电工技术教案 电路模型、参考方向、电路状态-2

1、 电工学电工学（上册）（上册） 雷勇、宋黎明 主编，高等教育出版社参考教材：参考教材：电工学电工学（上册）第七版（上册）第七版 秦曾煌秦曾煌 主编，高等教育出版社主编，高等教育出版社 为学习后续课程和专业知识，以及将来从事工程技术工作打好电工理论基础理论基础，并受到必要的电工基本技能基本技能训练。 学习目标学习目标： 掌握电工学的基本概念、基本定律，以及基本分析方法。第1章 电气工程简介第2章 电路的基本原理第3章 直流电路分析第4章 瞬态分析第5章 正弦交流电路分析第9章 交流电动机、直流电机第6章 三相电路系统第8章 机电能量转换原理电路理论电路理论电机学电机学电工测量电工测量第7章 电工

2、测量理论课理论课(36学时学时)+ + 实验课实验课(12学时学时) 紧跟老师讲课思路，搞清基本概念，理解基本紧跟老师讲课思路，搞清基本概念，理解基本定律，掌握解题方法和技巧。定律，掌握解题方法和技巧。 课堂教学：课堂教学：实验教学：实验教学：注意理论联系实际，掌握常用仪器、仪表的注意理论联系实际，掌握常用仪器、仪表的使用方法，验证与探索相结合。使用方法，验证与探索相结合。平时表现平时表现 10%期末卷面期末卷面70%+实验成绩实验成绩20%+平时表现：平时表现：1. 每次上课前三分钟点名，到一次加5分，共50分；2. 每次作业情况登记，交一次加5分，共50分；3.课堂表现，注意力集中，积极思

3、考者，奖励分。 本课是非电专业一切电类相关后续课程的本课是非电专业一切电类相关后续课程的基础基础。学时少、内容多，学时少、内容多，不能轻视不能轻视。否则，对以后的学习。否则，对以后的学习将会造成很大影响。将会造成很大影响。第第1 1章章 电气工程简介电气工程简介 1.1 电气工程概述电气工程概述 1.1.1 电气工程的强电应用电气工程的强电应用 1.1.2 电气工程的弱电应用电气工程的弱电应用第第2 2章章 电路的基本原理电路的基本原理 2.0 用电安全用电安全 2.1 实际电路和电路模型实际电路和电路模型 2.2 电流和电压的参考方向电流和电压的参考方向 2.3 电路元件及电路元件及 i -

4、 u 特性特性 2.4 电路的状态电路的状态第第1章章 电气工程简介电气工程简介 1.1 电气工程概述电磁基本规律模型数学工具+电路系统强电弱电1.1.1 电气工程的强电应用电气工程的强电应用 主要指电能的利用，包括电力能源的产生、传输和分配，电力传动、电气控制等。 本质上是研究能量与电磁场能量与电磁场运动的问题。电力系统电力系统1.1.2 电气工程的弱电应用电气工程的弱电应用l主要是指电子信息、信号处理和检测控制技术，本质上是涉及信息信息与电磁场（波）电磁场（波）运动的问题。控制系统控制系统包括控制系统、检测系统、通信系统，以及信号处理系统。第2章 电路的基本原理电流对人体的伤害： 电击、电

5、伤和电磁场伤害防止触电危险： 避免火线与人体构成导通回路！ 避免人体两端之间构成较大电势差！人是导体！2.1 实际电路和电路模型实际电路和电路模型1.1.实际电路实际电路建立在同一建立在同一电路理论电路理论基础上。基础上。由电工设备和电气器件按预期由电工设备和电气器件按预期目的连接构成的目的连接构成的电流的通路电流的通路。共性共性电力电力系统系统电子电子设备设备电源电源负负载载实体电路实体电路中间环节中间环节电路模型电路模型负载负载电源电源开关开关连接导线连接导线SRL+ UIUS+_R02. 2. 电路模型电路模型与实体电路相对应、由与实体电路相对应、由理想元件理想元件构成的构成的，称为实体

6、电路的称为实体电路的。三要素三要素RC+ USu(t)=Ui(t)=ILIS无源无源二端元件二端元件 有源有源二端元件二端元件 1. 1.只有两个端子；只有两个端子； 2.2.可以用电压或电流按数学方式描述；可以用电压或电流按数学方式描述； 3.3.不能被分解为其他元件。不能被分解为其他元件。三个特征三个特征 理想元件理想元件：(t)Ldiudt(t)duiCdt(t)(t)uRi例：例：实际电感线圈的电路模型实际电感线圈的电路模型实际铁芯线圈实际铁芯线圈理想电路模型理想电路模型明确理想电路元件构成实际系统的电路模型。理想电路元件构成实际系统的电路模型。分析计算的准确性取决于电路模型的正确。分

7、析计算的准确性取决于电路模型的正确。电路模型反映实际电路部件的主要电磁性质。电路模型反映实际电路部件的主要电磁性质。2.2 2.2 电流和电压的参考方向电流和电压的参考方向电路中主要物理量：电路中主要物理量：电流、电压、电能、电功率电流、电压、电能、电功率等。等。1.1.电流电流：单位时间内通过导体横截面的电量。：单位时间内通过导体横截面的电量。dqidt规定正电荷的运动方向为电流的方向，或规定正电荷的运动方向为电流的方向，或正方向正方向。即即实际方向实际方向，或，或物理方向物理方向。电流的方向：电流的方向：电流的单位：电流的单位：A，mA，kA 导体导电，是因为自由导体导电，是因为自由电子电

8、子的定向移动。的定向移动。dWudq选取零电位点，电位降低的方向为电压的方向，或选取零电位点，电位降低的方向为电压的方向，或正方向。即实际方向，或物理方向。正方向。即实际方向，或物理方向。电压的方向：电压的方向：2.2.电压（电位）电压（电位）：单位正电荷从电路中一点移至另：单位正电荷从电路中一点移至另一点时，电场力做功一点时，电场力做功的大小。的大小。电压的单位：电压的单位：V，mV，kVUItW 3.3.电功率电功率ddddddWWqpuitqt单位时间内电场力所做的功。单位时间内电场力所做的功。21ttWuidt4.4.电能电能IE+_在分析与计算电路时，对在分析与计算电路时，对电量电量

9、任意假定任意假定的方向。的方向。aRb U+_电流、电压的参考方向电流、电压的参考方向电流：电流：Uab 双下标双下标电压：电压：Iab 双下标双下标箭箭 标标abRI正负极性正负极性+abUR电流电流(或电压或电压)值为值为正值正值，实际方向与参考方向，实际方向与参考方向一致一致；电流电流(或电压或电压)值为值为负值，负值，实际方向与参考方向实际方向与参考方向相反相反。注意：注意：只有在参考方向选定后，电流只有在参考方向选定后，电流 ( 电压电压 ) 值正负才有意义。值正负才有意义。 若若 I = 5A，则实际电流从则实际电流从 a 流向流向 b；例：例：若若 I = 5A，则实际电流从，则

10、实际电流从 b 流向流向 a。 abRIabRU+若若 U = 5V，则电压的实际方向从，则电压的实际方向从 a 指向指向 b；若若 U= 5V，则电压的实际方向从，则电压的实际方向从 b 指向指向 a。 实际方向与参考方向的关系 若元件或支路的电流、电压若元件或支路的电流、电压参考参考方向方向一致（指向一致（指向相同，电流从电压的正极流入），相同，电流从电压的正极流入），则则称之为称之为关联关联参考方向参考方向。反之，。反之，称称非关联参考方向。非关联参考方向。i1与与u1为为关联参考方向关联参考方向i2与与u2为为非关联参考方向非关联参考方向关联参考方向关联参考方向i1+ +- -+ +-

11、 -i2u1u2U、I 为关联参考方向为关联参考方向RU+IRU+IU = I R 欧姆定律的基本形式欧姆定律的基本形式 欧姆定律表达式前的正负号由欧姆定律表达式前的正负号由U、I 参考方向的关系确定；参考方向的关系确定； 通常取通常取 U、I 为关联参考方向。为关联参考方向。 U、I 值本身的正负则说明实际方向与参考方向之间的关系。值本身的正负则说明实际方向与参考方向之间的关系。23解：解：对图对图(a)有有, U = IR例：例：应用欧姆定律对下图电路列出式子，并求电阻应用欧姆定律对下图电路列出式子，并求电阻R。对图对图(b)有有, U = IR326 : IUR所以所以326: IUR所

12、以所以RU6V+2AR+U6V I(a)(b)I2A 若元件若元件u, i 取取关联参考方向关联参考方向P = ui 表表示元件吸收的功率示元件吸收的功率P0 吸收正功率吸收正功率 ( (实际实际吸收吸收, ,耗能耗能) )P0 吸收功率，耗能吸收功率，耗能P0 发出功率，功能发出功率，功能 若原件若原件 u, i 取取非非关联关联参考方向参考方向+ +- -iu+ +- -iu吸收）(414WUIP吸收）(11100WIUP发出）(551WEIPE00PPPE0nP即：例题例题5V4I+-Uab11A4VE ER R0 0R RU U0 0试求电路中各元件的功率，并验证功率平衡。试求电路中各

13、元件的功率，并验证功率平衡。解：解： 对于独立电路来说对于独立电路来说Pn0。+- 常用理想元件种类常用理想元件种类无源元件无源元件电荷电荷 q磁通磁通 电压电压 u电流电流 i电阻元件电阻元件电容元件电容元件电感元件电感元件忆阻元件忆阻元件ddt除此之外，包括除此之外，包括有源元件有源元件：电压源、电流源和受控源：电压源、电流源和受控源IUR 1） 电阻元件电阻元件R0UI 由电阻的伏安特性曲线可得，电阻元件上的电压、电流由电阻的伏安特性曲线可得，电阻元件上的电压、电流关系为关系为关系，即：关系，即：RIRUUIP22 电阻元件上的电压、电流关系遵循欧姆定律。即元件通电阻元件上的电压、电流关

14、系遵循欧姆定律。即元件通过电流就会发热，消耗的能量为：过电流就会发热，消耗的能量为：L线性电感元件的韦安特性线性电感元件的韦安特性0i 对线性电感元件而言，任一瞬时，其电压和电流的关系为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微分(或积分或积分)的的关系，即：关系，即：dtdiLuL221LiwL 电感元件图符号电感元件图符号时，电感两端才有电压。因时，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：存的磁能为： 2）电感）电感元件元件3） 电容元件电容元件0q qu 对线性电容元件而言，任一

15、瞬时，其电压、电流的关系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也是微分(或积分或积分)的的关系，即：关系，即：dtduCiC电容元件的电容元件的工作方式就是充放电工作方式就是充放电。2C21Cuw C 电容元件图符号电容元件图符号因此，只有电容元件的极间电压因此，只有电容元件的极间电压时，电容支路才有时，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：电流通过。电容元件也是动态元件，其储存的电场能量为：4） 电源元件电源元件输出电压比较稳定的电源，如输出电压比较稳定的电源，如干电池、蓄电池等通常用电压干电池、蓄电池等通常用电压源模型源模型(理想电压源和一个电理

16、想电压源和一个电阻元件相串联的形式阻元件相串联的形式)表示；表示；柴油机组柴油机组汽油机组汽油机组蓄电池蓄电池 输出电流较稳定的：如光电池或晶体管输出电流较稳定的：如光电池或晶体管的输出端等通常用电流源模型的输出端等通常用电流源模型(理想电流理想电流源和一个内阻相并联的形式源和一个内阻相并联的形式)表示。表示。US+_R0ISR0 （1）电压源）电压源 （2）电流源）电流源独立电源独立电源 理想电压源产生的电压完全独立于流过它的电流理想电压源产生的电压完全独立于流过它的电流 电压源输出电流的大小只决定于和它连接的电路电压源输出电流的大小只决定于和它连接的电路电压源电压源+-电压源国际符号电压源

17、国际符号iuSu0一个电压一个电压为为 us 的理想的理想电压源的电压源的i-vi-v特性曲线特性曲线电流源国际符号电流源国际符号电流源符号电流源符号iuSi0一个电流为一个电流为 i is s 的理想的理想电流源的电流源的i-vi-v特性曲线特性曲线电源输出电压或电流是电路中其他部分电压电源输出电压或电流是电路中其他部分电压或电流的函数，这类电源称为受控源。或电流的函数，这类电源称为受控源。受控电源受控电源受控电压源受控电压源受控电流源受控电流源+u=f (u1,i2)i=f (u1,i2)例：电流控制的电流源例：电流控制的电流源 ( CCCS ) 根据根据控制量控制量和和被控制量被控制量是

18、电压是电压u 或电流或电流i，受控源，受控源可分可分四种类型四种类型：当被控制量是电压时，用受控电压：当被控制量是电压时，用受控电压源表示；当被控制量是电流时，用受控电流源表示。源表示；当被控制量是电流时，用受控电流源表示。12 ii输出：受控部分输出：受控部分输入：控制部分输入：控制部分 i1+_u2i2_u1i1+4Au2i213225V20V1.5i2u3i3例：含受控电源的电路例：含受控电源的电路电流控制电流控制电压源电压源受控电源的处理：受控电源的处理：1.作为电压或电流源输出；作为电压或电流源输出；2.搞清控制量的变化影响；搞清控制量的变化影响；独立独立电压源电压源2.4 2.4

19、电路的状态电路的状态电路分电路分有载有载、开路开路和和短路短路三种工作状态。当开关三种工作状态。当开关S闭合即有载工作状态；当开关闭合即有载工作状态；当开关S断开时为开路状态；断开时为开路状态；当电源输出端短接时为短路状态。当电源输出端短接时为短路状态。R0UsR+U1+U2S电源电源负载负载I开关闭合开关闭合, 接通电源与负载。接通电源与负载。RREI 0负载端电压：负载端电压：U = IR 1. 电压电流关系电压电流关系(1) 电流的大小由负载决定。电流的大小由负载决定。 (2) 在电源有内阻时，在电源有内阻时，I U 。或或 U = E IR0电源的外特性电源的外特性EUI0R0ER+I

20、特征特征: 开关断开，隔离电源与负载。开关断开，隔离电源与负载。I = 0电源端电压电源端电压 ( 开路电压开路电压 )负载功率负载功率U = U0 = EP = 01. 开路处的电流等于零；开路处的电流等于零； I = 02. 开路处的电压开路处的电压 U 视电路情况而定。视电路情况而定。电路中某处断开时的特征电路中某处断开时的特征: :I+U有有源源电电路路IRoR EU0 电源外部端子被短接。电源外部端子被短接。 特征特征:0SREII U = 0 PE = P = IR0P = 01. .短路处的电压等于零；短路处的电压等于零； U = 02. .短路处的电流短路处的电流 I 视电路情况而定。视电路情况而定。I+U有有源源电电路路IRRo E下面我们看一个问题：下面我们看一个问题：USRRLILLIUSR+RLUS1-US1 ? ?不会求的原因是：不会求的原因是： 电路中出现了两个回电路中出现了两个回路，路，我们我们对对电路结构电路结构的的约束关系约束关系不了解。不了解。求图示电路中的电流求图示电路中的电流IL。US2R2电路分析的引入电路分析的引入2.52.5基尔霍夫定律基尔霍夫定律基尔霍夫定律是