电工技术(电工学Ⅰ)
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1.1 电路基础知识

1.1.1 电路和电路模型

1.电路功能与组成

电路从广义来说就是电流所经过的路径。从物理结构上来理解,电路是由一些实际的元器件按一定的要求连接起来的整体。

电路的种类繁多,就其功能来看,电路分为两类:

(1)将电能经过传输、分配与转换后,输送给用电负载,这类电路称为电力电路,由于工程上其电压比较高,电流比较大,所以又称为强电电路。

如图1-1所示为电力传输电路示意图。发电机是电源,它发出电能(由其他能源转换而来)。使用电能的电器是负载(如电灯、电动机或其他用电设备),它们将电能转换为其他形式的能量(如热能、机械能、光能等)。连接电源和负载的中间部分称为中间环节。这在电力传输电路中又称为输变电环节。

图1-1 电力传输电路示意图

(2)将载有信息的电信号经过传递和处理后,再由负载输出所需要的信息,这类电路称为电信电路,由于其电压、电流值比较小,所以又称为弱电电路。

如图1-2所示为工程中工件受压测量电路示意图。其中,压电传感器是将工件所受的外压力转换为对应的电信号,可看作是一种信号源。显示仪表可看作是负载,用于将经过处理后的电信号转换为可视的信息。而连接信号源(压力传感器)和负载(显示仪表)的中间部分称为中间环节,它对信号源(压力传感器)输出的电信号进行采集、处理和传递。

图1-2 工件受压测量电路示意图

在实际工程中,不论电路的结构如何复杂,从宏观上看,电路可划分为电源、负载和中间环节3部分组成。

为了便于设计、安装或维修电气设备的实际电路,并能描述出电路中元件之间的连接关系,常采用特定的符号来表示各电路元件及其连接。用规定的符号来表示电路元件间连接图的称作“电路原理图”,简称为电路图。各国都有自己的统一规定符号标准,这就是常讲的“国标”。中国的电气图形符号和字母符号新标准为:GB/T 4728—86《电气简图用图形符号》和GB 7159—87《电气技术中的文字符号制订通则》。表1-1为几种常用的标准图形符号。

表1-1 几种常用的标准图形符号

本书各章电路图均采用新国标图形符号。

2.电路模型

实际的电路元器件,其电磁特性一般都比较复杂。例如,由铜线绕制的电感线圈元件,其铜线本身有欧姆电阻存在,当有电流通入线圈时,周围存在磁场,有电感效应。在绕制线圈时,为防止线圈匝间短路,而在匝间放置有绝缘介质(如涂有绝缘漆),这又构成了电容器的物理结构,存在分布电容效应。若全部考虑这些电磁性质,往往难以用简单的数学关系式清楚地表示它们的物理性质和进行定量分析。因此,在对实际的复杂电路进行分析和计算时,常将实际电路元件在一定的工作条件下,突出它的主要物理电特性、磁特性,而忽略次要因素,用一个或几个单一物理性质的理想电路元件的组合来等效替代实际元件。这样得到的由理想电路元件组成的模型电路,称为实际电路的电路模型,简称电路。

在电路理论中,最基本的理想电路元件分为两类:一类是无源元件,即电阻元件、电感元件、电容元件;另一类是有源元件,即理想电压源(恒压源)、理想电流源(恒流源)。

如图1-3所示为电动车电池对灯泡供电的电路。在图中,电池是提供能量的电源,小灯泡是负载(消耗电能、转换为热能和光能),开关和导线看做是将电源与负载连接成闭合回路的中间环节。图1-4是对应于图1-3的原理电路图。

图1-3 电动车电池对灯泡供电电路

图1-4 对应于图1-3的原理电路图

下面建立图1-4的电路模型。

在图1-4中,作为电源的实际电池模型,可用理想电压源US与电池内阻RS串联的组合模型来代替;作为负载的小灯泡,可用反映灯工作时消耗电能的电阻R模型来代替,虽然灯泡在工作时,其周围存在磁场,但磁场很弱,不影响灯泡的亮度,则在电路分析时,磁场作用可忽略不计。由于图中的连接导线比较短,其电阻小到可以忽略不计,则连接导线用电阻值近似为零的理想导线来等效替代(若不能忽略供电导线电阻时,可以用集中的电阻元件来表示)。开关则用接通后电阻近似为零,断开后电阻为无穷大的理想开关S来替代。经过近似处理后,图 1-5是图1-4原理电路图的电路模型图(即电路)。

图1-5 电动车电池对灯泡供电的电路模型

由电路元件的相互连接而构成的整体电路又称为电路网络。了解电路网络拓扑连接结构的特点有助于今后对整个电路的分析和数学描述。

下面介绍电路网络拓扑连接结构的几个基本术语(又称为电路网络结构的基本元素)。