电工基础理论知识(中级版).

电工基础理论知识（中级版）第1章电路分析基础第2章磁场和电场第3章单相正弦交流电第4章三相正弦交流电第5章电子技术常识第6章电工测量学习要点电流、电压参考方向及功率计算常用电路元件的伏安特性基尔霍夫定律支路电流法与节点电压法叠加定理与戴维南定理电路等效概念及其应用分析电路过渡过程的三要素法第1章电路分析基础第1章电路分析基础1.1电路基本物理量1.2电路基本元件1.3基尔霍夫定律1.4电路分析方法1.5电路定理1.6电路过渡过程分析1.1电路基本物理量电路的定义：电流的通路称为电路。电路的组成：电源、连接导线、控制与保护装置和负载四部分组成。在日常生活中，我们会广泛接触到各种电路。手电筒就是一中非常简单的电路。电路的基本组成包括以下四个部分：(1)电源(供能元件)：为电路提供电能的设备和器件(如电池、发电机等)。模拟手电筒电路(2)负载(耗能元件):使用(消耗)电能的设备和器件(如灯泡等用电器)。控制电路工作状态的器件或设备(如开关等)。将电器设备和元器件按一定方式连接起来(如各种铜、铝电缆线等)。(4)控制器件：(3)连接导线：电路可以实现电能的传输、分配和转换。电力系统中：电子技术中：电路可以实现电信号的传递、存储和处理。电路的主要功能：电路分析的主要任务在于解得电路物理量，其中最基本的电路物理量就是电流、电压和功率。电路模型和电路元件电源负载实体电路控制装置与实体电路相对应、由理想元件构成的电路图，称为实体电路的电路模型。电路模型负载电源开关连接导线SRL+U–IUS+_R0连接导线白炽灯的电路模型可表示为：实际电路器件品种繁多，其电磁特性多元而复杂，采取模型化处理可获得有意义的分析效果。iRRL消耗电能的电特性可用电阻元件表征产生磁场的电特性可用电感元件表征由于白炽灯中耗能的因素大大于产生磁场的因素，因此L可以忽略。理想电路元件是实际电路器件的理想化和近似，其电特性单一、确切，可定量分析和计算。白炽灯电路RC+US–电阻元件只具耗能的电特性电容元件只具有储存电能的电特性理想电压源输出电压恒定，输出电流由它和负载共同决定理想电流源输出电流恒定，两端电压由它和负载共同决定L电感元件只具有储存磁能的电特性IS理想电路元件分有无源和有源两大类无源二端元件有源二端元件必须指出，电路在进行上述模型化处理时是有条件的：实际电路中各部分的基本电磁现象可以分别研究，并且相应的电磁过程都集中在电路元件内部进行。这种电路称为集中参数元件的电路。集中参数元件的特征1.电磁过程都集中在元件内部进行，其次要因素可以忽略。如R，L、C这些只具有单一电磁特性的理想电路元件。2.任何时刻从集中参数元件一端流入的电流恒等于从它另一端流出的电流，并且元件两端的电压值完全确定。工程应用中，实际电路的几何尺寸远小于工作电磁波的波长，因此都符合模型化处理条件，均可按集中假设为前提，有效地描述实际电路，从而获得有意义的电路分析效果。1.1.1电流电荷的定向移动形成电流。电流的大小用电流强度表示，简称电流。电流强度：单位时间内通过导体截面的电荷量。大写I表示直流电流小写i表示电流的一般符号dtdqi电流的国际单位制是安培【A】，较小的单位还有毫安【mA】和微安【μA】等，它们之间的换算关系为：1A=103mA=106μA=109nA正电荷运动方向规定为电流的实际方向。电流的方向用一个箭头表示。任意假设的电流方向称为电流的参考方向。参考方向实际方向(a)i0ab参考方向实际方向(b)i0abii如果求出的电流值为正，说明参考方向与实际方向一致，否则说明参考方向与实际方向相反。1.1.2电压、电位和电动势电路中a、b点两点间的电压定义为单位正电荷由a点移至b点电场力所做的功。dqdWuabab电路中某点的电位定义为单位正电荷由该点移至参考点电场力所做的功。QWUabab直流情况下注意：变量用小写字母表示，恒量用大写字母表示。从工程应用的角度来讲，电路中电压是产生电流的根本原因。数值上，电压等于电路中两点电位的差值。即：电路中a、b两点间的电压等于a、b两点电位差。baabuuu电压的国际单位制是伏特[V]，常用的单位还有毫伏[mV]和千伏【KV】等，换算关系为：电工技术基础问题分析中，通常规定电压的参考正方向由高电位指向低电位，因此电压又称作电压降。1V=103mV=10－3KV电压的实际方向规定由电位高处指向电位低处。与电流方向的处理方法类似，可任选一方向为电压的参考方向例：当ua=3Vub=2V时u1=1V最后求得的u为正值，说明电压的实际方向与参考方向一致，否则说明两者相反。u2=－1V+　　u1　　－ab－　　u2　　+ab对一个元件，电流参考方向和电压参考方向可以相互独立地任意确定，但为了方便起见，常常将其取为一致，称关联方向；如不一致，称非关联方向。+　　u　　－(a)关联方向abi－　　u　　+(b)非关联方向abi如果采用关联方向，在标示时标出一种即可。如果采用非关联方向，则必须全部标示。对电路进行分析计算时应注意：列写电路方程式之前，首先要在电路中标出电流、电压的参考方向。电路图上电流、电压参考方向的标定，原则上任意假定，但一经选定，在整个分析计算过程中，这些参考方向就不允许再变更。aI电源元件＋U－b非关联参考方向aI负载元件＋U－b关联参考方向实际电源上的电压、电流方向总是非关联的，实际负载上的电压、电流方向是关联的。因此，假定某元件是电源时，应选取非关联参考方向，假定某元件是负载应选取关联参考方向。电动势是衡量外力即非静电力做功能力的物理量。外力克服电场力把单位正电荷从电源的负极搬运到正极所做的功，称为电源的电动势。dqdWe电动势的实际方向与电压实际方向相反，规定为由负极指向正极。1.1.3电功率、电能/功和效率电场力在单位时间内所做的功称为电功率，简称功率。它是描述电流做功快慢的物理量。dtdWp功率与电流、电压的关系：关联方向时：p=ui非关联方向时：p=－uip＞0时吸收功率，p＜0时放出功率。+　　U=5V－(a)(b)I=2A+　　U=5V－I=-2A(c)+　　U=5V－I=-2A例：求图示各元件的功率.（a）关联方向，P=UI=5×2=10W，P0，吸收10W功率。（b）关联方向，P=UI=5×(－2)=－10W，P0，产生10W功率。（c）非关联方向，P=－UI=－5×(－2)=10W，P0，吸收10W功率。UItUIttWP电功率反映了电路元器件能量转换的本领。如100W的电灯表明在1秒钟内该灯可将100J的电能转换成光能和热能；电机1000W表明它在一秒钟内可将1000J的电能转换成机械能。国际单位制：U【V】，I【A】，电功率P用瓦特【W】通常情况下，用电器的实际功率并不等于额定电功率。当实际功率小于额定功率时，用电器实际功率达不到额定值，当实际功率大于额定功率时，用电器易损坏。用电器额定工作时的电压叫额定电压，额定电压下的电功率称为额定功率；额定功率通常标示在电器设备的铭牌数据上，作为用电器正常工作条件下的最高限值。对于线性电阻元件而言，电功率公式还可以写成22RIRUUIP扩展：最大输出功率定理当负载电阻R和电源内阻R0相等时，电源输出功率最大（负载获得最大功率Pmax），即当R=R0时，在无线电技术中，把负载电阻等于电源内阻的状态叫做电阻匹配。负载匹配时，负载（如扬声器）可获得最大功率。REP42max电路中的功率平衡：在一个闭合回路中，根据能量守恒和转化定律，电源电动势发出的功率，等于负载电阻和电源内阻消耗的功率。即内阻负载电源PPP日常生产和生活中，电能（或电功）也常用度作为量纲：1度=1KW•h=1KV•A•h电能电能的转换是在电流作功的过程中进行的。因此，电流作功所消耗电能的多少可以用电功来量度。电功：式中单位：U【V】；I【A】；t【s】时，电功W为焦耳【J】1度电的概念1000W的电炉加热1小时；100W的电灯照明10小时；40W的电灯照明25小时。UItUqW对于纯电阻电路，欧姆定律成立，电能也可由下式计算。tRItRUW2%100%1002212PPPPP提高电能效率能大幅度节约投资。据专家测算，建设1千瓦的发电能力，平均在7000元左右；而节约1千瓦的电力，大约平均需要投资2000元，不到建设投资的1/3。通过提高电能效率节约下来的电力还不需要增加煤等一次性资源投入，更不会增加环境污染。效率电气设备运行时客观上存在损耗，在工程应用中，常把输出功率与输入功率的比例数称为效率，用“η”表示：所以，提高电能效率与加强电力建设具有相同的重要地位，不仅有利于缓解电力紧张局面，还能促进资源节约型社会的建立。电气设备的额定值及电路的工作状态1.电气设备的额定值电气设备长期、安全工作条件下的最高限值称为额定值。电气设备的额定值是根据设计、材料及制造工艺等因素，由制造厂家给出的技术数据。2.电路的三种工作状态I＝US÷(RS＋RL)（1）通路＋U=US－IRS－RLS＋US－RS（2）开路＋U=US－I＝0S＋US－RSRL＋U=0－I＝US/RS（3）短路RLS＋US－RS1.2电路基本元件常见的电路元件有电阻元件、电容元件、电感元件、电压源、电流源。电路元件在电路中的作用或者说它的性质是用其端钮的电压、电流关系即伏安关系（VAR）来决定的。1.2.1无源元件伏安关系（欧姆定律）：关联方向时：u=Ri非关联方向时：u=－Ri1．电阻元件:一种消耗电能的元件。Ri+　　u－RuRiuip22线性电阻元件伏安特性0UI电阻产品实物图电阻元件图符号IUR由电阻的伏安特性曲线可得，电阻元件上的电压、电流关系为即时对应关系，即：即时电阻元件上的电压、电流关系遵循欧姆定律。即元件通过电流就会发热，消耗的能量为：1、部分电路欧姆定律：流过电阻的电流跟导体两端的电压成正比，跟导体的电阻成反比。RUI欧姆定律或U=IR部分电路欧姆定律注意：（1）当U、I见为非关联参考方向（U、I参考方向相反）时，欧姆定律应写成，式中“-”号切不可漏掉；（2）电阻值不随电压、电流变化而变化的电阻叫线性电阻，由线性电阻组成的电路叫线性电路。阻值随电压、电流的变化而改变的电阻叫非线性电阻，含有非线性电阻的电路叫非线性电路。RUI2、全电路欧姆定律对全电路进行分析研究时，必须考虑电源的内阻。如图R为负载的电阻、E为电源电动势、r为电源的内阻。0RREI关联方向下，全电路欧姆定律可用公式表述为式中：E——电源电动势，单位是伏[特]，符号为V；R——负载电阻，单位是欧[姆]，符号为Ω；R0——电源内阻，单位是欧[姆]，符号为Ω；I——闭合电路中的电流，单位是安[培]，符号为A。闭合电路欧姆定律说明：闭合电路中的电流与电源电动势成正比，与电路的总电阻（内电路电阻与外电路电阻之和）成反比。2．电感元件：一种能够贮存磁场能量的元件，是实际电感器的理想化模型。+　　u－iLdtdiLudtdiLu线性电感元件的韦安特性0Ψi电感产品实物图电感元件图符号对线性电感元件而言，任一瞬时，其电压和电流的关系为微分(或积分)的动态关系，即伏安关系：显然，只有电感元件上的电流发生变化时，电感两端才有电压。在直流电路中，电感上即使有电流通过，但ｕ＝０，相当于短路。因此，我们把电感元件称为动态元件。动态元件可以储能，储存的磁能为：221LiwL或221LIWL或Ｌ称为电感元件的电感，单位是亨利（Ｈ）。3．电容元件：一种能够贮存电场能量的元件，是实际电容器的理想化模型。iC+　　u－dtduCidtduCi电容元件的工作方式就是充放电。只有电容上的电压变化时，电容两端才有电流。在直流电路中，电容上即使有电压，但ｉ＝０，相当于开路，即电容具有隔直作用。电容元件也是动态元件，其储存的电场能量为：C称为电容元件的电容，单位是法拉（F）。线性电容元件的库伏特性0qu电容产品实物图电容元件图符号对线性电容元件而言，任一瞬时，其电压、电流的关系也是微分(`或积分)的动态关系，即伏安关