电工学课件 (2)

1、电工技术电工学研究电工技术和电子技术 的理论及其应用的科学技术。电工技术 （上册）（电工学）电工电子技术电子技术 （下册）电路分析基础 磁路与电机 模拟电子技术 数字电子技术 大学工科各专业的技术基础课电工理论是在实验基础上发展起来的一门学科本课程具有理论与实践紧密结合的特点是后续专业课程及以后从事工业技术的必要基础课程的性质考核方式1、平时成绩：30作业、出勤、课堂表现：10实验：202、期终考试：70第一章电路的基本概念、定律与分析方法1.1 电路的基本概念1.2 电路的基本元件1.3 电路的基本状态和电气设备的额定值1.4 电路中电位的概念及计算 1.6 电路的分析方法 1.5 基尔霍夫

2、定律 电路的基本概念、定律与分析方法第一章1.了解电路模型及理想电路元件的意义；2.理解电压与电流参考方向的意义；掌握电源 与负载的判别。3. 理解电路的基本定律并能正确应用；4. 了解电源的有载工作、开路与短路状态， 理解电功率和额定值的意义；5. 掌握分析与计算电路中各点电位的方法。本章要求:1.1 电路的基本概念电路：电流所通过的路径。它是由电路元件按一定方式组合而成的。电路的作用一： 实现电能的传输和转换发电机 电灯电动机 电炉 升压变压器 降压变压器 输电线 电源中间环节 负载 一、电路的组成和作用电源：将非电能转换成电能的装置，或提供电能的装置。 例如：发电机、干电池负载：将电能转

3、换成非电能的装置，或消耗电能的装置。 例如：电动机、电炉、灯中间环节：连接电源和负载的部分，起传输和分 配电能的作用。例如：输电线路电路的作用之二：传递和处理信号。放大器 电源（信号源）中间环节 负载 电路的组成：电源、负载、中间环节三部分二、 电路模型电池灯泡负载电源理想电路元件：在一定条件下，突出其主要电磁性能， 忽略次要因素，将实际电路元件理想化 （模型化）。 主要有电阻、电感、电容元件、电源元件。电路模型：由理想电路元件所组成的电路，就是实 际电路的电路模型。EIRU+_+_电路的物理量电流电压电动势电池灯泡负载电源EIRU+_+_三、 电压和电流的参考方向电路中物理量的方向物理量的方

4、向：实际方向参考方向实际方向： 物理中对电量规定的方向。参考方向： 在分析计算时，对电量人为规定的方向。物理量的实际方向电路分析中的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AB？电流方向BA？E1ABRE2IR+_+_(1) 在解题前先设定一个方向，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；例已知：E=2V, R=1问： 当U分别为 3V 和 1V 时，IR=?解：(1) 假定电路

5、中物理量的参考方向如图所示；(2) 列电路方程：E RabU+_+_IRUR+_(3) 数值计算（实际方向与参考方向一致）（实际方向与参考方向相反）E IRRURabU+_+_+_(3) 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。（关联参考方向）(1) “实际方向”是物理中规定的，而“参考方向”则 是人们在进行电路分析计算时, 任意假设的。 (2) 在以后的解题过程中，注意一定要先假定物理量 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. 提示四、功率做功的速率：ABi+_u关联参考方向下吸收功率 负载；非关联参考方向下发出功率 电源iAB+_

6、u1.1.3/7 图1.1.9中，哪些元件吸收功率，哪些元件提供功率，并求出吸收与提供的功率大小。 1.2 电路元件二端元件：电阻 电感 电容 电压源 电流源一、电阻元件 R :（单位：、k、M ）线性电阻:电阻值与它所通过的电流 和所施加 的电压无关。即电阻值固定不变. 也可以说满足欧姆定律的电阻为线性电阻.RIU+ _欧姆定律关联参考方向下RUI_+RUI+_非关联参考方向下伏 - 安 特性iu电导单位S（西门子）伏 - 安 特性ui2.非线性电阻元件二、电感元件 L：单位电流产生的磁链（单位：H, mH, H）ui+-1. 电感中电流、电压的关系ui+-线性电感:L=Const (如:空

7、心电感 不变)非线性电感 :L = Const (如:铁心电感 不为常数)当 (直流) 时,所以,在直流电路中电感相当于短路.2. 电感的功率和储能关联方向下三、电容元件 C :单位电压下存储的电荷（单位：F, F, pF）+ +- - - -+q-qui+-1. 电容上电流、电压的关系当 (直流) 时,所以,在直流电路中电容相当于断路.uiC+-线性电容:C=Const 非线性电容 :C = Const 2. 电容的功率和储能关联方向下无源元件小结 理想元件的特性 （u 与 i 的关系）LCR关联参考方向1.3 电路的基本状态和电气设备的额定值 伏安特性（外特性）IUE1.3.1 电源有载工

8、作 （开关合上） 1. 电压与电流 关系 R0R时，UE IUROERdc+-ba+_R0R端电压单位：w、Kw 式中： PE=EI-是电源产生的功率 P=R0I2-是电源内阻上所损耗的功率 P=UI-是电源输出的功率 2. 功率与功率平衡 IUROERdc+-ba+_3. 额定值与实际值 额定值概念：在实际电路中，电气设备的电压、电流都有一个额定值，它是制造厂家综合考虑了用电设备的工作能力、运行性能、经济性、可靠性及其使用寿命等命等因素制定的。电路中通常以UN、IN、PN表示。 在使用时，电压、电流、功率的实际值不一定等于它们的额定值。1.3.2. 电源开路（开关断开） I=0U=U0=EP

9、=0 IUROERdc+-ba+_PE=0 ， P=0开路电压1.3.3. 电源短路 IUROERdc+-ba+_U=0I=IS=E/R0P=0 PE=P=R0I2, 短路电流节点电位的概念：Va = 5V a 点电位：ab15Aab15AVb = -5V b 点电位：在电路中任选一节点，设其电位为零（用此点称为参考点。其它各节点对参考点的电压，便是该节点的电位。记为：“VX”（注意：电位为单下标）。标记），1.4 电路中电位的概念及计算电压的概念：两点间的电压就是两点的电位差 某点电位值是相对的，参考点选得不同，电路中其它各点的电位也将随之改变； 电路中两点间的电压值是固定的，不会因参考点的

10、不同而改变。注意：电位和电压的区别Uab=610=60VUca=204=80VUda=56=30VUcb=140VUdb=90V以a电为参考点Vv-Va=Uba Vb=Uba=-60VVc-Va=Uca Vc=Uca=+80VVd-Va=Uda Vd=Uda=+30V例E1=140V+_E2=90V+_20564A6A10AcbdaE1=140V+_E2=90V+_20564A6A10Acbda以b电为参考点 Va=Uab=60V Vc=Ucb=140V Vd=Udb=90V以a电为参考点Vb=Uba=60VVc=Uca=80VVd=Uda=30V电位在电路中的表示法E1+_E2+_R1R2R

11、3R1R2R3+E1-E2R1R2+15V-15V 参考电位在哪里？R1R215V+-15V+- （1）电路中某一点的电位等于该点与参考点（电位为零）之间的电压。 （2）参考点选的不同，电路中各点的电位值随着改变，但是任意两点间的电压值是不变的。所以各点电位的高低是相对的，而两点间的电压是绝对的。电位小结1.4.7/20 求开关断开和闭合两种状态下A点电位1.5 基尔霍夫定律（克希荷夫）名词注释：节点：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基尔霍夫电流定律应用于结点基尔霍夫电压定律应用于回路支路：ab、ad、 . （共6条）回路：abda、 bcdb、 . （

12、共7 个）节点：a 、 b、c 、d (共4个）例I3E4E3_+R3R6+R4R5R1R2abcdI1I2I5I6I4-1.5.1 基尔霍夫电流定律（KCL方程） 对任何节点，在任一瞬间，流入节点的电流等于由节点流出的电流。或者说，在任一瞬间，一个节点上电流的代数和为 0。 基尔霍夫电流定律的依据：电流的连续性 I =0即：I1I2I3I4例或：电流定律还可以扩展到电路的任意封闭面。闭合面；I1 +I2=I3 例I=0基尔霍夫电流定律的扩展I=?E2E3E1+_RR1R+_+_R例I1I2I3ABCI4I5I6A: I1 =I4+I6B: I2 +I4=I5C: I5 +I6=I31.5.2

13、 基尔霍夫电压定律（KVL方程） 对电路中的任一回路，沿任意绕行方向转一周，其电位升等于电位降。或，电压的代数和为 0。例如： 回路 a-d-c-a电位升电位降即：或：bI3E4E3_+R3R6+R4R5R1R2acdI1I2I5I6I4-I3E4E3_+R3R6+R4R5R1R2abcdI1I2I5I6I4-或注：电动势参考方向与回路绕行方向相同时取正，否则取负；电阻电流方向与绕行方向相同是取正，否则取负。E+_RabUabI基尔霍夫电压定律也适合开口电路。例+_1.6 电路的分析方法1.6.1 电路的等效化简等效的概念N1外电路+-uiN2外电路+-uiN1和N2等效电阻串联1. 定义:

14、若干个电阻元件一个接一个顺序相连, 并且流过同一个电流。 2. 等效电阻: Req=R1+R2+Rn= UR_+UU1U2R1R2+_+_电阻串并联的等效变换 3. 分压公式: 各段电压降与阻值成正比。并且P1：P2=R1：R2UR _+UU1U2R1R2+_+_I1. 定义: 若干个电阻都连接到同一对节点上,并 联时各电阻承受同一电压。2. 等效电阻:R1R2RnI1I2InIU+_电阻并联3. 分流公式: 即电流分配与电阻成反比.功率P1:P2=R2:R1电压源伏安特性电压源模型IUERo越大斜率越大电源的两种模型：电压源和电流源。UIRO+-E+_电压源与电流源及其等效变换理想电压源 （

15、恒压源）: RO= 0 时的电压源.特点：(1）输出电 压不变，其值恒等于电动势。 即 Uab E； （2）电源中的电流由外电路决定。伏安特性IUabEEI+_abUab+_恒压源中的电流由外电路决定设: E=10V当R1 R2 同时接入时： I=10A例 当R1接入时 ： I=5A则：IE+_abUab2R1R22+_电流源IsUabI外特性 电流源模型RORO越大特性越陡ISROabUabI+_理想电流源 （恒流源): RO= 时的电流源. 特点：（1）输出电流不变，其值恒等于电 流源电流 IS； IUabIS伏安特性（2）输出电压由外电路决定。abIUabIs+_恒流源两端电压由外电路决

16、定设: IS=1 A R=10 时， U =10 V R=1 时， U =1 V则:例IUIsR+_电压源中的电流如何决定？电流源两端的电压等于多少？例IE R_+abUab=?Is原则：Is不能变，E 不能变。电压源中的电流 I= IS恒流源两端的电压+_两种电源的等效互换 等效互换的条件：对外的电压电流相等。I = I Uab = Uab即：IRO+-EbaUab+_ISabUabI RO+_等效互换公式IRO+-EbaUab则I = I Uab = Uab若ISabUabIRO+_+_电压源ab电流源UabROIsI +_aE+-bIUabRO_+等效变换的注意事项“等效”是指“对外”等

17、效（等效互换前后对外伏-安特性一致），对内不等效。(1)RO中不消耗能量RO中则消耗能量对内不等效对外等效aE+-bIUabRORL+_IsaRObUabI RL+_时例如：注意转换前后 E 与 Is 的方向(2)aE+-bIROE+-bIROaIsaRObIaIsRObI(3)恒压源和恒流源不能等效互换aE+-bI（不存在）abIUabIs+_(4) 进行电路计算时，恒压源串电阻和恒电流源并电阻两者之间均可等效变换。RO和 RO不一定是电源内阻。R1R3IsR2R5R4I3I1I应用举例-+IsR1E1+-R3R2R5R4IE3I=?(接上页)IsR5R4IR1/R2/R3I1+I3R1R3

18、IsR2R5R4I3I1I+RdEd+R4E4R5I-(接上页)ISR5R4IR1/R2/R3I1+I310V+-2A2I讨论题哪个答案对?+-10V+-4V2未知数：各支路电流解题思路：根据基尔霍夫定律，列节点电流 和回路电压方程，然后联立求解。1.6.2 支路电流法解题步骤：1. 对每一支路假设一未 知电流（I1-I6）4. 解联立方程组对每个节点有2. 列电流方程对每个回路有3. 列电压方程节点数 N=4支路数 B=6E4E3-+R3R6R4R5R1R2I2I5I6I1I4I3+_例1节点a：列电流方程(N-1)节点c：节点b：节点d：bacd（取其中三个方程）节点数 N=4支路数 B=

19、6E4E3-+R3R6R4R5R1R2I2I5I6I1I4I3+_列电压方程(B-N+1)电压、电流方程联立求得：bacdE4E3-+R3R6R4R5R1R2I2I5I6I1I4I3+_是否能少列一个方程?N=4 B=6R6aI3sI3dE+_bcI1I2I4I5I6R5R4R2R1Ux例2电流方程支路电流未知数少一个：支路中含有恒流源的情况N=4 B=6电压方程：dE+_bcI1I2I4I5I6R5R4R2R1UxaI3s支路电流法小结解题步骤结论与引申12对每一支路假设一未知电流1. 假设未知数时，正方向可任意选择。对每个节点有1. 未知数=B，4解联立方程组对每个回路有#1#2#3根据未

20、知数的正负决定电流的实际方向。3列电流方程：列电压方程：2. 原则上，有B个支路就设B个未知数。 （恒流源支路除外）例外？若电路有N个节点，则可以列出 ？ 个独立方程。(N-1)I1I2I32. 独立回路的选择：已有(N-1)个节点方程， 需补足 B -（N -1）个方程。 一般按网孔选择支路电流法的优缺点优点：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、欧 姆定律列方程，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，求解不方便。支路数 B=4须列4个方程式ab 节点电压法适用于支路数多，节点少的电路。如: 共a、b两个节点，b设为参考点后，仅剩一个未知数（a

21、点电压Ua）。abVa节点电压法中的未知数：节点电压“UX”。节点电压法解题思路 假设一个参考点，令其电位为零, 求其它各节点电压，求各支路的电流或电压。 1.6.3 结点电压法节点电压方程的推导过程（以下图为例）I1ABR1R2+-+E1E2R3R4R5+-E5I2I3I4I5C则：各支路电流分别为 ：设：节点电流方程：A点：B点： 将各支路电流代入A、B 两节点电流方程，然后整理得：其中未知数仅有：UA、UB 两个。节点电压法列方程的规律以A节点为例：方程左边：未知节点的电压乘上聚集在该节点上所有支路电导的总和（称自电导）减去相邻节点的电压乘以与未知节点共有支路上的电导（称互电导）R1R2

22、+-+E1E2R3R4R5+-E5I2I3I4I5CAB节点电位法列方程的规律以A节点为例：方程右边：与该节点相联系的各有源支路中的电动势与本支路电导乘积的代数和：当电动势方向朝向该节点时，符号为正，否则为负。ABR1R2+-+E1E2R3R4R5+-E5I2I3I4I5C按以上规律列写B节点方程：R1R2+-+E1E2R3R4R5+-E5I2I3I4I5CAB节点电压法应用举例（1）I1E1E3R1R4R3R2I4I3I2AB 电路中只含两个节点时，仅剩一个未知数。VB = 0 V设 :则：I1I4求设：节点电压法应用举例（2）电路中含恒流源的情况则：BR1I2I1E1IsR2ARS? R1

23、I2I1E1IsR2ABRS 对于含恒流源支路的电路，列节点电压方程 时应按以下规则：方程左边：按原方法编写，但不考虑恒流源支路的电 阻。 方程右边：写上恒流源的电流。其符号为：电流朝向 未知节点时取正号，反之取负号。线性电路特点：（1）齐次性：则 KX KY若X Y（2）叠加性：若X1 Y1，X2 Y2则 X1+X2 Y1+Y21.6.4 叠加定理 在多个电源同时作用的线性电路(电路参数不随电压、电流的变化而改变)中，任何支路的电流或任意两点间的电压，都是各个电源单独作用时所得结果的代数和。+BI2R1I1E1R2AE2I3R3+_+_原电路I2R1I1R2ABE2I3R3+_E2单独作用内

24、容:+_AE1BI2R1I1R2I3R3E1单独作用I2I1AI2I1+BI2R1I1E1R2AE2I3R3+_+_E1+B_R1R2I3R3R1R2ABE2I3R3+_例+-10I4A20V1010用叠加原理求：I= ?I=2AI= -1AI = I+ I= 1A+10I4A1010+-10I 20V1010解：应用叠加定理要注意的问题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）。 2. 叠加时只将电源分别考虑，电路的结构和参数不变。 暂时不予考虑的恒压源应予以短路，即令E=0； 暂时不予考虑的恒流源应予以开路，即令 Is=0。3. 解题时要标明各支路电流、电压的正

25、方向。原电 路中各电压、电流的最后结果是各分电压、分电 流的代数和。=+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：5. 运用叠加定理时也可以把电源分组求解，每个分 电路的电源个数可能不止一个。 设：则：I3R3=+例 US =1V、IS=1A 时， Uo=0V已知：US =10 V、IS=0A 时，Uo=1V求：US =0 V、IS=10A 时， Uo=?US线性无源网络UOIS设解：（1）和（ 2）联立求解得：当 US =1V、IS=1A 时，当 US =10 v、IS=0A 时，+_名词解释：无源二端网络： 二端网络中没有电源有源二端网络： 二端网络中含有电源二端网络：

26、若一个电路只通过两个输出端与外电路 相联，则该电路称为“二端网络”。 ABAB1.6.5 等效电源定理abRab无源二端网络+_ER0ab 电压源（戴维南定理） 电流源（诺顿定理）ab有源二端网络abISR0无源二端网络可化简为一个电阻有源二端网络可化简为一个电源戴维南定理注意：“等效”是指对端口外等效概念：有源二端网络用电压源模型等效。 有源二端网络RLab+UIER0+_RLab+UI等效电源等效电压源的内阻等于有源二端网络相应无源二端网络的输入电阻。（有源网络变无源网络的原则是：电压源短路，电流源断路）等效电压源的电动势（E ）等于有源二端网络的开路电压；相应的无源二端网络AB有源二端网

27、络AB+_有源二端网络RLab+UIER0+_RLab+UI戴维南定理解题的步骤：（1）将复杂电路分解为待求支路和有源二端网络 两部分；（2）画有源二端网络与待求支路断开后的电路， 并求开路电压U0 , 则E = U0；（3）画有源二端网络与待求支路断开且除源后的 电路，并求无源网络的等效电阻R0；（4）将等效电压源与待求支路合为简单电路，用 欧姆定律求电流。戴维南定理应用举例（之一）已知：R1=20 、 R2=30 R3=30 、 R4=20 E=10V求：当 R5=10 时，I5=?R1R3+_R2R4R5EI5R5I5R1R3+_R2R4E等效电路有源二端网络第一步：求路电压Uoc第二步

28、：求输入电阻 RdCRdR1R3R2R4ABD=2030 +3020=24UocR1R3+_R2R4EABCD+_+_EdRdR5I5等效电路R5I5R1R3+_R2R4E第三步：求未知电流 I5+_EdRdR5I5Ed = U oc = 2VRd=24时戴维南定理应用举例（之二）求：U=?4 4 505 33 AB1ARL+_8V_+10VCDEU+_第一步：求开路电压Uoc_+4 4 50AB+_8V10VCDEUoc1A5 此值是所求结果吗？+_第二步：求输入电阻 RdRd4 4 505 AB1A+_8V_+10VCDEUoc44505+_+_EdRd579V33等效电路4 4 505

29、33 AB1ARL+_8V+10VCDEU+_第三步：求解未知电压+_EdRd579V33例 用戴维宁定理求 I 。5A34210V+-I3A5A342+-U03A解：342+R0-EI+-10V诺顿定理有源二端网络AB概念：有源二端网络用电流源模型等效。 =ABIdRd 等效电流源 Id 为有源二端网络输出端的短路电流 等效电阻 仍为相应无源二端网络的输入电阻Rd诺顿定理解题的步骤：（1）将复杂电路分解为待求支路和有源二端网络 两部分；（2）画有源二端网络与待求支路断开后再短路的 电路，并求短路电流ISC , 则ISC = IS；（3）画有源二端网络与待求支路断开且除源后的 电路，并求无源网

30、络的等效电阻R0；（4）将等效电流源与待求支路合为简单电路，用 分流公式求电流。诺顿定理应用举例R5I5R1R3+_R2R4E等效电路有源二端网络R1R3+_R2R4R5EI5已知：R1=20 、 R2=30 R3=30 、 R4=20 E=10V 求：当 R5=10 时，I5=?第一步：求输入电阻Rd。 CRdR1R3R2R4ABDR5I5R1R3+_R2R4ER1=20 , R2=30 R3=30 , R4=20 E=10V已知：第二步：求短路电流 IdVA=VBId =0 ?R1/R3R2/R4+-EA、BCD有源二端网络DR1R3+_R2R4EACBR5IdR1=20 、 R2=30 R3=30 、 R4=20 E=10V已知：BCIdDR3_R2R4EAR1+I1I2R5I5R1R3+_R2R4EI5ABId240.083AR510Rd等效电路第三步：求解未知电流 I5。I5ABId240.083AR510Rd电路分析方法小结电路分析方法共讲了以下几种：两种电源等效互换支路电流法节点电压法叠加原理等效电源定理戴维南定理诺顿定理 总结 每种方法各有 什么特点？适 用于什么情况？电源非独立源（受控源）独立源电压源电流源1.7 受控电源电路分析ibicECB受控源举例ibic= ibrbe独立源和非独立源的异同相同点：