第1章《电工电子技术》分解

电工电子技术任万强张钢主编中国水利水电出版社第一篇电工技术电工技术:电路、电机、电器控制技术学习关注:基础性、应用性、先进性。知识点和学习要求（1）了解电路的基本组成及各部分的作用，熟悉电气设备额定值及电路工作状态；（2）认识电压、电流参考（正）方向在电路分析中的重要性；掌握电压、电流实际方向与参考方向的联系；掌握电能与电功率概念的不同点。理解电流的热效应，了解电流的热效应在实际工程中和实际生活中的应用。（3）理解基尔霍夫电流和电压定律的内容及其扩展应用；掌握应用两定律分析一般电路的方法和技能。（4）掌握叠加定律和戴维南定理分析电路的步骤和适用场合，并能应用它们对电路进行分析和计算。第1章直流电路1.1电路的组成及基本物理量1.2欧姆定律及电路模型1.3电路的串接及并联1.4电气设备的额定值、电路的几种状态1.5电压源、电流源及其等效变换1.6基尔霍夫定律及其应用1.7电路中电位的计算1.8戴维南定理叠加定理第1章直流电路1.1电路的组成及基本物理量1电路的组成电路是由各种电气器件按一定方式用导线连接组成的总体，它提供了电流通过的闭合路径。这些电气器件包括电源、开关、负载等。电源是把其它形式的能量转换为电能的装置，例如，发电机将机械能转换为电能。图1-1简单电路EUS1图1.1负载:是取用电能的装置，它把电能转换为其它形式的能量。例如，电动机将电能转换为机械能，电热炉将电能转换为热能，电灯将电能转换为光能。导线和开关用来连接电源和负载，为电流提供通路，把电源的能量供给负载，并根据负载需要接通和断开电路。电路的功能和作用有两类：第一类功能是进行能量的转换、传输和分配；第二类功能是进行信号的传递与处理。二电路的基本物理量1.电流电流是由电荷的定向移动而形成的。当金属导体处于电场之内时，自由电子要受到电场力的作用，逆着电场的方向作定向移动，这就形成了电流。直流:其大小和方向均不随时间变化的电流叫恒定电流，简称直流。电流的强弱用电流强度来表示，对于恒定直流，电流强度I用单位时间内通过导体截面的电量QtQI电流的单位是A(安［培］)。在1秒内通过导体横截面的电荷为1C(库仑)时，其电流则为1A。计算微小电流时,电流的单位用mA(毫安)、μA(微安）或nA(1mA=10-3A，1μA=10-6A，1nA=10-9A习惯上，规定正电荷的移动方向表示电流的实际方向。在外电路，电流由正极流向负极；在内电路，电流由负极流向正极。在进行电路计算时，先任意选定某一方向作为待求电流的正方向，并根据此正方向进行计算.1.若计算得到结果为正值，说明了电流的实际方向与选定的正方向相同；2.若计算得到结果为负值，说明电流的实际方向与选定的正方向相反。图1-2表示电流的参考正方向(图中实线所示)与实际方向(图中虚线所示)之间的关系。图1-2电流的方向(a)参考正方向与实际方向一致;(b)参考正方向与实际方向相反I(a)(b)图1.2I2.电场力把单位正电荷从电场中点A移到点B所做的功WAB称为A、B间的电压,用UAB表示，即UAB=电压的单位V(伏［特］)。如果电场力把1C电量从点A移到点B所作的功是1J(焦耳)，则A与B两点间的电压就是1V。kV(千伏），计算较小的电压时用mV(QWAB1kV=103V，1mV=10-3V电压的实际方向规定为从高电位点指向低电位点，即由“+”极指向“－”极，因此，在电压的方向上电位是逐渐降低的。电压总是相对两点之间的电位而言的，所以用双下标表示，一个下标(如A)代表起点，后一个下标(如B)代表终点。电压的方向则由起点指向终点，有时用箭头在图上标明。当标定的参考方向与电压的实际方向相同时(图1-3(a))，电压为正值；当标定的参考方向与实际电压方向相反时(图1-3(b))，电压为负值。图1-3(a)参考正方向与实际方向一致;(b)参考正方向与实际方向相反UAB为正A(a)UAB为负(b)图1.3B＋－AB＋－3.电动势为了维持电路中有持续不断的电流，必须有一种外力，把正电荷从低电位处（如负极B）移到高电位处（如正极A）。在电源内部就存在着这种外力。如图1-4所示，外力克服电场力把单位正电荷由低电位B端移到高电位A端，所做的功称为电动势，用E表示。电动势的单位也是V。如果外力把1C的电量从点B移到点A，所做的功是1J，则电动势就等于1V。电动势的方向规定为从低电位指向高电位，即由“－”极指向“+”极。图1-4电动势EU图1.4ABRLI4.电功率在直流电路中，根据电压的定义，电场力所做的功是W=QU。把单位时间内电场力所做的功称为电功率，则有UItQUPW(瓦［特］)。对于大功率，kW(MW(兆瓦）作单位，对于小功率则用mW(毫瓦）或μW(微瓦）作单位。在电源内部，外力做功，正电荷由低电位移向高电位，电流逆着电场方向流动，将其它能量转变为电能，其电功率为P=EI若计算结果P＞0，说明该元件是耗能元件；若计算结果P＜0，则该元件为供能元件。当已知设备的功率为P时，在t秒内消耗的电能为W=Pt，电能就等于电场力所作的功，单位是J(焦［耳］)。在电工技术中，往往直接用W·s(瓦特秒）作单位，实际上则用kW·h(千瓦小时）作单位，俗称1度电。1kW·h=3.6×106W·s1.2欧姆定律、线性电阻、非线性电阻欧姆定律指出：导体中的电流I与加在导体两端的电压U成正比，与导体的电阻R成反比。一、一段电路的欧姆定律图1-5所示电路，是不含电动势，只含有电阻的一段电路。若U与I正方向一致，则欧姆定律可表示为U=IR(1-3)若U与I方向相反，则欧姆定律表示为U=-IRRIU＋－图1.5图1-5一段电路电阻的单位是Ω(欧［姆］），计量大电阻时用kΩ(千欧）或MΩ(兆欧）。其换算关系为：1kΩ=103Ω，1MΩ=106Ω电阻的倒数1/R=G，称为电导，它的单位为S(西［门子］)。二全电路的欧姆定律图1-6所示是简单的闭合电路，RL为负载电阻，R0为电源内阻，若略去导线电阻不计，则此段电路用欧姆0RREIL(1-4)EU图1.6RLIRO图1-6简单的闭合电路式(1-4)的意义是：电路中流过的电流，其大小与电动势成正比，而与电路的全部电阻成反比。电源的电动势和内电阻一般认为是不变的，所以，改变外电路电阻，就可以改变回路中的电流大小。三线性电阻、非线性电阻在温度一定的条件下，把加在电阻两端的电压与通过电阻的电流之间的关系称为伏安特性。一般金属电阻的阻值不随所加电压和通过的电流而改变，即在一定的温度下其阻值是常数，这种电阻的伏安特性是一条经过原点的直线，如图1-7所示。这种电阻称为线性电阻。图1.7IOI=f(U)U图1-7线性电阻的伏安特性由此可见，线性电阻遵守欧姆定律。电阻其电阻值随电压和电流的变化而变化，其电压与电流的比值不是常数，这类电阻称之为非线性电阻。例如,半导体二极管的正向电阻就是非线性的，它的伏安特性如图1-8所示。半导体三极管的输入、输出电阻也都是非线性的。对于非线性电阻的电路，欧姆定律不再适用。全部由线性元件组成的电路称为线性电路。本章仅讨论线性直流电路。图1.8UOI=f(U)I图1-8二极管正向伏安特性1.3电路的连接由于工作的需要，常将许多电路按不同的方式连接起来，组成一个电路网络。一、电阻的串联由若干个电阻顺序地连接成一条无分支的电路，称为串联电路。如图1-9所示电路，是由三个电阻串联组成的。图1-9电阻的串联IR1U1R2U2R3U3图1.9电阻元件串联有以下几个特点：(1)流过串联各元件的电流相等，即I1=I2=I3;(2)等效电阻R=R1+R2+R3;(3)总电压U=U1+U2+U3;(4)总功率P=P1+P2+P3;(5)电阻串联具有分压作用，即.,,332211RURURURURURU在实际中，利用串联分压的原理，可以扩大电压表的量程，还可以制成电阻分压器。例1．1现有一表头，满刻度电流IQ=50μA，表头的电阻RG=3kΩ，若要改装成量程为10V的电压表，如图1-10解当表头满刻度时，它的端电压为UG=50×10-6×3×103=0.15V。设量程扩大到10V时所需串联的电阻为R，则R上分得的电压为UR=10－0.15=9.85V，故即应串联197kΩ的电阻，方能将表头改装成量程为10V的电压表。Ω19715.010385.93KURURGGR图1-10例1.1图RA图1.10二、电阻的并联将几个电阻元件都接在两个共同端点之间的连接方式称之为并联。图1-11所示电路是由三个电阻并联组成的。并联电路的基本特点是：(1)并联电阻承受同一电压，即U=U1=U2=U3(2)总电流I=I1+I2+I3(3)总电阻的倒数3211111RRRR＋IU1R1I1UU2R2I2U3R3I3－图1.11图1-11电阻的并联即总电导G=G1+G2+G3若只有两个电阻并联，其等效电阻R可用下式计算：R=R1∥R2=式中，符号“∥(4)总功率P=P1+P2+P3(5)分流作用：2121RRRR332211,,RRIIRRIIRRII利用电阻并联的分流作用，可扩大电流表的量程。在实际应用中，用电器在电路中通常都是并联运行的，属于相同电压等级的用电器必须并联在同一电路中，这样，才能保证它们都在规定的电压下正常工作。例1.2有三盏电灯接在110V电源上，其额定值分别为110V、100W,110V、60W,110V、40W，求总功率P、总电流I以及通过各灯泡的电流及等效电阻。解（1）因外接电源符合各灯泡额定值，各灯泡正常发光，故总功率为P=P1+P2+P3=100+60+40=200W（2）总电流与各灯泡电流为：AUPI82.1110200AUPI909.0110100111AUPI545.011060222AUPI364.011040333Ω4.6082.1110IUR(3)等效电阻为1.4电气设备的额定值、电路的几种状态电气设备的额定值，(1)额定电流(IN)：电气设备长时间运行以致稳定温度达到最高允许温度时的电流,称为额定电流。(2)额定电压（UN）：为了限制电气设备的电流并考虑绝缘材料的绝缘性能等因素，允许加在电气化设备上的电压限值，称为额定电压。(3)额定功率（PN）：在直流电路中，额定电压与额定PN=UN·IN电气设备的额定值都标在铭牌上，使用时必须遵守。例如，一盏日光灯，标有“220V60W”的字样，表示该灯在220V电压下使用，消耗功率为60W，若将该灯泡接在380V的电源上，则会因电流过大将灯丝烧毁；反之，若电源电压低于额定值，虽能发光，但灯光暗淡。二电路在工作时有三种工作状态，分别是通路、短路、断路。1.通路（有载工作状态）如图1-]12所示，当开关S闭合，使电源与负载接成闭合回路，电路便处于通路状态。在实际电路中，负载都是并联的，用RLEUS图1.12RLR0图1-12通路的示意图电路中的用电器是由用户控制的，而且是经常变动的。当并联的用电器增多时，等效电阻RL就会减小，而电源电动势E通常为一恒定值，且内阻R0很小，电源端电压U变化很小，则电源输出的电流和功率将随之增大，这时称为电路的负载增大。当并联的用电器减少时，等效负载电阻RL增大，电源输出的电流和功率将随之减小，这种情况称为负载减小。可见，所谓负载增大或负载减小，是指增大或减小负载电流，而不是增大或减小电阻值。电路中的负载是变动的，所以，电源端电压的大小也随之改变。电源端电压U随电源输出电流I的变化关系，即U=f（I）称为电源的外特性，外特性曲线如图1-13所示。根据负载大小，电路在通路时又分为三种工作状态：当电气设备的电流等于额定电流时称为满载工作状态；当电气设备的电流小于额定电流时，称为轻载工作状态；当电气设备的电流大于额定电流时，称为过载工作状态。2.断路所谓断路，就是电源与负载没有构成闭合回路。在图1-12所示电路中，当S断开时，电路即处于断路状态。断路状态的特征是：IOUEIR0U=f(I)图1.13图1-13电源的外特性R=∞，I=0PE=0PL=0U0=E此种情况，也