电工电子技术教案.ppt

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1、电气技术基础1 （电工技术基础）,南京工业职业技术学院,按要求参加实验 培养良好的实验素质 注重实践技能的培养 掌握常用实验仪器的功能及使用方法 理论与实践相结合，互相促进，全面提高 及时完成实验报告,课程的地位、作用及内容框架 1.电气类、电子类专业的基础课程，掌握电工基本知识及分析方法、掌握常用电工仪器仪表的使用，为后续课程学习及技能训练打下必要电工基本知识及技能基础。 2.课程内容共分为六个单元模块，每个单元设置所必须的知识点、基本技能训练及提高技能训练。 3.课程目标是培养学生电气技术术基础理论分析及应用能力，培养学生安全操作、仪器仪表使用、故障处理方法、实践操作规范、常用软件的使用等

2、基本实践能力。培养学生的团队协作、勇于创新、敬业乐业的工作作风。,课程整体预设能力目标 1. 常用电工仪器仪表熟练使用 2. 典型电路分析应用能力 3.电工操作技能：按图接线、数据测量 、故障分析 4. 电路仿真应用能力,课程单元任务： 1.阻抗匹配及负载最大功率测试 2.日光灯线路及功率因数提高 3.三相负载星型及三角形电路测试 4.微分及积分电路测试 5.同名端及变压器 6.非正弦信号仿真,后续相关课程： 电子技术基础、电机及其控制、 电力电子、检测、工厂供电、电气调速等,1 课程的主要内容：介绍教材目录内容 电路理论 直流电路 交流电路 暂态电路 非正弦周期电路 磁路理论 磁路 变压器

3、电磁铁,2 课程的实践动手能力要求：实验、实训要求 3 课程学习的要求：课堂学习、课后复习、 课 后作业及习题练习 4课程成绩：平时成绩：平时课堂学 习、出勤 、作业及配套练习册、实验、期末 5 作业一周交一次,模块一 直流电路（1）,主要内容: 1. 电路的基本物理量 2. 电压和电流的正方向 3. 电路的工作状态 4. 电路的基本定律,电路和电路图,电路: 是电流的通过的路径.,一 电路的组成和作用,中间环节,负载,扩音机电路示意图,信号源 （电源）,1. 电路的作用 （1）电能的传输和转换 （2）信号的传递和处理 2.电路的组成 （1）电源 （2）负载 （3）中间环节,电路的作用与组成部

4、分,电路元件的理想化,在一定条件下突出元件主要的电磁性质，忽略其次要因素，把它近似地看作理想电路元件。,由理想电路元件组成的电路就是电路的电路模型。,电路与电路模型,实际电路：,电路模型：,I,手电筒的电路模型,返回,电流,电荷的定向移动形成电流。 电流的大小用电流强度表示，简称电流。 电流强度：单位时间内通过导体截面的电荷量。,大写 I 表示直流电流 小写 i 表示电流的一般符号,正电荷运动方向规定为电流的实际方向。 电流的方向用一个箭头表示。 任意假设的电流方向称为电流的参考方向。,如果求出的电流值为正，说明参考方向与实际方向一致，否则说明参考方向与实际方向相反。,电压、电位和电动势,电路

5、中a、b点两点间的电压定义为单位正电荷由a点移至b点电场力所做的功。,直流U、交流u,单位、测量方法,电压的实际方向规定由电位高处指向电位低处。 与电流方向的处理方法类似， 可任选一方向为电压的参考方向,例： 当Va =3V Vb = 2V时,U1 =1V,最后求得的U为正值，说明电压的实际方向与参考方向一致，否则说明两者相反。,U2 =1V,+U1 -,U2,对一个元件，电流参考方向和电压参考方向可以相互独立地任意确定，但为了方便起见，常常将其取为一致，称关联方向；如不一致，称非关联方向。,如果采用关联方向，在标示时标出一种即可。如果采用非关联方向，则必须全部标示。,电动势是衡量外力即非静电

6、力做功能力的物理量。外力克服电场力把单位正电荷从电源的负极搬运到正极所做的功，称为电源的电动势。,1、电动势:电源力将单位正电荷从电源的负极移到 正极所作的功。 E= W/q 符号E，单位V 2、电动势的方向：规定为电源力推动正电荷运动的 方向，即从负极指向正极的方向，也就是电位升高的方向。 3、常用电压源： （1）电池 （2）太阳能电池 （3）发电机 （4）电子电源 4、电动势的符号和方向表示,电功率,电场力在单位时间内所做的功称为电功率，简称功率。,功率与电流、电压的关系：,关联方向时： p =ui,非关联方向时： p =ui,p0时吸收功率，p0时放出功率。,例：求图示各元件的功率. （

7、a）关联方向， P=UI=52=10W， P0，吸收10W功率。 （b）关联方向， P=UI=5(2)=10W， P0，吸收10W功率。,（2）电能,式中电压的单位为伏特【V】，电流单位为安培【A】，时间的单位用秒【s】时，电能（或电功）的单位是焦耳【J】。,日常生产和生活中，电能（或电功）也常用度作为量纲：1度=1KWh=1KVAh=3.6,2 电位,在分析电路时，常常要用到电位这个概念,两点间的电压就是这两点的电位差(电势差)。,电压是两点的电位差,而电路中某点的电位在计算中与零电位点的选择有关，没有确切值，只是一个相对值。应特别注意！,因此，在计算电位时，必须选择电路中某点作为参考点，其

8、电位称为参考电位，通常设其为零。,求S打开和闭合时a点电位为多少？,S闭合时b点电位为“地”电位0,S打开时电路为一个闭合全电路,a,a,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,说 明 ：,电压和电位的单位都是V(伏特)、kV(千伏)或mV(毫伏)等。,参考点在电路图中应标上“接地”符号“ ”，含义为电位等于0V (0伏特)。,例题：如图，(a)图可根据电位的概念等效为(b)图。,欧姆定律,欧姆定律： 流过电阻的电流与电阻两端的电压成正比。,或者表示为：,欧姆定律的单位： 在SI中，电

9、阻为欧姆() 或者为千欧(k) 、兆欧(M),根据电路上所选电压和电流方向的不同，欧姆定律的表达式有着不同的符号：,当电流和电压的正方向定义为关联方向时，欧姆定律如(1)式,(1),欧姆定律,当电流和电压的正方向定义为非关联方向时欧姆定律如(2)式,(2),应用欧姆定律对如下各图列出表达式，并求出电阻值。,例题,对于(a)图,对于(b)图,对于(c)图,对于(d)图,例题,计算图中电阻R的值，已知Uab=-12V,解：a点电位比b点电位低12V n点电位比b点电位低7V m点电位比b点电位高3V 于是： n点电位比m 点电位低7+3=10V 即 Unm =-10V,电路的工作状态,最简单的电路

10、为直流电路，本节讨论电路的工作状态、开路状态和短路状态，所讨论的内容有电流、电压及功率等方面的特性。,如图电路：,Us 为电源的电压,U 为电源的端电压,R0 为电源的内阻,R 为电路负载电阻,一. 有载工作状态,当开关闭合，电源与负载接通，即电路处于有载工作状态。,电路中的电流为 I=Us/(R0+R),当电源电压 Us和内阻R0一定时负载电阻R愈小，则电流I愈大。,或写成 U=Us-IR0,可见电源端电压小于电源电压，二者之差为电源内阻的电压降IR0 即 U=Us-IR0 为电源外特性关系式,有载工作状态,当式U=Us-IR0各项乘以电流I时，得到 UI= UsI-I2R0 或 P = P

11、E - P,单位：在SI中功率的单位是瓦特(W)或千瓦(kW),例题,已知:电路中，U=220V，I=5A，内阻R01= R02= 0.6。 求:(1)电源的电动势Us1和负载的反电动势Us2 ； (2)说明功率的平衡关系。,例题1-3.,解：(1) 对于电源 U= Us1-IR01 即 Us1 =U +IR01 =220+50.6=223V U=Us2+IR02 即 Us2 =U -IR01 =220-50.6=217V,例题,(2)由上面可得，Us1=Us2 +IR01+IR02 等号两边同时乘以 I，则得 Us1 I =Us2 I +I2R01+I2R02 代入数据有 223 5=217

12、 5+52 0.6+ 5+52 0.6 1115W=1085W+15W+15W。,其中Us1I是电源产生的功率；Us2I是负载取用的功率；I2R01是电源内阻上损耗的功率；I2R02是反电动势电源(负载)内阻上损耗的功率。 可见电路具有功率平衡特性。,电气设备的名牌.,电气设备或元器件的标定值通常标注在其名牌上或记载在说明书中，这些标定值都是给定的额定值，如UN表示额定电压、IN表示额定电流、PN表示额定功率。 在使用电气设备或元器件时不得超过其额定值，以免影响其正常使用甚至使其遭到损坏。,注意：电气设备工作时的实际值不一定都等于其额定值，要能够加以区别。,满载、过载、欠载,额定值为1W、10

13、0的碳膜电阻，在使用时电流和电压不得超过多大值？,答：由功率P与电阻R的关系公式 P = I2 R 或 P= U2/R,二. 开路工作状态,如图电路：当开关断开时，电路则处于开路(空载)状态。,开路时，外电路的电阻为无穷大，电路中的电流 I 为零。,电源的端电压(称为开路电压或空载电压 U0 ) 等于电源的电动势，电源不输出电能。,电路开路时的特征为,I = 0,U = U0 = Us,P = 0,三. 短路工作状态,当电源两端由于某种原因而联在一起时，称电源被短路。,短路时，可将电源外电阻视为零，电流有捷径流过而不通过负载。,由于R0很小，所以此时电流很大，称之为短路电流 Isc 。,U =

14、 0,I = Isc = Us / R0,P = P = I2 R0,电路短路时的特征为,基尔霍夫定律,根据欧姆定律分析电路，已是中学物理中常用的分析方法，但对某些电路有时是无能为力的。,为此本节讨论基尔霍夫定律，它亦是分析与计算电路的基本方法，适合线性电路及非线性电路。,名词、概念,1. 支路：电路中的每一个分支，称为支路。它是由若干个二端元件串联而成。,2. 节点：电路中三条或三条以上的支路相联结的点称为节点。,a,b,c,d,一条支路中各部分都流过一个相同的电流，称为支路电流。,名词、概念,回路：,网孔：网孔是回路，,a,b,c,d,定律(1)KCL,a,c,d,如图 节点 a ： I1

15、 + I2 = I3,b,c,在任一瞬时，流向某一节点的电流之和等于由该节点流出的电流之和。,由此，KCL亦可表示为：,如图：3个电阻的节点A、B和C可看成为广义节点。,A,B,C,IAB,ICA,IBC,IA,IB,IC,对于节点A、B及C，可分别列出KCL方程：,IAIABICA,IBIBCIAB,ICICAIBC,IA+IB+IC=0 即 I=0,广义节点：,广义节点,I1+I2=I3,广义节点,I=0,定律(2)KVL,由KVL可得： Us2 =I2R2 +I3R3,基尔霍夫定律(KVL):对电路中的任一回路，沿任意绕行方向转一周，其电位降等于电位升。或，电压降的代数和恒为零。,a,c

16、,d,b,c,R1,R2,R3,Us2,Us1,IR=US 或 U=0,广义回路:,直流电路(2):电路的等效变换,电阻的连接及其等效变换 电源模型及其等效变换 受控源及其等效变换,电阻串并联及其等效变换,一、电阻的串联 两个或更多个电阻一个接一个地顺序连接，这些 电阻通过同一电流，这样就称为电阻的串联。,电阻的串联可用一个等 效的电阻代替： R = R1 + R2 分压公式： U = U1 + U2 其中：U1 = I R1 = U2 = I R2 =,测量直流电压常用磁电式伏特计， 测量交流电压用电磁式伏特计,二、电阻的并联,两个或更多个电阻联接在两个公共的节点之间，这种联接方法称为电阻的

17、并联。,并联时，各支路具有相同的电压。,并联电阻的等效值R可表示为：,也可表示为：,式中G称为电导，是电阻的倒数。,两个电阻并联时，各电阻中的电流分别为：,并联电阻的分流公式,并联时，一电阻中的分得的电流与该电阻成反比。,并联电阻愈多总电阻就愈小，总电阻小于其中任一电阻。,电流的测量,电阻的混联计算举例,分析：由a、b端向里看， R2和R3， R4和R5均连接在相同的两点之间，因 此是并联关系，把这4个电阻两两并 联后，电路中除了a、b两点不再有结 点，所以它们的等效电阻与R1和R6 相串联。,【解】 Rab=R1+ R6+(R2/R3)+(R4/R5),习题,计算图中a、b间的等效电阻。,R

18、ab= 2 ,例 题：,如图复联电路，R1=10, R2 =5, R3=2, R4=3,电压U= 125V,试求电流I1。,解: (1) R3、R4串联,(2) R2 与 R34并联,等效为： R234 = R2R34/ (R2+R34)=2.5,R34= R3+ R4=2+3=5 ,(3) 总电阻R可看成时R1与R234的串联, R= R1+R234=10+2.5=12.5,(4) 电流 I1= U/R = 125/12.5=10A,第二节电阻的Y-联结及其等效,一、电阻Y形联结和形联结 1 电阻Y形联结： 2 电阻形联结： 二、电阻的Y形和形的等效变换 1 等效变换的条件： 2 例题分析,

19、如图所示是一种具有桥形结构的电路，其中的电阻既非串联又非并联。 R1、 R3、 R5构成了一个Y形连接 （星形连接），其中各个电阻都 有一端接在一个公共节点上； R1、 R2、 R5构成了一个形连接 （三角形连接），其中各个电阻 分别接在3个端子的每两个之间；,电阻的Y形连接和 形连接的等效变换,公式： Y-变换：,电阻的Y形连接和 形连接的等效变换,公式： -Y变换：,二、电阻的Y形和形的等效变换 1 等效变换的条件：,计算图中a、b间的等效电阻。,1 ,2 ,5.5,1 ,2 ,a,b,3 ,1 1,2 ,1 ,a,b,11/3 ,根据电路，考虑电阻的/联接变换公式,c,电源模型及其等效变

20、换,一个实际电源，若用电路模型来表示，可认为将其内阻R0和电压源Us串联起来等效：,R,(a) 非标准电路图；,(b) 标准等效电路图；,(c) 电压源模型等效电路。,一、电压源,将任何一个电源，看成是由内阻R0和电动势的电压Us串联的电路，即为电压源模型，简称电压源。,Us +,R0,U,R,I,由电路可知：U=Us-IR0,当电源开路时：I=0， U=U0=Us,当电源短路时：U=0， I=IS=Us/R0,电压源外特性,由电源外特性方程U=Us-IR0可得到其外特性曲线。,Us +,R0,U,R,I,电压源,理想电压源,电,压,源,U,I,0,U0=Us,IS=Us/ R0,外特性曲线,

21、由横轴截距可知，内阻R0愈小，则直线愈平。,当R0=0时，端电压恒等于电压源电压Us，为定值；而电流I为任意值 I=Us/R 称其为理想电压源(恒压源)。,电压源外特性,当一电压源内阻R0远小于负载电阻RL时(即R0RL)，内阻压降IR0U, 于是UUS，,U0=Us,外特性曲线,常用的稳压电源可近似认为是理想电压源。,对于电压源 U=Us-IR0当各项除以R0后，,二、电流源,得,或 I = IS I,其中：IS = Us/R0, I= U/R0,根据电流关系得到新的等效电路电流源模型 定值电流IS与内阻R0的并联,Us +,R0,U,R,I,根据上述关系式， I = IS I,当R0=时，

22、I = IS 为定值。而负载两端的电压U=IR为任意值，由负载电阻R和电流 IS 决定，称之为理想电流源或恒流源。,或,根据上述关系式，可知电压源与电流源之间的变换关系：,由上述推导的关系可知，IS = Us/R0 以及内阻R0 不变。,Us +,R0,U,R,I,三、电压源与电流源的等效变换,注意事项：,实际电源可以用两种电路模型表示 电压源和电流源。 电压源与电流源之间可以相互变换。Us与IS的方向相反、内阻R0的数值保持不变； 电源变换只对外电路等效，而对内电路则不等效。 恒压源与恒流源之间不能进行变换； R0为0或都无意义。,试计算1电阻中的电流 I ：,解：,试计算1电阻中的电流 I

23、 ：,(a),第四节 受控源及其等效变换,一、受控源类型,受控源的电压或电流是电路中其它部分电压或电流的函数,压控电压源 (VCVS),u2 = u1, 转移电压比(无量纲常数),流控电压源 (CCVS),u2 = i1, 转移电阻(电阻量纲),+ u1 ,+ u2 ,压控电流源 (VCCS),i2 = g u1,g 转移电导(电导量纲),i2,i1,流控电流源 (CCCS),i2 = i1, 转移电流比(无量纲常数),含受控源的实际电路举例,独立 电压源,独立 电压源,受控 电流源,受控 电压源,(理想),(实际),二、受控源的等效变换,与独立电源等效变换相同：,受控电压源,受控电流源,例

24、将CCCS CCVS,因为本题受控源的控制量 I1 恰好是并联内阻上的电流，应先把 I1 转化为不会消去的电流 I：,I = I1 3I1 = 2I1,受控电流源 3I1 = 1.5I,转化为受控电压源： 1.5I 10 = 15I,+ 15I ,三、含受控源单口网络(无独立源)的简化,例 求所示单口网络的等效电阻,设想在端口加电压源 U,R0=(1 )R,+ U ,例 求所示电路的等效电阻,1.5I,+ 1.8I ,1.2,+ U ,R0 =U / I = 8 ,R0 = 8 ,在分析计算复杂电路的各种方法中，支路电流法是最基本的。 支路电流法的理论依托是基尔霍夫定律。 支路电流法的出发点是

25、以电路中各支路的电流 为未知变量，然后根据基尔霍夫定律列方程组并求解计算。,直流电路（3）： 支路电流法,(1)纵观整个电路，有a、b两个节点；三条支路；两个网孔。 (2)设各支路电流分别为I1、I2及I3，作为待求未知变量。 (3)应用KCL，根据节点列方程，对于节点a 有： I1 + I2 = I3,(4)应用KVL，根据电路的网孔列出方程， -I3R3+Us1-I1R1=0 -I3R3+Us2-I2R2=0,节点电压法,如图电路有一明显特点只有两个节点 a 和 b。节点间的电压 U 称为节点电压，在图中设其正方向由a指向b。通过如下推导可得出节点电压的计算公式。,U=Us1 I1R1 U

26、=Us2 I2R2 U=Us3+ I3R3 U= I4R4,由各支路的电压关系,对于节点a应用KCL，可得：,进而有,U=,+ = 0,I1+I2I3 I4=0,展开整理后，即得到节点电压的公式：,+ +,=,1 R,( ),弥尔曼定理：适合电路只有两个节点。,应用节点电压法求如图电路中的电流。,解：,其中Us1 =140V, Us2=90V, R1=20, R2=5, R3=6,I1,I2,b,=60V,I1=,=,= 4A,I2=,=,= 6A,I3=,=,= 10A,叠加原理,概念：对于线性电路，任何一条支路中的电流，都可以看成是由电路中各个电源(电压源或电流源)分别作用时，在此支路中所

27、产生的电流的代数和。,所谓电源的单独作用，即是在电路中只保 留一个电源，而将其它电源去掉(将电动势用短路线代替、将恒流源断开); 电路中所有的电阻网络不变(电源内阻保持原位不变)。,叠加原理 的应用,b,=,I1 =,Us2,Us1,b,b,I1,I2,Us1,I3,R1,R2,R3,a,b,同样，I2、 I3亦可求得：,Us1,Us2,R2 R1 R2 + R2 R3 + R3 R1,Us1,I3 =,Us2,I3 =,应用叠加原理的注意事项：,应用叠加原理计算复杂电路，就是把一个多电源的复杂电路化为几个但电源电路来计算。 叠加原理就是现性方程的可加性，前面方法几三的电压和电流都是线性方程，

28、所以支路电流和节点电压都可以用叠加原理来求解。 功率的计算与电流或电压都不具有线性关系，所以不能用叠加原理来求解功率。如前面电路中R3的功率P3:,用叠加原理求下图所示电路中的I2。,12V电源单独作用时：,7.2V电源单独作用时：,根据叠加原理: I2 = I2 + I2=1+（1）=0,戴维南定理,在有些情况下，只需计算电路中某一支路中的电流，如计算右图中电流 I3，若用前面的方法需列解方程组，必然出现一些不需要的变量。,为使计算简便些，这里介绍等效电源的方法。,等效电源方法，就是复杂电路分成两部分。待求支路、剩余部分有源二端网络。,I1,I2,b,无源二端网络： 二端网络中没有电源,有源

29、二端网络： 二端网络中含有电源,“等效”是指对端口外等效，即R两端的电压和流过R的电流不变。,注意：,有源二端网络 等效电源,有源二端网络，即是其中含有电源的二端口电路，它只是部分电路，而不是完整电路。,I1,R1,R2,有源二端网络,不论含源二端网络如何复杂，都可以对待求支路等效为一个电源，具有相同的端口电压U和电流 I。,I1,Us1,R1,R2,I2,Us2,有源二端口网络能够由等效电源代替，这个电源可以是电压源模型(由一个恒压源与内阻R0串联)也可以是电流源模型(由一个定值电流I与一个内阻R0并联)，由此可得出等效电源的两个定理。,有源二端网络 等效电源,RL,a,b,U,I,Us,R

30、0,戴维南定理,定理：任何一个有源二端线性网络都可以用一个理想电压源和一个内阻R0串联的电压源来等效代替。,电压源的 Us的数值为有源二端网络的开路电压U0。,内阻 R0 的数值为有源二端网络去源后的网络电阻(令电动势为零，用短路线代替；令恒流源为零，将其开路) 。,戴维南定理的应用,用戴维南定理计算支路电流I3,解：根据戴维南定理，去掉待求支路后的开路电压Uo为：,b,其中Us1 =140V, Us2=90V, R1=20, R2=5, R3=6,内阻R0为：,则I3为,I3=U0/(R0+R3) = 10A,例题：求图中电流IG。,解：根据戴维南定理，将右图分成二端有源线性网络(如下左图)

31、,和,待求支路(如下中图),待求支路的开路电压U0如下：,代入数据，得,U0,V,待求支路的网络电阻R0,将有源二端线性网络化成等效电压源：,V,a,和,则：,A,戴维南定理 练习题,1. 如图所示有源二端网络，用内阻为50k的电压表测出开路电压值是30V，换用内阻为100k 的电压表测得开路电压为50V，求该网络的戴维南等效电路。,有源,U0,二端网络,US =（30/50） RS +30 US =（50/100） RS +50,Rs =200 k US =150V,负载获得最大功率的条件,*R0=RL,Pm=,用戴维南定理计算图中2电阻中的电流,根据戴维南定理，将待求支路断开。,计算有源二端线性网络的开路电压U0，即,计算有源二端线性网络的等效电阻R0，即,进而可得到2电阻中的电流为,