电工学(上)教案(打印版)

学院教案

课程名称：电工学授课人：

一、课程的地位和主要内容

电工电子技术（电工学）——研究电工技术和电子技术的理论及其应用的科学技术。电工电子技术：电工技术（上册）

——电路分析基础：直流电路（1、2）

暂态分析（3）

交流电路（4 、5 ）

磁路与电机：磁路和变压器（6）

电动机（7、8、9）

继电接触器控制（10）

可编程控制器（11）

其它：供电与安全用电（12）

电工测量（13）

电子技术（下册）——模拟电子技术：半导体器件（14）

放大器（15、16）

反馈（17）

直流电源（18）

电力电子技术（19）

数字电子技术：组合逻辑电路（20）

时序逻辑电路（21）

其它：存储器和可编程器件（22）

模数转换（23）

现代通信技术（24）

二、电工电子技术的发展与应用

发展：1785年，库仑确定电荷间的作用力；

1826年，欧姆提出“欧姆定律”；

1831年，法拉第发现电磁感应现象；

1834年，雅可比造出第一台电动机；

1864年，麦克斯韦提出电磁波理论；

1895年，马可尼和波波夫实现第一次无线电通信；

1904年，弗莱明发明第一只电子管（二极管）；

1946年，诞生第一台电子计算机；

1947年，贝尔实验室发明第一只晶体管；

1958年，德克萨斯公司发明第一块集成电路；

……

现状：容量大型化、器件小型化、设计自动化

三、电工电子技术课程特点：

课程内容多且广、逻辑性强、学时相对少

四、如何学好电工电子技术

1、注意掌握“三基”：基本原理、基本分析方法、基本应用

2、注重综合分析与设计、注重工程化素质培养

3、提高学习效率、培养自学能力：课堂、答疑、作业、自学、讨论

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1.1 电路的作用与组成部分

电路：电流的通路，是为了某种需要由电工设备或电路元件按一定方式组合而成。 1．电路的作用

（1）实现电能的传输、分配与转换

（2）实现信号的传递与处理

2．电路的组成部分

电源（或信号源）激励：电源或信号源的电压或电流，推动电路工作。 响应：由激励所产生的电压和电流。

电路分析：在电路结构、电源和负载等参数已知的条件下，讨论激励和响应之间的关系。

1. 2 电路模型

为了便于用数学方法分析电路，将实际电路模型化，用足以反映其电磁性质的理想

电路元件或其组合来模拟实际电路中的器件，从而构成与实际电路相对应的电路模型。

手电筒的电路模型：手电筒由电池、灯泡、开关和筒体组成。

电池：电源元件，其参数为电动势E 和内阻R o；

灯泡：主要具有消耗电能的性质，是电阻元件，其参数为电阻R；

导体：用来连接电池和灯泡，其电阻忽略不计，认为是无电阻的理想导体。

开关：用来控制电路的通断。

今后分析的都是指电路模型，简称电路。在电路图中，各种电路元件都用规定的图形符号表示。

1.3 电压和电流的参考方向

1. 电路基本物理量的实际方向

物理中对基本物理量的方向规定：电流——正电荷运动的方向；

电压——高电位低电位，电位降低的方向；

电动势——低电位高电位，电位升高的方向；

2. 电路基本物理量的参考方向

（1）参考方向：在分析与计算电路时，对电量任意假定的方向。一种分析方法。

（2）关联参考方向：负载—U、I参考方向相同；

电源—I参考方向与E方向相同。

（3）参考方向的表示方法：电流——箭标、双下标；

电压——正负极性、双下标。

（4）实际方向与参考方向的关系：实际方向与参考方向一致，电流(或电压)值为正值；实际方向与参考方向相反，电流(或电压)值为负值。

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1、4 欧姆定律

U、I 参考方向相同时，U = R I ；

U 、I 参考方向相反时，U = – RI 。 表达式中有两套正负号：

① 式前的正负号由U 、I 参考方向的关系确定；

② U 、I 值本身的正负则说明实际方向与参考方向之间的关系。 通常取 U 、I 参考方向相同，即关联参考方向。

线性电阻：遵循欧姆定律的电阻称为线性电阻，它表示该段电路电压与电流的比值为常数。线性电阻的伏安特性是一条过原点的直线。

1.5电源有载工作、开路与短路

1．电源有载工作

开关闭合，接通电源与负载。

U = IR

（1）特征：

① 电流的大小由负载决定。 ② 在电源有内阻时，I

U

。当 R 0<

E ，表明当负载变化时，

电源的端电压变化不大，即带负载能力强。 ③ P = P E –

P ，电源输出的功率由负载决定。

（2）电源与负载的判别：根据 U 、I 的实际方向判别。

电源：U 、I 实际方向相反，即电流从U “+”端流出，（发出功率）； 负载：U 、I 实际方向相同，即电流从U “+”端流入，（吸收功率）。 （3）电气设备的额定值：电气设备在正常运行时的规定使用值。 ① 额定值反映电气设备的使用安全性； ② 额定值表示电气设备的使用能力。

2．电源开路

E I

R 0

R

+ U +

I

－

－

R R E I +=

开关断开。

特征：I = 0，U = U 0 = E （电源端电压、开路电压），P = 0（负载功率） 3．电源短路

电源外部端子被短接。

特征： ，U = 0 ，P = 0 ，P E = P = I 2R 0

1. 6 基尔霍夫定律

结点：三条或三条以上导线的联接点。

支路：两结点之间由元件串联构成的一段电路。一条支路流过一个电流，称为支路电流。

回路：由支路组成的闭合路径。 网孔：内部不含支路的回路。

1．基尔霍夫电流定律(KCL 定律)

在任一瞬间，流向任一结点的电流等于流出该结点的电流。即:

Ｉ入=

Ｉ出

或： Ｉ= 0

基尔霍夫电流定律（KCL ）反映了电路中任一结点处各支路电流间相互制约的关系。 电流定律可以推广应用于包围部分电路的任一假设的闭合面。

2．基尔霍夫电压定律（KVL 定律)

在任一瞬间，从回路中任一点出发，沿回路循行一周，则电位升之和等于电位降之和。即： U 升 =

U 降

或：在任一瞬间，沿任一回路循行方向，回路中各段电压的代数和恒等于零。即： U = 0

基尔霍夫电压定律（KVL ）反映了电路中任一回路中各段电压间相互制约的关系。

1.7 电路中电位的概念及计算

单位正电荷在某点的电势（位）能，即电路 中某点至参考点的电压，记为“V X ” 。

通常设参考点的电位为零，又称接地，用 表示。

R

E

I I ==S

某点电位为正，说明该点电位比参考点高；某点电位为负，说明该点电位比参考点低。

电位的计算步骤：

(1) 选参考点，设其电位为零；

(2) 标出各电流参考方向并计算；

(3) 计算各点至参考点间的电压即为各点的电位。

注意：（1）电位值是相对的，参考点选取的不同，电路中各点的电位也将随之改变；

（2）电路中两点间的电压值是固定的，不会因参考点的不同而变，即与零电位参考点的选取无关。

（3）当电源的一个极接地时，可省略电源不画，而用没有接地极的电位代替电源。

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2.1 电阻串并联联接的等效变换

1．电阻的串联

特点：

1)各电阻一个接一个地顺序相联；

2)各电阻中通过同一电流；

3)等效电阻等于各电阻之和；

4)串联电阻上电压的分配与电阻成正比。

两电阻串联时的分压公式：

2．电阻的并联

特点:

1)各电阻联接在两个公共的结点之间； 2)各电阻两端的电压相同；

3)等效电阻的倒数等于各电阻倒数之和； 4)并联电阻上电流的分配与电阻成反比。 两电阻并联时的分流公式：

2.2 电源的两种模型及其等效变换

1．电压源

电压源是由电动势 E 和内阻 R 0 串联的电源的电路模型。若 R 0 = 0，称为理想电压

源。

特点：

(1) 内阻R 0 = 0；

(2) 输出电压是一定值，恒等于电动势（对直流电压，有 U E ），与恒压源并联

的电路电压恒定；

(3) 恒压源中的电流由外电路决定。

2．电流源

电流源是由电流 I S 和内阻 R 0 并联的电源的电路模型。若 R 0 = ，称为理想电流源。

特点： (1) 内阻R 0 =

；

U R R R U 2

11

1+=

U R R R U 2

12

2+=

I

R R R I 2

12

1+=

I

R R R I 2

11

2+=

(2) 输出电流是一定值，恒等于电流 I S ，与恒流源串联的电路电流恒定； (3) 恒流源两端的电压 U 由外电路决定。 3．电压源与电流源的等效变换 等效变换条件： E = I S R 0 0

R E

I S 注意：

① 电压源和电流源的等效关系只对外电路而言，对电源内部则是不等效的。 ② 等效变换时，两电源的参考方向要一一对应。 ③ 理想电压源与理想电流源之间无等效关系。

④ 任何一个电动势 E 和某个电阻 R 串联的电路，都可化为一个电流为 I S 和这个电阻并联的电路。

4．电源等效变换法

（1） 分析电路结构，搞清联接关系； （2） 根据需要进行电源等效变换；

（3） 元件合并化简：电压源 串联合并，电流源并联合并，电阻串并联合并； （4） 重复（2）、（3）；

（5） 成为简单电路，用欧姆定律或分流公式求解。

2.3 支路电流法

以支路电流为未知量、应用基尔霍夫定律（KCL 、KVL ）列方程组求解。 支路电流法的解题步骤：

（1）分析电路，在图中标出各支路电流的参考方向，对选定的回路标出回路循行方向；

（2）应用 KCL 列出 ( n －1 )个独立的结点电流方程

（3）应用 KVL 列出 b －( n －1 ) 个独立的回路电压方程（通常可取网孔列出） ； （4）联立求解 b 个方程，求出各支路电流。 （5）验算。 注意：

（1）支路电流法是电路分析中最基本的方法之一，但当支路数较多时，所需方程的个数较多，求解不甚方便。

（2）当支路中含有恒流源时，若所选回路中不包含恒流源支路，则电路中有几条支路含有恒流源，则可少列几个KVL方程。

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2. 4 结点电压法

结点电压：任选电路中某一结点为零电位参考点，其他各结点对参考点的电压。结点电压的参考方向从该结点指向参考结点。

结点电压法：以结点电压为未知量，列方程求解。在求出结点电压后，可应用基尔霍夫定律或欧姆定律求出各支路的电流或电压。 结点电压法适用于支路数较多，结点数较少的电路。 结点电压方程：

注意：(1) 上式仅适用于两个结点的电路。

(2) 分母是各支路电导之和, 恒为正值；分子中各项可正可负。当E 和 I S 与结点电压的参考方向相反时取正号，相同时取负号，与各支路电流参考方向无关。

2.5 叠加原理

对于线性电路，任何一条支路的电流，都可以看成是由电路中各个电源（电压源或电流源）分别单独作用时在此支路中所产生的电流的代数和。

注意：

① 叠加原理只适用于线性电路。

② 线性电路的电流或电压均可用叠加原理计算，但功率P 不能用叠加原理计算。 ③ 某电源单独作用时，不作用电源的处理：E = 0，即将E 短路；I s=0，即将I s 开路。

④ 解题时要标明各支路电流、电压的参考方向。若分电流、分电压与原电路中电流、电压的参考方向相反时，叠加时相应项前要带负号。

⑤ 应用叠加原理时也可把电源分组求解 ，即每个分电路中的电源个数可以多于

一个。

2.6 戴维宁定理与诺顿定理

R

I R E

U S 1∑∑+∑=

二端网络：具有两个出线端的部分电路。

无源二端网络：二端网络中没有电源。无源二端网络可化简为一个电阻。

有源二端网络：二端网络中含有电源。有源二端网络可化简为一个电源。

1．戴维宁定理

任何一个有源二端线性网络都可以用一个电动势为E的理想电压源和内阻R0串联的电源来等效代替。

等效电源的电动势E ：有源二端网络的开路电压U0 ；

等效电源的内阻R0：有源二端网络中所有电源均除去（理想电压源短路，理想电流源开路）后所得到的无源二端网络的等效电阻。

戴维宁定理解题的步骤：

（1）将复杂电路分解为待求支路和有源二端网络两部分；

（2）画有源二端网络与待求支路断开后的电路，并求开路电压U0 , 则E = U0；

（3）画有源二端网络与待求支路断开且除源后的电路，并求无源网络的等效电阻R0；

（4）将等效电压源与待求支路合为简单电路，用欧姆定律求电流。

2．诺顿定理

任何一个有源二端线性网络都可以用一个电流为I S的理想电流源和内阻R0并联的电源来等效代替。

等效电源的电流I S：有源二端网络的短路电流；

等效电源的内阻R0：有源二端网络中所有电源均除去（理想电压源短路，理想电流源开路）后所得到的无源二端网络的等效电阻。

诺顿定理解题的步骤：

（1）将复杂电路分解为待求支路和有源二端网络两部分；

（2）画有源二端网络与待求支路断开后再短路的电路，并求短路电流I SC , 则I SC = I S；

（3）画有源二端网络与待求支路断开且除源后的电路，并求无源网络的等效电阻R0；

（4）将等效电流源与待求支路合为简单电路，用分流公式求电流。

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授课效果

分析总结

3.1 正弦电压与电流

正弦量：随时间按正弦规律做周期变化的量。 正弦量的三要素：幅值、角频率、初相角。 3.1.1周期、频率与角频率

周期T ：变化一周所需的时间 （s ）

频率f ： （Hz ）

角频率： （rad/s ）

3.1.2 幅值与有效值 幅值：Im 、Um 、Em

有效值：与交流热效应相等的直流定义为交流电的有效值。I 、U 、E 根据

可得 同理：

交流电压、电流表测量数据为有效值，交流设备名牌标注的电压、电流均为有效值。 3.1.3初相位与相位差

相位：反映正弦量变化的进程。 初相位： 表示正弦量在 t = 0时的相位角。给出了观察正弦波的起点或参考点。 相位差 ：两同频率的正弦量之间的初相位之差，反映相位关系。

T f 1=πf T πω22==dt R i T

20

?

RT

I 2=?

=

T

t i T

I 0

2

1d ?

=

T

t t ωI T

1

22m d sin 2

m

I =

2

m U U =

2

m E E =

ψ

t +ω

3.2 正弦量的相量表示法

１. 正弦量的表示方法

波形图、瞬时值表达式、相量表示（实质：用复数表示正弦量） 设A 为复数，其表示形式有: (1) 代数式： A = a + j b (2) 三角式: (3) 指数式: (4) 极坐标式: 设正弦量:

相量表示: 相量的模=正弦量的有效值 相量辐角=正弦量的初相角

注意：

① 相量只是表示正弦量，而不等于正弦量。

② 只有正弦量才能用相量表示，非正弦量不能用相量表示。 ③ 相量的两种表示形式：相量式、相量图。

④ 同频率的正弦量能画在同一相量图上。可不画坐标轴，参考相量画在水平方向。

⑤ 相量的书写方式：模用最大值表示 ，则用符号 ；

实际应用中，模多采用有效值，符号： 。 ⑥“j ”的数学意义和物理意义：虚数单位； 1j -=

旋转 90°因子， 。

3.3 单一参数的交流电路

3.3.1. 电阻元件的交流电路 1. 电压与电流的关系 ① 频率相同；

②大小关系：

)

sin j (cos sin j cos ψψr ψr ψr A +=+=ψ

r A j e =ψ

r A =)

(sin m ψt ωU u +=ψU Ue U ψ==j m m I U 、I

U 、j

90sin j 90cos e j90±=?±?=± R U I =