项目一 电工基础直流电路

电网技术部线圈老师电工技术及应用电工技术及应用

“电工技术及应用”课程是发电厂及电力系统专业的一门重要的专业基础课，是一门实践性很强的课程。其任务是：以典型交直流电路为载体，通过完成电路参数和典型工作电路的分析和制作，将电工电路的基本理论与实践技能有机地融合，配合电工装配仿真实训，培养学生具有电路分析的工程计算能力和操作能力。为学生以后参加电类方面的工作打下必要的基础，使学生有一定的创新创业意识和能力。本学期学习内容项目一简单直流电阻电路分析及应用

任务1.1仪器仪表的使用及电位测量任务1.2电阻串联、并联的应用任务1.3电阻星型和三角形等效互换任务1.4电阻伏安特性的测定

项目二复杂直流电阻电路分析及应用任务2.1基尔霍夫定律的验证任务2.2叠加定理及验证任务2.3电源的等效变换任务2.4戴维南定理的验证

本学期学习内容

项目三单相正弦交流电路及应用任务3.1单相交流电在白炽灯照明电路中的应用任务3.2R、L串联电路在日光灯电路中的应用任务3.3R-L-C串联电路分析应用任务3.4日光灯电路中功率因数的提高项目四三相正弦交流电路及应用任务4.1：三相照明电路星形连接任务4.2：三相照明电路三角形连接任务4.3：三相电路有功功率的测量成绩比例分配成绩评定内容比例分配平时成绩20%期中考试20%期末考试50%实验10%项目一简单直流电阻电路分析及应用一、电路的类型1.电路的基本概念：电流流经的路径。2.电路的组成：由电源、负载和中间环节组成。3.电路类型：（1）传输和转换电能的电路（2）传递和处理信号的电路实践中的电路：1)直流电路。2)三相交流电路。3)单相交流电路(简称交流电路)。任务1.1

仪器仪表的使用及电位测量电路各部分的功能电源：产生电能，将其他能量转换为电能。负载：用电设备总称，将电能转换为其他能量。中间环节：电路中传输、分配、控制电能作用。二、电路元件与电路模型电源负载实体电路中间环节

与实体电路相对应、由理想元件构成的电路图，称为实体电路的电路模型。电路模型负载电源开关连接导线SRL+

U–IUS+_R0白炽灯的电路模型可表示为：

实际电路器件品种繁多，其电磁特性多元而复杂，采取模型化处理可获得有意义的分析效果。如iR

R

L消耗电能的电特性可用电阻元件表征产生磁场的电特性可用电感元件表征由于白炽灯中耗能的因素大大于产生磁场的因素，因此L可以忽略。

理想电路元件是实际电路器件的理想化和近似，其电特性单一、确切，可定量分析和计算。白炽灯电路RC+

US–电阻元件只具耗能的电特性电容元件只具有储存电能的电特性理想电压源输出电压恒定，输出电流由它和负载共同决定理想电流源输出电流恒定，两端电压由它和负载共同决定L电感元件只具有储存磁能的电特性IS理想电路元件分有无源和有源两大类无源二端元件有源二端元件

必须指出，电路在进行上述模型化处理时是有条件的：实际电路中各部分的基本电磁现象可以分别研究，并且相应的电磁过程都集中在电路元件内部进行。这种电路称为集中参数元件的电路。

集中参数元件的特征1.电磁过程都集中在元件内部进行，其次要因素可以忽略。如R，L、C这些只具有单一电磁特性的理想电路元件。2.

任何时刻从集中参数元件一端流入的电流恒等于从它另一端流出的电流，并且元件两端的电压值完全确定。

工程应用中，实际电路的几何尺寸远小于工作电磁波的波长，因此都符合模型化处理条件，均可按集中假设为前提，有效地描述实际电路，从而获得有意义的电路分析效果。（1）电气设备的额定值电气设备长期、安全工作条件下的最高限值称为额定值。又称为铭牌值。电气设备的额定值是根据设计、材料及制造工艺等因素，由制造厂家给出的技术数据。

3.电路的三种工作状态电气设备的工作状态：

电气设备在实际使用时其电压、电流和功率的实际值不一定等于它们的额定值。满载——电气设备工作在额定值。超载（过载）——电气设备超过额定值使用。会造成装置的损害。轻载——电气设备低于额定值使用，将使装置的效率低下或不能正常工作。额定值的表示：PN、UN、IN（2）电路的三种工作状态I＝US÷(RS＋RL)（1）负载状态（通路）

＋U=US－IRS

－RLS＋

US－RS（2）开路＋U=US－I＝0S＋

US－RSRL＋U=0－I＝US/RS（3）短路RLS＋

US－RS=0

＋U=US－IRS

－RLS＋

US－RSI＝US÷(RS＋RL)1.负载状态特征：1）电路中的电流为：US、Rs一定时，电流由负载R的大小决定。2）电源的端电压为：电源的端电压总是小于电源电动势。3）电源输出功率为：等于负载电阻吸收的功率，这样整个电路功率就平衡了。输出功率的大小除了电源外，还决定与负载的大小，负载的电阻越小电流越大，输出的功率就越大。＋U=US－I＝0S＋

US－RSRL2、开路状态特征：1）电路中电流为零，即I=02）电源两端的电压等于电源的电动势，即

3）电源的输出功率和负载所吸收的功率均为零。P=0

＋U=US－IRS

－RLS＋

US－RS3、短路状态特征：1）此时电源输出的电流最大，负载上的电流为零，电源输出的电流为：相当于RL=02）电源和负载的端电压均为零，即

3）电源对外输出的功率和负载上吸收的功率均为零，电动势所发出的功率全部消耗在内阻上。短路电流很大，应避免出现短路现象。低压供电系统，用熔断器（保险丝）进行短路保护。三、电流1．电流的形成：电荷的定向移动形成电流。电流强度：单位时间内通过导体任一横截面的电量，叫电流强度，用于衡量电流大小。2.电流方向：正电荷运动方向，习惯称为电流的实际方向。参考方向概念：对于一个元件，在电压（或电流）可能的两个方向中任选的一个方向称为参考方向。电流的参考方向可以用以下两种方式表示，如下图所示：正负号问题：若实际方向与参考方向相同，前加正号；若实际方向与参考方向相反，前加负号。正负号问题：若实际方向与参考方向相同，前加正号；若实际方向与参考方向相反，前加负号。电流参考方向与实际方向的关系有关参考方向的注意事项：电路中，电流、电压的参考方向用实线箭头表示，需要时，用虚线箭头表示其实际方向。1）电流、电压的方向客观存在,参考方向人为选定。2）同一电流（或电压），参考方向选择不同，其表示结果为等大异号。如：Uab=-Uba,Iab=-Iba3）无特殊说明，电流、电压均为带有正负号的参考量，不指明参考方向谈正负毫无意义。参考方向一经选定不能随意变动。直流电流：大写I表示电流单位：安培（安），A

千安，kA

毫安，mA

【例1-2】闪电时的放电时间t=2ms，电荷Q=0.24C，请计算：1）放电时的电流I。

2）计算2ms内的基本电荷数。解：1）

2)3.电流的测量测量时电流表串联接于电路中，有直流电流表、交流电流表两种,万用表也可用作电流表使用,如下图：

应用：热效应：电烙铁、熔断器磁效应：电动机、接触器、继电器光效应：荧光灯、发光二极管、白炽灯化学效应：电解、电镀、蓄电池生理效应：电疗设备

4．电流效应5．电流密度将每平方毫米横截面的电流称为电流密度J。（单位：A/mm）电流密度越大，导体越容易发热。小截面导线的允许电流密度大于大截面导线的允许电流密度。【例1-3】通过白炽灯泡的电流I=0.2A，求下列情况的电流密度：1）截面积为1.5mm的导线。2）直径为0.03mm的灯丝。解：1)J=2）S=mmJ=电压概念：电场力把单位正电荷从电场中a点移到b点所做的功，称为两点间电压，用u表示。四、电压电压方向：正电荷运动其能量减少的方向，习惯称为电压的实际方向。电压的实际方向为由高电位指向低电位，也称为电位降或电压降。电压的参考方向表示方法有三种:1）用“＋”、“－”参考极性表示：“+”极表示高电位点，“－”极表示低电位点2）用箭头表示：箭头指向“+”极→“－”极3）用双下标表示：Uab表示参考方向为从a指向b。电压的参考方向与实际方向的关系电压具有四个性质：1）两点间电压具有唯一确定数值：两点间电压只和位置有关，与移动的路径无关。2）电压有大小、方向：电压大小与参考点无关，电压实际方向是由高电位指向低电位。3）当电压和电流的参考方向选择一致时，称为关联参考方向。即电流的参考方向是从电压的“十”极流人，“一”极流出。4）沿任一闭合回路走一圈，各段电压的和恒为零。

关联参考方向与非关联参考方向

对某一段电路或某一元件，若选择电流、电压参考方向一致，称关联参考方向；如不一致，称非关联参考方向。

如果采用关联方向，在标示时标出一种即可。

电压的测量：电压表并联接于电路中，有直流电压表、交流电压表两种。电压单位：伏特（伏），V

千伏，kV毫伏，mV微伏，μV

直流电压：大写U表示安全电压规定1)在有触电危险的场所使用的手提式电动工具，电压不大于42V。2)隧道、有导电粉尘或高度低于2.5m等场所的照明电压及机床局部照明电压，不大于36V。3)在潮湿和易触及带电体场所使用的移动式灯，电压不大于24V。4)在特别潮湿场所、导电良好的地面、矿井、锅炉内或金属容器内作业的照明电压，不大于12V。此外，安全电压必须由独立电源(化学电池或与高压无关的柴油发电机)或安全隔离变压器(行灯变压器)供电。安全电压回路应相对独立，与其他电气系统实行电气上的隔离。电位概念：在电路中，任选一点为参考点，则某一点到参考点之间的电压，称作该点的电位。用V表示。单位同电压单位。五、电位选O点为参考点，Va=UaoVo=0，参考点也叫零电位点对上图，有：Va=Uao，Vb=Vbo，Uab=Uao+Uob=Uao-Ubo=Va-Vb结论：两点间的电压等于两点间的电位差。所以电压也叫电位差。亦可知电压方向是高电位指向低电位。电路的参考点改变了，各点电位随之而变，但任意两点之间的电压不随参考点的改变而变化。解：U==12V一3V=9V【例1.1-3】计算如图所示电源设备端子5,2间电压。等电位点：如果两点间电位相等，电压为零，这两点称为等电位点。等电位点之间的支路，可以去掉，也可以短路，而不会影响电路的其余部分。参考点的选择：电力系统，常以大地为参考点，电子设备，常选机壳或元件汇集的公共导线为参考点。

电动势概念：电源力将单位正电荷从电源的负极移动到正极所做的功，称为电源的电动势。电动势方向：电源负极指向电源正极。电动势的实际方向与电压实际方向相反单位：同电压，伏特（V）六、电动势直流电源：电动势的大小和方向不随时间变化的电源。E表示其电动势。一般符号：电池类直流电源符号：注意：当不考虑电源内阻，电源电动势大小与电源端电压大小相等。当方向相反：当方向相同：一、电阻元件R电位器结构形式

。电阻元件：理想的二端元件，其电压、电流方向总一致，不断消耗电能。简称为电阻。

电阻产品实物图

电阻元件图符号电阻概念：导体或半导体对电流的阻碍作用称为电阻。电阻元件的特性：流过电流生热，消耗电能。单位：欧姆（Ω）千欧（kΩ）、兆欧（MΩ）任务1.2电阻串联、并联的应用2.导体电阻导线的电阻R与电阻率和导线长度L成正比，而与导线截面积S成反比。导体的电阻大小与材料有关，决定于导体的尺寸和导体的性质以及导体使用的环境温度。20℃时材料的电阻率和电导率

金属的电阻随温度升高而增大，我们把这种材料叫冷导体，反之热态导电好的材料叫热导体。材料20℃时的温度常数

常用温度常数来表示电阻变化的值，也称为温度系数。冷导体为正温度常数，热导体为负温度常数。电阻的承载能力与电热的散发能力有关。尺寸越大，则承载力越高，所有电阻的承载能力均与环境温度有关。3.电阻与温度的关系二、电阻的连接

为了满足实际电路的需要，经常将电阻串联或并联。

1、电阻的串联

几个电阻依次相连，通过同一电流。几个电阻串联可用一个等效电阻代替。等效电阻等效条件：相同外加电压作用下通过的电流相等，等效电阻又叫总电阻。串联电阻的总电阻等于各电阻之和。分压关系在电阻串联电路中，各电阻上的电压与其电阻值成正比。电压关系式为分压公式，其中电阻比为分压比。电阻串联电路中各电阻消耗的功率与其电阻值成正比。负载串联连接，若某个负载断路、短路，对其它负载都有影响，电阻串联可应用于限流、调整，分压器。因为电阻串联会产生降压作用，所以长线路输电时端电压会降低，一般为提高传输效率，需要提高电压等级。P1：P2：…：Pn=R1：R2：…：Rn注意：直流电路得出的结论同样适应正弦电路，但对应于有效值。【例1.1-5】有两只灯泡，一只标明220V、60W，另一只标明220V、100W，若将它们串联起来，接于220V的电源上，设灯泡都能发光，试问哪只灯泡亮些？解:

220V、60W的灯泡亮些。串联电阻应用：扩大电压表的量程多量程电压表一般在电压表上串联附加电阻Rm为电压表扩大的倍数，则需串联的分压电阻大小为：【例1.1-6】一个10V的电压表，内阻20ｋ，若改成250V的电压表，所需串联的电阻为多少?解：R==480ｋ；【例1.1-7】有个表头（仪表测量机构），其满刻度偏转电流为50µA，内阻R为3kΩ，如图1.1-25所示。若用此表头制成量程为100V的电压表，应串联多大的附加电阻。解：满刻度时表头的电压为满刻度时附加电阻的电压为附加电阻为2、电阻的并联

几个电阻连接在同一对节点上，各电阻承受同一电压。等效电阻（总电阻）两个电阻并联时上式表明：电阻并联时，总电阻的倒数等于各并联电阻的倒数之和，即总电导等于各电导之和。分流关系并联电阻应用：电流表量程扩大及分流电路电阻并联电路的特点：1）电阻并联电路的总电流等于各支路电流之和。2)电阻并联电路中各个并联电阻中的电流与其电阻成反比（与其电导成正比）。3)电阻并联电路中各电阻的功率与其电阻值成反比。负载并联时，各负载自成一个支路，某个电阻值改变，只会使自身的电流改变，不会涉及其他支路，仅使线路的总电流有所改变。因此供电线路的负载一般采用并联接法。并联电阻应用：扩大电流表的量程多量程电流表一般在电压表上并联附加电阻Rfn为电流表扩大的倍数，则需并联的分压电阻大小为：3、电阻的混联既有串联又有并联的电阻连接方式称为电阻的混联。混联电路计算步骤1）首先搞清楚各电阻的串并联关系，按照从后向前的所谓“倒推法”求出电路的总电阻。2）求出总电流。3）利用分流或分压公式求出各电阻的电流或电压。【例1.1-8】计算下图1.1-28所示电路的等效电阻。

解：任务1.3电阻的Y形连接和Δ形连接及其等效变换电阻的星形（Y形）连接：将三个电阻中各个电阻的一个端钮连接在一起来构成一个节点，而将它们另一端作为引出端钮的连接方式。电阻的三角形（△形）连接：将三个电阻依次一个接一个地连接起来构成一个闭合回路，从三个连接点引出三个端线，以供与外电路连接的连接方式。电阻的星形连接和三角形连接Y─△等效变换Y─△等效变换：Y形电路与△形电路的等效变换。△→YY─△等效变换Y→△Y─△等效变换或如果【例1.1－9】在图(a)所示电路中，已知Us=220V，R0=1Ω，R1=40Ω，R2=36Ω，R3=50Ω，R4=55Ω，R5=10Ω，试求各电阻的电流。解将△形连接的电阻R1、R3、R5等效变换为Y形连接的电阻Ra、Rc、Rd，变换后的等效电路如图（b）所示。根据△→Y变换式，求得：在图（b）中，Rc与R2串联，串联电路等效电阻为Rd与R4的串联等效电阻为Rc2与Rd4并联的等效电阻为经串并联等效变换后，可得到图（c）所示电路，该电路中电流为由图（b）所示电路求得电流再回到图（a）所示电路，由KVL可得于是可得R5的电流由KCL得线性电阻元件伏安特性0UI

即：因此，电阻元件称为即时元件。线性电阻元件：电压与电流的大小成正比的电阻。否则为非线性电阻元件。线性电路：由线性元件组成的电路。否则为非线性电路。

或U=RI一、欧姆定律在任意时刻，电阻两端的电压和电流关系可以由平面上的一条曲线来确定，称为电阻的伏安特性。电阻元件上的电压、电流关系为即时对应关系1.4电阻伏安特性的测定

线性电阻元件伏安特性：UIo电阻：电导：电阻单位：欧姆（Ω），千欧（kΩ）;兆欧（MΩ）

1kΩ=103Ω；1MΩ=103kΩ=106Ω电导单位：西门子（西），符号S。当U、I

取关联参考方向相同时，U、I取非关联参考方向时，RU+–IRU+–I

说明：①式前的正负号由U、I

参考方向的关系确定；

②

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。

通常取

U、I

参考方向相同，即取关联参考方向。U=IR

U=–IR对于线性电阻元件，其欧姆定律式为：

以上两式皆为欧姆定律式

电阻功率：电阻元件的功率电阻实际应用：电热设备，如电热水器、电熨斗、电烤箱、电炉等电阻是纯耗能元件，按电压电流关联参考方向：【例1.1-10】应用欧姆定律，对下图所示各电路列写欧姆定律式子，并求R。解：图（a）中，U和I为关联参考方向，I=图(b)中，U和I为非关联参考方向，I=-图(c)中，U和I为非关联参考方向，I=-图(d)中，U和I为关联参考方向，I=1.电能的获得

电能获得的途径：

能量既不能产生，也不能消失，只能从一种形式转变为另一种形式。二、电能概念：在一段时间内电场力做功的总和称为电能，用W表示。直流电路：

电能单位：焦耳（J)，实用用千瓦时（kW·h)1kW·h=1000W×3600s=3.6×106J=1度2.电能的定义【例1.1-11】一会议室有100W电灯10只，2kW电热器2台，均在220V电压下使用。试求:(1)总电流；(2)每天使用3h，20天用了多少电能。解：(1)先求总功率P=10010+2102=5(kW)再求总电流

=22.7(A)

(2)所用电能W=Pt=5320=300(kW·h)3.电能的测量（1）间接测量

电能可以通过测量电压、电流和时间，由公式W=UIt来确定。（2）直接测量

用仅作为计数器的电能表直接测量。三、电功率1.电功率定义：单位时间内电源力或电场力所做的功称为电功率，简称功率。单位：瓦特（W），千瓦（kW），毫瓦（mW)

1kW=103W1mW=10-3W功率与电压电流的关系：直流电路功率：

P=UI=2.二端电路功率的计算：对外只有两个端钮的一段电路称为二端电路或二端网络、一端口网络。两种情况：

1）接受功率：二端网络端口电压电流方向相同，该网络接受功率，为负载；2）发出功率：二端网络端口电压电流方向相反，该网络发出功率，为电源。电源：U和I的实际方向相反，电流从＋端流出，发出功率负载：U和I的实际方向相同，电流从＋端流入，吸收功率负载有时指用电设备，有时指功率。电压电流关联方向时：P=UI电压电流非关联方向时：P=－UIP＞0时接受功率，P