电子电工技术基础

第1章电路分析基础第2章正弦交流电路第3章三相交流电路第4章磁路与变压器第5章异步电动机及其控制第二篇理解电流、电压参考方向的问题；掌握基尔霍夫定律及其具体应用；了解电气设备额定值的定义；熟悉电路在不同工作状态下的特点；深刻理解电路中电位的概念并能熟练计算电路中各点的电位。第二篇1.1电路分析基础知识1.2电气设备的额定值及电路的工作状态1.3基本电路元件和电源元件1.4电路定律及电路基本分析方法1.5电路中的电位及其计算方法1.6叠加定理1.7戴维南定理第二篇1.1电路分析基础知识1、导体、绝缘体和半导体原子核原子核中有质子和中子，其中质子带正电，中子不带电。绕原子核高速旋转的电子带负电。自然界物质的电结构：电子正电荷负电荷=原子结构中：原子核导体的外层电子数很少且距离原子核较远，因此受原子核的束缚力很弱，极易挣脱原子核的束缚游离到空间成为自由电子，即导体的特点就是内部具有大量的自由电子。原子核半导体的外层电子数一般为4个，其导电性界于导体和绝缘体之间。原子核绝缘体外层电子数通常为8个，且距离原子核较近，因此受到原子核很强的束缚力而无法挣脱，我们把外层电子数为8个称为稳定结构，这种结构中不存在自由电子，因此不导电。当外界电场的作用力超过原子核对外层电子的束缚力时，绝缘体的外层电子同样也会挣脱原子核的束缚成为自由电子，这种现象我们称为“绝缘击穿”。绝缘体一旦被击穿，就会永久丧失其绝缘性能而成为导体。1、绝缘体是否在任何条件下都不导电？2、半导体有什么特殊性？半导体的导电性虽然介于导体和绝缘体之间，但半导体在外界条件发生变化时，其导电能力将大大增强；若在纯净的半导体中掺入某些微量杂质后，其导电能力甚至会增加上万乃至几十万倍，半导体的上述特殊性，使它在电子技术中得到了极其广泛地应用。负载：2、电路的组成与功能电路——由实际元器件构成的电流的通路。电路组成电源：电路中提供电能的装置。如发电机、蓄电池等。在电路中接收电能的设备。如电动机、电灯等。中间环节：电源和负载之间不可缺少的连接、控制和保护部件，如连接导线、开关设备、测量设备以及各种继电保护设备等。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。电路的功能3、电路模型和电路元件电源负载实体电路中间环节与实体电路相对应、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，其电特性惟一、精确，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。前提是：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，这种电路称为集总参数元件的电路。集总参数元件的特征1.在元件中所发生的电磁过程都集中在元件内部进行，其次要因素可以忽略的理想化电路元件。如前面提到的无源电路元件R，只具有耗能的电特性；L只具有储存磁场能量的电特性；C只具有储存电场能量的电特性。2.对于集总参数元件，任何时刻，从元件一端流入的电流，恒等于从元件另一端流出的电流，并且元件两端的电压值是完全确定的。4.电路中的电压、电流及其参考方向（1）电流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：idqdt=……（1-1）1A=103mA=106μA=109nAIQt=……（1-2）电荷有规则的定向移动形成电流。计量电流大小的物理量称为电流强度，简称电流。定义式为：若电流的大小、方向均不随时间变化，则表达式为：在电工技术的问题分析中，仅仅指出电流的大小是不够的，通常规定以正电荷移动的方向为电流的参考正方向。dqdwuababQWUabab直流情况下（2）电压高中物理学中对电压的定义：电场力把单位正电荷从电场中的一点移到另一点所做的功。表达式为：注意：物理量用小字表示变量，用大写表示恒量。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，它们之间的换算关系为：1V=103mV=10－3KV电工技术的问题分析中，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。从工程应用的角度来讲，电路中的电压是产生电流的根本原因；在数值上，电压等于电路中两点电位的差值。（3）电流、电压的参考方向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。在电路图上预先标出电压、电流的参考方向，目的是为解题时列写方程式提供依据。因为，只有参考方向标定的情况下，方程式各电量前的正、负号才能确定。I为什么要在电路图中预选标出参考方向？–+USR0RI设参考方向下US=100V，I=－5A，则说明电源电压的实际方向与参考方向一致；电流为负值说明其实际方向与图中所标示的参考方向相反。参考方向一经设定，在分析和计算过程中不得随意改动。方程式各量前面的正、负号均应依据参考方向写出，而电量的真实方向是以计算结果和参考方向二者共同确定的。思考回答1.在电路分析中，引入参考方向的目的是什么？2.应用参考方向时，你能说明“正、负”、“加、减”及“相同、相反”这几对词的不同之处吗？电路分析中引入参考方向的目的是：为分析和计算电路提供方便和依据。应用参考方向时，“正、负”是指在参考方向下，电压、电流数值前面的正负号，如某电流为“－5A”，说明其实际方向与参考方向相反，某电压为“＋100V”，说明该电压实际方向与参考方向一致；“加、减”指参考方向下电路方程式中各量前面的加、减号；“相同”是指电压、电流为关联参考方向，“相反”指的是电压、电流参考方向非关联。UItW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•h5.电能、电功率和效率（1）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。UItUIttWP电功率是用来表示电流做功快慢的物理量。用电器正常工作时的电压叫额定电压，在额定电压下的电功率叫做额定功率。（2）电功率电工技术中，单位时间内电流所作的功称为电功率。电功率用“P”表示：国际单位制：U【V】，I【A】，电功率P用瓦特【W】实际加在用电器两端的电压叫实际电压，在实际电压下的电功率叫实际功率。只有在实际电压恰好与额定电压相等时，实际功率才等于额定功率。%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。（3）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。想想练练1、某用电器的额定值为“220V，100W”，此电器正常工作10小时，消耗多少焦耳电能？合多少度电？2、一只标有“220V，60W”的电灯，当其两端电压为多少伏时电灯能正常发光？正常发光时电灯的电功率是多少？若加在灯两端的电压仅有110伏时，该灯的实际功率为多少瓦？额定功率有变化吗？3、某电阻接在6伏的直流电源上，已知某1分钟单位时间内通过该电阻的电量为3个库仑，求在这1分钟内电阻上通过的电流和电流所做的功各为多少？3A，1080J3600000J，1度电220V，60W；15W，不变。电路由哪几部分组成？试述电路的功能？为何要引入参考方向？参考方向和实际方向有何联系与区别？何谓电路模型？理想电路元件与实际元器件有何不同？如何判断元件是电源还是负载？学好本课程，应注意抓好四个主要环节：提前预习、认真听课、及时复习、独立作业。还要处理好三个基本关系：听课与笔记、作业与复习、自学与互学。1.2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（a）开路＋U=US－I＝0S＋US－RSRL＋U=US－IRS－＋U=0－I＝US/RSI＝US÷(RS＋RL)（b）通路S＋US－RSRLS＋US－RSRL（c）短路右下图电路，若已知元件吸收功率为－20W，电压U=5V，求电流I。+UI元件分析：由图可知UI为关联参考方向，因此:A4520UPI•举例2：右下图电路，若已知元件中电流为I=－100A，电压U=10V，求电功率P，并说明元件是电源还是负载。+UI元件解：UI非关联参考，因此:元件吸收正功率，说明元件是负载。W1000)100(10UIP1.电源外特性与横轴相交处的电流=？电流工作状态？2.该电阻允许加的最高电压=？允许通过的最大电流=？3.额定电流为100A的发电机，只接了60A的照明负载，还有40A电流去哪了？4.电源的开路电压为12V,短路电流为30A,则电源的US=?RS=？UI0U0I=?“1W、100Ω”iuR1.3基本电路元件和电源元件1.电阻元件R线性电阻元件伏安特性0ui由电阻的伏安特性曲线可得，任一瞬时，电阻元件上电压和电流的关系为即时对应关系，即：因此，电阻元件称为即时元件。即时RiRuuiP22电阻产品实物图电阻元件图符号元件上的电压、电流关系遵循欧姆定律。电阻元件通过电流就要发热，消耗的能量为：2.电感元件L线性电感元件韦安特性0Ψi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：dtdiLuL显然，只有电感元件上的电流221LiWL电感产品实物图电感元件图符号发生变化时，电感两端才有电压。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：3.电容元件线性电容元件库伏特性0qu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：dtduCiC电容元件的工作方式就是充放电。2C21CuWC电容产品实物图电容元件图符号因此，只有电容元件的极间电压发生变化时，电容支路才有电流通过。电容元件也是动态元件，其储存的电场能量为：4.电源元件任何电源都可以用两种电源模型来表示，输出电压比较稳定的，如发电机、干电池、蓄电池等通常用电压源模型(理想电压源和一个电阻元件相串联的形式)表示；柴油机组汽油机组蓄电池各种形式的电源设备图输出电流较稳定的：如光电池或晶体管的输出端等通常用电流源模型(理想电流源和一个内阻相并联的形式)表示。US+_R0ISR0理想电压源的外特性0UI电压源模型的外特性0UI理想电压源和实际电压源模型的区别S＋US－R0URL＋U－电压源