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1、電工學上冊,電工技術,,電工技術,第 1 章 電路的基本概念與基本定律,電路的基本概念及其分析方法是電工技術和電子技術的基礎。,本章首先討論電路的基本概念和基本定律，如電路模型、電壓和電流的參考方向、基爾霍夫定律、電源的工作狀態(tài)以及電路中電位的計算等。這些內容是分析與計算電路的基礎。,1.1 電路的作用與組成部分,1.1.1 電路的概念,電路是電流的通路，它是為了某種需要由某些電工設備或元件按一定方式組合起來的 。,1.1.2 電路的任務,根據(jù)電路結構的不同，不同電路能夠完成各種不同的任務?，F(xiàn)舉兩例如下：,a.電力系統(tǒng),b.擴音機,此電路的作用是實現(xiàn)電能的轉換和傳輸。,其中包括電源、負載和中間

2、環(huán)節(jié)。,a. 電力系統(tǒng),韓城發(fā)電廠-陜西第一座大型坑口電廠,潘家口水電廠,秦山核電站位于東海之濱美麗富饒的杭州灣畔，是中國第一座依靠自己的力量設計、建造和運營管理的壓水堆核電站，總裝機容量2300MW。1985年3月動工，1991年12月首次并網(wǎng)發(fā)電。它的建成使我國成為繼美、英、法、前蘇聯(lián)、加拿大、瑞典之后世界上第七個能夠自行設計、建造核電站的國家。,太陽能發(fā)電光伏發(fā)電,風車,返回,此電路的作用是傳遞和處理信號。,包括信號源、中間環(huán)節(jié)和負載。,1.1.3,激勵和響應,b. 擴音機,1.激勵:電路中電源和信號源的電壓或電流稱為激勵，它推動電路工作。,激勵,響應,2.響應:由激勵在電路中產(chǎn)生的電壓

3、和電流。,3.電路分析:是在已知電路結構和參數(shù)的條件下，討論,與,的關系。,,返回,,,1.2 電路模型,實際的電路是由一些按需要起不同作用的元件或器件所組成，如發(fā)電機、變壓器、電動機、電池、電阻器等，它們的電磁性質是很復雜的。,例如：一個白熾燈在有電流通過時，,消耗電能(電阻性),產(chǎn)生磁場 儲存磁場能量 (電感性),忽略 L,為了便于分析與計算實際電路，在一定條件下常忽略實際部件的次要因素而突出其主要電磁性質，把它看成理想電路元件。,電源,負載,連接導線,電路實體,電路模型,1.2 電路模型,用理想電路元件組成的電路，稱為實際電路的電路模型。,開關,1.3 電壓和電流的參考方向,對電路進行分

4、析計算時，不僅要算出電壓、電流、功率值的大小，還要確定這些量在電路中的實際方向。但是，在復雜電路中各處電位的高低、電流的方向等很難事先判斷出來。因此電路內各處電壓、電流的實際方向也就不能確定。為此引入?yún)⒖挤较虻囊?guī)定。,,電路舉例：,,+,_,,R1,E1,,,,+,_,,E2,,R2,,R3,,,I1,I2,I3,c,a,d,b,直流電路,電流的實際方向：,正電荷運動的方向或負電荷運動的反方向；,正弦交變電路,習慣上規(guī)定,,1.3 電壓和電流的參考方向,,電壓的實際方向：,由高電位端指向低電位端；,電動勢的實際方向：,在電源內部由低電位端指向高電位端。,電壓、電流的參考方向：,電流的參考方向用

5、箭頭表示；電壓的參考方向除用極性 “+”、“” 外，還用雙下標或箭頭表示。,任意假定。,當電壓、電流參考方向與實際方向相同時，其值為正，反之則為負值。,1.3 電壓和電流的參考方向,例如：圖中若 I = 3 A，則表明電流的實際方向與參考方向相同 ；反之，若 I = 3 A，則表明電流的實際方向與參考方向相反 。,,在電路圖中所標電壓、電流、電動勢的方向，一般均為參考方向。,1.3 電壓和電流的參考方向,電壓的參考方向除用極性“+”、“-”表示外，也可用雙下標表示 。,,Uab：表示它的參考方向由a端指向b端，也就是說a點的參考極性為“+”， b點的參考極性為“-”。,Uab,a,b,+,,U

6、ab是否表示a端的電位高于b端的電位?,1.3 電壓和電流的參考方向,電壓和電路的關聯(lián)參考方向（參考方向一致）：,,因為電流的方向為正電荷運動的方向，而電流原則上是從電壓高端流向電壓低端。,圖示電路電壓和電流參考方向一致。,電壓和電流的單位：伏特和安培。,,歐姆定律：通過電阻的電流與電壓成正比。(線性電阻),表達式,U 、I 參考方向相同,U = RI,U、 I 參考方向相反,圖 (a),或,圖 (b),I,,+,,1.4 歐姆定律,圖 (c),圖 (b) 中若 I = 2 A，R = 3 ， 則 U = 3 ( 2 ) = 6 V,U = RI,U、 I 參考方向相反,電流的參考方向 與實際

7、方向相反,,圖 (b),I,,電壓與電流參 考方向相反,,,返回,線性電阻的伏安特性曲線：為過原點的直線。,電阻分類:線性電阻和非線性電阻。,,,,,E,I,U,1.5 電源有載工作、開路與短路,1. 電壓與電流,,,,R0,R,a,b,c,d,,,電源的外特性曲線,當 R0 << R 時， 則 U E,說明電源帶負載能力強,,+,_,+,_,U = RI,或 U = E R0I,,,,,,,,,,,1.5.1 電源有載工作,1.5.1電源有載工作,U = E R0I,2. 功率與功率平衡,UI = EI R0I2,P = PE P,電源產(chǎn) 生功率,內阻消 耗功率,電源輸 出功率,功率的單位：

8、瓦特(W) 或千瓦(kW),電源產(chǎn) 生功率,=,負載取 用功率,+,內阻消 耗功率,功率 平衡式,,,E,I,U,,,,R0,R,a,b,c,d,+,_,+,_,,,,,,,,,,,講解:例1.5.1,1.5.1 電源有載工作,3. 電源與負載的判別,根據(jù)電壓、電流的實際方向判別，若,1. U 和 I 的實際方向相反，電流從“+”端流出,則是電源，發(fā)出功率；,2. U 和 I 的實際方向相同，電流從“+”端流入,是負載，取用功率。,根據(jù)電壓、電流的參考方向判別,1. P = UI 為負值，是電源，發(fā)出功率；,若電壓、電流的參考方向相同,2. P = UI 為正值，是負載，取用功率。,

9、,,1.5.1 電源有載工作,3. 電源與負載的判別,例 1,已知：圖中 UAB= 3 V， I = 2 A,解 P = UI = (2) 3 = 6 W,求：N 的功率，并說明它是電源還是負載。,因為此例中電壓、電流的參考方向相同,而 P 為負值，所以 N 發(fā)出功率，是電源。,想一想，若根據(jù)電壓、電流的實際方向應如何分析？,,4. 額定值與實際值,,,,,,U,,,,,,,,,,,+,,,I,,,,,,,,,P,,,,電源輸出的電流和功 率由負載的大小決定（電源端電壓基本不變）,額定值是為電氣 設備在給定條件下正 常運行而規(guī)定的允許 值。（PN、UN、IN）,電氣設備不在額定 條件下運行的危

10、害：,,不能充分利用設備的能力；,,,降低設備的使用壽命甚至損壞設備。,,S1,S2,S3,,額定電流為100A的發(fā)電機,只接了60A的照明負載,還有40A流到哪里去了?,,,有一臺直流發(fā)電機,其銘牌上標有40kW 230V 174A。試問什么是發(fā)電機的空載運行、輕載運行、滿載運行和過載運行？負載的大小，一般指什么而言？,,思考題:,,,,有人打算將110V 100W和110V 40W兩只白熾燈串聯(lián)后接在220V的電源上使用，是否可以？為什么？,分析練習與思考1.5.4,1.5.2 電源開路,電源開路時的特征,I = 0,U = U0 = E,P = 0,當開關斷開時，電源則處于開路(空載)狀

11、態(tài)。,,,,U,IS,,,1.5.3 電源短路,U = 0,I = IS = E / R0,P = 0,PE = P = R0IS2,,,E,,,R0,R,b,c,d,+,_,,,,,,,電源短路時的特征,a,當電源兩端由于某種原因連在一起時，電源 則被短路。,,,使電源遭受機械損壞。,為防止事故發(fā)生，需在電路中接入熔斷器或自動斷路器，用以保護電路設備。,U = 0,I 視電路而定,1.5.3 電源短路,,由于某種需要將電路的某一段短路，稱為短接。,,,,U,I,,,E,,,R0,R,+,_,,,,,,,,R1,變壓器進行短路試驗:目的是測量某些參數(shù)。,,2.結點 電路中三條或三條 以上支路

12、連接的點,1.支路 電路中的每一分支,3.回路 由一條或多條支路組成的閉合電路,如 acb ab adb 流過支路的電流稱為支路電流,如 abca adba adbca,1.6 基爾霍夫定律,如 a,b,,+,_,,R1,E1,,,,+,_,,E2,,R2,,R3,,,I1,I2,I3,c,a,d,b,概念,(直流電路中), I = 0, i = 0,(對任意波形的電流),在任一瞬間，流向某一結點電流的代數(shù)和恒等于零。,1.6.1 基爾霍夫電流定律(KCL),基爾霍夫電流定律是用來確定連接在同一結點上的各支路電流之間的關系。,根據(jù)電流連續(xù)性原理，電荷在任何一點均不能堆積(包括結點)。故有,數(shù)學

13、表達式為,1.6.1 基爾霍夫電流定律(KCL),若以流向結點的電流為負， 背向結點的電流為正，則根據(jù) KCL，結點 a 可以寫出,I1 I2 + I3 + I4 = 0,例 1 上圖中若 I1 = 9 A， I2 = 2 A，I4 = 8 A，求 I3 。,9 ( 2) + I3 + 8 = 0,,解,把已知數(shù)據(jù)代入結點 a 的KCL方程式，有,,式中的正負號由 KCL 根據(jù)電流方向確定,,由電流的參考方向與實際方向是否相同確定,,,I3 電流為負值，是由于電流 參考方向與實際方向相反所致。,,I3 = 19 A,IA,IB,IAB,IBC,ICA,KCL 推廣應用：包圍部分電路的任一假想的

14、閉合面,即 I = 0,,,,IC,,IA + IB + IC = 0,可見，在任一瞬間通過任一封閉 面的電流的代數(shù)和也恒等于零。,,,,A,B,C,,,,,,,,,,對 A、B、C 三個結點 應用 KCL 可列出：,IA = IAB ICA,IB = IBC IAB,IC = ICA IBC,上列三式相加，便得,1.6.2 基爾霍夫電壓定律(KVL),基爾霍夫電壓定律用來確定回路中各段電壓之間的關系。,由于電路中任意一點的瞬時電位具有單值性。,在任一瞬間，沿任一回路循行方向，回路中各段電壓的代數(shù)和恒等于零。,,即 U = 0,,1.6.2 基爾霍夫電壓定律(KVL),I2,左圖中，各電壓參

15、考方向均已標出，沿虛線所示循行方向，列出回路 KVL 方程式。,U1 U2 + U4 U3 = 0,根據(jù)電壓參考方向，回路 c b d a c KVL 方程式，為,,+,_,,R1,E1,+,_,,E2,R2,U2,,I1,U1,c,a,d,b,,,,+,_,U3,+,,U4,_,,,1.6.2 基爾霍夫電壓定律(KVL),I2,U1 U2 + U4 U3 = 0,上式也可改寫為 U3 U4 = E1 E2,,+,_,,R1,E1,+,_,,E2,R2,U2,,I1,U1,c,a,d,b,,,,+,_,U3,+,,U4,_,即 U = 0,即 U = E,或 I1 R1 I2R2 = E1

16、 E2,即 IR = E,,,KVL 推廣應用于假想的閉合回路,E RI U = 0,U = E RI,或,根據(jù) KVL 可列出,,根據(jù) U = 0,UAB = UA UB,UA UB UAB = 0,,例 2 圖中若 U1= 2 V，U2 = 8 V，U3 = 5 V，U5 = 3 V， R4 = 2 ，求電阻 R4 兩端的電壓及流過它的電流。,解 設電阻 R4 兩端電壓的極性及流過它的電流 I 的參考方向如圖示。,沿順時針方向列寫回路的 KVL 方程式，有,,返回,,U1 + U2 U3 U4 + U5 = 0,(2)+ 8 5 U4+(3)= 0,U4 = 2 V,I = 1 A,沿順時

17、針方向列寫回路的 KVL 方程式，有,代入數(shù)據(jù)，有,U4 = IR4,,返回,電位的概念：,,1.7 電路中電位的概念及計算,電路中某一點的電位是 指由這一點到參考點的電壓。,電路的參考點可以任意選取。,通常認為參考點的電位為零。而其他各點的電位都同它比較，比它高的為正，比它低的為負。,Va = E1,Vc = E2,Vb = I3 R3,若以 d 為參考點， 則：,+E1, E2,簡 化 電 路,+,_,,R1,E1,,,,+,_,,E2,,R2,,R3,,I3,a,b,c,d,,,接地的含義？,例 1 電路如圖所示,分別以 a、b 為參考點，計算 c 和 d 點的電位及 c 和 d 兩點間

18、的電壓。,,2 ,10 V,,+,,5 V,+,,3 ,b,c,d,,,,解 以 a 為參考點,I,,I =,= 3 A,VC = 3 3 = 9 V,VD = 3 2= 6 V,以 b 為參考點,VD = 5 V,VC = 10 V,UCD = VC VD= 15 V,,,,,,a,UCD = VC VD = 15 V,,返回,小結：,,電路中某一點的電位等于該點到參考點的電壓；,電路中各點的電位隨參考點選的不同而改變，但是任意兩點間的電壓不變(電位差不變)。,電位值是相對的,參考點選得不同，電路中其它各點的電位也將隨之改變； 電路中兩點間的電壓值是固定的，不會因參考點的不同而改變。,注意：電位和電壓的區(qū)別,,電工技術,