1、1,电工学,一九九九年七月,2,概 论,3,主要教学内容,电 工 学,电工技术,电子技术,直流电路、交流电路 暂态分析、三相电路 变压器、电动机、工业控制,三极管、放大电路运算放大电路数字集成电路,（上篇）,（下篇）,4,电工技术 应用举例 (1),工 业 控 制,电机控制 机床控制 生产过程自动化控制 楼宇电梯控制 . . . . . .,电工技术的应用,5,电工技术 应用举例 (2),信 号 检 测,压力、温度、水位、流量等的测量与调节 电子仪器 医疗仪器 . . . . . .,6,家 用 电 器,电灯、电话 广播、电视 冰箱、洗衣机 家庭影院 . . . . . .,电工技术 应用举例
2、 (3),7,智能建筑,电工技术 应用举例 (4),8,中央空调及加湿器：美国 TEMPSTAR 中央吸尘：加拿大 DUO VAC 中央热水炉：美国 A.O.SMITH 小区安防、智能系统 周界双层红外监测防闯入系统，保安电子巡更系统 重要场所、主要路口24小时摄象监视系统 门卫与住户对讲系统 车辆自动识别准入系统 燃气泄露、烟感探头、紧急求助、非法入室自动报警系统 彩屏可视对讲、公共信息发布、家电远程控制系统 水、电、气三表 IC 卡远程计量系统 所有房间留有电视、电话及数据接口、分户电话交换机实现内部通话,9,楼 宇 电 梯 的 控 制,信 号 检 测,供 电 系 统,电机(执行机构),可
3、编程序 控制器,Programmable Logic Controller,电机控制器,10,汽车电子,汽 车 电 子,电源 发动机控制 行驶装置 报警与安全装置 旅居性 仪表 娱乐通讯,电工技术 应用举例 (5),11,Electric Vehicle,12,21世纪 绿色 环保汽车EV,安全、舒适、可靠,无废气排放 ( 零 排放),高效率,涡轮增压 ABS 自动巡航 GPS卫星定位 68 安全气囊,13,14,机电一体化,15,汽车电子,16,课程性质:,技术基础课,课程对象:,工科非电专业,课程特点：,内容丰富， 技术更新快， 紧密联系实际， 应用非常广泛。,本课是非电专业一切电类后续课
4、程（电子技术、计算机原理、自动控制等）的基础。学时少、内容多，不能轻视。否则，对以后的学习将会造成很大影响。,17,主要教学环节,18,学分：4.5 总学时: 90,面授: 70 电工技术30学时，电子技术35学时 实验学时：20基础实验18学时（9个）综合性实验6学时（1个）,19,本课程考核由期末书面考试、实验(含实验报告) 、平时（考勤、测验等）三部分组成。其中，期末书面书面考试占总成绩的70%，实验(含实验报告)占总成绩的20%，平时作业占总成绩的10%。,本课程的考核方式,20,教 材 及 参 考 书,电 工学 （少学时） （第二版）,张南主编 高等教育出版社,电工学（第五版）秦增煌
5、主编,21,希望和要求:,教学形式: 课堂上，多媒体授课； 课后，复习预习 。,22,第一章电路分析基础,23,11 电路的基本概念,一. 电路的组成,电路的基本组成部分是电源、负载和中间环节。,24,电路元件的理想化,在一定条件下突出元件主要的电磁性质，忽略其次要因素，把它近似地看作理想电路元件。,为什么电路元件要理想化?,便于对实际电路进行分析和用数学描述，将实际元件理想化（或称模型化）。,二、电路元件和电路模型,返回,25,手电筒的电路模型,返回,26,1.电源有载工作（通路）,开关闭合,通路,开关断开,开路,cd短接,短路,三、电路的工作状态,返回,27,电压和电流,由欧姆定律可列上图
6、的电流,负载电阻两端电压,电源的外特性曲线,当,R0R时,由上两式得,返回,28,2、开路,开路就是将电路断开。开路时电路中没有电流，负载上也没有电压，开路时电源的端电压称为开路电压或空载电压，用Uo表示,显然，U0E。开路时，开关触点a、b之间的电压UabUoE。,特征：I0UU0EP0,29,3、短路,可以看出，负载R上已没有电压所以负载电流 IR0短路后电源回路的电流 电源的内阻Ro往往很小，所以短路电流很大,这会引起电源或导线绝组的损坏。短路是一种电路事故。由于操作不当等原因，短路现象是难以避免的，所以要有保护措施。简单可行的方法是在线路中装设熔断器，使熔断器内的熔丝(又称保险丝)与负
7、载串联( FU)。如果负载发生短路，熔丝会很快烧断，使电源和供电线路得到保护。,30,U0IISER0PEPR0 I 2P0,短路的特征：,31,电路的物理量及其参考方向,电流 电压 电动势,32,电路中物理量的正方向,物理量的正方向：,33,物理量的实际正方向,34,物理量正方向的表示方法,35,电路分析中的假设正方向（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？,电流方向 AB？,电流方向 BA？,36,(1) 在解题前先设定一个正方向，作为参考方向；,解决方法,(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
8、，则实际方向与假设方向相反。,(2) 根据电路的定律、定理，列出物理量间相互关系的代数表达式；,37,例,已知：E=2V, R=1 问： 当U分别为 3V 和 1V 时，IR=?,38,39,(4) 为了避免列方程时出错，习惯上把 I 与 U 的方向按相同方向假设。,(1) 方程式U/I=R 仅适用于假设正方向一致的情况。,(2) “实际方向”是物理中规定的，而“假设 正方向”则是人们在进行电路分析计算时,任意假设的。,(3) 在以后的解题过程中，注意一定要先假定“正方向”(即在图中表明物理量的参考方向)，然后再列方程计算。缺少“参考方向”的物理量是无意义的.,提示,40,欧姆定律,U、I 参
9、考方向相同时，,U、I 参考方向相反时，,表达式中有两套正负号： 式前的正负号由U、I 参考方向的关系确定；, U、I 值本身的正负则说明实际方向与参考方向之间的关系。,通常取 U、I 参考方向相同。,U = I R,U = IR,41,解：对图(a)有, U = IR,例：应用欧姆定律对下图电路列出式子，并求电阻R。,对图(b)有, U = IR,42,四.电功率和电能,功率的概念：设电路任意两点间的电压为 U ,流入此部分电路的电流为 I， 则这部分电路消耗的功率为:,43,在 U、 I 正方向选择一致的前提下，,“吸收功率”（负载）,“发出功率”（电源）,若 P = UI 0,若 P =
10、 UI 0,44,功率 设电路任意两点间的电压为 U ,流入此部分电路的电流为 I， 则这部分电路消耗的功率为:,功率平衡：由UER0I得 UIEIR0I2,PPE P,电源输出 的功率,电源内阻上 损耗功率,电源产生 的功率,W为瓦特 KW为千瓦,45,当 计算的 P 0 时, 则说明 U、I 的实际方向一致，此部分电路消耗电功率，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。,结 论,在进行功率计算时，如果假设 U、I 正方向一致。,当计算的 P 0 时, 则说明 U、I 的实际方向相反，此部分电路发出电功率，为电源。,46,解,一个月的用电量 WPt6
11、0(W)30 (h)5.4kWh,47,12 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,其中包括克氏电流和克氏电压两个定律。,名词注释：,48,支路：ab、ad、 .（共6条）,回路：abda、 bcdb、 .（共7 个）,节点：a、 b、 .(共4个）,例,49,一、 基尔霍夫电流定律,对任何节点，在任一瞬间，流入节点的电流等于由节点流出的电流。或者说，在任一瞬间，一个节点上电流的代数和为 0。,克氏电流定律的依据：电流的连续性,例,或：,50,电流定律还可以扩展到电路的任意封闭面。,I1+I2=I3,I=0,电流定律的扩展,I=?,51,二、 基尔霍夫电压定律,从回路中任
12、意一点出发，沿顺时针方向或逆时针方向 循行一周，则在这个方向上的电位升之和等于电位降 之和. 或电压的代数和为 0。,U1U4U2U3 U1U2U3U40 即 U0,返回,52,上式可改写为 E1E2R1I1R2I20或 E1E2R1I1R1I1即 E （RI）,在电阻电路中，在任一回路循行方向上，回路 中电动势的代数和等于电阻上电压降的代数和,在这里电动势的参考方向与所选回路循行方向相同者，取正号，一致者则取负号。电压与回路循行方向一致者，取正号，反之则取负号。,注,返回,53,1列方程前标注回路循行方向；,电位升 = 电位降E2 =UBE + I2R2, U = 0I2R2 E2 + UB
13、E = 0,2应用 U = 0列方程时，项前符号的确定：规定电位降取正号，电位升取负号。,3. 开口电压可按回路处理,注意：,对回路1：,54,基尔霍夫电压定律的推广：可应用于回路的部分电路,UUAUBUAB 或 UABUAUB,EURI0 或 UERI,注,列方程时，要先在电路图上标出电流、电压或 电动势的参考方向。,返回,55,解,由基尔霍夫电压定律可得,（1）UABUBCUCDUDA=0即 UCD2V,（2）UABUBCUCA0即 UCA1V,返回,56,解,应用基尔霍夫电压定律列出EBRBI2UBE0 得 I20.315mA,EBRBI2R1I1US0 得 I10.57mA,应用基尔霍
14、夫电流定律列出 I2I1IB0得 IB0.255mA,返回,57,关于独立方程式的讨论,问题的提出：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？,58,59,设：电路中有N个节点，B个支路,N=2、B=3,小 结,60,1,+,+,-,-,3V,4V,1,+,-,5V,I1,I2,I3,61,对于简单电路，通过串、并联关系即可 求解。如：,62,对于复杂电路（如下图）仅通过串、并联无法求解， 必须经过一定的解题方法，才能算出结果。,如：,63,在电路中，电阻的联接形式是多种 多样的，其中最简单和最常用的是串联 与并联。具有串、并联关系的电阻电路 总可以等效变化成一个电阻。
15、,所谓等效是指两个电路的对外伏安关系相同,等效,返回,13 电阻串并联联接的等效变换,64,如果电路中有两个或两个以上的电阻串联，这些电阻的串联可以等效为一个电阻。,一、 电阻的串联,伏安关系,65,两个串联电阻上的电压分别为：,66,式中G为电导，是电阻的倒数。在国际单位 制中，电导的单位是西门子（S）。,上式也可写成,两个或两个以上的电阻的并联也可以用一个电阻来等效。,二、 电阻的并联,67,两个并联电阻上的电流分别为：,68,计算图中所示电阻电路的等效电阻R，并求电流 I 和I5 。,例题,69,14 支路电流法,凡不能用电阻串并联化简的电路，一般 称为复杂电路。在计算复杂电路的各种方法
16、 中，支路电流法是最基本的。它是应用基尔 霍夫电流定律和电压定律分别对节点和回路 列出方程，求出未知量。,返回,70,支路电流法：以支路电流为未知量、应用基尔霍夫定律（KCL、KVL）列方程组求解。,对上图电路 支路数： b=3 结点数：n =2,回路数 = 3 单孔回路（网孔）=2,若用支路电流法求各支路电流应列出三个方程,71,1. 在图中标出各支路电流的参考方向，对选定的回路标出回路循行方向。,2. 应用 KCL 对结点列出 ( n1 )个独立的结点电流方程。,3. 应用 KVL 对回路列出 b( n1 ) 个独立的回路电压方程（通常可取网孔列出） 。,4. 联立求解 b 个方程，求出各
17、支路电流。,对结点 a：,例1 ：,I1+I2I3=0,对网孔1：,对网孔2：,I1 R1 +I3 R3=E1,I2 R2+I3 R3=E2,支路电流法的解题步骤:,72,求各支路电流：,1. 对每一支路假设一未知电流（I1-I6）,4. 解联立方程组,例1,73,节点a：,列电流方程,节点c：,节点b：,节点d：,b,a,c,d,（取其中三个方程）,74,列电压方程,电压、电流方程联立求得：,b,a,c,d,75,N=4 B=6,R6,a,I3s,I3,例2,电流方程,支路电流未知数少一个：,支路中含有恒流源的情况,76,N=4 B=6,电压方程：,I3s,77,支路电流法小结,解题步骤,结
18、论与引申,1,2,对每一支路假设 一未知电流,1. 假设未知数时，正方向可任意选择。,对每个节点有,1. 未知数=B，,4,解联立方程组,对每个回路有,根据未知数的正负决定电流的实际方向。,3,列电流方程：,列电压方程：,2. 原则上，有B个支路就设B个未知数。,（恒流源支路除外）,例外？,(N-1),2. 独立回路的选择：,已有(N-1)个节点方程，,需补足 B -（N -1）个方程。,一般按网孔选择,78,支路电流法的优缺点,优点：支路电流法是电路分析中最基本的方法之一。只要根据克氏定律、欧 姆定律列方程，就能得出结果。,缺点：电路中支路数多时，所需方程的个数较多，求解不方便。,支路数 B
19、=4 须列4个方程式,79,15 结点电压法,当电路中支路较多，结点较少时 可选其中一个结点作参考点，求出其 他结点的相对于参考点的电压，进而 求出各支路电流。这种方法称为结点 电压（位）法。,返回,80,电路中电位的概念,电位：电路中某点至参考点的电压，记为“VX” 。通常设参考点的电位为零。,1. 电位的概念,电位的计算步骤:(1) 任选电路中某一点为参考点，设其电位为零；(2) 标出各电流参考方向并计算；(3) 计算各点至参考点间的电压即为各点的电位。,某点电位为正，说明该点电位比参考点高； 某点电位为负，说明该点电位比参考点低。,81,电位值是相对的,参考点选得不同，电路中其它各点的电
20、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,82,电位在电路中的表示法,83,借助电位的概念可以简化电路图,84,参考电位在哪里？,85,例1: 图示电路，计算开关S 断开和闭合时A点的电位VA,解: (1)当开关S断开时,(2) 当开关闭合时,电路如图（b）,电流 I2 = 0， 电位 VA = 0V 。,电流 I1 = I2 = 0， 电位 VA = 6V 。,电流在闭合 路径中流通,86,结点电位的概念：,87,88,2个结点的结点电压方程的推导：,设：Vb = 0 V结点电压为 U，参考方向从 a 指向 b。,2. 应用欧姆定律求各
21、支路电流 ：,1. 用KCL对结点 a 列方程：I1 I2 + IS I3 = 0,因为 E2=U-I2R2,所以：,89,将各电流代入 KCL方程则有：,整理得：,注意： (1) 上式仅适用于两个结点的电路。,(2) 分母是各支路电导之和, 恒为正值；分子中各项可以为正，也可以可负。 当E 和 IS与结点电压的参考方向相反时取正号， 相同时则取负号。而与各支路电流的参考方向无关。,即结点电压方程：,90,例1：,试求各支路电流。,解：求结点电压 Uab, 应用欧姆定律求各电流,91,例2:,电路如图：,已知：E1=50 V、E2=30 VIS1=7 A、 IS2=2 A R1=2 、R2=3
22、 、R3=5 ,求结点电压 Uab,注意： 恒流源支路的电阻R3不应出现在分母中。,92,对于含恒流源支路的电路，列节点电位方程 时应按以下规则：,93,例3:,计算电路中A、B 两点的电位。C点为参考点。,I1 I2 + I3 = 0 I5 I3 I4 = 0,解：(1) 应用KCL对结点A和 B列方程,(2) 应用欧姆定律求各电流,(3) 将各电流代入KCL方程，整理后得,5VA VB = 30 3VA + 8VB = 130,解得: VA = 10VVB = 20V,94,16 叠加原理,对于线性电路，任何一条支路中 的电流，都可以看成是由电路中各个 电源（电压源或电流源）单独作用时，
23、在此支路中所产生的电流的代数和。 这就是叠加原理。,返回,95,*所谓电路中各个电源单独作用， 就是将电路中其它电源置0，即电压源短路，电流源开路。,96,16 叠加原理,在多个电源同时作用的线性电路(电路参数不随电压、电流的变化而改变)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。,+,97,I2,I1,A,I2,I1,+,B,I2,R1,I1,E1,R2,A,E2,I3,R3,+,_,+,_,E1,+,B,_,R1,R2,I3,R3,R1,R2,A,B,E2,I3,R3,+,_,98,例,迭加原理用求： I= ?,I=2A,I“= -1A,I = I+ I“
24、= 1A,99,应用迭加定理要注意的问题,1. 迭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）。,100,4. 迭加原理只能用于电压或电流的计算，不能用来求功率。如：,I3,R3,101,补充 说明,102,例,103,例 ：电路如图，已知 E =10V、IS=1A ，R1=10 R2= R3= 5 ，试用叠加原理求流过 R2的电流 I2和理想电流源 IS 两端的电压 US。,(b) E单独作用,(c) IS单独作用,解：由图(c),104,1.电压源,伏安特性,电压源模型,17 理想电压源和理想电流源,主要讲有源元件中的两种电源：电压源和电流源。,105,理想电压源 （恒压源
25、）: RO= 0 时的电压源.,特点：(1）输出电 压不变，其值恒等于电动势。即 Uab E；,（2）电源中的电流由外电路决定。,106,恒压源中的电流由外电路决定,设: E=10V,当R1 R2 同时接入时： I=10A,例,107,恒压源特性中不变的是：_,E,恒压源特性中变化的是：_,I,_ 会引起 I 的变化。,外电路的改变,I 的变化可能是 _ 的变化，或者是_ 的变化。,大小,方向,+,_,I,恒压源特性小结,E,Uab,a,b,R,108,2. 电流源,电流源模型,109,理想电流源 （恒流源): RO= 时的电流源.,特点：（1）输出电流不变，其值恒等于电流源电流 IS；,（2
26、）输出电压由外电路决定。,110,恒流源两端电压由外电路决定,设: IS=1 A,111,恒流源特性小结,恒流源特性中不变的是：_,Is,恒流源特性中变化的是：_,Uab,_ 会引起 Uab 的变化。,外电路的改变,Uab的变化可能是 _ 的变化，或者是 _的变化。,大小,方向,理想恒流源两端 可否被短路？,112,恒压源与恒流源特性比较,Uab的大小、方向均为恒定， 外电路负载对 Uab 无影响。,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,113,3、理想源的串联
27、和并联：,(1) 串联：,n个电压源的串联可用一个电压源等效代替，且等效电压源的大小等于n个电压源的代数和。,uS = uS1 + uS2 + . + uSn,a.电压源串连,114,b. 电流源的串联,?,只有大小相等、方向相同的电流源才允许串联，其等效电流源等于其中任一电流源的电流（大小、方向）。,iS = iS1 = iS2 = = isn,115,c. 电压源和电流源的串连,uS,任 一元件与电流源串联对外电路来说，就等效于这个电流源，串联元件对外电路不起作用。,116,（2） 并联：,n个电流源的并联可用一个电流源等效代替，且等效电流源的大小等于n个电流源的代数和。,iS = iS1
28、 + iS2 + + iSn,a.电流源的并联：,117,只有大小相等、方向相同的电压源才允许并联，其等效电压源等于其中任一电压源的电压（大小、方向）。,uS = uS1 = uS2 = =uSn,b. 电压源的并联,？,118,c、电压源与电流源并联：,任一电流源与电压源并联对外电路来说，就等效于这个电压源，并联元件对外电路不起作用。,119,3.两种电源的等效互换,等效互换的条件：对外的电压电流相等。,I = I Uab = Uab,即：,120,等效互换公式,则,121,122,等效变换的注意事项,123,注意转换前后 E 与 Is 的方向,(2),124,（不存在）,125,(4),进
29、行电路计算时，恒压源串电阻和恒电流源并电阻两者之间均可等效变换。RO和 RO不一定是电源内阻。,126,I,E,R,_,+,a,b,Uab=?,Is,原则：Is不能变，E 不能变。,电压源中的电流 I= IS,恒流源两端的电压,127,应 用 举 例,128,(接上页),R1,R3,Is,R2,R5,R4,I3,I1,I,129,(接上页),IS,R5,R4,I,R1/R2/R3,I1+I3,130,具体步骤如下,131,解,下页,132,返回,133,例 求图示电路中的电路 i。,134,名词解释：,无源二端网络：二端网络中没有电源,有源二端网络：二端网络中含有电源,18 戴维宁定理,135
30、,等效电源定理的概念,有源二端网络用电源模型替代，便为等效电源定理。,136,注意：“等效”是指对端口外等效,137,等效电压源的内阻等于有源 二端网络相应无源二端网络 的输入电阻。（有源网络变 无源网络的原则是：电压源 短路，电流源断路）,等效电压源的电动势 （Ed ）等于有源二端 网络的开端电压；,有源 二端网络,R,A,B,Ed,Rd,+,_,R,A,B,138,戴维南定理应用举例（之一）,已知：R1=20 、 R2=30 R3=30 、 R4=20 E=10V求：当 R5=10 时，I5=?,等效电路,139,第一步：求开端电压Ux,第二步：求输入电阻 Rd,140,141,第三步：求
31、未知电流 I5,时,142,戴维南定理应用举例（之二）,求：U=?,4 ,4 ,50,5 ,33 ,A,B,1A,RL,+,_,8V,_,+,10V,C,D,E,U,143,第一步：求开端电压Ux。,_,+,4 ,4 ,50,A,B,+,_,8V,10V,C,D,E,Ux,1A,5 ,144,第二步： 求输入电阻 Rd。,4 ,4 ,50,5 ,A,B,1A,+,_,8V,_,+,10V,C,D,E,Ux,145,等效电路,146,第三步：求解未知电压。,147,等效电阻的求解方法,求简单二端网络的等效内阻时，用串、并联的方法即可求出。如前例：,148,串/并联方法?,不能用简单 串/并联 方法 求解， 怎么办？,求某些二端网络的等效内阻时，用串、并联的方法则不行。如下图：,149,方法（1）:,求 开端电压 Ux 与 短路电流 Id,开路、短路法,150,负载电阻法,加负载电阻 RL 测负载电压 UL,方法（2）:,测开路电压 UX,151,加压求流法,方法（3）:,则：,152,加压求流法举例,153,电路分析方法小结,电路分析方法共讲了以下几种：,两种电源等效互换 支路电流法 节点电位法 迭加原理 等效电源定理,戴维南定理 诺顿定理,154,
