新能源汽車電力電子技術(shù) 課件 第1章 直流電路、第2章 交流電路

第1章直流電路【案例5】百雞問題

1.2

電路的基本定律1.3

電路的工作狀態(tài)1.4

電路的基本物理量

支路的基本分析方法1.51.1電路的基本概念1.1.1電路的組成1.1.2電路模型1.1.3電路的作用1.1.1電路的組成電路，簡單地說就是電流流通的路徑。它是由若干電氣設(shè)備或元件按照一定方式用導(dǎo)線聯(lián)結(jié)而成的，通常由電源、負(fù)載和中間環(huán)節(jié)三個部分組成。電源是將其他形式的能量轉(zhuǎn)換為電能的裝置，負(fù)載是消耗電能的設(shè)備，中間環(huán)節(jié)包括變壓器、聯(lián)結(jié)導(dǎo)線、控制開關(guān)和保護(hù)裝置等。汽車電源系統(tǒng)電路如圖1-1所示。發(fā)電機(jī)和蓄電池是電源，用電設(shè)備和起起動機(jī)是負(fù)載，起動按鈕（包括開關(guān)S、調(diào)節(jié)器、熔斷器、電流表A、連接導(dǎo)線）都是中間環(huán)節(jié)。電路理論中，通常用電路原理圖來表示實際電路。

圖1-1汽車電源系統(tǒng)電路電路理論中，通常用電路原理圖來表示實際電路。在電路原理圖中，各種電器元件都不需要畫出原有的形狀，而是采用統(tǒng)一規(guī)定的圖形符號來表示，所以圖1-1就是汽車電源系統(tǒng)電路原理圖。1.1.1電路的組成1.1.2電路模型為了便于對實際電路進(jìn)行分析，必須在一定的條件下對實際部件加以理想化，突出其主要的電磁特性，而忽略其次要因素，用一個足以表征其主要性質(zhì)的模型來表示它。這樣，實際電路就可近似地看是由這些理想電路元件組成的電路，也可稱作實際電路的電路模型。各種理想元件都用一定的符號圖形表示，圖1-2是理想電路元件的符號圖形。電阻

電感

電容

恒壓源

恒流源圖1-2理想電路元件符號一類是電力電路，其主要作用是電能的傳輸和轉(zhuǎn)換。如把發(fā)電廠發(fā)電機(jī)組產(chǎn)生的電能，通過變壓器、輸電線路送到工廠和千家萬戶的電力系統(tǒng)。一類是信號電路，其主要作用是傳遞和處理電信號。如各種物理量的測量電路、放大電路、聲音、圖像或文字處理電路等。1.1.3電路的作用1.2電路的基本物理量1.2.1

電流1.2.2

電壓與電動勢1.2.3

電位1.2.4

電能和電功率1.2.1電流

電流是帶電粒子（電子、離子等）在外電場的作用下做有秩序的移動而形成的。電流的大小等于單位時間內(nèi)流過導(dǎo)體橫截面的電荷量，用符號i表示.大小和方向不隨時間變化的電流稱直流電流（DC）。用大寫英文字母I表示在復(fù)雜的電路分析過程中，一段電路電流的實際方向很難預(yù)先判斷出來，在電路中就無法標(biāo)明電流的實際方向。為了計算方便，在電路分析中引入電流參考方向的概念。

電流的參考方向與實際方向的關(guān)系1.2.2電壓與電動勢1.電壓電路中

、

兩點間的電壓，在數(shù)值上等于電場力把單位正電荷從電路中

點移動到點所做的功，用

公式表示為

電壓的實際方向規(guī)定為由高電位端指向低電位端，即指向電位降低的方向。與電流一樣，在較為復(fù)雜的電路中，往往無法事先確定電壓的實際方向。在電路圖上所標(biāo)出的是電壓的參考方向。電動勢是用來表示電源力移動單位正電荷做功本領(lǐng)的物理量，電源的電動勢

在數(shù)值上等于電源力把正電荷

從負(fù)極

（低電位）經(jīng)由電源內(nèi)部移到電源的正極

（高電位）所做的功

，即電動勢與電壓的關(guān)系：

1.2.2電壓與電動勢

在分析電子電路時，通常要用到“電位”這個概念。從本質(zhì)上說，電位與電壓是同一個概念，電路中某一點的電位就是該點到參考點電壓。在電位這個概念中，一個十分重要的因素就是參考點，在電路圖中，參考點用符號“⊥”表示，通常參考點的電位為零，故參考點又叫做“零電位點”。在工程上常選大地作為參考點。即認(rèn)為大地電位為零。1.2.3電位在圖

所示的直流電路中，

、

兩點間的電壓為

，在

時間內(nèi)電荷

受電場力作用，從

點移動到

點，電場力所做的功為若負(fù)載為電阻元件，則在

時間內(nèi)所消耗的電能為單位時間內(nèi)消耗的電能稱為電功率（簡稱功率），即1.2.4電能和電功率常把某一元件或某一段電路上的電流與電壓的參考方向取為一致（即電流的參考方向是從電壓的正極性端指向負(fù)極性端），稱為關(guān)聯(lián)參考方向，反之稱為非關(guān)聯(lián)參考方向。習(xí)慣上將無源元件取關(guān)聯(lián)參考方向。電路的基本作用之一是實現(xiàn)能量的傳遞，用功率來表示能量變化的速率，常用P或p來表示。在直流情況下，當(dāng)電壓、電流為關(guān)聯(lián)參考方向時P＝UI此時，若算得的功率P＞0，元件為吸收功率；P＜0，則為產(chǎn)生功率根據(jù)功率的正負(fù)便可判斷電路中哪個元件是電源，哪個元件是負(fù)載在關(guān)聯(lián)參考方向下，若P＜0，可斷定該元件為電源；若這P＞0，可斷定該元件為負(fù)載。1.2.4電能和電功率1.3.1

歐姆定律1.3.2

基爾霍夫定律1.3電路的基本定律

歐姆定律是電路的基本定律之一，它指出流過電阻的電流與加在電阻兩端的電壓成正比，與電阻成反比。在上圖的電路中，電壓和電流的參考方向相關(guān)聯(lián)，歐姆定律可用下式表示電壓和電流的參考方向非關(guān)聯(lián)，歐姆定律可用下式表示當(dāng)元件的電壓

U和電流I之間的關(guān)系滿足歐姆定律時，稱為線性器件；當(dāng)器件的電壓U和電流I之間的關(guān)系不滿足歐姆定律，稱為非線性器件。1.3.1歐姆定律（a）

（b）

（c）圖1-11歐姆定律1.3.2基爾霍夫定律

基爾霍夫定律是求解復(fù)雜電路的基本定律1.電路中幾個專用名詞

支路:電路中由一個元件或多個元件組成的一條路徑，可以流過獨立的電流，就稱這條路徑為一條支路。節(jié)點:電路中三條或三條以上支路的聯(lián)結(jié)點稱為節(jié)點?；芈?由若干條支路所組成的閉合路徑稱為回路。（1.3.2基爾霍夫定律2.基爾霍夫第一定律——電流定律（KCL）基爾霍夫電流定律（KCL）指出：在任一時刻，通過電路中任一節(jié)點的各支路電流的代數(shù)和等于零。其數(shù)學(xué)表達(dá)式為各支路電流的正負(fù)號的規(guī)定如下：(1)首先選定各支路電流的參考方向。(2)流進(jìn)節(jié)點電流為正，流出節(jié)點電流為負(fù)。上圖中對于節(jié)點a有：經(jīng)變形得：也可以表述為，在任一時刻，流入電路中任一節(jié)點的各支路電流的代數(shù)和等于流出該節(jié)點的各支路電流的代數(shù)和，即1.3.2基爾霍夫定律

3.基爾霍夫第二定律—電壓定律基爾霍夫電壓定律（KVL）指出：在任一時刻，電路中的任一閉合回路，沿任意方向繞行一周，電壓的代數(shù)和等于零。即各支路電壓正負(fù)號確定如下：(1)首先任意規(guī)定回路的繞行方向。(2)標(biāo)明各支路電壓的參考方向。(3)凡支路電壓參考方向與回路繞行方向一致者，此電壓前面取“+”號；反之，取“-”號。1.3.2基爾霍夫定律在圖所示的閉合回路中，以

繞行方向為回路的繞行方向，應(yīng)用基爾霍夫電壓定律有

其中若將電阻電壓寫在等式的一邊，電源電動勢寫在等式的另一邊，則有即1.4電路的工作狀態(tài)1.4.1

通路狀態(tài)1.4.2

開路狀態(tài)1.4.3

短路狀態(tài)

1.4.1通路狀態(tài)

如圖所示的電路中，當(dāng)開關(guān)

閉合后，電源和負(fù)載接通形成閉合回路，稱為電源的有載工作狀態(tài)，又稱通路狀態(tài)。電路在這種狀態(tài)下，電源輸出的電流即為流經(jīng)負(fù)載的電流，因此電路具有下列特征：

1.電路中的電流（負(fù)載電流）為2.電源端電壓

等于負(fù)載電阻兩端的電壓3.電源的輸出功率為將圖中的開關(guān)斷開，電路即處于開路狀態(tài)。開路也稱為斷路，有時也稱為空載狀態(tài)。電路空載時，外電路呈現(xiàn)的電阻為無窮大（相當(dāng)于

），這時電路具有下列特征：

1.由歐姆定律可知

，所以電路中電流

。2.電源外特性可知

，所以電源的端電壓恒等于電源電動勢，通常應(yīng)用這個特性檢測電路故障。3.電源產(chǎn)生的功率

和負(fù)載消耗的功率

均為零（因為

）。

1.4.2開路狀態(tài)1.4.2短路狀態(tài)當(dāng)電源的兩個輸出端由于某種原因而短接時稱為短路，如圖

所示。電源發(fā)生短路時，主要特征為如下：1.由于無阻導(dǎo)線的存在，使得

，所以電源對輸出的端電壓

。2.電源內(nèi)通過的電流3.流過負(fù)載中的電流

短路是一種嚴(yán)重的事故，應(yīng)盡量避免。通常在電路中接入熔斷器（俗稱保險絲）或者自動斷路器，以便在發(fā)生短路時迅速將故障電路與電源斷開，從而保護(hù)電源的安全。

1.5電路的基本分析方法1.5.1

電阻串并聯(lián)電路1.5.2

支路電流法1.5.1電阻串并聯(lián)電路將若干

個電阻元件

依次連接起來，這種連接方式稱為電阻的串聯(lián)，n個電阻串聯(lián)可等效為一個電阻。下圖是以三個電阻串聯(lián)為例1.流過每個電阻的電流相等。2.電路的總電壓等于各電阻兩端的分電壓之和，即3.電路的總電阻（等效電阻）等于各串聯(lián)電阻之和，即1.電阻的串聯(lián)2.電阻并聯(lián)將

若干個電阻首末端分別連接起來，這種連接方式稱為電阻并聯(lián)，n個電阻并聯(lián)可等效為一個電阻。如圖

所示為三個電阻的并聯(lián)電路。1.各電阻兩端的電壓相等。2.電路的總電流等于流過每個電阻的分電流之和，即(3)電阻并聯(lián)時的總電阻的倒數(shù)等于各并聯(lián)電阻的倒數(shù)之和，即1.5.1電阻串并聯(lián)電路1.5.2支路流法

支路電流法是以支路電流為未知量，應(yīng)用基爾霍夫電流定律()和基爾霍夫電壓定律()，列出與未知量數(shù)目相等的獨立方程，然后解出未知的支路電流。支路電流法的解題步驟為：（1）確定各支路電流的參考方向。(2)如果電路中有

個節(jié)點，根據(jù)

列出（

）個獨立節(jié)電流方程。(3)選取回路并選定回路的繞行方向，根據(jù)列出回路電壓方程，補(bǔ)齊所需方程數(shù)。(4)聯(lián)立方程組，計算出各支路電流謝謝大家！第2章

正弦交流電路正弦交流電的基本知識2.1三相正弦交流電路2.5單相交流電路2.3正弦量的相量表示法2.2RLC串聯(lián)電路2.4

2.1正弦交流電的基本知識2.1.1正弦交流電的基本概念2.1.2

正弦交流電的三要素2.1.1正弦交流電的基本概念大小和方向隨時間作周期性變化的電壓、電流和電動勢統(tǒng)稱交流電。如圖

所示為幾種交流電的波形圖。（a)矩形波（b）尖頂波(c)正弦波

圖2-1周期性交流電的幾種波形

大小和方向隨時間按正弦規(guī)律變化的電壓、電流和電動勢統(tǒng)稱為正弦交流電，簡稱正弦量。2.1.2正弦交流電的三要素1.幅值和有效值幅值是瞬時值中的最大值，又稱為峰值，通常用

、

和

表示，它們是與時間無關(guān)的常數(shù)。有效值是由電流的熱效應(yīng)來規(guī)定的,有效值用大寫字母表示.交流電的有效值與幅值之間的關(guān)系

2.角頻率角頻率

是表示正弦量變化快慢的一個物理量，周期T是正弦量變化一周期所需要的時間，周期

越大，波形變化越慢；周期

的單位是秒（S）

。頻率

表示每秒時間內(nèi)正弦量重復(fù)變化的次數(shù)，頻率

越大，正弦量變化越快；頻率的單位是赫茲（HZ）。較高的頻率用千赫（KHZ)和兆赫（

MHZ）表示。周期

和頻率

互為倒數(shù)，即

或

角頻率

表示正弦量每秒變化的弧度數(shù)，單位是弧度/秒（

）。角頻率、周期、頻率三者之間的關(guān)系為

2.1.2正弦交流電的三要素3.初相位圖中所示為正弦交流電的電流(i)的一段變化曲線，該曲線可用下式表示：式中稱為正弦量的相位角，相位角是時間的函數(shù)。當(dāng)t=0時，正弦量的相位稱作初相位，又稱初相角。表示初相位。

式中、、合稱為正弦交流電的三要素，它們分別表示正弦交流電變化的幅度、快慢和初始狀態(tài)。正弦交流電波形2.1.2正弦交流電的三要素2.2正弦量的相量表示法2.2.1

相量圖2.2.2

正弦量的加法運算2.2.1相量圖是電壓的幅值相量，是電壓的有效值相量。相量只是表示正弦量，而不是等于正弦量。在線性電路中，電路的輸入和輸出均為同頻率的正弦量，頻率是已知的或特定的，可不必考慮，只要求出正弦量的幅值（或有效值）和初相位即可。按照各個正弦量的大小和相位關(guān)系用初始位置的有向線段畫出的若干相量的圖形，稱為相量圖。在相量圖上能形象地看出各個正弦量的大小和相互間的相位關(guān)系。相量圖表示正弦量在交流電路的分析計算中，常常需要將幾個同頻率的正弦量相加或相減。已知兩正弦電流和試用相量合成法計算。先畫出電流

和

的相量

和

，然后以

和

為兩鄰邊作一平行四邊形，其對角線即為總電流

的幅值相量

。對角線與橫軸正方向（或參考相量）之間的夾角即為初相位

。這就是相量運算中的平行四邊相量加法運算形法則。2.2.2正弦量的加法運算2.3單相交流電路2.3.1純電阻電路2.3.2純電感電路2.3.3

純電容電路

電路中只有電阻的電路,下圖就是一個線性電阻元件的交流電路。1.電壓與電流的關(guān)系2.功率在純電阻電路中，平均功率為

純電阻電路2.3.1純電阻電路2.3.2純電感電路1.電壓與電流的關(guān)系下圖為一電感線圈組成的交流電路，假定這個線圈中只有電感L，而電阻R可忽略不計，這就是一純電感電路。設(shè)電流為參考正弦量，即2.感抗由上式可知，在純電感電路中電壓與電流的幅值或有效值之比為

，顯然它的單位是歐姆（

）。當(dāng)電壓

一定時，

越大，則電流

越小?？梢姡?/p>

具有對交流電流起阻礙作用的物理性質(zhì)，稱為感抗，用

表示，即3.電路中的功率平均功率這一特性反映了電感元件不消耗電能，是一種儲能元件。

無功功率在純電感電路中，沒有能量消耗，只有電源與電感元件間的能量互換。這種能量互換的規(guī)?？捎脽o功功率

來衡量。2.3.2

純電感電路2.3.3純電容電路1.電壓與電流的關(guān)系設(shè)

2.容抗

由式上式可知。在純電容電路中，電壓與電流的幅值或有效值的比值為

，它的單位是歐姆（

）。它具有對電流起阻礙作用的物理性質(zhì)，故稱為容抗，用

表示，即

3.電路中的功率平均功率說明容元件是不消耗能量的，是一種儲能元件。

無功功率在純電容電路中，電源與電容之間只發(fā)生能量的互換，能量互換的規(guī)模用無功功率

來衡量。2.3.3純電容電路1.電路中電壓與電流的關(guān)系下圖所示為電阻、電容、電感元件串聯(lián)的交流電路。電路中的電流及各個電壓的參考方向如圖所示。RLC串聯(lián)電路2.4RLC串聯(lián)電路2.4RLC串聯(lián)電路2.電路中的阻抗由式可知電路中，電壓與電流的有效值（或幅值）之比為對電流起阻礙作用，稱為電路的阻抗。用

表示，即可見

、

、之間也可用一個直角三角形——阻抗三角形來表示，如圖所示。

阻抗三角形

2.5三相正弦交流電路2.5.1

三相交流電源的星形連接2.5.2

三相負(fù)載的連接2.5.3

三相交流電路的功率若將發(fā)電機(jī)三個定子繞組的末端連在一起引出的一根導(dǎo)線稱為中性線

（中性線接地時又稱為零線），三個繞組的始端

、

、

分別引出的三根導(dǎo)線稱為端線（或相線或火線），這種連接稱為三相電源的星形連接。由三根端線和一根中性線組成的供電方式稱為三相四線制，只用三根端線組成的供電方式稱為三相三線制。三相電源相電壓的瞬時值表達(dá)式為三相四線制電源系統(tǒng)2.5.1三相交流電源的星形連接2.5.1三相交流電源的星形連接電源任意兩根端線之間的電壓稱為線電壓，線電壓和相電壓的相量關(guān)系三個線電壓的有效值相等，均為相電壓有效值的

倍。線電壓的相位超前相應(yīng)的相電壓相位

。線電壓、相電壓均為對稱的三相電壓。通常的三相四線制低壓供電系統(tǒng)線電壓為

，相電壓為

，可以提供兩種電壓供負(fù)載使用。2.5.2三相負(fù)載的連接

三相負(fù)載有兩種連接方式：星形（Y）和三角形（△）連接。

若負(fù)載所需的電壓是電源的相電壓，像各種電照明負(fù)載、家用電