电工技术第一章-直流电路课件.ppt
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- 电工 技术 第一章 直流 电路 课件
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1、电工技术电工技术1.1 1.1 电路及基本物理量电路及基本物理量1.2 1.2 电路的工作状态电路的工作状态1.3 1.3 电压源与电流源及等效变换电压源与电流源及等效变换1.4 1.4 基尔霍夫定律基尔霍夫定律1.5 1.5 支路电流法支路电流法1.6 1.6 节点电压法节点电压法1.7 1.7 叠加定理叠加定理1.8 1.8 戴维南定理与诺顿定理戴维南定理与诺顿定理理解电压与电流参考方向的意义;理解电压与电流参考方向的意义;理解电路的基本定律并能正确应用;理解电路的基本定律并能正确应用;了解电路的工作状态,理解电功率和额定值的意义;了解电路的工作状态,理解电功率和额定值的意义;会计算电路中
2、各点的电位。会计算电路中各点的电位。掌握实际电源的两种模型及其等效变换。掌握实际电源的两种模型及其等效变换。掌握支路电流法、叠加定理和戴维南定理等掌握支路电流法、叠加定理和戴维南定理等 电路的基本分析方法电路的基本分析方法;本章要求本章要求:功能功能a a 能量的传输、分配与转换;能量的传输、分配与转换;b b 信息的传递、控制与处理。信息的传递、控制与处理。建立在同一电路理论基础上。建立在同一电路理论基础上。由电工设备和电气器件按预期由电工设备和电气器件按预期目的连接构成的电流的通路。目的连接构成的电流的通路。共性共性实际电路实际电路 电路是电流的通路,是为了某种需要由电工设电路是电流的通路
3、,是为了某种需要由电工设备或电路元件按一定方式组合而成。备或电路元件按一定方式组合而成。第一节第一节 电路及基本物理量电路及基本物理量 一、电路的组成及电路模型一、电路的组成及电路模型1 1、电路的组成、电路的组成 电源:电源:将非电能转换成电能的装置将非电能转换成电能的装置(干电池干电池,蓄电池蓄电池,发电机发电机)或信号源。或信号源。中间环节:中间环节:把电源与负载连接起来的部分把电源与负载连接起来的部分(连接导线连接导线,开关开关)负载:负载:将电能转换成非电能的用电设备将电能转换成非电能的用电设备(电灯电灯,电炉电炉,电动机电动机)电路的组成电路的组成EIRU+_负载负载电源电源10B
4、ASE-T wall plate导线导线电池电池开关开关灯泡灯泡2 2、电路的作用、电路的作用l电能传输和转换电能传输和转换发电机发电机升压变压器升压变压器降压变压器降压变压器电灯电炉电灯电炉热能热能,水能水能,核核能转电能能转电能传输分配电能传输分配电能电能转换为光能电能转换为光能,热能和机械能热能和机械能l信号的传递和处理信号的传递和处理放大器放大器话筒话筒扬声器扬声器将语音转换为电将语音转换为电信号信号(信号源信号源)信号转换、放大、信信号转换、放大、信号处理号处理(中间环节中间环节)接受转换信号的设接受转换信号的设备备(负载负载)将实际元件理想化,由理想化的电路元件组成的电路。将实际元
5、件理想化,由理想化的电路元件组成的电路。EIRU+_例如:例如:理想化理想化导线导线理想化理想化元件元件今后我们分析的都是今后我们分析的都是电路模型,简称电路。电路模型,简称电路。3 3、电路的模型、电路的模型理想化理想化电源电源4.4.模型元件模型元件l理想电路元件理想电路元件(模型元件)(模型元件)对实际电路元件进行科学的概对实际电路元件进行科学的概括和抽象,形成一些具有特定括和抽象,形成一些具有特定电磁性质的理想元件。电磁性质的理想元件。5种基本的模型元件:种基本的模型元件:电阻元件:电阻元件:表示消耗电能的元件表示消耗电能的元件电感元件:电感元件:表示产生磁场,储存磁场能量的元件表示产
6、生磁场,储存磁场能量的元件电容元件:电容元件:表示产生电场,储存电场能量的元件表示产生电场,储存电场能量的元件电压源和电流源:电压源和电流源:表示将其它形式的能量转变成表示将其它形式的能量转变成 电能的元件。电能的元件。u无源元件无源元件电阻电阻:电路中消耗电能的元件。电路中消耗电能的元件。线性电路线性电路:由线性元件和电源元件组成的电路由线性元件和电源元件组成的电路.(常用单位:(常用单位:、k k、M M )Riuiu线性电阻线性电阻ui非线性电阻非线性电阻伏伏-安安 特性特性没有强调是非没有强调是非线性时都默认线性时都默认为线性元件。为线性元件。电容电容:单位电压下存储的电荷,电路中储存
7、电场能的元件。单位电压下存储的电荷,电路中储存电场能的元件。C+(单位:(单位:F,F,F,pFF,pF)+-+q-quiuqC dtduCdtdqi当 Uu(直流)时,0dtdu0i所以所以,在直流电路中电容相当于断路(开路)在直流电路中电容相当于断路(开路)+_电感电感:单位电流产生的磁链,电路中储存电场能的元件。单位电流产生的磁链,电路中储存电场能的元件。(单位:(单位:H,H,mHmH,H H)uiiNL+u i Luei+dtdiLdtdNedtdiLeu磁通匝数当 Ii(直流)时,0dtdi0u所以所以,在直流电路中电感相当于短路在直流电路中电感相当于短路.无源元件小结 理想元件的
8、特性(u 与 i 的关系)LCRiRudtdiLudtduCi UR1R2LCR1UR2U为直流电压时,以上电路等效为注意 L、C 在不同电路中的作用u电源元件电源元件理想电压源理想电压源+-U=定值U=定值+-I ISUSUO OI IU U 恒压源恒压源E+_理想电流源理想电流源SIO OI IU U-I=定值I=定值+U USI恒流源恒流源Is5 5种基本理想电路元件有三个特征:种基本理想电路元件有三个特征:只有两个端子;只有两个端子;可以用电压或电流按数学方式描述;可以用电压或电流按数学方式描述;不能被分解为其他元件。不能被分解为其他元件。电路分析电路分析在已知电路结构与元件参数情况在
9、已知电路结构与元件参数情况 下研究电路激励与响应之间的关系。下研究电路激励与响应之间的关系。激励激励推动电路工作的电源的电压或电流。推动电路工作的电源的电压或电流。响应响应由于电源或信号源的激励作用,在由于电源或信号源的激励作用,在 电路中产生的电压与电流。电路中产生的电压与电流。二、电路中的基本物理量及其正方向二、电路中的基本物理量及其正方向 电路中的主要物理量有电压、电流、电荷、磁链、能电路中的主要物理量有电压、电流、电荷、磁链、能量、电功率等。在线性电路分析中人们主要关心的物理量是量、电功率等。在线性电路分析中人们主要关心的物理量是电流、电压和功率。电流、电压和功率。1 1、电流、电流I
10、 I dtdqi 定义:定义:电荷的定向移动形成电流。电荷的定向移动形成电流。电流大小:电流大小:单位时间内通过导体截面的电量。单位时间内通过导体截面的电量。大写大写 I I 表示直流电流表示直流电流小写小写 i i 表示电流的一般符号表示电流的一般符号单位:单位:A(安培)、(安培)、kA、mA、A1kA=103A 1mA=10-3A 1 A=10-6A 在复杂电路中难于判断元件中物理量的实际方向,在复杂电路中难于判断元件中物理量的实际方向,电路如何求解?电路如何求解?电流方向AB?电流方向BA?U1ABRU2IR方向方向实际方向:正电荷的运动方向。实际方向:正电荷的运动方向。参考方向:任意
11、假定的方向,为了方便分析电路。参考方向:任意假定的方向,为了方便分析电路。IIaabbIIaabb参考方向参考方向实际方向实际方向i 0i 0 吸收功率吸收功率 负载性元件负载性元件P0 发出功率发出功率 电源性元件电源性元件UI非非关联关联正正方向方向P=-UI例例 求图示电路中各求图示电路中各方框所代表的元件吸方框所代表的元件吸收或产生的功率。收或产生的功率。已知:U1=1V,U2=-3V,U3=8V,U4=-4V,U5=7V,U6=-3V,I1=2A,I2=1A,,I3=-1A 564123I2I3I1+U6U5U4U3U2U1解解)(发发出出W221111IUP)(发出发出W62)3(
12、122IUP(吸收)W1628133IUP(吸收)W3)1()3(366IUP)(发出发出W7)1(7355IUP)(发出发出W41)4(244IUP对一完整的电路,满足:发出的功率吸收的功率对一完整的电路,满足:发出的功率吸收的功率564123I2I3I1+U6U5U4U3U2U1已知:U1=1V,U2=-3V,U3=8V,U4=-4V,U5=7V,U6=-3V,I1=2A,I2=1A,,I3=-1A 定义定义:电气设备在正常运行时的规定使用值电气设备在正常运行时的规定使用值作用:反映电气设备的使用安全性;表示电气设备的使用作用:反映电气设备的使用安全性;表示电气设备的使用 能力。能力。例:
13、一只例:一只220220V,60WV,60W的白炽灯的白炽灯,接在接在220220V V的电源上,试求通的电源上,试求通过电灯的电流和电灯在该电压下工作时的电阻。如果每晚工过电灯的电流和电灯在该电压下工作时的电阻。如果每晚工作作3h(3h(小时小时),问一个月消耗多少电能,问一个月消耗多少电能?电气设备工作时的实际值不一定都等于其额定值。电气设备工作时的实际值不一定都等于其额定值。A0.273A22060UPI解解:通过电灯的电流为通过电灯的电流为6 6、额定值、额定值欠载欠载(轻载轻载):I II IN N ,P PP II IN N ,P PP PN N (设备易损坏设备易损坏)额定工作状
14、态:额定工作状态:I=II=IN N ,P=PP=PN N(经济合理安全可靠经济合理安全可靠)0680.273220IUR一个月用电一个月用电W=Pt=60W(3 30)h =0.06kW 90h =5.4kW.h第二节第二节 电路工作状态电路工作状态 一、有载运行状态一、有载运行状态开关闭合开关闭合,接通电源与负载。接通电源与负载。RREI 0U=IR或或 U=E IRoUI=EI IRoR0ER+I+U电流的大小由负载决定。电流的大小由负载决定。在电源有内阻时,在电源有内阻时,I I U U 。电源输出的功率由负载决定。电源输出的功率由负载决定。当当 R R0 0R R 时,则时,则U U
15、 E E ,表明,表明当负载变化时,电源的端电压变化当负载变化时,电源的端电压变化不大,即带负载能力强。不大,即带负载能力强。P=PE P负载负载取用取用功率功率电源电源产生产生功率功率内阻内阻消耗消耗功率功率R0ER+I+U电源的外特性曲线电源的外特性曲线表示电源端电压与输出表示电源端电压与输出电流之间的关系曲线,电流之间的关系曲线,称为外特性曲线。称为外特性曲线。U=IR=E IR0IU0EIR0例例:已知已知:电路中电路中U=220V,I=5A,内阻内阻R01=R02=0.6。求求:(1)电源的电动势电源的电动势E1和负载的反电动势和负载的反电动势E2;(2)说明功率的平衡关系。说明功率
16、的平衡关系。R01E1UI+R02E2+解:解:(1)对于电源对于电源 U=E1-U1=E1-IR01 即即 E1=U+IR01 =220+5 0.6=223V U=E2+U2=E2+IR02 即即 E2=U-IR01=220-5 0.6=217V(2)由上面可得,由上面可得,E1=E2+IR01+IR02 等号两边同时乘以等号两边同时乘以 I,则得则得 E1 I=E2 I+I2R01+I2R02代入数据有代入数据有 223 5=217 5+52 0.6+5+52 0.6 1115W=1085W+15W+15W。特征特征:I=0电源端电压电源端电压 (开路电压开路电压 )负载功率负载功率U=U
17、0c=EP=0开路处的电流等于零;开路处的电流等于零;I =0I =0开路处的电压开路处的电压 U U 视电路情况而定。视电路情况而定。电路中某处断开时的特征电路中某处断开时的特征:I+Uo有有源源电电路路IRoR EU0c 二、开路状态二、开路状态 开关断开,电路断开。开关断开,电路断开。电源外部端子被短接电源外部端子被短接 特征特征:0SREII Uo=0 PE=P=IR0P=0短路处的电压等于零;短路处的电压等于零;U U =0=0短路处的电流短路处的电流 I I 视电路情况而定。视电路情况而定。I+U有有源源电电路路IR0R EU0 三、短路状态三、短路状态 电压源是由电动势电压源是由
18、电动势 E E和内和内阻阻 R R0 0 串联的电源的电路模型。串联的电源的电路模型。OSREI 电压源电压源第三节第三节 电压源与电流源及等效变换电压源与电流源及等效变换 一、实际电源的两种模型一、实际电源的两种模型1 1、电压源、电压源例例1 1:输出电输出电压是一定值,恒等于电动势。压是一定值,恒等于电动势。对直流电压,有对直流电压,有 U U E E。恒压源中的电流由外电路决定。恒压源中的电流由外电路决定。内阻内阻R R0 0 =0=0设设 E=10 VE=10 V,接上,接上R RL L 后,恒压源对外输出电流。后,恒压源对外输出电流。当当 R RL L=1=1 时,时,U=10 V
19、U=10 V,I=10AI=10A 当当 R RL L=10 =10 时,时,U=10 VU=10 V,I=1AI=1A外特性曲线外特性曲线 电压恒定,电电压恒定,电流随负载变化流随负载变化0SRUII 电流源的外特性电流源的外特性电流源是由电流电流源是由电流 I IS S 和内阻和内阻 R R0 0 并联的电源的电路模型。并联的电源的电路模型。由上图电路可得由上图电路可得:电流源电流源电流源模型电流源模型2 2、电流源、电流源(2)(2)输出电输出电流是一定值,恒等于电流流是一定值,恒等于电流 I IS S (3)(3)恒流源两端的电压恒流源两端的电压 U U 由外电路决定由外电路决定(1)
20、(1)内阻内阻R R0 0 =设设 I IS S=10 A=10 A,接上,接上R RL L 后,恒流源对外输出电流。后,恒流源对外输出电流。RL当当 R RL L=1=1 时,时,I I=10A=10A,U U=10 V=10 V当当 R RL L=10 =10 时,时,I I=10A=10A,U U=100V=100V IUISOIISU+_电流恒定,电压随负载变化。电流恒定,电压随负载变化。二、电压源与电流源的等效变换二、电压源与电流源的等效变换IR0+-EbaUab0IREUabIIIRERUSab00IRUIabS0UabISabIR00SREI u等效变换时,两电源的参考方向要一一
21、对应。等效变换时,两电源的参考方向要一一对应。u电压源和电流源的等效关系只对外电路而言,对电源内部电压源和电流源的等效关系只对外电路而言,对电源内部 则是不等效的。则是不等效的。注意事项:注意事项:例:当例:当R RL L=时,电压源的内阻时,电压源的内阻 R R0 0 中不损耗功率,中不损耗功率,而电流源的内阻而电流源的内阻 R R0 0 中则损耗功率。中则损耗功率。u任何一个电动势任何一个电动势 E E 和某个电阻和某个电阻 R R 串联的电路,都可化为串联的电路,都可化为 一个电流为一个电流为 I IS S 和这个电阻并联的电路。和这个电阻并联的电路。abIUabIsaE+-bI0ERE
22、IoS(等效互换关系不存在)u理想电压源与理想电流源之间理想电压源与理想电流源之间无等效关系无等效关系。aE+-bIsaE+-baE+-bROu理想电源的化简理想电源的化简与理想电压源与理想电压源并联的并联的元件元件可去掉可去掉aE+-bIsabIsabRIs与理想电流源串联与理想电流源串联的的元件元件可去掉可去掉多个电源串联时需要都转化为理想电压源再合并:多个电源串联时需要都转化为理想电压源再合并:n21E.EEEn21I.III(电压源不能并联)(电流源不能串联)多个电源并联时需要都转化为理想电流源再合并:多个电源并联时需要都转化为理想电流源再合并:E2+-+-E1I1I2111REI 3
23、33REI R1R3IsR2R5R4I3I1I应用举例-+IsR1E1+-R3R2R5R4IE3I=?(接上页)IsR5R4IR1/R2/R3I1+I3R1R3IsR2R5R4I3I1I454RRREEIdd+RdEd+R4E4R5I-(接上页)ISR5R4IR1/R2/R3I1+I3 4432132131/RIERRRRRRRIIESdd解解:+abU2 5V(a)+abU5V(c)+a+-2V5VU+-b2(c)+(b)aU 5A2 3 b+(a)a+5V3 2 U+a5AbU3(b)+A1A22228 I例例3:解:解:2 +-+-6V4VI2A 3 4 6 1 2A3 6 2AI4 2
24、 1 1AI4 2 1 1A2 4AA2A3122 II4 2 1 1A2 4A1 I4 2 1A2 8V+-I4 1 1A4 2AI2 1 3A例例4 4 U U1 110V10V,I IS S2A2A,R R1 11 1,R R2 22 2,R R3 35 5 R R1 1(1)(1)求电阻求电阻R R中的电流中的电流I I;(2)(2)计算理想电压源计算理想电压源U U1 1中的电流中的电流I IU1U1和理和理想电流源想电流源I IS S两端的电压两端的电压U UISIS;(3)(3)分析功率平衡。分析功率平衡。解:解:(1)(1)由电源的性质及电源的等效变换可得:由电源的性质及电源的
25、等效变换可得:A10A110111 RUIA6A22102S1 IIIaIRISbI1R1(c)IR1IR1RISR3+_IU1+_UISUR2+_U1ab(a)aIR1RIS+_U1b(b)(2)(2)由图由图(a)(a)可得:可得:A4A4A2S1R IIIA2A51031R3 RUI理想电压源中的电流理想电压源中的电流A6A)4(A2R1R3U1 III理想电流源两端的电压理想电流源两端的电压V10V22V61S2S2IS IRRIIRUUaIRISbI1R1(c)aIR1RIS+_U1b(b)各个电阻所消耗的功率分别是:各个电阻所消耗的功率分别是:W36=61=22RIPRW16=41
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