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1、DIANGONG YU DIANZI JISHU 高等職業(yè)技術(shù)教育建筑設(shè)備類專業(yè)規(guī)劃教材 1 主 編：李 文 王慶良 副主編：孫全江 韋 宇 主 審：于昆倫 電工與電子技術(shù) 上篇 電工學(xué) 2 本教材定位于高等職業(yè)技術(shù)教育建筑設(shè)備類專業(yè)層次， 突破傳統(tǒng)職業(yè)教育的課程體系，加強職業(yè)技能的培養(yǎng)， 突出職業(yè)教育的特色，全面培養(yǎng)學(xué)生的職業(yè)素質(zhì)與職 業(yè)能力。教材內(nèi)容充分體現(xiàn)建筑設(shè)備行業(yè)的最新知識 和成果，將傳統(tǒng)的理論和技術(shù)與最新的成果結(jié)合，形 成新的體系。為了提高學(xué)生的實際動手能力，每個單 元均增加了實踐與能力訓(xùn)練項目，所選項目側(cè)重于基 本技能的訓(xùn)練，同時注意綜合性、工程性，以達(dá)到培 養(yǎng)學(xué)生工程應(yīng)用能力的
2、目的。本書中的圖形、符號均 按新的國家標(biāo)準(zhǔn)編寫。通過本教材的學(xué)習(xí)，使學(xué)生掌 握電工與電子技術(shù)的基本理論、基本知識和基本技能 , 具有對一般電路進(jìn)行分析、計算和實驗操作的能力， 為學(xué)習(xí)后續(xù)課程和專業(yè)知識及今后從事工程技術(shù)工作 打下堅實基礎(chǔ)。 前 言 3 本教材可作為高職高專建筑設(shè)備工程技術(shù)專業(yè)、樓宇 智能化專業(yè)及其他相關(guān)專業(yè)的教材。全書共分 10個單 元，按 75學(xué)時編寫。每單元首有知識點和能力目標(biāo)， 單元末有單元小結(jié)、思考題與習(xí)題以及實踐與能力訓(xùn) 練，便于讀者自學(xué)和復(fù)習(xí)。 本書由湖南城建職業(yè)技術(shù)學(xué)院李文副教授與遼寧職業(yè) 技術(shù)學(xué)院王慶良副教授擔(dān)任主編。本教材編寫分工為： 單元 1、 8由廣西建設(shè)
3、職業(yè)技術(shù)學(xué)院韋宇編寫，單元 2、 3由湖南城建職業(yè)技術(shù)學(xué)院李文編寫，單元 4由浙江建 設(shè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院孫全江編寫，單元 5由湖南城建職業(yè) 技術(shù)學(xué)院周友初編寫，單元 6、 7由遼寧職業(yè)技術(shù)學(xué)院 王慶良編寫，單元 9、 10由遼寧職業(yè)技術(shù)學(xué)院張鍵編 寫。 前 言 4 上篇 電工學(xué) 單元 1 直流電路 1 單元 2 單相交流電路 2 單元 3 三相交流電路 3 單元 4 磁路和變壓器 4 單元 5 電動機 5 目 錄 DIANGONG YU DIANZI JISHU 高等職業(yè)技術(shù)教育建筑設(shè)備類專業(yè)規(guī)劃教材 5 主 編：李 文 王慶良 副主編：孫全江 韋 宇 主 審：于昆倫 電工與電子技術(shù) 上篇 電工學(xué)
4、 單元 1 直流電路 6 【 知識點 】 電路的組成及基本物理量；線性和非線性電阻的概念； 電氣設(shè)備的額定值；電路的工作狀態(tài)；歐姆定律；基 爾霍夫定律；戴維南定律；電壓源和電流源及等效變 換；電路分析計算方法。 【 能力目標(biāo) 】 熟練掌握直流電路的分析、計算及實際運用。 單元 1 直流電路 7 單元 1 直流電路 1.1 電路的組成及基本概念 1 1.2 電路的基本定律 2 1.3 電路的分析與計算 3 小 結(jié) 4 8 1.1.1.1 電路組成 電流流經(jīng)的途徑叫做電路。電路主要由電源、中間環(huán) 節(jié)、負(fù)載等電氣設(shè)備或元件組成。 電路的主要作用是將電能進(jìn)行傳輸、分配和轉(zhuǎn)換，其 次是能實現(xiàn)信號的傳遞和
5、處理。例如，利用電燈可以 將電能轉(zhuǎn)換成光能提供照明；電話機可以將接收到的 信號進(jìn)行處理，轉(zhuǎn)換成聲音。 如 圖 1.1所示為一簡單的實際照明電路。 電路中的電源主要提供電能。電能可以由其他形式的 能量轉(zhuǎn)換而來，也可以由交流電轉(zhuǎn)換成為直流電。 1.1 電路的組成及基本概念 1.1.1 電路的組成 9 中間環(huán)節(jié)主要由導(dǎo)線、控制設(shè)備等組成，起到傳輸、 分配及控制電能的作用。 負(fù)載，也稱用電器，是取用電能的裝置。如小燈泡將 電能轉(zhuǎn)換成為光能，供人們照明用；電爐可以將電能 轉(zhuǎn)換成為熱能。 圖 1.1 簡單的實際照明電路 1.1 電路的組成及基本概念 10 1.1.1.2 電路模型 為了便于對電路進(jìn)行分析和
6、計算，人們將實際電路中 的元件進(jìn)行簡化，忽略其次要因素，將它們視為理想 電路元件，并用規(guī)定的圖形和符號表示，建立了電路 模型。 圖 1.1的電路模型如 圖 1.2所示。 圖 1.2 圖 1.1的電路模型 1.1 電路的組成及基本概念 11 1.1.2.1 電流 電流是由電荷定向運動形成的。為了表達(dá)電流的強弱， 規(guī)定了電流強度這一物理量。 圖 1.3導(dǎo)體中的電流電流強度是指在電場的作用下，單 位時間內(nèi)通過導(dǎo)體某一橫截面的電量。若在 dt時間內(nèi)， 通過導(dǎo)體某一截面 S的電量為 dq（如 圖 1.3所示），則 電流強度為： dt dqi 1.1.2 電路的基本物理量 （ 1.2） 圖 1.3 導(dǎo)體中
7、的電流 1.1 電路的組成及基本概念 12 1.1 電路的組成及基本概念 13 參考方向可以人為選定。在分析、計算過程中，若電 流的實際方向和參考方向一致，電流的值為正；若電 流的實際方向和參考方向相反，則電流的值為負(fù)。在 假定了電路中電流的參考方向后，就可以根據(jù)電流強 度的正負(fù)值來判斷電流的實際方向，如 圖 1.4所示。 圖 1.4電流的參考方向和實際方向 （ a） I 0； (b) I 0 1.1 電路的組成及基本概念 14 1.1.2.2 電壓 圖 1.5 電壓與電動勢 1.1 電路的組成及基本概念 15 習(xí)慣上，人們把電位下降的方向規(guī)定為電壓的方向，可 以用 +、 -號表示，也可以用箭
8、頭表示。在復(fù)雜電路中， 某元件的電壓實際方向難以確定，可引用電壓的參考方 向這個概念來幫助分析電路。電壓的參考方向是為了分 析和計算方便而假定的電路中某元件或者某段電路的電 壓方向。若在計算結(jié)果中，電壓的值為正，則參考電壓 方向與實際電壓方向一致；若電壓的值為負(fù)，則參考電 壓方向與實際電壓方向相反。在 圖 1.6（ a） 所示的電壓 參考方向下 ,計算得到的電壓結(jié)果 U0；在 圖 1.6（ b） 所 示的電壓參考方向下，計算得到的電壓結(jié)果 U0。 圖 1.6 電壓的參考方向和實際方向 1.1 電路的組成及基本概念 16 1.1.2.3 電動勢 非電場力把單位正電荷在電源內(nèi)部由低電位點 b端移到
9、高 電位點 a端所做的功，稱為電動勢，用 e（ E）表示。 電動勢的實際方向是電源內(nèi)部從低電位指向高電位，單位 與電壓相同，用伏特（ V）表示。 1.1.2.4 關(guān)聯(lián)正方向 如 圖 1.7所示，電路中，若電壓和電流的參考方向一致時， 稱為關(guān)聯(lián)參考方向，也稱關(guān)聯(lián)正方向；若電壓和電流參考 方向不一致時，稱為非關(guān)聯(lián)參考方向。 圖 1.7 電壓和電流的關(guān)系 (a) 電壓和電流為關(guān)聯(lián)參考方向； (b) 電壓和電流為非關(guān)聯(lián)參考方向 1.1 電路的組成及基本概念 17 1.1.2.5 電位 圖 1.8 電壓和電位 1.1 電路的組成及基本概念 18 1.1.2.6 電功率和電能 1.1 電路的組成及基本概念
10、 19 圖 1.10 功率的計算 圖 1.7（ a） 圖 1.7（ b） 1.1 電路的組成及基本概念 20 電路通常有開路、短路和負(fù)載三種工作狀態(tài)。 1.1.3.1開路（空載）狀態(tài) 在 圖 1.11所示電路中，當(dāng)開關(guān)處于打開狀態(tài)時，外電 路與電源斷開，電路工作 在開路狀態(tài)，也稱為空載 狀態(tài)。 電路處于開路狀態(tài)時，電 路中的電流 I為 0，電源的 端電壓 U等于電源電動勢 Us，負(fù)載 R的端電壓 U0為 0，此時，外電路元件的 功率 P也為 0。 1.1.3 電路的工作狀態(tài) 圖 1.11 電路的開路狀態(tài) 1.1 電路的組成及基本概念 21 1.1.3.2 短路狀態(tài) 圖 1.12 電路的短路狀態(tài)
11、 1.1 電路的組成及基本概念 22 1.1.3.3 負(fù)載狀態(tài) 圖 1.11 1.1 電路的組成及基本概念 23 1.1.3.4 電氣設(shè)備的額定值 1.1 電路的組成及基本概念 24 在實際電路中，負(fù)載元件的種類很多，電阻元件是比 較常見的一種。 通常情況下，白熾燈、揚聲器、電爐絲等負(fù)載元件都 可以等效為電阻元件。為了電路工作需要，還專門制 作了不同型號、規(guī)格的電阻元件，稱為電阻器，簡稱 為電阻。 一般所說的電阻元件，其阻值為定值。這類電阻也稱 為線性電阻。 在國際單位制中，電阻值的單位為歐姆（ ），常用 的單位還有千歐（ k）、兆歐（ M）。 1.2.1 電阻元件和歐姆定律 1M=103k=
12、106 1.2 電路的基本定律 25 對線性電阻而言，通過電阻的電流與電阻兩端的電壓 成正比，這就是歐姆定律。它是分析電路的基本定律 之一。如對于 圖 1-13（ a）， 歐姆定律可以用下式表 示 （ 1-9） 根據(jù)所選的電壓和電流的參考方向的不同，歐姆定很 可以帶有正號或者負(fù)號。比如 圖 1-13（ a)，電壓和電 流的參考方向為關(guān)聯(lián)參考方向，則歐姆定律寫 （ 1-10） 如 圖 1-13（ b） 和 圖 1-13（ c）， 當(dāng)電壓和電流的參考 方向為非關(guān)聯(lián)方向時，歐姆定律則寫為： （ 1-11） I UR RIU RIU 1.2 電路的基本定律 26 例 1.4 如 圖 1-14，根據(jù)歐姆
13、定律，求出電阻的阻值。 圖 1.13 歐姆定律 圖 1.14 例 1.4圖 1.2 電路的基本定律 27 分析與計算電路的基本定律，除了歐姆定律以外，還 有基爾霍夫定律?；鶢柣舴蚨煞譃殡娏鞫珊碗妷?定律。 圖 1.15基爾霍夫定律電路中通以相同的電流且沒有分 支的一段電路，稱為支路。支路中通過的電流稱為支 路電流。 圖 1.15的電路中共有 b a f e、 b e、 b c d e三條支路。 電路中三條或者三條以上的支路的連接點稱為節(jié)點。 圖 1.15電路中有 b、 e兩個節(jié)點。 電路中任意一條或者多條支路組成的閉合的電路稱為 回路。如 圖 1.15中的 a b e f a回路、 b c
14、 d e b回路、 a b c d e f a回路。 1.2.2 基爾霍夫定律 1.2 電路的基本定律 28 基爾霍夫電流定律是用來確定連接在同一節(jié)點的各支 路的電流間關(guān)系的。由于電流的連續(xù)性，電路中任何 一個節(jié)點都不能堆積電荷。因此，在任意一瞬間，流 入節(jié)點的電流和流出節(jié)點的電流是相等的。這就是基 爾霍夫電流定律（ KCL）。 圖 1.15 基爾霍夫定律 1.2 電路的基本定律 29 對于圖 1.15的節(jié)點 b，可得下式 : 也可以寫成 : 即 : 就是在任意一時刻，一個節(jié)點上電流的代數(shù)和等于零。 根據(jù)式 1.12，規(guī)定了電流的參考方向，即流入節(jié)點的 電流取正號，流出節(jié)點的電流取負(fù)號。由于這
15、個參考 方向的規(guī)定，有時計算出來的電流是負(fù)值，這是由于 規(guī)定的電流參考方向和電流實際方向不一致造成的。 321 III 0321 III 0I(1-12) 1.2 電路的基本定律 30 圖 1.16 基爾霍夫電流 定律的推廣 1.2 電路的基本定律 31 基爾霍夫定律的另一個內(nèi)容是針對回路電壓的。對于 電路中的任意一條回路，如果從回路中的任一點出發(fā) 沿回路繞行一圈，則回路中的電位升之和等于電位降 之和，這個定律稱為基爾霍夫電壓定律（ KVL）。 圖 1.17 例 1.5圖 1.2 電路的基本定律 32 圖 1.18 基爾霍夫電壓定律 1.2 電路的基本定律 33 式（ 1.15）是基爾霍夫電壓
16、定律的另一種表達(dá)方式。 在電路中的任意一條回路，電源電動勢的代數(shù)和等于 電阻元件電壓的代數(shù)和。在此，凡是電動勢的參考方 向與所選取的繞行方向一致者，取正號，反之取負(fù)號； 凡是電流的參考方向與所選取的繞行方向一致的，在 電阻上產(chǎn)生的電壓取正號，反之取負(fù)號。 基爾霍夫定律也可以應(yīng)用 于回路的一部分電路，如 圖 1.19所示，選擇順時針 繞行方向可得 : 或 0 IRUU S IRUU S 圖1.19 基 爾 霍 夫 定 律 的 推 廣 應(yīng) 用 1.2 電路的基本定律 34 圖 1.15 1.2 電路的基本定律 35 電阻是電路中常見的元件。電阻在電路中主要有 串聯(lián) 和 并聯(lián) 兩種連接方式。 1.3
17、.1.1 電阻的串聯(lián) 兩個或者兩個以上的電阻依次相連，流過同一電流， 這種連接方式叫電阻的 串聯(lián)。如 圖 1.20所示， 圖 1.20（ b） 是 圖 1.20 （ a)的等效電路。 1.3.1 簡單電路的分析與計算 圖 1.20電阻的串聯(lián) (a) 兩個電阻串聯(lián)； (b) 等效電路 1.3 電路的分析與計算 36 電阻串聯(lián)電路有以下性質(zhì)： n個電阻串聯(lián)，則各電阻中電流處處相等，并等于 電路的總電流。 （ 1.16） 串聯(lián)電路兩端的總電壓 U等于各電阻的電壓之和。 （ 1.17） n個電阻串聯(lián)，其等效電阻 R等于各電阻之和。 （ 1.18） 利用電阻的串聯(lián)可以起到分壓作用。如 圖 1.20（ a
18、)， 電路兩端的總電壓為 U，而電阻 R1和 R2的電壓 U1、 U2 分別為： （ 1.19） （ 1.20） nIIIII 321 nUUUUU 321 nRRRRR 321 R URIRU 1 11 R URIRU 2 22 1.3 電路的分析與計算 37 1.3.1.2 電阻的并聯(lián) 兩個或者兩個以上電阻接在相同的兩點之間，其兩端 電壓相同，這種連接方式叫做電阻的并聯(lián)。如 圖 1.21 所示， 圖 1.21（ b） 是 圖 1.21（ a） 的等效電路。 圖 1.21 電阻的并聯(lián) (a) 兩個電阻并聯(lián)； (b) 等效電路 1.3 電路的分析與計算 38 并聯(lián)電路有以下特點： n個電阻并聯(lián)
19、，電路的總電流 I等于各電阻上的電流 之和。 （ 1.21） n個電阻并聯(lián)，電路兩端的總電壓 U等于各電阻兩 端電壓。 （ 1.22） n個電阻并聯(lián)，電路的等效電阻 R的倒數(shù)等于各電 阻倒數(shù)之和。 （ 1.23） nIIIII 321 nUUUUU 321 nRRRRR 11111 321 1.3 電路的分析與計算 39 圖 1.21（ a） 1.3 電路的分析與計算 40 在實際電路中，電阻的連接方式并不是簡單的只有串 聯(lián)或者并聯(lián)，如 圖 1.22所示，電路中既有電阻的串聯(lián)， 也有電阻的并聯(lián)。 例 1.7 電路如 圖 1.22所示，求電路的等效電阻 R。 圖 1.22 混聯(lián)電阻電路 1.3
20、電路的分析與計算 41 1.3.2.1 電壓源、電流源及其等效變換 電源是電路中能量的來源。在直流電路中，電流有兩 種不同的電路模型。一種是用電壓的形式來表示，稱 為電壓源；另一種是用電流的形式來表示，稱為電流 源。 圖 1.23電壓源電路實際的電源，都含有電動勢 Us和內(nèi) 阻 R0。在分析與計算電路時，往往把它們分開，組成 由 Us和 R0串聯(lián)的電源電路模型，這就是電壓源，如 圖 1.23所示。在圖中， U即電壓源輸出電壓， RL為負(fù)載 電阻。 根據(jù) 圖 1.23電路可得： （ 1-27） 0IRUU S 1.3.2 復(fù)雜電路的分析與計算 1.3 電路的分析與計算 42 圖 1.24 電壓源
21、輸出電壓特性曲線 圖 1.23 電壓源電路 1.3 電路的分析與計算 43 1.3 電路的分析與計算 44 圖 1.25 電流源電路 1.3 電路的分析與計算 45 在電路分析過程中，為了方便，我們常常將電壓源和 電流源進(jìn)行變換。這種變換對外部電路而言是等效的， 但對電源內(nèi)部而言，則是不等效的。 電壓源和電流源的等效變換如 圖 1-26所示，其中 或 （ 1-29） 需要指出的是，理想電壓 源和電流源本身之間沒有 等效關(guān)系，不能進(jìn)行等效 變換。 0R UI S S 0RIU SS 圖 1.26 電壓源與電流源的等效變換 1.3 電路的分析與計算 46 1.3.2.2 支路電流法 在分析復(fù)雜電路
22、時，支路電流法是最基本方法。支路 電流法主要是通過求解出電路中所有支路的電流，從 而求解出其他的電路參數(shù)。 應(yīng)用支路電流法的基本步驟為： 確定電路中的全部支路數(shù) N； 確定電路中的全部節(jié)點數(shù) m，并根據(jù) KCL列出 （ m-1）個節(jié)點電流方程； 再根據(jù)電路中的回路，根據(jù) KVL列出 N-（ m-1）個 回路電壓方程； 聯(lián)立以上 N個方程，組成方程組并解方程組。 1.3 電路的分析與計算 47 例 1.8 電路如 圖 1.27所示，根據(jù)支路電流法，列出求 解全部支路電流的方程。 圖 1.27 支路電流法 1.3 電路的分析與計算 48 例 1.9 在 圖 1.28所示電路中，設(shè) Us=12V，
23、R1=R2=R4=5， R3=10。中間支路是一個檢流計， 其電阻 RG=10。試求檢流計電流 IG。 圖1.28 例1.9 圖 1.3 電路的分析與計算 49 1.3.2.3 戴維南定理 戴維南定理也稱有源二端網(wǎng)絡(luò)或等效電源定理。任何 有源二端網(wǎng)絡(luò)對其網(wǎng)絡(luò)以外的電路，相當(dāng)于一個電源， 其等效電源電動勢等于有源二端網(wǎng)絡(luò)的開路電壓，而 等效電源的內(nèi)阻等于網(wǎng)絡(luò)內(nèi)各電源用電阻代替時網(wǎng)絡(luò) 的開路端等效電阻。假如有源二端網(wǎng)絡(luò)能夠簡化為一 個等效電源，則復(fù)雜電路就變成一個等效電源和待求 支路相串聯(lián)的簡單電路，如 圖 1.29所示。 圖1.29 戴 維 南 定 理 1.3 電路的分析與計算 50 所謂二端網(wǎng)
24、絡(luò)是指任何具有兩個接線頭的部分電路。 若在此部分電路中包含有電源存在，這個二端網(wǎng)絡(luò)稱 為有源二端網(wǎng)絡(luò)。 例 1.10 如 圖 1.30所示，已知 Us1=15V， Us2=12V， R1=1， R2=2， R=30，試?yán)么骶S南定理求負(fù)載 電阻 R中的電流。 圖 1.30 例 1.10圖 1.3 電路的分析與計算 51 本章小結(jié) 電流的流經(jīng)途徑叫做電路。電路主要由電源、中間環(huán) 節(jié)及負(fù)載組成。電路分為開路、短路和負(fù)載三種工作 狀態(tài)，短路狀態(tài)會造成電路及電源的損壞。 電路的基本物理量是電流強度、電壓（電位差）、電 位和電動勢。在分析復(fù)雜電路時，常常無法馬上確定 電路中電流、電壓等物理量的實際方向，
25、可以假設(shè)這 些物理量的方向，稱為電流或者電壓的參考方向。電 路中某點的電位是相對于參考點而言的，參考點不同， 電位的數(shù)值也不同；而兩點間的電壓則是兩點的電位 差，與電位參考點的選擇無關(guān)。電流在單位時間內(nèi)所 做的功稱為電功率，電功率是衡量電器在單位時間內(nèi) 消耗電能多少的物理量。 小 結(jié) 52 電阻分為線性電阻和非線性電阻，線性電阻符合歐姆 定律，非線性電阻不符合歐姆定律。電阻串聯(lián)具有分 壓作用，電阻并聯(lián)具有分流作用。 歐姆定律解釋了線性電阻元件的電阻值、電壓和電流 的關(guān)系，是分析電路最重要、最基本的定律之一。對 于一段電路，有 I=U/R。 基爾霍夫定律是解決復(fù)雜電路的基本定律。基爾霍夫 定律有
26、兩個內(nèi)容：一個是基爾霍夫電流定律（ KCL）， 它表明對電路中的任何一個節(jié)點，流入節(jié)點的電流和 流出節(jié)點的電流是相等的；另一個是基爾霍夫電壓定 律（ KVL），它表明對于電路中任何一條回路，電位 升的總量和電位降的總量是相等的。 小 結(jié) 53 支路電流法是基爾霍夫定律和歐姆定律的一個具體應(yīng) 用。它借助這兩個定律，通過求解出電路中所有支路 電流來求解電路中其他物理量。 進(jìn)行電壓源和電流源變換時，要考慮電源的極性。這 種變換對外部電路而言是等效的，但對電源內(nèi)部而言， 則是不等效的。 戴維南定理也稱有源二端網(wǎng)絡(luò)定理。任何一個含有電 源的二端網(wǎng)絡(luò)都可以用一個等效電源來代替。戴維南 定理的應(yīng)用，簡化了一些電路分析的過程。 小 結(jié)
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