第1章电路的基本概念.ppt

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1、电工学 上册,电工技术,电工技术,第 1 章 电路的基本概念与基本定律,电路的基本概念及其分析方法是电工技术和电子技术的基础。,本章首先讨论电路的基本概念和基本定律，如电路模型、电压和电流的参考方向、基尔霍夫定律、电源的工作状态以及电路中电位的计算等。这些内容是分析与计算电路的基础。,1.1 电路的作用与组成部分,1.1.1 电路的概念,电路是电流的通路，它是为了某种需要由某些电工设备或元件按一定方式组合起来的 。,1.1.2 电路的任务,根据电路结构的不同，不同电路能够完成各种不同的任务。现举两例如下：,a.电力系统,b.扩音机,此电路的作用是实现电能的转换和传输。,其中包括电源、负载和中间

2、环节。,a. 电力系统,韩城发电厂-陕西第一座大型坑口电厂,潘家口水电厂,秦山核电站位于东海之滨美丽富饶的杭州湾畔，是中国第一座依靠自己的力量设计、建造和运营管理的压水堆核电站，总装机容量2300MW。1985年3月动工，1991年12月首次并网发电。它的建成使我国成为继美、英、法、前苏联、加拿大、瑞典之后世界上第七个能够自行设计、建造核电站的国家。,太阳能发电光伏发电,风车,返回,此电路的作用是传递和处理信号。,包括信号源、中间环节和负载。,1.1.3,激励和响应,b. 扩音机,1.激励:电路中电源和信号源的电压或电流称为激励，它推动电路工作。,激励,响应,2.响应:由激励在电路中产生的电压

3、和电流。,3.电路分析:是在已知电路结构和参数的条件下，讨论,与,的关系。,返回,1.2 电路模型,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，,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。,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。,开关,1.3 电压和电流的参考方向,对电路进行分析计算

4、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，在复杂电路中各处电位的高低、电流的方向等很难事先判断出来。因此电路内各处电压、电流的实际方向也就不能确定。为此引入参考方向的规定。,电路举例：,+,_,R1,E1,+,_,E2,R2,R3,I1,I2,I3,c,a,d,b,直流电路,电流的实际方向：,正电荷运动的方向或负电荷运动的反方向；,正弦交变电路,习惯上规定,1.3 电压和电流的参考方向,电压的实际方向：,由高电位端指向低电位端；,电动势的实际方向：,在电源内部由低电位端指向高电位端。,电压、电流的参考方向：,电流的参考方向用箭头表示；电压的参考方向除用极性

5、 “+”、“” 外，还用双下标或箭头表示。,任意假定。,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。,1.3 电压和电流的参考方向,例如：图中若 I = 3 A，则表明电流的实际方向与参考方向相同 ；反之，若 I = 3 A，则表明电流的实际方向与参考方向相反 。,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。,1.3 电压和电流的参考方向,电压的参考方向除用极性“+”、“-”表示外，也可用双下标表示 。,Uab：表示它的参考方向由a端指向b端，也就是说a点的参考极性为“+”， b点的参考极性为“-”。,Uab,a,b,+,Uab是否表示a端的电位高于b端的电位?

6、,1.3 电压和电流的参考方向,电压和电路的关联参考方向（参考方向一致）：,因为电流的方向为正电荷运动的方向，而电流原则上是从电压高端流向电压低端。,图示电路电压和电流参考方向一致。,电压和电流的单位：伏特和安培。,欧姆定律：通过电阻的电流与电压成正比。(线性电阻),表达式,U 、I 参考方向相同,U = RI,U、 I 参考方向相反,图 (a),或,图 (b),I,+,1.4 欧姆定律,图 (c),图 (b) 中若 I = 2 A，R = 3 ， 则 U = 3 ( 2 ) = 6 V,U = RI,U、 I 参考方向相反,电流的参考方向 与实际方向相反,图 (b),I,电压与电流参 考方向

7、相反,返回,线性电阻的伏安特性曲线：为过原点的直线。,电阻分类:线性电阻和非线性电阻。,E,I,U,1.5 电源有载工作、开路与短路,1. 电压与电流,R0,R,a,b,c,d,电源的外特性曲线,当 R0 R 时， 则 U E,说明电源带负载能力强,+,_,+,_,U = RI,或 U = E R0I,1.5.1 电源有载工作,1.5.1 电源有载工作,U = E R0I,2. 功率与功率平衡,UI = EI R0I2,P = 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,

8、E,I,U,R0,R,a,b,c,d,+,_,+,_,讲解:例1.5.1,1.5.1 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,1. U 和 I 的实际方向相反，电流从“+”端流出,则是电源，发出功率；,2. U 和 I 的实际方向相同，电流从“+”端流入,是负载，取用功率。,根据电压、电流的参考方向判别,1. P = UI 为负值，是电源，发出功率；,若电压、电流的参考方向相同,2. P = UI 为正值，是负载，取用功率。,1.5.1 电源有载工作,3. 电源与负载的判别,例 1,已知：图中 UAB= 3 V， I = 2 A,解 P = UI = (2) 3

9、 = 6 W,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？,4. 额定值与实际值,U,+,I,P,电源输出的电流和功 率由负载的大小决定（电源端电压基本不变）,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。（PN、UN、IN）,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。,S1,S2,S3,额定电流为100A的发电机,只接了60A的照明负载,还有40A流到哪里去了?,有一台直流发电机,其铭牌上标有40kW

10、 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？,思考题:,有人打算将110V 100W和110V 40W两只白炽灯串联后接在220V的电源上使用，是否可以？为什么？,分析练习与思考1.5.4,1.5.2 电源开路,电源开路时的特征,I = 0,U = U0 = E,P = 0,当开关断开时，电源则处于开路(空载)状态。,U,IS,1.5.3 电源短路,U = 0,I = IS = E / R0,P = 0,PE = P = R0IS2,E,R0,R,b,c,d,+,_,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

11、被短路。,使电源遭受机械损坏。,为防止事故发生，需在电路中接入熔断器或自动断路器，用以保护电路设备。,U = 0,I 视电路而定,1.5.3 电源短路,由于某种需要将电路的某一段短路，称为短接。,U,I,E,R0,R,+,_,R1,变压器进行短路试验:目的是测量某些参数。,2.结点 电路中三条或三条 以上支路连接的点,1.支路 电路中的每一分支,3.回路 由一条或多条支路组成的闭合电路,如 acb ab adb 流过支路的电流称为支路电流,如 abca adba adbca,1.6 基尔霍夫定律,如 a,b,+,_,R1,E1,+,_,E2,R2,R3,I1,I2,I3,c,a,d,b,概念,

12、(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恒等于零。,1.6.1 基尔霍夫电流定律(KCL),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,1.6.1 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,I1 I2 + I3 + I4 = 0,例 1 上图中若 I1 = 9 A， I2 = 2 A，I4 = 8 A，求 I3 。,9 ( 2) + I3 + 8 = 0,解,把已知

13、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 = 19 A,IA,IB,IAB,IBC,ICA,KCL 推广应用：包围部分电路的任一假想的闭合面,即 I = 0,IC,IA + 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。,A,B,C,对 A、B、C 三个结点 应用 KCL 可列出：,IA = IAB ICA,IB = IBC IAB,IC = ICA IBC,上列三式相加，便得,1.6.2 基尔霍夫电压定律(KVL)

14、,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。,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 = 0,1.6.2 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 KVL 方程式。,U1 U2 + U4 U3 = 0,根据电压参考方向，回路 c b d a c KVL 方程式，为,+,_,R1,E1,+,_,E2,R2,U2,I1,U1,c,a,d,b,+,_,U3,+,U4,_,1.6.2 基尔霍夫电压定律(KVL),I2,U1 U2 + U4 U3 = 0,上式也可改写

15、为 U3 U4 = E1 E2,+,_,R1,E1,+,_,E2,R2,U2,I1,U1,c,a,d,b,+,_,U3,+,U4,_,即 U = 0,即 U = E,或 I1 R1 I2R2 = E1 E2,即 IR = E,KVL 推广应用于假想的闭合回路,E RI U = 0,U = E RI,或,根据 KVL 可列出,根据 U = 0,UAB = UA UB,UA UB UAB = 0,例 2 图中若 U1= 2 V，U2 = 8 V，U3 = 5 V，U5 = 3 V， 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

16、方向如图示。,沿顺时针方向列写回路的 KVL 方程式，有,返回,U1 + U2 U3 U4 + U5 = 0,(2)+ 8 5 U4+(3)= 0,U4 = 2 V,I = 1 A,沿顺时针方向列写回路的 KVL 方程式，有,代入数据，有,U4 = IR4,返回,电位的概念：,1.7 电路中电位的概念及计算,电路中某一点的电位是 指由这一点到参考点的电压。,电路的参考点可以任意选取。,通常认为参考点的电位为零。而其他各点的电位都同它比较，比它高的为正，比它低的为负。,Va = E1,Vc = E2,Vb = I3 R3,若以 d 为参考点， 则：,+E1, E2,简 化 电 路,+,_,R1,

17、E1,+,_,E2,R2,R3,I3,a,b,c,d,接地的含义？,例 1 电路如图所示,分别以 a、b 为参考点，计算 c 和 d 点的电位及 c 和 d 两点间的电压。,2 ,10 V,+,5 V,+,3 ,b,c,d,解 以 a 为参考点,I,I =,= 3 A,VC = 3 3 = 9 V,VD = 3 2= 6 V,以 b 为参考点,VD = 5 V,VC = 10 V,UCD = VC VD= 15 V,a,UCD = VC VD = 15 V,返回,小结：,电路中某一点的电位等于该点到参考点的电压；,电路中各点的电位随参考点选的不同而改变，但是任意两点间的电压不变(电位差不变)。,电位值是相对的,参考点选得不同，电路中其它各点的电位也将随之改变； 电路中两点间的电压值是固定的，不会因参考点的不同而改变。,注意：电位和电压的区别,电工技术,