资源描述
目录第1章基础知识.11.1 直流电路.21.1.1 电路及其组成.21.1.2 电路的主要物理量及元件.21.1.3 欧姆定律.111.1.4 电阻的串联、并联电路.131.1.5 基尔霍夫定律.161.1.6 电路的基本分析方法.201.2 交流电路.21121正弦交流电.22122 正弦交流电路的计算.27123 功率因数.36124 电路中的谐振.37125三相交流电.401.3 变压器与电动机.431.3.1 变压器.431.3.2 三相异步电动机.441.4 半导体元件及其应用.481.4.1 二极管.481.4.2 三极管.50143三极管放大电路及负反馈.521.4.4 晶闸管及其应用.531.4.5 MOSFET 功率管.561.4.6 IGBT复合功率管.581.5 集成运算放大器.59151集成运算放大器简介.591.5.2运放在信号运算方面的应用.601.6 直流稳压电源.64161 整流电路.65162 滤波电路.67163 开关稳压电路.68第2章通信电源系统.712.1 通信电源系统的基本要求.722.2 通信电源系统质量指标.732.3 通信电源系统的组成.772.3.1 集中供电方式电源系统.77232 分散供电方式电源系统.782.3.3 混合供电方式电源系统.78234 一体化供电方式电源系统.802.4 通信电源技术发展趋势.80第3章交流供电系统.833.1 交流供电系统概述.843.1.1 交流供电的种类和系统组成.843.1.2 市电交流供电系统.843.2 高压交流供电系统.85321 常用高压电器.85322 高压配电设备.89323高压交流供电系统分类.90324高压交流供电系统接线.91325高压配电设备技术指标.97326高压系统的配置参考.983.3 电力变压器.1003.3.1 电力变压器的分类及型号.100332 变压器的结构组成.1013.3.3 电力变压器的连接与运行.104334 变压器的调压方式.108335变压器的技术性能指标.108336 变压器配置参考.109337 提高变压器的利用率.1103.4 低压交流供电系统.112341 常用低压电器.112342低压配电设备.116343 低压交流供电系统分类.1212344 无功功率补偿.122345低压设备的主要技术指标.1243.4.6 低压系统的配置参考.126第4章发电机组.1304.1 柴油发电机组.1314.1.1 柴油发电机组的组成及特点.1314.1.2 柴油发电机组的分类.1314.1.3 柴油发电机组的主要电气性能指标.1324.1.4 柴油发电机组的使用环境条件与功率修正.1344.1.5 柴油机的基本工作原理.1354.1.6 柴油机的基本组成、各部件作用及原理.1364.1.7 发电机的基本组成和原理.1524.1.8 自动化柴油发电机组.1534.1.9 备用发电机组的参考配置.1594.1.10 柴油发电机组的运行方案.1604.2 汽油发电机组.1614.3 燃气轮机发电机组.1634.4 风力发电机组.166第5章直流供电系统.1715.1 直流供电系统概述.1725.1.1 直流基础电源.1725.1.2 直流供电系统的运行方式.1725.1.3 直流供电系统的工作原理.1735.2 交流配电屏.1745.3 高频开关整流器.175531 概述.1765.3.2 功率变换电路.1795.3.3 滤波电路.182534控制电路.1835.3.5 驱动电路.1855.3.6 功率因数校正电路.185537 负荷均分电路.187538 监控模块.1885.4 直流配电屏.1905.5 蓄电池.191551 概述.1915.5.2 铅酸蓄电池的基本原理.194553 铅酸蓄电池的结构.198554阀控式密封铅酸蓄电池的电性能.2005.5.5 阀控式铅酸蓄电池的性能指标.206556阀控式铅酸蓄电池的运行方式与充电方法.2075.6 直流一直流变换器.2095.7 直流供电系统配置参考.2105.8 太阳能供电系统.212581 概述.2125.8.2 太阳能供电系统的组成及运行.2125.8.3 太阳能供电系统设备配置.214584 混合供电系统.216第6章交流不间断电源.2186.1 UPS 电源.2186.1.1 UPS 的分类.2196.1.2 常用UPS结构形式及特点.2196.1.3 UPS电源的组成.2246.1.4 静态在线式UPS的原理.2266.1.5 UPS电源的主要技术要求.2276.1.6 UPS的并机冗余运行方式.2296.1.7 双母线UPS供电系统.2336.1.8 UPS的配置参考.2356.2 逆变器.237第7章 接地与防雷系统.2417.1 接地系统.2427.1.1 地和接地的概念.2427.1.2 接地系统的组成和作用.2427.1.3 接地系统分类.2437.1.4 交流高压供电系统的接地方式.2447.1.5 交流低压配电系统的接地方式.24447.1.6 通信局（站）的接地系统.2487.1.7 降低接地电阻的方法.2507.1.8 接地电阻的测量及标准.2507.2 防雷系统.251721雷电的产生及其特点和危害.251722 雷电的危害.254723通信系统防雷技术.256724电涌保护器（SPD）的种类和性能.259725氧化锌压敏电阻避雷器.262726电涌保护器（SPD）在通信设备中的使用要求.263727通佶电源系统（或局站）的防雷配置及标准.264第8章空调系统.2678.1 空调基础知识.2678.1.1 制冷简述.2678.1.2 制冷技术常用概念.2688.1.3 热力状态参数、湿空气参数及热力学定律.2698.2 制冷系统的基本组成和原理.270821 单级压缩制冷.270822单级蒸气压缩式制冷理论循环的热力计算.273823单级蒸气压缩式制冷实际循环与理论循环的区别.2768.3 制冷压缩机.2768.3.1 制冷压缩机的分类.2768.3.2 制冷压缩机的技术指标.2778.3.3 制冷压缩机的组成和原理.2788.4 制冷换热器.2798.4.1 蒸发器.2798.4.2 冷凝器.2808.5 制冷系统的主要控制部件.2818.5.1 过载保护器.2818.5.2 温度控制器.2828.5.3 压力继电器.2828.5.4 启动继电器.2838.6 制冷系统的辅助设备.2838.6.1 节流器件.2848.6.2 干燥过滤器.2868.6.3 制冷电磁阀.2868.6.4 截止阀.2878.6.5 加湿器.2888.7 制冷剂、冷媒和冷冻油.2898.8 空调系统.2908.8.1 空调系统的分类.2908.8.2 通信机房环境的质量要求.2918.9 机房专用空调.2928.9.1 通信机房专用空调的特点.2928.9.2 机房专用空调组成.2948.10 通信机房空调配置参考.296第9章 动力与环境集中监控系统.2999.1 监控系统的作用和基本要求.2999.2 监控系统的结构.301921 监控系统的结构.301922 监控中心的结构.3029.2.3 监控单元的结构.3039.3 监控系统网络.3059.3.1 局（站）内监控系统拓扑结构.3059.3.2 局（站）间监控系统网络.3079.4 监控对象和内容.3089.4.1 监控对象.3089.4.2 监控内容.3089.5 监控系统的功能.3119.5.1 监控系统的功能结构.3119.5.2 通用管理功能要求.3129.6 系统各级功能要求.320961 监控模块功能.3209.6.2 监控单元功能.3209.6.3 区域监控中心功能.3209.6.4 监控中心的功能.3219.7 传感器与变送器.32269.7.1 传感器的组成和分类.3239.7.2 变送器的组成和分类.3239.7.3 传感器和变送器的特性.3249.7.4 常用传感器和变送器.3249.8 监控中心的硬件和软件.3319.8.1 监控中心的硬件.3319.8.2 监控系统的软件.333第10章 安全用电及节电降耗.33610.1 电气事故.33610.2 电流对人体的作用.3371021 触电事故的种类.3371022 与触电伤害程度有关的因素.33810.3 安全电压.33910.4 对直接和间接接触触电的防护.34110.5 安全用具.34210.6 触电急救.34410.7 电气防火.34810.8 静电防护.34910.9 节电的一般措施.35110.10 变压器节电.35210.11 空气调节系统节电.35410.11.1 风机节电措施.35410.11.2 一般空调节能措施.35410.11.3 机房空调节电技术简介.35510.12 照明节电.35710.13 治理谐波节能.359第1章基础知识课程目标：初级 了解基尔霍夫定律、电路的基本分析方法、正弦交流电、正弦交流 电路的计算、电路中的谐振、变压器与电动机、半导体元件及其应 用、集成运算放大器以及整流滤波电路、开关稳压电路工作原理 熟悉电阻的串联并联电路、功率因数 掌握电路及其组成、电路的主要物理量及元件、欧姆定律、三相交 流电等相关内容中级 了解电路的基本分析方法、正弦交流电路的计算、电路中的谐振、变压器与电动机、集成运算放大器以及整流滤波电路、开关稳压电 路工作原理 熟悉基尔霍夫定律、正弦交流电、半导体元件及其应用 掌握电路及其组成、电路的主要物理量及元件、欧姆定律、电阻的 串联并联电路、功率因数、三相交流电高级 了解电路中的谐振、集成运算放大器 熟悉电路的基本分析方法、正弦交流电路的计算、变压器与电动机、整流滤波电路以及开关稳压电路工作原理 掌握电路及其组成、电路的主要物理量及元件、欧姆定律、电阻的 串联并联电路、功率因数、三相交流电、基尔霍夫定律、正弦交流 电、半导体元件及其应用81.1 直流电路1.1.1 电路及其组成把一些电器设备或元件，按其所要完成的功能，用一定方式连接而成的电源通路称 为电路。一个完整的电路是由电源、负载和中间环节(包括开关和导线等)三部分组成。电源是将非电能如化学能、机械能和原子能等转换为电能，并向电路提供能量；负 载是指电路中能将电能转换为非电能的用电设备，如电灯、电动机和电热器等；中间环 节是指将电源连接成闭合电路的导线、开关设备和保护设备等，也经常接有测量仪表或 测量设备。如图1.1(a)所示是按实物做出的手电筒电路的示意图，它由干电池(电源)、小 灯泡(负载)和开关(中间环节)三部分组成。导线(a)电路原理图图1.1简单电路电路的作用有两类：一是可以实现能量的传输与转换，其典型实例是电力系统中发 电机将其它形式的能量转换为电能,再通过变压器和输电线路将电能输送给用户的用电 设备，这些用电设备再将电能转换为机械能、热能、光能或其它形式的能量，图1.1(a)、(b)就是一个简单电路；二是可以实现信号的传输和转换，例如无线电通信电路和检 测电路。1.1.2 电路的主要物理量及元件1.电流电流的强弱用电流强度来表示，其数值等于单位时间内通过导体某一横截面的电荷 量。设在出时间内通过导体某一横截面的电荷量为dq,则通过该截面的电流强度为在一般情况下，电流强度是随时间而变的。如果电流强度不随时间而变，即dq/dt=常数，则这种电流就称为恒定电流，简称直流。在直流电路中，式（1.1）可写成I=（1.2）t在国际单位制（SI）中，规定电量Q的单位为库仑（C）,时间的单位为秒（s）,电流的单位为安培（A）,即1A=1C/s。电流的单位还有毫安（mA）、微安A）,其换算关系为lA=103mA=l（）6 口 a。电流的方向习惯上规定正电荷移动的方向或负电荷移动的反方向为电流的方向（实际方向）。电流的方向是客观存在的，在简单电路中，可以很容易判断出电流的实 际方向，如图1.2（a）中的L、12。倘若在图中A、B两点间再接入一个电阻如图1.2（b）所示，那么该电阻中的电流方向就很难直观判断了。另外，在交流电路中，电流 是随时间变化的，在图上也无法表示其实际方向，为了解决这一问题，须引入电流的参 考方向这一概念。电流的参考方向可以任意选定，在电路中一般用箭头表示。当然，所选的电流参考 方向不一定就是电流的实际方向，当电流的参考方向与实际方向一致时，电流为正值（10）；当电流的参考方向与实际方向相反时，电流为负值（ko）。这样，在选定的 参考方向下，根据电流的正负值，就可以确定电流的实际方向，如图1.3所示。实际方向一 一 一a 0-参考方向（a）70实际方向A参考方向（b）70）；相反时，电压为负（U 0参考方向（b）1/0R由上式可知：电阻总是消耗能量的。167.电感元件电感元件是从实际电感线圈抽象出来的电路模型。当电感线圈通以电流时，将产生 磁通，在其内部及周围建立磁场，储存磁场能量。当忽略导线电阻及线圈匝与匝之间的 电容时，可将其抽象为只具有储存磁场能量性质的电感元件。电感上的磁链与电流成正 比，即式中：比例系数L称为电感，是表征电感元件的特征参数。在国际单位制中，电感的单位为亨(H),当线圈中电流变化率为lA/s,产生IV 的感应电动势时，则该电感线圈的电感为1H。实际中常采用毫亨(mH)或微亨(piH),如图1.12所示，根据电磁感应定律，当电感线圈中的电流i变化时，磁场也随之变 化，并在线圈中产生自感电动势cl。当电压、电流和电动势的参考方向如图1.12所示 时，则有r di/、u t L (1.13)l dt式(1.13)表明，电感元件两端的电压与电流相对时间的变化率成正比。电流变化越快，电感元件产生的自感电动势越大，与其平衡的电压也越大。当电感 元件中流过稳定的直流电流时，因di/dt=O,eL=O,故u=O,这时电感元件相当于短 路。图1.12电感元件将式(1.13)两边乘上i并积分，可得电感元件中储存的磁场能量为%=Lidi=Li2(1.14)式（1.14）说明，电感元件在某时刻储存的磁场能量，只与该时刻流过的电流的平 方成正比，与电压无关。电感元件不消耗能量，是储能元件。8.电容元件电容元件是从实际电容器抽象出来的电路模型。实际电容器通常由两块金属板中间 充满介质构成，电容器加上电压后，两块极板上将出现等量异号电荷，并在两极板间形 成电场，储存电场能。当忽略电容器的漏电阻和电感时，可将其抽象为只具有储存电场 能量性质的电容元件。电容器极板上储存的电量q与外加电压u成正比，即(1.15)式中，比例系数C称为电容，是表征电容元件特性的参数。国际单位制中，电容的单位为法（F）o当将电容器充上IV的电压时，极板上若 储存了 1C的电量，则该电容器的电容就是IFo实际中常采用微法（可）或皮法（pF）,即1F=106gF=1012pFo图1.13电容元件如图1.13所示，当电容上的电压与电流取关联参考方向时，有dt dt(1.16)式（1.16）表明，电容元件上通过的电流，与元件两端的电压相对时间的变化率成 正比。电压变化越快，电流越大。当电容元件两端加恒定电压时，因du/dt=0,i=0,这时电容元件相当于开路，故电容元件有隔直流的作用。将式（1.16）两边乘以u并积分，可得电容元件极板间储存的电场能量为CU 1Cudu=CuJo 2(1.17)式（1.17）说明，电容元件在某时刻储存的电场能量与元件在该时刻所承受的电压 的平方成正比，与电流无关，电容元件不消耗能量，是储能元件。181.1.3欧姆定律欧姆定律是德国的物理学家欧姆通过大量试验，总结出电流跟电压、电阻的关系。它是研究和分析任何电路的最基本定律之一。欧姆定律指出：导体中的电流跟它两端的电压成正比，跟它的电阻成反比。欧姆定律的数学表达式为或 U=IR=L(1.18)G式中，电压U的电位为V,电流I的单位为A,电阻R的单位为Q,电导G的单 位是S(西门子)。由于在电阻中的电流与电压的实际方向总是一致的，即电流是从电压的极端 流入的，所以式(1.18)只有在关联参考方向下才适用，如图1.14(a)所示。(a)关联方向U=iR(A非天联力何U=图 1.14欧姆定律如果电阻两端的电压和电流的参考方向选取的相反，即电流从电压的极端流 入，如图1.14(b)所示，电压和电流的值总是异号的，这时欧姆定律应加一个负号，即写为I=-=U=-IR=G(1.19)所以，当电压U和电流I为关联参考方向时，欧姆定律U=RI；当电压U和电流I 为非关联参考方向时，欧姆定律U=RI。【例1.3在图1.15中，已知I=-lA,R=20Q,a、b两点中哪一点的电位高?amR I。6图 1.15解：由图可见，电流I与电压U的参考方向相反，所以为非关联，由式(1.19)U=-IR代入已知数值，保留原给的符号。=一(_1)义20=20 V由于U0,所以U的符号与图中标出的参考方向相同，表明a点电位高。【例1.4】应用欧姆定律，对图1.16所示各电路列出欧姆定律的式子，并求电阻R。图 1.16解：图1.16(a)中，U和I为关联方向R=-=-=4nI 1图1.16(b)中,U和I为非关联方向R=-U=-2=4Q I-1图1.16(c)中，U和I为非关联方向u-4R=-=4QI 1图1.16(d)中,U和I为关联方向U-4R=4QI-1从前面例题可以看出，应用欧姆定律时会出现两套正、负号，一套是欧姆定律公式 本身含有的，由电压U的参考方向和电流I的参考方向是否关联而定；另一套是U和I 本身数值的正、负，它们分别由U和I的参考方向是否一致而确定。在列式计算中，第一步要正确列出式子，第二步再代入数值进行计算。【例1.5如图1.17所示电阻，已知a点的电位为10V,b点的电位为8V,求其电 导值。20I=4A r ao-CZo b图 1.17解：电导G两端的电压Uab=Ua-Ub=10-8=2由欧姆定律H=%=2=0.5QI 4电导值 g=-=2SR 0.5I 4或直接用公式 G=2SUab 21.1.4电阻的串联、并联电路1.电阻的串联电路在一段电路上，将几个电阻的首尾依次相连所构成的一个没有分支的电路，叫做电 阻的串联电路。如图1.18a所示是电阻的串联电路；图1.18b是图1.18a的等效电路。图1.18电阻的串联电路 等效电路（1）串联电路的特点多个电阻串联的电路有以下特点:串联电路中流过各个电阻的电流都相等，即：I=!.=!.=-=In 串联电路两端的总电压等于各个电阻两端的电压之和，即：0=01+4+串联电路的总电阻（即等效电阻）等于各串联的电阻之和，即:E=尺1+尺2+(根据欧姆定律得出，U、=IR1,。2=/&，U=IR,可以得出:12 凡=，或者 R5=4U R2.里.力.&一，一U R U R(1.20)此公式表明，在串联电路中，电阻的阻值越大，这个电阻所分配到的电压越大；反 之，电压越小。即电阻上的电压分配与电阻的阻值成正比。这个结论是电阻串联电路中 最重要的结论。在如图1.18 a）所示的电路中，将尺=与十氏2代入公式（L20）中1 rx+r2。2=Urx+r2这两个公式可以直接计算出每个电阻从总电压中分得的电压值，习惯上就把这两个 式子叫做分压公式。（2）电阻串联的应用电阻串联的应用极为广泛。例如：用几个电阻串联来获得阻值较大的电阻。用串联电阻组成分压器，使用同一电源获得几种不同的电压。如图1.19所示，由8、R?、氏3、&组成串联电路，使用同一电源，输出4种不同数值的电压。22图1.19电阻分压器 当负载的额定电压（标准工作电压值）低于电源电压时，采用电阻与负载串联 的方法，使电源的部分电压分配到串联电阻上，以满足负载正确的使用电压值。例如，一个指示灯额定电压6V,电阻60。，若将它接在12V电源上，必须串联一个阻值为 60Q的电阻，指示灯才能正常工作。用电阻串联的方法来限制调节电路中的电流。在电工测量中普遍用串联电阻法 来扩大电压表的量程。2.电阻的并联电路将两个或两个以上的电阻两端分别接在电路中相同的两个节点之间,这种连接方式 叫做电阻的并联电路。如图1.20 a）所示是电阻的并联电路，图1.20 b）是图1.20 a）的等效电路。图1.20 电阻的并联电路及其等效电路（1）并联电路的特点多个电阻并联的电路有如下特点：并联电路中各个支路两端的电压相等，即:U=U=U2=.=Un(1.21)并联电路中总的电流等于各支路中的电流之和，即1=11+，2+,+/”并联电路的总电阻(即等效电阻)的倒数等于各并联电阻的倒数之和，即：若是两个电阻并联，根据上式可求并联后的总电阻为：R=凡&R、+R?根据公式(1.21)及欧姆定律可以得出：旦/R,上述公式表明，在并联电路中，电阻的阻值越大，这个电阻所分配到的电流越小，反之越大，即电阻上的电流分配与电阻的阻值成反比。这个结论是电阻并联电路特点的 重要推论。(2)电阻并联的应用电阻并联的应用，同电阻串联的应用一样，也很广泛。例如：因为电阻并联的总电阻小于并联电路中的任意一个电阻，因此，可以用电阻并 联的方法来获得阻值较小的电阻。由于并联电阻各个支路两端电压相等，因此，工作电压相同的负载，如电动机、电灯等都是并联使用，任何一个负载的工作状态既不受其他负载的影响，也不影响其他 负载。在并联电路中，负载个数增加，电路的总电阻减小，电流增大，负载从电源取用 的电能多，负载变重；负载数目减少，电路的总电阻增大，电流减小，负载从电源取用 的电能少，负载变轻。因此，人们可以根据工作需要启动或停止并联使用的负载。在电工测量中应用电阻并联方法组成分流器来扩大电流表的量程。1.1.5基尔霍夫定律欧姆定律是分析和计算电路的基本定律，但在复杂电路的分析与计算中，需要应 用基尔霍夫电流定律和电压定律，基尔霍夫电流定律用于电路的节点分析，基尔霍夫电 压定律用于电路的回路分析。1.概念24支路：通常情况下，电路中通过同一电流的分支称为支路。图1.21电路中有acb、adb和ab三条支路。其中acb、adb支路中有电源，称为有源支路；ab支路中无电源，称为无源支路。1；-?-?+0%N uQ图1.21电路举例节点：电路中三条或三条以上支路的连接点称为节点。图1.21电路中有a、b两个 节点，c、d不是节点。回路：电路中任一闭合路径都称为回路，不含交叉支路的回路称为网孔。图1.21 电路中共有abca、adba cbdac三个回路，abca adba两个网孔。2.基尔霍夫电流定律(KCL)基尔霍夫电流定律用以约束连接在同一节点上的各个支路之间的电流关系。KCL定义为：在任何时刻，连接电路中任一节点的所有支路电流的代数和恒等于 零。即Z，=。(1.22)式中，规定电流方向为流向节点a的电流为正值，则流出节点a的电流即为负值。由止匕A+/2=13也可表示为/+，3 二。上式说明在任一时刻流进该节点的电流等于流出该节点的电流。基尔霍夫电流定律也可推广应用于包围几个节点的的推广应用。闭合面（广义节点），即在任一时刻，通过任何一个闭合面的电流代数和也恒为零。也就是说，流入闭合面的电流等于流出闭合面的电流。如图1.22中，闭合面内由三个 节点A、B、Co由KCL可得小小/0图 1.22KCL3.基尔霍夫电压定律（KVL）基尔霍夫电压定律用以约束回路中的各段电压间的关系。KVL定义为：在任一回路中，从任一点以顺时针或逆时针方向沿回路绕行一周,则所有支路或元件电压的代数和恒等于零。即u=o(1.23)ZIR=ZU为了应用KVL,必须指定回路的绕行方向，若电压的参考方向与回路的绕行方向 一致时取正号，反之则取负号。A 比图 1.23如图1.23所示，回路cadbc中的电源电压、电流和各段电压的参考方向均已标出,顺时针回路绕行方向可列出如下为264+。2+。3+。1=。以上回路是由电动势和电阻构成的，因此上式也可表示为U S+RJ+E3/2=0基尔霍夫电压定律不仅适用于闭合同路，也可以推广应用到回路的部分电路(广义 回路)，用于求同路的开路电压。例如图1.24电路，求Uab。由于/=%/(-+&)I2=US2/(7?2+R4)图 1.24对回路acdb,由基尔霍夫电压定律得1就+12氏-1出=。则 Uab=IiR3-I2R4注意：一般对独立回路列电压方程，网孔一般都是独立回路。在电路中，设有b 条支路，n个节点，独立同路数为b(n-1)o【例1.6如图1.25电路中，已知Ia=lmA,lb=10mA,Ic=2mA,求电流Id。解：根据基尔霍夫电流定律的推广应用，流入图示的闭合回路的电流代数和为零，即/+/+/=。Id=(/+4+4)=(1+10+2)=-13mA【例1.7如图1.26所示闭合回路，各支路的元件是任意的，已知：Uab=10V,Ubc=-6V,Uda=-5V,求 Ucd 和 Ucao邑 F 即一出 忸图1.25例1.6电路 图1.26 例1.7电路解：由KVL可列方程如下Uab+Ubc+Ucd+UyO得 ucd=-uab-ubc-uda贝 U=T0-(-6)-(-5)=lv若abca不是闭合回路，也可用KVL得：uca=-uab-ubcUa=-lO-6)=-4V【例1.8求图1.27所示电路的开路电压Uab。图 1.27解：在回路1中，有61=12-6 I=1A所以根据基尔霍夫电压定律，在回路2中，得uacucb-uab=0所以-2+12-3x1-1/=0则鼠=7 V281.1.6电路的基本分析方法电路分析是指在已知电路结构和元件参数的条件下，确定各部分电压与电流之间的 关系。对于复杂电路来说，必须根据电路的结构和特点去寻找分析和计算的简便方法。本小节主要介绍支路电流法的应用。支路电流法是以支路电流为待求量，应用基尔霍夫电流定律列出节点电流方程式,应用基尔霍夫电压定律列出回路的电压方程式，从而求解支路电流的方法。下面介绍支 路电流法分析和计算电路的具体步骤。步骤1：确定支路数b,同时设定各支路电流的参考方向。步骤2：确定节点数n,根据KCL列出n-1个节点电流方程式。步骤3：确定独立回路数(一般选取网孔数，网孔是独立回路)，根据KVL列出 b-(n-1)个回路电压方程式。步骤4：解联立方程式，求各支路电流。【例 1.9】电路如图 1.28 所示，已知 Usl=6V,US2=16V,IS=2A,Rl=R2=R3=2Q,试 求各支路电流n、12、13、14和15。解 由KCL和KVL列出节点电流方程和0路电压方程/+/+(=0,4+5=1SU s=，3氏2+12%US2 15 氏3+A 为=0图1.28电路图代入已知数据得2+乙=。2=A+144+一6=24+2/216-2/5+2/2=0解方程得，i=6A,/2=-1 A,，3=4A,/4=-5 A,15=7 Ao1.2交流电路目前，发电、供电系统及日常生活中所用的都是正弦交流电，简称交流电。本节主 要介绍交流电的表示方法、单一参数元件及RLC串联电路分析方法、三相交流电源及 其电压、电流和功率的分析。1.2.1正弦交流电1.正弦交流电的瞬时值表示大小和方向随时间按正弦规律变化的电流、电压和电动势统称为交流电，交流电的 瞬时值用小写字母i、u和e表示。以i为例，其波形图如图1.29所示。它的表达式 可写成i=Im sin(G%+)(1.24)式中，幅值Im、角频率3和初相V称为交流电的三要素。(1)三要素幅值幅值是交流电在某一瞬间的最大值，表示交流电的强度，用带下标m的字母表示,如式(1.24)中的Im。在分析和计算正弦交流电路的问题时，常用的是有效值，有效值是根据交流电流与 直流电流热效应相等的原则规定的，即交流电流的有效值是热效应与它相等的直流电流 的数值。有效值用大写字母I、U等表示。有效值与幅值的关系为Um=41U(1.25)例如常说的民用电是220V,即为有效值，而其幅值是。机=9=311V。用万 用表等测得的交流电数值均为有效值。30图1.29交流电的波形角频率交流电每秒内变化的次数，称为频率，用f表示，单位是赫兹（Hz）。我国的工业 与民用电采用50Hz作为电力标准频率，又称工频。交流电变化一次所需要的时间称为 周期，用T表示，单位是秒（s）。频率与周期的关系为f（1.26）交流电的变化快慢除了用周期、频率表示外，还可用角频率3表示。角频率是指 单位时间内角度（相位）的变化率，单位为弧度每秒（rad/s）。3与f和T之间的关 系为【例2.1】已知工频交流电的电压为=311sin（314%+30）,试求T、3及u的 有效值。解 T=0.02sf 50 co=27rf=2x3.14x50=314rad/5。=殳=罩=220V V2 V2初相式（1.24）中的（&+）称为交流电的相位。它表示交流电随时间变化的进程。当t=0时，M=此时的相位为，称为交流电的初相。它表示计时开始时交流电 所处的状态，如图1.29中所示。（2）相位差在正弦交流电路中，有时要比较两个同频率正弦量的相位。两个同频率正弦量相位 之差称为相位差，以。表示。设=I/祖sin（初+匕），i=lm sin（+.）,则电压 与电流的相位差为。=（诩+匕）O+匕）=匕即两个同频率正弦量的相位差等于它们的初相差。若。0,表明匕匕，则u比i先达到最大值，称u超前于i 一个相位角,或者说 i滞后于u一个相位角。若0=0,表明匕=匕，则u与i同时达到最大值，称u与i同相位，简称同相。若。=180,则称u与i的相位相反。若0(1.29)A=rZi/J代数式适合于复数的加减运算，极坐标式适合于复数的乘除运算。(2)相量与复数用复数表示的正弦量称为相量，为了与一般的复数有所区别，规定正弦量相量用上方加-”的大写字母来表示。例如：正弦电流1=11315亩(3%+甲),其相量形式可写成/=/N 夕=/(cos 夕+/sin/)=4+jb式中 a=I cosy/,=/sin。与其对应的相量图如图1.31所示。图1.31相量/那么正弦电流z；=30sina,z；=lsin(M+45)的相量形式就可写成130正Z0=1572Z010=7/45V2=5a/2Z45或 4=15V2(cosO+JsinO)=15/2I2=5a/2(cos45+Jsin45)=5+j5(3)相量的运算前面已讲过，相量的代数形式适合于加减运算，而极坐标形式适合于乘除运算，设相量 A=/+ja?AN 4,B=+jb?-BZ.0?34则A 5=（%仇）+/（。2 土2）AB=ABN+%）A A相量只是正弦交流电的一种表示方法和运算的工具，只有同频率的正弦交流电才能 进行相量运算，所以相量运算只含有交流电的有效值（或幅值）和初相两个要素。【例2.3已知交流电U和U2的有效值分别为UfIOOV,U2=60V,5超前于u2 60,求（1）总电压u=ui+ii2的有效值，并画出相量图；（2）总电压u与5及比的相位差。解：本题未给出电压的初相，只给出了 U1和s的有效值和相位差。所以相位差即 为初相差=幺-/2=60，现可任选U1和U2其中之一为参考相量（参考正弦量的相 量形式），如选择U1为参考相量，那么幺=0,则两电压的有效值相量分别为。=100/0=100V A=。2/匕=60/60=（30 J51.96）V总电压的有效值相量U=UU 1/2=100+30-J51.96=130-J51.96=140Z-21.79相量图如图1.32所示。图 1.32作图时，将参考相量由画在正实轴位置。在这种情况下，坐标轴可省去不画。根 据与人的相位差确定/2的位置，并画出/z，利用平行四边形法则做出力。由所 得结果，可以求得U与U及U2的相位差分别为6=21.79-0=-21.790=2=21.79 (60)=38.21两个相位差说明，口滞后于的的角度是-21.79,而超前的为38.21。1.2.2正弦交流电路的计算最简单的交流电路是由电阻、电容和电感中任一个元件组成的，这些电路元件仅由 R、L、C三个参数中的一个来表征其特性，这样的电路称为单一参数的交流电路。掌 握了单一参数交流电路的分析方法，混合参数交流电路的分析就容易了。下面分别对其 进行介绍。1.电阻电路日常生活中所用的白炽灯、电饭锅和热水器等在交流电路中都可以看成是电阻元 件，如图1.33(a)所示。pO it 2九/(C)相量图(d)功率的波形图1.33电阻电路(1)电压与电流的关系36如选择电流为参考正弦量，即电流的初相为0,则其瞬时值表达式为i=Im sin cot电阻两端的电压u=Ri=RIm sin 3t=Um sin cot(1.30)其波形图如图1.33(b)所示。由式(1.30)及波形图可知，电阻电路中u与i同频 率同相位。其有效值及相量关系分别为U=RIU=RI(1.31)式(1.31)为电阻电路中欧姆定律的有效值形式和相量形式。电压与电流的相量图 如图1.33(c)所示。(2)电阻电路中的功率电阻上的瞬时功率p=ui=U 1nlm sin2 cot=UI(1-cos 2 cot)=UI-UI cos 2cot(1.32)由此可见：功率p的频率是u、i的频率的两倍，其波形如图1.33(d)所示。由波 形图可见功率虽然随时间变化，但均为正值。由波形图和式(1.32)即可得出平均功率1 CT.U2P=-pdt=UI=I2R=(1.33)/J。R由波形图可知：P为正值，说明电阻是吸收功率的元件，它是把电功率转换成其他 有用的功率消耗掉了，所以称电阻为耗能元件。其平均功率又称为有功功率。2.电感电路在生产和生活中所接触到的将电能转换成动能的设备，如电动机、风机等，还有改 变电压大小的变压器等，在交流电路中起主要作用的是电感(忽略导线电阻)，如图1.34(a)所示。图1.34电感电路(1)电压与电流关系如仍选择电流为参考正弦量，即电流i的初相为0,则其瞬时值表达式为i=Im sin cot电感两端的电压r di T dlm sinor TT/八八。、二u=L-=L -=LIm cos cot=Um sm(+90)(1.34)dt dt由式(1.34)可见，对于电感电路，u与i频率相同，相位却不同，u超前i为90。其波形如图1.34(b)所示。有效值的关系为U=XTI 或/=且(1.35)XlXL=coL=(1.36)式中，Xl称为感抗，单位也是欧姆(Q)。它表示电感对电流阻碍作用大小的物 理量。Xl与电感L和频率f成正比，如果L 一定，f愈高Xl愈大，f愈低Xl愈小。在 直流电路中，f=0,Xl=3L=2兀fL=0,说明电感在直流电路中可视为短路。即电感有通直阻交的作用。电感两端的电压与电流的相量关系为U=jXLI 或U 瓦(1.37)38相量图如图1.34(c)所示。图1.34(c)中i的初相甲=0,/=INO则U=jXLl=XJ/90+0=UN90(2)电感电路中的功率电感的瞬时功率如式(1.38),电感上瞬时功率p的频率是u或i频率的两倍，并按 正弦规律变化，如图1.34(d)所示。在0几/2区间p正值，电感吸收功率并把吸收 的电功率转换成磁场能量储存起来；在兀/2兀区间p为负值，电感发出功率，是将其 储存的磁场能量再转换成电场能量送回到电源。电感并不消耗功率，所以称电感为储能 元件。p=ui=UmIm sin(+90)sin=UmIm cos cot sin cot=UI sin2r(1.38)由图1.34(d)可见，电感的平均功率P=0。虽然电感不消耗功率，但作为负载的 电感与电源之间存在着能量交换，交换的能量用无功功率Q来计量，大小为2Q=UI=I2Xl=(1.39)“XL无功功率的单位为乏(var)。3.电容电路下面讨论电容元件在交流电路中的作用，找出电容与电感作用的区别，电容电路如 图1.35(a)所示。(1)电压与电流关系图1.35 电容电路如选择电压为参考正弦量，即电压的初相为0,电压u的瞬时值表达式为u=Um sin cot则电容上所流过的电流i=C 小s3t=coCUm cosr=Im sin(+90)(1.40)dt dt由式(1.40)可见对于电容电路，u与i也是同频率不同相位，i超前u为90,其波 形如1.35(b)所示。有效值的关系为U=XCI 或/=幺(1.41)X。式中，Xc
展开阅读全文
浙ICP备2021020529号-1 | 浙B2-20240490 
