电工学课件.ppt

电 工 学,电工学研究电工技术和电子技术 的理论及其应用的科学技术。,电工技术 （上册）,电子技术 （下册）,电路分析基础,磁路与电机,模拟电子技术,数字电子技术,大学工科各专业的技术基础课 电工理论是在实验基础上发展起来的一门学科 本课程具有理论与实践紧密结合的特点 是后续专业课程及以后从事工业技术的必要基础,课程的性质,考核方式,1、平时成绩：30,作业、出勤、课堂表现：10,实验：20,2、期终考试：70,第一章 电路的基本 概念、定律与分析方法,1.1 电路的基本概念,1.2 电路的基本元件,1.3 电路的基本状态和电气设备的额定值,1.4 电路中电位的概念及计算,1.6 电路的分析方法,1.5 基尔霍夫定律,1.了解电路模型及理想电路元件的意义； 2.理解电压与电流参考方向的意义；掌握电源 与负载的判别。 3. 理解电路的基本定律并能正确应用； 4. 了解电源的有载工作、开路与短路状态， 理解电功率和额定值的意义； 5. 掌握分析与计算电路中各点电位的方法。,本章要求:,§1.1 电路的基本概念,电路：电流所通过的路径。它是由电路元件按 一定方式组合而成的。,电路的作用一： 实现电能的传输和转换,一、电路的组成和作用,电源：将非电能转换成电能的装置，或提供电能的装置。 例如：发电机、干电池,负载：将电能转换成非电能的装置，或消耗电能的装置。 例如：电动机、电炉、灯,中间环节：连接电源和负载的部分，起传输和分 配电能的作用。例如：输电线路,电路的作用之二：传递和处理信号。,电路的组成：电源、负载、中间环节三部分,二、 电路模型,理想电路元件：在一定条件下，突出其主要电磁性能， 忽略次要因素，将实际电路元件理想化 （模型化）。 主要有电阻、电感、电容元件、电源元件。 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。,三、 电压和电流的参考方向,电路中物理量的方向,物理量的方向：,实际方向： 物理中对电量规定的方向。,参考方向： 在分析计算时，对电量人为规定的方向。,物理量的实际方向,电路分析中的参考方向,问题的提出：在复杂电路中难于判断元件中物理量 的实际方向，电路如何求解？,电流方向 AB？,电流方向 BA？,(1) 在解题前先设定一个方向，作为参考方向；,解决方法,(3) 根据计算结果确定实际方向： 若计算结果为正，则实际方向与假设方向一致； 若计算结果为负，则实际方向与假设方向相反。,(2) 根据电路的定律、定理，列出物理量间相互关 系的代数表达式；,例,已知：E=2V, R=1 问： 当U分别为 3V 和 1V 时，IR=?,E,R,a,b,+,_,(3) 为了避免列方程时出错，习惯上把 I 与 U 的方向 按相同方向假设。（关联参考方向）,(1) “实际方向”是物理中规定的，而“参考方向”则 是人们在进行电路分析计算时, 任意假设的。,(2) 在以后的解题过程中，注意一定要先假定物理量 的参考方向，然后再列方程 计算。 缺少“参考方向”的物理量是无意义的.,四、功率,做功的速率：,关联参考方向下,吸收功率 负载；,非关联参考方向下,发出功率 电源,1.1.3/7 图1.1.9中，哪些元件吸收功率，哪些元件提供功率，并求出吸收与提供的功率大小。,§1.2 电路元件,二端元件：,电阻 电感 电容 电压源 电流源,一、电阻元件 R :（单位：、k、M ）,线性电阻:电阻值与它所通过的电流 和所施加 的电压无关。即电阻值固定不变. 也可以说满足欧姆定律的电阻为线性电阻.,欧姆定律,关联参考方向下,非关联参考方向下,伏 - 安 特性,电导,单位S（西门子）,伏 - 安 特性,2.非线性电阻元件,二、电感元件 L：,单位电流产生的磁链 （单位：H, mH, H）,1. 电感中电流、电压的关系,2. 电感的功率和储能,关联方向下,三、电容元件 C :,单位电压下存储的电荷,（单位：F, F, pF）,1. 电容上电流、电压的关系,2. 电容的功率和储能,关联方向下,无源元件小结,理想元件的特性 （u 与 i 的关系）,L,C,R,关联参考方向,§1.3 电路的基本状态和电气设备的额定值,伏安特性（外特性）,1.3.1 电源有载工作 （开关合上）,1. 电压与电流 关系,R0«R时，UE,单位：w、Kw,式中： PE=EI-是电源产生的功率 P=R0I2-是电源内阻上所损耗的功率 P=UI-是电源输出的功率,2. 功率与功率平衡,3. 额定值与实际值,额定值概念：在实际电路中，电气设备的电压、电流 都有一个额定值，它是制造厂家综合考虑了用电设备的 工作能力、运行性能、经济性、可靠性及其使用寿命等 命等因素制定的。电路中通常以UN、IN、PN表示。 在使用时，电压、电流、功率的实际值不一定等于它 们的额定值。,1.3.2. 电源开路（开关断开）,I=0 U=U0=E P=0,PE=0 ， P=0,1.3.3. 电源短路,节点电位的概念：,§1.4 电路中电位的概念及计算,电压的概念：两点间的电压就是两点的电位差,某点电位值是相对的，参考点选得不同，电路中其它各点的电位也将随之改变； 电路中两点间的电压值是固定的，不会因参考点的不同而改变。,注意：电位和电压的区别,Uab=610=60V Uca=204=80V Uda=56=30V Ucb=140V Udb=90V,以a电为参考点 Vv-Va=Uba Vb=Uba=-60V Vc-Va=Uca Vc=Uca=+80V Vd-Va=Uda Vd=Uda=+30V,例,电位在电路中的表示法,参考电位在哪里？,（1）电路中某一点的电位等于该点与参考点（电位为零）之间的电压。 （2）参考点选的不同，电路中各点的电位值随着改变，但是任意两点间的电压值是不变的。所以各点电位的高低是相对的，而两点间的电压是绝对的。,电位小结,1.4.7/20 求开关断开和闭合两种状态下A点电位,§1.5 基尔霍夫定律（克希荷夫）,支路：ab、ad、 . （共6条）,回路：abda、 bcdb、 . （共7 个）,节点：a 、 b、c 、d (共4个）,例,1.5.1 基尔霍夫电流定律（KCL方程）,对任何节点，在任一瞬间，流入节点的电流等于由节点流出的电流。或者说，在任一瞬间，一个节点上电流的代数和为 0。,基尔霍夫电流定律的依据：电流的连续性,或：,电流定律还可以扩展到电路的任意封闭面。,闭合面；I1 +I2=I3,I=0,基尔霍夫电流定律的扩展,I=?,1.5.2 基尔霍夫电压定律（KVL方程）,对电路中的任一回路，沿任意绕行方向转一周，其电位升等于电位降。或，电压的代数和为 0。,例如： 回路 a-d-c-a,即：,或：,或,注：电动势参考方向与回路绕行方向相同时取正， 否则取负；电阻电流方向与绕行方向相同是取正， 否则取负。,基尔霍夫电压定律也适合开口电路。,例,+,_,§1.6 电路的分析方法,1.6.1 电路的等效化简,等效的概念,N1和N2等效,电阻串联,1. 定义: 若干个电阻元件一个接一个顺序相连, 并且流过同一个电流。,2. 等效电阻: Req=R1+R2+Rn=,电阻串并联的等效变换,3. 分压公式: 各段电压降与阻值成正比。,并且P1：P2=R1：R2,I,1. 定义: 若干个电阻都连接到同一对节点上,并 联时各电阻承受同一电压。,2. 等效电阻:,电阻并联,3. 分流公式:,即电流分配与电阻成反比.,功率P1:P2=R2:R1,电压源,伏安特性,电压源模型,电源的两种模型：电压源和电流源。,理想电压源 （恒压源）: RO= 0 时的电压源.,特点：(1）输出电 压不变，其值恒等于电动势。 即 Uab E；,（2）电源中的电流由外电路决定。,恒压源中的电流由外电路决定,设: E=10V,当R1 R2 同时接入时： I=10A,例,电流源,电流源模型,理想电流源 （恒流源): RO= 时的电流源.,特点：（1）输出电流不变，其值恒等于电 流源电流 IS；,（2）输出电压由外电路决定。,恒流源两端电压由外电路决定,设: IS=1 A,I,E,R,_,+,a,b,Uab=?,Is,原则：Is不能变，E 不能变。,电压源中的电流 I= IS,恒流源两端的电压,+,_,两种电源的等效互换,等效互换的条件：对外的电压电流相等。,I = I ' Uab = Uab',即：,等效互换公式,I,RO,+,-,E,b,a,Uab,则,+,_,电压源,等效变换的注意事项,注意转换前后 E 与 Is 的方向,(2),（不存在）,(4),进行电路计算时，恒压源串电阻和恒电流源并电阻两者之间均可等效变换。RO和 RO'不一定是电源内阻。,应 用 举 例,(接上页),R1,R3,Is,R2,R5,R4,I3,I1,I,(接上页),IS,R5,R4,I,R1/R2/R3,I1+I3,未知数：各支路电流,解题思路：根据基尔霍夫定律，列节点电流 和回路电压方程，然后联立求解。,1.6.2 支路电流法,解题步骤：,1. 对每一支路假设一未 知电流（I1-I6）,4. 解联立方程组,例1,节点a：,列电流方程(N-1),节点c：,节点b：,节点d：,b,a,c,d,（取其中三个方程）,列电压方程(B-N+1),b,a,c,d,是否能少列 一个方程?,N=4 B=6,R6,a,I3s,I3,例2,电流方程,支路电流未知数少一个：,支路中含有恒流源的情况,N=4 B=6,电压方程：,I3s,支路电流法小结,解题步骤,结论与引申,1,2,对每一支路假设 一未知电流,1. 假设未知数时，正方向可任意选择。,对每个节点有,1. 未知数=B，,4,解联立方程组,对每个回路有,根据未知数的正负决定电流的实际方向。,3,列电流方程：,列电压方程：,2. 原则上，有B个支路就设B个未知数。,（恒流源支路除外）,例外？,(N-1),2. 独立回路的选择：,已有(N-1)个节点方程，,需补足 B -（N -1）个方程。,一般按网孔选择,支路电流法的优缺点,优点：支路电流法是电路分析中最基本的方 法之一。只要根据基尔霍夫定律、欧 姆定律列方程，就能得出结果。,缺点：电路中支路数多时，所需方程的个 数较多，求解不方便。,支路数 B=4 须列4个方程式,1.6.3 结点电压法,节点电压方程的推导过程,（以下图为例）,I1,则：各支路电流分别为 ：,将各支路电流代入A、B 两节点电流方程， 然后整理得：,其中未知数仅有：UA、UB 两个。,节点电压法列方程的规律,以A节点为例：,方程左边：未知节点的电压乘上聚集在该节点上所有支路电导的总和（称自电导）减去相邻节点的电压乘以与未知节点共有支路上的电导（称互电导）,节点电位法列方程的规律,以A节点为例：,方程右边：与该节点相联系的各有源支路中的电动势与本支路电导乘积的代数和：当电动势方向朝向该节点时，符号为正，否则为负。,A,B,按以上规律列写B节点方程：,A,B,节点电压法 应用举例（1）,电路中只含两个 节点时，仅剩一个未知数。,则：,设：,节点电压法 应用举例（2）,电路中含恒流源的情况,则：,?,对于含恒流源支路的电路，列节点电压方程 时应按以下规则：,线性电路特点：,（1）齐次性：,（2）叠加性：,1.6.4 叠加定理,在多个电源同时作用的线性电路(电路参数不随电压、电流的变化而改变)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。,+,内容:,I2',I1',A,I2'',I1'',+,B,I2,R1,I1,E1,R2,A,E2,I3,R3,+,_,+,_,E1,+,B,_,R1,R2,I3',R3,R1,R2,A,B,E2,I3'',R3,+,_,例,用叠加原理求： I= ?,I'=2A,I“= -1A,I = I'+ I“= 1A,应用叠加定理要注意的问题,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）。,4. 叠加原理只能用于电压或电流的计算，不能用来 求功率。如：,I3,R3,例,US,线性无 源网络,UO,（1）和（ 2）联立求解得：,+,_,名词解释：,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,1.6.5 等效电源定理,电压源 （戴维南定理）,电流源 （诺顿定理）,无源二端网络可化简为一个电阻,有源二端网络可化简为一个电源,戴维南定理,注意：“等效”是指对端口外等效,等效电源,等效电压源的内阻等于有源 二端网络相应无源二端网络 的输入电阻。（有源网络变 无源网络的原则是：电压源 短路，电流源断路）,等效电压源的电动势 （E ）等于有源二端 网络的开路电压；,戴维南定理解题的步骤：,（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U0 , 则E = U0；,（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）将等效电压源与待求支路合为简单电路，用 欧姆定律求电流。,戴维南定理应用举例（之一）,已知：R1=20 、 R2=30 R3=30 、 R4=20 E=10V 求：当 R5=10 时，I5=?,等效电路,第一步：求路电压Uoc,第二步：求输入电阻 Rd,第三步：求未知电流 I5,时,戴维南定理应用举例（之二）,求：U=?,4 ,4 ,50,5 ,33 ,A,B,1A,RL,+,_,8V,_,+,10V,C,D,E,U,+,_,第一步：求开路电压Uoc,_,+,4 ,4 ,50,A,B,+,_,8V,10V,C,D,E,Uoc,1A,5 ,+,_,第二步： 求输入电阻 Rd,4 ,4 ,50,5 ,A,B,1A,+,_,8V,_,+,10V,C,D,E,Uoc,+,_,等效电路,第三步：求解未知电压,例 用戴维宁定理求 I 。,解：,诺顿定理,等效电流源 Id 为有源二端网络输出端的短路电流,诺顿定理解题的步骤：,（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再短路的 电路，并求短路电流ISC , 则ISC = IS；,（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）将等效电流源与待求支路合为简单电路，用 分流公式求电流。,诺顿定理应用举例,等效电路,已知：R1=20 、 R2=30 R3=30 、 R4=20 E=10V 求：当 R5=10 时，I5=?,第一步：求输入电阻Rd。,R5,I5,R1,R3,+,_,R2,R4,E,第二步：求短路电流 Id,VA=VB Id =0 ?,有源二端网络,D,R1,R3,+,_,R2,R4,E,A,C,B,等效电路,第三步：求解未知电流 I5。,I5,A,B,Id,24,0.083A,R5,10,Rd,电路分析方法小结,电路分析方法共讲了以下几种：,两种电源等效互换 支路电流法 节点电压法 叠加原理 等效电源定理,戴维南定理 诺顿定理,电源,非独立源（受控源）,独立源,电压源,电流源,1.7 受控电源电路分析,受控源举例,独立源和非独立源的异同,相同点：两者性质都属电源，均可向电路 提供电压或电流。,不同点：独立电源的电动势或电流是由非电 能量提供的，其大小、方向和电路 中的电压、电流无关； 受控源的电动势或输出电流，受电 路中某个电压或电流的控制。它不 能独立存在，其大小、方向由控制 量决定。,受控源分类,受控源电路的分析计算,求：I1、 I2,解得：,例:,求下列各电路的等效电源,解:,例 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，3个网孔。,1,2,3,(1) 应用KCL列结点电流方程,支路数b =4，但恒流源支路的电流已知，则未知电流只有3个，所以可只列3个方程。,(2) 应用KVL列回路电压方程,(3) 联立解得：I1= 2A， I2= 3A， I3=6A,例：试求各支路电流。,对结点 a： I1 + I2 I3 + 7 = 0,对回路1：12I1 6I2 = 42,对回路2：6I2 + 3I3 = 0,当不需求a、c和b、d间的电流时，(a、c)( b、d)可分别看成一个结点。,支路中含有恒流源。,1,2,因所选回路不包含恒流源支路，所以，3个网孔列2个KVL方程即可。,例 用戴维宁定理求 I 。,解：,例:,试用电压源与电流源等效变换的方法 计算2电阻中的电流。,解:,由图(d)可得,用戴维南定理求下图电路中5电阻中的电流Iab。, 求开路电压UOC:, 求等效电阻RO:,求电流Iab：,解：,第一章,结 束,