電工分析基礎(chǔ)PPT課件

1、 第1頁/共64頁第2頁/共64頁原子核 原子核中有質(zhì)子和中子，其中質(zhì)子帶正電，中子不帶電。 繞原子核高速旋轉(zhuǎn)的電子帶負電。自然界物質(zhì)的電結(jié)構(gòu)：電子原子核 導(dǎo)體的外層電子數(shù)很少且距離原子核較遠，因此受原子核的束縛力很弱，極易掙脫原子核的束縛游離到空間成為自由電子，即導(dǎo)體的特點就是內(nèi)部具有大量的自由電子。原子核 半導(dǎo)體的外層電子數(shù)一般為4個，其導(dǎo)電性界于導(dǎo)體和絕緣體之間。原子核 絕緣體外層電子數(shù)通常為8個，且距離原子核較近，因此受到原子核很強的束縛力而無法掙脫，我們把外層電子數(shù)為8個稱為穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)中不存在自由電子，因此不導(dǎo)電。第3頁/共64頁 當(dāng)外界電場的作用力超過原子核對外層電子的束縛

2、力時，絕緣體的外層電子同樣也會掙脫原子核的束縛成為自由電子，這種現(xiàn)象我們稱為“絕緣擊穿”。絕緣體一旦被擊穿，就會永久喪失其絕緣性能而成為導(dǎo)體。1、絕緣體是否在任何條件下都不導(dǎo)電？2、半導(dǎo)體有什么特殊性？ 半導(dǎo)體的導(dǎo)電性雖然介于導(dǎo)體和絕緣體之間，但半導(dǎo)體在外界條件發(fā)生變化時，其導(dǎo)電能力將大大增強；若在純凈的半導(dǎo)體中摻入某些微量雜質(zhì)后，其導(dǎo)電能力甚至?xí)黾由先f乃至幾十萬倍，半導(dǎo)體的上述特殊性，使它在電子技術(shù)中得到了極其廣泛地應(yīng)用。第4頁/共64頁負載：由實際元器件構(gòu)成的電流的通路。電源：電路中提供電能的裝置。如發(fā)電機、蓄電池等。在電路中接收電能的設(shè)備。如電動機、電燈等。中間環(huán)節(jié)： 電源和負載之間不

3、可缺少的連接、控制和保護部件，如連接導(dǎo)線、開關(guān)設(shè)備、測量設(shè)備以及各種繼電保護設(shè)備等。第5頁/共64頁電力系統(tǒng)中：電子技術(shù)中：第6頁/共64頁電源負載實體電路中間環(huán)節(jié) 與實體電路相對應(yīng)、由理想元件構(gòu)成的，稱為實體電路的。電路模型負載電源開關(guān)連接導(dǎo)線SRL+ UIUS+_R0第7頁/共64頁白熾燈的電路模型可表示為： 實際電路器件品種繁多，其電磁特性多元而復(fù)雜，采取模型化處理可獲得有意義的分析效果。iR R L的電特性可用表征的電特性可用表征由于白熾燈中耗能的因素大大于產(chǎn)生磁場的因素，因此L 可以忽略。 理想電路元件是實際電路器件的理想化和近似，其電特性單一、確切，可定量分析和計算。第8頁/共64

4、頁RC+ US只具耗能的電特性只具有儲存電能的電特性輸出電壓恒定，輸出電流由它和負載共同決定輸出電流恒定，兩端電壓由它和負載共同決定L只具有儲存磁能的電特性IS無源二端元件 有源二端元件 第9頁/共64頁必須指出，電路在進行上述模型化處理時是有條件的：實際電路中各部分的基本電磁現(xiàn)象可以分別研究，并且相應(yīng)的電磁過程都集中在電路元件內(nèi)部進行。這種電路稱為元件的電路。1. 電磁過程都集中在元件內(nèi)部進行，其次要因素可以忽略。如R，L、C這些只具有單一電磁特性的理想電路元件。2. 任何時刻從集中參數(shù)元件一端流入的電流恒等于從它另一端流出的電流，并且元件兩端的電壓值完全確定。 工程應(yīng)用中，實際電路的幾何尺

5、寸遠小于工作電磁波的波長，因此都符合模型化處理條件，均可按集中假設(shè)為前提，有效地描述實際電路，從而獲得有意義的電路分析效果。第10頁/共64頁（1）電流 電流的國際單位制是安培【A】，較小的單位還有毫安【mA】和微安【A】等，它們之間的換算關(guān)系為：i dqdt=（1-1）I Q t=（1-2） 電荷有規(guī)則的定向移動形成電流。電流的大小用電流強度表征，定義式為：大小、方向均不隨時間變化的穩(wěn)恒直流電可表示為： 在電工技術(shù)分析中，僅僅指出電流的大小是不夠的，通常以正電荷移動的方向規(guī)定為電流的正方向。第11頁/共64頁dqdwuababQWUabab直流情況下（2）電壓 高中物理課對電壓的定義是：電場

6、力把單位正電荷從電場中的一點移到另一點所做的功。其表達式為：變量用小寫字母表示，恒量用大寫字母表示。 電壓的國際單位制是伏特V，常用的單位還有毫伏mV和千伏【KV】等，換算關(guān)系為： 電工技術(shù)基礎(chǔ)問題分析中，通常規(guī)定電壓的參考正方向高電位指向低電位，因此電壓又稱作電壓降 從工程應(yīng)用的角度來講，電路中電壓是產(chǎn)生電流的根本原因。數(shù)值上，電壓等于電路中兩點電位的差值。即：baabVVU第12頁/共64頁（3）電流、電壓的參考方向?qū)﹄娐愤M行分析計算時應(yīng)注意：列寫電路方程式之前，首先要在電路中標(biāo)出電流、電壓的參考方向。電路圖上電流、電壓參考方向的標(biāo)定，原則上任意假定，但一經(jīng)選定，在整個分析計算過程中，這些

7、參考方向就不允許再變更aIUbaIUb 實際電源上的電壓、電流方向總是的，實際負載上的電壓、電流方向是的。因此，假定某元件是電源時，應(yīng)選取非關(guān)聯(lián)參考方向，假定某元件是負載應(yīng)選取關(guān)聯(lián)參考方向。第13頁/共64頁 在電路圖上預(yù)先標(biāo)出電壓、電流的，目的是為解題時列寫方程式提供依據(jù)。因為，只有參考方向標(biāo)定的情況下，方程式各電量前的正、負號才有意義。I 為什么要在電路圖中預(yù)先標(biāo)出參考方向？ +USR0RI 設(shè)參考方向下US=100V，I=5A，則說明電源電壓的實際方向與參考方向一致；電流為負值說明其實際方向與圖中所標(biāo)示的參考方向相反。 參考方向一經(jīng)設(shè)定，在分析和計算過程中不得隨意改動。方程式各量前面的正

8、、負號均應(yīng)依據(jù)參考方向?qū)懗觯娏康氖且杂嬎憬Y(jié)果和參考方向二者共同確定的。第14頁/共64頁1.在電路分析中，引入?yún)⒖挤较虻哪康氖鞘裁矗?.應(yīng)用參考方向時，你能說明“正、負”、“加、減”及“相同、相反”這幾對詞的不同之處嗎？ 電路分析中引入?yún)⒖挤较虻哪康氖牵簽榉治龊陀嬎汶娐诽峁┓奖愫鸵罁?jù)。應(yīng)用參考方向時，是指在參考方向下，電壓、電流數(shù)值前面的正負號，如某電流為“5A”，說明其實際方向與參考方向，某電壓為“100V”，說明該電壓實際方向與參考方向指參考方向下電路方程式中各量前面的是指電壓、電流為，“”指的是電壓、電流參考方向。 第15頁/共64頁UItW 日常生產(chǎn)和生活中，電能（或電功）也常用度

9、作為量綱：1度=1KWh=1KVAh（1）電能 電能的轉(zhuǎn)換是在電流作功的過程中進行的。因此，電流作功所消耗電能的多少可以用電功來量度。電功：式中單位：U【V】；I【A】；t【s】時，電功W為焦耳【J】1度電的概念1000W的電爐加熱1小時；100W的電燈照明10小時；40W的電燈照明25小時。第16頁/共64頁UItUIttWP 電功率反映了電路元器件能量轉(zhuǎn)換的本領(lǐng)。如100W的電燈表明在1秒鐘內(nèi)該燈可將100J的電能轉(zhuǎn)換成光能和熱能；電機1000W表明它在一秒鐘內(nèi)可將1000J的電能轉(zhuǎn)換成機械能。（2）電功率 電工技術(shù)中，單位時間內(nèi)電流所作的功稱為電功率。電功率用“P ”表示：國際單位制：U

10、 【V】，I【A】，電功率P用瓦特【W(wǎng)】 用電器額定工作時的電壓叫額定電壓，；額定功率通常標(biāo)示在電器設(shè)備的銘牌數(shù)據(jù)上，作為用電器正常工作條件下的最高限值。第17頁/共64頁%100%1002212PPPPP 提高電能效率能大幅度節(jié)約投資。據(jù)專家測算，建設(shè)1千瓦的發(fā)電能力，平均在7000元左右；而節(jié)約1千瓦的電力，大約平均需要投資2000元，不到建設(shè)投資的1/3。通過提高電能效率節(jié)約下來的電力還不需要增加煤等一次性資源投入，更不會增加環(huán)境污染。（3）效率 電氣設(shè)備運行時客觀上存在損耗，在工程應(yīng)用中，常把輸出功率與輸入功率的比例數(shù)稱為效率，用“”表示： 所以，提高電能效率與加強電力建設(shè)具有相同的重

11、要地位，不僅有利于緩解電力緊張局面，還能促進資源節(jié)約型社會的建立。 第18頁/共64頁1、某用電器的額定值為“220V，100W”，此電器正常工作10小時，消耗多少焦耳電能？合多少度電？2、一只標(biāo)有“220V，60W”的電燈，當(dāng)其兩端電壓為多少伏時電燈能正常發(fā)光？正常發(fā)光時電燈的電功率是多少？若加在燈兩端的電壓僅有110伏時，該燈的實際功率為多少瓦？額定功率有變化嗎？ 3、把一個電阻接在6伏的直流電源上，已知某1分鐘單位時間內(nèi)通過電阻的電量為3個庫侖，求這1分鐘內(nèi)電阻上通過的電流和電流所做的功各為多少？第19頁/共64頁電路由哪幾部分組成？試述電路的功能？為何要引入?yún)⒖挤较颍繀⒖挤较蚝蛯嶋H方向

12、有何聯(lián)系與區(qū)別？何謂電路模型？理想電路元件與實際元器件有何不同？如何判斷元件是電源還是負載？學(xué)好本課程，應(yīng)注意抓好四個主要環(huán)節(jié)：還要處理好三個基本關(guān)系：第20頁/共64頁電氣設(shè)備工作條件下的稱為額定值 電氣設(shè)備的額定值是根據(jù)設(shè)計、材料及制造工藝等因素，由制造廠家給出的技術(shù)數(shù)據(jù)。IUS(RSRL)（1）通路 U=USIRS RLS USRS（2）開路U=USI0S USRSRLU=0IUS/RS（3）短路RLS USRS第21頁/共64頁右下圖電路，若已知元件吸收功率為20W，電壓U=5V，求電流I。+UI元 件由圖可知UI為關(guān)聯(lián)參考方向，因此:A4520UPI舉例2：右下圖電路，若已知元件中電

13、流為I=100A，電壓U=10V，求電功率P，并說明元件是電源還是負載。+UI元 件UI非關(guān)聯(lián)參考，因此:元件吸收正功率，說明元件是負載。W1000)100(10 UIPI為負值，說明它的實際方向與圖上標(biāo)示的參考方向相反。第22頁/共64頁1. 電源外特性與橫軸相交處的電流=？電流工作狀態(tài)？2. 該電阻允許加的最高電壓=？允許通過的最大電流=？3.額定電流為100A的發(fā)電機，只接了60A的照明負載，還有40A電流去哪了？4.電源的開路電壓為12V,短路電流為30A,則電源的US=?RS=？UI0U0I=?“1W、100”第23頁/共64頁IUR 1. 電阻元件R0UI 由電阻的伏安特性曲線可得

14、，電阻元件上的電壓、電流關(guān)系為關(guān)系，即：因此，電阻元件稱為即時元件。即時RIRUUIP22 電阻元件上的電壓、電流關(guān)系遵循歐姆定律。即元件通過電流就會發(fā)熱，消耗的能量為：第24頁/共64頁2. 電感元件和電容元件L線性電感元件的韋安特性0i 對線性電感元件而言，任一瞬時，其電壓和電流的關(guān)系為微分(或積分)的關(guān)系，即：dtdiLuL 顯然，只有電感元件上的電流221LiwL 電感元件圖符號時，電感兩端才有電壓。因此，我們把電感元件稱為動態(tài)元件。動態(tài)元件可以儲能，儲存的磁能為：221LIWL （1）電感元件第25頁/共64頁（2） 電容元件0qu 對線性電容元件而言，任一瞬時，其電壓、電流的關(guān)系也

15、是微分(或積分)的關(guān)系，即：dtduCiC電容元件的工作方式就是充放電。2C21Cuw C 電容元件圖符號因此，只有電容元件的極間電壓時，電容支路才有電流通過。電容元件也是動態(tài)元件，其儲存的電場能量為：221LUWC第26頁/共64頁3. 電源元件 任何電源都可以用兩種電源模型來表示，輸出電壓比較穩(wěn)定的，如發(fā)電機、干電池、蓄電池等通常用電壓源模型(理想電壓源和一個電阻元件相串聯(lián)的形式)表示；柴油機組汽油機組蓄電池 輸出電流較穩(wěn)定的：如光電池或晶體管的輸出端等通常用電流源模型(理想電流源和一個內(nèi)阻相并聯(lián)的形式)表示。US+_R0ISR0 （1）電壓源 （2）電流源第27頁/共64頁理想電壓源的外

16、特性0UI電壓源模型的外特性0UI電壓源模型輸出端電壓I 理想電壓源內(nèi)阻為零，因此輸出電壓恒定； 實際電源總是存在內(nèi)阻的，因此實際電壓源模型電路中的負載電流增大時，內(nèi)阻上必定增加消耗，從而造成輸出電壓隨負載電流的增大而減小。因此，實際電壓源的外特性稍微向下傾斜。 US USR0URL第28頁/共64頁 理想電流源的內(nèi)阻 R0I(相當(dāng)于開路)，因此內(nèi)部不能分流，輸出的電流值恒定。理想電流源的外特性0IU電流源模型的外特性0IUU+_RLR0IISI電流源模型 實際電流源的內(nèi)阻總是有限值，因此當(dāng)負載增大時，內(nèi)阻上分配的電流必定增加，從而造成輸出電流隨負載的增大而減小。即實際電流源的外特性也是一條稍

17、微向下傾斜的直線。第29頁/共64頁Us = Is R0內(nèi)阻改并聯(lián)Is = UsR0 兩種電源模型之間等效變換時，電壓源的數(shù)和電流源的數(shù)值遵循歐姆定律的數(shù)值關(guān)系，但變換過程中內(nèi)阻不變。bIR0Uab+_US+_aIS R0US bIR0Uab+_a當(dāng)外接負載相同時，兩種電源模型對外部電路的電壓、電流相等。內(nèi)阻改串聯(lián)第30頁/共64頁+Li=0uL=0C1. uL=0時，WL是否為0？ic=0時，WC是否為0？2.畫出圖中電感線圈在直流情況下的等效電路模型？3. 電感元件在直流時相當(dāng)于短路， L 是否為零？電容元件在直流時相當(dāng)于開路，C是否為零？4. 理想電源和實際電源有何區(qū)別？理想電源之間能否

18、等效互換？實際電源模型的互換如何？第31頁/共64頁10V+2A2IA32410A72210A5210IIII = ?第32頁/共64頁2121211111PPPIIIRRRRn212121PPPUUURRRRUIR2R1UII1I2R1R2IUU1U2串聯(lián)各電阻中通過的電流相同。并聯(lián)各電阻兩端的電壓相同。如果兩個串聯(lián)電阻有：R1R2，則如果兩個并聯(lián)電阻有：R1R2，則1、電阻的串聯(lián)與并聯(lián)第33頁/共64頁 Rab=R1+ R6+(R2/R3)+(R4/R5)R1R2R3R4R5R6ab由a、b端向里看， R2和R3，R4和R5均連接在相同的兩點之間，因此是并聯(lián)關(guān)系，把這4個電阻兩兩并聯(lián)后，電

19、路中除了a、b兩點不再有結(jié)點，所以它們的等效電阻與R1和R6相串聯(lián)。 電阻混聯(lián)電路的等效電阻計算，關(guān)鍵在于正確找出電路的連接點，然后分別把兩兩結(jié)點之間的電阻進行串、并聯(lián)簡化計算，最后將簡化的等效電阻相串即可求出。第34頁/共64頁m=3abl=3n=2112332網(wǎng)孔=2+_R1US1+_US2R2R3第35頁/共64頁例支路：共 ？條回路：共 ？個節(jié)點：共 ？個網(wǎng)孔：？個I3I1I2I5I6I4R3US4US3_+R6+R4R5R1R2_第36頁/共64頁3、基爾霍夫第一定律（KCL）基爾霍夫定律包括結(jié)點電流定律和回路電壓兩個定律，是一般電路必須遵循的普遍規(guī)律。 基爾霍夫電流定律是將物理學(xué)中

20、的“液體流動的連續(xù)性”和“能量守恒定律”用于電路中，它指出：。數(shù)學(xué)表達式：（直流電路的電流）（任意波形的電流） 0 0IiI1I2I3I4a 若以結(jié)點的電流為，結(jié)點的電流為，則根據(jù)KCL，對結(jié)點 a 可以寫出：第37頁/共64頁求左圖示電路中電流i1、i2。i1i4i2i3整理為： i1+ i3= i2+ i4 0)(ti根據(jù)出入的另一種形式：可得ii KCL可列出KCL：i1 i2+i3 i4= 0i1i2+10 +(12)=0 i2=1A 4+7+i1= 0 i1= 3A 7A4Ai110A-12Ai2第38頁/共64頁I=?I1I2I3IU2+_U1+_RU3+_RRR廣義節(jié)點廣義節(jié)點第

21、39頁/共64頁I1+US1R1I4US4R4I3R3R2I2_U3U1U2U4-U1-US1+U2+U3+U4+US4=0R1I1US1+R2I2+R3I3+R4I4+US4=0R1I1+R2I2+R3I3+R4I4=US1US4先標(biāo)繞行方向第40頁/共64頁#1#2例0S13311URIRI#3）（）（2 1 S23322S13311URIRIURIRIS23322URIRIS1S22211UURIRII1I2I3R3US1+_US2_+R1R2 KVL方程式的常用形式，是把變量和已知量區(qū)分放在方程式兩邊，顯然給解題帶來一定方便。 S13311URIRI第41頁/共64頁USIUR+_+_

22、ABCUA+_UAB+_UB+_第42頁/共64頁5、負載獲得最大功率的條件RLSUSIR0L0SRRUIL2L0SL2)(RRRURIP第43頁/共64頁L2L0SL2)(RRRURIPL2L002S)(4RRRRUP02SmaxL4RUPRLSUSIR0第44頁/共64頁10K10I2I31KA41K2K10mA6mAA5A4=？ A5 =？212V+_16V+_155I并聯(lián)：R10串聯(lián)：R10KA4=7mAA5=3mAn=2b=3Uab=0 I=0結(jié)點？支路？Uab=？I=？第45頁/共64頁 a 點電位ab15Aab15A1、電位的概念 b點電位第46頁/共64頁12V12V6K4K2

23、0K12Vbabadc6K4Kc20K12VV4202046121212aV6K4K20K12V12VbacV2420412aVdd2、電位的計算第47頁/共64頁10 V2 +5 V+3 II =10 + 53 + 2= 3 AVC = 3 3 = 9 VVD= 3 2= 6 VUCD = VC VD = 15 VVD = 5 VVC = 10 VUCD = VC VD= 15 V第48頁/共64頁求下圖電路中開關(guān)S閉合和斷開時B點的電位。試述電壓和電位的異同，若電路中兩點電位都很高，則這兩點間電壓是否也很高？A24VBCDS12VA26K4V12VBS4K2K第49頁/共64頁 在多個電源同時作用的線性電路中，任何支路的電流或任意兩點間的電壓，都是各個電源單獨作用時所得結(jié)果的代數(shù)和。IR1R2ISUSIR1R2USIR1R2IS第50頁/共64頁12V+_BAI237.2V+_212V+_6A1)2/3(62 . 7 2IA1633)6/3(2122IBA37.2V+_26I2 I2第51頁/共64頁+-I4A20V101010I4A101010+-I20V101010A2214IA1101020 I第52頁/共64頁1. 疊加定理只適用于線性電路（電路參數(shù)不隨電壓、電流的