电工基础5.ppt

第1章电路分析基础 本章要求 1 理解电压与电流参考方向的意义 2 理解电路的基本定律并能正确应用 3 了解电路的通路 开路与短路状态 理解电功率和额定值的意义 4 会计算电路中各点的电位 5 了解实际电源的两种模型及其等效变换 6 掌握支路电流法 叠加原理和戴维宁定理等电路的基本分析方法 1 1 1电路及电路模型 电路是由若干电路元件或设备组成的 能够传输能量 转换能量 能够采集电信号 传递和处理电信号的有机整体 电路的组成 电源信号源 负载 中间环节 1 1电路元件 1 电路的组成和作用 电路 电流流通的路径 手电筒电路 中间环节 连接电源和负载 电路的作用 负载 电能的输送和转换 如电力工程 信号的传递与处理 如信息工程 返回 中间环节 负载 扩音机电路示意图 信号源 电源 电路系统的概念 系统是由若干互相关联的单元或设备组成 并具有一定功能的有机整体 激励 响应 系统中电源 或信号源 的作用称为激励 由激励引起的结果 如某个元件的电流 电压 称为响应 2理想元件和电路模型 将实际电路中的元件用理想元件来表示 构成的电路图 电路模型 理想元件就是单一性质的元件 常用的理想元件 电阻 电感 电容 恒压源 恒流源 电路模型 电路模型是实际电路的科学抽象 手电筒电路模型 日光灯电路的模型 电路元件分类 线性元件非线性元件 时变元件非时变元件 有源元件无源性元件 1 1 2电流 电压的参考方向 1 实际方向 E I U 分析计算电路时 人为任意设定的电量方向 2 参考方向 假设方向 正方向 I 5A I 5A 注意 引入参考方向后 物理量为代数量 若计算结果为正 I 0 则实际方向与参考方向一致 若计算结果为负 I 0 则实际方向与参考方向相反 电流方向a b 电流方向b a I 参考方向的表示方法 参考极性 Uab 双下标 箭标 参考方向的作用 便于列写电路方程 关联参考方向 便于确定实际方向 关联参考方向U与I的方向一致 非关联参考方向U与I的方向相反 U IR U IR 应用欧姆定律求电阻R 3 应用欧姆定律列写式子时 式中有 套正负号 列写公式时 根据U I的 得 U I的值本身有 和 之分 1 分析计算电路时 首先要画出 标出电压 电流的 2 参考方向是 设定的 未标参考方向的前提下 讨论电压 电流的正 负值是 电路图 参考方向 两 参考方向 公式中的正负号 正值 负值 没有意义的 人为任意 试求 当U分别为3V和1V时的电流IR 解 1 假定电路各电量的参考方向如图所示 2 列电路方程 3 数值计算 实际方向与假设方向一致 实际方向与假设方向相反 1 1 3电阻元件 电阻为耗能元件如电阻器 白炽灯 电炉等 实物 1 电压与电流的基本关系 R的单位为欧 姆 R常用单位 k M 伏安特性 1 1 3电阻元件 电阻为耗能元件如电阻器 白炽灯 电炉等 返回 线性电阻的伏安特性 非线性电阻的伏安特性 2 电阻的伏安特性 注意 欧姆定律仅适用于线性电阻电路 3 电阻元件的功率和能量 在关联参考方向下 电阻元件的功率为 单位为瓦特 W 从t1到t2的时间内 电阻元件吸收的能量为 单位为焦耳 J 1 理想电压源和理想电流源 理想电压源 恒压源 RO 0时的电压源 特点 1 输出电压U不变 即Uab US 2 电源中的电流I由外电路决定 外特性U f I 1 1 4独立电源元件 设 E 10V 当R1R2同时接入时 I 10A 例 3 恒压源中的电压US为零时 恒压源视为短路 4 与恒压源并联的元件对外电路而言为可视为开路 恒压源特性中不变的是 US 恒压源特性中变化的是 I 会引起I的变化 外电路的改变 I的变化可能是 的变化 或者是 的变化 大小 方向 恒压源两端可否短路 否因为R 0时 理想电流源 恒流源 RO 时的电流源 特点 1 输出电流I不变 即I IS 外特性 2 输出电压U由外电路决定 设 IS 1A R 10 时 U 10V 3 恒流源的电流IS为零时 恒流源视为开路 4 与恒流源串联的元件对外电路而言为可视为短路 恒流源特性中不变的是 Is 恒流源特性中变化的是 Uab 会引起Uab的变化 外电路的改变 Uab的变化可能是 的变化 或者是 的变化 大小 方向 恒流源两端可否开路 否因为R 时 串联电流相同 电压源中的电流I IS 恒流源两端的电压取决外电路 解 并联电压相同 电压源中的电流取决外电路 恒流源两端的电压 解 电功率的正负 1 概念 2 公式 关联时 P UI 非关联时 P UI 负载消耗 吸收 的功率 电源产生 提供 的功率 吸收 取用 功率 元件为负载 发出 产生 功率 元件为电源 若P 0 若P 0 3 功率的正负 根据能量守恒定律电路中的功率平衡 P 0 已知 US1 15V US2 5V R 5 试求电流I和各元件的功率 解 已知 U1 20V I1 2A U2 10V I2 1A U3 10V I3 3A 试求元件的功率 并说明性质 元件1功率 元件2功率 元件3功率 元件4功率 解 元件1 2发出功率是电源 元件3 4吸收功率是负载 上述计算满足 P 0 2 实际电压源的两种电路模型 电压源模型及外特性 US O 恒压 RO 0时 U US 外特性 电流源模型及外特性 外特性 ISRO O 恒流 IS RO 时 I IS 3 电源 电路 的三种状态 1 通路 电路中有电流和功率的转换 电流 电压 功率 RO IRO Uab 通路 开路 短路 电气设备的额定值 额定值 电气设备在正常运行时的规定使用值 电气设备的三种运行状态 欠载 轻载 I IN P PN 不经济 过载 超载 I IN P PN 设备易损坏 额定工作状态 I IN P PN 经济合理安全可靠 额定电压UN 额定电流IN和额定功率PN 2 额定电流为100A的发电机 只接60A的照明负载 还有电流40A流到哪里去了 1 一个100 1W的电阻器 在使用时允许流过的电流和允许加的电压不得超过多少 答 不存在40A 电源的输出功率和输出电流取决于负载 答 2 开路 开路电压 特点 Uo E 输出功率P 0 输出电流I 0 3 短路 特点 输出功率P 0 输出电压U 0 短路电流 短路保护 熔断器 工作短接 4 两种电源的等效变换 等效互换的条件 对外的电压电流相等 I I Uab U ab 即 等效互换公式 等效变换的注意事项 1 两电路对外等效 外特性一致 2 两内阻相等 Ro R o 所接位置不同 3 IS流出端对应US的正极 Ro R o不一定必须是电源的内阻 4 两电路的内部不等效 其内阻的压降和内阻的损耗一般不相等 5 恒压源和恒流源不能等效互换 应用举例 接上页 1 1 5电路中电位的概念和计算 电位 参考点 1 电位的概念 电路中某点的是对参考点的电压 零电位点 O点 地 电力工程中以大地为参考点 电子线路以输入 输出的公共线为参考点 设b点为参考点 c点的电位为 Uc E1 d点的电位为 Ud E2 电子电路的习惯画法 参考电位在哪里 正电源 负电源 电子电路的习惯画法 电源电压用电位值给出 正电位值表示正电源 电源的负极接地 负电位值表示负电源 电源的正极接地 S断开时各电阻为同一电流 其中 UD 12V UC 12V S闭合上时 试求开关S断开和闭合时电路中各点的电位 解 2 电位计算 UA 4V UB 7 2V UD 12V UC 12V UA 2V UB 0 试求图示电路中各点的电位及电压Uab 可见 电位与参考点的选择有关 电压与参考点的选择无关 Uab Ua Ub Uab 5V Uab 5V 电位与参考点的选择有关 电压与参考点的选择无关 试分别以电路中的a b c点为参考点求电位和电压 注意 电压等于电位之差 如Uab Ua Ub 参考点 电位和电压 1 2基尔霍夫定律 基尔霍夫电流定律 KCL 应用于结点 基尔霍夫电压定律 KVL 应用于回路 名词注释 结点 三个或三个以上支路的联结点 支路 电路中每一个分支 回路 电路中任一闭合路径 网孔 单孔回路 支路 ab ad bc I1I2 I6 共6条 回路 abda bcdb 共7个 结点 a b c d 共4个 确定电路中的支路 结点 回路 网孔数目 网孔 abda bcdb adca 共3个 1 2 1基尔霍夫电流定律 KCL 定律的依据 电荷守恒 电流的连续性 或 1 定律内容 对任何结点 在任一瞬间 流入 流出 广义结点 I1 I2 I3 I 0 I 2 定律推广 封闭面 IE IB IC I 1 2 2基尔霍夫电压定律 KVL 在任一瞬间 沿任意闭合回路循行方向绕行一周 例如 回路a d c a 或 或 1 定律内容 电位升 电位降 2 定律推广 开口电路 假想的闭合回路 一段有源电路的欧姆定律 分压公式 分流公式 1 3 3基尔霍夫定律的应用 1 特点 以支路电流为未知量 应用KCL和KVL列方程 然后联立求解 2 解题步骤 确定支路数目 b 结点数目 n 网孔数目 m 由KCL列 n 1 个结点的电流方程 由KVL列m个网孔回路的电压方程 代入数据 解联立方程 求出各个支路电流 1 支路电流法 试用支路电流法求各支路电流 解 图示电路 b 3 n 2 m 2 由KCL列a点 由KVL列回路1 回路2 代入数据 解联求解 可得 I1 4A I2 1A I3 3A 试用支路电流法求各支路电流 解 图中含恒流源的支路 I1 IS 5A只需列两个方程 由KCL列a点 由KVL列回路1 代入数据 解联求解 可得 I2 2A I3 3A 注意 图中含恒流源的支路时 可减少列方程数 列回路方程时 要避开含恒流源的支路 支路电流法小结 优点 支路电流法是电路分析中最基本的方法之一 只要根据基尔霍夫定律列方程 就能得出结果 缺点 电路中支路数多时 所需方程的个数较多 求解显得十分繁琐 支路数B 4须列4个方程式 1 特点在只有两个结点的电路中 先用公式求结点电压 再求各支路电流 2 结点电压法 弥尔曼定理 支路数b 3 结点n 2支路电流法须列3个方程式 若能先求出a b两点的电压Uab 再求出各个支路电流就容易多了 2 公式 设结点电压为Uab 则 结点a 代入结点a的电流方程 经整理后可得两结点的结点电压公式 分母为两结点之间各支路的电阻的倒数和 分子为各支路US与本支路R相除后的代数和 当US与Uab的参考方向一致时取正号 相反时则取负号 或各支路恒流源IS的代数和 一致取负号 相反取正号 结点电压公式 注意 试用结点电压法求各支路电流 已知US1 54V US2 72V R1 3 R2 6 R3 2 解 结点电压法应用举例 接上页 试求A点的电位及各支路电流 RS与恒流源串联对外可视为短路 则 试求A点的电位 1 3叠加定理 1 3 1定理内容 含有多个电源的线性电路中的电压或电流 等于各电源单独作用时 对应的电压或电流的代数和 线性电路 R 常数 去源方法 恒压源短接 恒流源开路 代数和 以原电路的电压或电流方向为准 一致取正号 相反取负号 注意 解 1 画出原电路及各个电源单独作用的电路 并标出各支路电流的参考方向 1 3 2应用举例 如图示 已知US 9V IS 6A R1 6 R2 4 R3 3 试用叠加原理求各支路中的电流 US单独作用 IS单独作用 2 计算各电源单独作用时的 各支路的电流 3 叠加求出原电路中各支路电流 例 用叠加原理求 I I 2A I 1A I I I 1A 解 在用叠加原理求解受控源电路时 只应分别考虑独立源的单独作用 而受控源仅作一般电路参数处理 不能单独作用 用叠加原理求I1 1 12V单独作用 6A单独作用 1 3 3 几点注意 1 叠加定理只适用于线性电路 电路参数不随电压 电流的变化而改变 4 叠加原理只能用于电压或电流的计算 不能用来求功率 如 I3 R3 例 已知 US 1V IS 1A时Uo 0V US 10V IS 0A时 Uo 1V 求 US 0V IS 10A时Uo 1 和 2 联立求解得 1 4等效电源定理 等效电源定理用于化简复杂电路 有源二端网络 将有源二端网络等效为等效电压源或等效电流源 有源二端网络用电压源替代的方法称戴维宁定理 有源二端网络用电流源替代的方法称诺顿定理 1 4 1戴维宁定理 1 定理内容 任意一个线性有源二端网络对外都可等效为等效电压源 有源二端网络去源后端口的等效电阻Ro等于等效电压源的内阻 去源方法 恒压源短接 恒流源开路 有源二端网络端口的开路电压Uo等于等效电压源的电动势 求 I 例 2 应用举例 解 1 求开路电压Uo 2 求等效内阻Ro 3 求未知电流I 已知 R1 20 R2 30 R3 30 R4 20 E 10V求 当R5