1、1,2,欢迎学习电工学及电气设备,电工学及电气设备是一门非电专业的技术基础课程。 它的主要任务是为学生学习专业知识、专业课程及将来从 事工程技术工作打好理论基础，并使学生受到必要的基本 技能的训练。为此，在本课件中对基本理论、 基 本 定 律、 基本概念及基本分析方法都作了尽可能详尽的阐述，通过 实例、例题和习题来说明理论的实际应用，以加深学生对 理论的掌握和理解，了解电工技术及电气设备的发展与生 产发展之间的密切关系。,3,1 电路分析基础,本章的主要内容： 重点概念：电压、电流及电动势参考方向的规定及表示；电压源和电流源及其等效变换。 基本理论：基尔霍夫定律。 基本方法：支路电流法，节点电
2、压法。,4,1.1.1 电路的组成及功能 1.电路的组成,1.1 电路的基本概念,(a) 实际电路,(b) 电路模型,图1-1 手电筒电路,电工设备+器件 电路,5,2.电路的功能(1) 实现电能的转换、传输和分配 (2)信号的传递和处理,(a) 电力系统,(b) 扩音机,图1-2 电路示意图,6,其中电源或信号源的电流或电压推动电路工作，称为激励。激励在电路各部分产生的电流和电压，称为响应。所谓电路分析，就是在已知电路结构和元件参数的情况下，讨论激励和响应之间的关系。,7,1.1.2 电路的基本物理量1.电流 交流用 表示，直流用I 表示。单位为安培（A）。 2.电位及电压 (1) 电位的概
3、念及计算电位是相对的物理量,因此不确定参考点，就无法确定电位， 也没有意义。规定参考点的电位为零。在电路中，参考点用 表示，A点的电位则表示为VA。,8,(1) 电位的概念及计算（续）,例1-1,如图所示电路，以B点为参考点，求各点的电位； 再以A点为参考点，求各点的电位。,图1-3 例1-1用图,【解】,(1),(2),9,(2) 电压 用符号 或U表示。电路中A、B两点 间的电压，表示为： ,其单位是（V）伏。,3. 电动势 交流用 表示，直流用E表示。单位是（V）伏。,4. 功率 瞬时功率用 表示，平均功率用P 表示。单位 为瓦特（W），常用的单位还有千瓦（kW）。,10,1.1.3 电
4、压、电流的参考方向,问题的提出：在复杂电路中难于判断元件中物理量的实际方向，电路如何求解呢？,电流方向 AB？,电流方向 BA？,Us1,A,B,R,Us2,IR,图1-4 电路图,11,物理量的实际正方向,注：这些物理量的实际方向是唯一的。,物理量,实际正方向,电流 I,正电荷移动的方向,电动势E,电源驱动正电荷移动 的方向,(低电位 高电位),电压U,电位降落的方向,(高电位 低电位),12,在分析计算电路时，对电流、电压人为地假定一正 方向作为它们的参考方向。因此对参考方向来说它是因 人而异，且不唯一。,解决方法,(1) 在解题前必须先设定一个方向，作为参考方向。,(2) 根据电路的定律
5、、定理以及所设的参考方向列出物理量间相互关系 的代数表达式，并计算求解。,(3) 根据计算结果确定实际方向：若计算结果为正，则实际方向与假设 方向一致；若计算结果为负，则实际方向与假设方向相反。,注：当已知实际方向时，参考方向尽量取成与实际方向一致。,13,1. 电流的参考方向、表示及规定,用箭头或用双下标表示,I,R,Iab,a,b,2. 电压的参考方向、表示及规定,+,电压的参考方向是由假定高电位指向低电位。,图1-5 电流的参考方向,图1-6 电压的参考方向,14,3. 电动势的参考方向、表示及规定,电动势E 的参考方向由低电位指向高电位,此时有：,图1-7 电压与电动势的关系,(a),
6、(b),15,4. 电压、电流的关联参考方向,为了分析、计算的方便，通常情况下，选取元件电压的 参考方向与电流的参考方向一致，即为电压、电流的关联 参考方向。电源的电流、电压参考方向则选取不关联。,(a),(b),(c),(d),图1-8 电压、电流的关联参考方向,16,在应用时，要注意参考方向和实际方向之分。 按参考方向写欧姆定律，然后再将实际值代入。,(b),(a),图1-9 例1-2用图,例1-2,4. 电压、电流的关联参考方向（续）,17,在进行部分电路的功率计算时，同样按照该电路两端电压及电流的参考方向，正确写出功率的计算公式，然后再将电压和电流的实际值代入，即计算出了功率的值。,(
7、1) 当计算的 P 0 时,此部分电路吸收功率或消耗功率。（起负载作用）(2) 当计算的 P 0 时,此部分电路输出功率。（起电 源作用）,所以，从 P 的“ +” 或“” 可以区分元件的性质， 或是电源，或是负载。,18,例1-3,如图，方框代表电源或负载。已知 ， 试问那些方框是电源，哪些方框是负载？,【解】,I,-,+,U,(a),(d),(c),(b),如图(a)，有 ，起电源的作用。,图1-10 例1-3用图,如图(b)，有 ，起负载的作用。,如图(c)，有 ，起负载的作用。,如图(d)，有 ，起电源的作用。,19,1.2 电压源、电流源及等效变换,1.2.1 电压源及伏安特性,1.
8、 理想电压源,特点：(1) 无论负载电阻如何变化，输出电压不变。(2) 电源中的电流由外电路决定，输出功率可以无穷大。,图1-11 理想电压源及伏安特性,(a),(b),20,这说明恒压源中的电流由外电路决定。,设: US=10V,当R1 、R2 同时接入时 I=10A,如图电路,例1-4,图1-12 例1-4用图,21,2. 实际电压源特性,R0称为电源的内阻或输出电阻,当R0 = 0 时，实际电压源模型就变成恒压源模型。,图1-13 电压源及伏安特性,I,(a),(b),22,1. 理想电流源,1.2.2 电流源及伏安特性,特点: (1)输出电流不变，其值恒等于电流源电流IS。(2) 端电
9、压由外电路决定。,图1-14 理想电流源及伏安特性,(a),(b),23,这说明恒流源两端电压由外电路决定。,如图电路,例1-5,图1-15 例1-5用图,24,当 内阻R0 = 时，电流源模型就变成恒流源模型,2. 实际电流源特性,图1-16 电流源及伏安特性,(b),或,电流源,25,恒压源与恒流源特性比较,恒压源,恒流源,不 变 量,变 化 量,b,Uab的大小、方向均为恒定， 外电路负载对Uab 无影响。,Is,I 的大小、方向均为恒定， 外电路负载对 I 无影响。,输出电流 I 可变；I 的大小、方向均 由外电路决定,端电压Uab 可变 ； Uab 的大小、方向 均由外电路决定,26
10、,Uab,1.2.3 电压源与电流源的等效变换,(a),(b),图1-17 电压源与电流源,27,等效互换公式,Uab,因为有：,故有,和,(a),图1-18 电压源与电流源的等效互换,28,电压源与电流源的等效互换,例1-6,图1-19 例1-6用图,29,总 结,1.“等效”是指“对外”等效（等效互换前后对外伏-安 特性一致），对内不等效。,或,图1-20 电压源与电流源互换,(a),(b),30,2. 注意变换前后 US 与 IS 的方向。,图1-21 电压源与电流源互换,(a),(b),(c),(d),31,3. 以下两种情况不能等效互换。,(a),(b),IS,b,b,+,a,US,
11、+,-,I,R0,Uab,-,a,I,Uab,R0,图1-22 电压源与电流源的特例,32,如图电路中，已知：U1=12V， U3=16V， R1=2， R2=4，R3=4， R4=4， R5=5， IS=3A，求I及恒流源 IS 的功率。,R5,例1-7,图1-23 例1-7用图,33,(a),(b),例1-7（续）,【解】,34,(c),(d),例1-7（续）,35,(d),R5,(e),Is,R4,I,R1/R2/R3,I1+I3,R5,例1-7（续）,负号表示实际方向与假设的参考方向相反。,代入数值计算得I= 0.2A,36,I4 =IS+I=3 +(-0.2)=2.8A,又UR4 =
12、 I4 R4 =2.84=11.2V,R4=4 IS=3A I= 0.2A,说明电流源是作为电源发出功率。,(f),例1-7（续）,求恒流源 IS 的功率,37,图1-24 电路图,计算如图电路中的电流I时，哪种方法及结果正确？,讨论题,38,图1-24 电路图,讨论题（续）,39,1. 开路,如图，当开关S断开,此时 电源输出功率为零。,1.2.4 电路的工作状态,图1-25 电路开路状态,40,2. 通路,图1-26 电路通路状态,41,（1）电工设备额定值概念（2)额定工作状态,额定工作状态是最经济、最合理的工作状态。,3. 额定工作状态,4.短路与短接,（1）短接的概念（2）短路的概念
13、（3）短路电流,图1-27 电路的短路与短接,(a),(b),42,1.3 基尔霍夫定律,用来描述电路中各部分电压或各部分电流间的关系,其中包括克氏电流定律（KCL)和克氏电压定律(KVL)两个定律。,43,支路：共3条,回路：共3个,节点：a、 b(共2个）,网孔：共2个,图1-28 例1-8用图,例1-8,44,对任何节点，在任一瞬间，流入节点的电流之和等于由节点流出的电流之和。或者说，在任一瞬间，一个节点上电流的代数和为 0。,I2,克氏电流定律的依据：电流的连续性,或：,流入为正 流出为负,1.3.1 克氏电流定律,图1-29 节点电流的关系,45,电流定律还可以扩展到电路的任意封闭面
14、。,图1-30 广义节点举例,(a),(b),46,对电路中的任一回路，沿任意方向绕行一周，其电位降等于电位升。或电压的代数和为 0。,例如： 网孔#1,即：,对网孔#2,对回路#3,电位降,电位升,电位降为正 电位升为负,1.3.2 克氏电压定律,电位降,电位升,图1-31 电路图,47,其中独立的电压方程有：,电压参考方向与网孔的绕行方向一致时，各电压前的符号取为正“”，反之，取为负号“。,注：一定要选择网孔或回路的绕行方向。,48,在用克氏电流定律或电压定律列方程时，究竟可以列出多少个独立的方程？,分析以下电路中应列几个电流方程？几个 电压方程？,例1-9,图1-32 例1-9用图,49
15、,例1-8（续）,50,设：电路中有N个节点，B个支路，,N=2、B=3,小 结,图1-33 电路图,51,未知量：支路电流。,解题思路：根据克氏定律，列节点电流和网孔电程，然后联立求解。,1.4 电路的基本分析方法,1.4.1 支路电流法,图1-34 例1-10用图,A节点：,网孔1：,网孔2：,便可求解出未知量 。,如果 已知,例1-10,52,1. 对每一个未知电流的支路假设电流（I1In）的参考方向。,4. 将独立的电流及电压方程联立，解得各支路的未知电流。,针对每个独立节点，有,2. 运用KCL，列出独立电流方程,针对每个网孔或独立回路，有,3.运用KVL，列出独立电压方程,53,1
16、.4.2 节点电压法,未知量：节点电压,解题思路：列出关于节点电压为未知量的节点电压方程， 求解出各节点电压，然后由支路电压的关系求出各支路电流。,节点电压的概念：,在电路中任选一节点，设其电压为零（用 标记）， 此点称为参考节点。其它各节点对参考点的电压，便是 该节点的节点电压。记为：“UX”。,图1-35 节点电压,(a),(b),54,节点电压方程的推导过程,US2,I6,图1-36 三节点电路,55,根据KCL，分别对独立节点列电流方程,节点A,节点B,(1),其中，,根据KVL，分别对各网孔列电压方程,(2),(3),(8),(5),(7),(6),(4),56,这组方程中有几个未知
17、量，都是那些未知量？,？,？,？,将代入 (1)(2)并整理可得,节点电压方程,57,节点A,节点B,58,关于节点电压方程的一般规律,某独立节点电压乘以自电导，减去所有相邻独立节点的节点电压乘以互电导，等于与该节点相联的电流源电流的代数和，再加上与该节点相联的电压源电压乘以电压源支路电导的代数和。对于电流源，流入节点的电流取正，反之取负;对于电压源，其“+”极靠近该节点，电压源电压乘以电压源支路的电导取正，反之则取负。,59,1#,+,-,US1,A,B,C,I3,R2,R3,R5,R6,IS2,I1,I2,I5,R1,I4,-,+,4#,2#,3#,R4,US2,IS1,试证明各节点电压与
18、R3、R4无关，写出节点电压方程。,I6,例1-11,60,证： 取C点为参考节点，对于节点A，利用KCL,(1),对于节点B，利用KCL,(2),A点的节点电压 为,(3),(4),B点的节点电压 为,(5),(6),由式(3)(6)可得,61,将 代入式(1)和(2)，并且 则有,(7),(8),整理式(7)、(8)，得,节点A电压方程,节点B电压方程,62,所以R3、R4的存在或改变对节点电压和各支路电流均无影响，因此可将它们用导线短接。但如果R3、R4为或它们被断开，则会使节点电压和支路电流改变。,讨论题,如果将R3用导线短接，同时在R4处电路断开，这对各节点电压和各支路电流有何影响？,63,I1,【解】,例1-12,64,用节点电压法求各支路电流,C,R1,R2,+,-,-,+,US1,US2,R3,R4,R5,+,-,US5,A,B,【解】,得,，,利用KVL,有：,可分别解得I1I5 。,图1-38 例1-12用图,例1-13,65,节点电压法适用于支路数多，节点相对少的电路。如图1-39,中共a、b两个节点，b设为参考节点后，仅剩一个未知数Ua （a点节点电压Ua）。,a,b,节点电压法解题思路,假设一个参考节点，令其电压为零。,小 结,图1-39 电路图,66,本 章 到 此 结 束！,
