电工学基础知识

建筑电工学电工学基础知识学习内容u任务三：三相交流电路u任务一：电路基本概念和基本定律u任务二：单相正弦交流电路u任务四：磁路与磁性材料项目一：电工学基础知识建筑电工学电工学基础知识任务一：电路基本概念与基本定律依据基本概念基本元件基本定律基础前提1.1电路基本概念建筑电工学电工学基础知识1、电路及其功能电路由电工、电子器件或设备根据功能需要，按照某种特定方式连接而成的电流的通路手电筒电路电池提供电能称电源灯泡取用电能称负载导线和开关称中间环节，连接电源与负载，起分配与控制电能的作用一、电路及电路模型建筑电工学电工学基础知识电路功能照明电路和动力电路，习惯上常称为“强电”电路电话线路和计算机线路等，习惯上也常称为“弱电”电路。电能的传输、分配和转换电信号的传递和处理建筑电工学电工学基础知识2、电路模型理想元件组成的电路理想元件是指忽略了实际电气元件的次要因素，突出主要因素，并将它抽象为只含一种参数的元件模型实体电路电路模型建筑电工学电工学基础知识3、电路工作状态通路（有载状态）开路（空载状态）短路电路闭合，灯泡发亮电路断开，灯泡不亮导线直接将电源两端连在一起，此时电源处于短路状态建筑电工学电工学基础知识二、电压、电流及其参考方向1、电流及其参考方向*电流电源作用下电荷有规则运动时形成电流也是用来衡量电流强弱的物理量。“电流”不仅代表一种物理现象，也代表一个物理量。直流电流（DC）简称直流，I表示交流电流（AC）简称交流，i表示电流大小和方向不随时间变化电流大小和方向均随时间变化*电流单位μA10mA10A163建筑电工学电工学基础知识*电流实际方向习惯规定为正电荷运动方向*电流参考方向假定，用带有箭头的线段表示带箭头的实线段为电流参考方向，虚线段为电流实际方向简单的直流电路，电流实际方向是由电源的正极性端流出的。但在分析复杂的直流电流时，对于某条支路电流的实际方向往往难于判断；在分析交流电路中由于电流的方向是随时间变化的，所以它的实际方向就不能确定参考方向选定后，电流就有了正值和负值之分了，电流的正负符号就反应了电流实际方向。如果为正表示电流的真实方向与参考方法一致，为负表示电流的真实方向与参考方向相反。建筑电工学电工学基础知识2、电压及其参考方向*电压电压是电路中产生电流的根本原因a、b两点的电压等于其两点间的电位差baabuuu电路中某点电位在数值上等于该点与参考点之间的电压电位参考点（零电位点）参考点选取大地接地装置相连的机壳电子设备的公共连接点建筑电工学电工学基础知识*电压实际方向规定为高电位指向低电位，即电位降的方向*电压单位mV10V10kV163*电压参考方向“＋”、“－”极性符号表示极性为“＋”称为高电位极性为“—”称为低电位有用箭头表示，箭头的方向为高电位端指向低电位端电压的实际方向与参考方向一致时，电压为正值。建筑电工学电工学基础知识3、电压、电流关联参考方向同元件的电压、电流参考方向选为一致，即电流从电压“＋”极性的一端流入，并从电压“－”极性的一端流出建筑电工学电工学基础知识三、电路中功率3、电压、电流关联参考方向同元件的电压、电流参考方向选为一致，即电流从电压“＋”极性的一端流入，并从电压“－”极性的一端流出在电工学中，电功率简称功率功率的单位为W（瓦）。在电力系统中，常用kW（千瓦）或MW（兆瓦）为功率单位，弱电工程中，常用mW（毫瓦）*电功率kW10MW13W10kW13mW10W13建筑电工学电工学基础知识关联参考方向*元件吸收功率计算非关联参考方向uipuip*功率正负区分元件的性质，或是电源，或是负载p﹥0，元件吸收功率，具有负载特性，用于消耗电能P＜0，元件发出功率，具有电源特性，用于提供电能建筑电工学电工学基础知识*设备额定值在给定工作条件下保证电器设备安全运行而规定的容许值如额定电压、额定电流和额定功率一盏白炽灯上标有220V、60W，表示这盏灯的额定电压为220V，额定功率为60W。满载工作状态电气设备的电流等于额定电流轻载工作状态过载工作状态电气设备的电流小于额定电流电气设备的电流大于额定电流建筑电工学电工学基础知识试计算各元件的功率，并说明是发出功率还是吸收功率。W10101uipW10101uip(1)1010Wpiu元件吸收功率元件吸收功率元件发出功率建筑电工学电工学基础知识1.2电路基本元件一、电阻元件1、电阻元件的欧姆定律一个电气元件能够将电能转化为热能消耗掉，那么它的理想电路模型就可抽象为电阻元件，如白炽灯、电炉等的基本特性都可抽象为电阻元件iRuiRukΩ10MΩ13Ω10kΩ13RuRiiup22建筑电工学电工学基础知识2、电阻元件的串联特点①各电阻按首尾顺序相连；②各电阻中通过同一电流③两个电阻串联时的分压公式URRRU2111URRRU2122④等效电阻（总电阻）等于各电阻之和21RRR建筑电工学电工学基础知识2、电阻元件的并联特点①各电阻连接在两个公共的节点之间；②各电阻两端电压相同；③两电阻并联时的分流公式IRRRI2121IRRRI2112④等效电阻（总电阻）的倒数等于各电阻倒数之和21111RRR2121RRRRR建筑电工学电工学基础知识二、电容元件电流电压关系能够存储电场能量pF10μF101F126dtduCiu恒定（如直流），则i=0，电容相当于开路电压变化时才有电流这种性质,称为电容的动态性质,电容元件又被称为动态元件。dt/dui关联参考方向建筑电工学电工学基础知识三、电感元件电流电压关系能够存储磁场能量i恒定（如直流），则u=0，电感相当于短路电流变化时才有电压这种性质,称为电感的动态性质,电感元件又被称为动态元件。dt/diu关联参考方向dtdiLuμH10mH101H63建筑电工学电工学基础知识四、电源元件1、电压源理想电源端电压)()(tutuSSS)(Utu恒定值时，称为稳压源。电流流过电压源，是从低电位流向高电位，则电压源向外提供电能电流流过电压源，是从高电位流向低电位，则电压源吸收电能，如电池充电建筑电工学电工学基础知识2、电流源理想电源输出电流恒定值时，称为恒流源。)()(titiSSS)(Iti非关联参考方向当p＜0时，电流源向外电路提供功率，电流源起电源的作用。反之，电流源向外电路吸收功率，电流源是作为负载用。建筑电工学电工学基础知识计算电压源的功率并分析其工作状态A110/10/RUI电流从电压源负端流入，电压源向外提供功率W10101SIUP流过电压源电流为1A，从电压源的正端流入，电压源处于负载状态吸收功率的功率W10101SIUP建筑电工学电工学基础知识1.3电路基本定律几个基本概念支路电路中每一分支称为支路含有电源元件的支路称为有源支路，不含电源元件的支路称为无源支路。支路中流过的电流称为支路电流共有3条支路，3个支路电流建筑电工学电工学基础知识节点3条或3条以上支路的连接点有2个节点，节点a和节点c回路电路中任意闭合路径3个回路（Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ）网孔内部不另含支路的回路2个网孔（Ⅰ和Ⅱ）建筑电工学电工学基础知识一、基尔霍夫电流定律（KCL）对于电路中任意节点，流入节点电流之和恒等于流出该节点电流之和出入ii节点a321III0321III0i节点各支路电流的代数和恒等于零规定流入节点电流取“＋”，则流出节点电流相应取“－”。（节点电流方程）建筑电工学电工学基础知识推广：“广义节点”即包含部分电路的任意闭合面闭合面（虚线表示），有3条支路与闭合面内的电路相连接312III流入闭合面的电流等于流出闭合面的电流建筑电工学电工学基础知识二、基尔霍夫压定律（KVL）从电路的某点出发，沿回路绕行一周，各部分电压降的总和恒等于各部分电压升的总和升降uu回路Ⅰ绕行方向（虚线箭头）:顺时针方向U1、U2、U3沿回路Ⅰ（顺时针方向）电位降;US1、Us2、沿回路Ⅰ（顺时针方向）电位升S2S1321UUUUU（回路电压方程）建筑电工学电工学基础知识S2S1321UUUUU0S2S1321UUUUU0u任意一回路绕行一周，所有元件电压的代数和恒等于零规定电位升取“＋”，则电位降相应取“－”。建筑电工学电工学基础知识S2S1321UUUUU电阻和电压源构成的回路S2S1321UUIRIRIRSkkkuRi流过电阻的电流参考方向与回路绕行方向一致，电阻电压iKRK前取“＋”；电压源电压参考方向与回路绕行方向一致，电压源电压uSK前取“－”。建筑电工学电工学基础知识设想一个闭合回路——回路绕行方向（虚线所示）推广：“广义回路”（假想闭合回路）开口电压Uab?0S3S2S1abUUUUS3S2S1abUUUU0u建筑电工学电工学基础知识电流I和电压Uab？(1)电流I的方向作为回路的绕行方向3081053IIA4I(2)以a、b右侧电路为广义回路V2884585abIU升降uu升降uu建筑电工学电工学基础知识三、基尔霍夫压定律基本应用电路分析和计算的重要依据，基本应用——支路电流法支路电流法以各支路电流为未知量，应用KCL和KVL分别对独立节点和独立回路（网孔）列出相应的方程，从而求解各支路电路的方法①在电路图中标出各支路电流和网孔回路的绕行方向②根据KCL列出节点电流方程③根据KVL列出回路电压方程。④联解方程组，求得各支路电流n个节点，列（n-1）个独立的节点电流方程b条支路，列（b-n+1）个独立的回路电压方程建筑电工学电工学基础知识用支路电流法求电路中支路电流支路数b=3，节点数n=2（1）支路电流的参考方向和网孔Ⅰ和Ⅱ绕行方向（2）选节点a作为独立节点，列节点电流方程0321III建筑电工学电工学基础知识0321III（3）选网孔Ⅰ和Ⅱ为独立回路，列回路电压方程网孔Ⅰ：10102431II0231II网孔Ⅱ：10122632II11332II（4）解方程组求支路电流A11IA32IA23I建筑电工学电工学基础知识任务二：单相正弦交流电流正弦交流电路是指含有正弦交流电源的电路2.1正弦交流电基本概念正弦交流电简称为交流电，即电流和电压随时间按正弦函数规律变化。凡按正弦规律变化的电流、电压等统称为正弦量。一、正弦量的三要素正弦电流)ωsin(imψtIi正弦量的三要素幅值角频率初相建筑电工学电工学基础知识1.周期与频率*周期每秒内变化的次数正弦量变化一次所需的时间*频率用T表示，单位为秒（S）用f表示，单位为赫兹（Hz）fT1我国电力系统交流电的标准频率（又称工频）为50Hz。有些国家如日本、美国等采用60Hz建筑电工学电工学基础知识正弦量每秒变化的弧度数*角频率用ω表示，单位为弧度/秒（rad/s）Tf/22ω*瞬时值正弦量在任意时刻的数值小写字母表示，如i、u*幅值（最大值）瞬时值中最大的数值大写字母，小写小标表示，如Im、Um2.幅值与有效值建筑电工学电工学基础知识*有效值（均方根值）大写字母表示，如I、U有效值与最大值的关系2mII2mUU注意电压高低和电流大小是交流电表测得的电压和电流的数值交流电压220V，指的是有效值)ωsin(imψtIi瞬时值最大值角频率相位初相位i3.初相位建筑电工学电工学基础知识V)30100sin(2100tu幅值141.4V2100mU角频率srad/314100ω初相30u有效值V100221002mUU频率Hz5021002ωf周期S02.05011fT建筑电工学电工学基础知识相位差初相之差比较两个同频率正弦量相位关系两个同频率正弦量相位之差)ωsin(umtUu)ωsin(imtIi相位差iuiutt)ω()ω(iu﹥0u超前于