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1、第一节 电路基础知识,第二章 电工基础知识,一.电流和电路,1、电流与电荷（1）定义：电荷的定向运动（2）大小：用电流强度来表示，电流强度是指单位时间内通过导体横截面的电荷量。电流强度习惯又常被简称为电流。用下面的公式表示：I=Q/t 1kA=1000A 1A=1000mA 1mA=1000A,（1）、电路就是为电流流通提供的路径。（2）、组成：导线、电源、负载(负荷)及控制器（开关）,电源,开关,导线,负载,将其它形式的能转化为电能装置,将电能转化为其它形式能的装置,控制器是控制用电设备，使其达到预期工作状态的电器,由导体材料制成，在电路中将电源、负载及控制器联接起来,3.电路模型（直流电）
2、,(1)电源：提供电能。(2)负载：用电设备(3)中间环节：连接电源和负载,（3）、电路通常有三种状态:通路、开路和短路。,通路:电路中的开关闭合,负载中有电流通过,这种状态工一般称为正常工作状态。,开路:也称为断路,是指电路中某处断开或电路中开关打开,负载(电路)中无电流通过。,短路:电源两端的导线由于某种事故,而直接相连,使负载中无电流通过。短路时,电源向导线提供的电流比正常时高十至几百倍,因而不允许短路。,二.电场、电场强度,1.定义：电场是电荷周围客观存在的一种特殊物质,2.电场的基本性质：对放入电场的电荷有力的作用，这种力叫做电场力.,电场是一种不是由分子和原子组成的看不见、摸不着的
3、但又客观存在的特殊物质。,密度很小10-23 kg/m3,电场以光速传播，不能被加速，不能选择做参考系,F/q能反映单位电荷受到的电场力的性质电场的强弱,在电场中不同的点，比值F/q一般是不同的。,在电场中的同一点，比值F/q是恒定的，与q无关。,实验表明：,?怎样描述不同位置电场的强弱？,须找一个与检验电荷无关而由电场决定的物理量！,二.电场、电场强度E,1.定义：放入电场中某点的电荷所受的电场力F跟它的电荷量q的比值，叫做该点的电场强度。,3.单位：牛/库(N/C)伏/米(v/m),2.物理意义:电场强度（简称场强）是描写电场强弱的物理量。,（适用于任何电场）,注意：,（1）电场中某一点的
4、电场强度的大小和方向由电场本身决定，与放入的电荷无关。,2.电场强度是矢量,物理学中规定：电场中某点的场强度方向跟正电荷在该点所受的电场力方向相同。,+Q,-q,A,FA,EA,根据规定：负电荷在电场中某点受到的电场力的方向跟该点的场强方向相反。,+Q,+q,A,FA,EA,三、电位、电压、电动势,1、电位：电路中某一点的电位，是指电场力将单位正电荷从该点移动到参考点所做的功。,水,水流,水在水管里形成水流，光有水是不够的，还需要有水位差,a,0v,b,Uab=12v,-6v,+6v,Uab=12v,+12v,a,b,0v,+6v,2、电压（电位差）：电场力把单位正电荷由高电位点移到低电位点所
5、做的功，电路中任意两点间的电位差。,定义：,电源力把单位正电荷从“-”极板经电源内部移到“+”极板所做的功。,单位：,3、电动势,V（伏特）、kV（千伏）、mV(毫伏）,实际方向：,由低电位端指向高电位端,电动势的方向用+，-号表示，,也可用箭头表示。,U=E,1、我们把容易让电流通过的物体叫导体如（钥匙、硬币和回形针等）。2、不容易让电流通过的物体叫绝缘体如（玻璃、塑料和陶瓷等）。3、电阻,四、导体、绝缘体与导体电阻,实验证明，金属导体的电阻与其长度成正比，与其截面积成反比，并与材料、温度等有关。20C时导体电阻为：电阻率(m/m)1 k=1000 1 M=1000K,电阻用 R 表示 单位
6、是 欧姆用字母 表示 1=1V/1A,1.部分电路欧姆定律 U=RI 或 I=U/R=GU 其中G=1/R，电阻R的倒数G叫做电导，其国际单位制为西门子(S)。,五、欧姆定律,2、全电路欧姆定律,含有电源的闭合回路称为全电路 闭合电路的电流I与电源电动势E成正比,与内、外电阻之和成反比,这一规律称为全电路的欧姆定律。即,全电路欧姆定律,六、电功率、电能和电流的热效应,1.电功率 P=UI（W)1MW=1000KW 1KW=1000W2.电能 W=P t=UIt(J)1度=1千瓦小时=3600000焦耳 3.电流的热效应 Q=I2Rt（J）1焦耳=0.24卡,补充 基尔霍夫定律,基尔霍夫第一定律
7、也称节点电流定律。第一定律理论内容是：任何时刻流入电路中某节点的电流总和必等于从该节点流出的电流总和 基尔霍夫第二定律也称回路电压定律。第二定律理论内容是：在电路的任何一闭合回路中总电位升必等于总电位降,电路特点:,（一）、电阻串联,(1)各电阻顺序连接，流过同一电流(KCL)；,(2)总电压等于各串联电阻的电压之和(KVL)。,七、电路连接,2.电阻串联等效电阻Req,令,Req=(R1+R2+Rn)=Rk,3.串联电阻上电压的分配,例：两个电阻分压,如下图,R1,R2,（二）、电阻并联,1.电路特点:,(1)各电阻两端分别接在一起，两端为同一电压(KVL)；,(2)总电流等于流过各并联电阻
8、的电流之和(KCL)。,I=I1+I2+Ik+In,4.功率关系,p1=G1u2，p2=G2u2，pn=Gnu2,p1:p2:pn=G1:G2:Gn,（三）、电阻的串并联,计算举例：,1.磁铁具有吸铁的性质，称为磁性。2.任一磁体总有两个磁极：北极N和南极S。同性磁极相斥，异性磁极相吸。3.磁铁能吸铁的空间称为磁场。常用磁力线来描绘磁场的分布。4.将不带磁性的物质使其具有磁性的过程叫磁化。5、电磁感应就是电产生磁、磁产生电的现象。,第二节 电磁感应和磁路,一、电磁感应,（一）电流的磁场,磁场是一种看不见、没有不可进入性的空间。磁感应强度表征磁场强度及其方向的物理量。符号为B，单位为T特斯拉或G
9、高斯。磁感应强度与磁场前进方向上某一面积的乘积叫做磁通。符号为，单位为Wb或Mx，通电导体在其周围的空间也产生磁场，即电流的磁效应。磁场方向判定如下：,法拉第电磁感应定律：线圈中感应电动势的大小与通过同一线圈的磁通变化率成正比，这一规律称为法拉第电磁感应定律。法拉第电磁感应定律指出，感应电动势的大小决定于线圈的匝数和磁通量变化的快慢，而与磁通量本身的大小无关。楞次定律：当通过线圈的磁通发生变化时，感应电流产生的磁场总是阻碍原磁场的变化，当线圈磁通增加时，感应电流就要产生与它相反的磁通去阻碍它的增加；当线圈中的磁通减少时，感应电流就要产生与它方向相同的磁通去阻碍它的减少。,1.自感现象,（1）由
10、于线圈本身电流发生变化而产生电磁感应的现叫自感现象，简称自感。（2）在自感现象中产生的感应电动势，叫自感电动势。（3）线圈的电感是由线圈本身的特性所决定的，它与线圈的尺寸、匝数和媒介质的磁导率有关。,2.互感现象,（1）由于一个线圈的电流变化，导致另一个线圈产生感应电动势的现象，称为互感现象。（2）互感M取决于两个耦合线圈的几何尺寸、匝数、相对位置和媒介质。,3.涡流,（1）涡流是感应电流的一种，带有铁芯的线圈相当于原线圈，铁芯相当于副线圈。2）涡流会使铁芯发热，增加电能的损耗，叫做涡流损失。交流电器的铁芯由涂有绝缘漆的硅钢片叠成，就是为了减少涡流损失。,当线圈中通有交流电时，它所产生的磁通也
11、是交变的。因此，不仅要在线圈中产生感应电动势，而且在铁心内也要产生感应电动势和感应电流。这种感应电流称为涡流，它在垂直于磁通方向的平面内环流着。,二、磁路,绝大部分磁通将通过铁心形成闭合路径磁路。图示为交流接触器的磁路，磁通经过铁心和空气隙而闭合。,式中：F=IN 称为磁动势，此为产生磁通的激励；,Rm 为磁阻，是磁路对磁通具有阻碍作用的物理量；l 为磁路的平均长度；S 为磁路的截面积。,上式与电路中的欧姆定律在形式上相似，与磁路对照如下：,磁路,电路,磁动势 F,磁通,磁感应强度B,磁阻 R=l/S,电动势 E,电流 I,电流密度 J,电阻 R=l/S,第三节 单相交流电路,一、正弦交流电的
12、产生二、交流电的基本物理量三、交流电的表示方法四、单相交流电路,一、交流电,正弦交流电的产生如下图所示：当转子按逆时针方向作匀速圆周运动时，在线圈的两端将产生感应电动势。从图中可以看出感应电动势的大小和方向都随时间作周期性的变化。通常交流发电机是磁极在转动（称转子）而线圈是固定不动的（称定子）。,第三节 单相交流和三相交流电路,正弦量：,正弦电压、电流等物理量统称为正弦量。,规定电流参考方向如图,正半周：电流实际方向与参考方向相同,负半周：电流实际方向与参考方向相反,+,振幅,角频率,初相角,正弦量的三要素,大小有变化！,方向有变化！,步长,速度,起始点,跑步【类比】,二、正弦交流电的基本物理
13、量,频率与周期,描述正弦量变化快慢的参数：,周期(T):变化一个循环所需要 的时间，单位(s)。,频率(f):单位时间内的周期数 单位(Hz)。,角频率():每秒钟变化的弧度数，单位(rad/s)。,三者间的关系示为：,f=1/T,我国和大多数国家采用50Hz作为电力工业标准频率(简称工频)，少数国家采用60Hz。,瞬时值:正弦量任意瞬间的值 称为瞬时值，用小字母表示:i、u、e,振幅:正弦量在一个周期内的最大值，用带有下标m的大写字母表示:Im、Um、Em,有效值：一个交流电流的做功能力相当于某一数值的直流电流的做功能力，这个直流电流的数值就叫该交流电流的有效值。用大写字母表示：I、U、E,
14、振幅和有效值,描述正弦量数值大小的参数：,振幅 Im,同一时间T内消耗的能量,=,=,消耗能量相同,=,即：,则有：,有效值与幅值的关系推导如下：,以电流为例：设同一个负载电阻R，分别通入周期电流 i 和直流电流 I。,设,代入,整理得：,或,同理：,熟记：,可见,周期电流有效值等于它的瞬时值的平方在一个周期内的积分取平均值后再开平方，因此有效值又称为方均根值。,1、相位：,相位、初相、相位差,正弦量：,称为正弦量的相位角或相位。它表明了正弦量的进程。,2、初相：,t=0 时的相位角 称为初相角或初相位。,（用 的角度表示）,若所取计时时刻（时间零点的选择）不同，则正弦量初相位不同。,相位差,
15、两个同频率的正弦量的相位之差或初相位之差称为相位差。,当 时，比 超前 角，比 滞后 角。,则 和 的相位差为：,正弦交流电路中电压和电流的频率是相同的，但初相不一定相同，设电路中电压和电流为：,电压与电流正交,电压与电流同相,电压超前电流,电压与电流反相,1.波形图2.瞬时表达式i(t)=Imsin(t i)u(t)=Umsin(t u)e(t)=Emsin(t e)3.旋转矢量法,i,I m,三、三相交流电路,单相交流电路：它的电源是一个交流电动势；,三相交流电路：它是由三个频率相同、幅值相等、相位互差120的电动势作为电源。,三相交流电路优点：,（1）三相交流电易于获得；（2）广泛应用于
16、电力拖动的主要负载三相交流电动机结构简单，性能良好，可靠性高；（3）三相交流电适于远距离输电。,三相交流发电机示意图,1.三相对称电动势的产生,每组绕组 称为一相。各相绕组结构相同，空间位置互差120o,在定子上对称装置三组匝数相同的绕组。,三相交流发电机示意图,1.三相对称电动势的产生,转子铁心上绕有激磁绕组，在绕组中通入直流电流时，便产生两个磁极的磁场。,当转子由原动机带动并以 速度匀速旋转时，三个绕组中便依次产生三个频率相同、幅值相等的正弦电动势。,三相电压瞬时表示式,相量表示,相量图,波形图,相量表示,三相电压瞬时表示式,2,对称三相电压的瞬时值之和为 0,三相交流电到达正最大值的顺序
17、称为相序。,频率相同幅值相等相位互差120,称为对称三相电压,三个正弦交流电压满足以下特征,三相电源的星形联结图,2.三相电源的三角形联结,三相负载的星形联结图,三相负载的三角形联结图,四、三相电路的功率,1.对于负载不对称电路，有功功率等于各相有功功率之和。即：PP1P2P3 2.对于负载对称的电路，有功功率,图 1 12 半导体二极管的结构和符号,二极管,二极管的结构示意图,第四节 电子技术基础,一、二极管,1.二极管加正向电压（正向偏置，阳极接正、阴极接负）时，二极管处于正向导通状态，二极管正向电阻较小，正向电流较大。,2.二极管加反向电压（反向偏置，阳极接负、阴极接正）时，二极管处于反
18、向截止状态，二极管反向电阻较大，反向电流很小。,3.外加电压大于反向击穿电压二极管被击穿，失去单向导电性。,4.二极管的反向电流受温度的影响，温度愈高反向电流愈大。,二极管电路分析举例,定性分析：判断二极管的工作状态,导通截止,分析方法：将二极管断开，分析二极管两端电位的高低或所加电压UD的正负。,若 V阳 V阴或 UD为正(正向偏置)，二极管导通若 V阳 V阴或 UD为负(反向偏置)，二极管截止,若二极管是理想的，正向导通时正向管压降为零，反向截止时二极管相当于断开。,电路如图，求：UAB,V阳=6 V V阴=12 V V阳V阴 二极管导通若忽略管压降，二极管可看作短路，UAB=6V否则，U
19、AB低于6V一个管压降，为6.3或6.7V,例1：,取 B 点作参考点，断开二极管，分析二极管阳极和阴极的电位。,在这里，二极管起钳位作用。,晶体管的结构示意图和表示符号,(a)NPN型晶体管；,(b)PNP型晶体管,二、半导体三极管,基区：最薄，掺杂浓度最低,发射区：掺杂浓度最高,发射结,集电结,结构特点：,集电区：面积最大,电流分配和放大原理,1.三极管放大的外部条件,发射结正偏、集电结反偏,PNP发射结正偏 VBVE集电结反偏 VCVB,从电位的角度看：NPN 发射结正偏 VBVE集电结反偏 VCVB,晶体管电流放大的实验电路,设 EC=6 V，改变可变电阻 RB,则基极电流 IB、集电
20、极电流 IC 和发射极电流 IE 都发生变化，测量结果如下表：,2.各电极电流关系及电流放大作用,电路符号,NPN型,PNP型,特性曲线,直接耦合,电路简单，能放大交、直流信号，“Q”互相影响，零点漂移严重。,阻容耦合,各级“Q”独立，只放大交流信号，信号频率低时耦合电容容抗大。,变压 器耦合,用于选频放大器、功率放大器等。,1、级间耦合方式,输入级,中间级,输出级,三、多级放大电路的组成,2、阻容耦合多级放大电路性能指标的估算,第一级,第二级,生产电能,变换、输送、分配电能,消耗电能,电力系统与电力生产,管理电能,电力生产是指将煤炭、石油、天然气、水能、核能、风能等一次能源转换为二次能源的过
21、程。,发电厂（发电站）（power plant）：将自然界蕴藏的各种一次能源转换为电能(二次能源)的工厂。一次能源：不可再生能源：化石能源-煤炭、石油、天然气；核能铀。可再生能源：水能、风能、太阳能、地热、潮汐等,我国煤炭资源在地理分布上的总格局是西多东少、北富南贫。,主要集中分布在目前经济还不发达的山西、内蒙古、陕西、新疆、贵州、宁夏等6省(自治区)，它们的煤炭资源总量为4.19万亿t,占全国煤炭资源总量的82.8%。,水资源分布：以昆仑山秦岭大别山一线为界，以南水资源较丰富，以北水资源短缺。煤炭资源与水资源呈逆向分布。,主要集中在东北、华北、西北，占86%。,分布式可再生能源发电风力发电,
22、制约风电商业化最关键因素：单位KW造价高，近年来一直呈下降趋势，前景广阔。,内蒙古赤峰赛罕坝风电场我国最大的风电场，总装机容量17万KW。,我国第一个风电场-建于1989年的新疆达坂城风电场。总装机容量14万KW，我国第二大。,分布式可再生能源发电地热发电,西藏羊八井地热电站-全国首创，世界中温浅层热储资源发电的先列，清洁能源，但热效率较低。,利用地下热水和蒸汽为动力源的一种新型发电技术，与火力发电的基本原理一样。,利用海水涨落及其所造成的水位差来推动水轮机，再由水轮机带动发电机来发电。受资源和成本的制约，目前应用不够广泛。,分布式可再生能源发电潮汐发电,江厦潮汐电站,位于浙江温岭，居世界第三
23、，仅次于法国朗斯潮汐电站和加拿大安纳波利斯潮汐电站。,世界主要国家2007年发电量构成,电力系统的形成和发展,同时性电能的生产与使用同时完成，即必须保持电能生产、输送与使用的动态平衡电能难以储藏（超导、燃料电池储能等，但容量小）短促性正常输电及故障过程都极其迅速，过渡时间短暂，s或ms计电能以光速【3108m/s】传播。地区性西北火电、西南水电、沿海核电，“西电东送”、“北电南送”密切性：国民经济、人民生活,电力系统运行的特点,可靠性高安全、连续的供电。根据重要程度、对供电可靠性的要求不同，电力负荷分类对待：第1、2、3类负荷,系统运行的基本要求,质量好f(P平衡)、U(Q平衡)及波形(谐波污
24、染)足够的稳定性能耐受一定的事故干扰安全性运行人员及设备经济性好高效率、低损耗、低成本防止环境污染脱硫、除尘、选址,系统运行的基本要求,1、制定标准电压的依据三相传送的有功功率：三相功率正比于输电线路的线电压及线电流，当输送功率一定时，U愈高，则输送电流I愈小，因而所用导线截面积愈小（U高好？！）；但，U越高对绝缘的要求越高，杆塔、变压器、断路器的绝缘投资也越大（U高不好？！）；对应于一定的输送功率与输送距离，应有一最佳的输电电压U，不宜过高或过低；从设备制造的经济性以及运用时便于代换，电压等级必须规格化、系列化，且等级不宜过多。,电力系统的额定电压等级,2、为何要确定额定电压？,3、我国国家
25、标准规定的电网额定电压等级：交流：3、6、10、（20）、35、（63）、110、220、330、500、750、1000KV直流：500、800 KV额定电压等级中，相邻电压级差之比不宜过小。根据经验，110KV以下的电压级差一般在3倍左右，110KV以上的电压级差一般在2倍左右最合适。,线电压,东北,西北,4、线路电压与输送容量、距离的关系,5、交流电网及电气设备额定电压,用电设备额定电压的确定各用电设备的额定电压取与其所处线路的额定电压相等，从而使所有用电设备能在额定电压的附近处运行。线路的额定电压即电网的额定电压UN。用电设备容许的电压偏移一般为5%，沿线电压降落一般为10%；故在实际
26、运行中，应使线路始端电压为额定值的1.05倍。,发电机额定电压的确定发电机通常接于电网始端；为了补偿线路上的电压损失，进而帮助维持沿线的电网额定电压，发电机的额定电压应为线路额定电压的1.05倍，即：UGN1.05UN,变压器额定电压的确定-变压器具有发电机和负荷的双重地位：一次侧接受电能，相当于用电设备；二次侧送出电能，相当于发电机。变压器一次侧（“负荷”）额定电压一般取等于用电设备额定电压，即等于电网额定电压，即：U1NUN但，对于直接和发电机相联的变压器，其一次侧额定电压等于发电机的额定电压，即：U1NUGN1.05UN,变压器二次侧（“发电机”）额定电压变压器二次侧额定电压规定为空载时
27、的电压，而额定负荷下变压器内部压降约为5%。为使正常时变压器二次侧电压较线路额定电压高5%，变压器二次侧额定电压一般取比线路额定电压高10%，即：U2N1.1UN注意：当二次侧输电距离较短或变压器阻抗较小时，直接取 U2N=UGN=1.05UN,确定原则小结,发电机G的额定电压：UNG=1.05UNL1=1.0510=10.5（kV）变压器T1的额定电压：U1NT1=UN.G=10.5（kV）U2NT1=1.1UNL2=1.1110=121(kV)变压器T1的变比为：10.5/121kV变压器T2的额定电压：U1NT2=UNL2=110（kV）U2NT2=1.05UNL3=1.056=6.3(kV)变压器T2的变比为：110/6.3kV,例1.5.1 已知图所示系统中电网的额定电压，试确定发电机和变压器的额定电压。,变压器直接与电动机相连，供电距离较短，可以不考虑线路上的电压损失。,变压器T1的一次绕组与发电机直接相连，所以其一次绕组的额定电压取发电机的额定电压,试在图中标出各设备的额定电压。,电力市场的远期模式（“输配分开”）,课件自能用于自学，不能在网上传播。谢谢！,
