电工技术基础课件

1、电工技术基础,欢迎学习,课程代码 2232 2008年版,第1章 电路的基本概念和分析,第2章 正弦交流电路,第3章 三相交流电路,第4章 电路的过渡过程,第5章 磁路和交流铁心线圈,电工技术基础,第6章 变压器,第7章 异步电动机,第8章 直流电动机,第9章 控制电机,第10章 继电-接触器控制,第11章 输配电和安全用电,第12章 电工测量,电工技术基础,1.1 电路及主要物理量,1.2 电路模型,1.3 电路的状态和电器设备的额定值,1.4 基尔霍夫定律,1.5 电路分析方法,1.6 非线性电阻电路,第1章 电路的基本概念和分析,第一节 电路及其主要物理量,电路：就是电流所通过的路径。它

2、是由电路元件按 一定方式组合而成的。,电路的结构形式和所完成的任务多种多样的，举例：,电路的组成：电源、负载、中间环节三部分,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,电路的作用： 实现电能的传输和转换，（作用之一）,举例：（电子电路，即信号电路）,电路的作用之二：传递和处理信号。,（1）电流,电流的国际单位制是安培【A】，较小的单位还有毫安【mA】和微安【A】等，它们之间的换算关系为：,1A=103mA=106A=109nA,电荷有规则的定向移动形

3、成电流。单位时间内通过导体某一截面的电荷量，电流的大小用电流强度表征，定义式为：,大小、方向均不随时间变化的稳恒直流电可表示为：,在电工技术分析中，仅仅指出电流的大小是不够的，通常以正电荷移动的方向规定为电流的参考正方向。,Q单位：库伦 （C） t单位：秒 （S）,直流情况下,（2）电压,电压 电压的定义是：电场力把单位正电荷从电场中的一点移到另一点所做的功。其表达式为：,注意：变量用小写字母表示，恒量用大写字母表示。,电压的国际单位制是伏特V，常用的单位还有毫伏mV和千伏【KV】等，换算关系为：,1V=103mV=103KV,电工技术基础问题分析中，通常规定电压的参考正方向由高电位指向低电位

4、，因此电压又称作电压降。,从工程应用的角度来讲，电路中电压是产生电流的根本原因。数值上，电压等于电路中两点电位的差值。即：,Eba=Vb - Va,电动势,电源力不是电场力,电动势在数值上等于电源力将单位正电荷从电源负极b点移到电源正极a点所做的功，用E表示，单位：伏特(V)。,电路中的电位及其计算方法,1、电位的概念,电位实际上就是电路中某点到参考点的电压，电压常用双下标，而电位则用单下标，电位的单位也是伏特V。,电位具有相对性，规定参考点的电位为零电位。因此，相对于参考点较高的电位呈正电位，较参考点低的电位呈负电位。,（3）电位,图(a)中 VO=0 VA=VAO=VA-VO=1V VB=

5、VBO=VB-VO=-1V VAB=VA-VB=1-(-1)=2V,两点的电压等于这两点电位差。电压不随参考点变化，但点位会变化。,日常生产和生活中，电能（或电功）也常用度作为量纲：1度=1KWh=1KVAh,（4）电能、电功率,电能,电能的转换是在电流作功的过程中进行的。因此，电流作功所消耗电能的多少可以用电功来量度。电功：,式中单位：U【V】；I【A】；t【s】时，电功W为焦耳【J】,1度电的概念,1000W的电炉加热1小时；,100W的电灯照明10小时；,40W的电灯照明25小时。,电源中： AE=EIt,A=UIt,电功率反映了电路元器件能量转换的本领。如100W的电灯表明在1秒钟内该

6、灯可将100J的电能转换成光能和热能；电机1000W表明它在一秒钟内可将1000J的电能转换成机械能。,（2）电功率,电工技术中，单位时间内电流所作的功称为电功率。电功率用“P ”表示：,国际单位制：U 【V】，I【A】，电功率P用瓦特【W】,通常情况下，用电器的实际功率并不等于额定电功率。当实际功率小于额定功率时，用电器实际功率达不到额定值，当实际功率大于额定功率时，用电器易损坏。,用电器额定工作时的电压叫额定电压，额定电压下的电功率称为额定功率；额定功率通常标示在电器设备的铭牌数据上，作为用电器正常工作条件下的最高限值。,电源中：PE = EI,第二节 电路模型,电源,负 载,实体电路,中

7、间环节,与实体电路相对应、由理想元件构成的电路图，称为 实体电路的电路模型。,电路模型,负载,电源,开关,白炽灯的电路模型可表示为：,实际电路器件品种繁多，其电磁特性多元而复杂，采取模型化处理可获得有意义的分析效果。,如,R,L,消耗电能的电特性可用电阻元件表征,产生磁场的电特性可用电感元件表征,由于白炽灯中耗能的因素大大于产生磁场的因素，因此L 可以忽略。,理想电路元件是实际电路器件的理想化和近似，其电特性单一、确切，可定量分析和计算。,白炽灯电路,电阻元件 只具耗能的电特性,电容元件 只具有储存电能的电特性,理想电压源 输出电压恒定，输出电流由它和负载共同决定,理想电流源 输出电流恒定，两

8、端电压由它和负载共同决定,电感元件只具有储存磁能的电特性,理想电路元件分有无源和有源两大类,无源二端元件,有源二端元件,必须指出，电路在进行上述模型化处理时是有条件的：实际电路中各部分的基本电磁现象可以分别研究，并且相应的电磁过程都集中在电路元件内部进行。这种电路称为集中参数元件的电路。,集中参数元件的特征,1. 电磁过程都集中在元件内部进行，其次要因素可以忽略。如R，L、C这些只具有单一电磁特性的理想电路元件。,2. 任何时刻从集中参数元件一端流入的电流恒等于从它另一端流出的电流，并且元件两端的电压值完全确定。,工程应用中，实际电路的几何尺寸远小于工作电磁波的波 长，因此都符合模型化处理条件

9、，均可按集中假设为前提， 有效地描述实际电路，从而获得有意义的电路分析效果。,（1） 电阻元件,线性电阻元件伏安特性,由电阻的伏安特性曲线可得，电阻元件上的电压、电流关系为即时对应关系，即：,因此，电阻元件称为即时元件。即时,电阻产品实物图,电阻元件图符号,电阻元件上的电压、电流关系遵循欧姆定律。即元件通过电流就会发热，消耗的能量为：,或 U=RI,单位：欧姆（） 还有千欧（ k ）、兆欧（ M ）,电阻消耗能量,线性电感元件的韦安特性,对线性电感元件而言，任一瞬时，其电压和电流的关系为微分(或积分)的动态关系，即：,显然，只有电感元件上的电流,电感产品实物图,电感元件图符号,发生变化时，电感

10、两端才有电压。因此，我们把电感元件称为动态元件。动态元件可以储能，储存的磁能为：,或,（2）电感元件,根据电磁感应定律，当电感线圈中的i变化时，磁场也随之变化，并在线圈中产生自感电动势eL，当电压、电流、电动势的参考方向一致时，有：,直流电路中相当于短路，u=0,磁场能量：,电感L的单位：亨利（H） ，还有毫亨: mH, 微亨: uH,电感储存电磁能,（3） 电容元件,线性电容元件的库伏特性,对线性电容元件而言，任一瞬时，其电压、电流的关系也是微分(或积分)的动态关系，即：,电容元件的工作方式就是充放电。,电容产品实物图,电容元件图符号,因此，只有电容元件的极间电压发生变化时，电容支路才有电流

11、通过。电容元件也是动态元件，其储存的电场能量为：,电容上的电量：,电容上的电流与电压的参考方向一致时,电容上的电场能量：,直流电路中相当于开路，i=0,电容C的单位：法拉（F），还有微法（uF），皮法（pF）。,电容储存电场能,（4） 电源元件,任何电源都可以用两种电源模型来表示，输出电压比较稳定的，如发电机、干电池、蓄电池等通常用电压源模型(理想电压源和一个电阻元件相串联的形式)表示；,柴油机组,汽油机组,蓄电池,各种形式的电源设备图,输出电流较稳定的：如光电池或晶体管的输出端等通常用电流源模型(理想电流源和一个内阻相并联的形式)表示。,（1）电压源,（2）电流源,理想的电压源、电流源是不存

12、在的。,理想电压源的外特性,电压源模型的外特性,理想电压源和实际电压源模型的区别,电压源模型,输出端电压,理想电压源内阻为零，因此输出电压 恒定； 实际电源总是存在内阻的，因此实际 电压源模型电路中的负载电流增大时， 内阻上必定增加消耗，从而造成输出电 压随负载电流的增大而减小。因此，实 际电压源的外特性稍微向下倾斜。, U ,理想电流源的内阻 R0I(相当于开路)，因此内部不能分流，输出的电流值恒定。,理想电流源的外特性,电流源模型的外特性,电流源模型,实际电流源的内阻总是有限值，因此当负载增大时，内阻上分配的电流必定增加，从而造成输出电流随负载的增大而减小。即实际电流源的外特性也是一条稍微

13、向下倾斜的直线。,理想电流源和实际电流源模型的区别,两种电源之间的等效互换,Us = Is R0,内阻改并联,两种电源模型之间等效变换时，电压源的数和电流源的数值遵循欧姆定律的数值关系，但变换过程中内阻不变。,等效互换的原则：当外接负载相同时，两种电源模型对外部电路的电压、电流相等。,内阻改串联,I = ?,哪个答案对？,问题与讨论,受控电源,独立电源：参数是一定的。,非独立电源：参数受控于另一部分电压和电流控制。,受控电源主要用来模拟电子器件中的信号传输关系。如近晶体管，三极管的几个典型放大电路。,第三节 电气设备的额定值及电路的工作状态,1. 电气设备的额定值,电气设备长期、安全工作条件下

14、的最高限值称为额定值。,电气设备的额定值是根据设计、材料及制造工艺等因素，由制造厂家给出的技术数据。额定值有下标N表示，如,2. 电路的三种工作状态,IUS(RSRL),（1）通路, U=USIRS ,（2）开路, U=US , U=0 ,IUS/RS,（3）短路,电源输出功率：,=0, U=US ,1、空载状态 特征： 1）电路中电流为零，即I=0 2）电源两端的电压等于电源的电动势， 即 3）电源的输出功率和负载所吸收的功率均为零。 P =0, U=USIRS ,2、短路状态 特征： 1）此时电源输出的电流最大，负载上的电流为零，电源输出的电流为：,相当于RL=0,2）电源和负载的端电压均

15、为零，即 3）电源对外输出的功率和负载上吸收的功率均 为零，电动势所发出的功率全部消耗在内阻上。, U=USIRS ,IUS(RSRL),3、负载状态 特征： 1）电路中的电流为： US、Rs一定时，电流由负载R的大小决定。 2）电源的端电压为： 电源的端电压总是小于电源电动势。 3）电源输出功率为： 等于负载电阻吸收的功率，这样整个电路功率就平衡了。 输出功率的大小除了电源外，还决定与负载的大小，负载的电阻越小电流 越大，输出的功率就越大。,电气设备的额定值,在实际电路中，所有电气设备和元器件在工作时都有一定的使用 限额，这种限额称为额定值。 额定值是制造厂综合考虑产品的可靠性、经济性和使用

16、寿命等因 素而设定的。 如：手机电池的电压、电视机的使用电压、发电机的最大输出功 率，电容的耐压，电阻的最大功率，三极管的最大功率，灯泡的 最大耐压等等，都是额定值。,额定值有下标N表示，如,第四节 基尔霍夫定律,基尔霍夫定律包括结点电流定律和回路电压两个定律，是一般电路必须遵循的普遍规律。 基尔霍夫电流定律（KCL）是将物理学中的“液体流动的连续性”和“能量守恒定律”用于电路中，它指出：任一时刻，流入任一结点的电流的代数和恒等于零。数学表达式：,a,I1 + I2 I3 I4 = 0,若以指向结点的电流为正，背离结点的电流为负，则根据KCL，对结点 a 可以写出：,基氏电流定律的推广,I=?

17、,I1+I2=I3,I=0,广义节点,电流定律还可以扩展到电路的任意封闭面。,广义节点,基尔霍夫电压定律（KVL）是用来确定回路中各段电压之间关系的电压定律。 回路电压定律依据“电位的单值性原理”，它指出：,任一瞬间，沿任一回路参考绕行方向，回路中各段电压的代数和恒等于零。数学表达式为：U=0,然后根据： U = 0,得：-U1-US1+U2+U3+U4+US4=0,R1I1US1+R2I2+R3I3+R4I4+US4=0,R1I1+R2I2+R3I3+R4I4=US1US4,电阻压降,可得KVL另一形式：IR=US,电源压升,先标绕行方向,根据 U=0对回路#1列KVL方程,电阻压降,电源压

18、升,即电阻压降等于电源压升,此方程式不独立,省略！,对回路#2列KVL常用形式,对回路#3列KVL方程,#1方程式也可用常用形式,KVL方程式的常用形式，是把变量和已知量区分放在方程式两边，显然给解题带来一定方便。,图示电路KVL独立方程为,如右图R1=2，R2=1 ，US1=12V，US2=18V。 要使R3中的电流为零，US3应为多大？,解： 由KCL定律可知：,R3两端无压降，根据KVL定律得：,+,-,Us3,基尔霍夫定律具有普遍的适用性，它适合于有任何元件所构成的任何结构的电路，电路中的电压和电流可以是恒定的也可以是任意变化的。,支路：一个或几个二端元件首尾相接中间没有分岔，使各元件

19、上通过的电流相等。（b）,结点：三条或三条以上支路的联接点。（n）,回路：电路中的任意闭合路径。（l）,网孔：其中不包含其它支路的单一闭合路径。,b=3,l=3,n=2,网孔=2,第五节 电路分析方法,支路：共 ？条,回路：共 ？个,节点：共 ？个,6条,4个,网孔：？个,7个,有几个网眼 就有 几个网孔,电路中的独立结点数为4个，独立回路数=网孔数。,支路电流法的解题步骤： 1、假定各支路电流参考方向，若有n个节点，就可列出n-1个节点KCL方程。 2、若有b条支路，就可列出b-n+1个KVL回路方程。 3、解方程组。,如电流节点方程： 设流入节点（流向节点）为正。,KVL回路方程，实际列出

20、独立的网孔回路KVL方程。,在多个电源同时作用的线性电路中，任何支路的 电流或任意两点间的电压，都是各个电源单独作用时所得 结果的代数和。,叠加定理,内容：,计算功率时不能应用叠加原理！,=,*当恒流源不作用时应视为开路,+,*当恒压源不作用时应视为短路,7.2V电源单独作用时：,用叠加原理求下图所示电路中的I2。,根据叠加原理: I2 = I2 + I2=1+(1)=0,12V电源单独作用时：,用叠加定理求：I= ?,I = I+ I= 2+（1）=1A,“恒流源不起作用”或“令其等于0”，即是将此恒流源去掉，使原恒流源处开路。,20V电压源单独作用时：,4A电流源单独作用时：,应用叠加定理

21、要注意的问题,1. 叠加定理只适用于线性电路（电路参数不随电压、电流的变化而改变）。,2. 叠加时只将电源分别考虑，电路的结构和参数不变。暂时不予考虑的电压源应予以短路，即令U=0；暂时不予考虑的恒流源应予以开路，即令Is=0。,3. 解题时要标明各支路电流、电压的正方向。原电路中各电压、电流的最后结果是各分电压、分电流的代数和。,4. 叠加定理只能用于电压或电流的计算，不能用来求功 率，即功率不能叠加。如：,5. 运用叠加定理时也可以把电源分组求解，每个 分支电路的电源个数可能不止一个。,设：,则：,内容：对外电路来说，任何一个线性有源二端网络，均可以用一个理想电压源和一个电阻元件串联的有源

22、支路来等效代替，其电压源US等于线性有源二端网络的开路电压UOC，电阻元件的阻值R0等于线性有源二端网络除源后两个外引端子间的等效电阻Rab。,适用范围：,只求解复杂电路中的某一条支路电流或电压时。,戴维南定理,无源二端网络： 二端网络中没有电源,有源二端网络： 二端网络中含有电源,戴维南定理中的“等效代替”，是指对端口以外的部分“等效”，即对相同外接负载而言，端口电压和流出端口的电流在等效前后保持不变。,注意：,已知：R1=20 、 R2=30 R3=30 、 R4=20 U=10V 求：当 R5=16 时，I5=?,等效电路,US =UOC,先求等效电源US及R0,求,戴维南等效电路,解,R0 =RAB,再求输入电阻RAB,恒压源被短接后，C、D成为一点，电阻R1和 R2 、R3 和 R4 分别并联后相串联。 即： R0=RAB=20/3030/20 =12+12=24,得原电路的戴维南等效电路,由全电