电路原理与电机控制第1章电路的基本概念与基本定律

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,*,1,电路理论,2,教材,1.,李承等编，,电路原理与电机控制,，北京：清华大学出版社，,2008,2.,徐安静 周鑫霞主编，电工技术实验指导书，武汉：华中科技大学电工基地，,2003,参考书目,1.,艾武、李承等编，电路与磁路，武汉：华中科技大学出版社，,2002,2.,杨传谱等编，电路理论学习指导书（修订版），武汉：华中科技大学出版社，,2004,3.,汪建等编，新编电路题解，武汉：华中科技大学出版社，,2002,3,序 言,一、本课程的性质与任务,学科基础课程,先修课程,电路理论的体系,电路分析：,在给定的激励下，,求结构已知电路的响应。,电 路,已 知,激励给定,响应待求,r,e,电路综合：,在特定的激励下，为了得到预期的,响应而研究如何构成所需的电路。,电 路,未 知,激励已知,目标给定,r,e,4,电路分析的过程：,实际电路,电路模型,电路分析,分析结果,电路的分类：,(1),线性电路与非线性电路,(3),集总参数和分布参数电路,本课程研究的主要对象：,线性、时不变、集总参数电路,。,(2),时变与时不变,(,定常,),电路,序 言,5,二、学习方法,1.,学习本课程，要注意建立电路的基本概念。注意相关概念的内涵和外延。,2.,在学习电路理论的,基本概念,、,基本原理,和,基本分析方,法,时，还要从电路模型和数学模型这两个方面去进行分,析和探讨。掌握各种分析求解电路的方法。,3.,善于归纳和总结,序 言,6,第,1,章 电路的基本概念与基本定律,1,.,1,电路组成与电路模型,1,.,2,电路的基本物理量及其参考方向,1,.,4,独立电源,1,.,3,电阻元件与欧姆定律,1,.,5,基尔霍夫定律,7,1.1,电路组成与电路模型,一、电路,1.,电路,由各种电气设备和器件按实际需要组合而成的电流的通路。,电路示意图,信号源,负载,中间环节,导线,电池,开关,灯泡,扬声器,放,大,器,话筒,8,2.,组成：,电路是由电源、负载和中间环节三个基本部分组成。,3.,作用：,(1),实现电能的传输、分配和转换,;,(2),实现电信号的传递和处理。,激励：,将电源或信号源的电压或电流称为激励；,响应：,激励在电路各部分产生的电压和电流称为响应。,电路分析：在已知电路的结构和元件参数的条件下，讨论电路的,激励与响应,之间的关系。,一、电路,9,1.,理想电路元件,只反映单一,电磁性能,共性的电路模型的最小单元。,*几种基本的电路元件：,电阻元件,(,R,),：,表示消耗电能的元件,电感元件,(,L,),：,表示各种电感线圈产生磁场，储存磁场能的作用。,电容元件,(,C,),：,表示各种电容器产生电场，储存电场能的作用。,电源元件,(,E,S,、,I,S,),：,表示各种将其它形式的能量转变成电能的元件。,二、理想电路元件、电路模型,10,电路模型：,足以反映实际电路中电工设备和器件（实际部件）的,电磁性能,的理想电路元件或它们的组合。,例,1.,R,L,R,S,U,S,+,-,2.,电路模型简称电路,导线,电池,开关,灯泡,二、理想电路元件、电路模型,11,(a),L,a,b,(b),R,L,a,b,(c),C,R,L,a,b,例,2,：实际电感元件在不同应用条件下的电路模型。,二、理想电路元件、电路模型,12,1.2,电路的基本物理量,及其参考方向,一、电流及其参考方向,单位：,kA,、,A,、,mA,、,A,。,1kA=10,3,A,、,1mA=10,-3,A,、,1A=10,-6,A,直流,DC,恒定电流,I,交流,AC,i,周期：正弦、非正弦,非周期,电流强度,单位时间内通过导体横截面的电荷量,。,表达式：,13,大小,方向,(,正负）,电流,任意假定的电流方向称为电流的参考方向。,i,0,i,0,电流的参考方向与实际方向的关系：,i,参考方向,i,参考方向,实际方向,A,A,B,B,实际方向,参考方向,方向,：,规定正电荷的运动方向为电流的实际方向。,一、电流及其参考方向,14,例,I,1,=1A,例,10V,10,I,1,+,-,I,1,=,-,1A,I,1,10V,10,+,-,U,R,I,+,-,R,1,R,2,R,3,R,4,R,5,R,6,U,+-,一、电流及其参考方向,15,1.,电压,库仑电场力移动单位正电荷由电场中的,a,点到为止,b,点所做的功，称为,a,、,b,两点间的电压。,表达式：,据定义,单位：,kV,、,V,、,mV,、,V,。,1kV=10,3,V,、,1mV=10,-3,V,、,1V=10,-6,V,二、电压及其参考方向,直流,DC,恒定直流,U,ab,交流,AC,u,ab,周期：正弦、非正弦,非周期,16,2.,电压的参考方向,+,实际方向,+,参考方向,u,1,u,2,0,+,实际方向,参考方向,+,u,2,例：当,u,a,=3V,u,b,=2V时,u,1,=,u,ab,=1V,u,2,=,u,ba,=,1V,a,b,a,b,实际方向：,规定为从高点位指向低电位,;,参考方向：,任意,假设,电位降低,的方向，或称为,正方向,。,二、电压及其参考方向,17,i,a,b,+,u,ab,i,a,b,+,u,ab,三、关联参考方向与功率,i,与,u,ab,为关联参考方向,i,与,u,ab,为非关联参考方向,元件或支路的,u,，,i,其参考方向相同，称之为,关联参考方向,。,反之，称为,非关联参考方向,。,1.,电流和电压的关联参考方向,18,2.,功率,单位时间内电场力所做的功。,功率的单位：,W,、,MW,、,kW,、,mW,对于直流电路：,P,=,UI,三、关联参考方向与功率,19,3.,功率的计算和判断,(1),U,、,I,关联参考方向,吸收的功率：,P,=,UI,P,0,吸收正功率,(,吸收,),P,0,吸收正功率,(,吸收,),P,0,吸收负功率,(,发出,),20,例,1.2.1,计算图示电路各元件吸收或产生的功率。,解：,(a),、,(b),电路中,U,、,I,为,关联方向，则,(c),电路中,U,、,I,为非,关联方向，则,P=,U I=,61=,6 W,(,产生功率,),(a),P=U I=,61=6 W,(,吸收功率,),(b),P=U I=,6(,1)=,6 W,(,产生功率,),21,例,2,：,U,1,=10V,，,U,2,=5V,。分别求电源、电阻的功率。,I,=,U,R,/5=(,U,1,U,2,)/5=(105)/5=1 A,P,R,=,U,R,I,=5,1=5 W,P,U,1,=,-,U,1,I,=,-,10,1=,-,10 W,P,U,2,=,U,2,I,=5,1=5 W,P,发,=10,W，,P,吸,=5+5=10,W,P,发,=,P,吸,(功率守恒),(,吸收功率,),(,发出功率,),(,吸收功率,),+,5,I,U,R,U,1,U,2,+,+,22,1.3,电阻元件,与欧姆定律,一、电阻元件,1.,定义：,一个二端元件，若,在任一时刻,t,，其两端电压和通过它的电流之间的关系可用,u-i,平面上的一条曲线来描述，则该二端元件称为电阻元件,。,2.,分类：,电,阻,元,件,线性电阻,非线性电阻,时不变,时变,时不变,时变,23,定义：,若电阻元件的特性曲线是,u-i,平面上的一条过原点且不随时间变化的直线，则该电阻元件称为线性时不变电阻元件。,R,tg,G,1/,R,G,称为电导,电阻的单位：,(,欧,),电导的单位：,S,(,西,),伏安特性曲线,U,I,0,I,+,U,R,线性时不变电阻元件,二、,线性时不变电阻元件,U,RI,24,(1),电压与电流为关联参考方向，即,i,+,u,R,u,(,t,)=,Ri,(,t,),或,i,(,t,)=,Gu,(,t,),(2),电压与电流为非关联参考方向，即,i,+,u,R,u,(,t,)=,Ri,(,t,),或,i,(,t,)=,Gu,(,t,),U,=,RI,或,I,=,GU,U,=,RI,或,I,=,GU,P,吸,UI,(,RI,),I,I,2,R,U,(,U/R,),U,2,/R,P,吸,UI,I,2,R,U,2,/R,二、,线性时不变电阻元件,25,(,1),普通二极管,(b),二极管的特性曲线,(a),b,a,+,u,-,i,(b),(2),非线性电阻,非线性,电阻,静态电阻,(,直流电阻,),动态电阻,(,交流电阻,),静态电阻与,动态,电阻,三、非线性电阻元件,26,1.4,独立电源,一、,理想电压源,1.,定义：,如果一个二端元件,(,一端口,),接到任意电路后，该元件的端电压,U,始终保持不变，则该二端元件称为理想电压源，简称“,恒压源,”。,2.,电路模型及伏安特性,U,S,U,I,O,(b),伏安,特性曲线,U,U,S,U,S,+,_,I,U,+,_,任,意,外,电,路,(a),电路模型,27,3,.,理想电压源的开路与短路,(1)若,R,，,I,=0，,则称电路为,开路,状态,(2),若,R,=0,，,I,，则称电路为,短路,状态；理想电压源出现故障，因此理想电压源不允许短路。,I,U,s,+,_,U,+,_,R,一、,理想电压源,28,二、,理想电流源,I,S,U,I,O,(b),伏安,特性曲线,1.,定义：,如果一个二端元件（一端口）接到任意电路后，在任意所给定的时间内，流过它的电流与它两端的电压大小无关，则该二端元件称为理想电流源，简称,“,恒流源,”,。,2.,电路模型及伏安特性,I,S,I,U,+,_,任,意,外,电,路,(a),电路模型,I,I,S,29,3.,理想电流源的短路与开路,(2),若,R,，,u,，,理想电流源出现故障，电路为,开路,状态。,理想电流源不允许开路。,(1),若,R,=0,，,I,=,I,S,，,则,U=,0,，电流源为短路状态。,I,I,s,U,+,_,R,二、,理想电流源,30,三、,实际,电压源,1.,定义：,如果一个二端元件,(,一端口）接到任意电路后，该元件的端电压,U,随外电路负载电流的变化而变，则该二端元件称为实际电压源，简称“,电压源,”。,2.,电路模型及伏安特性,U,=,U,S,R,S,I,U,S,U,I,O,(b),伏安特性曲线,U,S,+,_,I,U,+,_,R,S,(a),电路模型,任,意,外,电,路,31,3.,理想电压源与实际电压源的关系,(1),对实际电压源，当,R,S,0,，,有,U=U,S,，,实际理想,。,I,U,S,+,_,U,+,_,R,L,理想电压源模型,(2),当实际,电压源,的内阻,R,S,R,L,，,则,U,U,S,，,实际电压源可近似视为理想电压源,.,U,S,+,_,I,U,+,_,R,S,实际电压源模型,R,L,三、,实际,电压源,32,I,=,I,S,G,S,U,四、实际电流源,I,S,I,U,+,_,任,意,外,电,路,(a),电路模型,G,S,I,s,U,I,O,(b),伏安特性曲线,1.,定义：,如果一个二端元件,(,一端口）接到任意电路后，该元件输出电流,I,随外电路负载电压的变化而变，则该二端元件称为实际电流源，简称“,电流源,”。,2.,电路模型及伏安特性,33,U,=,U,S,R,S,I,等效,I,U,S,+,_,U,+,_,R,S,(a),电压源电路模型,任,意,外,电,路,I,S,I,U,+,_,任,意,外,电,路,(b),电流源电路模型,G,S,34,1.5,基尔霍夫定律,(Kirchhoffs Laws),一、常用术语,+,_,R,1,u,S1,+,_,u,S2,R,2,R,3,1,2,3,a,b,1.,支路,(branch),：电路中的每一分支。,(,b,),2.,节点,(node):,三条或三条以上支路的联接点。,(,n,),3.,回路,(loop),：由支路组成的闭合路