电工学简明教程教案1[1]

第1章电路及其分析方法第1章电路及其分析方法第1章电路及其分析方法第1章电路及其分析方法1.2电路模型1.3电压和电流的参考方向1.4电源有载工作、开路与短路1.6电阻的串联与并联1.5基尔霍夫定律1.11电路中电位的计算1.9电压源与电流源及其等效变换1.7支路电流法1.8叠加定理1.10戴维宁定理1.12电路的暂态分析1.1电路的作用与组成部分第1章电路及其分析方法第1章电路及其分析方法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。然后介绍几种常用的电路分析方法，有支路电流法、叠加定理、电压源模型与电流源模型的等效变换和戴维宁定理。最后讨论电路的暂态分析。介绍用经典法和三要素法分析暂态过程。第1章电路及其分析方法1.1电路的作用与组成部分电路是电流的通路，是为了某种需要由电工设备或电路元器件按一定方式组合而成的。(1)实现电能的传输、分配与转换(2)实现信号的传递与处理放大器扬声器话筒1．电路的作用发电机升压变压器降压变压器电灯电动机电炉...输电线第1章电路及其分析方法2．电路的组成部分电源：提供电能的装置负载：取用电能的装置中间环节：传递、分配和控制电能的作用发电机升压变压器降压变压器电灯电动机电炉...输电线第1章电路及其分析方法直流电源直流电源:提供能源负载信号源:提供信息2．电路的组成部分放大器扬声器话筒电源或信号源的电压或电流称为激励，它推动电路工作；由激励所产生的电压和电流称为响应。信号处理：放大、调谐、检波等第1章电路及其分析方法1.2电路模型i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RR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。L第1章电路及其分析方法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。SER–+R0开关第1章电路及其分析方法1.3电压和电流的参考方向对电路进行分析计算时，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。因此电路中各处电压、电流的实际方向也就不能确定。为此引入参考方向的规定。习惯上规定电压的实际方向为：由高电位端指向低电位端；电流的实际方向为：正电荷运动的方向或负电荷运动的反方向；电动势的实际方向为：由低电位端指向高电位端。第1章电路及其分析方法1.3电压和电流的参考方向电压、电流的参考方向：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。R–+R0IE例如：图中若I=3A，则表明电流的实际方向与参考方向相同；反之，若I=–3A，则表明电流的实际方与参考方向相反。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。电流的参考方向用箭头表示；电压的参考方向除用极性“+”、“–”外，还用双下标或箭头表示。任意假定。第1章电路及其分析方法欧姆定律：通过电阻的电流与电压成正比。表达式=RUIU、I参考方向相同U=–IRU、I参考方向相反图B中若I=–2A，R=3，则U=–(–2)3V=6V电流的参考方向与实际方向相反–图A或图BRUI+–IRU+–+–图CRUI电压与电流参考方向相反–第1章电路及其分析方法1.4电源有载工作、开路与短路1.4.1电源有载工作EIU1．电压与电流R0RabcdR+R0I=EER0I电源的外特性曲线当R0R时，则UE说明电源带负载能力强IUO+_+_UU=RI或U=E–R0I1.4.1电源有载工作第1章电路及其分析方法1.4.1电源有载工作1．电压与电流U=RIU=E–R0I2．功率与功率平衡UI=EI–R0I2P=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EIUR0Rabcd+_+_R+R0I=E第1章电路及其分析方法1.4.1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U和I的实际方向相反，则是电源，发出功率；U和I的实际方向相同，是负载，取用功率。根据电压、电流的参考方向判别P=UI为负值，是电源，发出功率；若电压、电流的参考方向相同P=UI为正值，负载，取用功率。第1章电路及其分析方法1.4.1电源有载工作3．电源与负载的判别[例1]已知：图中UAB=3V，I=–2A[解]P=UI=(–2)3W=–6W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？NABI第1章电路及其分析方法1.4.1电源有载工作4．额定值与实际值U电源+–IP电源输出的电流和功率由负载的大小决定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。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。S1S2S3第1章电路及其分析方法1.4电源有载工作、开路与短路1.4.2电源开路电源开路时的特征I=0U=U0=EP=0当开关断开时，电源则处于开路(空载)状态。EIU0R0Rabcd+_+_第1章电路及其分析方法1.4.3电源短路UIS电流过大，将烧毁电源！U=0I=IS=E/R0P=0PE=P=R0IS2ER0Rbcd+_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，电源则被短路。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。第1章电路及其分析方法U=0I视电路而定有源电路1.4电源有载工作、开路与短路1.4.3电源短路由于某种需要将电路的某一段短路，称为短接。UIER0R+_R1第1章电路及其分析方法1.5基尔霍夫定律结点电路中三条或三条以上支路连接的点支路电路中的每一分支回路由一条或多条支路组成的闭合路径如acbabadb如abcaadbaadbca如ab+_R1E1+_E2R2R3I1I2I3cadb第1章电路及其分析方法1.5.1基尔霍夫电流定律(KCL)(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等于零。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)。故有数学表达式为第1章电路及其分析方法1.5.1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I1I2I3I4aI1–I2+I3+I4=0[例]上图中若I1=9A，I2=–2A，I4=8A，求I3。9–(–2)+I3+8=0[解]把已知数据代入结点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=–19A第1章电路及其分析方法IAIBIABIBCICAKCL推广应用即I=0ICIA+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。ABC对A、B、C三个结点应用KCL可列出：IA=IAB–ICAIB=IBC–IABIC=ICA–IBC上列三式相加，便得第1章电路及其分析方法1.5.2基尔霍夫电压定律(KVL)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，故有在任一瞬间，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或E=U=RI第1章电路及其分析方法1.5.2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cbdacKVL方程式。U1–U2+U4–U3=0上式也可改写为U4–U3=E2–E1根据电压参考方向，回路cbdacKVL方程式，为+_R1E1+_E2R2U2I1U1cadb+_U3+U4_即U=0即U=E或I2R2–I1R1=E2–E1即IR=E第1章电路及其分析方法KVL推广应用于假想的闭合回路EIRU=0U=EIR或根据KVL可列出EIUR+_+_ABCUA+_UAB+_UB+_根据U=0UAB=UAUBUAUBUAB=0第1章电路及其分析方法U1+U2–U3–U4+U5=0U4+–U1U2abced++––+–U5U3+–R4[例1]图中若U1=–2V，U2=8V，U3=5V，U5=–3V，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的参考方向如图所示。(–2)+8–5–U4+(–3)=0U4=–2VI=1AI沿顺时针方向列写回路的KVL方程式，有代入数据，有U4=–IR4第1章电路及其分析方法1.6电阻的串联与并联1.6.1电阻的串联1.6.1电阻的串联电路中两个或更多个电阻一个接一个地顺序相连，并且在这些电阻中通过同一电流，则这样的连接方法称为电阻的串联。分压公式等效电阻R=R1+R2RUI+–R1R2UIU2U1+–+–+–U2=———UR1+R2R2URRRU2111第1章电路及其分析方法1.6.2电阻的并联分流公式I1=———IR1+R2R2电路中两个或更多个电阻连接在两个公共的结点之间，则这样的连接法称为电阻的并联。在各个并联支路(电阻)上受到同一电压。I2=———IR1+R2R1IR2R1I1I2U+–UR+–I+R=R1R2R1R2等效电阻21111RRR第1章电路及其分析方法[例1]图示为变阻器调节负载电阻RL两端电压的分压电路。RL=50，U=220V。中间环节是变阻器，其规格是100、3A。今把它平分为四段，在图上用a,b,c,d,e点标出。求滑动点分别在a,c,d,e时，负载和变阻器各段所通过的电流及负载电压，并就流过变阻器的电流与其额定电流比较说明使用时的安全问题。[解]UL=0IL=0(1)在a点：eaea220A2.2A100UIRRLULILU+–abcde+–第1章电路及其分析方法RLULILU+–abcde+–[解](2)在c点：caLeccaL5050(50)505075RRRRRRec220A2.93A75UIR等效电阻R为Rca与RL并联，再与Rec串联，即A47.1A293.2caLIIUL=RLIL=501.47V=73.5V注意，这时滑动触点虽在变阻器的中点，但是输出电压不等于电源电压的一半，而是73.5V。第1章电路及其分析方法RLULILU+–abcde+–[解](3)在d点：55)2575757575(edLdaLdaRRRRRRA4A55220edRUIA4.2A4507575edLdadaLIRRRIA6.1A4507550edLdaLdaIRRRIV1204.250LLLIRU注意：因Ied=4A3A，ed段有被烧毁的可能。第1章电路及其分析方法RLULILU+–abcde+–[解](4)在e点：A2.2A100220eaeaRUIA4.4A50220LLRUIV220LUU第1章电路及其分析方法1.7支路电流法支路电流法是以支路电流(电压)为求解对象，直接应用KCL和KVL列出所需方程组，而后解出各支路电流(电压)。它是计算复杂电路最基本的方法。凡不能用电阻串并联等效化简的电路，称为复杂电路。支路电流法求解电路的步骤AI2I1I3R1+–R2R3+–E2E11．确定支路数b，假定各支路电流的参考方向；2．应用KCL对结点A列方程I1+I2–I3=0对于有n个结点的电路，只能列出(n–1)个独立的KCL