电工技术教学作者王海燕项目一电路的基本分析与检测 133页

2021/2/16 1 　电路的基本分析 与检测 项目一 2021/2/16 2 项目一    电路的基本分析与检测 学习任务 1）了解常用电工仪表的结构，掌握其使用方法。 2）理解电路的基本参数（电流、电压、电功率及电能）。 3）掌握电路的基本分析方法（以直流电路为例介绍）。 2021/2/16 3 任务1　常用电工仪表的认识 1.1　电路的基本参数 1. 电流 （ 1 ）电流的大小　 电流的大小（又称电流强度）规定是：单位时间内通过导体某横截面的电荷量。并以 i （或 I ）表示。如图 1-1 所示。 2021/2/16 4 图1-1　导体中的电流 大小和方向随时间做周期性变化的电流称为交变电流,简称交流 (AC)，用符号 i 表示。 （ 1-1 ） 2021/2/16 5 大小与方向都不随时间变化的电流称为直流电流，简称直流（ DC ），并用符号 I 表示。则式 1-1 可写成 （ 1-2 ） 国际单位制中，电流的单位为安培（ A ）。此外还常用千安（ kA ）、毫安（ mA ）、微安（ A ）等单位，其换算关系是 2021/2/16 6 （ 2 ）电流的方向 习惯上，规定正电荷移动方向为电流的正方向。 图1-2　电流实际方向与参考方向 2021/2/16 7 2. 电压与电位 （ 1 ）电压 电路中 a 、 b 两点间的电压在数值上等于电场力把单位正电荷从 a 点移动到 b 点所做的功，以符号 u ab （或 U ab ）表示，用公式表示为 （ 1-3 ） 2021/2/16 8 图1-3　电压的参考方向与实际电压方向 习惯上，规定两点间的电压为﹢ → ﹣ 。有时也可以用字母脚标的先后顺序表示。在复杂电路中，可引用电压的参考方向来帮助分析电路。如图 1-3 所示。 2021/2/16 9 在电路分析时，如果电压与电流参考方向相同，称为关联参考方向；如果电压与电流参考方向不相同，称为非关联参考方向，如图 1-4 所示。 图1-4　关联参考方向与非关联参考方向 2021/2/16 10 在电路中任意选一个参考点，电场力把单位正电荷从a点移动到参考点所做的功称为a点电位，用符号V a 表示。 （ 2 ）电位 根据电位的定义可得，电路中任意两点之间的电压等于该两点间的电位之差，即 （ 1-4 ） 2021/2/16 11 图1-5　例1.1图 【例1.1】 如图1-5所示，试计算 ： （ 1 ） 若以 O 点为参考点，各点的电位以及 U bc ； （ 2 ）若以a点为参考点，各点的电位以及 U bc ； （ 3 ）由此可得出什么结论? 2021/2/16 12 解 : （ 1 ） O 点为参考点，则 2021/2/16 13 （ 2 ）a点为参考点 （ 3 ）由以上可得到结论 电路中各点电位是随参考点改变而改变的，而电路中任意两点间的电压是不随参考点改变而改变的。 2021/2/16 14 电动势是一个专门描述电源内部特性的物理量。由图1 - 6可见，为了维持导体中电荷源源不断地移动，电源内必须有一种外力克服电场力将正电荷从b端移到a端，这种非电场力把单位正电荷在电源内部由低电位点b端移到高电位点a端所做的功，称为电动势，用 E 表示。 3. 电动势 注意：电势的正方向是电源内部从低电位指向高电位。 图 1-6 2021/2/16 15 4. 电功率与电能 （ 1 ）电功率 电功率就是单位时间内电流所做的功。即 （ 1-5 ） 在直流电路中，式 1-5 应写为 （ 1-6 ） 2021/2/16 16 对于电路中的元件而言，若其 u 、 i 为关联参考方向，则若 p ＞ 0 ，说明该电路元件吸收了功率；若 p ＜ 0 ，说明该电路元件发出（提供）了功率。 【例1.2】 如图1-7所示， I =2A， U 1 =12V， U 2 =-3V， U 3 =9V，试求各元件吸收(发出)的功率。 解 : 元件 1 、 2 上的电压和电流的参考方向，为关联参考方向，其功率分别为 2021/2/16 17 图 1-7 例 1.2 图 （吸收功率） （发出功率） 元件3上的电压和电流的参考方向为非关联参考方向，其功率为 （发出功率） 2021/2/16 18 （ 2 ）电能 电流所做的功称为 电能，以符号 W ( 或 w ) 表示，其大小为 在直流电路中，式 1-7 又变为 电业部门用千瓦时测量用户消耗的电能。 （ 1-8 ） （ 1-7 ） 2021/2/16 19 万用表有指针式和数字式两种。指针式万用表主要用于直流电流、直流电压、交流电压及电阻等的测量;数字式万用表除了具有指针式万用表的测量功能外,还增加了测量交流电流、电容及电感的功能,而且还可以用来检测二极管的性能、检查电路的通断及测量晶体管的电流放大系数 h FE 。 1.2　万用表 2021/2/16 20 1. 结构 （ 1 ）表头　 （ 2 ）测量电路　 （ 3 ）转换开关 一般采用多层、多刀、多掷波段开关或专用转换开关。 图1-8　MF-30型万用表面板 2021/2/16 21 以MF - 30型万用表为例介绍。 （ 1 ）直流电流的测量 将万用表的转换开关旋至直流电流档（ ）区域，这时万用表就相当于一个磁电式直流电流表。 其测量原理电路如图 1-9 所示 。 注意： 测量直流电流时，万用表应串入被测电路，且被测电流应从“+”端流入，从“-”端流出，同时选择合适的量程。 2.测量原理 2021/2/16 22 （ 2 ）直流电压的测量 将万用表的转换开关旋至直流电压（ ）档的区域，万用表就变成了直流电压表。 其测量电路如图 1-10 所示 。   图 1-9 测量直流电流的原理电路 图 1-10 测量直流电压的原理电路 2021/2/16 23 （ 3 ）交流电压的测量 若把万用表的转换开关旋至交流电压（ ）档位，就可 以测量交流电压。 其测量电路如图 1-11 所示，图中 、 为整流二极管。 （ 4 ）电阻的测量 若把万用表的转换开关旋至电阻档(Ω)区域，就可以测量电阻。 其测量电路如图 1-12 示，测量电阻需要接人电池（图中的 1.5V ）。   2021/2/16 24 图 1-11 测量交流电压的原理电路 图 1-12 测量电阻的原理电路 2021/2/16 25 使用万用表测量电阻时必须注意以下几点： 2）不能在电路带电的情况下测量电阻，否则受被测电路电压的影响，不仅不能测到准确的电阻值，而且还可能损坏万用表。 3) 测量完毕，应将万用表的转换开关放置到交流电压的最高量程档，即500V档。 1）测电阻前必须先调零。 2021/2/16 26 1.3　绝缘电阻表 绝缘电阻表习称兆欧表，俗称摇表。是一种简便、常用的测量高电阻的仪表，主要用来检测供电线路、电机绕组、电缆等的绝缘电阻，以便检验其绝缘程度的好坏。 常见的兆欧表主要由作为电源的高压手摇发电机和磁电式流比计两部分组成，兆欧表的外形与工作原理如图 1 - 13所示。 2021/2/16 27 图1-13　兆欧表的外形与工作原理 2021/2/16 28 1 ）检查绝缘电阻表是否正常。 2）检查被测电气设备和线路， 看其是否已全部切断电源。 3）测量前应对设备和线路先行放电，以免设备或线路的电容放电危及人身安全和损坏绝缘电阻表，同时还可以减少测量误差。 使用兆欧表前应进行以下准备工作： 2021/2/16 29 1）绝缘电阻表必须水平放置于平稳、牢固的地方，以免在摇动时因抖动和倾斜产生测量误差。 2）接线必须正确无误，接线柱“E”（接地）、 “L”（线路）和 “G” （保护环或称屏蔽端子）与被测物的连接线必须用单根线，要求绝缘良好，不得绞合，表面不得与被测物体接触。 正确使用 兆欧表 : 3）摇动手柄的转速要均匀，一般规定为120 r/min，允许有 ± 20%的变化，但不应超过25%。 2021/2/16 30 4）测量完毕，应对设备充分放电，否则容易引起触电事故。 5）严禁在雷电时或附近有高压导体的设备上测量绝缘电阻，只有在设备不带电又不可能受其他电源感应而带电的情况下才可进行测量。 6）绝缘电阻表未停止转动之前，切勿用手去触及设备的待测量部分或绝缘电阻表的接线柱。 7）绝缘电阻表应定期校验，其方法是直接测量有确定值的标准电阻，检查其测量误差是否在允许范围之内。 2021/2/16 31 1.4　电能表 用来测量电能的仪表称为电能表(习称电度表)。电能表除必须具有测量功率的机构外。还应能计算负载用电的时间。并通过计度器把电能自动累计出来。 单相感应系电度表是感应系电度表中最简单的 — 种，也是构成其他感应系电度表的基础，其结构如图 1-14 所示。 1. 单相有功电能表的结构 2021/2/16 32 图1-14　单相感应式电能表结构示意图 1—电压电磁铁　2—电流电磁铁 3—铝盘　4—转轴　5—上轴承 6—下轴承　7—蜗轮　8—制动电磁铁 9—计度器　10—接线端子　11—铭牌 2021/2/16 33 图1-15　单相电能表的接线 2. 单相电能表的接线 接线盒内有四个接线端子，一船应符合“火线 1 进 2 出”和“零线 3 进 4 出”的原则接线，“进”端接电源，“出”端接负载，如图 1-15 所示。 2021/2/16 34 任务2　电阻元件与欧姆定律 2.1　电阻元件 1.电阻元件的图形、文字符号 实际电路中的耗能元件均可用电阻元件等效，如白炽灯、电炉等。电阻以 R 表示，电阻的单位为欧姆，简称欧(Ω)。此外还常用千欧(kΩ)、兆欧(MΩ)等单位。 图 2-1 所示为常用电阻的外形图，图 2-2 所示为电阻的图形符号。 2021/2/16 35 图 2-1 常用电阻的外形 图 2-2 电阻的图形符号 2021/2/16 36 2. 电阻的主要参数 电阻的主要参数有两个:电阻标称阻值和误差、额定功率。电阻标称阻值和误差可以通过外表的标识进行判定。电阻外表标识的方法通常有以下两种。 （ 1 ） 直标法 即直接用数字表示电阻的标称阻值和误差，例如电阻上印有 “52kΩ 5%”，则表示该电阻的阻值为52kΩ，误差为5%。 2021/2/16 37 （ 2 ）色标法 即用不同颜色的色环表示电阻的阻值和误差，也称色码电阻。表2-1为四环电阻色环颜色与数值对照表。 2.2　欧姆定律 欧姆定律是指流过线性电阻的电流与其端电压成正比的关系。直流电路中，当电阻元件上的电压与电流为关联参考方向时，其关系式为 （ 2-1 ） 2021/2/16 38 表2-1　四环电阻色环颜色与数值对照表 2021/2/16 39 如图 2-3 所示，图中色码电阻的阻值为： 。 图 2-3 色码电阻的标注 图 2-4 闭合回路 2021/2/16 40 对于闭合电路，如图 2-4 所示，回路的电压、电流之间也必须遵守欧姆定律，其计算公式如下 式 2-2 中的分母是该闭合回路所有电阻的代数和；分子是该闭合回路所有电势的代数和。当电势与电流的方向一致时，电势取“ +” ，反之取“ -” 。 （ 2-2 ） 2021/2/16 41 在介绍基尔霍夫定律之前，先介绍几个有关的名词。 图　3-1 任务3　基尔霍夫定律 1）支路（branch） 电路中每个无分支的路径叫做支路。 图 3-1 示电路中有 bae 、 bce 、 bde 3 条支路。 2021/2/16 42 2）节点（node） 电路中3条或3条以上支路的连接点叫做节点。 图 3-1 示电路中有 b 、 e 2 个节点。 3）回路（loop） 电路中任何一个闭合路径叫做回路。 图 3-1 示电路中有 baedb 、 baecb 、 bdecb 3 个回路。 4）网孔（ mesh ） 内部不含支路的回路叫做网孔。 图 3-1 示电路中有 baedb 、 bdecb 2 个网孔。 2021/2/16 43 1. 基尔霍夫电流定律 Kirchholf