直流电路与交流电路电子教案.ppt

电气控制技术基础电子教案主编 伦洪山,中等职业学校教学用书,第1章直流电路与交流电路,【本章学习目标】了解电路的基本概念，区分直流电与交流电，掌握直流电的计算方法，掌握常用电工仪表技能。【教学目标】1知识目标：了解电路的组成及电路的基本概念，掌握常见电路元件的外形和符号，会运用电路基本知识分析生活中的实际问题。2.能力目标：正确使用常用电工仪表进行电路参数测量。【教学重点】电路的基本概念，电路的计算方法，常用电工仪表的使用技能。【教学难点】电路的计算方法和常用电工仪表使用技能【教学方法】读书指导法、分析法、演示法、练习法。,1.1 电路的基本概念,1.1.1 电路的组成电路是电流的通路。电路是由各种电气器件按一定方式用导线连接组成的总体，它提供了电流通过的闭合路径。最简单的电路实例为手电筒，如下图：用导线把（干）电池，开关（按键），（小）灯泡连接起来，为电流流通提供了路径。故电路的组成可分为以下三个部分1、电源：是供应电能的设备。如干电池、发电厂等。2、负载：是取用电能的设备。如电灯(小灯泡)、电动机等。3、中间环节：是连接电源和负载的部分，起传输、分配电能，控制电路通、断，保护或传递信息的作用。如开关S（按键）、输电线（导线）等。,电路图如下图所示。一、电路的三种状态电路的工作状态分通路、开路和短路三种状态。通路 也叫闭路。指电路处于连通状态而形成回路，电路中有电流流过。比如说你接通开关灯亮时，电路就有通路。开路 也叫断路。指电路处于断开状态，电路中没有电流流过。比如说你不接通开关灯不亮时，电路就处于开路状态。短路 指电路中的电流不经过负载而是通过导线直接形成回路。一般情况下短路时电流很大，会损坏设备和造成事故，应尽量避免。,二、电路的功能和作用有两类：第一类功能是进行能量的转换、传输和分配 第二类功能是进行信号的传递与处理。例如：电视机可将接收到的信号，经过处理，转换成图像和声音。电路根据电源性质不同，可分为直流电（DC）和交流电(AC)；通直流电的电路称为直流电路，通交流电的电路称为交流电路。直流电(DC)是由高电位流向低电位的固定电荷流，习惯上把电流定义为正电荷的流动。日常生活中的交流电（AC）是指正弦交流电，它的电流的大小和方向随时间而变，因交流电压u是按sin函数而变化的波形，由于与数学上学习过的正弦波曲线一致，因此称为正弦交流电。,1.1.2 电路的基本物理量电路中的物理量用来表示电路状态特点和能量转换关系的，电路中的物理量主要有电流、电压和电功率。1.电流电流是由电荷的定向移动而形成的，习惯上规定正电荷的移动方向表示电流的实际方向。电流的大小和方向均不随时间变化的电流叫恒定电流，简称直流(Direct Current)。简称为DC。在外电路，电流由正极流向负极；在内电路，电流由负极流向正极。电流的单位是A(安培)，简称安。单位还有kA（千安）mA(毫安)、A(微安)，其换算关系为：1 kA=1000A；1 A=1000 mA；1mA=1000A。2.电压电场力把单位正电荷从电场中点A移到点B所做的功WAB称为A、B间的电压用UAB表示，是表征电场力做功本领的物理量。它在数值上等于电场中两点之间的电位差，电路中某点的电位就是该点与参考点之间的电压。电压的单位为V(伏特)，简称伏。计算较大的电压时用kV(千伏)，计算较小的电压时用mV(毫伏)。其换算关系为：1 kV=1000V；1 V=1000m V。电压的实际方向规定为从高电位点指向低电位点，即由“+”极指向“”极，因此，在电压的方向上电位是逐渐降低的。,3.电功率在直流电路中，根据电压的定义，电场力所做的功是W=QU。把单位时间内电场力所做的功称为电功率，则有 P=UI 功率的单位是W(瓦特)，简称瓦。对于大功率，采用kW(千瓦)或MW(兆瓦)作单位，对于小功率则用mW(毫瓦)或W(微瓦)作单位。1MW=1000KW，1KW=1000W，1W=1000mW。当已知设备的功率为P时，在t秒内消耗的电能为W=Pt，电能就等于电场力所作的功，单位是J(焦耳)。在电工技术中，往往直接用Ws(瓦特秒)作单位，实际上则用kWh(千瓦小时)作单位，俗称1度电。1kWh=3.6106 Ws,常见的电路元件1、电阻电阻元件是对电流呈现阻碍作用的耗能元件，例如灯泡、电热炉等电器。电阻值用R来表示,国际单位制为欧姆()。常用的电阻单位还有千欧(k)、兆欧(M)，它们与的换算关系为1 k=1000 1 M=1000K 任何物体都有电阻，当有电流流过时，都要消耗一定的能量，电阻是导体本身具有的属性。电阻阻值除可以用仪表测量外，也可直接从电阻的色环中读出“色环”就是在电阻上用不同颜色的环来表示电阻的规格。环电阻，一般是碳膜电阻，用个色环来表示阻值，用个色环表示误差，多数为金色5%。环电阻一般是金属膜电阻，为更好地表示精度，用个色环表示阻值，另一个色环也是表示误差，多数为棕色1%；6环电阻是高精密电阻，用在高精密电子领域，PPM是指温度飘移1PPM等于一百万分之一。,1.2直流电路基本计算,例如：有一5环电阻：黄紫红红棕，前三位数字是：472，第四位表示10的2次方，即100，阻值为：472100欧=47.2千欧（即47.2K）。,电感电感元件是一种能够储存能量的理想元件，它能储存磁场能。电感值用L表示，国际单位制为亨利（H）。常用的电感单位有毫亨（mH）和微亨(uH)，它们与H的换算关系为1 H=1000 mH 1 mH=1000 uH 电容电容元件是一种能够储存能量的理想元件，它能储存电场能。电感值用C表示，国际单位制为法拉（F）。常用的电容单位有微法(uF)和皮法（pF），它们与H的换算关系为1 F=10 6 uF 1 uF=10 6 pF常见的电容有瓷片电容和电解电容瓷片电容不分正负，电容上标的第一二位数代表电容值；第三位数字代表0的个数（以P为单位）。电解电容有极性（正负）之分，一般管脚长正短负；通常负极有一条白边做标记（以u为单位）。,1.2.2 欧姆定律欧姆定律：导体中的电流I与加在导体两端的电压U成正比，与导体的电阻R成反比。也就是说，当一个电阻的电阻值(R)固定时，加在电阻上的电压(V)愈大，流过它的电流(I)愈多；当加在电阻上电压(V)固定时，电阻的电阻值愈大，流过它的电流(I)愈少。欧姆定律可表示为I=或R=或U=IR1.2.3 电阻的串并联电阻串联 由若干个电阻顺序地连接成一条无分支的电路，称为串联电路，见图。电阻串联后的总电阻R是所有元件电阻的总和。R=R1+R2+Rn，,如n=3，则电路代表3个电阻串联，并已知R1=5，R2=10，R3=5，则串联电路的总电阻R=5+10+5=20。串联电路特点：流过电路中每个电阻的电流均相等，其数值等电路中总电流。如给出图中的电源电压（E）为5V，串联电路流过的总电流I=0.25A，根据欧姆定律，U1=I1R1=0.25 5=1.25 VU2=I2R2=0.25 10=2.5 VU3=I3R3=0.25 5=1.25 VU1+U2+U3=1.25 V+2.5+1.25 V=5V=E结论：串联电路对电源电压有分压的作用，电阻越大所获得的电压也就越大。,电阻并联 将几个电阻元件都接在两个共同端点之间的连接方式称之为并联见图电阻并联后的总电导(1/R)是所有元件电导的总和 1/R=1/R1+1/R2+1/Rn。在图中，如n=3，则电路代表3个电阻并联，R1=5，R2=10，R3=5,总电阻R的计算为：1/R=1/5+1/10+1/51/R=1/2 R=2 故3个电阻并联后的总阻值R=2，电阻符合上述条件联接关系以次类推进行计算。并联电路如对河流进行开渠分流结论：即并联电路对电源总电流有分流的作用，电阻越大所获得的电流也就越小。在实际应用中，用电器在电路中通常都是并联运行的，属于相同电压等级的用电器必须并联在同一电路中，这样，才能保证它们都在规定的电压下正常工作。,1.2.4 基尔霍夫定律在我们了解基尔霍夫定律前，让我们先了解一下电路的几个名词。支路-电路中具有两个端点（两个端点间至少包含一个元件）并流过同一电流的的分支称为支路。节点-三条或三条以上支路的联结点称之为节点。回路-电路中由多条不同支路构成的闭合路径称之为回路例：请指出图中有几条支路？几个节点？几条回路？解：1、图中有三条支路，分别是：a-R1-E1-b；a R2-E2-b；a R3-b；2、两个节点，分别是：节点a，节点b；3、三个回路：a-R2-E2-b-E1-R1-a a-R3-b-E2-R2-aa-R3-b-E1-R1-a,图,一、基尔霍夫电流定律（KCL）流入一个节点的电流之和一定等于流出该节点电流之和I流入=I流入例：如右图，已知i1=10A，i2=1A，i3=3A，i5=5A，求i4的电流为多少安培？解：根据图所示可知流入该节点的电流有i1，i4；流出该节点的电流有i2，i3，i5，根据基霍夫定律，有i1+i4=i2+i3+i58+i4=1+3+5i4=-2 A结论：图i4的电流实际是流出的，大小为2A，图中所方标的电流方向为参考方面。,二、基尔霍夫电压定律（KVL）沿电路中的任何一个回路，电路中元件电压方向相同的电压之和一定等于电路中元件电压方向相反的电压之和。U相同=U相反右图电路的两个回路根据基尔霍夫电压定律可列出回路电压方程1沿回路1方向有：U1+U3=U22.沿回路2方向有：U2+U4+U5=U3,三、基尔霍夫定律的应用-支路电流法支路电流法的解题步聚：1、根据电路情况定出每条支路中的电流参考方向（电流方向可任意指定）2、根据基尔霍夫电流定律列出节点电流方程(如有n个节点，方程数为n-1个)3、根据电流参考方向定出电压参考方向（电流流入端的为正，电流流出端为负）4、定电路中的回路方向，根据基尔霍夫电压定律列出回路电压方程（所定回路数已包含电路中所有支路时即可不再定回路）5、根据基尔霍夫电流定律和电压定律列出的方程，联立求解电路未知量例：有一电路图如图所示，已知E1=7.5V，E2=15V，R1=5，R2=5，R3=5，求各支路电流及各电阻的电压？,图,图,图,图,解：根据支路电流法步聚1定出各支路电流参考方向，如图并列出节点电流方程节点电流方程a：I1=I2+I3 定出元件电压参考方向如图，定出回路方向如图并列出回路电压方程回路1：U1+U2+E2=E1 回路2：E2+U2=U3 联立成立方程组 I1=I2+I3 U1+U2+E2=E1 E2+U2=U3 引入欧姆定律，解方程：I1=0A；I2=-1.5A(电流实际方向与所定参考方向相反)I3=1.5A(电流实际方向与所定参考方向相同)各电阻电压为：U1=0V；U2=-7.5V；(电压实际方向与所定参考方向相反)；U3=7.5V；(电压实际方向与所定参考方向相同),3）采用保护接零应注意的几个问题保护接零能有效地防止触电伤害。但是在实施过程中，如果疏忽大意，仍然会导致触电的危险。万用表的外形及组成 一、表笔：测量电压、电阻、电流的接触端点；二、刻度盘：测量时数值的读取；测量过程中常用的电阻、电压、电流三条刻度线，如下图所示,1.3常用电工仪表的使用,测量中指针在刻度线中的1/2到2/3处测量数值最准确，如下图所示，如果不在这个刻度线范围内可考虑改变测量档位选择的重新测量,三、机械调零：当指针不在左边0点或右边0点时手动旋转调整指针至0点，保证测量的准确性；,四、功能面板：测量前用于选择测量电压、电阻或电流；,1、正极、负极插孔：表笔插入，红表笔插入正极，黑表笔插入负极2、大电压、大电流表笔插孔：当用于测量大电压或大电流时，红表笔从正极插孔改插入对应插孔；3、电压档：分为直流电压档和交流电压档，当测量直流电压时转盘旋转到直流电压档，当测量交流电压时转盘旋转到直流电压档；对测量未知电压时，档位选择从最大档开始测量，直至改变到合适档位测量电压在刻度线中的1/2到2/3处。4、直流电流档：用于测量直流电流的大小；对测量未知电流时，档注位选择从最大档开始测量，直至改变到合适档位测量电压在刻度线中的1/2到2/3处。5、电阻档：用于测量电阻阻的大小；须注意的是每次改变电阻档位时，红、黑表笔均需短接看刻度线上指针是否指向0点，如果不在0点必须通过电位器进行调零，经电位器调零依然没有到达0点，这个时候就要通过上述的机械调零进行调零了。6、电位器调零：与电阻档组合使用。,1.4.1 单相交流电的基本概念,1.4 单相交流电路,生活中的单相流电是指正弦交流电，正弦交流电电压u的大小可表示为 u=Umsin，交流电压u为按sin函数而变化的波形，由于与数学上学习过的正弦波曲线一致，因此称为正弦交流电。本章节书中所提的交流电均指正弦交流电交流电的优越性：一是可以用变压器将交流电压升高或降低，以利于高压输电和低压用电；二是交流电动机比直流电动机构造简单、工作可靠、造价低廉、维修方便。因此，在现代工农业生产和日常生活中，交流电得到了更为广泛地应用。1.频率、周期与角频率 重复变化一次的时间称为周期(符号为T)，单位用秒(s)表示；单位时间(1秒)重复变化的次数称为频率(符号f)，单位用赫兹(Hz)表示。f与T之间有下列关系：f=1/T 正弦交流电在单位时间内变化的弧度(或角度)数称为角频率。在一个周期T内，正弦交流电变化了2弧度，角频率为=2f 角频率的单位为弧度秒(rad/s。)。,2.瞬时值、最大值与有效值交流电的大小随时间而变化。某瞬间所具有的大小称为瞬时值。在右图中，e0e8为瞬时值，是使时间处于静止状态而显示的大小。最大值是该瞬时值中最大的值。在正弦交流电的12周期中，必定有一个最大值，最大值的表示方法为：电动势用Em表示，电压用 Um表示，电流用Im表示。下角的m表示最大值的意思。有效值是根据交流电的热效应定义的，采用等效（效果相同）的原理进行分析得出。一交流电流i最大值为1.41A，而一直流电流I为1A，让它们分别通过同一白炽灯泡，结果在相同的时间内它们产生的热量相等，则此直流电的数值1A称为该交流电的有效值。,由于交流电的大小随时间的改变而改变，不方便计算，故一般用有效值表示交流电的大小，采用等效原理得出交流电有效值后的交流电路的计算方法与直流电路情况相同。我们通常说照明电路的电压是220 V，流过的电流为1A，这些数值均为交流电的有效值。3.相位、初相和相位差 正弦交流电压u=Umsin(t u)；正弦交流电流i=Imsin(t i)则有相位：正弦交流电压表达式中的角度：(t u)。初相：t=0时的相位；即u、I。相位差：两个同频率正弦交流电的相位之差，其值等于它们的初相之差。三、正弦量的三要素 由u=Umsin 可以看出，当正弦交流电的最大值（或有效值）、角频率和初相这三个量确定时，正弦交流电才能确定。也就是说这三个量是正弦交流电必不可少的要素，所以称它们为正弦量的三要素。,1.4.2 单相交流电路1、电阻元件的交流电路 交流电流流过电阻时同直流一样要放出热量，使用的是有效值。由于电阻为纯耗能元件，加在电阻上的电压和流过电阻的电流是同时到达的，因此电流和电压是同相位的，其有效值关系式为 UR=RIR其实际消耗的功率，用有功功率 PR表示：PR=URIR(W)2、电感元件的交流电路 交流电流流过电感时电感对电流有阻碍作用，把这种作用定义为感抗(XL)XL=L=2fL 式中：XL电感的感抗()，f电流的频率(Hz)，f为 50Hz；L电感(H)。交流电流过理想的电感线圈时并不消耗电能，只是与电源之间进行能量的交换，为了反映其能量交换的大小，用无功功率QL表示：QL=ULIL(Var),3、电容元件的交流电路 交流电流流过电容时电容对电流也有阻碍作用，把这种作用定义为容抗(XC)XC=1/2fC 式中：XC电容的容抗()，f 电流的频率(Hz)，我们用的交流电，f为 50Hz；C 电容(F)。交流电流过理想电容时并不消耗电能，只是与电源之间进行能量的交换，为了反映其能量交换的大小，用无功功率QC表示：QC=UCIC(Var),二、实际工程中最常见的是电阻和电感串联、电阻和电感后与电容并联的电路。1电阻和电感串联电路 电阻和电感串联电路是最常见的电路，如电动机、变压器等，只有在交流电路中才有实用意义。电路的有功功率是电阻上消耗的功率P=URI=I2R=UI cos 电路的无功功率是电源与电路负载间能量交换的功率，也就是电感与电源之间交换的能量，即Q=ULI=I2XL=UI sin 在交流电路中，将电源电压有效值与电流有效值的乘积，称为电路的视在功率，单位为伏安（VA）或千伏安（KVA），用S表示，即S=UI 则有:P=UI cos=S cos 由此可见，有功功率为视在功率S乘以cos。cos 是表示设备发挥能力的一个系数，称之为功率因数,2 电阻与电感串联后再与电容并联的电路 在实际中，常会遇到许多有分支的并联电路。例如，电力系统的大多数负荷是感应电动机，它的功率因数较低，为了提高电力系统的功率因数，常在负荷端并联电容器。又如我们日常生活中用的日光灯，由灯管、镇流器串联后再并联一个电容器 设外加电压为u，则在RL支路中产生的电流i1的有效值为I1，电流i1滞后u的角度为一个小于90的角度1；电容支路的电流有效值为电流iC超前电压u90，其有效值为IC。电路中的总电流其有效值为 总功率因数角为=arctg（I1L-IC）/I1R可以看出，由于并联了电容，回路的总电流减小了，节约了电能，减小了，cos则增大了，提高了功率因数，这才是(R+L)C电路的实际意义。,1.5 三相交流电路三相交流电源1、三相交流电的特点 三相交流电是由三相交流发电机产生的。所谓三相系统就是由三个频率和有效值都相同，而相位互差120的正弦电势组成的供电体系。三相交流电源是三个单相交流电源按一定方式进行的组合，这三个单相交流电源的频率相同、最大值相等、相位彼此相差120。如右图为三相交流电源波形图,2三相电源的连接有两种方法星形联结和三角形联结(1)星形联结：如右图所示。公共点N称为中性点，从三个始端U1、Vl、Wl引出的三根线称为相线或端线(俗称火线)。从中性点N引出的导线称为中性线；当中性线接地时，又叫地线或称零线。任意两根相线之间的电压称为线电压，各相线与中性线之间的电压称为相电压。这种连接由三根火线和一根零线所组成的供电方式叫做三相四线制供电系统，可输出两种电压，即相电压和线电压，常用于低压配电系统；星形连接的电源，也可不引出中性线，由三根火线供电，称为三相三线制，多用于高压输电。,平时所指发电机或线路的电压都是线电压。如220kV的高压输电线路，是指线电压220kV。日常用电系统都采用三相四线制，因为这种系统有两种电压，用起来很方便。三相四线制的电压通常为380220V，即线电压是380V，相电压为220V。这种系统即可作为三相负载的电源，也可给单相负载供电，日常用来照明的电灯就是接在一根火线与零线之间的。三相四线制供电系统具有以下特点：有两组供电电压，即相电压和线电压，三个相电压和三个线电压均为对称电压。线电压的大小等于相电 倍，即UL=UP。各线电压在相位上比对应的相电压超前30,(2)三角形联结：如右图所示，这种供电方式称为三相三线制。其特点是线电压等于相电压，即UL=UP。3三相负载的连接 电力系统的负载，按其对电源的要求，可分为单相负载和三相负载。人们日常照明用的电灯及电风扇、电视机等都是单相负载。用来带动机械的三相电动机及大功率的三相电炉等，均为三相负载。在三相负载中，如备相负载的电阻和电抗部分都相同，则称为三相对称负载。三相负载也有两种连接方法星形联结和三角形联结。(1)三相负载的星形联结 三相负载平衡时(阻抗相同)如三相电动机、三相电炉，负载星形联结与发电机星形联结相同，UL=UP，所不同的是电流方向不同，电流是流进负载。,三相负载不平衡时，如照明电路、家用电器、办公设备等，虽然也符合UL=UP和 IL=IP的关系，但是工作零线中将会有较大的电流，因此要求零线的截面积至少应为相线截面积的13，同时在负荷分配上三相应尽量平衡，以减少零线的负担。零线电流较大时还会引起中性点电压的偏移而导致三相电压不平衡，以致使一些电器烧坏。,(2)三相负载的三角形联结三角形联结的负载一般为平衡负载，如电动机、三相电炉等，三角形联结与发电机三角形联结相同，且UL=UP，只是电流流进负载，线电流的相位比相应的相电流滞后30。三角形联结见下图。,三相负载的联结要按三相电源的线电压和负载的额定电压来决定，如果负载额定的相电压为电源电压的1/，则负载应接为丫联结，两者相等则应为联结。如果Y联结错接成联结，相电压增加了 倍，易把电器烧坏；如联结而错接成丫联结，则电压不足会使电器不能正常工作，如果是电动机则会出力不足发生堵转，长时间使用也会烧坏电动机。联结的电动机只有在起动过程中短时接成丫联结，起动后再改接为联结，这就是电动机的Y起动。4三相交流电路的功率 三相交流电路可以看成是三个单相交流电路的组合，在三相电路中同样有有功功率、无功功率和视在功率。在对称三相电路中，无论负载是星形联结还是三角形联结，由于各相负载相同、各相电压大小相等、各相电流也相等。,本章小结 本章主要介绍了电路的基本概念，直流电路和交流电路的基本计算方法，常用电工仪表万用表的使用，重点在直流电路的计算和万用表的正确使用，掌握日常生活中对电路参数测量，能够正确使用仪表对电路检查。,