第一章船舶电子电气基础课件.ppt

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1、,1.1 直流电路,一、直流电路的基本物理量及单位,例：一个白炽灯在有电流通过时，,消耗电能(电阻性),储存能量(电感性),忽略 L,电源,负载,连接导线,电路实体,电路模型,1.1 电路的组成与作用,电源+负载+中间环节=电路。,开关,1.1 电路模型,激励:电源+信号源的U或I，推动电路的工作。,激励,响应,响应:由激励在电路中产生的电压和电流称为。,与,的关系。,返回,1.1 电压和电流的参考方向,电压的实际方向为：,由高电位端低电位端；,电流的实际方向为：,正电荷运动的方向或负电荷运动的反方向；,电动势的实际方向为：,由低电位端高电位端。,参考方向：方便理论分析假设的方向,1.1 电压

2、和电流的参考方向,电压、电流的参考方向：,电压、电流参考方向与实际方向相同为正，反之则为负。,例如：图中 I = 3 A，电流的实 际方向与参 考方向相同 ；反之， I = 3 A，电流的实际方与参考方向相反 。,在电路图中所标电压、电流、电动势的方向，一般均为参考方向。,任意假定。,图 (b) 中 I = 2 A，R = 3 ， U = 3 ( 2 ) = 6 V,欧姆定律：通过电阻的电流与电压成正比。,表达式,U 、I 参考方向相同,U = RI,U、 I 参考方向相反,电流的参考方向与实际方向相反,图 (a),或,图 (b),I,+,电压与电流参考方向相反,返回,E,I,U,1.3 电源

3、有载工作、开路与短路,1. 电压与电流,R0,R,a,b,c,d,电源的外特性曲线,R0 R 时， U E,说明电源带负载能力强,+,_,+,_,U = RI,或 U = E R0I,1.1 电源有载工作,1.1电源有载工作,1. 电压与电流,U = RI,U = E R0I,2. 功率与功率平衡,UI = EI R0I2,P = PE P,电源产生功率,内阻消耗功率,电源输出功率,功率的单位：瓦特(W) 或千瓦(kW),电源产生功率,=,负载取用功率,+,内阻消耗功率,功率平衡式,E,I,U,R0,R,a,b,c,d,+,_,+,_,1.1 电源有载工作,3. 电源与负载的判别,U 和 I

4、的实际方向相反，是电源，发出功率；,U 和 I 的实际方向相同，是负载，取用功率。,P = UI 为负值，电源，发出功率；,电压、电流的参考方向相同,P = UI 为正值，负载，取用功率。,1.1.1 电源有载工作,3. 电源与负载的判别,例 1,已知：图中 UAB= 3 V， I = 2 A,解 P = UI = (2) 3 = 6 W,求：N 的功率，并说明它是电源还是负载。,电源性质,想一想，若根据电压电流的实际方向应如何分析？,1.1 电源有载工作,4. 额定值与实际值,U,+,I,P,电源输出的电流和功率由负载的大小决定,额定值：电气设备正常运行的允许值。,电气设备不在额定条件下运行

5、的危害：,不能充分利用设备的能力；,降低设备的使用寿命甚至损坏设备。,S1,S2,S3,1.1 电源有载工作、开路与短路,1.1 电源开路,电源开路时的特征,I = 0,U = U0 = E,P = 0,开关断开电源开路(空载)状态。,U,IS,1.1 电源短路,U = 0,I = IS = E / R0,P = 0,PE = P = R0IS2,E,R0,R,b,c,d,+,_,电源短路时的特征,a,电源两端连在一起电源短路。,注意：为防止事故发生，需接入熔断器或自动断路器，保护电路。,U = 0,I 视电路而定,1.1 电源有载工作、开路与短路,1.1 电源短路,由于某种需要将电路的某一段

6、短路，称为短接。,U,I,E,R0,R,+,_,R1,返回,结点 电路中三条或三条 以上支路连接的点,支路 电路中的每一分支,回路 一条或多条支路 组成的闭合路径,如 acb ab adb,如 abca adba adbca,1.1 基尔霍夫定律,如 a,b,+,_,R1,E1,+,_,E2,R2,R3,I1,I2,I3,c,a,d,b,(直流电路中), I = 0, i = 0,(对任意波形的电流),KCL：任一瞬间，流向某一结点电流的代数和等于零。,1.1 基尔霍夫电流定律(KCL),数学表达式为,1.1 基尔霍夫电流定律(KCL),KCL，结点 a 得出,I1 I2 + I3 + I4

7、= 0,例 1 上图中若 I1 = 9 A， I2 = 2 A，I4 = 8 A，求 I3 。,9 ( 2) + I3 + 8 = 0,解,把已知数据代入结点 a 的KCL方程式，有,由电流的参考方向与实际方向是否相同确定,I3 = 19 A,IA,IB,IAB,IBC,ICA,KCL 推广,即 I = 0,IC,IA + IB + IC = 0,封闭回路=广义的结点,A,B,C,对 A、B、C 三个结点应用 KCL ：,IA = IAB ICA,IB = IBC IAB,IC = ICA IBC,上列三式相加，便得,1.1 基尔霍夫电压定律(KVL),定义：任一瞬间，任一回路中电压的代数和=

8、零。,即 U = 0,或 E = U = RI,1.1 基尔霍夫电压定律(KVL),I2,U1 U2 + U4 U3 = 0,上式也可改写为 U4 U3 = E2 E1,回路 c b d a c KVL 方程式，为,+,_,R1,E1,+,_,E2,R2,U2,I1,U1,c,a,d,b,+,_,U3,+,U4,_,即 U = 0,即 U = E,或 I2 R2 I1R1 = E2 E1,即 IR = E,KVL 推广应用于假想的闭合回路,E RI U = 0,U = E RI,或,根据 KVL 可列出,根据 U = 0,UAB = UA UB,UA UB UAB = 0,1.2正弦交流电路,

9、直流电路如图所示：,正弦交流电路所示：,正半周,负半周,正半周：参考方向与实际方向相同，为正。,负半周：参考方向与实际方向相 反，为负。,+,三要素：,幅值,初相位,频率,1.2 频率与周期,周期 T：变化一周的时间；,角频率 :,例 1我国和大多数国家的电力标准频率是 50 Hz，试求其周期和角频率。,解, = 2 f =2 3.14 50 = 314 rad/s,Im,t,i,O,T/2,频率 f：每秒变化的次数；,Im,1.2 幅值与有效值,瞬时值：任一时刻的值。 用i、u、e 表示。,最大值：幅值。 用Im、Um、Em表示。,有效值：负载的额定值。 用I、U、E表示。,Im,t,i,O

10、,T/2,Im,同理可得,根据上述定义，有,得,有效值与最大值关系：,1.2 初相位,例如：,不等于零,t = 0 时，,t = 0 时的相位角：初相位角或初相位。,相位角或相位： t 和( t + ) 。,初相位根据时间取值变化,1.2 初相位,相位差：同频率的相位角之差或初相角之差，用 表示。,i,u,2,1,图中,u 超前 i 角,或 i 滞后 u 角,i1,i2,i3,i1 与 i3 反相,i1 与 i2 同相,图示,返回,1.2正弦量的相量表示法,正弦量可用复数来表示。复数的幅角正弦量的初相角。 复数的模正弦量的最大值,的相量式为,/ ,(有效值相量),相量正弦交流电的复数，正弦交流

11、电是时间的函数，二者之间并不相等。,正弦量的大小和相位画出的相量的图形,注意,正弦周期量用相量表示；,同频率的正弦量可在同一相量图上；,想一想，正弦量有哪几种表示方法，它们各适合在什么场合应用？,相量图,i1,i2,例 若 i1 = I1 msin( t + i1) i2 = I2 msin( t + i2)， 画相量图。,设 i2 = 65， i1 = 30 。,1.2单一参数的交流电路,1.2 电阻元件,1. 电压电流关系,欧姆定律：,则,式中,或,电压与电流同频率、同相位；,1. 电压电流关系,电压与电流大小关系,i,波形图,电压与电流相量表达式,相量图,1.2 电阻元件的交流电路,瞬时

12、功率,平均功率,2. 功率,i,P =U I,转换成的热能,XL,感抗,1. 电压电流关系,由,，,1.2 电感元件的交流电路,XL与 f 的关系,波形图,1. 电压电流关系,电压超前电流 90；,相量图,电压与电流大小关系,电压与电流相量式,1.2 电感元件的交流电路,2. 功率,瞬时功率,i, t,O,+,+,当 u、 i 实际方向相同时(i 增长) p 0 , 电感吸收功率；,当 u、 i 实际方向相反时(i 减小) p 0, 电感提供功率。,波形图,平均功率,无功功率,无功功率单位为(var) 乏。,电感不消耗功率，它是储能元件。,容抗,设,1. 电压电流关系,有,由,1.2电容元件的

13、交流电路,XL 与 f 的关系,式中,波形图,电流超前电压 90,相量图,电压与电流大小关系,电压与电流相量式,1. 电压电流关系,1.2 电容元件的交流电路,2. 功率,瞬时功率,u, t,O,+,+,当 u、 i 实际方向相同时(u 增长)p 0 , 电容吸收功率；,当 u、 i 实际方向相反时(u 减小)p 0, 电容提供功率。,波形图,平均功率,无功功率,电容与电源之间能量交换无功功率。,电容不消耗功率，它是储能元件。,例 下图中电容 C = 23.5 F，接在电源电压 U = 220 V、频率为 50 Hz、初相为零的交流电源上，求电路中的电流 i 、P 及 Q。该电容的额定电压最少

14、应为多少伏？,额定电压 311 V,解 容抗,返回,根据 KVL 可列出,1. 电压电流关系,1.2 R、L、C串联的交流电路, jXC,R,jXL,电路的阻抗，用 Z 表示。,Z,KVL 相量表示式为,1. 电压电流关系,1.2 R、L、C串联的交流电路,Z,上式中,称为阻抗模，即,阻抗的单位是欧姆，对电流起阻碍作用；,是阻抗的幅角，即为电流与电压之间的相位差。,1. 电压电流关系,1.2 R、L、C串联的交流电路,设,XL XC ， 为正，电感性；,XL XC ， 为负，电容性；,XL = XC ， = 0， 电阻性。, 的大小和正负由电路参数决定。,电压：, 为正时电路中电压电流相量图,

15、阻抗三角形,2. 功率,1.2 R、L、C串联的交流电路,瞬时功率：,平均功率：,无功功率：,视在功率：电压与电流的有效值之积，,单位 (V A)或(kV A),功率因数低引起的问题,功率因数,1. 设备容量不能充分利用,2. 增加输电线路和发电机绕组的功率损耗,cos 越低，I 越大，损耗越大。,1.2功率因数的提高,P = UI cos ,电压与电流的相位差角(功率因数角),UN、IN 不变，cos 越低，P 越小，设备得不到充分利用。,1,电路功率因数低的原因,感性负载的存在,提高功率因数的方法,由相量图可得,又因,所以,由此得,1.2 三相电路,1.2 三相电压,三相电压：:三相发电机

16、产生的频率相同、幅值相等、相位互差 120 的三相对称正弦电压,也可用相量表示,uC,1.2 三相电压,对称三相电压的波形图,对称三相电压相量图,120,120,120,1.2 三相电压,三相电源的星形联结,N,中点或零点,火线,中性线,线电压：火线间的电压。 Ul 表示。,相电压：负载端的电压; UP 表示。,线、相电压之间的关系,1.2 三相电压,三相电源的星形联结,N,线、相电压之间的关系,线、相电压间相量关系式,相量图,三相负载,对称(三个相的复阻抗相等),不对称(由多个单相负载组成),三相电源供电负载三相负载,1.2 三相电路中负载的连接方式,三相四线制,三角形联接,星形联结,1.2

17、 三相电路中负载的联接方式,1. 星形联结,N,N,设 为参考正弦量,则有,每相负载中的电流的有效值为,各相负载的电压与电流的相位差为,中性线中的电流为,1. 星形联结,uC,+,N,负载不对称电压、电流相量图,图中，负载对称，,A,B,C,N,或,电压对称，负载电流也对称，,中线电流为零，,1.2 三相电路中负载的连接方式,1. 星形联结,N,N,负载对称中线电流为零，可去掉中线，三相三线制电路。,Z,Z,Z,对称负载电压电流相量图,N,uC,+,iA,N,例 1 图中电源电压对称，UP = 220 V；负载为 电灯组，在额定电压下其电阻分别为 RA= 5 ，RB= 10 ， RC = 20

18、 。电灯额定电压UN = 220 V。求负载相电压、相电流及中线电流。,RA,RB,RC,A,B,C,解 负载不对称有中性线时(其上电压若忽略不计)，负载的相电压与电 源 的相电压相等。,+,+,+,iA,N,例 2 在上例中，(1)A 相短路时，(2) A 相短路而中线又断开时，试求各相负载的电压。,RA,RB,RC,A,B,C,N,因有中线 B、C两相未受影响，其上电压仍为 220 V。,解 (1)此时 A 相短路电流很大将A 相中熔断器熔断，,(2)此时负载中点即为 A，因此，负载各相电压为,在此情况下，B、C 两相都超过了负载 的额定电压 220 V，这是不允许的。,A,1.2三相电路

19、中负载的连接方式,2. 三角形联结,iC,A,B,C,iB,iA,iAB,iBC,iCA,+,uAB,+,uBC,+,uCA,(2)负载线、相电流之间的关系,线、相电压对应相等,(1)负载线、相电压之间的关系,各相负载相电流有效值分别为,各相负载的电压与电流相位差分别为,2. 三角形联结,iC,A,B,C,iB,iA,iAB,iBC,iCA,+,uAB,+,uBC,+,uCA,(2) 负载线、相电流之间的关系,若负载对称，即,和,则负载相电流也是对称的，即,相位上，线电流滞后相电流 30 。,13磁场基本物理量,磁的概念： 概念： 电生磁，磁生电。 物理量： 磁感应强度（磁密）、磁场强度、磁导

20、率。,磁路的含义,磁路的两层意思： 一、磁的通路 二、 “路”与“场”的区别。 “场” 对电研究时各点的“场”是变化的。为了简析，以“路”分析。,磁路的物理量,磁感应强度物体在磁场中受到磁力强度。 B=/S 磁场强度电生磁时的大小。 H=I/l 磁导率材料导磁能力。 B=H注意：单位。,磁路的欧姆定律,磁势 = 电流 匝数， 单位：安培匝（安匝，安） 磁阻=l/(S)。 单位：1/H 磁路欧姆定律： =F/Rm,13铁磁材料及铁损,铁磁材料：铁、钴、镍及合金。性能：高磁导率、饱和、磁滞。铁损：铁心损耗,高磁导率的目的： 一、相同磁场产生的磁密大。 二、铁心工作，要求磁导率高，铁心的截面积小。体

21、积小、重量轻。,高磁导率,原因： 磁通太多，材料阻碍增大。 铁磁材料对磁通的阻力较小。 磁通太多时，阻力增大。理解： 例：1、空气瓶充气。 2、车过桥的情况一样。,磁饱和,原因： 有剩磁存在。现象： 磁化过程 01 2 3 4 5 6 1磁滞回线： 回线（闭合曲线）：1 2 3 4 5 6 1 磁场强度最大值不同就有不同的回线。,磁滞,曲线： B-H曲线。,磁化曲线,分法：磁性能分类。 . 软磁材料；.硬磁材料；.矩磁材料。特点： 磁滞回线面积（形状）不同。 软磁材料 硬磁材料 矩磁材料,铁磁材料的类型,软磁材料： 制造电机、变压器的铁心。硬磁材料： 制造永久磁铁。矩磁材料： 制造计算机的存储

22、器。,铁磁材料的用途,包含：涡流、磁滞损耗。 变为热量。 涡流： 铁心形成漩涡电流，发热。磁滞： 克服剩磁，发热。,铁芯损耗,.组成： 铁心、线圈、衔铁、复位弹簧。.原理：,线圈通电产生磁势铁心和衔铁产生吸力克服弹簧力吸合其它机构动作。 线圈断电剩磁磁通吸力很小弹簧力使衔铁释放机构复位。,13电磁铁,电磁铁的特点,直流电磁铁的特点： .稳定工作时，无涡流损耗+磁滞损耗； .用整块软钢制成； .恒磁势型电磁铁。交流电磁铁的特点： .铁心用硅钢制成，减少铁损； . 电势E： = 4.44fNm . 恒磁通型电磁铁。,14半导体的导电特性,1、定义：纯净的、具有晶体结构。,1. 本征半导体,自由电子

23、,2、分类：硅：四价锗：四价价电子成为自由电子,留下一个空穴。自由电子和空穴总是成对出现，同时又不断复合。,3、半导体电流的形成：(1)电子电流(2)空穴电流,4、导电介质：1、自由电子2、空穴,空穴移动方向,电子移动方向,外电场方向,2. N 型半导体和 P 型半导体,1. N 型半导体,（1）、形成：掺入五价磷，四个用于组成共价键，多余的一个成为自由电子。 （2）、区别本征半导体：自由电子是多数载流子，空穴是少数载流子,Si,Si,Si,Si,Si,Si,Si,多余价电子,2. P 型半导体,（1）、形成： 掺入三价硼，缺少一个电子产生一个空位（2）、区别：多子为空穴，少子为自由电子。,B,空穴,价电子填补空位,