电工与电子技术基础 - 第1章

如何学好中级电工课程应抓好四个环节：提前预习课本，准时认真听课，及时完成习题，定时复习计划。处理好三个关系：听课与笔记的关系，习题与复习的关系，工作与学习的关系。电工与电子技术基础（教案）第一章电路分析基础第二章正弦交流电路第三章三相交流电路第四章电路的暂态过程第五章磁路与铁心线圈电路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。1.电路的模型电路——由实际元器件构成的电流的通路。（1）电路的组成电源是电路中提供电能的装置。如发电机、蓄电池等。负载是在电路中接收电能的设备。如电动机、电灯等。中间环节是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。一.电路分析基础知识电路由电源、负载、中间环节三个部分组成。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。（2）电路的功能（3）电路模型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。iR由于白炽灯中耗能的因素大于产生磁场的因素，因此L可以忽略。白炽灯的电路模型可用电阻R表示：理想电路元件是实际电路器件的理想化和近似，其电特性单一、确切，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理想电路元件分为无源和有源两大类无源二端元件有源二端元件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。集中参数元件的特征1.电磁过程都集中在元件内部进行，其次要因素可以忽略。如R、L、C只具有单一电磁特性的理想电路元件。2.任何时刻从集中参数元件一端流入的电流恒等于从它另一端流出的电流，并且元件两端的电压值完全确定。工程应用中，实际电路的几何尺寸远小于工作电磁波的波长，因此都符合模型化处理条件，均可按集中假设为前提，有效地描述实际电路，从而获得有意义的电路分析效果。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。电流的大小用电流强度表征，定义式为：大小、方向均不随时间变化的稳恒直流电可表示为：在电工技术分析中，通常以正电荷移动的方向规定为电流的参考正方向。2.电路的常用物理量dqdwuababQWUabab直流情况下②电压高中物理课对电压的定义是：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。其表达式为：注意：变量用小写字母表示，恒量用大写字母表示。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，换算关系为：1V=103mV=10－3KV在电工技术分析中，通常规定电压的参考正方向由高电位指向低电位，因此电压又称为电压降。从工程应用的角度来讲，电路中电压是产生电流的根本原因。数值上，电压等于电路中两点电位的差值。即：baabVVU※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、负号才有意义。I为什么要在电路图中预先标出参考方向？–+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：③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。1度电=1KW•h=1KV•A•hUItUIttWP电功率反映了电路元器件能量转换的本领。如100W的电灯表明在1秒钟内该灯可将100J的电能转换成光能和热能；电机1000W表明它在一秒钟内可将1000J的电能转换成机械能。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】用电器额定工作时的电压叫额定电压，额定电压下的电功率称为额定功率；额定功率通常标示在电器设备的铭牌数据上，作为用电器正常工作条件下的最高限值。④电功率%100%1002212PPPPP⑤效率在工程应用中，常把输出功率与输入功率的比值称为效率，用“η”表示：通常情况下，用电器的实际功率并不等于额定电功率。当实际功率小于额定功率时，用电器实际功率达不到额定值，效率较低。当实际功率大于额定功率时，用电器易损坏。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、把一个电阻接在6伏的直流电源上，已知某1分钟单位时间内通过电阻的电量为3个库仑，求这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。IQt=UItW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？二.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2.电路的三种工作状态I＝US/(RS＋RL)（1）通路＋U=US－IRS－RLS＋US－RS（2）开路＋U=US－I＝0S＋US－RSRL＋U=0－I＝US/RS（3）短路RLS＋US－RS各种电气设备按正常工作条件下长期、安全使用的电压、电流及功率值（名牌上标注的参数）称为“额定值”。当设备在额定值范围工作时称为额定工作状态。如果超过设备的额定值使用称为“过载”，将降低设备的使用寿命，甚至会导致设备的损坏。例1：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元件由图可知UI为关联参考方向，因此:UIP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+P，说明元件是负载。元件吸收负功率-P，说明元件是电源。W1000)100(10UIPI为负值，说明它的实际方向与图上标示的参考方向相反。解：A4520UPI1.电源外特性与横轴相交处的电流=？电路工作状态？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”10V，0.1AI=US/RS，短路12V，0.4ΩIUR三.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，电阻元件上的电压、电流关系为即时对应关系，即：因此，电阻元件称为线性元件。RIRUUIP22电阻产品实物图电阻元件图符号电阻元件上的电压、电流关系遵循欧姆定律。即元件通过电流就会发热，消耗的能量为：SLR2.电感元件L线性电感元件的韦安特性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L221LiwL电感产品实物图电感元件图符号显然，只有电感元件上的电流发生变化时，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：或221LIWL221LIWL3.电容元件线性电容元件的库伏特性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，电容元件的工作方式就是充放电。即：dtduCiC2C21Cuw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：或221CUWC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（1）电压源（2）电流源电流源电压源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电压源模型输出端电压I理想电压源内阻R0U=0，因此输出电压恒定.实际电源总是存在内阻的，因此实际电压源模型电路中的负载电流增大时，内阻上必定增加消耗，从而造成输出电压随负载电流的增大而减小。因此，实际电压源的外特性稍微向下倾斜。＋U－S＋US－R0URL理想电流源的内阻R0I∞(相当于开路)，输出的电流值恒定(内部不能分流)。理想电流源的外特性0IU电流源模型的外特性0IUU+_RLR0IISI电流源模型实际电流源的内阻总是有限值，因此当负载增大时，内阻上分配的电流必定增加，从而造成输出电流随负载的增大而减小。即实际电流源的外特性也是一条稍微向下倾斜的直线。◆理想电流源和实际电流源模型的区别※两种电源之间的等效互换方法Us=IsR0内阻改并联Is=UsR0两种电源模型之间等效变换时，电压源的数值和电流源的数值遵循欧姆定律的关系，但变换过程中内阻不变。注意：理想电压源与理想电流源之间不能相互变换。bIR0Uab+_US+_aISR0USbIR0Uab+_a等效互换的原则：当外接负载相同时，两种电源模型对外部电路的电压、电流相等（对外电路等