電工基礎 第2版 課件 教學PPT 作者 陳菊紅 主編 第01章 電路的基本概念和基本定律

1、電工基礎電 工 基 礎上海電機學院2013-10-27電工基礎主要內(nèi)容o1直流電路直流電路o電路基本概念和定律（基本物理量和元件、二端網(wǎng)絡等效、歐姆定律、基爾霍夫定律）o電路基本分析法的應用計算（電壓電位計算、支路電流法、回路電流法）o電路基本定理的應用計算（彌爾曼定理、疊加定理、戴維南定理、最大功率傳輸定理）o2單相正弦交流電路單相正弦交流電路o正弦量的三要素、正弦量的相量表示法（復數(shù)基本知識）oRLC串聯(lián)、并聯(lián)電路的基本分析（阻抗、導納、諧振）o正弦電路的綜合分析與計算（電壓、電流、功率）電工基礎主要內(nèi)容o3三相正弦交流電路三相正弦交流電路o三相對稱負載電路的分析與計算（Y形、形的單組和兩

2、組負載電路、故障電路）o三相不對稱負載電路的分析與計算（Y形、形的單組負載電路）o4非正弦周期性電路非正弦周期性電路o非正弦周期性電路的綜合分析與計算（傅里葉級數(shù)表示式、有效值、平均功率）o5線性動態(tài)電路線性動態(tài)電路o動態(tài)電路基本概念和換路定律o一階動態(tài)電路的時域分析法（三類響應及其三要素法；一次、二次響應）電工基礎第一章第一章 電路的基本概念和基本定律電路的基本概念和基本定律第一節(jié)第一節(jié) 電路和電路模型電路和電路模型第二節(jié)第二節(jié) 電路的基本物理量電路的基本物理量第三節(jié)第三節(jié) 電阻元件和歐姆定律電阻元件和歐姆定律第四節(jié)第四節(jié) 電壓源和電流源電壓源和電流源第五節(jié)第五節(jié) 電路的工作狀態(tài)電路的工作狀

3、態(tài)第六節(jié)第六節(jié) 基爾霍夫定律基爾霍夫定律 主要內(nèi)容：主要內(nèi)容：電工基礎第一節(jié)第一節(jié) 電路和電路模型電路和電路模型 一一.電路電路 1.電路的定義：電路的定義： 電路是各種電氣設備按一定方式聯(lián)接起來的整體，電路是各種電氣設備按一定方式聯(lián)接起來的整體， 它提供了電流流通的路徑。它提供了電流流通的路徑。 2.電路的功能：電路的功能： 電路的功能基本上可以分成兩大類：一類是用來實電路的功能基本上可以分成兩大類：一類是用來實現(xiàn)現(xiàn)電能的轉(zhuǎn)換、傳輸和分配電能的轉(zhuǎn)換、傳輸和分配； 另一類則是在信息網(wǎng)絡另一類則是在信息網(wǎng)絡中，用來中，用來傳遞、儲存、加工和處理各種電信號傳遞、儲存、加工和處理各種電信號。 電工基

4、礎二二.電路模型電路模型 1.電路模型：電路模型： 用理想元件及其組合近似替代實際電路元件，從而把用理想元件及其組合近似替代實際電路元件，從而把實際電路的本質(zhì)特征反映出來，構成了與實際電路相對實際電路的本質(zhì)特征反映出來，構成了與實際電路相對應的理想化電路，稱為電路模型。應的理想化電路，稱為電路模型。 2.電路圖：電路圖： 用規(guī)定的電路符號表示各種理想元件而得到的電路模用規(guī)定的電路符號表示各種理想元件而得到的電路模型圖稱為電路原理圖，簡稱電路圖。型圖稱為電路原理圖，簡稱電路圖。 第一節(jié)第一節(jié) 電路和電路模型電路和電路模型電工基礎三三.實際電路的分類實際電路的分類 實際電路可分為實際電路可分為“集

5、中參數(shù)電路集中參數(shù)電路”和和“分分布參數(shù)電路布參數(shù)電路”兩大類。當一個實際電路的幾何兩大類。當一個實際電路的幾何尺寸遠小于電路中電磁波的波長時，稱為尺寸遠小于電路中電磁波的波長時，稱為“集集中參數(shù)電路中參數(shù)電路”。否則就稱為。否則就稱為“分布參數(shù)電路分布參數(shù)電路”。 第一節(jié)第一節(jié) 電路和電路模型電路和電路模型返回主目錄返回主目錄電工基礎 第二節(jié)第二節(jié) 電路的基本物理量電路的基本物理量一、電流、電壓及其參考方向一、電流、電壓及其參考方向 1.電流：電流： （1）定義：）定義： 帶電粒子的定向移動形成了電流。單位時帶電粒子的定向移動形成了電流。單位時 間內(nèi)通過導體截面的電荷量定義為電流強度，簡稱間

6、內(nèi)通過導體截面的電荷量定義為電流強度，簡稱 為電流，用為電流，用 i 表示。表示。 （2）數(shù)學表達式：）數(shù)學表達式： （3）方向：通常規(guī)定正電荷移動的方向為電流的方向。）方向：通常規(guī)定正電荷移動的方向為電流的方向。 （4）直流電流：當電流的大小和方向不隨時間而變化）直流電流：當電流的大小和方向不隨時間而變化 時，稱為直流電流，簡稱直流（時，稱為直流電流，簡稱直流（DC）。）。 d qid t電工基礎 第二節(jié)第二節(jié) 電路的基本物理量電路的基本物理量2.電壓：電壓：（1）定義：電壓是電場力移動單位正電荷所做的功。）定義：電壓是電場力移動單位正電荷所做的功。（2）數(shù)學表達式：）數(shù)學表達式：（3）方向

7、：規(guī)定電壓的方向是電場力移動正電荷的方向。）方向：規(guī)定電壓的方向是電場力移動正電荷的方向。（4）直流電壓：在直流時，電壓表達式寫為）直流電壓：在直流時，電壓表達式寫為ABABdwudqABABWUQ電工基礎3. 參考方向參考方向（1）實際方向：以上對電流、電壓規(guī)定的方向，是電路中）實際方向：以上對電流、電壓規(guī)定的方向，是電路中客觀存在的實際方向，稱為實際方向。客觀存在的實際方向，稱為實際方向。 （2）參考方向：參考方向是人們）參考方向：參考方向是人們?nèi)我膺x定任意選定的一個方向。的一個方向。（3）應用：）應用： 可任意選定一個參考方向，并由參考方向和電可任意選定一個參考方向，并由參考方向和電壓或

8、電流值的正、負來反映該電壓或電流的實際方向。壓或電流值的正、負來反映該電壓或電流的實際方向。 參考方向一經(jīng)選定，在分析電路的過程中就不再變動。參考方向一經(jīng)選定，在分析電路的過程中就不再變動。 第二節(jié)第二節(jié) 電路的基本物理量電路的基本物理量電工基礎圖圖1 1- 電壓的參考方向與參考極性的表示方法電壓的參考方向與參考極性的表示方法圖圖1-2 1-2 電流的參考方向與實際方向電流的參考方向與實際方向(i0) (i0) 第二節(jié)第二節(jié) 電路的基本物理量電路的基本物理量電工基礎（4）關聯(lián)參考方向：）關聯(lián)參考方向： 對于同一元件或同一段電路的電流和電壓參考方向，對于同一元件或同一段電路的電流和電壓參考方向，

9、彼此原是可以獨立無關地任意選定的，但為了方便起見，彼此原是可以獨立無關地任意選定的，但為了方便起見，習慣上采用習慣上采用“關聯(lián)關聯(lián)”參考方向參考方向。即電流的參考方向與電壓。即電流的參考方向與電壓參考參考“”極到極到“”極的方向選為一致。極的方向選為一致。 當電流、電壓采用關聯(lián)參考方向時，電路圖上只需當電流、電壓采用關聯(lián)參考方向時，電路圖上只需標電流參考方向和電壓參考極性中的任意一種即可。標電流參考方向和電壓參考極性中的任意一種即可。 第二節(jié)第二節(jié) 電路的基本物理量電路的基本物理量電工基礎 第二節(jié)第二節(jié) 電路的基本物理量電路的基本物理量二電位二電位1.定義定義：在電路中任選一點在電路中任選一點

10、o作為參考點，則該電路中作為參考點，則該電路中某一點某一點A點到參考點的電壓稱為點到參考點的電壓稱為A點的電位，用點的電位，用 表示，表示，即即 AAOu 電位與電壓的單位相同，也是用伏特（電位與電壓的單位相同，也是用伏特（V）計量。）計量。 因電路參考點的電位為零，所以參考點也稱因電路參考點的電位為零，所以參考點也稱零電位點零電位點。A電工基礎2.特點：特點： 說明說明: 電路中電路中A點、點、B點間的電壓是點間的電壓是A點與點與B點電位之差，點電位之差，因此，因此，電壓又叫電位差電壓又叫電位差。ABABu 第二節(jié)第二節(jié) 電路的基本物理量電路的基本物理量電工基礎三三. 電動勢電動勢 1.定義

11、：定義：電源力把單位正電荷從電源的負極移電源力把單位正電荷從電源的負極移到正極所做的功，稱為電源的電動勢，用到正極所做的功，稱為電源的電動勢，用e表表示，即示，即BAdwedq 電動勢的方向是電源力克服電場力移動正電荷電動勢的方向是電源力克服電場力移動正電荷的方向，是從低電位指向高電位的方向。的方向，是從低電位指向高電位的方向。 第二節(jié)第二節(jié) 電路的基本物理量電路的基本物理量電工基礎2.特點特點： (1) 同一電源兩端，電動勢和電壓大小相等、方向相反同一電源兩端，電動勢和電壓大小相等、方向相反. 圖圖1-6a中中u=e ，圖，圖1-6b中中u=-e (2) 電動勢只針對電源而言電動勢只針對電源

12、而言. 第二節(jié)第二節(jié) 電路的基本物理量電路的基本物理量圖圖1 1-6 電源的電動勢電源的電動勢e與端電壓與端電壓u電工基礎 第二節(jié)第二節(jié) 電路的基本物理量電路的基本物理量四四. 功率與電能功率與電能 1.功率及其正、負號的意義功率及其正、負號的意義 電功率電功率(簡稱功率簡稱功率)是衡量電路中能量變化速率的物理量是衡量電路中能量變化速率的物理量，定義定義式為式為 直流電路中，功率與電流、電壓均不隨時間變化，上式可寫直流電路中，功率與電流、電壓均不隨時間變化，上式可寫 成成P =U Idtdwp 電工基礎 一段電路在一段電路在u 、 i 關聯(lián)參考方向下，若關聯(lián)參考方向下，若（1）p 0 說明這段

13、電路上電壓和電流的實際方向是一致的，說明這段電路上電壓和電流的實際方向是一致的， 正電荷在電場力作用下做了功，正電荷在電場力作用下做了功，電路吸收了功率；電路吸收了功率；（2）p 0 則這段電路上電壓和電流的實際方向不一致，一定則這段電路上電壓和電流的實際方向不一致，一定 是有外力克服電場力做了功，是有外力克服電場力做了功，電路發(fā)出功率電路發(fā)出功率，也可以說，也可以說電電 路吸收了負功率。路吸收了負功率。 必須必須注意注意關聯(lián)參考方向及各數(shù)值的正、負號的含義關聯(lián)參考方向及各數(shù)值的正、負號的含義。 第二節(jié)第二節(jié) 電路的基本物理量電路的基本物理量電工基礎第二節(jié)第二節(jié) 電路的基本物理量電路的基本物理

14、量 2. 電能電能 單位時間內(nèi)電路吸收或釋放的電能為該電路的功率單位時間內(nèi)電路吸收或釋放的電能為該電路的功率p,那么在那么在t0-t1時間內(nèi)電路轉(zhuǎn)換的電能為時間內(nèi)電路轉(zhuǎn)換的電能為w，有，有直流時， p為常量，則 國際單位制中，電能W的單位是焦耳（J），它表示功率為1W的用電設備在1s時間內(nèi)所消耗的電能10ttWpdt10()WP tt電工基礎實用中還常用千瓦小時（h）俗稱“度”的電能單位，即 第二節(jié)第二節(jié) 電路的基本物理量電路的基本物理量361=11036003.6 10kW hWsJ 度電電工基礎第三節(jié)第三節(jié) 電阻元件和歐姆定律電阻元件和歐姆定律一電阻元件一電阻元件1. 電阻元件的伏安特性電

15、阻元件的伏安特性 電阻元件是反映電路器件消耗電能這一物理性能的一電阻元件是反映電路器件消耗電能這一物理性能的一種理想元件。種理想元件。 它有兩個端鈕與外電路相聯(lián)接，是一個它有兩個端鈕與外電路相聯(lián)接，是一個二端元件二端元件。 描述各種理想元件的端電壓與電流之間的關系稱為元件約描述各種理想元件的端電壓與電流之間的關系稱為元件約束關系，簡稱束關系，簡稱VCR。 電阻元件的伏安特性可通過電阻元件的伏安特性可通過伏安特性曲線伏安特性曲線進行描述。進行描述。電工基礎第三節(jié)第三節(jié) 電阻元件和歐姆定律電阻元件和歐姆定律.歐姆定律歐姆定律歐姆定律反映電阻元件的歐姆定律反映電阻元件的VCR線性電阻元件在線性電阻元

16、件在u、i 關聯(lián)參考方向下，關聯(lián)參考方向下，歐姆定律為歐姆定律為 u=Ri 或或 i=Gu 直流時直流時：U=RI 或或 I=GU R - 線性電阻元件的電阻，單位線性電阻元件的電阻，單位: 歐姆（歐姆（） G - 線性電阻元件的電導，線性電阻元件的電導，單位單位: 西門子（西門子（S）電工基礎第三節(jié)第三節(jié) 電阻元件和歐姆定律電阻元件和歐姆定律線性電阻元件在線性電阻元件在u、i 非關聯(lián)參考方向下非關聯(lián)參考方向下，歐姆定律為，歐姆定律為 u=Ri 或或 i= Gu 直流時直流時：U= RI 或或 I= GU應用歐姆定律時必需注意電壓和電流的參考方向應用歐姆定律時必需注意電壓和電流的參考方向電工基

17、礎第三節(jié)第三節(jié) 電阻元件和歐姆定律電阻元件和歐姆定律.伏安特性曲線伏安特性曲線元件的伏安特性還可通過元件的伏安特性還可通過伏安特性曲線伏安特性曲線進行描述。進行描述。圖圖1 1- 線性電阻元件及其伏安特線性電阻元件及其伏安特性性電工基礎. 電阻元件的分類電阻元件的分類1）線性電阻線性電阻：若電阻：若電阻R值與其工作電壓或電流無關，則值與其工作電壓或電流無關，則稱其為線性電阻元件稱其為線性電阻元件 。其伏安特性曲線是一條通過原。其伏安特性曲線是一條通過原點的直線。點的直線。2）非線性電阻非線性電阻：如果電阻的如果電阻的電阻值不是一個常數(shù)，會隨著電阻值不是一個常數(shù)，會隨著其工作電壓或電流的變化而變

18、其工作電壓或電流的變化而變化則稱為非線性電阻元件。其化則稱為非線性電阻元件。其伏安特性曲線不再是一條直線。伏安特性曲線不再是一條直線。第三節(jié)第三節(jié) 電阻元件和歐姆定律電阻元件和歐姆定律圖圖1 1- 非線性電阻的伏安特性非線性電阻的伏安特性電工基礎二二 電阻元件的功率與耗能電阻元件的功率與耗能1.計算線性電阻元件在任一瞬間吸收功率的公式為計算線性電阻元件在任一瞬間吸收功率的公式為p=ui=Ri2=Gu22.在直流情況下，計算式可寫成在直流情況下，計算式可寫成P=UI=RI2=GU2注意式中的電壓和電流必須是同一電阻元件的電壓和電流注意式中的電壓和電流必須是同一電阻元件的電壓和電流第三節(jié)第三節(jié) 電

19、阻元件和歐姆定律電阻元件和歐姆定律電工基礎第四節(jié)第四節(jié) 電壓源和電流源電壓源和電流源一、電壓源一、電壓源 1.理想電壓源理想電壓源： 理想電壓源是一個理想二端元件：其端電壓是一理想電壓源是一個理想二端元件：其端電壓是一個定值個定值Us或是一定的時間函數(shù)或是一定的時間函數(shù)us ，與流過它的電流無與流過它的電流無關關；而流過它的電流不全由它本身確定而流過它的電流不全由它本身確定，應由與之相應由與之相連接的外電路共同確定連接的外電路共同確定.電工基礎第四節(jié)第四節(jié) 電壓源和電流源電壓源和電流源圖圖1-151-15 電壓源模型及直流電壓源的伏安特性電壓源模型及直流電壓源的伏安特性電工基礎2. 實際電壓源

20、實際電壓源 理想電壓源實際上是不存在的，電源內(nèi)部總是存理想電壓源實際上是不存在的，電源內(nèi)部總是存在一定的電阻，稱之為內(nèi)阻。在一定的電阻，稱之為內(nèi)阻。 實際電壓源可以用一個理想電壓源和內(nèi)阻相串聯(lián)實際電壓源可以用一個理想電壓源和內(nèi)阻相串聯(lián)的電路模型來表示，如圖的電路模型來表示，如圖1-16所示，其端口處伏安關所示，其端口處伏安關系為：系為： ssIRUU第四節(jié)第四節(jié) 電壓源和電流源電壓源和電流源電工基礎第四節(jié)第四節(jié) 電壓源和電流源電壓源和電流源圖圖1-16 1-16 實際直流電壓源模型及其伏安特性實際直流電壓源模型及其伏安特性電工基礎二、電流源二、電流源 1.理想電流源理想電流源 理想電流源是一個

21、理想二端元件：它輸出定值電流理想電流源是一個理想二端元件：它輸出定值電流Is或是一定的時間函數(shù)或是一定的時間函數(shù)is ，與它的端電壓無關；而它的，與它的端電壓無關；而它的端電壓不全由它本身確定，應由與之相連接的外電路共端電壓不全由它本身確定，應由與之相連接的外電路共同確定同確定.第四節(jié)第四節(jié) 電壓源和電流源電壓源和電流源電工基礎第四節(jié)第四節(jié) 電壓源和電流源電壓源和電流源圖圖1-1- 電流源模型及直流電流源的伏安特性電流源模型及直流電流源的伏安特性電工基礎2. 實際電流源實際電流源 理想電流源實際上也是不存在的，由于其內(nèi)電導的理想電流源實際上也是不存在的，由于其內(nèi)電導的存在，電流源中的電流并不能

22、全部輸出，有一部分將在存在，電流源中的電流并不能全部輸出，有一部分將在內(nèi)部分流。內(nèi)部分流。 實際電流源可用一個理想電流源與內(nèi)電導相并聯(lián)的實際電流源可用一個理想電流源與內(nèi)電導相并聯(lián)的電路模型來表示，如圖電路模型來表示，如圖1-1-所示。其端口處伏安關系所示。其端口處伏安關系為：為： ssUGII第四節(jié)第四節(jié) 電壓源和電流源電壓源和電流源電工基礎第四節(jié)第四節(jié) 電壓源和電流源電壓源和電流源圖圖1-181-18 實際直流電流源模型及其伏安特性實際直流電流源模型及其伏安特性電工基礎第五節(jié)第五節(jié) 電路的工作狀態(tài)電路的工作狀態(tài)一、開路一、開路 開路狀態(tài)也稱為斷路狀態(tài)開路狀態(tài)也稱為斷路狀態(tài)，這時電源和負載未構

23、成，這時電源和負載未構成通路，負載上電流為零，電源空載，不輸出功率。通路，負載上電流為零，電源空載，不輸出功率。 開路時電源的端電壓稱為開路時電源的端電壓稱為開路電壓開路電壓，用，用Uoc表示。表示。 實際電壓源在開路時，流過的電流實際電壓源在開路時，流過的電流I=0，端口電壓等于，端口電壓等于電壓源電壓即電壓源電壓即Uoc=Us電工基礎二、短路二、短路 短路狀態(tài)指電源兩端由于某種原因而短接在一起短路狀態(tài)指電源兩端由于某種原因而短接在一起情況，情況，這時相當于負載電阻為零，電源的端電壓為零，這時相當于負載電阻為零，電源的端電壓為零，不輸出功率。不輸出功率。 短路時電源的輸出電流稱為短路時電源的

24、輸出電流稱為短路電流短路電流，用，用Isc表示表示。 實際電流源短路時實際電流源短路時Isc=Is。 第五節(jié)第五節(jié) 電路的工作狀態(tài)電路的工作狀態(tài)電工基礎三、額定工作狀態(tài)三、額定工作狀態(tài) 電氣設備工作在額定值的情況下稱為電氣設備工作在額定值的情況下稱為額定工作狀態(tài)額定工作狀態(tài)。 電源設備的額定值一般包括電源設備的額定值一般包括額定電壓額定電壓UN、額定電流、額定電流IN和額定容量和額定容量SN。 負載的額定值一般包括負載的額定值一般包括額定電壓額定電壓UN、額定電流、額定電流IN和和額定功率額定功率PN。 應合理使用電氣設備，盡可能使其工作在額定狀態(tài)應合理使用電氣設備，盡可能使其工作在額定狀態(tài)下

25、，這樣既安全可靠又能充分發(fā)揮設備的作用，這種下，這樣既安全可靠又能充分發(fā)揮設備的作用，這種工作狀態(tài)有時也稱為工作狀態(tài)有時也稱為“滿載滿載”，設備超過額定值工作時，設備超過額定值工作時稱稱為為 “過載過載”。 應避免應避免設備設備長時間長時間“過載過載”。第五節(jié)第五節(jié) 電路的工作狀態(tài)電路的工作狀態(tài)返回主目錄返回主目錄電工基礎第六節(jié)第六節(jié) 基爾霍夫定律基爾霍夫定律一、與拓撲約束有關的幾個名詞一、與拓撲約束有關的幾個名詞1.支路支路：電路中每個分支都稱為一條支路。電路中每個分支都稱為一條支路。2.節(jié)點：節(jié)點：電路中三條或三條以上支路的匯接點稱為電路中三條或三條以上支路的匯接點稱為節(jié)點。節(jié)點。3.回路

26、回路：電路中任一閉合的路徑稱為回路。電路中任一閉合的路徑稱為回路。4.網(wǎng)孔：網(wǎng)孔：回路平面內(nèi)不含有其它支路的回路稱為網(wǎng)孔?；芈菲矫鎯?nèi)不含有其它支路的回路稱為網(wǎng)孔。電工基礎第六節(jié)第六節(jié) 基爾霍夫定律基爾霍夫定律圖圖1-1- 電路舉例電路舉例支路：支路：、回路：回路：、 、節(jié)點：節(jié)點：、網(wǎng)孔：網(wǎng)孔：、 電工基礎第六節(jié)第六節(jié) 基爾霍夫定律基爾霍夫定律二、基爾霍夫電流定律二、基爾霍夫電流定律(KCL)1.定律定律： 基爾霍夫電流定律可表述為：在集中參數(shù)電路中，基爾霍夫電流定律可表述為：在集中參數(shù)電路中，任一時刻流入任一時刻流入 (或流出或流出)節(jié)點的所有支路電流的代數(shù)和節(jié)點的所有支路電流的代數(shù)和恒等于零。數(shù)學表達式為恒等于零。數(shù)學表達式為 i=0電工基礎第六節(jié)第六節(jié) 基爾霍夫定律基爾霍夫定律2. KCL推廣應用推廣應用： 流入電路流入電路任一封閉面的任一封閉面的電流