电路的基本分析方法.ppt

第1章电路基本分析方法本章介绍电路的基本规律和分析方法 首先 进行实际问题的证实性研究分析 其次 建立问题的模型 第三 模型分析 第四 将分析结论用于解决实际问题 1 1电路的组成和作用电路是电流流经的通路 可分为两大类 电力电路和电子电路 1 电力电路 强电 作用 电能的传输及转换 组成 电源 负载 导线 开关 实例 照明 电动机 电炉 2 电子电路 弱电 作用 信号的采集 传输 处理 显示及控制 组成 传感器 处理显示控制器 导线 实例 测温 消防报警 电视监控 思考与讨论 在电力电路中电能的传输与电子电路中信号的传递有什么异同 理想电路元件 具有单一电磁性质的电路元件 实际元器件的理想化 对于实际元器件 要忽略次要因素 突出其主要电磁性质 称为理想化 模型化 电路模型 用理想电路元件组成的电路 用于表示实际电路 1 2电路分析的基础知识1 2 1电路模型 1 2 2理想电路元器件根据元器件本身是否产生能量 可分为无源元件和有源元件 根据元器件的特性 又分为线性元件和非线性元件 描述元器件特征参数的变量之间若呈线性关系 则称为线性元件 电路中的元器件均为线性元件 称为线性电路 一 理想无源元件无源元件是指本身不产生能量的元器件 电阻R 电容C 电感L是三种典型的无源元件 注意 今后所分析的电路均指电路模型 在电路图中 各种元器件使用规定的规范性图形符号和字母符号表示 1 电阻元件的特性 在交流电路中 在直流电路中 线性电阻的伏安特性 非线性电阻 二极管的伏安特性 伏安特性 指电阻元件上电压与电流的关系 即i f u 若电阻值为常数 称为线性电阻 伏安特性为直线 若电阻不为常数 称为非线性电阻 伏安特性为曲线 电阻器的主要参数 包括标称阻值 允许偏差 额定功率等 电阻器的标示法 包括直标法 色环标示法 文字符号法等 2 分压 分流关系当电阻串联时 通过的电流相等 具有分压作用 电阻并联 其电压相同 有分流作用 3 常用电阻元器件的分类 符号 4 电阻定律及其应用 导线截面 mm2 0 2 0 3 0 4 0 5 0 75 1 0 1 5 2 5 4 6 16 25 35 50 75 95 120 150 185 240 截面越大承载电流的能力越强 但严格讲不成正比 二 理想有源元器件 一 独立电源1 电压源 1 实际电压源模型 符号 由电动势US与内电阻RS组成 伏安特性 交流电压源的符号 由us和rs组成 2 理想电压源模型 理想直流电压源的符号 理想直流电压源的伏安特性 U US 理想直流电压源特点 输出电压恒定 输出电流可变I US RL 理想交流电压源的符号 2 电流源 1 理想电流源模型 理想直流电流源的符号 理想直流电流源的伏安特性 U US 理想直流电压流的特点 输出电流恒定 输出电压可变 U RLIS理想交流电流源的符号 2 实际电流源模型 符号 由理想电流源IS与内电阻RS并联组成 伏安特性 交流电压源的符号 由is和Rs组成 1 电压源和电流源的等效互换 电压源的伏安特性 并且电压源与电流源的RS相等 电压流的伏安特性 电压源与电流源等效互换的条件是 例题1 2 1 电路如图所示 用电压源和电流源等效互换的方法 求电路中的电流I 解 先将电压源等效变换为电流源 二 受控电源电源按照能否独立起电源作用 分为 独立电源和受控电源 独立电源 能够独立起电源作用的电源 受控电源 简称受控源 不能独立存在 而受电路中其它电流或电压的控制 若控制信号电流 电压消失 受控电源的输出也变为0 随即失去电源作用 例如电子电路中的晶体三极管 场效应管等元器件的输出也可起电源作用 为受控源 思考与讨论 电源等效互换中的 等效 是相对于电源内电路还是外电路来说的 理想电压源与理想电流源可否等效互换 为什么 受控电源的分类 例题1 2 2 电路如图所示 试求电路中R2上的电压U 无量纲 则 解 从图中可见 含有一个电流控制电流源 1 2 3参考方向 单电源直流电路这类简单的电路 电流的实际方向很容易判断 多电源的复杂电路来说 电路中的实际方向就很难判断甚至无法判断了 交流电路来讲 电压 电流方向随时间而变化 在电路图中也无法标注它的实际方向 为此 引入参考方向的概念 参考方向 是指在分析电路时 任意设定一个方向 为电压 电流或电动势的正方向作为参考 当实际方向与参考方向相同时 取正值 若实际方向与参考方向相反 则取负值 反之 根据取值的正负即可判断出实际方向 这样 电压 电流和电动势的取值有了正负之分 是代数量 注意 取值的正负只反映实际方向与参考方向的关系 也即二者是否一致 而与大小无关 1 参考方向的表示 1 电流的参考方向 2 电压的参考方向 3 电动势的参考方向 电动势采用正 极性表示 方向由 极性端指向正 极性端 2 关联参考方向 关联参考方向 若电流与电压的参考方向一致 正电压作用下产生正的电流 欧姆定律为 U RI 非关联参考方向 若电流与电压的参考方向不一致 欧姆定律为 U UI 例题1 2 3 试利用欧姆定律计算图中的电阻R 解 图 a 中 电压 电流为关联参考方向 图 b 中 电压 电流为非关联参考方向 综述可见 在参考方向下应用欧姆定律时 出现了两套符号 即 1 电压 电流和电动势的取值有正负之分 2 列表达式时 关联方向在式子前面加 号 非关联方向加 号 因此 以后利用欧姆定律的时候 必须考虑参考方向之间的关联性 例题1 2 3 试利用欧姆定律计算图中的电阻R 注意 今后电路中所标注的方向 均认为是参考方向 思考与讨论 1 上述按照欧姆定律列式的时候 其两套符号的正 负号是根据什么确定的 2 在电路图中标注关联方向或者非关联方向 哪一种计算更方便 为什么 3 参考方向既然是任意设定 是否影响计算结果的大小 1 电位的概念及计算 参考点 在电路中选取一个点作为参考点 并规定其电位为零 称为零电位参考点 简称参考点 符号 表示参考点 如图中的a点 这里的 接地 并不一定真的与大地相接 1 2 4电位及其应用 电位 电路中某点的电位 就等于该点与参考点之间的电位差 电压 如b点电位Vb Uab Vb Va 例1 2 4 电路如图所示 试分别计算用a和b作参考点时 各点的电位Va Vb Vc Vd和电压Uab Ubc Ucd 并将计算结果进行比较 解 以a点为参考点时 例1 2 4 电路如图所示 试分别计算用a和b作参考点时 各点的电位Va Vb Vc Vd和电压Uab Ubc Ucd 并将计算结果进行比较 解 以b点为参考点时 结论 1 电位值是相对的 参考点不同 电路中的各点电位随之变化 2 电压值是绝对的 任意两点之间的电压与参考点的选取无关 2 电位与参考点的应用 1 简化电路画法 2 其它应用 机壳不需要接地的设备或电路 一般选取多个元器件的交汇点作为参考点 习惯上也称作 接地点 并非真正接到大地上 仅表示该点为零电位参考点 一般记作 在工程上 常选大地作为参考点 一般记作 机壳需要接地的设备 一般以机壳作为参考点 1 3电路的工作状态 根据电路的工作是否正常 可分为正常运行状态和非正常运行状态 某些非正常工作状态也称为故障状态 会使电路工作失常甚至损毁 更甚者出现重大安全事故 根据电源与外电路的关系 可以分为电源有载工作 开路 短路三种工作状态 在工程实践中 也可能出现部分电路开路或短路的现象 1 3 1电路的工作状态分类 一 通路 电源有载工作 电源有载工作是指电源带负载工作 也称为通路 1 功率平衡关系 可得到功率关系 由全电路欧姆定律 电源输出的电功率等于电源产生的功率减去其内阻所消耗的功率 这表明了功率的平衡关系 2 电源和负载的判断 在多电源的电路中 电源的元器件或设备未必起电源作用 可能作为负载使用 例如手机 使用的时候 电池就是电源 充电的时候 电池就是充电电源的负载 1 实际方向下的判断方法判断识别方法为 电源 电流从 端 即高电位端 流出 发出功率 负载 电流从 端 即高电位端 流入 取用功率 PE IUE 0 发出电能 PR IUR 0消耗电能 PUS ISUS 0 吸收电能是负载 PIS ISU 0 发出电能是电源 当某部分电路因故障或开关动作与电源断开 该部分电路中没有电流 亦无能量的输送和转换 这部分电路的状态称为开路 开路分为电源开路 部分电路的开路两种情况 电压源开路时的特征 二 开路 若电源与外电路断开 称为电源开路工作 也称为电源空载 1 电压源开路 电流源开路时的特征 注意 电流源不允许开路 因为 通过对比 可以看出 在电源开路时 电压源与电流源内电路的工作状态不同 2 部分电路的开路部分电路开路的特点是 1 开路端的电流一定为零 因为此处不能形成通路或回路 2 开路端的电压由电路的其它部分决定 3 电路的开路故障分析 电路开路原因 正常开关断开 故障传输线路断开电气设备工作部件断开开关闭合失败 开路故障判断及检测 分类 分区 分片 例 空调查线 烤箱 测试工具及参数 R I US R 0 万用表 测试步骤 1 电源短路 电压源短路时的特征 注意 电压源不允许短路 因为 三 短路 因故障造成电源正负极之间不通过负载直接连接 形成强大电流造成设备及行路的损坏 短路分为电源短路 部分电路的短路两种情况 电流源短路时的特征 通过对比 可以看出 在电源短路时 上述两个电源内电路的工作状态不同 2 部分电路的短路若电路某一部分的两端用导线或开关连接起来 电流完全被导线或开关所旁路 称为短路或短接 其特点为 1 短路端的电压一定为零 因为此处被短接而电压降为0 2 短路端的电流视情况而定 由电路的其它部分决定 3 电路短路的故障分析 短路危害 烧坏设备 烧坏线路引起火灾 例1 深圳大火 例2 接灯 潮湿绝缘受损误接设备问题 短路的原因 短路测试 R RX 0I US RX非常大 短路保护 熔断器 保险丝 电磁脱口 1 3 2电路的运行分析 在电路运行中 由于电气设备或元器件自身的问题 如质量问题 老化等 或者电路设计不合理 环境影响 如温度 偶发因素和人为因素 如违章操作 等原因 从而出现非正常工作状态 轻者运行性能不良或造成损失 重者以至于造成重大安全事故 如何使得电路安全 可靠 经济的运行 是电气电子工程技术需要解决的现实性问题 二 额定运行状态 额定值 是指生产制造商为了使其产品在给定的工作条件下 长期 正常运行而规定的某些主要参数的容许值 例如 我国电力系统中的日光灯 铭牌数据标有 220V 40W 即额定电压为220V 额定功率为40W 根据功率的计算很容易求出额定电流 限制电气设备最高工作温度 以避免绝缘或导体受损受损而影响设备寿命 甚至设备损坏 引发安全事故 而限制电气设备电流 电气设备长期工作下 所允许的最大电流 3 额定功率 限制电流 就要限制电压 为了保证绝缘物质不被击穿 1 额定电流 2 额定电压 电气设备长期工作下 所允许的加在两端的最大电压 额定电压与额定电流的乘积 此外 在交流电路中还有额定频率 电动机中还有额定转速 额定转矩等 提示 在电路实际运行中 电压 电流和功率的实际值往往不等于额定值 而是在一定范围内波动 额定值通常可以在设备铭牌 元器件的外壳或者相关产品手册中查询 在工程实践中 应该学会查询和使用铭牌 技术规范 标准和产品手册中的技术数据 以指导设计 生产和使用 4 额定状态 I IN称为满载 即额定状态最优数值 不同地区不同国家的电压等级有所不同380V 220V绝缘导线的绝缘电压500V 750V绝缘物质的绝缘电压是有限的 I IN称为过载过载保护 I IN欠载欠压欠压保护 电路的状态 5 总结 思考与讨论 1 站在导线上的鸟为何电不死 2 生活生产中电气设备的连接是采用并联方式还是串联方式 为什么 3 漫画的含义 不准吻我 1 4基尔霍夫定律及其应用 基尔霍夫电流定律 简称KCL定律 反映了电路中结点的电流约束关系 基尔霍夫电压定律 简称KVL定律 反映了电路中回路的电压约束关系 提示 在电工学中 电路分析计算的依据主要包括两个层面 一是各类理想元器件的特性及其特征关系 二是电路结构与联接状况的 其中 基尔霍夫定律是反映电路结构和联接层面上的回路电压与结点电流关系的规律 1 4 1基尔霍夫定律 支路 电路中的每一个分支称为支路 流过支路的电流 称为支路电流 图中共有3条支路 acb ab和adb 节 结 点 三条或三条以上支路的连接点称为节点 也称为结点 图中共有2个节点 a和b 回路 由一条或多条支路所组成的闭合电路 图中共有3个回路 abca adba和acbda 网孔 内部不含支路或没有包围其它回路的回路 称为网孔 可见 网孔一定是回路 而回路不一定是网孔 图中 回路acba abda都是网孔 而回路acbda不是网孔 1 基尔霍夫电流定律 KCL 任一瞬间 流入某一节点的电流等于流出该节点的电流 称为基尔霍夫电流定律 KCL 即 节点b 节点a 基尔霍夫电流定律的推广 对于包围部分电路的任一假设闭合面 可以视为一个节点 适用KCL定律 即流入和流出该闭合面的电流相等 例1 6 1 图示的部分电路中 已知I1 3A I4 5A I5 8A 试求I2 I3和I6 图1 5 1例1 6 1的电路 I1 I4 I6 I2 I5 I4 I3 I6 I5 I1 I2 I3 2 基尔霍夫电压 KVL 定律沿回路绕行一周 电位升之和等于电位降之和 这个规律称为基尔霍夫电压定律 KVL 即 回路1 网孔 abca 回路2 网孔 abda 回路3 非网孔 acbda 回路3 非网孔 acbda 技巧 在规定的绕向中 关于电位升 降的认定方法 1 若没有标注电压的参考方向 只标注了电流的参考方向 若电流的参考方向与回路绕向相同 电位下降 反之为电位升 2 若已经标注电动势或电压的参考方向 回路的绕行方向是从电动势或电压的 端进入而从 端出 电位上升 反之电位降 思考与讨论 绕行方向对列出的回路电压方程式有无实质的影响 基尔霍夫电压 KVL 定律的推广 将部分电路的端口电压作为假想回路的一部分 与该部分电路组成假想回路 仍然适用KVL定律 图中左侧端口电压U可以与US1 R1组成一个假想的回路 由KVL定律列方程 得 注意 基尔霍夫定律具有普遍性 任何电路 任一瞬间的结点电流关系符合KCL定律 回路电压关系符合KVL定律 例题 Uab Ucd Ued Uef E1 E2 Uab Ucd Uad E2 例题1 4 1 试用支路电流法求图中的电流I1 I2和I3 技巧 支路电流法的一般分析步骤可以分为 四步走 即 1 确定支路数b 标注支路电流的参考方向假设电流代号 b条支路共需要列出b个独立的方程 2 确定节点数n 可列出 n 1 独立的结点电流方程式 对节点a列电流方程 1 4 2支路电流法支路电流法是以支路电流为未知数 应用基尔霍夫定律分别列出节点电流方程 回路电压方程 然后组成方程组求解 3 用KVL定律 列出 b n 1 个独立的回路电压方程 回路1 网孔 abca 回路2 网孔 adba 技巧 根据数学中图论的知识 由网孔列出的回路电压方程均独立 4 联立 解方程组 代入数据 解得 例题1 4 2 电路如图所示 已知的参数 试用支路电流法列出求解电路所需要的方程组 解 电路共有6条支路 需要列6个方程 选a b c3个结点列3个KCL方程 选3个网孔列3个KVL方程 提示 含有恒流源或电流已知的支路 则可少列一个方程式 也可将该支路中的恒流源或其他元件的电压作为未知数 增列一个回路电压方程 以求出该电压 1 4 3节点电压法 节点间的电压U 称为节 结 点电压 首先利用基尔霍夫定律求出节点电压U 则各支路电流可以应用KVL定律计算 这个分析方法称为节点电压法 也是基尔霍夫定律的具体应用 例题1 4 4 如图1 4 6所示 已知 试用节点电压法计算电路中的电流 解 技巧 节点电压法的一般步骤 含2个结点 1 由KVL定律的推广 列出各支路电流的表达式 例题1 4 4 如图1 4 6所示 已知 试用节点电压法计算电路中的电流 2 选一节点 由KCL定律推导结点电流关系 据此求出节点电压 上式整理后得 例题1 4 4 如图1 4 6所示 已知 试用节点电压法计算电路中的电流 代入数据得 由此可见 只要先求出节点电压U 就可根据KVL KCL定律计算各支路电流了 分析上式 可得经验公式 提示 在上式中 1 分母为各支路电阻的倒数和 均为正值 但不包括电流源支路的电阻 2 在分子中 当电动势 电流源分别与结点电压的参考方向为相反时 电动势 电流源的前面取 号 相同时 取 号 上述符号与各支路电流的参考方向无关 注意 上式只适用于2个节点的电路 一 叠加原理引入 I1 I2 IS 0I1R1 I2R2 US 1 由基尔霍夫定律得 I1R1 I1R2 ISR2 USI1 US R1 R2 ISR2 R1 R2 同理I2 US R1 R2 ISR1 R1 R2 1 5叠加定理 I1 US R1 R2 ISR2 R1 R2 I2 US R1 R2 ISR1 R1 R2 I1 I1 I2 I2 U1 I1R1 I1 I1 R1 U1 U1 I1 US R1 R2 I2 US R1 R2 2 电源单独作用 US 二 叠加原理内容 在含有多个电源的线性电路中 任一支路的电流和电压等于电路中各个电源分别单独作用时在该支路中产生的电流和电压的代数和 三 使用要领 1 当考虑某一电源单独作用时 应令其他电源中US 0 IS 0 即应将其他理想电压源短路 其他理想电流源开路 2 最后叠加时要注意各个电源单独作用时的电流和电压分量的参考方向是否与总的电流和电压的参考方向一致 一致时前面取正号 不一致时前面取负号 3 叠加原理只能用来分析和计算电流和电压 不能用来计算功率 若某电阻上电流I I I 则P RI2 R I I 2 RI 2 RI 2 例题1 5 1 试用叠加定理计算下图中的电流I1 I2 I3 解 1 US单独作用时 将IS开路 例题1 5 1 试用叠加定理计算下图中的电流I1 I2 I3 解 1 IS单独作用时 将US短路 1 6等效电源定理 在分析复杂电路时 如果只需计算一个或少数的电流 或电压 前面的方法比较复杂 而利用等效电源定理分析则相对简单 下面以图1 6 1为例 介绍等效电源定理的内容和分析方法 由图1 6 1中 电路为线性电路 在虚框内的电路中含有电源 端口有两个出线端子a b 则称之为线性 有源二端网络 简称有源二端网络 若无电源并呈线性 称为线性无源二端网络 显然 图1 6 1中的 有源二端网络 是待求元件R2的电源 例题1 5 1 试用叠加定理计算下图中的电流I1 I2 I3 解 3 求代数和 计算总电流 例题1 5 2 电路如图所示 已知 试用叠加定理求电流和R4的电压U4 解 1 IS单独作用 例题1 5 2 电路如图所示 已知 试用叠加定理求电流和R4的电压U4 解 2 US单独作用 1 6等效电源定理 1 概念二端网络 有两个接线端与外部连接 有源二端网络 内部含有电源的二端网络 无源二端网络 内部不含有电源的二端网络 2 戴维宁定理任何一个线性有源二端网络 都可以用一个恒压源与电阻的串联电路来等效 表示 恒压源的电压Ues就等于有源两端网络的开路电压Uoc 电阻就等于有源两端网络的开路电压Uoc 与短路电流Isc的比值 或等于有源两端网络除源以后的两端电阻 Uoc Us IsR1 Ues Isc Us R1 Is I Ues R1 R Ro Uoc Isc Us IsR1 Us R1 Is R1 3 诺顿定理任何一个线性有源二端网络 都可以用一个恒流源与电阻的并联电路来等效 表示 恒压源的电压Ies就等于有源两端网络的短路电压Isc 电阻就等于有源两端网络的开路电压Uoc 与短路电流Isc的比值 或等于有源两端网络除源以后的两端电阻 I Us R1 Is Ro Uoc Isc Us IsR1 Us R1 Is R1 例题1 6 1 电路如图所示 已知US 8V IS 10A R1 2 R2 5 R3 4 试求电阻R2中的电流I 解法1 用戴维宁定理求解将R2左边的电路划分为有源二端网络 开路电压即等效电源 除源后的等效电路为 例题1 6 1 电路如图所示 已知US1 8V IS1 10A R1 2 R2 5 R3 4 试求电阻R2中的电流I 解法2 用诺顿定理求解 短路电流即等效电源的电流 用方法2求等效电源的内电阻 例题1 6 2 电路如图所示 试用戴维宁定理 诺顿定理分别计算图中电阻R 1 的电流I和电压U 并计算其功率P 解法1 用戴维宁定理计算 求开路电压 求除源后的电阻 例题1 6 2 电路如图所示 试用戴维宁定理 诺顿定理分别计算图中电阻R 1 的电流I和电压U 并计算其功率P 解法1 用诺顿定理计算 求短路电流 用方法2求等效电源的内电阻 思考与讨论 1 等效电源定理与电压源 电流源的等效互换有什么区别 有什么联系 2 等效电源中的 等效 是相对于电源外部还是电源内部来说的 为什么 1 7拓展与应用 本节介绍电气与电路图的基础知识 有一个概要性的了解 1 7 1初识电气与电路图 电气与电路图是电气电子学的工程语言 国际电工委员会 IEC 和相关国家标准均有相应的规范 要求在绘制电气与电路图时 具有统一通用的标准规范 从而相关技术人员均能看懂识别 电气与电路图以一种通用工程语言的形式 从不同的层面上 表达电路的原理 相关控制处理 约束限定指令以说明等概念与情形 是设计 安装装配与施工 维修维护和使用等方面的技术资料 相关工程技术与从业人员 需要在不同的层次上正确熟练地绘制 识别及使用电气与电路图 本节概要性地介绍电气与电路图 使读者有一个初步的认识 一 电气图及其作用 所谓电气图 是用电气图形符号 带注释的围框或简化外形表示电气系统或设备组成部分之间相互关系及其连接关系的一种图 广义地说 表明两个或两个以上变量之间关系的曲线 用以说明系统 成套装置或设备中各组成部分的相互关系或连接关系 或者用以提供工作参数的表格 文字等 也属于电气图之列 电气图的作用 在于阐述电路的工作原理 描述机电产品或装置的构成与功能 提供接装 使用信息的重要工具和手段 二 电气图的特点1 简图是电气图的主要表达方式 用图形符号 带注释的围框或简化外形表示系统或设备中各组成部分之间相互关系及其连接关系 2 元器件和连接线是电气图的主要表达内容 1 一个电路通常由电源 开关设备 用电设备和连接线等四个部分组成 如果将电源设备 开关设备和用电设备看成元器件 则电路由各种元器件按照一定的次序用连接线起来构成电路 2 元件和连接线的表示方法 首先 元件用于电路图中时 有集中表示法 分开表示法 半集中表示法 元件用于布局图中时 有位置布局法和功能布局法 其次 连接线用于电路图中时 有单线表示法和多线表示法 连接线用于接线图及其他图中时 有连续线表示法和中断线表示法 3 图形符号 文字符号 或项目代号 是电气图的主要组成部分 一个电气系统或装置由各种元器件组成 在主要以简图形式表达的电气图中 无论是表示构成或者功能 还是表示电气接线等等 通常用简单的图形 文字符号表示 4 电气图具有多样性 可以对能量流 信息流 逻辑流 功能流等进行不同的描述 一个电气系统中 各种电气设备和装置之间 从不同角度 不同侧面存在着不同的关系 即 1 能量流 电能的流向和传递 2 信息流 信号的流向和传递 3 逻辑流 相互间的逻辑关系 4 功能流 相互间的功能关系 1 7 2电气图的组成与分类 一 电气符号 一 文字符号文字符号是用以表明电气设备 装置和元器件的名称 功能 状态以及特征的字符代码 新国家标准规定以国际电工委员会 IEC 规定的通用英文含义为基础 与旧版以汉语拼音字母为基础的文字符号有了较大区别 其中 文字符号分为基本文字符号和辅助文字符号两大类 1 基本文字符号基本文字符号用以表示电气设备 装置 元器件以及线路的基本名称和特性 一般有单字母或双字母两种表示方法 1 单字母符号单字母符号用英文字母表示各种电气设备 装置和元器件等的类别名称 例如用字母 R 表示电阻器类的元器件 字母 Q 表示电力电路中的开关器件等 2 双字母符号双字母符号是由一个表示种类的单字母符号与另一个字母组成 组合形式为单字母符号在前 另一个字母在后的次序列出 可以更加详细和具体地表述电气设备 装置和元器件的名称 双字母符号中的另一个字母通常选用该类设备 装置和元器件的英文名称的首位字母 或常用缩略语及约定俗成的习惯用字母 2 辅助文字符号辅助文字符号用以表示电气设备 装置 元器件以及线路的功能 状态和特征 通常也是由英文单词的前一或一两个字母构成 如 F 表示快速 Fast RD 表示红色 Red 3 文字符号的组合新的文字符号的组合形式一般为 基本符号 辅助符号 数字序号例如 第一个热继电器的符号为FRl 第三个交流接触器的符号为KM3 二 图形符号图形符号是用于图样或其他文件以表示一个设备或概念的图形 标记 字符及其组合 如设备 元器件 或者电路中相关控制处理 约束限定 指令以及说明等概念与情形 图形符号作为构成电气图的基本元素 是通过书写 绘制 印刷或其他方法产生的可视图形 以简明易懂的方式来传递一种信息 表示一个实物或概念 并可提供有关条件 相关性及动作信息的工程语言 也被视为相关技术人员均能看懂识别的电气电子技术资料中的 象形文字 必须按照相关标准规范使用 不得自造或随意改动 1 图形符号的组成图形符号一般包含符号要素 基本符号 一般符号和限定符号等部分组成 1 符号要素 它是表示元器件的轮廓或外表并具有确定含义的简单图形 必须和其它图形符号组合以构成一个设备或概念的完整符号 2 基本符号 用来说明电路的某些特征 而不代表单独的电器或元器件 3 一般符号 表示一类产品或产品类别特征的简单图形符号 4 限定符号 是一种加在其它图形符号上用来提供附加信息的符号 它一般不能单独使用 可以表示电量的种类 可变性 力和运动的方向 流量与信号的流动方向等 另外一般符号有时也可用作限定符号 限定符号的类型有 1 电流 电压的种类 例如如交流电与直流电的类型 交流电的频率及范围 交流供电系统的中性线 直流电的正 负极等 2 变量可变性 分为内在可变性和非内在可变性 内在可变性是指可变量决定于器件自身的性质 如压敏电阻的阻值随电压而变化 非内在可变性是指可变量由外部器件控制的 如滑线电阻器的阻值是借外部手段来调节的 3 力和运动的方向 用实心箭头符号表示力和运动的方向 4 流动方向 用开口箭头符号表示能量 信号的流动方向 5 特性量的动作相关性 是指设备 元件与动作值或正常值等相比较的动作特性 通常的限定符号是 等 6 材料的类型 可用化学元素符号或图形作为限定符号 7 效应或相关性 是指热效应 电磁效应 磁致伸缩效应 磁场效应 延时和延迟性等 分别采用不同的附加符号加在元器件的一般符号上 表示被加符号的功能与特性 限定符号的应用使得图形符号更具有多样性 5 方框符号 表示元件 设备等的组合及其功能的简单图形符号 既不给出元件 设备的细节 也不考虑所有连接 2 图形符号的分类根据GB4728 电气简图用图形符号 大致归纳分为十一类 1 导线和连接器件 例如各种导线 接线端子 端子和导线的连接 连接器件 电缆附件等 2 无源 指电源 元件 例如电阻器 电容器 电感器 铁氧体磁心 磁存储器矩阵 压电晶体 延迟线等 3 半导体晶体管和电子管 例如二极管 三极管 晶闸管 电子管 辐射探测器等 4 电能的发生和转换 例如绕组 发电机 电动机 变压器 变流器等 5 开关 控制和保护装置 例如触点 触头 开关 开关装置 控制装置 电动机起动器 继电器 熔断器 保护间隙 避雷器等 6 测量仪表 指示灯和信号器件 例如指示 计算和记录仪表 遥测装置 电钟 传感器 指示灯 喇叭和电铃等 7 电信交换和外围设备 例如交换系统 选择器 电话机 电报和数据处理设备 传真机 换能器 记录和播放器等 8 通信传输 例如通信电路 天线 无线电台及各种电信传输设备等 9 电力 照明和电信布置 例如发电站 变电站 网络 音响和电视的电缆配电系统 开关 插座引出线 电灯引出线及安装等 适用于电力 照明和电信系统的平面图 10 二进制数字电路逻辑单元 例如组合和时序单元 运算器单元 延时单元 双稳 单稳和非稳单元 移位寄存器 计数器和存储器等 11 模拟电路单元 例如函数发生器 放大器等 此外还有一些其他符号 例如机械控制 操作件和操作方法 非电量控制 接地 接机壳 等电位 理想电路元件 电流源 电压源 回转器 电路故障 绝缘击穿等 在本课程涉及到相关内容时 将介绍电气电子电路中的相关图形符号 在工程实践中 作为工程技术人员应当学会查阅并运用相关产品手册和资料 在此不再赘述 二 电气图电气图一般由电路与电路图 技术说明和标题栏三部分组成 不同的电气图在电气电子工程中发挥着不同的功能 一 电气图的组成1 电路与电路图用导线将电源 负载及相关控制 处理等中间环节按照工作原理和信号处理流程等连接起来构成闭合回路 以实现电气设备的预定功能 这种电气回路即为电路 在工程实践中的电路结构形式及其任务多种多样 主要实现两个作用 一是进行电能的传输 分配与转换 如图1 1 1 a 所示的电力供电系统电路示意图 二是进行信号 或信息 的传递与处理 如图1 1 1 b 所示的扩音机电路组成框图 针对不同的电气设备和电路 电气图可分为电力系统电气图 电力拖动电气图 电子电路图 包括模拟电路 数字电路 可编程序控制器电路等 建筑安装电气图 机电设备与产品电气图等等 实现电能传输 分配与转换的电路通常包含两部分 主电路和辅助电路 主电路也称为一次回路 即通过电源向负载输送电能的电路 一般包括发电机 变压器 开关 接触器 熔断器和负载等 辅助电路也称为二次回路 也就是对主电路进行控制 保护 监测 指示的电路 一般包括继电器 仪表 指示灯 控制开关等 通常 主电路中的电流较大 导线的线径较粗 而辅助电路中的电流较小 导线的线径也较细 电路图用以反映电路的结构构成 由于电气电子元器件的外形和结构复杂多样 为了统一规范起见 电路图须采用国家标准规定的统一图形 文字符号表示电气电子元器件的不同种类 规格以及安装方式 另外 根据电气图的不同用途绘制成不同的形式 例如有的电路只绘制其工作原理图 以便了解电路的工作原理 过程及特点 而有的只绘制装配图 以便了解各电气元器件的安装位置及配线方式 对于复杂电路 通常还绘制安装接线图 必要时还要绘制分开表示的接线图 又称展开接线图 平面布置图等 以供生产 安装 维修维护和用户使用 2 技术说明电气图中的文字说明 元器件明细表等统称为技术说明 文字说明用以注明电路的技术要点 安装要求等 通常写在电路图右上方 若内容多也可另加附页说明 元器件明细表列出电路元器件的名称 符号 规格和数量等 以表格形式列明 例如 某电气图中的元器件明细表及技术说明示例如表1 7 1所示 表1 7 1技术说明示例 技术说明 1 继电器KRl接线端子采用制造厂在产品上标出的标记 2 电流互感器TAl TA3二次接线端子标记采用制造厂的标记 3 标题栏标题栏画在电路图的右下角 注明工程名称 图名 图号以及设计人 制图人和审核人等 还有审核人 批准人签名 日期等 标题栏是重要的技术档案 签名者分别对相关技术内容负责 二 电气图的分类及简要说明按照新国家标准 GB6988 的规定 以下简要说明12种电气图 1 概略图或框图 用符号或注释图框概略表示系统或分系统的基本组成 相互关系及其主要特征的简图 例如 在图1 1 1 a 中 给出了供电系统中的发电 输变电 用电示意图 该图表明了在现代电力系统中的供用电过程 即 电力供应经过升压变电所升压后 送向电力网 再由电网经过各级变电所分级降压 通过各种电压等级的输电 配电线路 送给各用户使用 但是 由图1 1 1 a 发现 一个复杂的电力系统若用示意图来表达会显得繁琐复杂 甚至无法实现 但若用电气图形符号并标注一定的文字符号代表发电机 变压器 线路等 可将图1 1 1 a 改为如图1 7 1所示的简图 即可将电能输送和分配关系简明地表达出来 这种图称为概略图 上述关系还可用图框的形式概略表示 称作框图 如图1 7 2所示 图1 7 1供电系统概略图 图1 7 2供电系统框图 概略图和框图是用符号或带文字说明图框概略地表示系统结构 组成 相互关系及其主要特征的一种简图 可以作为进一步编制详细技术文件以及逻辑图 电路图 接线图 平面图等方面的基础性文件 也是计算 选择导线和电气设备等方面的重要依据 概略图和框图并没有原则性的不同 但在实际应用中 两者又有较大区别 从描述的对象来区分 概略图通常用于表示系统或成套装置 而框图通常用于表示分系统和设备 2 功能图 表示理论的或理想的电路而不涉及实现方法的一种简图 其用途是提供绘制电路图和其他有关简图的依据 3 逻辑图 主要是采用二进制逻辑单元图形符号绘制的一种简图 逻辑图可分为理论逻辑图和工程逻辑图两类 理论逻辑图只表示功能而不涉及实现的方法 因此是一种功能图 也称为纯逻辑图 工程逻辑图不仅表示功能 而且有具体的实现方法 因此是一种电路图 4 功能表图 表示控制系统 如一个供电过程或一个生产过程的控制系统 的作用和状态的一种表图 5 电路图 用图形符号并按工作顺序排列 详细表示电路 设备或成套装置的全部基本组成和连接关系 而不考虑其实际位置的一种简图 目的是便于详细理解作用原理 分析和计算电路特性 也就是说 若要详细理解电气工作原理 进行电气接线以及分析计算电路特性和有关参数 必须有电路图 电路图一般应包括以下主要内容 1 元器件或功能件的图形符号 2 元器件或功能件之间的连接线 包括单线或多线 连续线或中断线等 3 项目代号 如高层代号 种类代号和必要的位置代号 端子代号 4 信号的电平约定 5 功能件必须的补充信息 电路图的主要用途有 1 用于了解实现系统 分系统 电器 部件 设备 软件等的功能所需的实际元器件及其在电路中的作用 可供详细表达和理解设计对象 电路 设备或装置 的作用原理 分析计算电路特性及有关参数之用 2 作为编制接线图的依据 现场安装接线用的接线图和接线表都是在电路图的基础上编制出来的 只有理解电路图的原理 才能看懂接线图和接线表 按图表正确接线 也才能对相关设备与装置进行正确的维修 维护 6 等效电路图 表示理论的或理想的元件及其连接关系的一种功能图 供分析和计算电路特性和状态之用 7 端子功能图 表示功能单元全部外接端子 并用功能图 表图或文字表示其内部功能的一种简图 8 程序图 详细表示程序单元和程序片及其互连关系的一种简图 而要素和模块的布置应能清楚地表示出其相互关系 目的是便于对程序运行的理解 9 设备元件表 把成套装置 设备和装置中各组成部分和相应数据列成的表格 其用途是表示各组成部分的名称 型号 规格和数量等 10 接线图或接线表 表示成套装置 设备或装置的连接关系 用以进行接线和检查的一种简图或表格 接线图或接线表表示的内容 功能相同 可以单独或组合使用 一般以接线图为主 接线表予以补充 1 单元接线图或单元接线表 表示成套装置或设备中一个结构单元内的连接关系的一种接线图或接线表 其中 结构单元指在各种情况下可独立运行的组件或某种组合体 2 互连接线图或互连接线表 表示成套装置或设备的不同单元之间连接关系的一种接线图或接线表 例如 线缆接线图或接线表 3 端子接线图或端子接线表 表示成套装置或设备的端子以及接在端子上的外部接线 必要时包括内部接线 的一种接线图或接线表 11 数据单 对特定项目给出详细信息的资料 12 位置简图或位置图 表示成套装置 设备或装置中各个项目的位置的一种简图或一种图 是用图形符号绘制的图 也可用来表示一个区域或一个建筑物内成套电气装置中的元件位置和连接布线 本章小结 本章介绍了电路的概念 组成和作用 阐明了几个电路基本定律 定理 及电路分析的基本方法 基于电工学所分析的电路比较复杂 引入了新的电路分析的理念和思想 包括电路模型 参考方向和电位等 深入理解和熟练运用对于分析电路有很大的帮助 同时分析了电路的工作状态 尤其是掌握额定值的概念并理解其工程学意义 电路的运行分析 理解电路实际运行时的正常状态与非正常状态 有助于理论联系实际 改善电路与设备的运行性能 预防事故的发生 通过本章的学习 可以搭建起基础电路理论的基本架构 从物理概念的层面透彻理解 掌握本章内容 融会贯通 就很容易入门 进而为后续学习打下良好的基础 1 了解电路的概念 注意区分 理解电力电路和电子电路的的组成及作用的异同 对于电力电路和电子电路的分析有直接的影响 理解激励和响应的概念 了解电路分析的内容 前提条件 了解建立电路模型的意义和方法 掌握理想无源元件电阻 电感和电容器 在第2章中学习 的外特性 掌握理想有源元器件的特性以及实际电压源和实际电流源的等效互换 了解线性元件及线性电路的概念和条件 理解参考方向及其意义 掌握参考方向的设定 标注方法 掌握在参考方向下欧姆定律的应用 理解电位的概念 掌握电位的应用及其计算 理解电路的工作状态及其特点 理解并掌握额定值的概念及工程意义 电路的运行分析 理论联系实际 理解电路在实际运行中的正常与非正常状态 以及如何改善优化电路的性能 预防事故的发生 在理论部分 基尔霍夫定律是电路分析的最基础定律之一 要深入理解 并掌握引申出来的支路电流法 了解结点电压法 掌握叠加定理 等效电源定理及其电路分析方法 2 从电气电子工程学的角度 初步 概要性地认识电气图与电路图 以培养非电类工程师在电气电子技术领域的基本素养