电工学(上)教案(打印版)

精选文库学院教案课程名称： 电工学 授课人：课题绪 论课时2教学目的与要求一、课程的地位和主要内容二、电工电子技术的发展与应用三、如何学好电工电子技术教学重点与难点课程的地位和主要内容教学过程主要内容及步骤备注一、课程的地位和主要内容二、电工电子技术的发展与应用三、如何学好电工电子技术授课效果分析总结一、课程的地位和主要内容电工电子技术（电工学）研究电工技术和电子技术的理论及其应用的科学技术。电工电子技术：电工技术（上册）电路分析基础：直流电路（1、2）暂态分析（3）交流电路（4 、5 ）磁路与电机：磁路和变压器（6）电动机（7、 8、9）继电接触器控制（10） 可编程控制器（11）其它：供电与安全用电（12）电工测量（13）电子技术（下册）模拟电子技术：半导体器件（14）放大器（15、16）反馈（17）直流电源（18）电力电子技术（19）数字电子技术：组合逻辑电路（20）时序逻辑电路（21）其它：存储器和可编程器件（22）模数转换（23）现代通信技术（24）二、电工电子技术的发展与应用发展：1785年，库仑确定电荷间的作用力；1826年，欧姆提出“欧姆定律”；1831年，法拉第发现电磁感应现象；1834年，雅可比造出第一台电动机；1864年，麦克斯韦提出电磁波理论；1895年，马可尼和波波夫实现第一次无线电通信；1904年，弗莱明发明第一只电子管（二极管）；1946年，诞生第一台电子计算机；1947年，贝尔实验室发明第一只晶体管；1958年，德克萨斯公司发明第一块集成电路； 现状：容量大型化、器件小型化、设计自动化三、电工电子技术课程特点：课程内容多且广、逻辑性强、学时相对少四、如何学好电工电子技术 1、注意掌握“三基”： 基本原理、基本分析方法、基本应用 2、注重综合分析与设计、注重工程化素质培养 3、提高学习效率、培养自学能力：课堂、答疑、作业、自学、讨论学院教案课程名称： 电工学 授课人：课题电路的基本概念课时2教学目的与要求1了解电路模型及理想电路元件的意义；2理解电压与电流参考方向的意义；教学重点与难点电源与负载的判别方法；电位的计算。教学过程主要内容及步骤备注1.1电路的作用与组成部分1. 2电路模型1.3 电压和电流的参考方向授课效果分析总结1.1 电路的作用与组成部分 电路：电流的通路，是为了某种需要由电工设备或电路元件按一定方式组合而成。 1电路的作用 （1）实现电能的传输、分配与转换 （2）实现信号的传递与处理2电路的组成部分电源（或信号源）、负载、中间环节。激励：电源或信号源的电压或电流，推动电路工作。响应：由激励所产生的电压和电流。电路分析：在电路结构、电源和负载等参数已知的条件下，讨论激励和响应之间的关系。1. 2 电路模型 为了便于用数学方法分析电路，将实际电路模型化，用足以反映其电磁性质的理想电路元件或其组合来模拟实际电路中的器件，从而构成与实际电路相对应的电路模型。手电筒的电路模型：手电筒由电池、灯泡、开关和筒体组成。 电池：电源元件，其参数为电动势 E 和内阻Ro； 灯泡：主要具有消耗电能的性质，是电阻元件，其参数为电阻R； 导体：用来连接电池和灯泡，其电阻忽略不计，认为是无电阻的理想导体。 开关：用来控制电路的通断。 今后分析的都是指电路模型，简称电路。在电路图中，各种电路元件都用规定的图形符号表示。1.3 电压和电流的参考方向1. 电路基本物理量的实际方向物理中对基本物理量的方向规定：电流正电荷运动的方向； 电压高电位 低电位，电位降低的方向； 电动势低电位 高电位，电位升高的方向； 2. 电路基本物理量的参考方向 （1）参考方向：在分析与计算电路时，对电量任意假定的方向。一种分析方法。 （2）关联参考方向：负载 U、I参考方向相同； 电源 I参考方向与E方向相同。（3）参考方向的表示方法：电流箭标、双下标； 电压正负极性、双下标。 （4）实际方向与参考方向的关系：实际方向与参考方向一致，电流(或电压)值为正值；实际方向与参考方向相反，电流(或电压)值为负值。学院教案课程名称： 电工学 授课人：课题电路定理课时4教学目的与要求1掌握电路的基本定律并能正确应用；2了解电源的有载工作、开路与短路状态，理解电功率和额定值的意义；教学重点与难点 1电路的基本定律；2基尔霍夫电压方程的列写；教学过程主要内容及步骤备注1.4 欧姆定律1.5 电源有载工作、开路与短路1.6 基尔霍夫定律1.7 电路中电位的概念及计算授课效果分析总结1、4 欧姆定律 U、I 参考方向相同时，U = R I ； U、I 参考方向相反时，U = RI 。 表达式中有两套正负号： 式前的正负号由U、I 参考方向的关系确定； U、I 值本身的正负则说明实际方向与参考方向之间的关系。 通常取 U、I 参考方向相同，即关联参考方向。 线性电阻：遵循欧姆定律的电阻称为线性电阻，它表示该段电路电压与电流的比值为常数。线性电阻的伏安特性是一条过原点的直线。1.5电源有载工作、开路与短路 1电源有载工作 开关闭合，接通电源与负载。 U = IR （1）特征： 电流的大小由负载决定。 在电源有内阻时，I U 。当 R0XC 时， j 0 ，u 超前 i ，电路呈感性； 当 XL XC 时 ，j 0 感性: j 0 容性：j =0 阻性：电压三角形： 由电压三角形可得:阻抗三角形： 电压三角形与阻抗三角形相似。2.功率关系(1) 瞬时功率设则第一项为耗能元件上的瞬时功率，第二项为储能元件上的瞬时功率。在每一瞬间，电源提供的功率一部分被耗能元件消耗掉，一部分与储能元件进行能量交换。(2) 平均功率P （有功功率）根据电压三角形可得： 单位: W(3) 无功功率Q根据电压三角形可得： 单位：var(4) 视在功率 S 单位：VA功率三角形： 3.5 阻抗的串联与并联4.5.1 阻抗的串联 可等效为：等效阻抗 ，则一般有3、5、2 阻抗并联 可等效为：等效阻抗 ，则一般有3.6 功率因数的提高1.功率因数cos由于电源设备的容量是视在功率S = UI，而输出的有功功率却为P = UIcos ，因此为了充分利用电源设备的容量,同时也为了减小线路和发电机绕组的损耗，要求提高电路的功率因数。 2.功率因数提高的方法由于常用负载多为感性负载，所以在感性负载两端并联适当大小的电容可以提高功率因数。并联电容后，电路的总电流减小，总功率因数增大，总的有功功率不变。并联电容大小为 。学院教案课程名称： 电工学 授课人：课题三相电路课时4教学目的与要求1搞清对称三相负载Y和联结时相线电压、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掌握对称三相电路电压、电流及功率的计算。 教学重点与难点相电压与线电压、相电流与线电流的关系。教学过程主要内容及步骤备注4.1 三相电压4.2 负载星形联结的三相电路4.3 负载三角形联结的三相电路4.4 三相功率授课效果分析总结4.1 三相电压1. 三相电动势的产生三相对称电动势由三相发电机产生，并满足最大值相等、频率相同、相位互差120的条件。瞬时值表达式为 波形图为相量式为相量图为2. 三相电源的星形联结端线(火线)中性线(零线)相电压：端线与中性线间（发电机每相绕组）的电压， 、Up，对称。线电压：端线与端线间的电压， 、Ul ，对称。4.2 负载星形联结的三相电路三相负载分：对称三相负载，Z1 = Z2 = Z3，如三相电动机； 不对称三相负载，不满足 Z1 = Z2 = Z3，如由单相负载组成的三相负载。负载相电压 = 电源相电压相电流：流过每相负载的电流， ；线电流：流过端线的电流， ；中线电流：流过中性线的电流， 。负载Y联结时，线电流等于相电流。可把每相看做单相电路来计算相电流，中线电流 ，对称负载时， ，可省掉中性线。三相不对称负载星形联结时，必须采用三相四线制供电方式，中性线保证三相不对称负载的相电压对称。4.3 负载三角形联结的三相电路负载相电压 = 电源线电压相电流负载对称时，线电流 ，且比相应的相电流滞后30。三相负载连接原则：负载的额定电压 = 电源的线电压，D 联结； 负载的额定电压 = 电源线电压，Y 联结。4.4 三相功率无论负载为 Y 或联结，每相有功功率都应为Pp = Up Ip cosjp 。总有功功率为 P = P1+ P2 + P3 。当负载对称时： 。总无功功率为 。总表观功率为 。学院教案课程名称： 电工学 授课人：课题非正弦周期电流电路课时1教学目的与要求1搞清一个非正弦周期量可以分解为恒定分量（如果有的话）和一系列频率不同的正弦量。2掌握非正弦周期量的分析方法。教学重点与难点非正弦周期量的分析方法。教学过程主要内容及步骤备注5.1概述5.2非正弦周期量的分解5.3 非正弦周期量有效值5.4非正弦周期电流的线性电路的计算本章不做要求授课效果分析总结5.1概述前面讨论的是正弦交流电路，其中电压和电流都是正弦量。但在实际的应用中我们还常常会遇到非正弦周期的电压或电流。分析非正弦周期电流的电路，仍然要应用电路的基本定律，但和正弦交流电路的分析还是有不同之处；本章主要讨论一个非正弦周期量可以分解为恒定分量（如果有的话）和一系列频率不同的正弦量。非正弦周期交流信号的特点; 1.不是正弦波 2.按周期规律变化非正弦周期交流信号举例半波整流电路交直流共存电路脉冲信号5.2非正弦周期量的分解按照傅里叶级数展开法，任何一个满足狄里赫利(Dirichlet)条件的非正弦周期信号(函数)都可以分解为一个恒定分量与无穷多个频率为非正弦周期信号频率的整数倍、不同幅值的正弦分量的和。周期函数 傅里叶级数另一种形式为傅立叶系数,按下列公式计算: 我们将周期函数分解为傅立叶级数称为谐波分析5.2.1 分析方法-谐波分析法1. 根据线性电路的叠加原理，非正弦周期信号作用下的线性电路稳态响应可以视为一个恒定分量和上述无穷多个正弦分置单独作用下各稳态响应分虽之叠加。因此，非正弦周期信号作用下的线性电路稳态响应分析可以转化成直流电路和正弦电路的稳态分析。2. 应用电阻电路计算方法计算出恒定分量作用于线性电路时的稳态响应分量。利用直流稳态方法：C断路 L短路3. 应用相量法计算出不同频率正弦分量作用于线性电路时的稳态响应分量。各次谐波单独作用，利用相量法。4. 对各分量在时间域进行叠加。即可得到线性电路在非正弦周期信号作用下的稳态响应。5.2.2非正弦周期电流电路的计算采用谐波分析法，其具体计算步骤如下：1.将非正弦周期电流电路的激励分解为傅立叶级数，将其看作由恒定分量和各次正弦谐波分量合成的结果。2.分别求各恒定分量和各次谐波分量单独作用下的响应。3.应用线性电路的叠加定理，将第2步求得的响应的各分量进行合成。5.3 非正弦周期量有效值周期量有效值的定义：注意：在正弦电路中，正弦量的最大值与有效值之间存在倍的关系，。对于非正弦周期信号，其最大值与有效值之间并无此种简单关系。非正弦周期量： 将f(t)代人有效值定义式，并利用三角函数的正交性则有非正弦周期电流的有效值 同理，非正弦周期电压的有效值 以上两式表明，非正弦周期电流或电压的有效值为其直流分量和各次谐波分量有效值的平方和的平方根。注意：使用公式时一定要准确。5.4非正弦周期电流的线性电路的计算计算步骤：1. 将非正弦周期电源电压分解成付里叶级数，看作由恒定分量和各次正弦谐波分量串联的结果。2. 利用叠加原理计算电压的恒定分量和各次正弦谐波分量单独存在时所产生的电流分量。3. 将所得的电流分量叠加起来，即为所需的结果。注意： 1. 不同频率的正弦量相加，必须用三角函数式或波形图来进行，不能用相量图或复数式。2. R、 L、 C 参数对电路的影响:可认为电阻的值与频率无关； L、 C对不同频率的谐波分量表现出不同的感抗和容抗。学院教案课程名称： 电工学 授课人：课题电阻元件、电感元件与电容元件储能元件和换路定则、RC电路的响应课时3教学目的与要求1 用换路定则求初始值；2 了解微分电路和积分电路。教学重点与难点换路定律；教学过程主要内容及步骤备注第六章 电路的暂态分析6.1 电阻元件、电感元件与电容元件6.2 储能元件和换路定则授课效果分析总结6.1 电阻元件、电感元件与电容元件6.1.1 电阻元件1、根据欧姆定律：u = R i ，即电阻元件上的电压与通过的电流成线性关系。2、电阻的能量：3、表明电能全部消耗在电阻上，转换为热能散发。电阻元件为耗能元件。6.1.2 电感元件1、电流通过一匝线圈产生 （磁通），电流通过N匝线圈产生 （磁链），电感： ，L为常数的是线性电感。自感电动势：其中：自感电动势的参考方向与电流参考方向相同，或与磁通的参考方向符合右手螺旋定则。根据基尔霍夫定律可得：2、将上式两边同乘上 i ，并积分，则得：磁场能 W = 即电感将电能转换为磁场能储存在线圈中，当电流增大时，磁场能增大，电感元件从电源取用电能；当电流减小时，磁场能减小，电感元件向电源放还能量。电感元件不消耗能量，是储能元件。6.1.3 电容元件描述电容两端加电源后，其两个极板上分别聚集起等量异号的电荷，在介质中建立起电场，并储存电场能量的性质。1、电容：2、当电压u变化时，在电路中产生电流：将上式两边同乘上 u，并积分，则得：电场能W = 3、即电容将电能转换为电场能储存在电容中，当电压增大时，电场能增大，电容元件从电源取用电能；当电压减小时，电场能减小，电容元件向电源放还能量。电容元件不消耗能量，也是储能元件。6.2 储能元件和换路定则1. 电路中产生暂态过程的原因产生暂态过程的必要条件：(1) 电路中含有储能元件 （内因）；(2) 电路发生换路 （外因）。产生暂态过程的原因：由于物体所具有的能量不能跃变而造成。在换路瞬间储能元件的能量也不能跃变：因为 C 储能： ，所以uC不能突变；因为 L 储能： ，所以iL不能突变。2. 换路定则设：t = 0 表示换路瞬间 (定为计时起点)； t = 0- 表示换路前的终了瞬间； t = 0+表示换路后的初始瞬间（初始值）。电感电路：电容电路：3. 初始值的确定初始值：电路中各 u、i 在 t =0+ 时的数值。求解要点：(1) 先求 uC( 0+)、iL ( 0+) 。1) 由t = 0-的电路（换路前稳态）求uC ( 0 ) 、iL ( 0 )； 2) 根据换路定律求 uC( 0+)、iL ( 0+) 。(2) 再求其它电量初始值。1) 由t =0+的电路求其它电量的初始值；2) 在 t =0+时的电压方程中 uC = uC( 0+)、 t =0+时的电流方程中 iL = iL ( 0+)。 注意：1. 换路瞬间，uC、 iL 不能跃变, 但其它电量均可以跃变。2. 换路前, 若储能元件没有储能, 换路瞬间（t = 0+的等效电路中），可视电容元件短路，电感元件开路。3. 换路前, 若uC(0-) 0, 换路瞬间（t = 0+）等效电路中, 电容元件可用一理想电压源替代, 其电压为uC(0+)；换路前, 若iL(0-) 0 , 在t = 0+等效电路中, 电感元件可用一理想电流源替代，其电流为iL(0+)。学院教案课程名称： 电工学 授课人：课题一阶线性电路暂态分析的三要素法课时2教学目的与要求1.理解电路的暂态和稳态、零输入响应、零状态响应、全响应的概念。2掌握一阶线性电路分析的三要素法。教学重点与难点用一阶线性电路暂态分析的三要素法求解暂态电路；教学过程主要内容及步骤备注6.3 RC电路的响应6、4一阶线性电路暂态分析的三要素法授课效果分析总结6.3 RC电路的响应激励 (输入)：电路从电源 (包括信号源) 输入的信号。响应 (输出)：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。响应分类： 产生原因零输入响应：内部储能作用 零状态响应：外部激励作用 全响应： 全响应 = 零输入响应 + 零状态响应激励波形阶跃响应、正弦响应、脉冲响应6 .3 .1 RC电路的零输入响应无电源激励, 输入信号为零, 仅由电容元件的初始储能所产生的响应。实质是RC电路的放电过程。换路前电路已处稳态， t =0时开关扳至1，, 电容C 经电阻R 放电。列 KVL方程， 代入上式得解此微分方程，得电容电压电容电压 uC 从初始值按指数规律衰减，衰减的快慢由RC 决定。放电电流 电阻电压：变化曲线如图所示：时间常数 （单位：S），决定电路暂态过程变化的快慢，越大，变化越慢。当 时， 。 所以时间常数等于电容电压衰减到初始值U 的36.8%所需的时间。理论上认为 、 电路达稳态；工程上认为 、 电容放电基本结束。 6.3.2 RC电路的零状态响应储能元件的初始能量为零， 仅由电源激励所产生的电路的响应。实质是RC电路的充电过程。在t = 0时，合上开关S，此时, 电路实为输入个阶跃电压u。列 KVL方程得解此微分方程，得电容电压充电电流当 t = t 时 ， ，t 表示电容电压 uC 从初始值上升到 稳态值的63.2% 时所需的时间。t 越大，曲线变化越慢，uC达到稳态时间越长。当 t = 5t 时， 暂态基本结束，uC 达到稳态值。6.3.3 RC电路的全响应电源激励、储能元件的初始能量均不为零时，电路中的响应。根据叠加定理，全响应 = 零输入响应 + 零状态响应电容电压所以有：全响应 = 稳态分量 +暂态分量 6、4一阶线性电路暂态分析的三要素法仅含一个储能元件或可等效为一个储能元件的线性电路，且由一阶微分方程描述，称为一阶线性电路。据经典法推导结果，在直流电源激励的情况下，一阶线性电路微分方程解的通用表达式为：式中，f (t) 代表一阶电路中任一电压、电流函数，初始值f (0+)、稳态值f ()、时间常数称为三要素。利用求三要素的方法求解暂态过程，称为三要素法。一阶电路的响应（电压或电流）都可用三要素法求解。“三要素”的确定：(1) 稳态值的计算：求换路后电路中的电压和电流，其中电容 C 视为开路，电感L视为短路，即求解直流电阻性电路中的电压和电流。(2) 初始值的计算：参见3.1节。(3) 时间常数t 的计算：对于一阶RC电路， ； 对于一阶RL电路， 。注：1) 对于简单的一阶电路 ，R0 = R ； 2) 对于较复杂的一阶电路， R0为换路后的电路除去电源和储能元件后，在储能元件两端所求得的无源二端网络的等效电阻。学院教案课程名称： 电工学 授课人：课题磁路与铁心线圈电路课时4教学目的与要求1理解磁场的基本物理量的意义，了解磁性材料的基本知识及磁路的基本定律，会分析计算交流铁心线圈电路；2了解变压器的基本结构、工作原理、运行特性和绕组的同极性端，理解变压器额定值的意义；3掌握变压器电压、电流和阻抗变换作用。教学重点与难点重点：变压器电压、电流和阻抗变换作用；变压器额定值的意义难点：变压器电压、电流和阻抗变换作用教学过程主要内容及步骤备注7.1 磁路及其基本定律7.2 交流铁心线圈电路7.3 变压器授课效果分析总结7.1 磁路及其基