电工学-第1章直流电路.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,第1章 直流电路,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,电工技术,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第1章,直流电路,*,第 1 章 直流电路,1.1 电路的作用和组成,1.2 电路的基本物理量,1.3 电路的状态,1.4,电路中的参考方向,1.5,理想电路元件,1.6,基尔霍夫定律,1.7 支路电流法,下一章,上一章,返回主页,1.8 叠加定理,1.9 等效电源定理,1.10 非线性电阻电路,1,1.1 电路的作用和组成,一、什么是电路,电路就是电流流通的路径。,是由某些元、器件为完成一定功能、按一定,方式组合后的总称。,S,E,2,大连理工大学电气工程系,二、电路的作用,+,mA,一是实现能量的输送和转换。,二是实现信号的传递和处理。,E,三、电路的组成,电源：,将非电形态的能量,转换为电能。,负载：,将电能转换为,非电形态的能量。,导线等：,起沟通电路和,输送电能的作用。,S,E,E,S,3,大连理工大学电气工程系,从电源来看，电源本身的电流通路称为,内电路,，,电源以外的电流通路称为,外电路,。,当电路中的电流是不随时间变化的直流电流时，,这种电路称为,直流电路,。,当电路中的电流是随时间按正弦规律变化的交,流电流时，这种电路称为,交流电路,。,无源网络,有源网络,二端,网络,二端,网络,4,大连理工大学电气工程系,1.2 电路的基本物理量,I,1.电流,电流的实际方向：规定为正电荷运动的方向。,E,U,S,U,L,直流电路中：,I,=,Q,t,i,=,d,q,d,t,（A）,5,大连理工大学电气工程系,5.电功率,定义：单位时间内所转换的电能。,电源产生的功率：,P,E,=,E,I,符号：,P,（直流电路）。,单位：W。,负载取用的功率：,P,L,=,U,L,I,I,E,U,S,U,L,6.电能,定义：在时间,t,内转换的电功率称为,电能：,W,=,P,t,符号：,W,（直流电路）。,单位：,J。,单位转换：千瓦时（kWh）,1 千瓦时为 1 度电，1 kWh3.6,10,6,J。,电源输出的功率：,P,=,U,S,I,U,S,8,大连理工大学电气工程系,当电源与负载接通，电路中有,了电流及能量的输送和转换。,电路的这一状态称为,通路,。,1.3 电路的状态,一、通路,I,E,U,S,U,L,S,通路时，电源向负载输出电功率，电源这时的状态称,为,有载,或称电源处于负载状态。,各种电气设备在工作时，其电压、电流和功率都有一,定的限额，这些限额是用来表示它们的正常工作条件,和工作能力的，称为电气设备的,额定值,。,9,大连理工大学电气工程系,二、开路,S1,S2,E,EL1,EL2,当某一部分电路与电源断开，,该部分电路中没有电流，亦无,能量的输送和转换，这部分电,路所处的状态称为,开路,。,有,源,电,路,开路的特点：,开路处的电流等于零,I,0,开路处的电压应视电路情况而定,电源既不产生也不输出电功率，电源这时的状态称为,空载,。,U,视电,路而定,10,大连理工大学电气工程系,三、短路,当某一部分电路的两端用电,阻可以忽略不计的导线或开,关连接起来，使得该部分电,路中的电流全部被导线或开,关所旁路，这一部分电路所,处的状态称为,短路,或,短接,。,S1,S2,电源短路,短路的特点：,短路处的电压等于零,U,0,短路处的电流应视电路情况而定,I,视电路而定,有,源,电,路,EL1,EL2,11,大连理工大学电气工程系,1.4 电路中的参考方向,I,I,原则上参考方向可任意选择。,在分析某一个电路元件的电压与电流的关系,时，需要将它们联系起来选择，这样设定的,参考方向称为,关联参考方向,。,U,电源,负载,U,12,大连理工大学电气工程系,1.5 理想电路元件,理想电路元件,理想有源元件,理想无源元件,电,压,源,电,流,源,电,阻,元,件,电,容,元,件,电,感,元,件,13,大连理工大学电气工程系,一、理想有源元件,1.电压源,U,S,I,U,U,S,定值,U,S,U,O,I,电压源的特点：,输出电流,I,不是定值，与输出电压和外电路的情况有关。,可提供一个固定的电压,U,S,，称为,源电压,。,输出电压,U,等于源电压,U,S,，是由其本身所确定的定值，,与输出电流和外电路的情况无关。,14,大连理工大学电气工程系,2.电流源,I,S,U,I,I,S,定值,I,S,U,O,I,电流源的特点：,输出电流,I,等于源电流,I,S,，是由其本身所确定的定值，,与输出电压和外电路的情况无关。,输出电压,U,不是定值，与输出电流和外电路的情况有关。,电激流,可提供一个固定的电流,I,S,，称为,源电流,。,15,大连理工大学电气工程系,当电压源和电流源的电压和电流实际方向如上图时，,它们输出（产生）电功率，起,电源,作用。,U,S,I,U,I,S,U,I,U,S,I,U,I,S,U,I,当电压源和电流源的电压和电流实际方向如上图时，,它们取用（消耗）电功率，起,负载,作用。,16,大连理工大学电气工程系,二、理想无源元件,电阻元件,当电路的某一部分只存在电,能的消耗而没有电场能和磁,场能的储存，这一部分电路,可用,电阻元件,来代替。,R,i,u,R,=,u,i,（,）,线性电阻与非线性电阻,P=UI=RI,2,=,U,2,R,电阻消耗的功率,17,大连理工大学电气工程系,电阻图片,水泥电阻,线绕电阻,碳膜电阻,可变电阻,压敏电阻,功率电阻,18,大连理工大学电气工程系,例1.5.1,在图示直流电路中，已知,U,S,3 V，,I,S,3 A，,R,1,。求：,(1)电压源的电流和电流源的电压；(2)讨论电路的功率平衡关系。,R,I,U,S,I,S,U,解(1),由于电压源与电流源串联,I,I,S,3,A,根据电流的方向可知,U,U,S,RI,S,(3+1,3)V=6 V,(2)功率平衡关系,电压源吸收电功率：,P,L,U,S,I,(3,3)W=9 W,电流源发出电功率：,P,O,U,I,S,(6,3)W=18 W,电阻,R,消耗的电功率：,P,R,R,I,S,(1,3,2,)W=9 W,功率平衡：,P,O,P,L,P,R,19,大连理工大学电气工程系,R,1,I,1,U,S1,R,2,I,2,U,S2,R,3,I,3,R,4,1.6 基尔霍夫定律,一、基尔霍夫电流定律（KCL）,b,a,电路中 3 个或 3 个以,上电路元件的连接点,称为,结点,。,有,a,、,b,两个结点。,20,大连理工大学电气工程系,R,1,I,1,U,S1,R,2,I,2,U,S2,R,3,I,3,R,4,b,a,有,acb,、,adb,、,aeb,三条支路。,R,1,I,1,U,S1,c,R,2,I,2,U,S2,d,R,3,I,3,R,4,e,两结点之间的每一条,分支电路称为,支路,。,21,大连理工大学电气工程系,R,1,I,1,U,S1,R,2,I,2,U,S2,R,3,I,3,R,4,b,a,由于电流的连续性，,流入任一结点的电流,之和等于流出该结点,的电流之和。,对结点 a,I,1,I,2,I,3,I,1,I,2,I,3,0,流入结点的电流前取正号，,流出结点的电流前取负号。,22,大连理工大学电气工程系,R,1,I,1,U,S1,R,2,I,2,U,S2,R,3,I,3,R,4,b,a,在电路的任何一个,结点上，同一瞬间,电流的代数和为零。,对任意波形的电流：,i,0,在直流电路中：,I,0,基尔霍夫电流定律不仅适用于电路中,任意结点，而且还可以推广应用于,电路中任何一个假定的闭合面,广义结点,。,I,C,I,E,I,B,I,C,I,B,I,E,I,C,I,B,I,E,0,23,大连理工大学电气工程系,解,由图中所示电流,的参考方向，应用基尔霍夫,电流定律，分别由结点 a、,b、c 求得,I,6,I,4,I,1,(53),A 8 A,例1.6.1,在图示部分电路中，已知,I,1,3 A，,I,4,5 A，,I,5,8 A,。试求,I,2,，,I,3,和,I,6,。,a,I,1,I,3,I,2,I,4,I,5,I,6,c,b,I,2,I,5,I,4,8(5),A 13 A,I,3,I,6,I,5,(88),A,16 A,或由广义结点得,I,3,I,1,I,2,(313,),A 16 A,24,大连理工大学电气工程系,二、基尔霍夫电压定律（KVL）,由电路元件组成的闭,合路径称为,回路,。,有,adbca,、,aebda,和,aebca,三个回路。,R,1,I,1,U,S1,R,2,I,2,U,S2,R,3,I,3,R,4,b,a,c,d,e,R,1,I,1,U,S1,R,2,I,2,U,S2,b,a,c,d,R,2,I,2,U,S2,R,3,I,3,R,4,b,a,d,e,R,1,I,1,U,S1,R,3,I,3,R,4,b,a,c,e,未被其他支路分割的单孔回路称为,网孔,。,有,adbca,、,aebda,两个网孔。,25,大连理工大学电气工程系,由于电位的单值性，,从 a 点出发沿回路环,行一周又回到 a 点，,电位的变化应为零。,对回路 adbca,U,S2,U,1,U,S1,U,2,与回路环行方向一致的电压前取正号，,与回路环行方向相反的电压前取负号。,R,1,I,1,U,S1,R,2,I,2,U,S2,R,3,I,3,R,4,b,a,c,d,e,R,1,I,1,U,S1,R,2,I,2,U,S2,b,a,c,d,U,1,U,2,U,S2,U,1,U,S1,U,2,0,26,大连理工大学电气工程系,在电路的任何一个回,路中，沿同一方向循,行，同一瞬间电压的,代数和为零。,对任意波形的电压,u,0,在直流电路中：,U,0,R,1,I,1,U,S1,R,2,I,2,U,S2,R,3,I,3,R,4,b,a,c,d,e,27,大连理工大学电气工程系,如果回路中理想电压源,两端的电压改用电动势,表示，电阻元件两端的,电压改用电阻与电流的,乘积来表示，则,RI,E,R,1,I,1,U,S1,R,2,I,2,U,S2,R,3,I,3,R,4,b,a,c,d,e,或,U,E,U,RI,E,对回路 adbca,R,1,I,1,R,2,I,2,E,1,E,2,与回路环行方向一致的电流、电压和电动势前面取正号，,不一致的前面取负号。,R,1,I,1,E,1,R,2,I,2,E,2,R,3,I,3,R,4,b,a,c,d,e,28,大连理工大学电气工程系,基尔霍夫电压定律不仅适用于电路中任一闭,合的回路，而且还可以推广应用于任何一个,假想闭合的一段电路。,将 a、b 两点间的电压,作为电阻电压降一样考,虑进去。,R,I,U,E,U,R,I,E,或,U,S,b,a,或,R,I,U,U,S,0,29,大连理工大学电气工程系,解,由回路,abcdefa,U,ab,+,U,cd,U,ed,+,U,ef,E,1,E,2,例1.6.2,在图示回路中，已知,E,1,20 V，,E,2,10 V，,U,ab,4 V,，,U,cd,6 V,，,U,ef,5 V,。试求,U,ed,和,U,ad,。,R,2,E,2,e,a,R,3,R,4,U,cd,R,1,E,1,U,ef,U,ab,U,ed,b,d,f,c,U,ad,求得,U,ed,U,ab,+,U,cd,+,U,ef,E,1,+,E,2,4+(6)52010 V 7 V,30,大连理工大学电气工程系,由假想的回路,abcda,U,ab,+,U,cd,U,ad,E,2,R,2,E,2,e,a,R,3,R,4,U,cd,R,1,E,1,U,ef,U,ab,U,ed,b,d,f,c,U,ad,求得,U,ad,U,ab,+,U,cd,+,E,2,4+(6,)10 V 8 V,31,大连理工大学电气工程系,1.7 支路电流法,支路电流法解题的一般步骤,R,1,E,1,R,3,R,2,E,2,R,1,E,1,R,3,R,2,E,2,(1)确定支路数，选择各,支路电流的参考方向。,I,1,I,2,I,3,(2,)确定结点数，列出,独立的结点电流方,程式。,n,个结点只能列出,n,1 个,独立的结点方程式。,结点 a,:,I,1,I,2,I,3,0,结点 b,:,I,1,I,2,I,3,0,只有1个方程是独立的,32,大连理工大学电气工程系,(3)确定余下所需的方程式数，列出独立,的回路电压方程式。,R,1,E,1,R,3,R,2,E,2,I,1,I,2,I,3,a,b,左网孔,:,R,1,I,1,R,3,I,3,E,1,右网孔,:,R,2,I,2,R,3,I,3,E,2,(4,)解联立方程式，求出各支路电流的数值。,R,1,I,1,R,3,I,3,E,1,I,1,I,2,I,3,0,R,2,I,2,R,3,I,3,E,2,求出：,I,1,、,I,2,和,I,3,。,33,大连理工大学电气工程系,解,选择各支路电流的,参考方向和回路方向如图,R,4,R,3,R,1,U,S1,R,2,U,S2,例1.7.1,在图示电路中，已知,U,S1,12 V,，,U,S2,12 V,，,R,1,1,，,R,2,2,，,R,3,2,，,R,4,4,。求各支路电流,。,I,1,I,2,I,3,I,4,上结点,I,1,I,2,I,3,I,4,0,左网孔,R,1,I,1,R,3,I,3,U,S1,0,中网孔,R,1,I,1,R,2,I,2,U,S1,U,S2,0,右网孔,R,2,I,2,R,4,I,4,U,S2,0,34,大连理工大学电气工程系,代入数据,R,4,R,3,R,1,U,S1,R,2,U,S2,I,1,I,2,I,3,I,4,I,1,I,2,I,3,I,4,0,I,1,2,I,3,120,I,1,2,I,2,1212,0,2,I,2,4,I,4,120,I,1,4 A，,I,2,2 A，,I,3,4 A，,I,4,2 A,35,大连理工大学电气工程系,1.8 叠加定理,叠加定理,是分析线性电路最基本的方,法之一。,在含有多个有源元件的线性电路中，任,一支路的电流和电压等于电路中各个有,源元件分别单独作用时在该支路产生的,电流和电压的代数和。,36,大连理工大学电气工程系,R,1,R,2,R,1,R,2,R,1,I,1,R,2,I,2,I,S,U,S,U,S,U,S,由支路电流法可得,I,1,=,U,S,R,1,R,2,R,2,I,S,R,1,R,2,I,S,I,S,I,1,=,U,S,R,1,R,2,U,S,I,S,I,S,U,S,I,1,=,R,2,I,S,R,1,R,2,=,I,1,I,1,I,1,I,2,I,1,I,2,37,大连理工大学电气工程系,R,1,R,2,R,1,R,2,R,1,I,1,R,2,I,2,I,S,U,S,U,S,U,S,由支路电流法可得,I,S,I,S,I,2,=,U,S,R,1,R,2,U,S,I,S,I,S,U,S,I,1,I,2,I,1,I,2,I,2,=,U,S,R,1,R,2,R,1,I,S,R,1,R,2,I,2,=,R,1,I,S,R,1,R,2,=,I,2,I,2,38,大连理工大学电气工程系,（1）在考虑某一有源元件单独作用时，应令,其他有源元件中的,U,S,=0，,I,S,=0。即应将其他电,压源代之以短路，将其他电流源代之以开路。,应用叠加定理,时要注意：,（2）最后叠加时，一定要注意各个有源元件,单独作用时的电流和电压分量的参考方向是否与,总电流和电压的参考方向一致，一致时前面取正,号，不一致时前面取负号。,（3）叠加定理只适用于线性电路。,（4）叠加定理只能用来分析和计算电流,和电压，不能用来计算功率。,39,大连理工大学电气工程系,例1.8.1,在图示电路中，已知,U,S,10 V,，,I,S,2 A,，,R,1,4,，,R,2,1,，,R,3,5,，,R,4,3,。试用叠加定理求通过电压源的电流,I,5,和电流源两端的电压,U,6,。,R,2,U,S,I,2,U,6,I,S,R,1,I,1,R,4,I,4,R,3,I,3,I,5,40,大连理工大学电气工程系,解,电压源单独作用时,R,2,U,S,I,2,U,6,R,1,R,4,I,4,R,3,I,5,=,I,2,I,4,I,5,=,U,S,R,1,R,2,U,S,R,3,R,4,=,10,41,10,53,(,),A=3.25 A,=,I,2,I,4,U,6,R,2,R,4,=1.75 V,=,10,41,10,53,(,),1,3,V,R,2,U,S,I,2,U,6,I,S,R,1,I,1,R,4,I,4,R,3,I,3,I,5,41,大连理工大学电气工程系,电流源单独作用时,=,I,2,I,4,+,U,6,R,2,R,4,R,2,I,2,U,6,I,S,R,1,R,4,I,4,R,3,I,5,=,I,2,I,4,I,5,=,R,1,R,1,R,2,I,S,R,3,R,3,R,4,I,S,=,4,41,(,),A=(1.61.25)A=0.35 A,2,5,53,2,=(1,1.6+3,1.25)V=5.35 V,R,2,U,S,I,2,U,6,I,S,R,1,I,1,R,4,I,4,R,3,I,3,I,5,最后求得,=,I,5,I,5,I,5,=(3.250.35)A=3.6 A,=,U,6,U,6,+,U,6,=(1.75+5.35)V=3.6 V,42,大连理工大学电气工程系,1.9 等效电源定理,等效电源定理,是将有源二端网络用一个等效,电源代替的定理。,有源二端网络,R,1,R,2,I,S,U,S,对,R,2,而言，有源二端网络相当于其电源。在对外部,等效的条件下可用一个等效电源来代替。,R,0,U,eS,戴维宁等效电源,R,0,I,eS,诺顿等效电源,43,大连理工大学电气工程系,一、戴维宁定理,U,OC,I,SC,U,OC,I,SC,R,1,I,S,U,S,(a),有源二端网络,R,0,U,eS,(b)戴维宁等效电源,输出端开路时，二者的开路电压,U,OC,应相等。,输出端短路时，二者的短路电流,I,SC,应相等。,U,eS,U,OC,由图(b),R,0,=,U,eS,I,SC,=,U,OC,I,SC,由图(b),44,大连理工大学电气工程系,U,OC,I,SC,U,OC,I,SC,R,1,I,S,U,S,(a),有源二端网络,R,0,U,eS,(b)戴维宁等效电源,因此,U,OC,U,S,+,R,1,I,S,对于图(a),I,SC,=,U,S,R,1,+,I,S,R,0,=,U,OC,I,SC,=,U,S,+,R,1,I,S,U,S,R,1,+,I,S,=,R,1,45,大连理工大学电气工程系,二、诺顿定理,U,OC,I,SC,U,OC,I,SC,R,1,I,S,U,S,(a),有源二端网络,(b)诺顿等效电源,R,0,I,eS,输出端短路时，二者的短路电流,I,SC,应相等。,输出端开路时，二者的开路电压,U,OC,应相等。,I,eS,I,SC,由图(b),R,0,=,U,OC,I,eS,=,U,OC,I,SC,由图(b),R,0,求法与戴维宁,定理中相同,46,大连理工大学电气工程系,诺顿等效电源,R,0,I,eS,R,0,U,eS,戴维宁等效电源,戴维宁等效电源和诺顿等效电源既然都可以用,来等效代替同一个有源二端网络，因而在对外,等效的条件下，相互之间可以,等效变换,。,等效变换的公式为,I,eS,=,U,eS,R,0,变换时内电阻,R,0,不变，,I,eS,方向应由,U,eS,的负极流向正极。,47,大连理工大学电气工程系,例1.9.1,图示电路中，已知,U,S,6 V,，,I,S,3 A,，,R,1,1,，,R,2,2,。试用等效电源定理求通过,R,2,的电流,。,R,1,R,2,I,S,U,S,解,利用等效电源定理,解题的一般步骤如下：,（1）将待求支路提出，使,剩下的电路成为有源二端网络。,R,1,I,S,U,S,有源二端网络,48,大连理工大学电气工程系,（2）求出有源二端网络的,开路电压,U,OC,和短路电流,I,SC,。,R,1,I,S,U,S,有源二端网络,U,OC,I,SC,根据 KVL 求得,U,OC,U,S,+,R,1,I,S,（6+1,3,）V 9 V,根据 KCL 求得,I,SC,=,U,S,R,1,+,I,S,=,6,1,+3,A=9 A,(,),49,大连理工大学电气工程系,（3）用戴维宁等效电源或诺顿等效电源代替有源二端,网络,简化原电路。,R,1,R,2,I,S,U,S,R,0,I,eS,I,2,R,2,用诺顿定理,简化的电路,用戴维宁定理,简化的电路,R,0,U,eS,I,2,R,2,50,大连理工大学电气工程系,或用除源等效法求得,R,0,I,eS,I,2,R,2,用诺顿定理,简化的电路,用戴维宁定理,简化的电路,R,0,U,eS,I,2,R,2,U,eS,U,OC,9 V,I,eS,I,SC,9 A,R,0,=,U,OC,I,SC,=,9,9,=1,R,0,R,1,1,若用戴维宁定理,I,2,=,U,eS,R,0,+,R,2,=,9,12,A,=3,A,(4)求待求电流,若用诺顿定理,I,2,=,R,0,R,0,+,R,2,I,eS,=,1,12,9 A,=3,A,51,大连理工大学电气工程系,1.10 非线性电阻电路,线性电阻,的电阻值,是一常数，线性电,阻两端的电压和通,过它的电流成正比。,I,U,O,非线性电阻,的电阻,值不是常数，随电,压或电流值的变化,而变化，电压与电,流不成正比。,I,U,O,52,大连理工大学电气工程系,非线性电阻,的图形符号,非线性电阻,的伏安特性,I,U,Q,I,U,O,工作点,工作点处的电压电流之,比称为,静态电阻,。,R,=,U,I,=tan,Q,点附近的电压的微小,增量与电流的微小增量,之比称为,动态电阻,。,r,=,d,U,d,I,=tan,53,大连理工大学电气工程系,求解含有非线性电阻的电路时，常采用,图解分析法,。,当电路中只含有一个非线性电阻时，可将它单独从电,路中提出，剩下的电路为一个线性有源二端网络。利,用戴维宁定理，用一个戴维宁等效电源来代替这个线,性有源二端网络，由此可化简电路。,R,0,I,U,S,R,U,I,U,O,Q,U,I,(0,),N,U,S,R,0,M,(,U,S,0),U,U,S,R,0,I,负载线,非线性电阻的伏安特性,从图中查得,U,和,I,54,大连理工大学电气工程系,例1.10.1,图（a）电路中，已知,U,S,6 V,，,R,1,R,2,2 k,，,R,3,的伏安特性如图（b）所示,。求非线性电阻,R,3,上的电压和电流及在工作点处的静态电阻和动态电阻,。,R,1,R,3,U,S,R,2,I,/mA,U,/V,0,1,2,3,1,2,3,(a),(b),55,大连理工大学电气工程系,R,1,R,3,U,S,R,2,R,0,R,3,U,eS,U,I,(a),(c),U,eS,=,U,OC,=,R,1,R,1,+,R,2,U,S,=,2,10,3,(22),10,3,6 V,=3,V,R,0,=,R,1,R,2,R,1,+,R,2,=,(2,2),10,6,(22),10,3,=1,10,3,=1 k,解,利用戴维宁定理将电路（a）化简为电路（c）,56,大连理工大学电气工程系,根据图（c）作出负载线,N,M,I,/mA,U,/V,0,1,2,3,1,2,3,R,0,R,3,U,eS,U,I,(c),I,0 时,U,U,eS,3 V,I,=,U,eS,R,0,=,3,1,10,3,A,=3,mA,U,0 时,57,大连理工大学电气工程系,由负载线和伏安特性的交点,Q,N,M,I,/mA,U,/V,0,1,2,3,1,2,3,U,1 V,I,2 mA,R,=,U,I,=,1,2,10,3,Q,静态电阻,=0.5,10,3,=0.5 k,动态电阻,r,=,d,U,d,I,=,1,1,10,3,=1 k,=,U,I,I,U,58,大连理工大学电气工程系,第 1 章 结 束,下一章,上一章,返回主页,59,大连理工大学电气工程系,