,另外两相根据对称关系直接写出。UAUBUCIAICIB......φφφİO=İA+İB+İC=0二．三相三线制.

将三相四线制里的中性线断开,这时称为三相三线制.1.负载对称.

由三相四线制负载对称情况知，中性线电流IO=0。所以中性线去掉,计算方法相同。各电流对称。2.负载不对称.要根据具体情况分析。

在无中性线且负载不对称的电路中，三相电压相差很大，有效值不等。实际的三相供电系统中，负载大都不对称，因此，陆地电路多采用三相四线制供电方式。所以，中性线上不能开路，也不能装开关和保险丝。三角形链接ABCZCAZABZBCIC.IB.IBC.IAB.IA.ICA.显然IP≠IL

UP=UL相电压：线电压：相电流：İABİBCİCA线电流：İAİBİCUAB.UBC.UCA.UBC.UCA.UAB.UAB.UBC.UCA.由KCL知：İA=İAB－İCA

İB=İBC

－İAB

İC=İCA－İBC

由负载对称，可得IAB=IBC=ICA=IP=UL／z

=UP／z

相位上互差120°İA=İAB－İCA=IP∠0°－IP∠120°以İAB为参考相量=√3IP∠－30°可见：对称三相负载作三角形联结时各相、线电压，相、线电流都对称。UL=UP

线电流是相电流的√3倍,线电流滞后相电流30°。计算时可算出一相,另外两相根据对称关系直接写出。IL=√3IP

相量图为：30°30°30°ICIBIA......IBCICAIAB返回一.有功功率无论负载是Y联结还是△联结.P=PA+PB+PC=UAIAcosφA+UBIBcosφB+UCICcosφC若三相电路对称,则有

UA=UB=UC=UPIA=IB=IC=IP

φA

=φB=φC=φ

所以返回P=3UPIPcosφ

P=√3ULILcosφQ=QA+QB+QC=UAIAsinφA+UBIBsinφB+UCICsinφC

若三相电路对称.则有三、视在功率若三相电路对称，则有返回

二、无功功率Q=3UPIPsinφQ=√3ULILsinφ第五节电子技术基础一、二极管及作用+P区－－阳极N区－－阴极阳极阴极VDPN(阳极)外壳阴极引线阳极引线+-+-(阳极)(阴极)(阴极)a)b)VD二极管就是由一个PN结加上相应的电极引线及管壳封装而成的。由P端引出的电极为阳极，N端引出的为阴极。二、特性

二极管的主要特性是单向导电性，其伏安特性曲线如所示。（以正极到负极为参考方向）。二、特性1）外加正向电压很小时，二极管呈现较大的电阻，几乎没有正向电流通过。曲线段（或段）称作死区，点（或）的电压称为死区电压，硅管的死区电压一般为0.5V，锗管则约为0.1V。

2）二极管的正向电压大于死区电压后，二极管呈现很小的电阻，有较大的正向电流流过，称为二极管导通，如段（或）特性曲线所示，此段称为导通段。从图中可以看出：硅管电流上升曲线比锗管更陡。二极管导通后的电压为导通电压，硅管一般为0.7V，锗管约为0.3V。1．正向特性

2．反向特性1）当二极管承受反向电压时，其反向电阻很大，此时仅有非常小的反向电流（称为反向饱和电流或反向漏电流），如曲线段（或段）所示。实际应用中二极管的反向饱和电流值越小越好，硅管的反向电流比锗管小得多，一般为几十微安，而锗管为几百微安。2）当反向电压增加到一定数值时（如曲线中的点或点），反向电流急剧增大，这种现象称为反向击穿，此时对应的电压称为反向击穿电压，用表示，曲线中段（或段）称为反向击穿区。通常加在二极管上的反向电压不允许超过击穿电压，否则会造成二极管的损坏（稳压管除外）。3.整流作用（1）单相半波整流电路

图5-10是单相半波整流电路，该电路由电源变压器T、整流二极管VD及负载电阻RL组成。单相半波整流电路

在u2的负半周，二极管因承受反向电压而截止，

uo=0。

单相半波整流波形整流原理

u2的正半周，二极管因承受正向电压而导通，忽略二极管正向压降，

uo=u2。设u2=U2sinωt（2）单相桥式整流电路

单相桥式整流电路是由四个二极管接成电桥的形式构成。单相桥式整流电路常用画法简化画法(1)．整流原理

u2

正半周，

u2的实际极性为a正b负，二极管VD1

和VD3导通，VD2

、VD4截止，uo=u2。波形如图中的0～π段。