电工技术(完整版)

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1、电工技术,王维荣主讲,课程性质,电工技术”和“电子技术”是高等学校理工科非电类专业本科学生的一门传统的技术基础课，也是充满改革生气的最有活力的课程。随着20世纪90年代的可编程控制器的兴起，进入21世纪后许多高校均在电工、电子教材中引入了电子设计自动化（Electronics Design Automation，简称EDA）技术，为非电类专业 的工程技术人才掌握和应用EDA技术创造了条件。,内容,本教材分电工技术与计算机仿真（内容包括电路的基本理论和分析方法、EDA基础知识、磁路与变压器、电动机的原理及应用、继电器接触器控制和可编程控制器（PLC）等）和电子技术与计算机仿真（内容包括模拟电子电

2、路、数字电子电路、电路的设计与仿真等）两册，各48学时，两学期完成。,学时安排,第1章电路的基本概念和分析方法 8-10学时； 第2章正弦交流电路 7-8学时； 第3章三相正弦交流电路 4-5学时； 第4章一阶线性电路的暂态过程分析 4-5学时； 第5章磁路和变压器 2-4学时； 第6章交流异步电动机 4-6学时； 第7章继电接触器控制电路 2-4学时； 第8章可编程控制及其应用 4-6学时。,几个关系,与先修课程的关系-物理、高数 与实验实习的关系-基本技能、动手能力 与习题和仿真分析的关系-消化巩固知识、提高分析问题解决问题能力 与教材的关系-服从大纲，参考教材：电工技术（秦曾煌 高教出版

3、社）、电工学（唐介 高教出版社）,学习、检查方式,听课和课堂讨论-10% 习题-20% 笔试考查-70%（第13周周五下午进行） 实验-独立设课1个学分（20学时） 实习-独立设课1个学分（2周） 答疑时间-每周周一中午、下午。地点：教师休息室B318（E-mail: ly018104),第1章 电路的基本概念和分析方法,1.1 电路与电路模型 什么叫电路：电流流通的路径。 电路的作用：(1)用在电力工程中，用以传输与分配 电能； (2)用在电子技术和控制技术中，用以传递和处理各种信息。 电路的组成：（1）电源-为电路提供电能的元件，如发电机、蓄电池和电池等 （2）负载-将电能转换为其他形式能

4、量的元件，如电动机、电炉、电灯等 （3）中间环节-是连接电源和负载的部分，如变压器、输电线等，它起传输和分配电能的作用,电路分析：分析电路的激励与响应之间的关系。 激励-电源或信号源产生的电压或电流 响应-由激励在电路各部分产生的电压和电流,电路元件和电路模型,电路元件：组成电路的电气设备和器件。发电机、电动机、电池、变压器、晶体管、电阻器、电容器等均为电路中常见的电路元件 -实际元件 理想元件-对各种实际元件进行分析和数学描绘，常采用将其理想化的处理 电路模型：由理想电路元件所组成的电路就是实际电路的电路模型,实际电路的电路模型,1.2 电流、电压、电位,是描述电路中能量转换和信号传递、处理

5、的基本物理量. 1.2.1 电流 电流-电荷的定向运动形成电流。 方向-物理中把正电荷运动的方向规定为电流的方向。在负载中电流的方向总是由高电位流向低电位；在电源中则为从低电位流向高电位。 大小-为单位时间内通过导体截面积的电量，即,时变电流为 (1.1) 非时变电流为 （1.2）,1.2.2 电位,电位：电场中某一点的电势,它在数值上等于电场力把单位正电荷从电场中某点移到无限远处所做的功.电场无限远处的点认为其电位为零,通常称之为参考点，并且标上接地符号 “”,所谓 “接地”并非真与大地相接.电路中a 点的电位记作,1.2.3电压,电压也是描述电场力做功的物理量,也称电位差 电路中、两点之间

6、的电压表示为单位正电荷由点a移动到点b所需要的能量，即,电压和电动势的方向,电压的方向: 规定为高电位端指向低电位端，也就是电位降低的方向。 电源电动势E：为电源力驱动单位正电荷的能力,其实际方向规定为在电源内部由低电位端指向高电位端，也就是电位升高的方向。,1.2.4 物理量的正方向,电路中电流、电压等基本物理量的正方向分为实际正方向和假设正方向。实际正方向是物理中对电量规定的方向；假设正方向是在分析计算电路时，对电量人为规定的方向，假设正方向又称为参考正方向。,电压、电流正方向表示法,电流和电压的假设正方向可任意设定，可以一致，也可以不一致，如果一致，称为关联参考方向，如不一致，称为非关联

7、参考方向,1.2.5 电位的计算,计算电路中各点的电位 （1）选定电路中某一点作为参考点，规定参考点的电位为0，并用电路中 表示， （2）求电路中其他各点的电位就等于各点与参考点之间的电压 。,讨论该电路图中各点的电位,如果选定b点作为参考点，则 , 如果选定a点作为参考点的话，则,结论,（1）电路中某一点的电位等于该点与参考点（电位为0）之间的电压。 （2）电路中各点的电位值是相对值，它是相对于参考点而言的，参考点选得不同，电路中各点的电位也将随之改变。 （3）电路中每两点间的电压值是绝对的，不会因为参考点的不同而发生改变。 （4）电路中电位和电压值的大小与计算时所选路径无关。,图1.7电路

8、可以简化为图1.8所示电路,例1.1 电路如图1.9所示，（1）试说明零电位参考点在哪里,（2）仿真分析当电位器的滑动触点向下时VA 和VB 的电位的变化趋势和范围,说明原因,例1.1的仿真分析图,思考与仿真,1.2为什么要引入电压、电流的参考方向的概念？参考方向和实际方向的联系和 区别？ 1.3什么是电位，它与电压的联系和区别？ 1.4试仿真分析图1.11电路中电压UAB 的大小。如将AB两点直接连接或者接上一个1的电阻，其中的电流为多少，通过电位的计算说明原因。,思考与仿真1.4的电路图,电路中电压UAB 的大小,思考与仿真1.5的电路图,1.5求解图1.12所示电路中(1)当开关S打开时

9、和(2)当开关S 闭合时,两种情况下流过1电阻上的电流I 及电压Uab 的大小。并且用电路仿真验证上述的计算结果。,小 结,1.本章是学习电工学的重要基础,要熟练掌握介绍的一些基本概念、基本定律和基本分析方法。 2.物理量的正负向是电路求解过程中的一个重要问题,解题前一定要首先假设各物理量的正方向,然后求解。 3.掌握各无源元件和有源元件的特性和它们在电路中的作用。 4. 熟练掌握本章介绍的各种解题方法,注意区分各种方法的特点,能合理、灵活使用各种方法解题，并能结合计算机仿真进行分析。,1.1试求图1.76所示电路A点的电位。,1.10在图1.84所示电路中，R1 = 4 ,R2 = 2 ，求

10、下列三种情况下的电流I：（a）IS = 6A, US = 0V; (b) IS =0A, US = 12V; (c) IS =6A, US = 12V;,1.19 在图1.92所示电路中， ，用诺顿定理求流过 的电流 。,1.3 电功率,电功率-电路中，电气设备在单位时间内所消耗的电能 电路元件在一段时间内消耗的电能用W表示，,电路中发生的总功率和消耗的总功率相等,即,判别某一元件是吸收还是发出功率,是电源还是负载：,电源：U和I的实际方向相反，电流从“+”端流出，发出功率。 负载： U和I的实际方向相同，电流从“+”端流入，取用功率。,由 和 的参考正方向来确定电源或负载。如果假定某一电路元

11、件上 和 为关联方向时，则 电源： 负载： 如果假定 和 为非关联方向时，则 电源： 负载：,思考与仿真,1.6在图1.13所示电路中,方框代表电源或负载,电流和电压的参考方向如图所示.通过测量已知U1 = U2 = 20V U3 = -100V U4 = 120V,I1 = -10A, I2 = 20A, I3 = -10A (1)标出各电压、电流的实际方向。 （2）判断哪几个方框是电源，那几个方框是负载。 （3）验证电路中的功率平衡关系。,思考与仿真题1.9的电路图,方框代表电源或者负载。已知，U = 100V，I = -2A。判断哪些方框代表电源，哪些方框代表负载？,习 题 1.1试求图

12、1.76所示电路A点的电位。,1.2. 如图1.77所示示，求当开关“S”打开及合上二种情况下的VA和I,13求图1.78所示电路中开关S闭合和断开两种情况下a、b、c三点的电位。,R= 1,1.4.1 电阻元件,电阻元件是一种将电能转化为热能的理想电路元件，电流通过它时将受到阻力，R表示电阻元件阻碍电流变化这一物理性质的参数 电阻元件中电压和电流的关系称为伏安特性。,（a）线性电阻; (b)非线性电阻,当电路中 电路为开路状态，特征i=0 电路为短路状态，特征u=0。,1.4.2 电感元件 电感元件是一种实现电能与磁场能量相互转换的理想的两端元件。电流产生磁场,磁通 是描述磁场的物理量。定义

13、电感L,则线圈中感应电势 为 磁通是由通过线圈的电流产生的，当线圈中没有铁磁材料时，则 与 是正比的关系,所以 可知电感中电压和电流的关系为,小结（1）电感是储存磁场能量的元件 （2）感应电势 具有阻碍电流变化的性质 当电流变化率 时，感应电势为负值 ，是反电势。当 时，感应电势为正值 ，是正电势。 （3）在直流稳态电路中电感元件相当于短路。,= 0,1.4.3电容元件 电容元件是储存电荷的容器,可以将外部的电能转换为内部电场能量的储存。 式中的比例系数C称为电容元件的电容量， 是电容元件的参数，表征电容存储电荷能 力的物理性质。电容的单位是法拉（F）， 工程上常用单位是 （微法）或 （皮法）

14、。,电容电流与电容电压的变化率成正比，与电压瞬时值的大小和方向均无关。如果电容两端的电压恒定不变，即 ，则 ，所以电容元件在直流电路中相当于断路。 储能元件,与电感元件相对应，电容从电源吸取能量并储存在电容的电场中。电容电压增加时， 0 电容从电源吸取能量，电场能量增加，称之为电容充电过程。电容电压减小时， 0 电容将储存在电场中的能量返还给电源，电场能量减小，称之为电容放电过程。,1.5有源元件,一个独立电源可以用两种不同的电路模型来表示:一种是用电压形式来表示，称为电压源；一种是用电流的形式来表示，称为电流源。 1.5.1 电压源 一个实际电源，可用一个电动势 和内阻 相串联来等效代替,理

15、想电压源（恒压源）有两个重要特点： （1）两输出端的电压恒定不变，即。因此在恒压源两输出端间并联任何元件，输出电压将不受影响。输出的电压的大小与流过的电流大小无关。 （2）其中电流的大小由外电路决定。 （3）理想电压源符号,1.5.2 电流源,理想电流源（恒流源）的两个重要特点： （1）输出的电流恒定不变，并且与其端电压的大小无关，即。因此和恒流源串联的任何元件，其中的电流大小将不受影响。 （2）两端的电压的大小由外电路决定。 （3）理想电流源的符号,1.5.3 电压源与电流源的等效变换,等效变换的公式可以由式 ,比较得出,注意事项： （1）“等效”是指“对外”等效（等效互换前后对外伏安特性一致），对电源内部是不等效的。例如当外电路开路时电压源模型中无电流，而电流源模型中仍有内部电流，此时电压源不发出功率，电阻也不吸收功率，而在等效的电流源中，恒流源发出功率，内阻中消耗功率。 （2）注意转换前后和的方向，即电压