大学电工技术-电子教案-项目四

第页1教学目标知识目标：了解正弦交流电的产生及其特征，掌握正弦交流电的表示方法，掌握单相交流电路的分析方法；了解交流电路中的谐振现象；了解常用电工仪表的工作原理，掌握常用交流电流表、电压表和功率表的使用方法；掌握交流电路中元件参数的测试方法；了解白炽灯的工作原理，了解白炽灯电路的安装过程及故障特点；了解日光灯的工作原理，了解日光灯电路的安装过程及故障特点。能力目标：掌握仿真软件测试单相交流电路的方法，掌握用示波器观察并测试谐振电路参数的方法；掌握交流电流表、电压表和功率表的使用方法，掌握单相交流电路元件参数的测量与计算方法；掌握白炽灯电路的安装方法及其电路的故障检修方法；掌握日光灯电路的安装方法及其电路的故障检修方法。素质目标：沟通、协作能力；观察、信息收集能力；分析总结能力。良好的职业道德和严谨的工作作风教学重点交流电流表、电压表和功率表的使用方法，常用电工仪表的工作原理教学难点白炽灯电路，日光灯电路的故障检修方法教学手段理实一体实物讲解小组讨论、协作教学学时12教学内容与教学过程设计注释项目四一般照明电路的安装与维修任务一仿真测试RLC串联电路〖任务目标〗交流电路要比直流电路复杂得多，所以交流电的学习难度要大于直流电的学习，本任务通过仿真测试交流RLC串联电路的方式，把抽象的理论学习变得形象直观，从而能更好地掌握交流电的知识，在这里，仿真测试是一种很好地学习交流电知识的方法。〖知识链接〗一、正弦交流电的基本概念（一）交流电的概念大小和方向随时间作周期性变化的电流或电压称为交流电。图4-1直流电和交流电波形图（二）正弦交流电的产生图4-2交流发电机的基本原理图正弦交流电是通过单相交流发电机产生的，交流发电机包括两大部分：一个可以自由转动的电枢(转子)和一对固定的磁极(定子)。电枢上绕有线圈，线圈切割磁力线便可产生感应区分直流电和交流电的不同。第页2电动势。电磁感应现象中，穿过闭合回路的磁通发生变化时，回路中将出现感应电流。交流电的产生就是利用了电磁感应的原理。（三）描述交流电的物理量1.周期、频率和角频率交流电完成一次周期性变化所需要的时间称为交流电的周期。周期通常用T表示，单位是秒(s)。如果利用角度来表征交流电，那么每秒内交流电所变化的角度被称为角频率。角频率通常用ω来表示，单位是弧度/秒(rad/s)。交流电的周期、频率和角频率主要是用来描述交流电变化快慢的物理量，它们之间的关系是f=1/T或T=1/fω=2π/T=2πf2.幅值交流电在每周变化过程中出现的最大瞬时值称为幅值，也称为最大值。3.初相位如果利用角度来表征交流电，那么t＝0时刻交流电对应的角度被称为初相位，简称初相。4.瞬时值交流电流、电压、电动势在某一时刻所对应的值称为它们的瞬时值。交流电的瞬时值取决于它的周期、幅值和初相位。用小写字母表示，如用i、u、e分别表示瞬时电流、瞬时电压、瞬时电动势等。交流电的幅值描述了交流电大小的变化范围，交流电的角频率描述了交流电变化的快慢，交流电的初相位描述了交流电的初始状态。这三个物理量决定了交流电的瞬时值，因此，将幅值、角频率和初相称为交流电的三要素。（四）相位差图4-7交流电的相位关系相位差指的是两个同频率正弦量之间的相位之差，由于同频率正弦量之间的相位之差实际上就等于它们的初相之差，因此相位差就是两个同频率正弦量的初相之差。需要注意的是，不同频率的正弦量之间是没有相位差的概念而言的。（五）交流电的有效值和平均值1.交流电的有效值交流电流i通过电阻R在一个周期内所产生的热量和直流电流I通过同一电阻R在相同时间内所产生的热量相等,则这个直流电流I的数值叫做交流电流i的有效值。通常说照明电路的电压是220V，就是指有效值，与其对应的交流电压的幅值是311V。各种交流电的电器设备上所标的额定电压和额定电流均为有效值。另外，利用交流电流表和交流电压表测量的交流电流和交流电压也都是有效值。2.交流电的平均值交流电半个周期内所有瞬时值的平均值称为交流电的平均值。二、正弦量的相量表示法（一）复数及四则运算1.复数A=4+3j在复平面上的表示如图4-9所示。教师讲解交流发电机的基本原理。结合例4-4讲解相位差的概念。第页3图4-9复数在复平面上的表示2.复数的四则运算1)复数的加减法2）复数的乘除法（二）正弦量的相量表示法1.相量相量的本质是复数，用相量表示正弦量的基础就是用复数表示正弦量。需要注意的是，相量只是表示正弦量，不是等于正弦量；只有正弦量才能用相量表示，非正弦量不能用相量表示；只有同频率的正弦量才能画在同一相量图上。2.相量图三、正弦电路中的电阻元件1.电阻元件上电压与电流的关系图4-14电阻元件交流电路2.电阻元件的功率由于在电阻元件的交流电路中u与i同相，它们同时为正，同时为负，所以瞬时功率总是正值，即p≥0。瞬时功率为正，这表明外电路从电源取用能量。电阻元件从电源取用能量后转换成了热能，这是一种不可逆的能量转换过程。通常这样计算电能：W=P·t。工程上都是计算瞬时功率的平均值,即平均功率,用大写字母P表示。P是一个周期内电路消耗电能的平均功率，即瞬时功率的平均值，称为平均功率，如图414（d）所示。在电阻元件电路中，平均功率为P=UI=I2R=U2/R平均功率又称为有功功率。功率的单位为瓦(W）,工程上也常用千瓦（kW）,其与瓦的换算关系为1kW=1000W。四、正弦电路中的电感元件1.电感元件上电压与电流的关系以图4-9为例，讲解复数的概念。结合例4-10，4-11讲解相量图的画法。第页4图4-16电感元件交流电路2.电感元件的功率与储能五、正弦电路中的电容元件1.电容元件上电流与电压关系图4-17电容元件交流电路2.交流电路中电容元件上的功率六、电阻、电感与电容串联的交流电路1.RLC串联交流电路中电流与电压的关系图4-19RLC串联的交流电路2.电流电压关系与电压三角形、阻抗与阻抗三角形3.电路的性质（1）如果XLXC，则在相位上电流i比电压u滞后，φ0，这种电路是电感性的，简称为感性电路。（2）如果XLXC，则在相位上电流i比电压u超前,φ0，这种电路是电容性的，简称为容性电路。（3）当XL=XC，即φ=0时，则电流i与电压u同相，这种电路是电阻性的，称之为谐振结合例4-18讲解第页5电路，谐振电路后面将介绍。七、阻抗的串联与并联1.阻抗的串联图4-23阻抗的串联2.阻抗的并联图4-24阻抗的并联八、功率因数的提高（一）正弦交流电路的功率1.瞬时功率瞬时功率有时为正，有时为负。正值时，表示负载从电源吸收功率，负值表示从负载中的储能元件(电感、电容)释放出能量送回电源。2.有功功率(平均功率)和功率因数把一个周期内瞬时功率的平均值称为“平均功率”,或称为“有功功率”,用字母“P”表示。在交流负载中只有电阻部分才消耗能量，在RLC串联电路中电阻R是耗能元件，则有P=UR/I=I2R。3.无功功率由于电路中有储能元件电感和电容，它们虽不消耗功率，但与电源之间要进行能量交换。用无功功率表示这种能量交换的规模，用大写字母Q表示，对于任意一个无源二端网络的无功功率可定义为Q=UIsinφ上式中的φ角为电压和电流的相位差，也是电路等效复阻抗的阻抗角。4.视在功率在交流电路中，端电压与电流的有效值乘积称为视在功率，用S表示。即S=UI视在功率的单位为伏安(VA)或千伏安(kVA)。（二）功率因数电路所具有的参数不同，电压与电流之间的相位差φ也就不同，在同样的电压U和电流I下，电路的有功功率和无功功率也就不同。因此，电工学中将P=URI=I2R=UIcosφ中的cosφ称为功率因数。国家电业部门规定，用电企业的功率因数必须维持在0.85以上。高于此指标的给予奖励，低于此指标的则罚款，而低于0.5者停止供电。功率因数的高低为什么如此重要，功率因数低有哪些不利？从以下两方面来说明。（1）电源设备的容量不能充分利用。教师讲解功率因数的概念，并结合实际说明其重要性。第页6（2）增加输电线路上的功率损失。（三）功率因数提高的方法提高功率因数的简便而有效的方法，是给电感性负载并联适当大小的电容器，其电路图和相量图如图4-29所示。图4-29功率因数的提高九、电路的谐振（一）RLC串联谐振的条件与谐振频率图4-30串联谐振电路（二）电感与电容并联谐振1.并联谐振的条件2.并联谐振电路的特点(1)电路两端电压与电流同相位，电路呈电阻性。(2)电路的并联阻抗最大，即等于电阻值。因此当电压一定时，电路中的电流达到最小值。(3)电感电流与电容电流大小相等，相位相反，互为补偿，电路总电流等于电阻支路电流。(4)谐振时IL=IC，但它们比并联总电流可以大许多倍，因此，并联谐振也称为电流谐振。谐振时支路电流与总电流之比也称为谐振电路的品质因数，用Q表示。任务二单相交流电路实验〖任务目标〗交流电路中元件参数的测量与计算是交流设备维修的重要环节，本任务通过单相交流电路实验来进行元件参数的测试，来准确判断元件的好坏，也为元件的检修和更换准备技术数据，从而使交流设备能正常地工作。〖知识链接〗一、常用电工仪表及使用（一）电工测量仪表的分类1.指示仪表指示仪表有如下几种分类方法。（1）根据测量对象分类，可以分为电流表、电压表、功率表、相位表、频率表、千瓦小时计、万用表等。（2）根据工作原理分类，可以分为磁电系、电磁系、电动系、静电系、感应系、整流系等。结合4-30电路图，讲解谐振的条件，频率及特点。第页7（3）根据仪表工作电流的性质分类，可以分为直流仪表、交流仪表和交直流两用仪表。（4）根据准确度等级分类，共分为0.1、0.2、0.5、1.0、1.5、2.5、5.0共七个等级。2.数字式仪表优点：（1）读数方便，没有视差。（2）准确度高。（3）测量速度快。（4）灵敏度高。（5）输入阻抗高，仪表功耗小。（6）便于输送。3.比较仪表比较类仪表的优点是测量准确度较高，缺点是测量过程复杂，测量速度较慢。4.其他电工仪表分流器、测量用的互感器等。（二）常用电工仪表的符号及型号1.常用电工仪表的符号常用电工仪表的符号见表4-5。2.电工仪表的型号图4-38安装式指示仪表型号组成（三）电工仪表的工作原理1.电工仪表的组成常用电工仪表主要由外壳、有标度尺和有关符号的面板、测量线路、表头、电磁系统、指针、阻尼器、转轴、轴承、游丝、零位调整器等组成。2.电工仪表的工作原理图4-39磁电式仪表的原理结构图4-40电磁式仪表的原理结构（四）电工仪表的测量误差及消除1.电工指示仪表的选择（1）要考虑工作条件。（2）要正确选择仪表的量限。（3）仪表经长期工作后，其准确度会发生变化，因此，要根据电气计量部门的规定，定学生分组讨论各类仪表的优缺点。结合表格内容，熟悉常用电工仪表的符号。以常用的磁电式仪表和电磁式仪表为例，讲解电工仪表的工作原理。第页8期进行校验和维修。2.测量误差及其消除方法仪表的指示值和被测量的真实值之间会有一个差别，称为误差。误差越小，说明仪表的准确度越高。造成误差有两类原因。第一是仪表本身固有的因素造成的，第二是由于使用不当造成的误差。测量误差可分为以下三类。1）系统误差譬如，由于仪表放置不当造成的误差，若能正确安装或放置仪表，误差即可消除。但是多数情况下，产生这种误差的原因是无法消除的，只能采取一些特殊的测量方法减小这种误差。2）偶然误差偶然误差是不可能在一次测量中加以消除的，必须多次测量从偶然误差的总和中，用概率论来指出偶然误差的可能必然性较大的界限，衡量测量的准确度以及确定测量结果与被测量实际值的接近程度。3）疏失误差疏失误差是一种严重歪曲测量结果的误差，它是由于测量者在测量过程中的粗心和疏忽造成的，如读数错误或记录错误等。这样的测量结果是不可取的，消除疏失误差的根本方法是加强测试人员的责任感，倡导认真负责和一丝不苟的工作精神。对由于疏失获取的测量结果，必须剔除。（五）常用电参数的测量1.电流的测量2.电压的测量3.功率的测量1）单相交流和直流功率的测量用功率表测量直流或单相交流电路的功率时，功率表的正确接线如图4-46所示。图4-46功率