轨道车电气装置(第1章 电路模型与电路定律)

轨道车电气装置,郭世伟,第一章,电路模型及电路定律,课程的主要内容：,电工、电子技术基础；,客车电气装置；,轨道车电气装置等。,课程特点、要求：,知识点多，课时少；,掌握基本知识，重于理解概念、原理，掌握简单题目的求解。,参考教材：,电工电子技术简明教程,（马宏忠，李东新）,客车电气装置,（杨志强）,接触网作业车,（北京铁路局，中国铁道出版社）第,7,章,参考,接触网作业车实作技能训练指导,（铁道部，西南交大出版社）第,4,章内容，等,讲授方式：,以掌握、理解基本原理为目的，形式可灵活多样，以易于接受、理解的方式进行。,学习要点,电流、电压参考方向及功率计算,常用电路元件的伏安特性,电路的负载、开路及短路状态,额定值的意义,基尔霍夫定律,电位的概念及计算,1.1 电路及基本物理量,电路的组成,电路是为了某种需要而将某些电工设备或元件按一定方式组合起来的电流通路。由,电源,、,负载,和,中间环节,（如电线、开关、变压器等）三,部分组成。,1.1.1 电路的组成及功能,实际电路系统的电路模型图,“强电”系统，如电力系统,“弱电”系统，如电子线路,电路的主要功能,1,、进行能量的转换、传输和分配。,2,、实现信号的传递、存储和处理。,1.1.2 电流,电荷的定向移动形成电流。,电流大小：单位时间内通过导体截面的电量。,大写,I,表示直流电流,小写,i,表示电流的一般符号,单位：安培（,A,）,正电荷运动方向规定为,电流的实际方向,。,电流的方向,用箭头或双下标变量,表示。,任意假设的电流方向称为,电流的参考方向,。,如果求出的电流值为正，说明参考方向与实际方向一致，否则说明参考方向与实际方向相反。,直流电，交流电,1.1.3 电压、电位和电动势,电路中,a、b,点两点间的,电压,定义为单位正电荷由,a,点移至,b,点电场力所做的功。,电路中某点的,电位,定义为单位正电荷由该点移至参考点电场力所做的功。,电路中,a、b,点两点间的电压等于,a、b,两点的电位差,。,单位：伏特（,V,）,电压的实际方向,规定由电位高处指向电位低处。,与电流方向的处理方法类似，可任选一方向为,电压的参考方向，,用箭头、双下标变量或“,+,、,-,”号表示。,例：当,u,a,=3V,u,b,=2V,时,u,1,=1V,最后求得的,u,为正值，说明电压的实际,方向,与参考,方向,一致，否则说明两者相反。,u,2,=1V,对一个元件，电流参考方向和电压参考方向可以相互独立地任意确定，但为了方便起见，常常将其取为一致，称,关联方向,；如不一致，称,非关联方向,。,如果采用关联方向，在标示时标出一种即可。如果采用非关联方向，则必须全部标示。,一般，可设定负载上为关联参考方向，电源上为非关联参考方向。,电动势是衡量外力即非静电力做功能力的物理量。外力克服电场力把单位正电荷从电源的负极搬运到正极所做的功，称为,电源的电动势,。,电动势的实际方向与电压实际方向相反，规定为由负极指向正极。,1.1.4 电功率,电场力在单位时间内所做的功称为,电功率,，简称功率,P,。,单位：瓦特（,W,）,功率与电流、电压的关系：,关联方向时：,p,=,ui,非关联方向时：,p,=,ui,p,0,时吸收功率，,p,0,时放出功率。,例,：求图示各元件的功率.,（,a）,关联方向，,P=UI=52=10W，,P0，,吸收10,W,功率。,（,b）,关联方向，,P=UI=5(2)=10W，,P0，,吸收10,W,功率。,解,：元件,A：,非关联方向，,P,1,=U,1,I=101=10W，P10，,吸收,6W,功率，负载。,元件,C：,关联方向，,P,3,=U,3,I=41=4W，P,3,0，,吸收,4W,功率，负载。,P,1,+P,2,+P,3,=10+6+4=0，,功率平衡。,例,：,I=1A，U,1,=10V，U,2,=6V，U,3,=4V。,求各元件功率，并分析电路的功率平衡关系。,1.2 电路模型,为了便于对电路进行分析计算，常常将实际电路元件理想化，也称模型化，即在一定条件下突出其主要的电磁性质，,忽略次要的因素,，用一个足以表征其主要特性的理想元件近似表示。由理想电路元件所组成的电路，称为电路模型。,常见的电路元件有,电阻元件、电容元件、电感元件、电压源、电流源等,。,电路元件在电路中的作用或者说它的性质是用其端钮的电压、电流关系即,伏安关系,（,VAR）,来决定的。,1.2.1 电路模型的概念,1.2.2 理想电路元件,伏安关系（欧姆定律）：,关联方向时：,u,=,Ri,非关联方向时：,u,=,Ri,1电阻元件,符号：,功率：,电阻元件是一种,消耗电能,的元件，,R,。,线性、非线性电阻，电阻伏安特性,单位：欧姆（,）,伏安关系：,2电感元件,符号：,电感元件是一种能够,贮存磁场能量,的元件，是实际电感器的理想化模型，,L,。,称为电感元件的电感。,单位：亨利（）,只有电感上的电流变化时，电感两端才有电压。在直流电路中，电感上即使有电流通过，但,，,相当于短路,。,存储能量：,3电容元件,电容元件是一种能够,贮存电场能量,的元件，是实际电容器的理想化模型，,C,。,伏安关系：,符号：,只有电容上的电压变化时，电容两端才有电流。在直流电路中，电容上即使有电压，但，相当于开路，即 电容具有,隔直作用,。,C,称为电容元件的电容。,单位：法拉（,F）,1,法拉,=10,3,毫法,=10,6,微法,=10,9,纳法,=10,12,皮法字母表示法：,1F=10,3,mF=10,6,uF=10,9,nF=10,12,pF,存储能量：,4理想电压源,（1）伏安关系,u,=,U,S,端电压为,U,s,与流过电压源的电流无关，由电源本身确定，,电流任意，由外电路确定,。,（2）特性曲线与符号,i,（2）特性曲线与符号,i,=,I,S,流过电流为,I,s，,与电源两端电压无关，由电源本身确定，,电压任意，由外电路确定,。,5理想电流源,（1）伏安关系,1.2.3,实际电源的两种模型,实际电源的伏安特性,(b),(c),可见一个实际电源可用两种电路模型表示：一种为,电压源,U,s,和内阻,R,o,串联,，另一种为,电流源,I,s,和内阻,R,o,并联,（电阻分压、分流，功率守恒）,实际使用电源时，应注意以下3点：,（1）实际电工技术中，,实际电压源,（,简称电压源），常是指相对负载而言具有,较小内阻,的电压源；,实际电流源,（简称电流源），常是指相对于负载而言具有,较大内阻,的电流源。,（2）,实际电压源不允许短路,由于一般电压源的,R,0,很小，短路电流将很大，会烧毁电源，是不允许的。平时实际电压源不使用时,应开路放置,，因电流为零，不消耗电源的电能。,（3）,实际电流源不允许开路,平时实际电流源不使用时,应短路放置,，因实际电流源的内阻,R,0,一般都很大，电流源被短路后，通过内阻的电流很小，损耗很小；而外电路上短路后电压为零，也不消耗电能。,受控电源,1.3 电气设备的额定值及电路的工作状态,1.3.1 电气设备的额定值,额定值,是制造厂为了使产品能在给定的工作条件下正常运行而规定的,正常容许值,。额定值有,额定电压,U,N,与额定电流,I,N,或额定功率,P,N,。必须注意的是，电气设备或元件的电压、电流和功率的,实际值,不一定等于它们的额定值。,1.3.2 电路的工作状态,1、负载状态,P,S,=U,S,I：,电源产生的总功率,P=UI：,电源输出的负载功率,P=I,2,R,0,：,电源内阻消耗的功率,2、空载状态,3、短路状态,2,、,3,状态的功率均为零，分析原因；,求,2,、,3,状态在伏安特性曲线中的对应点。,例：设图示电路中的负载额定功率,P,N,=22kW,，额定电压,U,N,=220V,，内阻,R,0,=0.2，,R,为可调节的负载电阻。求额定状态下：,（1）电源的额定电流,I,N,；,（2）,电源的负载电阻,R,N,；,（3）,电源开路电压,U,0C,；,（4）,负载发生短路时的短路电流,I,SC,。,解：(1)额定电流为：,(,3,)电源开路电压为：,(,2,)额定状态时的负载电阻,(4)短路电流为：,1.4 基尔霍夫定律,支路、节点、回路,电路中两点之间通过同一电流的不分叉的一段电路称为,支路,。,电路中3条或3条以上支路的联接点称为,节点,。,电路中任一闭合的路径称为,回路,。回路内部不含支路的称,网孔,图示电路有3条支路、两个节点、3个回路、两个网孔。,1.4.1 基尔霍夫电流定律（,KCL）,在任一瞬时，流入任一节点的电流之和必定等于从该节点流出的电流之和（即分别以流入、流出为电流参考方向）。,在任一瞬时，通过任一节点电流的代数和恒等于零（如电流参考方向均以流入为正）。,表述一,表述二,可假定流入节点的电流（参考方向）为正，流出节点的电流（参考方向）为负；也可以作相反的假定。,KCL,通常用于节点，但是对于包围几个节点的闭合面也是适用的。,（如,Y,电路、电路、桥式电路）,例：列出下图中各节点的,KCL,方程,解：取流入为正,以上三式相加：,I,1,I,2,I,3,0,节点,a,I,1,I,4,I,6,0,节点,b,I,2,I,4,I,5,0,节点,c,I,3,I,5,I,6,0,1.4.2 基尔霍夫电压定律（,KVL）,表述一,表述二,在任一瞬时，沿任一回路方向的电位升之和等于电位降之和（对电压参考方向来说）。（即分别以与绕行方向相同、相反为正方向）,在任一瞬时，沿任一回路电压的代数和恒等于零（如电压参考方向以顺时针绕行方向为正）。,对于电阻电路，回路中电阻上电压降的代数和等于回路中的电压源电压的代数和（沿任一回路）。,KVL,通常用于,闭合,回路，但,也可推广应用到任一不闭合的电路上,。,例：列出下图的,KVL,方程,例：图示电路，已知,U,1,=5V，,U,3,=3V，,I,=2A，,求,U,2,、,I,2,、,R,1,、,R,2,和,U,S,。,解：,I,2,=,U,3,2=32=1.5A,U,2,=,U,1,U,3,=53=2V,R,2,=,U,2,I,2,=21.5=1.33,I,1,=,I,I,2,=21.5=0.5A,R,1,=,U,1,I,1,=50.5=10,U,S,=,U,U,1,=235=11V,例：图示电路，已知,U,S1,=12V，,U,S,2,=3V，,R,1,=3，,R,2,=9，,R,3,=10，,求,U,ab,。,解：由,KCL,I,3,=0，,I,1,=,I,2,由,KVL,I,1,R,1,I,2,R,2,=,U,S1,由,KVL,解得：,解得：,1.5 电位的概念及计算,1.5.1 电位的概念,电路中的某一点到,选定的参考点（电位取为“,0V,”）,之间的电压，称作该点的电位。,电路中选定的参考点虽然一般并不与大地相联接，往往也称为“地”。在电路图中，参考点用符号“”表示。,1.5.2 电位的计算,选,b,点为参考点,选,d,点为参考点,选用不同的参考点，各点电位的数值不同，但任意两点之间的电压不随参考点的改变而变化。,