电力电路及其模型分析

1.电路

电路是电流的流通路径，它是由一些电气设备和元器件按一定方式连接而成的。这里给电路下一个定义，电路（electric circuit）是各种电路元件和设备按一定方式连接起来为人们生产、生活完成某种功能的整体，或通俗地说，是提供电流流通路径的“路”。任何实际电路必须包含电源（electric source）、负载（load）和中间环节，如图1-1所示。

图1-1 最简单的电路

电源是将非电能转换成电能的装置。例如，干电池和蓄电池将化学能转换成电能，而发电机将热能、水能、风能、原子能等转换成电能。电源是电路中能量的来源，是推动电流运动的源泉，在它的内部进行着由非电能到电能的转换。

负载是将电能转换成非电能的装置。例如，电炉将电能转换成热能，电灯将电能转换成光能，电动机将电能转换成机械能等。负载是电路中的受电器，是取用电能的装置，在它的内部进行着由电能到非电能的转换。

中间环节是把电源与负载连接起来的部分，起传递和控制电能的作用，常用于电力及一般用电系统中的电路称为电力电路，它主要起电能的传输、转换和分配的作用。电力系统电路就是一个典型的例子：发电机组将其他形式的能量转换成电能，经变压器、输电线传输到各用电部门，在那里又把电能转换成光能、热能、机械能等其他形式的能量而加以利用。对于这一类电路，一般要求在传输和转换过程中尽可能地减少能量损耗以提高效率。

电路按其功能可分为两大类：第一类是能量的产生、传输、分配电路，其典型例子是电力系统的输电线路。在电力电路中，发电厂将各种不同形式的能量（热能、水的势能、核能、光能等）转变成电能；负载将电能转变为机械能或光能或热能等；中间环节（如变压器、高低压输电线路、继电保护）起控制、传输和分配电能以及保护电路中的电器设备的作用。

第二类是信息的传递与处理电路，在这一类电路中，起电源作用的常称信号源（signal source），又称激励（excitation）；起负载作用的是各种终端设备（如计算机的打印机、收音机的扬声器、电话系统的电话机等），在这类电路中，传递的是各种信息，而不特别强调传输系统中的能量大小，信息的传递与处理电路的输出信号又称响应（re-sponse），它的能量只要能够满足负载设备的正常工作即可，这一类电路的中间环节由电子设备组成，是相当复杂的，主要起信号的处理、放大、传输和控制等作用。

先看一个例子：图1-2所示为一个大家都熟悉的手电筒的实际电路结构示意图，图中，电池是产生电能的元件（设备），它将化学能转变成电能，即电源；小灯泡是消耗电能的电路元件，它将电能转变成光能，即负载；开关是控制元件，控制电路的接通与断开；导线起传输电能的作用。(www.xing528.com)

图1-2 手电筒的示意图

2.电路模型

实际电路可以用一个或若干个理想电路元件经理想导体连接起来模拟，这便构成了电路模型。

图1-3是一个最简单的电路模型（也是图1-1的电路模型）。图中U_S是一个理想电压源，给电路提供电能；R是理想电阻元件，只消耗电能；S是开关元件，控制电路的接通与断开；连接这三个元件的细实线是理想导线，起传输电能的作用。

图1-3 简单的电路模型

实际的电路元件在工作时的电磁性质是比较复杂的，不是单一的。例如白炽灯、电阻炉，它在通电工作时能把电能转换成光能或热能，消耗电能，具有电阻的性质，但其电压和电流还会产生电场和磁场，故也具有储存电场能量和磁场能量即电容和电感的性质。

在电路的分析和计算中，如果对一个元件要考虑所有的电磁性质，则将是十分困难的。为此，对于组成实际电路的各种元件，我们忽略其次要因素，只抓住其主要电磁特性，使之理想化。例如，白炽灯可用只具有消耗电能的性质，而没有电场和磁场特性的理想电阻元件来近似表征；一个电感线圈可用只具有储存磁场能量性能，没有电阻及电容特性的理想电感元件来表征。这种由一个或几个具有单一电磁特性的理想电路元件所组成的电路就是实际电路的电路模型，我们在进行理论分析时所指的电路就是这种电路模型。根据对电路模型的分析所得出的结论有着广泛而实际的指导意义。理想电路元件简称电路元件，通常包括电阻元件、电感元件、电容元件、理想电压源和理想电流源。前三种元件均不产生能量，称为无源元件；后两种元件是电路中提供能量的元件，称为有源元件。