电工技术教程(完美版)

电工技术一、电能的应用电能应用在工业、农业及国民经济各部门，在日常生活中也是不可缺少的。绪论1.电能的优越性（1）便于转换（2）便于传输（3）便于控制2.不足之处难于储存二、课程的目的和学习方法目的—获得电的基本理论知识，为今后的学习和工程技术研究打下基础。方法—掌握好物理概念（多看参考书）；多做习题。三、使用教材秦曾煌主编《电工学》第五版上册《电工技术》高等教育出版社出版第1章电路的基本概念与基本定律1-1电路的作用与组成部分电路—电流流经的闭合路径（由电工设备和元件组成）。一.电路的组成—•电源（信号源）•中间环节•负载二.电路的作用—传输和转换电能；传递和处理信号。电源：将非电能转换成电能的装置(干电池,蓄电池,发电机)或信号源。中间环结：把电源与负载连接起来的部分(连接导线,开关)负载：将电能转换成非电能的用电设备(电灯,电炉,电动机)一.电路的组成：电池灯泡EIRU+_负载电源电路的组成二.电路的作用1.电能传输和转换发电机升压变压器降压变压器电灯电炉热能,水能,核能转电能传输分配电能电能转换为光能,热能和机械能2.信号的传递和处理放大器话筒扬声器将语音转换为电信号(信号源)信号转换、放大、信号处理(中间环节)接受转换信号的设备(负载)将实际元件理想化，由理想化的电路元件组成的电路。EIRU+_例如：理想化导线理想化元件今后我们分析的都是电路模型，简称电路。1-2电路的模型理想化电源电路模型:由理想元件组成的电路.（一）理想无源元件(线性元件)1.电阻:电路中消耗电能的理想元件2.电容:电路中储存电场能的理想元件3.电感:电路中储存磁场能的理想元件线性电路:由线性元件和电源元件组成的电路.（二）理想电源元件1.理想电压源+-U=定值+-ISUSUOIU恒压源2.理想电流源SIOIU-I=定值+USI恒流源电路分析—在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。激励—推动电路工作的电源的电压或电流。响应—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。1-3电压和电流的参考方向I=0+_RUESU0R0ba电路中的箭头方向为电压与电动势和电流的参考方向.电路中物理量的正方向(参考方向)物理量的正方向：实际正方向假设正方向实际正方向：物理中对电量规定的方向。假设正方向（参考正方向）：在分析计算时，为了解题方便，对物理量任意假设的参考方向。物理量的实际正方向一、电流电流方向—正电荷运动的方向（实际方向）。电流参考方向—任选一方向为电流正方向。正值负值Iab=-Iba例：IIaabb二、电压电压方向—由高电位端指向低电位端（实际方向）。电压参考方向—任选一方向位为电压正方向。电压表示方法：U+-UabUabUab=-Uba关联正方向：UI关联正方向UI非关联正方向三、电动势电动势的方向—电位升高的方向（实际方向）。电动势的参考方向—任选一方向为电动势的正方向。电动势的表示方法：a.箭头b.正负号c.双下标电动势和电压的关系：EU电压与电动势规定正方向相反时E=UEU电压与电动势规定正方向相同时E=-U由以上关系可以看出：电压源可由一个大小相等，方向相反的外加电压表示。例：EUU(U=E)电路分析中的假设正方向（参考方向）问题的提出：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？电流方向AB？电流方向BA？E1ABRE2IR(1)在解题前先设定一个正方向，作为参考方向；解决方法(3)根据计算结果确定实际方向：若计算结果为正，则实际方向与假设方向一致；若计算结果为负，则实际方向与假设方向相反。(2)根据电路的定律、定理，列出物理量间相互关系的代数表达式并计算；例已知：E=2V,R=1Ω求：当Uab分别为3V和1V时，IR=?EIRRURabUab解：(1)假定电路中物理量的正方向如图所示；(2)列电路方程：EUURabREURUIabRREUUabR(3)数值计算A1121V1A112-33VRabRabIUIU（实际方向与假设方向一致）（实际方向与假设方向相反）REUIabREIRRURabUab(4)为了避免列方程时出错，习惯上把I与U的方向按相同方向假设(关联正方向）。(1)方程式U/I=R仅适用于假设正方向一致的情况。(2)“实际方向”是物理中规定的，而“假设正方向”则是人们在进行电路分析计算时,任意假设的。(3)在以后的解题过程中，注意一定要先假定“正方向”(即在图中表明物理量的参考方向)，然后再列方程计算。缺少“参考方向”的物理量是无意义的.提示RIURRIRURab假设:与的方向一致RIRU例RIRU假设:与的方向相反RIURRIRURab关联正方向非关联正方向1-4欧姆定律•U和I为关联正方向时：IUR•U和I为非关联正方向时：IUR•线性电阻：遵循欧姆定律的电阻，其阻值的大小和电流电压无关。RUI注意：用欧姆定律列方程时，一定要在图中标明正方向。IRUIRUIRURUIRUI例：广义欧姆定律(支路中含有电动势时的欧姆定律)EIRUabREUIab当UabE时，I0表明方向与图中假设方向一致当UabE时，I0表明方向与图中假设方向相反E+_baIUabR1-5电路的工作状态（开路、短路和有载工作）受控电源（后面介绍）理想电压源电源实际电源理想电源电压源理想电流源电流源R0IsU0E+_U0R0E（R0=0）Is（R0∞）1.5.1电源有载工作电路特征：I=E/(R0+R)U=IR=E–IR0P=PE-△P将上式乘以I，得（注意：电源输出的功率和电流由负载决定。）上式表明：当R变化时，电源端电压变化不大，则此电源带负载的能力强。当RR0时U≈E一、电压和电流+_IRUabESR0ab电源的外特性曲线表示电源端电压与输出电流之间的关系曲线，称为外特性曲线。U=IR=E–IR0IU0EIR0二.功率与功率平衡20IREIUIPPPE电源的发出功率=负载的取用功率+电源内阻上的消耗功率P----电源输出的功率PE----电源产生的功率∆P----电源内阻上消耗的功率IUE+_RabSR0功率平衡方程式：在U、I正方向选择一致的前提下：IRUab或IRUab“吸收功率”（负载）“发出功率”（电源）若P=UI0若P=UI0根据能量守衡关系P（吸收）=P（发出）三.电源与负载的判别当计算的P0时,则说明U、I的实际方向一致，此部分电路消耗电功率，为负载。功率性质判断：当计算的P0时,则说明U、I的实际方向相反，此部分电路发出电功率，为电源。①如果假设U、I正方向一致。②电源有时发出功率，有时消耗功率。当计算的电源功率PE0时,则电源消耗功率，为负载；当计算的电源功率PE0时,则电源发出功率，为电源.例IUU=10VI=-1A电路IUU=-10VI=1A电路IUU=10VI=1A电路P=UI=-10W0,发出功率，是电源。P=-UI=10W0，消耗功率，是负载。P=-UI=-10W0，发出功率，是电源。四.额定值与实际值额定值:制造厂为了使电子设备能在给定的工作条件下正常运行而规定的正常允许值。UN、IN、PN使用时，电压、电流、功率的实际值不一定等于额定值。IIN过载IIN轻载I=IN额定工作状态电器使用时的实际值不等于额定值的原因：a.电器受外界影响——如电压波动。b.负载变化时，电流、功率通常不一定处于额定工作状态。开关S断开时，外电路的电阻无穷大,电流为零，电源的端电压U0等于电源电动势E。二、开路（断路或空载）电路特征：I=0U=0U0=EPE=P=0I=0+_RUEabSU0R0（其中：PE=EI、P=UI）三.短路U=0I=00SREI20EIRPPSI短路电流P=0电路特征：+-E+-0RUIsI=0+_RUEabSR0当R00时，Is∞（烧毁电源）。注意：电压源不允许短路！IS用来描述电路中各部分电压或各部分电流间的关系,其中包括基氏电流和基氏电压两个定律。术语：网孔：不包含任何支路的回路支路：电路中的每一个分支（一个支路流过一个电流）结点：三个或三个以上支路的联结点回路：电路中任一闭合路径1-6基尔霍夫定律支路：ab、ad、…...（共6条）回路：abda、bcdb、…...（共7个）结点：a、b、…...(共4个）例I3E3_+R3R6abcdI1I2I5I6I4对任何结点，在任一瞬间，流入结点的电流等于由结点流出的电流。基氏电流定律的依据：电流的连续性I=0即：I1I2I3I44231IIII例或：04231IIII1.6.1基尔霍夫电流定律（KCL)I入=I出即：设：流入结点为正，流出结点为负。在任一瞬间，一个结点上电流的代数和为0。电流定律还可以扩展到电路的任意封闭面（广义结点）。例I1+I2=I3例I=0基氏电流定律的扩展I=?I1I2I3E2E3E1+_RR1R+_+_R对电路中的任一回路，沿任意循行方向的各段电压的代数和等于零。即：IRE1.6.2.基尔霍夫电压定律（KVL）即：0U在任一回路的循行方向上，电动势的代数和等于电阻上电压降的代数和。E、U和IR与循行方向相同为正，反之为负。例如：回路a-d-c-a55443343RIRIRIEE或：0UURIRIRI4S3S554433注意：与循行方向相同为正，反之为负。I3E3_+R3R6abcdI1I2I5I6I4其中:US3=-E3，US4=-E4RIUEab基氏电压定律也适合开口电路。例RIE由：得：E+_RabUabI例aI1I2E2+-R1R3R2+_I3#1#2#3bE1分析以下电路中应列几个电流方程？几个电压方程？基尔霍夫电流方程：结点a：结点b：321III213III独立方程只有1个基尔霍夫电压方程：#1#2#32211213322233111RIRIEERIRIERIRIE独立方程只有2个aI1I2E2+-R1R3R2+_I3#1#2#3bE1网孔网孔设：电路中有N个结点，B个支路N=2、B=3bR1R2E2E1+-R3+_a小结独立的结点电流方程有(N-1)个独立的回路（网孔）电压方程有(B-N+1)个则：（一般为网孔个数）独立电流方程：１个独立电压方程：２个A11433I求：I1、I2、I3能否很快说出结果A615432IA7321III1++--3V4V11+-5VI1I2I3电路中的电位——该点与参考点（零电位点）之间的电压。（参考点通常用“接地”符号表示，但该点没有和大地相连。）①参考点选的不同，则各点的电位不同。②电流总是从高电位流向低电位。例11-7电路中电位的概念及计算-7V3K1KAS1K+6V+8Vcb求：A点电位。设b点为参考点：Vb=0则：VA=0设c点为参考点：Vc=0则：S断开时：S闭合时：则：-7V3K1KAS1K+6V+8Vcb+++---解：将原图电路改画成上图所示电路。-7V3K1KAS1K+6V+8Vcb3V11378VA1V11168VA计算图中A点的电位。解：-24V电源的正极在接地点上，12Ω和36Ω两电阻串联，流过电流为：I=24/（12+36）=0.5AA+12V24Ω36Ω12Ω-24VI例2:方向向左再向下，故A点电位VA=-Ix12=-0.5x12=-6V在图（a）中求A点电位VA解：将图（a）电路改画成（b）所示电路。+50VR110Ω图（a）R320Ω-50VR25ΩA例3:图（b）50VI1R110ΩR320ΩR25ΩI3I2E1E2A50V解：根据KCL有:I1-I2-I3=0根据KVL，对左边回路有E1-I1R1=VA得：111RVEIA222RVEIAVRRRREREVA3.142015110155010501113212211对右边回路有E2+VA=I2R2又VA=I3R3，I3=VA/R3，将各电流带入并整理得：50VI1R11