电工技术-1章-电路基础与分析方法

《电工技术》武汉理工大学电工电子教研室第1章电路基础与分析方法第1章电路基础与分析方法1.1电路基础知识1.2电路的基本元件1.3电路的基本定律1.4电气设备的额定值和电路的工作状态1.5电阻的连接及其等效变换1.6电压源与电流源的等效变换1.7支路电流法1.8节点电压法1.9叠加原理1.10戴维南定理和诺顿定理1.11含受控源的电路分析《电工技术》武汉理工大学电工电子教研室第1章电路基础与分析方法1.1电路基础知识1.1.1电路和电路模型电路是电流所经过的路径。它由实际元器件按一定要求连接起来的整体。1.电路的功能(1)实现电能传输、分配与转换，称为电力电路，或称为强电电路。《电工技术》武汉理工大学电工电子教研室第1章电路基础与分析方法(2)实现载有信息的电信号传递和处理，称为电信电路，或称为弱电电路。《电工技术》武汉理工大学电工电子教研室第1章电路基础与分析方法(3)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从宏观上看，把实际工程中的电路划分为由电源、中间环节和负载三部分组成。《电工技术》武汉理工大学电工电子教研室第1章电路基础与分析方法信号源:提供信息中间环节：电信号传递与处理负载在电路中，电源或信号源的电压或电流又称为激励，它推动电路工作；由激励所产生的电压和电流称为电路的响应。《电工技术》武汉理工大学电工电子教研室第1章电路基础与分析方法2．电路模型为了便于对电路分析与计算，将实际电路模型化，用足以反映其电磁性质的理想电路元件或其组合来模拟实际电路中的器件，从而构成与实际电路相对应的电路模型。基本的理想电路元件分为两类：（1）无源元件：（2）有源元件：电容元件电阻元件电感元件理想电压源（恒压源）理想电流源（恒流源）《电工技术》武汉理工大学电工电子教研室第1章电路基础与分析方法此电路由电池、灯泡、开关和连线组成。原理电路电路模型例：电动车电池对灯泡供电电路。《电工技术》武汉理工大学电工电子教研室第1章电路基础与分析方法电路网络拓扑结构基本元素有4种：三个或三个以上电路元件的连接点称为节点。两个元件的连接点称为“广义节点”，例：节点a、d。两个或多个节点被（无阻导线）短路，则这些节点可以经过合并等效为一个节点，例：节点e。节点、支路、回路和网孔。1.1.2电路结构的基本元素1．节点:例：节点b、c、e。节点在电路中用实心圆点来表示。《电工技术》武汉理工大学电工电子教研室第1章电路基础与分析方法2．支路:连接两个节点的通路。支路bae、支路be、支路bc、支路ce、支路cde。有源支路（也称为含源支路）：支路bae和支路cde无源支路（不含有电源）：支路be、支路bc和支路ce《电工技术》武汉理工大学电工电子教研室第1章电路基础与分析方法3．回路：4．网孔：电路中的任何闭合路径。其中不含有任何其他回路的闭合路径。123《电工技术》武汉理工大学电工电子教研室第1章电路基础与分析方法1.1.3电路的基本物理量1．电流及其参考方向1）电流电荷有规则的流动就形成了电流，犹如水在水管中的流动。电流的大小定义为:单位时间内通过导体横截面的电荷量。直流电流量定义式QIt交流电流量定义式ddqit《电工技术》武汉理工大学电工电子教研室第1章电路基础与分析方法(1)参考方向的表示方法电流：Uab双下标电压：2)参考方向E+_在分析与计算电路时，对电量任意假定的方向。Iab双下标aRb箭标abRI正负极性+–abUU+_I《电工技术》武汉理工大学电工电子教研室第1章电路基础与分析方法电流不仅在金属导体中可以流动，而有些液体（如电解液）或气体（日光灯管内的惰性气体被电离后）中也可以产生电流流动；再有，半导体中的带电粒子（又称为载流子）自由电子和空穴当有外电场作用时，也会作定向移动，而形成电子电流和空穴电流。《电工技术》武汉理工大学电工电子教研室第1章电路基础与分析方法(2)实际方向与参考方向的关系0I0I注意：在参考方向选定后，电流(或电压)值才有正负之分。《电工技术》武汉理工大学电工电子教研室第1章电路基础与分析方法2．电压（电压、电动势、电位）及其参考方向1）电位电荷在电路中的某点具有一定的电位能（或称做电势能，简称“电位”）。aaWVq电路中参考点选的不同，各点的电位值也不同。电位值是相对的。《电工技术》武汉理工大学电工电子教研室第1章电路基础与分析方法电力工程中，电路常以大地为零电位点，用图形符号“”表示；电子电路中，如果电路没有接大地，通常选与电源负极相连的一条公共线作为参考“点”，该线称为“地线”，标有图形符号“”（以便与接地符号“”相区别）。电子电路一般有公共的接壳点，通常也选它为参考点。《电工技术》武汉理工大学电工电子教研室第1章电路基础与分析方法2）电压电路中任意两点间的电位之差称为电位差，或称为电压，用字母U表示，单位是伏［特］（V）。ababUVVaabbVUV电路中某点的电位等于该点到参考点的电压（或称为电位差），再加上参考点的电位。a、b两点间的电压为《电工技术》武汉理工大学电工电子教研室第1章电路基础与分析方法3）电动势电动势犹如一个扬程的水泵。E电动势用字母表示。qW电源电动势的大小在数值上等于非电场力在电源内部将单位正电荷从负极移到正极所做的功。WEq《电工技术》武汉理工大学电工电子教研室第1章电路基础与分析方法4）电压的参考方向电压的实际方向（或称为极性）是根据电场力产生电流使移动的电荷电位降低的原理，规定为从高电位点指向低电位点，也就是电位降低的方向，所以，电压又称为“电压降”或“电位降”。为便于分析电路和列写电压有关的表达式，预先任意假设一个方向作为电压的“参考方向（极性）”，或称为“正方向”。《电工技术》武汉理工大学电工电子教研室第1章电路基础与分析方法电压参考方向有以下3种表示方式：①极性表示法。②双下标表示。③箭标指向表示。《电工技术》武汉理工大学电工电子教研室第1章电路基础与分析方法例1-1babaVUV分别计算电路（a）、（b）中各点电位和点a、d之间的电压。(注：两电路的参考点设置得不同）解：b0VVaab101VVVV图（a）中，设b点为参考点，则b点电位为零，即c1VV同理d2VVadad1(2)3VUVVV101bbaVVV)(《电工技术》武汉理工大学电工电子教研室第1章电路基础与分析方法例1-1解：图（b）中，设c点为参考点，则c点电位为零，即则c0VVa2VVb1VVd1VVadad2(1)3VUVV《电工技术》武汉理工大学电工电子教研室第1章电路基础与分析方法结论：①电路参考点选择不同，各点电位不同。电位值与参考点选择有关，即电位值是相对的。②电路中两点间电压（或称为电位差）是不变的。电压值与参考点选择无关，即电压值是绝对的。《电工技术》武汉理工大学电工电子教研室第1章电路基础与分析方法简化电路画法在实际应用中，为了简化电路画法，常常只画出需要的部分电路，而将悬空的端点用原电路该点对参考点的极性与电位值的形式标注出来。（原电路）（简化电路画法）《电工技术》武汉理工大学电工电子教研室第1章电路基础与分析方法3．电功率和电能量1）电功率电功率反映了电气设备做功的本领。PUI电功率的计算结果为正，表示该元件是吸收功率（或称为消耗功率），即将电能转换为其他形式的能量，该元件起负载作用；计算结果为负，表示该元件是发出功率（或称为产生功率），即将其他形式的能量转换为电能，该元件起电源作用。单位是瓦［特］（W）；《电工技术》武汉理工大学电工电子教研室第1章电路基础与分析方法元件在电路中作用判别：根据元件上电压与电流的实际方向来判断元件的性质若电流实际方向是从元件实际电压极性的正极流出的，则该元件是电源；若电流实际方向是从元件实际电压极性的正极流入的，则该元件是负载。试举例说明：某元件既能作电源，又能起负载作用？《电工技术》武汉理工大学电工电子教研室第1章电路基础与分析方法整个电路的功率应该平衡。0PELPPEP——电源元件发出的功率；LP——负载元件吸收的功率。或注意：在列写功率表达式时，若电压与电流是关联参考方向，取正号；非关联参考方向，取负号。《电工技术》武汉理工大学电工电子教研室第1章电路基础与分析方法例1-4在图示电路中，3个元件代表电源或负载。计算各元件的功率，并分析电源发出的功率和负载消耗的功率是否平衡。2AI18VU22VU36VU由实验得知解：元件A的电压与电流是非关联参考方向，则118216WPUI10P表明元件A发出功率，在电路中起电源作用。《电工技术》武汉理工大学电工电子教研室第1章电路基础与分析方法例1-4在图示电路中3个元件代表电源或负载。计算各元件的功率，并分析电源发出的功率和负载消耗的功率是否平衡。2AI18VU22VU36VU由实验得知解：元件B的电压与电流是关联参考方向，则22224WPUI20P表明元件B吸收功率，作为负载元件。《电工技术》武汉理工大学电工电子教研室第1章电路基础与分析方法元件C的电压与电流是关联参考方向，则336212WPUI30P表明元件C吸收功率，作为负载元件。例1-4在图示电路中3个元件代表电源或负载。计算各元件的功率，并分析电源发出的功率和负载消耗的功率是否平衡。2AI18VU22VU36VU由实验得知解：《电工技术》武汉理工大学电工电子教研室第1章电路基础与分析方法所以，元件A，电源作用，发出功率E116WPP元件B、C是起负载作用，吸收功率L2341216WPPP可见ELPP解：WP161元件AWP42元件B:元件C:WP123整个电路功率平衡。321PPPPPLE或124160《电工技术》武汉理工大学电工电子教研室第1章电路基础与分析方法2）电能量电气设备在工作时间内将电能转换成其他形式的能称为电流做功，或称为电功，也称为电能［量］。直流电路中WPtWUIt或单位是焦［耳］（J）；实际工程度量中，因焦耳这个单位太小，常用小时做时间单位，千瓦做功率单位，则电能量的单位就是“千瓦·小时（kW·h）”。《电工技术》武汉理工大学电工电子教研室第1章电路基础与分析方法若电气设备的功率为1千瓦（kW），使用时间为1小时（h），则耗电量为1kW·h，就是常说的“1度电”，或写成1度电=1000Wh=1kW·h1kWh100036003600000J千瓦·小时（kW·h）与焦耳（J或W·s）的换算:《电工技术》武汉理工大学电工电子教研室第1章电路基础与分析方法例1-5有一个电炉接在220V电源上，电流为8A，求电炉的电功率是多少？若连续工作了6h，电炉消耗的电能量为多少？解：电炉的电功率电炉消耗的电能量IUPkWW76.117608220tPW度56.1056.10676.1hkW《电工技术》武汉理工大学电工电子教研室第1章电路基础与分析方法例1-6某电子厂车间使用25W电烙铁200只，每天用电8h，每月以26天计算，试问一个月耗电多少度？若每度电0.7元，一个月应该付的电费是多少？解：200只电烙铁的总功率一个月用电时数826208ht一个月的总耗电能52081040kWh1040WPt度应该支付的电费0.71040728元kWWPPk55000252002001《电工技术》武汉理工大学电工电子教研室第1章电路基础与分析方法（1）无源元件：电容元件电阻元件电感元件（2）有源元件：理想电压源（恒压源）理想电流源（恒流源）1.2电路的基本元件《电工技术》武汉理工大学电工电子教研室第1章电路基础与分析方法1.2.1电阻元件（a）贴片电阻（b）排阻（c）色环电阻（d）电动机启动电阻（e）可变电阻元件的外形《电工技术》武汉理工大学电工电子教研室第1章电路基础与分析方法1．电阻元件及其特性电阻是物质对电流（或电