电工电子技术电路分析基础

,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,跳转到第一页,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,电工电子技术电路分析基础,电工电子技术,主讲:胡跃辉,2009年2月,第,3,页,第,1,章 电路分析基础,第,2,章 正弦交流电路,第,3,章 三相交流电路,第,4,章 磁路与变压器,第,5,章 异步电动机及其控制,第一篇 电工电子技术,第二篇,理解电流、电压参考方向的问题；掌握基尔霍夫定律及其应用；了解电气设备额定值的定义；熟悉电路在不同工作状态下的特点；深刻理解电路中电位的概念并能熟练计算电路中各点的电位。,第1章 电路分析基础,学习要点,第二页,第1章 电路分析基础,1.1 电路分析基础知识,1.2 电气设备的额定值及电路的工作状态,1.3 基本电路元件和电源元件,1.4 电路定律及电路基本分析方法,1.5 电路中的电位及其计算方法,1.6 叠加定理,1.7 戴维南定理,第二页,1.1,电路分析基础知识,1.,导体、绝缘体和半导体,原子核,原子核中有质子和中子，其中质子带正电，中子不带电,绕原子核高速旋转的电子带负电,自然界物质的电结构：,电子,正电荷,负电荷,=,原子结构中,：,原子核,导体的外层电子数很少且距离原子核较远，因此受到原子核的束缚力很小，极易挣脱原子核的束缚游离到空间成为自由电子，自由电子在外电场作用下定向移动形成电流。,原子核,半导体的外层电子数一般为,4,个，其导电性界于导体和绝缘体之间。,原子核,绝缘体外层电子数常为,8,个，且距离原子核较近，因此受到原子核很强的束缚力而无法挣脱，我们把外层电子数为,8,个称为稳定结构，这种结构中不存在自由电子，因此不导电。,第四页,绝缘体是否在任何条件下都不导电？,当外界电场的作用超过原子核对外层电子的束缚力时，绝缘体的外层电子也同样会挣脱原子核的束缚成为自由电子，这时我们称为绝缘被 击穿。,半导体有什么特殊性？,半导体的导电性虽然 介于导体和绝缘体之间，但半导体在外界条件变化时，其导电能力会大大增强；若掺入某些杂质后，其导电能力甚至会增加成千上万倍，半导体的这种特殊性，使它在电子技术中得到了广泛地应用。,检 验 学 习 结 果,第四页,2.,电路的组成和功能,（,1,） 电路的组成,电路一般由电源、负载和中间环节组成。,电源：,如发电机、电池等，电源可将其它形式的能量转换成电能，是向电路提供能量的装置。,负载：,指电动机、电灯等各类用电器，在电路中是接收,电能的装置，可将其它形式的能量转换成电能。,中间环节：,将电源和负载连成通路的输电导线、控制电路通断的开关设备和保护电路的设备等。,第四页,电路可以实现电能的传输、分配和转换。,（,2,）电路的主要功能：,电力系统中：,电子技术中：,电路可以实现电信号的传递、存储和处理。,第四页,3.,电路模型和电路元件,电源,负,载,负载,电源,开关,实体电路,I,S,U,S,+,_,R,0,中间环节,电路模型,与实体电路相对应的,电路图,称为实体电路的,电路模型,。,R,L,+,U,导线,第四页,电路模型中的所有元件均为理想电路元件。,实际电路元件的电特性是多元的、复杂的。,i,R,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,白炽灯的电路模型可表示为：,理想电路元件的电特性是精确的、惟一的。,第四页,理想电路元件又分有,有源,和,无源,两大类,R,C,+,U,S,I,S,电阻元件,电容元件,理想电压源,理想电流源,L,无源,二端元件,有源,二端元件,电感元件,第四页,集总参数元件的特征,2.,对于集总参数元件，任何时刻从元件一端流入的电流，恒等于从元件另一端流出的电流，并且元件两端的电压值是完全确定的。,1.,在元件中所发生的电磁过程都集中在元件内部进行，其次要因素可以忽略的理想化电路元件。,如前面提到的无源电路元件,R,，只具有耗能的电特性；,L,只具有储存磁场能量的电特性；,C,只具有储存电场能量的电特性。,第四页,4.,电压、电流及其参考方向,大写,I,表示直流电流，小写,i,表示电流的一般符号,（,1,）,电流,电流强度等于单位时间内通过导体横截面的电荷量。,电流的单位及换算,：,1A=10,3,mA=10,6,A=10,9,nA,电荷的定向移动形成电流。,电流的大小用电流强度表示，简称电流,。,或,第四页,（,2,） 电压,电路中,a,、,b,两点间的电压定义为单位正电,荷由,a,点移至,b,点电场力所做的功。,电压是电路中产生电流的根本原因。,电压等于电路中两点电位之差。,或,大写,U,表示直流电压，小写,u,表示电压的一般符号,电压的单位及换算,：,1V=10,3,mV=10,-3,KV,第四页,（,3,）,电流、电压的参考方向,解题前在电路图上标示的电压、电流方向称为参考方向。,为什么要在电路图中标示参考方向？,参考方向是为了给方程式中各量前面的正、负号以依据,a,I,R,U,b,关联参考方向下：,U=IR,a,I,R,U,b,非关联参考方向下：,U=,IR,第四页,图中若,I,= 3 A,，则表明电流的实际方向与参考方向相同；反之，若,I,= 3 A,，则表明电流的实际方向与参考方向相反 。,I,+,U,S,电压、电流的参考方向：,当电压、电流参考方向与实际方向相同时，其值为正，反之则为负值。,电流的参考方向用箭头表示；电压的参考方向除用极性“,+”,、“,”,外，还可用双下标或箭头表示,原则上：,任意假定。,R,R,0,第四页,例：,当,u,a,=3V,u,b,= 2V,时,u,1,=1V,u,2,=,1V,求得的,u,1,为正值，说明电压的实际,方向,与参考,方向,一致,；,求得的,u,2,为,负,值，说明电压的实际,方向,与参考,方向相反。,第四页,5.,电能、电功率和效率,电能的转换是在电流作功的过程中进行的，因此电能的多少可以用功来量度。,式中电压的单位为伏特,【V】,，电流单位为安培,【A】,，时间的单位用秒,【s】,时，电能（或电功）的单位是焦耳,【J】,。,日常生产和生活中，电能（或电功）也常用度作为量纲：,1,度,=1KW,h,=KV,Ah,（,1,）电能,第四页,单位时间内电流所作的功称为电功率，用,“,P”,表示,（,2,）电功率,1W=10,-3,KW,功的单位为,焦耳,，,时间单位为,秒,时，电功率的单位是,“瓦”,（,3,）效率,输出功率与输入功率的比值称为效率，用,“,”,表示,第四页,则某部分电路功率,P, 0,说明,U,、,I,实际方向,与参考方向,一致，,说明,电路,吸收,电功率，,为负载,。,所以，从,P,的,+,或,-,可以区分器件的性质，或是电源，或是负载。,在进行功率计算时,，,如果假设,U,、,I,参考方向关联。,当某部分电路功率,P,R,2,，则,R,R,1,如果两个并联电阻有：,R,1,R,2,，则,R,R,2,第四页,电阻的混联计算举例,【,解,】,R,ab,=,R,1,+,R,6,+(,R,2,/,R,3)+(,R,4,/,R,5,),R,1,R,2,R,3,R,4,R,5,R,6,a,b,分析：,由,a,、,b,端向里看，,R,2,和,R,3,，,R,4,和,R,5,均连接在相同的两点之间，因,此是,并联,关系，把这,4,个电阻,两两并,联,后，电路中除了,a,、,b,两点不再有结,点，所以它们的等效电阻与,R,1,和,R,6,相串联。,电阻混联电路的等效电阻计算，关键在于正确找出电路的联接点，然后分别把两两结点之间的电阻进行串、并联简化计算，最后将简化的等效电阻相加即可求出。,第四页,2.,电路名词,1.,支路：,一个或几个二端元件首尾相接中间,没有,分岔,，使各元件上通过的,电流相等,，这,种连接方式称为,支路,。,2.,结点：,三条或三条以上支路的联接点称之为,结,点,。,3.,回路：,电路中的任意闭合路径称为,回路,。,4.,网孔：,单一闭合路径，其中不包含其它支路的,回路称为,网孔,。,第四页,节点共,a,、,b,2,个,支路共,3,条,回路共,3,个,例,#1,#2,#3,回路几个？,a,b,I,1,I,2,I,3,U,2,+,-,R,1,R,3,R,2,+,_,U,1,+,_,几条支路？,结点几个？,网孔数？,网孔共,2,个,第四页,例,支路：共 ？条,回路：共 ？个,节点：共 ？个,6,条,4,个,独立回路：？个,7,个,有几个网眼就有几个独立回路,I,3,U,S,4,U,S,3,_,+,R,3,R,6,+,R,4,R,5,R,1,R,2,a,b,c,d,I,1,I,2,I,5,I,6,I,4,_,第四页,3.,基尔霍夫电流定律,KCL,用来描述电路中各部分电压或各部分电流间的关系,其中包括,基氏电流定律,（,KCL,）和,基氏电压定律,（,KVL,),两个定律。,对任意结点，在任一瞬间，流入结点的电流之和等于由结点流出的电流之和。或者说，,在任一瞬间，流入一个节点上的电流的代数和恒等于零。,KCL,内容,:,例,I,1,I,2,I,3,I,4,I,=0,即：,或：,流入为正,流出为负,基氏电流定律的,依据,：电流的连续性原理,第四页,基氏电流定律的推广,I,=?,广义节点,I,1,I,2,I,3,例,例,I,1,+I,2,=I,3,I=,0,I,U,2,R,U,3,+,_,U,2,+,_,U,1,+,_,R,R,R,广义节点,电流定律还可以扩展到电路的任意封闭面。,第四页,对电路中的任一回路，沿任意绕行方向转一周，其电位降等于电位升。或，电压降的代数和恒为零。,对题图回路,#1,列,KVL,方程：,电位降,即：,#1,#2,电位降为正 电位升为负,KVL,内容,:,I,1,I,2,I,3,R,3,U,S1,+,_,U,S,2,_,+,R,1,R,2,例,电位升,IR=,U,S,或,U=,0,#3,对题图回路,#2,列,KVL,方程：,电位降,电位降,等于,电位升,电位升,对题图回路,#3,列,KVL,方程：,电位降,第三个方程式不独立,电位升,省略,第四页,KVL,定律可以扩展应用于任意假想的闭合回路,列出下图的,KVL,方程,例,第四页,5.,负载获得最大功率的条件,R,0,R,L,U,S,I,左图所示的闭合全电路中，电流为：,负载上获得的功率为：,将式子整理为：,由此式能看出负载上获得最大功率的条件吗？,*,R,0,=R,L,第四页,检 验 学 习 结 果,当这两个电阻相串或相并时，等效电阻,R,？,负载获得最大功率的条件？最大功率为多少？,A,4,=,？,A,5,=,？,结点？支路？,U,ab,=,？,I,=,？,10K,10,R,0,=,R,L,和,P,max,=,U,S,2,4,R,0,串联 ：,R,10K,并联 ：,R,10,R,1,R,2,I,1,I,2,I,R,3,I,3,A,4,A,5,A,4,=13mA,A,5,=3mA,2,I,12V,+,_,1,6V,+,_,1,5,5,a,b,结点,n=2,支路,b=3,U,ab,=0,I,=0,第四页,第四页,支路电流法,支路电流法是以支路电流为未知量,利用基尔霍夫两定律,既,KCL,和,KVL,求解电路参数的方法,.,解题步骤,:,设各支路电流为未知量,并按关联参考方向设定电,流方向,.,找出结点数和回路数,.,并,确定支路电流数,.(N,L,K),先按结点数,(N),设,(N-1),个,结点电流方程,.,再以回路,(L),设置,(K-N),个回路方程,.,最后求解线性方程组,求出,各支路电流,.,例,:,电路如图,;,求各支路电流,.E,1,=80V,E,2,=70V,R,1,=5,欧,R,2,=3,欧,R,3,=5,欧,R,4,=2,欧,试求各支路电流,I,1,I,2,I,3,.,第四页,解,:,设置电流,I,1,I,2,I,3,关联方向如图,.,两个结点设结点方程,:,I,1,+I,2,=I,3,三个回路,两个网孔,三个未知,量,.,所以可以设两个回路方程,.,E,1,=I,1,R,1,+I,3,R,3,E,2,=I,2,R,2,+I,2,R,4,+I,3,R,3,解方程,:,第四页,例,:,电路如图,:,已知,E,1,=6V,E,2,=16V,I,S,=2A,R,1,=2,欧,R,2,=2,欧,R,3,=2,欧,试求各支路电,I,1,I,2,I,3,I,4,I,5,I,6,.,解,第四页,练习,;,电路如图应用电路支路法求各支路电流,I,图一,图二,结果,结果,电路中的电位及其计算方法,1.,电位,电位具有,相对性,，相对于参考点较高的电位点是,正电位,，,比参考点低的电位点为,负电位,。参考点的电位一般,取零,。,电位实际上就是电路中,某点到参考点的电压,，电压常用,双下标,，而电位则用,单下标,，电位的单位也是,伏特,【V】,。,V,a,= +5V,a,点电位：,a,b,1,5A,V,b,=,5V,b,点电位：,a,b,1,5A,例,例,第四页,b,a,S,打开时，,a,点电位？,S,闭合时,a,点电位？,S,闭合时,b,点电位为“地”电位,0,则,例,12V,6K,4K,20K,12V,S,S,6K,4K,20K,12V,12V,b,a,S,打开时电路为一个闭合全电路,求,S,打开和闭合时,a,点电位为多少？,则,第四页,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，不会因参考点的不同而改变。,注意：电位和电压的区别,第四页,叠加定理,在多个电源同时作用的,线性电路,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,。,概念,:,第四页,第四页,解,:,设置电流,I,1,I,2,I,3,关联方向如图,.,I,1,+I,2,=I,3,E,1,=I,1,R,1,+I,3,R,3,E,2,=I,2,R,2,+I,2,R,4,+I,3,R,3,例：求,I,3,电流,第四页,1E,1,=0,时,E,2,工作,2E,2,=0,时,E,1,工作,3E1,，,E2,同时工作时,I,所以在线性电路中，当多个电源同时工作时，在任一支路上的电压、电流的响应，等于单个电源独立工作时的电压、电流的响应的代数和。,+,原电路,U,1,单独作用,“恒压源不起作用”或“令其等于,0”,，即是将此恒压源去掉，代之以导线连接。,R,2,B,A,I,1,I,2,I,3,R,3,U,2,+,_,R,1,U,1,+,_,R,2,I,1,I,2,I,3,R,3,R,1,U,1,+,_,B,A,R,2,I,1,I,2,I,3,R,3,R,1,U,2,+,_,B,A,U,2,单独作用,第四页,用叠加原理求下图所示电路中的,I,2,。,根据叠加原理,:,I,2,=,I,2, +,I,2,=1+,（,1,）,=0,例,B,A,I,2,3,7.2V,+,_,2,12V,+,_,6,I,2,12V,+,_,B,A,2,3,6,I,2,7.2V,+,_,B,A,2,3,6,解,12V,电源单独作用时：,电源单独作用时：,第四页,用迭加原理求：,I=,?,I = I,+ I,=,2+,（,1,）,=1A,“恒流源不起作用”或“令其等于,0”,，即是将此恒流源去掉，使电路开路。,例,+,-,I,4A,20V,10,10,10,I,4A,10,10,10,+,-,I,20V,10,10,10,4A,电流源单独作用时：,20V,电压源单独作用时：,第四页,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,U,=0,；暂时不予考虑的恒流源应予以开路，即令,I,s=0,。,3.,解题时要标明各支路电流、电压的正方向。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。,=,+,第四页,4.,迭加原理只能用于电压或电流的计算，不能用来求功,率，即功率不能叠加。如：,5.,运用迭加定理时也可以把电源分组求解，每个分支,电路的电源个数可能不止一个。,设：,则：,R,3,I,3,=,+,第四页,1.7,戴维南定理,对外电路来说，任何一个线性,有源二端网络,，均可以用一个理想电压源和一个电阻元件串联的有源支路来,等效代替,，其电压源电压,U,S,等于线性有源二端网络的开路电压,U,OC,，,电阻元件的阻值,R,0,等于线性有源二端网络,除源后,两个端子间的等效电阻,R,ab,。,这就是,戴维南定理,。,概念,:,第四页,无源二端网络：,二端网络中没有电源,A,B,A,B,有源二端网络：,二端网络中含有电源,有源,二端网络,R,U,S,R,S,+,_,R,“等效”是指对端口外等效，即,R,两端的电压和流过,R,的,电流不变。,注意：,第四页,已知：,R,1,=20,、,R,2,=30 ,R,3,=30 ,、,R,4,=20 ,U,=10V,求：,当,R,5,=16 ,时，,I,5,=?,R,1,R,3,+,_,R,2,R,4,R,5,U,I,5,R,5,I,5,R,1,R,3,+,_,R,2,R,4,U,等效电路,有源二端网络,解,第四页,戴维南等效电路,ABO,S,U,U,=,R,0,=,R,AB,R,5,I,5,R,1,R,3,+,_,R,2,R,4,U,A,B,U,S,R,0,+,_,A,B,第四页,第一步：求开端电压,U,ABO,R,AB,U,ABO,C,R,1,R,3,+,_,R,2,R,4,U,A,B,D,R,1,R,3,R,2,R,4,A,B,D,第二步：求输入电阻,R,AB,R= R,1,/,R,2,R,1,/,R,2,=,20/30,30/20,=,12+12,=,24,第四页,戴维南等效电路,R,5,I,5,R,1,R,3,+,_,R,2,R,4,U,A,B,2V,24,+,_,A,B,16,I,5,第四页,第四页,例,:,电路如图,:,求电流,I,戴维南定理 练习题,U,S,=,（,30/50,）,R,S,+30,U,S,=,（,50/100,）,R,S,+50,R,0,=200 k,U,S,=150V,1.,如图所示有源二端网络，用内阻为,50k,的电压表测出开路电压值是,30,V,，换用内阻为,100k,的电压表测得开路电压为,50V,，求该网络的戴维南等效电路。,解,有源,V,U,0,二端网络,U,0,150V,200K,R,根据测量值列出方程式：,第四页,叠加定理 练习题,U,S,线性,网络,U,0,I,S,题,2,U,S,=,1V,、,I,S,=1A,时，,U,o,=0V,已知：,U,S,=,10 V,、,I,S,=0A,时，,U,o,=1V,U,S,=,0 V,、,I,S,=10A,时，,U,o,=?,试用叠加定理求：,解,设：,（,1,）和（,2,）联立求解得：,U,S,=,0 V,、,I,S,=10A,时，,第四页,谢谢！,