电工学教案 39页

《电工学（唐介）》教案孙艳机械及电子工程系10/38\n课题：第1章直流电路3课题：第2章电路的瞬态分析9课题：第3章交流电路14课题：第4章供电及用电19课题：第5章变压器24课题：第6章电动机29课题：第7章电气自动控制3310/38\n课题：第1章直流电路教学目的：1.理解电压及电流参考方向的意义；2.理解电路的基本定律并能正确应用；3.掌握支路电流法、叠加原理和戴维宁定理等电路的基本分析方法；4.了解实际电源的两种模型及其等效变换；5.了解非线性电阻元件的伏安特性。重难点：1.正确应用电路的基本定律；2.支路电流法、叠加原理和戴维宁定理；3.实际电源的两种模型及其等效变换。教学方法：讲授法学时：4学时。教学过程：1.1电路的作用和组成一、什么是电路？电路就是电流流通的路径；是由某些元器件为完成一定功能、按一定方式组合后的总称。二、电路的作用一是实现能量的输送和转换；二是实现信号的传递和处理。三、电路的组成电源：将非电形态的能量转换为电能。负载：将电能转换为非电形态的能量。导线等：起沟通电路和输送电能的作用。从电源来看，电源本身的电流通路为内电路，电源以外的电流通路称为外电路。当电路中的电流是不随时间变化的直流电流时，这种电路称为直流电路。当电路中的电流是随时间按正弦规律变化的交流电流时，这种电路称为交流电路。10/38\n1.1电路的基本物理量1.电流：直流电路中：电流的实际方向：规定为正电荷运动的方向。2.电位：电场力将单位正电荷从电路的某一点移至参考点时所消耗的电能。参考点的电位为零。直流电路中电位用V表示，单位为伏特（V）o参考点的选择：①选大地为参考点。②选元件汇集的公共端或公共线为参考点。3.电压：电场力将单位正电荷从电路的某一点移至另一点时所消耗的电能。电压就是电位差。直流电路中电压用U表示，单位为伏特（V）。Us是电源两端的电压，UL是负载两端的电压。4.电动势：电源中的局外力（非电场力）将单位正电荷从电源负极移至电源正极时所转换而来的电能称为电源的电动势。符号：E或e,单位：Vo电动势的实际方向：由低电位指向高电位。5.电功率:10/38\n定义：单位时间内所转换的电能。符号：P（直流电路）。单位：W（瓦特）。1.电能：定义：在时间t内转换的电功率称为电能：w=n。符号：w（直流电路）。单位：J（焦耳）。1.3电路的状态一、通路：当电源及负载接通，电路中有了电流及能量的输送和转换。电路的这一状态称为通路。通路时，电源向负载输出电功率，电源这时的状态称为有载或称电源处于负载状态。各种电气设备在工作时，其电压、电流和功率都有一定的限额，这些限额是用来表示它们的正常工作条件和工作能力的，称为电气设备的额定值。二、开路：当某一部分电路及电源断开，该部分电路中没有电流，亦无能量的输送和转换，这部分电路所处的状态称为开路。电源既不产生也不输出电功率，电源这时的状态称为空载。开路的特点：开路处的电流等于零；开路处的电压应视电路情况而定。三、短路：当某一部分电路的两端用电阻可以忽略不计的导线或开关连接起来，使得该部分电路中的电流全部被导线或开关所旁路，这一部分电路所处的状态称为短路或短接。10/38\n短路的特点：短路处的电压等于零；短路处的电流应视电路情况而定。1.4电路中的参考方向原则上参考方向可任意选择。在分析某一个电路元件的电压及电流的关系时，需要将它们联系起来选择，这样设定的参考方向称为关联参考方向。1.5理想电路元件一、理想有源元件：1.电压源：可提供一个固定的电压Us,称为源电压。电压源的特点：输出电压U等于源电压Us，是由其本身所确定的定值，及输出电流和外电路的情况无关。输出电流I不是定值，及输出电压和外电路的情况有关。2.电流源：可提供一个固定的电流IS,称为源电流。电流源的特点：输出电流I等于源电流IS,是由其本身所确定的定值，及输出电压和外电路的情况无关。输出电压U不是定值，及输出电流和外电路的情况有关。当电压源和电流源的电压和电流实际方向不同时，它们的作用也是不一样，可以起电源作用也可以起负载作用。二、理想无源元件：1.电阻元件：当电路的某一部分只存在电能的消耗而没有电场能和磁场能的储存，这一部分电路可用电阻元件来代替。2.线性电阻及非线性电阻：10/38\n1.电阻消耗的功率：1.6基尔霍夫定律一、基尔霍夫电流定律（KCL）：电路中3个或3各以上电路元件的连接点称为结点。两结点之间的每一条分支电路称为支路。由于电流的连续性，流入任一结点的电流之和等于流出该结点的电流之和。即，在电路的任何一个结点上，同一瞬间电流的代数和为零。基尔霍夫电流定律不仅适用于电路中任意结点，而且还可以推广应用于电路中任何一个假定的闭合面一一广义结点。二、基尔霍夫电压定律（KVL）：由电路元件组成的闭合路径称为回路。在电路的任何一个回路中，沿同一方向绕行，同一瞬间电压的代数和为零。基尔霍夫电压定律不仅适用于电路中任一闭合的回路，而且还可以推广应用于任何一个假想闭合的一段电路。1.7支路电流法支路电流法解题的一般步骤：（1）确定支路数，选择各支路电流的参考方向。（2）确定结点数，列出独立的结点电流方程式。（3）确定余下所需的方程式数，列出独立的回路电压方程式。（4）解联立方程式，求出各支路电流的数值。10/38\n1.6叠加定理叠加定理是分析线性电路最基本的方法之一。在含有多个有源元件的线性电路中，任一支路的电流和电压等于电路中各个有源元件分别单独作用时在该支路产生的电流和电压的代数和。应用叠加定理时应注意：（1）在考虑某一有源元件单独作用时，应令其他有源元件中的US=0,IS=0o即应将其他电压源代之以短路，将其他电流源代之以开路。（2）最后叠加时，一定要注意各个有源元件单独作用时的电流和电压分量的参考方向是否及总电流和电压的参考方向一致，一致时前面取正号，不一致时前面取负号。（3）叠加定理只适用于线性电路。（4）叠加定理只能用来分析和计算电流和电压，不能用来计算功率。1.7等效电源定理等效电源定理是将有源二端网络用一个等效电源代替的定理。一、戴维宁定理：一有源二端网络对于外电路来说，可以等效成一个理想电压源和电阻串联的电路。其中电压源电压大小等于此二端网络的开路电压，电阻等于此二端网络的等效电阻。二、诺顿定理：一有源二端网络对于外电路来说，可以等效成一个理想电流源和电阻并联的电路。其中电流源电流大小等于此二端网络的短路电流，电阻等于此二端网络的等效电阻。戴维宁等效电源和诺顿等效电源既然都可以用来等效代替同一个有源二端10/38\n网络，因而在对外等效的条件下，相互之间可以等效变换。1.10非线性电阻电路线性电阻的电阻值是一常数，线性电阻两端的电压和通过它的电流成正比。非线性电阻的电阻值不是常数，随电压或电流值的变化而变化，电压及电流不成正比。求解含有非线性电阻的电路时，常采用图解分析法。课后习题：1.7.1,1.8.1,1.8.2,1.9.2o课题：第2章电路的瞬态分析教学目的：1.了解瞬态分析的基本概念；2.了解储能元件电容和电感的特征；3.掌握换路定则及初始值的求法；4.了解RC电路和RL电路的瞬态分析;5.掌握一阶电路瞬态分析的三要素法。重点：1'.蓝路定则及初始值的求法；2.一阶电路瞬态分析的三要素法。教学方法：讲授法学时：4学时。教学过程：2.1瞬态分析的基本概念一、稳态和瞬态：电路的结构和元件的参数一定时，电路的工作状态一定，电压和电流不改变。这时电路所处的状态称为稳定状态，简称稳态。换路：当电路在接通、断开、改接以及参数和电源发生突变时，都会引起电路工作状态的变化。10/38\n换路后，旧的工作状态被破坏、新的工作状态在建立，电路将从一个稳态变化到另一个稳态，这种变化往往不能瞬间完成，而是有一个瞬态过程。电路在瞬态过程中所处的状态称为瞬态状态，简称瞬态。换路后为什么会有瞬态过程？换路是引起瞬态过程的外因；电容中的电场能和电感中的磁场能的不能突变是引起瞬态过程的内因。二、激励和响应：电路从电源(包括信号源)输入的信号统称为激励。激励有时乂称输入。电路在外部激励的作用下，或者在内部储能的作用下产生的电压和电流统称为响应。响应有时乂称输出。按在产生响应原因的不同，响应可分为：(1)零输入响应：电路在无外部激励的情况下，仅由内部储能元件中所储存的能量引起的响应。(2)零状态响应：在换路时储能元件未储存能量的情况下，由激励所引起的响应。(3)全响应：在储能元件已储有能量的情况下，再加上外部激励所引起的响应。在线性电路中：全响应二零输入响应+零状态响应。按照激励波形的不同，零状态响应和全响应可分为阶跃响应、正弦响应和脉冲响应等。阶跃响应即在直流电源作用下的响应。在阶跃激励作用下的响应称为10/38\n阶跃响应。2.2储能元件一、电容：电容是用来表征电路中电场能量储存这一物理性质的理想元件。，，电容的瞬时功率。u的绝对值增大时，电容从外部输入功率，把电能转换成电场能；u绝对值减小时，电容向外部输出功率，电场能又转换成了电能。若外部不能向电容提供无穷大的功率，电场能就不可能发生突变。因此，电容的电压u不可能发生突变。两个电容串联时，等效电容为；两个电容并联时，等效电容为C=G+Cz。二、电感：电感是用来表征电路中磁场能量储存这一物理性质的理想元件。*=Np,,,电感的瞬时功率。i的绝对值增大时，电感从外部输入功率，把电能转换成磁场能：i的绝对值减小时，电感向外部输出功率，磁场能乂转换成电能。若外部不能向电感提供无穷大的功率，磁场能就不可能发生突变。因此，电感的电流i不可能发生突变。无互感存在的两电感线圈串联时，等效电感为工=4+七；并联时等效电感为。2.3换路定则由于电容中的电场能和电感中的磁场能不能突变，所以换路瞬间，电容上的电压和电感上的电流不可能突变。换路定则：电容电压和电感电流在换路后的初始值应等于换路前的终了值。“（。+）=%（0-），兀（。+）=%（。-）。换路定则仅适用于换路瞬间。2.4RC电路的瞬态分析39/38\n一、RC电路的零输入响应：换路后外部激励为零，在内部储能作用下电容经电阻放电。二、RC电路的零状态响应：阶跃零状态响应：换路前电容中无储能，换路后RC两端输入一阶跃电压，电容开始充电。三、RC电路的全响应：阶跃全响应：换路时电容以充电，已有储能，换路后输入阶跃电压。全响应二零输入响应+零状态响应。2.5RL电路的瞬态分析一、RL电路的零输入响应：换路后外部激励为零，在内部储能作用下，电感电流将从初始值逐渐衰减到零。二、RC电路的零状态响应：阶跃零状态响应：换路前电感中无储能，在外部输入的阶跃电流的作用下，电感电流将从零逐渐增长到稳态值。三、RC电路的全响应：阶跃全响应：换路时已有储能，同时又输入了一个阶跃电流。全响应二零输入响应+零状态响应。2.6一阶电路瞬态分析的三要素法凡是含有一个储能元件或经等效简化后含有一个储能元件的线性电路，在进行瞬态分析时所列出的微分方程式都是一阶微分方程式。这种电路称为一阶电路。39/38\n任何形式的一阶电路只要将储能元件从电路中提出，使剩下的电路成为有源二端网络，都可以利用等效电源定理将该电路简化成上两节介绍的最简单的一阶电路。任何形式的一阶电路的零输入响应、阶跃零状态响应和阶跃全响应可归纳为/(。)、/(s)和，是确定任何一个一阶电路阶跃响应的三要素。/(0)、/(s)的求法利用换路定则；c的求法：用除源等效法将换路后电路中的电源除去，求出从储能元件(C或L)两端看进去的等效电阻R,或。课后习题:2.3.3,2.6.1,2.6.2,2.6.5。39/38\n课题：第3章交流电路教学目的：1.理解正弦量的特征及其各种表示方法；2.理解电路基本定律的相量形式及阻抗；熟练掌握计算正弦交流电路的相量分析法，会画向量图；3.掌握有功功率和功率因素的计算，了解瞬时功率、无功功率和视在功率的概念；4.理解非正弦周期信号电路的分析方法。重难点：南弦交流电路的相量分析法。教学方法：讲授法学时：6学时。教学过程：3.1正弦交流电的基本概念交流电：大小和方向都周期性变化、在一个周期上的函数平均值为零。正弦交流电：按正弦规律变化的交流电。正弦交流电的三要素：最大值（幅值）、角频率（频率）和初相位。一、交流电的周期、频率、角频率：周期T：变化一周所需要的时间（s）o频率/：1秒内变化的周数（Hz）oo角频率正弦量1秒内变化的弧度数（rad/s）。。39/38\n二、交流电瞬时值、最大值、有效值：通常，用小写字母表示交流电的瞬时值，用大写字母加下标m表示最大值,用大写字母表示有效值。正弦交流电的最大值是有效值的"倍。三、交流电的相位、初相位、相位差：相位差：同频率的正弦电量的初相位之差。3.1正弦交流电的相量表示法正弦交流电可以用一个固定矢量表示。电流最大值相量乙，有效值相量九一、复数的表示方法：代数式、三角式、指数式、极坐标式。二、复数的运算方法：复数的运算：力口、减、乘、除。3.2单一参数交流电路一、纯电阻电路：1.电压、电流的关系2.功率关系二、纯电容电路：1.电压、电流的关系2.功率关系三、纯电感电路：39/38\n1.电压、电流的关系2.功率关系3.4串联交流电路一、R、L、C串联电路：复阻抗Z=K+J（X「Xc）二、阻抗串联电路：z=wx=wx+JZXi。3.5并联交流电路复阻抗Z=Z1//Z2。3.6交流电路的功率一、瞬时功率：二、有功功率：三、无功功率：四、视在功率：有功功率、无功功率都是守恒的，但视在功率不守恒。3.7电路的功率因数一、什么是功率因数？有功功率及视在功率的比值。，其中尹为功率因数角。二、常用电路的功率因数：三、功率因数和电路参数的关系：四、功率因数低的害处：1.降低了供电设备的利用率。2,增加了供电设备和输电线路的功率损失。39/38\n五、造成功率因数低的原因：1.大马拉小车。2.电感性负载比较多，无功功率多。六、提供功率因数的办法：并联补偿电容。*3.8电路中的谐振在既有电容又有电感的电路中，当电源的频率和电路的参数符合一定的条件时，电路总电压和总电流的相位相同，整个电路呈电阻性。谐振时要注意某些物理量会达到极大值。谐振有串联谐振、并联谐振。一、串联谐振：1.谐振的条件及谐振频率：谐振的条件：==@/=」一；谐振频率：，。4c2.串联谐振的特点：（1）无功功率为零，功率因数等于1。（2）L和C串联部分相当于短路，阻抗最小一一电路呈现纯电阻特性。（3）U/=〃-电压谐振。（4）品质因数：。二、并联谐振：1.谐振条件：ix=Q^i=iK->X=Xc->a）nL=oAAVfI39/38\n1.谐振频率:…2.并联谐振特点：（D无功功率为零，功率因数等于1。（2）L和C并联部分相当于开路，阻抗最大一一电路呈现纯电阻特性。（3）一电流谐振。（4）品质因数：。3.9非正弦周期信号电路非正弦周期信号的分解方法：直流分量、交流分量。交流分量又称为谐波，谐波分为：一次谐波、二次谐波、三次谐波……，高次谐波：三次谐波及三次以上的谐波一、谐波分析的概念：谐波分析：对非正弦周期信号可以用傅里叶级数将它们分解成许多不同频率的正弦分量的方法。〃二%+sin（3t+2］）+以1nsin（23t+与）+…二%+U皿sin（ngt非正弦周期信号的有效值即方均根：u=W：+u；+u；+…,I-j/j+/；+/；+•••O二、非正弦周期信号电路：当作用于电路中的电源为非正弦周期信号电源，或电路中含有直流电源和若干个不同频率的正弦交流电源的线性电路可用采用叠加定理。在计算过程中，对于直流分量，可用直流地阿奴的计算方法，要注意电容相39/38\n当于开路，电感相当于短路。对于各次谐波分量，可用交流电路的方法，要注意感抗和容抗及频率的比例关系。电路的总有功功率：A）=（4+qjposjj+u2Z2COSJ2+・・・课后习题：3.4.3,3.5.2,3.6.1,3.9.1。39/38\n课题：第4章供电及用电教学目的：1.理解对称三相电源和三相负载的星形和三角形联结时相线电压、相线电流的关系；2.掌握三相四线制供电系统中单相及三相负载的正确联接方法，理解中线的作用；3.掌握对称三相电路中电压、电流及功率的计算；4.了解安全用电的基本常识。重难点：1'对称三相负载的星形和三角形联结时相线电压、相线电流的关系；5.对称三相电路中电压、电流及功率的计算。教学方法：讲授法学时：4学时教学过程：三相交流电路：由三相交流电源供电的电路。电力系统目前普遍采用三相交流电源供电。三相交流电的优点：三相交流发电机体积小、重量轻、成本低；节省输电线金属的消耗量，输电成本较低；应用广泛的三相异步电动机结构简单、价格低廉、性能良好和使用维护方便。4.1三相电源一、三相交流电的产生：三相交流发电机由三个对称的绕组组成，在空间上彼此相差120°。1.三相交流电动势产生原理：分类磁极放在转子上，转子由原动机拖动作匀速转动；定子三相绕组切割转子磁场而感应出三相交流电动势。2.三相交流电动势的特点：幅值相等；频率相同；相位相差120°。3.三相交流电动势的表达式：39/38\nel=Emsina)t,c2=£smsin(dX-120°),=Emsin(„I,”=-A+Z/。2.二次侧电压方程：瓦=一/4.44加2屯”，^i=E2-Z2i2fU2=Zj2o39/38\n1.电压比：变压器空载时，。2.变压器的外特性:U2=E2-Z2i29当q=U1N，cos外不变时:%=/（，2）。电压调整率：。二、电流变换：磁通势平衡方程：Nj+NzAuN/o。忽略匕：。三、阻抗变换：忽略Z]、Z2>/0,则㈤=A2|zJ。四、功率传递：1.一次绕组的视在功率：=UJ2.二次绕组的视在功率：S2=U2I23.输入功率：P]=U/cospi4.输出功率：P2=UJ2cos（p25.变压器的损耗：P=PVc+Pc»（1）铜损耗：%=即：+也；（2）铁损耗：4="+"。6.效率：o5.4变压器的基本结构一、主要部件：1.铁心：用硅钢片叠成。2.绕组（线圈）：高压绕组和低压绕组同心地套在铁心上。3.其他：油箱、油、储油柜、绝缘套管、保护设备等。二、主要种类：39/38\n1.按相数分类：三相变压器、单相变压器。2.按每相绕组的个数分类：双绕组变压器、三绕组变压器、H耦变压器。3.按结构分类：心式变压器、壳式变压器。4.按冷却方式分类：干式变压器、油浸式变压器。5.5三相变压器一、三相变压器的种类：1.三相组式变压器：特点：三相之间只有电的联系，没有磁的联系。2.三相心式变压器：特点：三相之间既有电的联系，又有磁的联系。二、三相绕组的连接方式：*5.6仪用互感器一、电压互感器：1.工作原理：2.使用注意：（1）二次绕组禁止短路。（2）二次绕组及铁心必须接地。二、电流互感器：1.工作原理：2.使用注意：（1）二次绕组禁止开路。（2）一次绕组工作电压较高时，二次绕组及铁心必须接地。*5.7自耦变压器一、结构：二、工作原理：39/38\n*5.8三绕组变压器有三个绕组和三个电压等级。工作时应当保证各个绕组的视在功率不超过其绕组容量。*5.9绕组的极性绕组极性的标注方法：绕组的正确接法：课后习题：5.2.2,5.3.3,5.3.4o课题：第6章电动机教学目的：1.了解三相异步电动机的工作原理和基本结构;2.了解三相异步电动机的机械特性；3.学会三相异步电动机的起动和调速方法。重难点：1'三相异步电动机的工作原理；4.三相异步电动机的起动和调速。教学方法：讲授法学时：6学时。教学过程：6.1电机概述电机是实现能量转换或信号转换的电磁装置。种类分为：（1）动力电机：直流电机和交流电机；（2）控制电机：伺服电动机、测速电动机、自整角机、步进电动机、旋转变压器和感应同步落。39/38\n6.1三相异步电动机的工作原理一、旋转磁场：1.旋转磁场的产生：三相（多相）绕组中流过三相（多相）电流。2.旋转磁场的转速：同步转速〃0O磁极对数为P时：。4.旋转磁场的转向：及三相绕组中的三相电流的相序一致。二、工作原理：1.电磁转矩的产生：用右手定则判断转子绕组中感应电流的方向；用左手定则判断转子绕组受到的电磁力的方向。电磁力F-电磁转矩T。T及〃。同方向。电动机转速和旋转磁场同步转速的关系：（1）〃及方向一致；（2）n