电工学电工技术.ppt

1、电工学电工技术,物理科学与技术系 张成强,1.1电路及电路模型 1.2克希荷夫定律及其应用 1.3电路基本分析方法 1.4非线性电阻电路,教学基本要求,分析与思考题,练习题,第一章 直 流 电 路,返回主页,教学基本要求,1. 了解电路的作用和组成。 2.理解电路基本物理量的意义。 3.了解电路的通路、开路和短路状态。理解额定值、功率平衡的概念。 4. 理解参考方向和关联参考方向的意义。 5. 了解电路模型的概念。理解理想电阻元件耗能、理想电压源的恒压和理想电流源的恒流特性。 6. 理解电路的基尔霍夫定律。 7. 掌握用支路电流法、叠加定理和等效电源定理分析电路的方法。 8. 了解非线性电阻元

2、件的伏安特性及静态和动态电阻的概念。了解非线性电阻电路图解分析法。,返回,一、电路的作用和组成,电路电流流通的路径。,返 回,下一页,上一页,下一节,1.1电路及电路模型,电路的作用,返回,下一页,上一页,下一节,3,电路的组成,返回,下一页,上一页,下一节,电源：,负载：,中间环节 ：,简单照明电路, 内电路, 外电路,电路：又称电网络，简称网络。,分二端网络、三端网络、四端网络等，,或无源网络和有源网络。,还可称系统。,二、电路的基本物理量,1. 电流,2. 电位,单位时间内通过电路某一横截面的电荷量。,单位：安培（A）,电流方向：规定为正电荷运动的方向。,内电路：电源负极正极,外电路：电

3、源正极负极,I,电场力将单位正电荷从电路某一点移至参考点消耗的电能。用V 表示。单位：伏特（V）。,返回,下一页,上一页,下一节,上一节,当电源有一个极接地时，省略电源，用不接地极的电位代替之。,电源简化画法：,返回,下一页,上一页,下一节,上一节,4. 电动势,3. 电压,E,电场力将单位正电荷从电路某一点移至另一点消耗的电能。用U 表示。单位：伏特（V）。,电压：两点的电位差。如Uab = Va - Vb,某点电位：该点与参考点的电压。,即Va=Va-Vo=Uao,电压方向：规定高电位低电位，即电位降低方向。,+,+,-,-,US,UL,电源中的局外力（非电场力）将单位正电荷从电源的负极移

4、至正极所转换而来的电能。用E 表示。单位：伏特（V）。,电动势方向：电源负极正极，即电位升高方向。,返回,下一页,上一页,下一节,上一节,5. 功率,返回,下一页,上一页,下一节,上一节,单位时间所转换的电能。 用P 表示。单位：瓦特（W）。,电源产生的电功率：PE = EI,电源输出的电功率：PS = USI,负载消耗（取用）的电功率：PL = ULI,6. 电能,时间t 内所转换的电功率。W = P t 单位：焦耳（J）。 工程上用千瓦时（kWh），1 kWh = 3.6106J。,已知：E1=4V，E2=6V，R1=2， R2=4， R3=2， 求：VA,解：,例1：,返回,下一页,上一

5、页,下一节,上一节,例2: 图示电路，计算开关S 断开和闭合时A 点 的电位VA,解: (1)当开关S断开时,(2) 当开关闭合时,电路 如图（b）,电流 I2 = 0， 电位 VA = 0V 。,电流 I1 = I2 = 0， 电位 VA = 6V 。,电流在闭合 路径中流通,返回,下一页,上一页,下一节,上一节,三、电路的状态,（一）通路,返回,下一页,上一页,下一节,上一节,电路的状态 通路,电源的状态 有载,额定值：电气设备工作时，其电压、电流和功率均有一定限额，表示了电气设备的正常工作条件和工作能力。,通路,功率平衡：PE = PL,欠载(轻载)： I IN ，P PN (不经济),

6、过载(超载)： I IN ，P PN (设备易损坏),额定工作状态： I = IN ，P = PN (经济合理安全可靠),（二）开路,开路：某部分电路与电源断开，该部分电路中没有 电流，亦无能量的输送和转换。,开路的特点:,开路,返回,下一页,上一页,下一节,上一节,（三）短路,短路：某部分电路的两端用电阻可以忽略不计的导线或开关连接起来，使得该部分电路中的电流全部被导线或开关所旁路。,短路的特点:,短路,I 视电路而定,有 源 电 路,U 0 P = 0,返回,下一页,上一页,下一节,上一节,四、电路中的参考方向,电 流：正电荷定向移动方向,电动势：低电位（“-”极性）高电位（“+”）,电

7、压：高电位（“+”极性）低电位（“-”）,为便于分析和计算，规定：,电位升高的方向,电位降低的方向,返回,下一页,上一页,下一节,上一节,参考方向 一种分析方法,在复杂的直流电路中，电压和电流的实际方向往往是无法预知的，且可能是待求的；而在交流电路中，电压和电流的实际方向是随时间不断变化的。这时给它们假定一个方向作为电路分析和计算时的参考，这些假定的方向称为参考方向或正方向，标注在电路图上。,关联参考方向,注意：取值有正有负。,返回,下一页,上一页,下一节,上一节,五、理想电路元件,理想无源元件,理想有源元件,返回,下一页,上一页,下一节,上一节,由实际电路元件组成的电路称为电路实体。,可将电

8、路实体中各个实际的电路元件都用表征其主要物理性质的理想电路元件代替。,用理想电路元件组成的电路称为电路实体的电路模型。,理想电压源,（一）理想有源元件,进入理想无源元件,理想电流源,本身功耗忽略不计， 只起产生电能的作用,理想电源元件的两种工作状态,返回,下一页,上一页,下一节,上一节,返回理想有源元件,1.理想电压源（恒压源）,特点,返回,下一页,上一页,下一节,上一节,电压源：,实际电源电动势与其内阻串联构成的一段电路。,电流源：,定值电流与内阻并联构成的一段电路。,返回,下一页,上一页,下一节,上一节,返回理想有源元件,1.理想电压源（恒压源）,特点,返回,下一页,上一页,下一节,上一节

9、,输出电压是由它本身确定的定值，与输出电流和外电路情况无关。 输出电流不是定值，与输出电压和外电路情况有关。,凡是与恒压源并联的元件电压为恒定电压。,返回理想有源元件,.理想电流源（恒流源）,特点,返回,下一页,上一页,下一节,上一节,返回理想有源元件,.理想电流源（恒流源）,输出电流是由它本身确定的定值，与输出电压和外电路情况无关。 输出电压不是定值，与输出电流和外电路情况有关。,特点,返回,下一页,上一页,下一节,上一节,凡是与恒流源串联的元件电流为恒定电流。,3理想有源元件的两种工作状态,返回,下一页,上一页,下一节,上一节,电源：实际电流从电源电压的“+”极性端流出，产生电功率；,负载

10、：实际电流从电源电压的“+”极性端流入，消耗电功率。,例：,U1=9V，I= -1A，R=3。判断元件1、2分别是电源还是负载？,电流从元件1的电压U1“+”端流入，故元件1为负载；,电流从元件2的电压U2“+”端流出，故元件2为电源。,解：,实际电源的模型,返回,下一页,上一页,下一节,上一节,理想电阻元件 （电阻）,（二）理想无源元件,理想电容元件 （电容）,理想电感元件 （电感）,进入理想有源元件,返回,下一页,上一页,下一节,上一节,（二）理想无源元件,返回理想无源元件,1.理想电阻元件,返回,下一页,上一页,下一节,上一节,A,B,C,定义,物理量关系,实物,（二）理想无源元件,返回

11、理想无源元件,1.理想电阻元件,返回,下一页,上一页,下一节,上一节,A,B,C,定义,物理量关系,实物,R,电路中消耗电能的元件,是单一参数元件,线性元件,电阻,（二）理想无源元件,返回理想无源元件,1.理想电阻元件,返回,下一页,上一页,下一节,上一节,A,B,C,定义,物理量关系,实物,R,R = u / i,在直流电路中， R = U / I,单位：欧姆（）,u,i,P = UI = U2/R = RI2,电阻,（二）理想无源元件,返回理想无源元件,1.理想电阻元件,返回,下一页,上一页,下一节,上一节,A,B,C,定义,物理量关系,实物,（二）理想无源元件,返回理想无源元件,.理想电

12、容元件,返回,下一页,上一页,下一节,上一节,返回理想无源元件,返回,下一页,上一页,下一节,上一节,（二）理想无源元件,3理想电感元件,例 图示直流电路已知理想电压源的电压 US3 V，理想电流源的电流 IS = 3 A，电阻 R = 1 。求 （1）理想电压源的电流和理想电流源的电压； （2）讨论电路的功率平衡关系。,返回,下一页,上一页,下一节,上一节,1.2电路及电路模型,基尔霍夫定律是分析计算电路的基本定律， 又分为：,基尔霍夫电压定律,基尔霍夫电流定律,返回,下一页,上一页,下一节,上一节,（一）基尔霍夫电流定律（KCL）,返回,下一页,上一页,下一节,上一节,24a25,基尔霍夫

13、电流定律的推广应用,返回,下一页,上一页,下一节,上一节,IC+ IB - IE0,I =?,I = 0,例 1 图示的部分电路中，已知 I13 A，I45 A，I58 A，试求I2、I3和I6。,返回,下一页,上一页,下一节,上一节,（二）基尔霍夫电压定律（KVL）,返回,下一页,上一页,下一节,上一节,基尔霍夫电流定律,返回,下一页,上一页,下一节,上一节,选择环行方向,电位升 = 电位降,US1 + U2 US2 U1 0,在电路的任何一个回路中，沿同一方向环行，同一瞬间电压的代数和等于零。,即：u = 0 ， 在直流电路中 U = 0 ，或E=RI 。,正负号确定：沿环行方向，电位降为

14、+，电位升为 - ；,沿环行方向，E、I的方向与环行方向相同为+，相反为 - 。,US1 + U2 = US2 + U1,基尔霍夫电压定律的推广应用,基尔霍夫电流定律,返回,下一页,上一页,下一节,上一节,可将 KVL 推广应用 于任何一个假想闭合的 一段电路,RIUE 或 RIUUS 0,即：E =RI U,U与环行方向相同取+，相反取 - 。,例 已知：Us1 =30V， Us2 =80V，R1 =10k， R2=20k， I1 =3mA， I2 =1mA， 求：I3、U3，说明元件3是电源还是负载，校验功率平衡。,解：,KCL：,KVL：,电流从元件3的“+”流出，为电源。,电流从1“+

15、”流入，为负载；电流从2“+”流出，为电源。,电源发出功率：,负载取用功率：,故功率平衡,返回,下一页,上一页,下一节,上一节,1.3电路基本分析方法,一、支路电流法,（1）分析电路结构，确定支路数，选择各支路电流的参考方向。,支路数为 b = 3。,（2）确定结点数，列出独立的结点电流方程式。,返回,下一页,上一页,下一节,上一节,结点数为 n，则可列出 n-1 个独立的结点方程式。,（3）确定余下所需的方程式数，列出（b-n+1）个独立的回路电压方程式（也可以用网孔）。,（4）解联立方程式，求出各支路电流的数值。,例1：写出所有独立的节点电流方程和回路电压方程。,解：,4个结点，6条支路，

16、3个网孔。,返回,下一页,上一页,下一节,上一节,1,2,3,(1)应用KCL列(n-1)个结点电流方程,支路数 b=6， 要列6个方程。,(2)应用KVL选网孔列回路电压方程,(3) 联立解出 IG,支路电流法是电路分析中最基本的方法之一，但当支路数较多时，所需方程的个数较多，求解不方便。,例2：,对结点 a： I1 I2 IG = 0,对网孔abda：IG RG I3 R3 +I1 R1 = 0,对结点 b： I3 I4 +IG = 0,对结点 c： I2 + I4 I = 0,对网孔acba：I2 R2 I4 R4 IG RG = 0,对网孔bcdb：I4 R4 + I3 R3 = E,

17、试求检流计中的电流IG。,RG,返回,下一页,上一页,下一节,上一节,例3：,已知：US1、US2、R1、R2、R3、IS 求：I1、I2、I3,解：,2个节点，4条支路，但其中一个支路电流已知为IS，故列3个方程即可。,返回,下一页,上一页,下一节,上一节,注意： (1) 当支路中含有恒流源时，若所选回路中不含恒流源，则有几条支路含有恒流源，可少列几个KVL方程。,(2) 若所选回路中含恒流源，因恒流源两端的电压未知，有一个恒流源就出现一个未知电压，此情况下不可少列KVL方程。,二、叠加定理,定理内容,返回,下一页,上一页,下一节,上一节,在含有多个电源的线性电路中，任一支路的电流和电压等于

18、电路中各个电源分别单独作用时在该支路中产生的电流和电压的代数和。,叠加定理只适用于线性电路,使用要领,1. 当某一电源单独作用时，应令其他电源中 US0，IS0， 即应将其他理想电压源短路、其他理想电流源开路。,返回,下一页,上一页,下一节,上一节,使用要领,2. 叠加时，各个电源单独作用时的电流和电压分量的参考方向与总电流和电压的参考方向一致时取正号，相反时取负号。,返回,下一页,上一页,下一节,上一节,使用要领,3. 叠加定理只能用来分析和计算电流和电压，不能用来计算功率。,返回,下一页,上一页,下一节,上一节,若某电阻上电流 I =I+I,则 P = RI2 = R(I+I)2 R I2

19、 + R I2,例 图示电路中已知US10 V，IS2 A，R14 ， R21 ， R35 ， R43 ， 试用叠加原理求通过理想电压源的电流 I5和理想电流源两端的电压U6。,返回,下一页,上一页,下一节,上一节,解,理想电压源单独作用时：,返回,下一页,上一页,下一节,上一节,理想电流源单独作用时：,例 图示电路中已知US10 V，IS2 A，R14 ， R21 ， R35 ， R43 ， 试用叠加原理求通过理想电压源的电流 I5和理想电流源两端的电压U6。,解,返回,下一页,上一页,下一节,上一节,二电源共同作用时：,例 图示电路中已知US10 V，IS2 A，R14 ， R21 ， R

20、35 ， R43 ， 试用叠加原理求通过理想电压源的电流 I5 和理想电流源两端的电压U6。,解,三、等效电源定理,返回,下一页,上一页,下一节,上一节,1.电路分解：待求支路和 有源二端网络；,2.有源网络化简为理想电源；,3.理想电源和待求支路合并为简单电路。,（一）戴维宁定理,返回,下一页,上一页,下一节,上一节,戴维宁定理解题的步骤：,（1）将复杂电路分解为待求支路和有源二端网络 两部分；,（2）画有源二端网络与待求支路断开后的电路， 并求开路电压U0C , 则Ues = U0C；,（3）画有源二端网络与待求支路断开且除源后的 电路，并求无源网络的等效电阻R0；,（4）将等效电压源与待

21、求支路合为简单电路，用 欧姆定律求电流。,返回,下一页,上一页,下一节,上一节,例 1 图示电路中已知 US18 V，US25 V， IS3 A，R12 ， R25 ，R32 ，R48 ，试用戴维宁定理求通过 R4 的电流。,返回,下一页,上一页,下一节,上一节,例2 用戴维宁定理求 I 。,解：,待求支路与二端网络断开 后，求Ues 。,除源网络求RO 。,原电路变成简单电路，求I。,返回,下一页,上一页,下一节,上一节,解：,例3 用戴维宁定理求 I 。,2电阻与恒流源串联不起作用，可除去（短路）；,5电阻与恒压源并联不起作用，可除去（断路）。,返回,下一页,上一页,下一节,上一节,例4:

22、 用戴维宁定理求 I 。,解：,返回,下一页,上一页,下一节,上一节,例5 用戴维宁定理求 I 。,解：,返回,下一页,上一页,下一节,上一节,例6,已知：R1=5 、 R2=5 R3=10 、 R4=5 E=12V、RG=10 试用戴维宁定理求检流计中的电流IG。,有源二端网络,RG,返回,下一页,上一页,下一节,上一节,解: (1) 求开路电压Uoc,Ues = Uoc = I1 R2 I2 R4 = 1.2 5V0.8 5 V = 2V,或：Ues = Uoc= I2 R3 I1R1 = 0.8 10V1.2 5 V = 2V,(2) 求等效电源的内阻 R0,从a、b看进去，R1 和R2 并联，R3 和 R4 并联，然后再串联。,返回,下一页,上一页,下一节,上一节,(3) 画出等效电路，求检流计中的电流 IG,返回,下一页,上一页,下一节,上一节,（二）诺顿定理,返回,下一页,上一页,下一节,上一节,诺顿定理解题的步骤：,（1）将复杂电路分解