电工技术教学件.pptx
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1、电工技术王维荣主讲 课程性质 电工技术”和“电子技术”是高等学校理工科非电类专业本科学生的一门传统的技术基础课,也是充满改革生气的最有活力的课程。随着20世纪90年代的可编程控制器的兴起,进入21世纪后许多高校均在电工、电子教材中引入了电子设计自动化(Electronics Design Automation,简称EDA)技术,为非电类专业 的工程技术人才掌握和应用EDA技术创造了条件。内容本教材分电工技术与计算机仿真(内容包括电路的基本理论和分析方法、EDA基础知识、磁路与变压器、电动机的原理及应用、继电器接触器控制和可编程控制器(PLC)等)和电子技术与计算机仿真(内容包括模拟电子电路、数
2、字电子电路、电路的设计与仿真等)两册,各48学时,两学期完成。学时安排第1章电路的基本概念和分析方法 8-10学时;第2章正弦交流电路 7-8学时;第3章三相正弦交流电路 4-5学时;第4章一阶线性电路的暂态过程分析 4-5学时;第5章磁路和变压器 2-4学时;第6章交流异步电动机 4-6学时;第7章继电接触器控制电路 2-4学时;第8章可编程控制及其应用 4-6学时。几个关系与先修课程的关系-物理、高数与实验实习的关系-基本技能、动手能力与习题和仿真分析的关系-消化巩固知识、提高分析问题解决问题能力与教材的关系-服从大纲,参考教材:电工技术(秦曾煌 高教出版社)、电工学(唐介 高教出版社)学
3、习、检查方式听课和课堂讨论-10%习题-20%笔试考查-70%(第13周周五下午进行)实验-独立设课1个学分(20学时)实习-独立设课1个学分(2周)答疑时间-每周周一中午、下午。地点:教师休息室B218(E-mail:)第第1章章 电路的基本概念和分析方法电路的基本概念和分析方法1.1 电路与电路模型电路与电路模型什么叫电路:电流流通的路径。电路的作用:(1)用在电力工程中,用以传输与分配 电能;(2)用在电子技术和控制技术中,用以传递和处理各种信息。电路的组成:(1)电源-为电路提供电能的元件,如发电机、蓄电池和电池等 (2)负载-将电能转换为其他形式能量的元件,如电动机、电炉、电灯等 (
4、3)中间环节-是连接电源和负载的部分,如变压器、输电线等,它起传输和分配电能的作用 电路分析:分析电路的激励与响应之间的关系。激励-电源或信号源产生的电压或电流 响应-由激励在电路各部分产生的电压和电流电路元件和电路模型电路元件:组成电路的电气设备和器件。发电机、电动机、电池、变压器、晶体管、电阻器、电容器等均为电路中常见的电路元件-实际元件 理想元件-对各种实际元件进行分析和数学描绘,常采用将其理想化的处理 电路模型:由理想电路元件所组成的电路就是实际电路的电路模型 实际电路的电路模型 1.2 电流、电压、电位 是描述电路中能量转换和信号传递、处理的基本物理量是描述电路中能量转换和信号传递、
5、处理的基本物理量.1.2.1 1.2.1 电流电流 电流电流-电荷的定向运动形成电流。电荷的定向运动形成电流。方向方向-物理中把正电荷运动的方向规定为电流物理中把正电荷运动的方向规定为电流的方向。在负载中电流的方向总是由高电位流向低电位;的方向。在负载中电流的方向总是由高电位流向低电位;在电源中则为从低电位流向高电位。在电源中则为从低电位流向高电位。大小大小-为单位时间内通过导体截面积的电量,为单位时间内通过导体截面积的电量,即即时变电流为 (1.1)非时变电流为 (1.2)1.2.2 电位 电位:电场中某一点的电势,它在数值上等于电场力把单位正电荷从电场中某点移到无限远处所做的功.电场无限远
6、处的点认为其电位为零,通常称之为参考点,并且标上接地符号“”,所谓“接地”并非真与大地相接.电路中a 点的电位记作 1.2.3电压电压也是描述电场力做功的物理量,也称电位差 电路中、两点之间的电压表示为单位正电荷由点a移动到点b所需要的能量,即 电压和电动势的方向电压和电动势的方向电压的方向:规定为高电位端指向低电位端,也就是电位降低的方向。电源电动势E:为电源力驱动单位正电荷的能力,其实际方向规定为在电源内部由低电位端指向高电位端,也就是电位升高的方向。1.2.4 物理量的正方向物理量的正方向电路中电流、电压等基本物理量的正方向分为实际正方向和假设正方向。实际正方向是物理中对电量规定的方向;
7、假设正方向是在分析计算电路时,对电量人为规定的方向,假设正方向又称为参考正方向。电压、电流正方向表示法 电流和电压的假设正方向可任意设定,可以一致,也可以不一致,如果一致,称为关联参考方向,如不一致,称为非关联参考方向 1.2.5 电位的计算电位的计算计算电路中各点的电位基本原则:(1)选定电路中某一点作为参考点,规定参考点的电位为0,并用电路中 表示,(2)求电路中其他各点的电位就等于各点与参考点之间的电压。讨论该电路图中各点的电位 讨论该电路图中各点的电位 如果选定b点作为参考点,则,如果选定a点作为参考点的话,则结论(1)电路中某一点的电位等于该点与参考点(电位为0)之间的电压。(2)电
8、路中各点的电位值是相对值,它是相对于参考点而言的,参考点选得不同,电路中各点的电位也将随之改变。(3)电路中每两点间的电压值是绝对的,不会因为参考点的不同而发生改变。(4)电路中电位和电压值的大小与计算时所选路径无关。图1.7电路可以简化为图1.8所示电路 例例1.1 电路如图1.9所示,(1)试说明零电位参考点在哪里(2)仿真分析当电位器的滑动触点向下时VA 和VB 的电位的变化趋势和范围,说明原因例1.1的仿真分析图思考与仿真思考与仿真1.2为什么要引入电压、电流的参考方向的概念?参考方向和实际方向的联系和 区别?1.3什么是电位,它与电压的联系和区别?1.4试仿真分析图1.11电路中电压
9、UAB 的大小。如将AB两点直接连接或者接上一个1的电阻,其中的电流为多少,通过电位的计算说明原因。思考与仿真1.4的电路图电路中电压UAB 的大小思考与仿真1.5的电路图1.5求解图1.12所示电路中(1)当开关S打开时和(2)当开关S 闭合时,两种情况下流过1电阻上的电流I 及电压Uab 的大小。并且用电路仿真验证上述的计算结果。小小 结结 1.1.本章是学习电工学的重要基础本章是学习电工学的重要基础,要熟练掌握介绍要熟练掌握介绍的一些基本概念、基本定律和基本分析方法。的一些基本概念、基本定律和基本分析方法。2.2.物理量的正负向是电路求解过程中的一个重要问物理量的正负向是电路求解过程中的
10、一个重要问题题,解题前一定要首先假设各物理量的正方向解题前一定要首先假设各物理量的正方向,然然后求解。后求解。3.3.掌握各无源元件和有源元件的特性和它们在电路掌握各无源元件和有源元件的特性和它们在电路中的作用。中的作用。4.4.熟练掌握本章介绍的各种解题方法熟练掌握本章介绍的各种解题方法,注意区分各注意区分各种方法的特点种方法的特点,能合理、灵活使用各种方法解题,能合理、灵活使用各种方法解题,并能结合计算机仿真进行分析。并能结合计算机仿真进行分析。1.1试求图试求图1.76所示电路所示电路A点的点的电位。电位。1.101.10在图在图在图在图1.841.84所示电路中,所示电路中,所示电路中
11、,所示电路中,RR1=4 ,1=4 ,RR2=2 2=2,求下列,求下列,求下列,求下列三种情况下的电流三种情况下的电流三种情况下的电流三种情况下的电流I I:(:(:(:(a a)I IS S=6A,=6A,U US S=0V;(b)=0V;(b)I IS S=0A,=0A,U US S=12V;(c)=12V;(c)I IS S=6A,=6A,U US S=12V;=12V;1.19 1.19 在图在图在图在图1.921.92所示电路中,所示电路中,所示电路中,所示电路中,用诺顿定理求流过用诺顿定理求流过用诺顿定理求流过用诺顿定理求流过 的电流的电流的电流的电流 。1.3 电功率电功率电功
12、率-电路中,电气设备在单位时间内所消耗的电能电路元件在一段时间内消耗的电能用W表示,电路中发生的总功率和消耗的总功率相等 即 判别某一元件是吸收还是发出功率,是电源还是负载:电源:U和I的实际方向相反,电流从“+”端流出,发出功率。负载:U和I的实际方向相同,电流从“+”端流入,取用功率。由 和 的参考正方向来确定电源或负载。如果假定某一电路元件上 和 为关联方向时,则电源:负载:如果假定 和 为非关联方向时,则电源:负载:思考与仿真思考与仿真1.6在图1.13所示电路中,方框代表电源或负载,电流和电压的参考方向如图所示.通过测量已知U1=U2=20V U3=-100V U4=120V,I1=
13、-10A,I2=20A,I3=-10A (1)标出各电压、电流的实际方向。(2)判断哪几个方框是电源,那几个方框是负载。(3)验证电路中的功率平衡关系。思考与仿真题1.9的电路图 方框代表电源或者负载。已知,U=100V,I=-2A。判断哪些方框代表电源,哪些方框代表负载?习习 题题1.1试求图试求图1.76所示电路所示电路A点的电位。点的电位。1.2.如图1.77所示示,求当开关“S”打开及合上二种情况下的VA和I13求图1.78所示电路中开关S闭合和断开两种情况下a、b、c三点的电位。R=11.4.1 电阻元件电阻元件是一种将电能转化为热能的理想电路元件,电流通过它时将受到阻力,R表示电阻
14、元件阻碍电流变化这一物理性质的参数 电阻元件中电压和电流的关系称为伏安特性。(a)线性电阻;(b)非线性电阻 当电路中 电路为开路状态,特征i=0 电路为短路状态,特征u=0。1.4.2 电感元件 电感元件是一种实现电能与磁场能量相互转换的理想的两端元件。电流产生磁场,磁通 是描述磁场的物理量。定义电感L 则线圈中感应电势 为磁通是由通过线圈的电流产生的,当线圈中没有铁磁材料时,则 与 是正比的关系,所以可知电感中电压和电流的关系为小结(1)电感是储存磁场能量的元件 (2)感应电势 具有阻碍电流变化的性质当电流变化率 时,感应电势为负值,是反电势。当 时,感应电势为正值,是正电势。(3)在直流
15、稳态电路中电感元件相当于短路。=0 1.4.3电容元件 电容元件是储存电荷的容器,可以将外部的电能转换为内部电场能量的储存。式中的比例系数C称为电容元件的电容量,是电容元件的参数,表征电容存储电荷能力的物理性质。电容的单位是法拉(F),工程上常用单位是 (微法)或 (皮法)。电容电流与电容电压的变化率成正比,与电压瞬时值的大小和方向均无关。如果电容两端的电压恒定不变,即 ,则 ,所以电容元件在直流电路中相当于断路。储能元件与电感元件相对应,电容从电源吸取能量并储存在电容的电场中。电容电压增加时,0 电容从电源吸取能量,电场能量增加,称之为电容充电过程。电容电压减小时,0,如计时起点在变化起点的
16、左边,则 0 电容从电源吸取能量,电场能量增加,称之为电容充电过程。电容电压减小时,0容性负载电流超前电压 0,两者相互补偿,使 角变小,cos 变大,从而提高整个线路的功率因数。并联电容后电路的有功功率P不变 思考与仿真思考与仿真3.已知 (V),R=10,XL=10,XC=10,试仿真分析图3.35所示电路图中电流表A1,A2,A3的读数是多少?当电源的频率增加,各电流表的读数有何变化?若 (V),图2.36所示的四个电路中,图下所示电压、电流和阻抗的值是否正确?试仿真分析图中各电流表、电压表的读数。2.11 将一个电感线圈接到 直流电源时,通过的电流为 ,将此线圈改接在 的交流电源时,电
17、流为 ,求该线圈的电阻和电感。2.15试求下列各图中所示未知电压和电流的大小,并且画出各电压和电流的相量图。2.27如图2.67所示的电路中,已知:R=12,L=40mH,C=100F,电源电压 U=220V,f=50HZ。试求(1)各支路的电流和功率因数cos(2)如将功率因数提高到1,应选多大的电容。画出相量图。2.5阻抗的串并联阻抗的串并联2.5.1阻抗的串联例例2.4 计算图2.30所示电路的电流及电压 。已知 ,电压 (V)2.5.2阻抗的并联例例2.6 图2.33电路中,已知 (V),试求电源电压 ,u。2.6 电路中的谐振电路中的谐振在含有电感、电容和电阻的电路中,如果等效电路中
18、的感抗作用和容抗作用相互抵消,电路的总电压和总电流同相,=0整个电路显电阻性 谐振电路2.6.1串联谐振1.谐振条件:当 ,即 即电源电压和电路中电流 同相,这时电路中发生了谐振现象 2.谐振频率:称为谐振角频率,称为谐振频率 3.特征:发生串联谐振时,电路具有以下特性:(1)电路的阻抗模最小 谐振时电流最大(2)电路呈电阻性,电源提供的能量全部消耗在电阻上 ,但是在串联电路内部仍存在电感和电容之间的能量互换过程,由于电感和电容的无功功率互相补偿,而且大小相等,所以与电源之间无能量互换Q=0。(3)电路的总电压=电阻电压降 在相位上相反,数值上相等 ,它们的作用相互抵消,但是 和 的单独作用不
19、能忽视,当 R时,U都高于电源电压 (4)电路的品质因数 Q 电路的品质因数取决于电路的损耗电阻R,在电路谐振时,线圈的感抗和电容器的容抗相对于R 的比值越大,则电路的品质因数越高。(5)谐振曲线 RLC串联电路的谐振曲线是在保持电压一定的条件下,电流随频率或角频率变化的关系曲线 在其他条件不变的条件下,电阻越小,即电路的品质因数越大,谐振时 也越大,曲线的形状越尖锐,说明电路对频率的选择性越强。这种选择性可以用通频带宽度来加以比较。习题p.972.152.192.222.24第第3章章 三相正弦交流电路三相正弦交流电路3.1 三相电动势的产生三相电动势的产生一组有效值、频率相等,相位互差 的
20、三个电动势称为对称三相电动势 两个特征(1)三相电动势达到正的最大值的先后次序称为相序,顺相序 逆相序(2)对称三相电动势的相量和为零,瞬时值之和也为零。(3)绕组的星形连接和电压连接中点、零点和中线、地线相线、端线、火线三相四线制、三相三线制电压:相电压线电压思考与仿真思考与仿真1.当发动机的三相绕组连接成星形时,设线电压 (V),试写出相电压 的相量式和三角函数式。2.三相发动机作星形连接时,每一相绕组AX、BY、CZ的相电压都是220V,但在连接时有一相绕组首端和尾端倒接了,误将A、B和Z接在一点,试画出相量图分析还能产生三相对称电压吗?这时三个线电压分别是多少?3.2 三相电路的分析和
21、计算三相电路的分析和计算3.2.1星形连接的三相负载星形连接时负载的相电压等于电源的相电压 相电流线电流为中性线电流 思考与仿真思考与仿真1.三相负载对称是指下列三种情况中的哪一种:(1);(2);(3)。2.在对称三相电路中,下列两式是否正确?(1);(2)。例例3.1 图3.7所示对称三相电路中,已知电源的线电压 ,负载 求负载的相电压,相电流,线电流(及星形的中性线电流)。分别计算两种接法三相负载的总功率,例例3.2 图3.10所示电路为负载不对称时的星形连接,已知电源线电压为 ,。计算在开关S闭合及断开两种情况下的中性点电压、相电流、线电流及中性线电流。解解(1)开关S闭合,中性点电压
22、等于零,负载相电压与电源相电压相等,为对称三相电压,现设相电压为参考。各相电流为各线电流为中性线电流(2)开关S断开,中性点电压 由基尔霍夫电压定律,可求得负载各相电压为中线的作用就在于使星形连接的不对称负载的相电压保持 对称,而且中性线上不允许接开关或熔断器,以避免造成无中性线的三相不对称情况。习题p.1263.13.33.4(1)第第4章章 一阶线性电路的暂态过程分析一阶线性电路的暂态过程分析4.1换路定则换路定则 电路与电源接通、断开或电路参数、电路结构发生改变统称为换路。换路时电路从一种状态变化的另一种状态,产生了暂态过程。4.1.1产生暂态过程的原因产生暂态过程的原因有二个:一是电路
23、中有电感元件或电容元件,二是换路。4.1.2换路定则电路在换路瞬间,其中电容上的电压不能突变,电感上的电流不能突变,称为换路定则。用数学关系式表示换路定则,则有:4.1.3暂态过程中电路初始值与稳态值的确定初始值是指电路中暂态过程开始(t=0+)时刻电流和电压的值。换路后电路达到新的稳态后(t=)时刻的电流和电压的值称为稳态值。思考与仿真思考与仿真1.换路定则的理论基础是什么?2.可否由换路前的电路求 和?为什么。3.在含有储能元件的电路中,电容和电感什么时候可以看成开路?什么时候可以看成短路?4.仿真分析图4.3所示电路中 的 初始值和稳态值,已知开关K原来稳定在1的位置上,在t=0 时由1
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