电工课件2.ppt

,*,电工技术,第,一,章 电路的基础知识,1.1,电路及其主要物理量,1.2,电路的状态和电气设备的额定值,1.3,基尔霍夫定律,1.4,理想电路元件及实际电路的两种电路模型,本章要求,:,1.,理解电压与电流参考方向的意义；,2.,理解基尔霍夫定律并能正确应用；,3.,了解电路的有载工作、开路与短路状态，,理解电功率和额定值的意义；,4.,会计算电路中各点的电位。,第,一,章 电路的基础知识,1,1,电路及其主要物理量,一,.,电路的概念,电流通过的路径叫电路，是为了某种需要由电工设备或电路元件按一定方式组合而成。,手电筒的电路模型,R,+,R,o,E,S,+,U,I,电池,中间环节,灯泡,一个完整的电路是由电源、负载、中间环节（包括开关和导线等）三部分按一定方式组成的,。,电源,:,提供,电能的装置,负载,:,取用,电能的装置,发电机,升压,变压器,降压,变压器,电灯,电动机电炉,.,输电线,中间环节：,传递、分,配和控制电能的作用,电路各部分的作用,电路按其功能可分为两类：电力电路、,信号电路。,发电机,升压,变压器,降压,变压器,电灯,电动机电炉,.,输电线,（,2,）,信号电路,实现信号的传递和转换,放大器,扬声器,话筒,（,1,）电力电路,实现电能的传输和转换,二、,电路的主要物理量,电流,其数值等于单位时间内通过导体某一横截面的电荷量。,在直流电路中，,1.,电流,电流的方向：,规定正电荷移动的方向为正方向。,参考方向：,在分析与计算电路时，,任意假设的方向。,I,=,Q,t,例：,a,b,R,I,若,I,=5A,，,则电流从,a,流向,b,；,若,I,=5A,，,则电流从,b,流向,a,。,实际方向与参考方向,一致,，电流值为,正值,；,实际方向与参考方向,相反,，电流值为,负值,。,实际方向与,参考方向的关系：,电流的单位：,kA,、,A,、,mA,、,A,注意：,在参考方向选定后，电流值才有正负之分。,2.,电压,电压,U:,电场力移动单位正电荷所作的功。,电压,U,实际方向：从高电位点指向低电位点。,单 位：,kV,、,V,、,mV,、,V,实际方向与,参考方向的关系,:,实际方向与参考方向,一致,，电压值为,正值,；,实际方向与参考方向,相反,，电压值为,负值,。,当,U,与,I,参考方向一致，,称为关联参考方向,U=RI,；,a,b,R,U,+,若,U,=5V,，,则电压的实际方向从,a,指向,b,；,若,U,=5V,，,则电压的实际方向从,b,指向,a,。,当,U,与,I,参考方向不一致，称为非关联参考方向,U=RI,；,O,O,R,+,-,U,I,A,B,O,O,R,+,-,U,I,A,B,电位：电路中某点至参考点的电压，,记为,“,V,X,”,。,通常设参考点的电位为零。,3.,电位,电位的计算步骤,:,(1),任选电路中某一点为参考点，设其电位为零；,(2),标出各电流参考方向并计算；,(3),计算各点至参考点间的电压即为各点的电位,。,某点电位为正，说明该点电位比参考点高；,某点电位为负，说明该点电位比参考点低。,A,B,O,2V,1K,1K,举例,求图示电路中各点的电位,:,V,A,、,V,B,、,V,0,。,解：,设,O,为参考点，即,V,o,=0V,V,A,=U,AO,=,11=,1,V,V,B,=U,BO,=-11=-1 V,I,电流,I,1mA,U,AB,=V,A,V,B,=2 V,U,AB,=,V,A,V,B,=2 V,V,A,=U,AB,=,12=,2,V,V,O,=U,OB,=11=1 V,解：,设,B,为参考点，即,V,B,=0V,结论：,(1),电位值是相对的，参考点选取的不同，电路中 各点的电位也将随之改变；,(2),电路中两点间的电压值是固定的，不会因参考 点的不同而变，,即与零电位参考点的选取无关。,借助电位的概念可以简化电路作图,b,c,a,20,4A,6,10A,E,2,90V,E,1,140V,5,6A,d,+90V,20,5,+140V,6,c,d,例,1,1,1:,图示电路，试计算,电路 中,B,点的电,V,B,V,B,=V,A,-R,1,I,=9-10=-1V,解：电流,R,1,=,100k,+9V,V,B,I,A,R,2,=,50k,B,-6V,=,I,V,A,-,V,B,R,1,+R,2,=,9-(-6),100+50,=0.1mA,B,R,1,=,100k,R,2,=,50k,9V,A,6V,O,-,+,+,-,C,4,、电动势,电动势,E,:,电源力移动单位正电荷所作的功。,实际方向：由,低电位端指向高电位端。,单 位：,kV,、,V,、,mV,、,V,5,、电能和电功率,电能,A,=UQ=,UIt,电功率,P,=A/t=UI,单位,：,瓦特（,W,）,千瓦（,KW,）,电源与负载的判别,U,、,I,参考方向不同，,P,=,UI,0,，,电源,；,P,=,UI,0,，,负载,。,U,、,I,参考方向相同，,P,=,UI,0,，,负载,；,P=UI,0,，,电源,。,1.,根据,U,、,I,的,实际方向判别,2.,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）,。,例,1,1,2,某电路中的一段支路含有电源，如图,1,1,（,a,）,所示，支路电阻为,R,0,=0.6,，,测得该电路的端电压为,230V,，,电路中的电流,I,5A,，,并有关系,U,E,R,0,I,，试,求：,（,1,）此有源支路的电动势；,（,2,）此有源支路在电路中是属于电源性质还是负载性质？,（,3,）写出功率平衡关系式。,解,：,（,1,）,因为,U=E,R,0,I,所以,E=U+R,0,I,=,（,230,0.6,5,）,233V,R,0,E,U,I,（,2,）,由于,E,U,I,的实际方向如 图所 示。即,U,与,I,的实际方向相反，属于电源性质。,（3）,P,E,EI 233,51165W,P UI 230,51150 W,P,I,2,R,5,2,0.6 15,W,功率平衡关系式,P,E,P,P,1,2,电路的状态和电气设备的额定值,电路有空载、短路和负载三种状态。,特征,:,一、电路的状态,（,1,）,电路中的,电流为零，即：,I=0,（,2,）,电源的端电压等于电源的电动势,即：,U,1,=,E,IR,0,E,（,3,）,电源的功率,P,1,和负载所吸收的功率,P,2,均为零。,+,-,I,R,o,R,E,U,1=,U,oc,+,-,B,D,A,C,+,-,U,2,1,、空载状态,电源外部端子被短接,2.,短路状态,1.,短路处的电压等于零；,U,=0,2.,短路处的电流,I,视电路情况而定。,电路中某处短路时的特征,:,I,+,U,有,源,电,路,I,SC,I,E,R,0,R,+,-,U,0,+,-,+,-,U,2,B,D,A,C,特征,:,0,SC,R,E,I,I,=,=,U,2,=,0,P,E,=I,2,SC,R,0,P,=,0,开关闭合,接通电源与负载。,U,1,=,E,IR,o,特征,:,3.,负载工作,UI,=,EI,I,R,o,P,=,P,E,P,负载,取用,功率,电源,产生,功率,内阻,消耗,功率,（1）,（2）,B,D,+,-,I,R,o,R,E,U,1,+,-,A,C,+,-,U,2,(3),R,R,E,I,+,=,0,负载大小的概念,:,负载大小指负载电流或功率的大小，而不是电阻的大小。,二、电气设备的额定值,额定值,:,电气设备在正常运行时的规定使用值,电气设备的三种运行状态,欠载,(,轻载,),：,I I,N,，,P I,N,，,P P,N,(,设备易损坏,),额定工作状态（满载）：,I=I,N,，,P=P,N,(,经济合理安全可靠,),1.,额定值反映电气设备的使用安全性；,2.,额定值表示电气设备的使用能力。,例：,灯泡：,U,N,=,220V,，,P,N,=,100W,电阻：,R,N,=,100,，,P,N,=,1 W,例题,1,2,2,某直流电源的额定功率为,200W,，,额定电压,50V,，,内阻,0.5,，,负载电阻可以调节，如图,2,6,所示,试求：,（,1,）额定状态下的电流及负载电阻；,（,2,）空载状态下的电压；,（,3,）短路状态下的电流。,E,I,R,0,解,（,1,）,（2）,（3）,1,3,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。,一、,基尔霍夫电流定律,(,KCL,定律,),定律,:,在任一瞬间，通过电路中任一结点的各支 路电流的代数和恒等于零。,即：,K,=0,实质,:,电流连续性的体现。,对结点,a,：,I,1,+,I,3,=,I,2,+,I,4,或,I,1,+,I,3,I,2,I,4,=0,基尔霍夫电流定律,（,KCL,）,反映了电路中任一结点处各支路电流间相互制约的关系。,I,1,R,4,I,2,b,a,R,3,+,-,U,S3,R,1,U,S1,+,-,R,2,I,4,I,3,例,：,电流定律可以推广应用于包围部分电路的任一假设的闭合面。,推广,例,1-3-2,广义结点,I,b,+,I,c,=,I,e,c,b,e,I,c,I,e,I,b,例,1-3-1,A,系统,B,系,统,I,1,I,2,I,1,I,2,=0,定律,:,在任一瞬间，沿任一回路循行方向，回路中各段电压的代数和恒等于零。,二、,基尔霍夫电压定律（,KVL,定律,),即：,U,K,=0,回路：,由支路组成的闭合路径,。,U,S1,B,A,C,I,2,+,+,-,-,U,S2,R,1,R,2,R,3,I,1,I,3,回路方向,即：,-U,S1,+I,1,R,1,-I,2,R,2,+U,S2,+I,3,R,3,=0,图中回路,ABCA,：,U,AB,+U,BC,+U,CA,=0,1,列方程前,标注,回路循行方向；,电位升,=,电位降,E,2,=,U,BE,+,I,2,R,2,U,=0,I,2,R,2,E,2,+,U,BE,=0,2,应用,U,=0,列方程时,，,项前符号的确定：,如果规定电位降取正号，则电位升就取负号。,3.,开口电压可按回路处理,注意：,1,对回路,1,：,E,1,U,BE,E,+,B,+,R,1,+,E,2,R,2,I,2,_,试决定图示的晶体管电路,U,cb,、,U,be,和,U,ce,之间的关系。,c,b,e,U,ce,U,cb,U,be,解：,由于电压,U,cb,、,U,ce,、,U,be,构成一个虚拟回路，各级间的电压满足基尔霍夫电压定律。,例133,即：,-U,cb,+U,ce,U,be,=0,例134,图示电路中，已知,U,S1,=23V,，,U,S2,=6V,，,R,1,=10,，,R,2,=5,，,R,3,=8,，,R,4,=10,，,R,5,=4,，,R,6,=7,，,R,7,=1,。,试求电压,U,AB,。,解：,I,4,I,3,+,-,U,S,2,+,-,R,3,R,1,U,S1,R,4,R,5,R,7,R,6,R,2,D,C,A,B,+,+,+,+,-,-,-,-,U,DC,U,CB,U,DA,U,AB,I,5,1-4,理想电路元件及实际电源的两种电路模型,一、,理想电路元件,理想电路元件,理想电阻元件、理想电感元件、理想电容元件和理想电压源、理想电流源。,1,、电阻元件,R,u,i,u=,Ri,u,i,o,伏安特性,伏安特性是直线的电阻为,线性电阻。,电阻的单位：,、,K,、,M,电阻元件总是消耗电功率，故电阻是,耗能元件。,2,、,电感元件,描述线圈通有电流时产生磁场、储存磁场能量的性质。,L,电感元件,+,-,e,L,+,-,电压、电流、电动势的参考方向如图，则有：,u=-,e,L,t,i,L,d,d,-,=,电感元件两端的电压，与电流的变化率成正比。电流变化越快，,u,和,e,L,也越大。,在直流电路中，因,d,i,/d,t,=0,e,L,=0;,u=0,电感元件相当于短路。,单位：,H,、,mH,、,H,电感元件储能,根据基尔霍夫定律可得：,将上式两边同乘上,i,，,并积分，则得：,即,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,。故,电感元件为储能元件。,磁场能,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。,u,i,C,+,_,电容元件,当电压,u,变化时，在电路中产生电流,:,3.,电容元件,电容器极板上储存的电量,q,，,与外加电压,u,成正比。,即：,q=Cu,电容元件通过的电流与电压的变化率成正比。电压变化越快,i,也越大。,在直流电路中,i=0,电容元件相当于,开路,。,电容元件储能,将上式两边同乘上,u,，,并积分，则得：,即,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。,故,电容元件为储能元件。,电场能,根据：,4,、理想电压源（恒压源）,伏安特性,I,U,U,S,O,特点,:,(2),输出电,压是一定值，恒等于电动势。,对直流电压，有,E,U,。,(3),恒压源中的电流,I,由外电路决定。,I,U,S,+,_,U,+,_,R,L,(1),内阻,R,0,=0,5,、理想电流源（恒流源,),(2),输出电,流是一定值，,I,=,I,S,；,(3),恒流源两端的电压,U,由外电路决定。,特点,:,(1),内阻,R,0,=,；,伏安特性,U,I,I,S,O,R,L,I,I,S,U,+,_,求图示电路中理想电流源的端电压和功率。,解：,例141,5,2A,6V,U,恒流源两端的电压,U,由外电路决定。,故：,U=(2 5+6)=16V,P=-16 2=-32W,理想电流源的电流方向与端电压方向不一致，故,功率是负值，表示电流源是提供功率。,二、实际电源的两种电路模型,1 .,电压源,模型,(a),电压源模型与外电路的连接,(b),伏安特性,若,R,0,R,L,，,I,I,S,，,可近似认为是理想电流源。,（,a,）,电流源模型与外电路的连接,U,+,R,0,R,0,U,I,S,I,S,U,I,O,I=U/R,0,I,U,OC,=R,0,I,S,U,当电流源模型开路时，,I=0,此时,U,OC,=I,S,R,0,。,当电流源模型短路时，,U=0,此时,I=I,S,。,3.,电压源模型与电流源模型的,等效变换,由图,a,：,U,=,U,s,IR,0,由图,b,：,U,=,I,S,R,0,IR,0,(a),电压源,I,R,L,R,0,+,U,S,U,+,等效变换条件,:,U,S,=,I,S,R,0,R,0,U,S,I,S,=,R,L,R,0,U,R,0,U,I,S,I,+,(b),电流源,（,2,）,变换时两种电源模型,的极性必须一致。,（,3,）,理想电压源与理想电流源不能进行这种等效变换。,注意事项：,（,1,）,任何一个电动势,U,S,和某个电阻,R,0,串联的电路，都可化为一个,电流为,I,S,和这个电阻并联的电路。它们是同一电源的两种不同电路模型。,U,S,R,0,+,a,b,I,S,R,0,a,b,R,0,+,U,S,a,b,I,S,R,0,a,b,I,+,U,R,+,-,U,S1,R,1,R,2,+,-,U,S2,（a）,R,R,1,I,S1,U,+,R,2,I,S2,I,例142,设有两台直流发电机并联工作，共同供给,R,24,的电阻。其中一台的,U,S1,=130V,R,1,=1,；,另一台,U,S2,=117V,R,2,0.6,。,试求负载电流,I,。,解：,(b),I,S,R,0,R,+,_,U,I,（C）,