电工与电子技术 -第1章

《电工学简明教程》•主讲王将信息学院电工与电子技术《电工学简明教程》电工与电子技术第1章电路及其分析方法《电工学简明教程》课程简介•课程属性：专业基础课学时/学分：48/3（实验课8学时）•预修课程：–《大学物理》、《电路分析》、《高等数学》•教学目的：–学习电工和电子技术的基本理论和基本技能。为学习后续课程和专业课打好基础，也为今后从事工程技术工作和科学研究奠定一定的理论基础。–培养学生的科学思维能力，树立理论联系实际的工程观点和提高学生分析问题和解决问题的能力。•课程内容：–电路及其分析方法、正弦交流电路、磁路和变压器、继电接触器控制系统、二极管和晶体管、门电路和组合逻辑电路。3《电工学简明教程》课程简介•考察方式–笔试+平时成绩；–笔试采用闭卷形式；–平时成绩由完成作业情况、考勤、实验及课堂表现等因素给出•教材–《电工学简明教程》，秦曾煌主编，高等教育出版社，2007年6月第2版4《电工学简明教程》电路基本概念、定律稳态电路暂态电路直流电路单相正弦交流电路三相正弦交流电路非正弦交流电路电机与控制磁路变压器电机继电接触器单相异步电动机三相异步电动机控制伺服电机、步进电机可编程序控制器《电工学简明教程》模拟电子技术常用半导体器件放大电路(分离元件)模拟集成电路二极管三极管(弱电)晶闸管(强电)基本放大电路(三种组态)多极放大电路负反馈放大器功率放大器集成运算放大器集成集成稳压电源集成功率放大器数字电子技术门电路和组合逻辑电路逻辑代数触发器和时序逻辑电路与、或、非逻辑门与、或、非门电路组合逻辑的分析和设计加法器、编码器、译码器数字显示电路双稳态触发器寄存器、计数器555定时器（单稳态）《电工学简明教程》第1章电路及其分析方法1.1电路的作用与组成部分1.2电路模型1.3电压和电流的参考方向1.4电源有载工作、开路与短路1.5基尔霍夫定律1.6电阻的串联与并联1.7支路电流法1.8叠加定理1.9电压源与电流源及其等效变换1.10戴维宁定理1.11电路中电位的计算1.12电路的暂态分析《电工学简明教程》1.1电路的作用与组成部分电路是电流的通路，是为了某种需要由电工设备或电路元器件按一定方式组合而成的。(1)实现电能的传输、分配与转换(2)实现信号的传递与处理放大器扬声器话筒1．电路的作用发电机升压变压器降压变压器电灯电动机电炉...输电线《电工学简明教程》2．电路的组成部分电源：提供电能的装置负载：取用电能的装置中间环节：传递、分配和控制电能的作用发电机升压变压器降压变压器电灯电动机电炉...输电线《电工学简明教程》直流电源直流电源:提供能源负载信号源:提供信息2．电路的组成部分放大器扬声器话筒电源或信号源的电压或电流称为激励，它推动电路工作；由激励所产生的电压和电流称为响应。信号处理：放大、调谐、检波等《电工学简明教程》电路=电源+中间环节+负载电力系统：(发电机)+(变压器、输电线…)+(电炉、电动机…)扩音机：(话筒)+(放大器…)+(扬声器)结构模型：激励——响应即寻找xo=f(xi)的关系《电工学简明教程》1.2电路模型i实际的电路是由一些按需要起不同作用的元件或器件所组成，如发电机、变压器、电动机、电池、电阻器等，它们的电磁性质是很复杂的。例如：一个白炽灯在有电流通过时RR消耗电能(电阻性)产生磁场储存磁场能量(电感性)忽略L为了便于分析与计算实际电路，在一定条件下常忽略实际部件的次要因素而突出其主要电磁性质，把它看成理想电路元件。L《电工学简明教程》电源负载连接导线电路实体电路模型1.2电路模型用理想电路元件组成的电路，称为实际电路的电路模型。SER–+R0开关《电工学简明教程》1.3电压和电流的参考方向对电路进行分析计算时，不仅要算出电压、电流、功率值的大小，还要确定这些量在电路中的实际方向。但是，在电路中各处电位的高低、电流的方向等很难事先判断出来。因此电路中各处电压、电流的实际方向也就不能确定。为此引入参考方向的规定。习惯上规定电压的实际方向为：由高电位端指向低电位端；电流的实际方向为：正电荷运动的方向或负电荷运动的反方向；电动势的实际方向为：由低电位端指向高电位端。abSIab《电工学简明教程》1.3电压和电流的参考方向电压、电流的参考方向：当电压、电流参考方向与实际方向相同时，其值为正，反之则为负值。R–+R0IE例如：图中若I=3A，则表明电流的实际方向与参考方向相同；反之，若I=–3A，则表明电流的实际方与参考方向相反。在电路图中所标电压、电流、电动势的方向，一般均为参考方向。电流的参考方向用箭头表示；电压的参考方向除用极性“+”、“–”外，还用双下标或箭头表示。任意假定。《电工学简明教程》欧姆定律：通过电阻的电流与电压成正比。表达式=RUIU、I参考方向相同U=–IRU、I参考方向相反图B中若I=–2A，R=3，则U=–(–2)3V=6V电流的参考方向与实际方向相反–图A或图BRUI+–IRU+–+–图CRUI电压与电流参考方向相反–《电工学简明教程》EIU1．电压与电流R0RabcdR+R0I=EER0I电源的外特性曲线当R0R时，则UE说明电源带负载能力强IUO+_+_UU=RI或U=E–R0I1.4电源有载工作、开路与短路1.4.1电源有载工作《电工学简明教程》1.4.1电源有载工作1．电压与电流U=RIU=E–R0I2．功率与功率平衡UI=EI–R0I2P=PE–P电源产生功率内阻消耗功率电源输出功率功率的单位：瓦[特](W)或千瓦(kW)电源产生功率=负载取用功率+内阻消耗功率功率平衡式EIUR0Rabcd+_+_R+R0I=E《电工学简明教程》1.4.1电源有载工作3．电源与负载的判别根据电压、电流的实际方向判别，若U和I的实际方向相反，则是电源，发出功率；U和I的实际方向相同，是负载，取用功率。根据电压、电流的参考方向判别P=UI为负值，是电源，发出功率；若电压、电流的参考方向相同P=UI为正值，负载，取用功率。《电工学简明教程》1.4.1电源有载工作3．电源与负载的判别[例1]已知：图中UAB=3V，I=–2A[解]P=UI=(–2)3W=–6W求：N的功率，并说明它是电源还是负载因为此例中电压、电流的参考方向相同而P为负值，所以N发出功率，是电源。想一想，若根据电压电流的实际方向应如何分析？NABI《电工学简明教程》1.4.1电源有载工作4．额定值与实际值U电源+–IP电源输出的电流和功率由负载的大小决定额定值是为电气设备在给定条件下正常运行而规定的允许值。电气设备不在额定条件下运行的危害：不能充分利用设备的能力；降低设备的使用寿命甚至损坏设备。S1S2S3《电工学简明教程》有一台直流发电机，其名牌上标有40kW、230V、174A。试问：什么是发电机的空载运行、轻载运行、满载运行和过载运行？负载的大小，一般指什么而言？答：空载运行指发电机对外开路，无功率输出；轻载运行指发电机所带负载取用功率小于或远小于额定功率的40kW，或输出电流小于或远小于174A；满载运行发电机所带负载取用功率基本与发电机额定功率(40kW)相当；过载运行负载从发电机取用的功率大于发电机的额定功率，这种情况对发电机的运行有较大危害。负载的大小一般指负载从电源取用功率的大小。显然，此时R愈小负载愈大，反之亦然。【思考与练习】《电工学简明教程》1.4电源有载工作、开路与短路1.4.2电源开路电源开路时的特征I=0U=U0=EP=0当开关断开时，电源则处于开路(空载)状态。EIU0R0Rabcd+_+_《电工学简明教程》1.4.3电源短路UIS电流过大，将烧毁电源！U=0I=IS=E/R0P=0PE=P=R0IS2ER0Rbcd+_电源短路时的特征a当电源两端由于某种原因连在一起时，电源则被短路。为防止事故发生，需在电路中接入熔断器或自动断路器，用以保护电路。《电工学简明教程》U=0I视电路而定有源电路1.4电源有载工作、开路与短路1.4.3电源短路由于某种需要将电路的某一段短路，称为短接。UIER0R+_R1《电工学简明教程》1.5基尔霍夫定律结点电路中三条或三条以上支路连接的点支路电路中的每一分支回路由一条或多条支路组成的闭合路径如acbabadb如abcaadbaadbca如ab+_R1E1+_E2R2R3I1I2I3cadb《电工学简明教程》支路：ab、bc、ca、…（共6条）回路：abda、abca、adbca…（共7个）结点：a、b、c、d(共4个）adbcE–+GI2I4IGI1I3I《电工学简明教程》1.5.1基尔霍夫电流定律(KCL)(直流电路中)I=0i=0(对任意波形的电流)在任一瞬间，流向某一结点电流的代数和等于零。基尔霍夫电流定律是用来确定连接在同一结点上的各支路电流之间的关系。根据电流连续性原理，电荷在任何一点均不能堆积(包括结点)。故有数学表达式为《电工学简明教程》1.5.1基尔霍夫电流定律(KCL)若以流向结点的电流为负，背向结点的电流为正，则根据KCL，结点a可以写出I1I2I3I4aI1–I2+I3+I4=0[例]上图中若I1=9A，I2=–2A，I4=8A，求I3。9–(–2)+I3+8=0[解]把已知数据代入结点a的KCL方程式，有式中的正负号由KCL根据电流方向确定由电流的参考方向与实际方向是否相同确定I3电流为负值，是由于电流参考方向与实际方向相反所致。I3=–19A《电工学简明教程》IAIBIABIBCICAKCL推广应用即I=0ICIA+IB+IC=0可见，在任一瞬间通过任一封闭面的电流的代数和也恒等于零。ABC对A、B、C三个结点应用KCL可列出：IA=IAB–ICAIB=IBC–IABIC=ICA–IBC上列三式相加，便得广义结点《电工学简明教程》1.5.2基尔霍夫电压定律(KVL)基尔霍夫电压定律用来确定回路中各段电压之间的关系。由于电路中任意一点的瞬时电位具有单值性，故有在任一瞬间，沿任一回路循行方向，回路中各段电压的代数和恒等于零。即U=0或E=U=RI《电工学简明教程》1.5.2基尔霍夫电压定律(KVL)I2左图中，各电压参考方向均已标出，沿虚线所示循行方向，列出回路cbdacKVL方程式。U1–U2+U4–U3=0上式也可改写为U4–U3=E2–E1根据电压参考方向，回路cbdacKVL方程式，为+_R1E1+_E2R2U2I1U1cadb+_U3+U4_即U=0即U=E或I2R2–I1R1=E2–E1即IR=E《电工学简明教程》KVL推广应用于假想的闭合回路EIRU=0U=EIR或根据KVL可列出EIUR+_+_ABCUA+_UAB+_UB+_根据U=0UAB=UAUBUAUBUAB=0《电工学简明教程》U1+U2–U3–U4+U5=0U4+–U1U2abced++––+–U5U3+–R4[例1]图中若U1=–2V，U2=8V，U3=5V，U5=–3V，R4=2，求电阻R4两端的电压及流过它的电流。[解]设电阻R4两端电压的极性及流过它的电流I的参考方向如图所示。(–2)+8–5–U4+(–3)=0U4=–2VI=1AI沿顺时针方向列写回路的KVL方程式，有代入数据，有U4=–IR4《电工学简明教程》[例2]对网孔abda：对网孔acba：对网孔bcdb：R6I6R6–I3R3+I1R1=0I2R2–I4R4–I6R6=0I4R4+I3R3–E=0对回路adbca，沿逆时针方向循行：–I1R1+I3R3+I4R4–I2R2=0应用U=0列方程对回路cadc，沿逆时针方向循行：–I2R2–I1R1+E=0adbcE–+I2I4I6I1I3I《电工学简明教程》1.6电阻的串联与并联1.6.1电阻的串联电路中两个或更多个电阻一个接一个地顺序相连，并且在这些电阻中通过同一电流，则这样的连接方法称为电阻的串联。分压公式等效电阻R=R1+R2RUI+–R1R2UIU2U1+–+–+–U2=———UR1+R2R2URRRU2111《电工学简明教程》1.6.2电阻的并联分流公式I1=—