1、河南机电高等专科学校教 案课 程 名 称 电工学(3)课 程 代 码 581055系(部) 电气工程系教研室(实验室) 电机与电器授 课 教 师 毛景魁职 称 助教二七年八月课 程名 称 电工学(3) 总计: 80 学时课 程类 别 专业基础课 课程代码 581055授 课教 师 毛景魁 学 分 3讲授: 70 学时实验: 10 学时上机: 学时其他: 学时授 课对 象 模具 063、064、065、066教材和主要参考资料教材: 电工学简明教程 ,高等教育出版社,秦曾煌主编参考资料: 电工学 (上) ,高等教育出版社,秦曾煌主编电工学 (下) ,高等教育出版社,秦曾煌主编电工电子技术 ,高等
2、教育出版社,陈小虎主编课 程简 介电工学是工科学校非电类各专业的一门重要技术基础课。本课程是电工学的下篇,主要内容包括:半导体二极管与三极管,基本放大电路的组成与分析方法,运算放大器的分析与应用,直流稳压电源,门电路和组合逻辑电路的分析,触发器和时序逻辑电路。教学中应以实际需要为出发点,培养学生的应用能力,加强电工电子技术基础与工程实践的紧密结合,为后续课程的学习打下良好的基础。教学难点重点重点:基尔霍夫定律,电路中电位的概念及计算;支路电流法,叠加原理,戴维宁定理;正弦交流电的相量表示法,正弦交流电路的分析与计算,有功功率,提高功率因数的意义和方法,串联谐振;三相电路的联接方法,对称三相电路
3、电压、电流和功率的计算方法;时间常数的物理意义,换路定则,一阶 RC 线性电路暂态分析的三要素法;供电过程,安全用电常识;常用电工仪表的正确使用方法。PN 结的单向导电性, 半导体三极管电流分配和放大作用。共发射极单管放大电路的基本结构和工作原理,微变等效电路的分析法。射极输出器的基本特点,反馈的概念,负反馈对放大电路性能的影响,差模信号和共模信号的概念,基本的互补对称功率放大电路的工作原理,理想运算放大器及其基本分析方法。集成运算放大器组成的应用电路。正弦波振荡电路的自激振荡条件。布尔代数,组合逻辑电路的分析方法,基本门电路的组成,寄存器,计数器的工作原理及应用。难点:电压和电流的参考方向的
4、概念;支路电流法,叠加原理,戴维宁定理;相量图,无功功率,正弦交流电路的分析与计算;三相电路中的电压电流关系;安全用电章程;用电桥测量电阻、电容与电感的方法;半导体三极管电流分配和放大作用,工作原理和主要特性曲线。差动放大电路的工作原理,基本的互补对称功率放大电路,共源极放大电路的工作原理。集成运算放大器的应用, 滤波电路的分析。组合逻辑电路的分析,寄存器的工作原理。授课题目:电路及其分析方法授课方式(请打)理论课 讨论课 实验课 习题课 其他课时安排 2教学大纲要求:电路模型,电压和电流的参考方向,电源有载工作、开路与短路,简单直流电路和电路中电位计算等。教学目的、要求(分掌握、熟悉、了解三
5、个层次):了解电路模型和理想电路元件,电压和电流参考方向的意义,理解实际电源的两种模型及其等效变换。了解电源的有载工作、开路和短路状态,理解电功率和额定值的意义,掌握电位的概念,会计算简单直流电路和电路中各点的电位。教学重点及难点:重点:电路中电位的概念及计算。难点:电压和电流的参考方向的概念。作业、讨论题、思考题:P9:1.4.1 P10:1.4.4、 1.4.6课后总结分析:教 学内 容 备注电流、电压参考方向及功率计算常用电路元件的伏安特性电路分析的主要任务在于解得电路物理量,其中最基本的电路物理量就是电流、电压和功率。电路基本物理量为了某种需要而由电源、导线、开关和负载按一定方式组合起
6、来的电流的通路称为电路。电路的主要功能:一:进行能量的转换、传输和分配。二:实现信号的传递、存储和处理。电荷的定向移动形成电流。 电流的大小用电流强度表示,简称电流。 电流强度:单位时间内通过导体截面的电荷量。大写 I 表示直流电流小写 i 表示电流的一般符号正电荷运动方向规定为电流的实际方向。电流的方向用一个箭头表示。任意假设的电流方向称为电流的参考方向。如果求出的电流值为正,说明参考方向与实际方向一致,否则说明参考方向与实际方向相反。电压、电位和电动势电路中 a、b 点两点间的电压定义为单位正电荷由 a 点移至 b 点电场力所做的功。电路中某点的电位定义为单位正电荷由该点移至参考点电场力所
7、做的功。电路中 a、b 点两点间的电压等于 a、b 两点的电位差。电压的实际方向规定由电位高处指向电位低处。与电流方向的处理方法类似,可任选一方向为电压的参考方向例: 当 ua =3V ub = 2V 时u1 =1V最后求得的 u 为正值,说明电压的实际方向与参考方向一致,否则说明两者相反。u2 =1V对一个元件,电流参考方向和电压参考方向可以相互独立地任意实际方向(a) i0a b参考方向实际方向(b) i0,吸收 10W 功率。(b)关联方向,P=UI=5( 2)=10W,P0,吸收 10W 功率。电路基本元件常见的电路元件有电阻元件、电容元件、电感元件、电压源、电流源。电路元件在电路中的
8、作用或者说它的性质是用其端钮的电压、电流关系即伏安关系(VAR)来决定的。伏安关系(欧姆定律):关联方向时:u =Ri+ u (a) 关联方向a bi u +(b) 非关联方向a bidtdWp+ U=5V (a)(b)I=2A+ U=5V I=-2A(c)+ U=5V I=-2A非关联方向时:u =Ri1电阻元件符号:功率:电阻元件是一种消耗电能的元件。伏安关系:2电感元件符号:电感元件是一种能够贮存磁场能量的元件,是实际电感器的理想化模型。L 称为电感元件的电感,单位是亨利(H) 。只有电感上的电流变化时,电感两端才有电压。在直流电路中,电感上即使有电流通过,但,相当于短路。3电容元件电容
9、元件是一种能够贮存电场能量的元件,是实际电容器的理想化模型。伏安关系:符号:只有电容上的电压变化时,电容两端才有电流。在直流电路中,电容上即使有电压,但,相当于开路,即 电容具有隔直作用。C 称为电容元件的电容,单位是法拉(F) 。以下内容为选讲内容(如果时间宽裕的话)1电压源与电流源(1)伏安关系(2)特性曲线与符号电压源 电流源2受控源(1)概念受控源的电压或电流受电路中另一部分的电压或电流控制。(2)分类及表示方法Ri+ u RuRiuip 22 + u i LdtdiLu dtdiLu i C+ u dtduCi dtduCi uUsO t Us+ us+ iIsO uisVCVS 电
10、压控制电压源VCCS 电压控制电流源CCVS 电流控制电压源CCCS 电流控制电流源120ui120riu120gui 120iu如采用关联方向:p =u1i1 +u2i2=u2i2 授课题目:电路的基本定律授课方式(请打)理论课 讨论课 实验课 习题课 其他课时安排 2教学大纲要求:基尔霍夫定律、电阻串并联联接的等效变换,电压源与电流源及其等效变换,支路电流法。教学目的、要求(分掌握、熟悉、了解三个层次):掌握基尔霍夫定律并能正确应用。熟练掌握用支路电流法、戴维宁定理分析电路的方法。了解电阻元件的伏安特性。教学重点及难点:重点:支路电流法,基尔霍夫定律。作业、讨论题、思考题:P14:1.5.
11、2 P18:1.6.1 P21:1.7.1+u1+u2i1=0 i2+ u1i1=0 i2+u2+u1=0+ri1+u1+u2i1=0 i2gu1i1=0 i2+u2+u1=0 i1课后总结分析:教 学内 容 备注1.3 基尔霍夫定律电路中通过同一电流的每个分支称为支路。3 条或 3 条以上支路的连接点称为节点。电路中任一闭合的路径称为回路。图示电路有 3 条支路,2 个节点,3 个回路。1.3.1 基尔霍夫电流定律(KCL)在任一瞬时,流入任一节点的电流之和必定等于从该节点流出的电流之和。在任一瞬时,通过任一节点电流的代数和恒等于零。可假定流入节点的电流为正,流出节点的电流为负;也可以作相反
12、的假定。所有电流均为正.KCL 通常用于节点,但是对于包围几个节点的闭合面也是适用的。例:列出下图中各节点的 KCL 方程解:取流入为正以上三式相加: i1 i2i 3 0 节点 a i1i 4i 60节点 b i2i 4i 50节点 c i3i 5i 60基尔霍夫电压定律(KVL)在任一瞬时,在任一回路上的电位升之和等于电位降之和。在任一瞬时,沿任一回路电压的代数和恒等于零。电压参考方向与回路绕行方向一致时取正号,相反时取负号。所有电压均为正。对于电阻电路,回路中电阻上电压降的代数和等于回路中的电压源电压的代数和。在运用上式时,电流参考方向与回路绕行方向一致时 iR 前取正号,相反时取负号;
13、电压源电压方向与回路绕行方向一致时 us 前取负号,相反时取正号。KVL 通常用于闭合回路,但也可推广应用到任一不闭合的电路上。例:列出下图的 KVL 方程+us1i1R1i2i3 R2R3 +us2abc de0i出入 ii i4i2i6i5i3i1 abc+us降升 uu 0u+ uab+ i1 i2 R1us1 + us2 i4 asuiR 0111222333 sssab uRiuRiRiuu电路分析方法电阻的串联及并联具有相同电压电流关系(即伏安关系,简写为 VAR)的不同电路称为等效电路,将某一电路用与其等效的电路替换的过程称为等效变换。将电路进行适当的等效变换,可以使电路的分析计
14、算得到简化。1电阻的串联n 个电阻串联可等效为一个电阻分压公式两个电阻串联时2电阻的并联n 个电阻并联可等效为一个电阻分流公式两个电阻并联时支路支路电流法是以支路电流为未知量,直接应用 KCL 和 KVL,分别对节点和回路列出所需的方程式,然后联立求解出各未知电流。一个具有 b 条支路、n 个节点的电路,根据 KCL 可列出(n1)个独立的节点电流方程式,根据 KVL 可列出 b(n 1)个独立的回路电压方程式。图示电路2Ai1i2+5Vab105+us1i1R1i2i3 R2R3 +us2ab + i5 i3 R3 R2us3 bi R1+uR2RnRi+u+u1+u2+unR1i+uR2+
15、u1+u2i1 i2 inR1i+uR2 Rn Ri+ui1 i2R1+uR2iRRRuikkk iRR Ri2112 iRRRi2121 uRR Ru2122 uRRRu2111 uRRiRu kkk nRRRR 21(1)电路的支路数 b=3,支路电流有 i1 、i2、 i3 三个。(2)节点数 n=2,可列出 21=1 个独立的 KCL 方程。节点 a:(3)独立的 KVL 方程数为 3(21)=2 个。回路 I: 回路 II:例:如图所示电路,用支路电流法求各支路电流及各元件功率。解:2 个电流变量 i1 和 i2,只需列 2 个方程。对于节点 a 列 KCL 方程:1i对图示回路列
16、KVL 方程:502解得 ,1ii0, ,电路呈感性。CL1z(2)当 时,X 0 (b) X 0 (c) X = 0LURUIC+u Ri(a) RLC 并联电路 (b) 相量模型+UIL CiR iL iCR jXL jXCIRUILjXICjXUI)1(C若已知 ,便可求出各个电流相量。u例:RLC 并联电路中。已知 R=5,L=5H,C=0.4 F,电压有效值U=10V, =106rad/s ,求总电流 i,并说明电路的性质。解: 51066LX,设 ,则:.24.1C V01UA50RUI21LjjjX45.0CjjI A4522LR jI,为电流的相位超前电压,所以电路呈容性。A)
17、1sin(46t正弦电路的功率二端网络的功率1平均功率设 , ,则瞬时功率:iu)sin(2tUI )2cos(s tItIp平均功率(有功功率): )2cos(100 UIdttITdtP, cos 称功率因数。对无源二端网络, = 。cosI z对电阻元件 R, , 。UIP对电感元件 L, , 。9对电容元件 C, , 。0可见电阻总是消耗能量的,而电感和电容是不消耗能量的,其平均功率都为0。平均功率就是反映电路实际消耗的功率。无源二端网络各电阻所消耗的平均功率之和,就是该电路所消耗的平均功率。2无功功率单位为乏(Var)表示二端网络与外电路进行能量交换的幅度。sinUIQ对电阻元件 R
18、, , 。0Q对电感元件 L, , 。9UI对电容元件 C, , 。3视在功率,单位为伏安(VA)表示用电设备的容量。UIS平均功率 P、无功功率 Q 和视在功率 S 的关系:22功率因数的提高1、提高功率因数的意义:(1)提高发、配电设备的利用率;(2)减少输电线路的电压降和功率损失。2、提高功率因数的方法:在感性负载上并联适当的电容。例:一台功率为 1.1kW 的感应电动机,接在 220 V、50 Hz 的电路中,电动机需要的电流为 10 A,求:(1)电动机的功率因数;(2) 若在电动机两端并联一个79.5F 的电容器,电路的功率因数为多少?解:(1) 5.012.cosUIP(2)在未
19、并联电容前,电路中的电流为 。并联电容后,电动机中的电流不变,仍为 ,这时电路中的电流为: C1I由相量图得: 84.032cos3.25.6arctgartgAs16s.80ini 5.17934C6C IIUXI电路中的谐振由电阻、电感、电容组成的电路,在正弦电源作用下,当电压与电流同相时,电路呈电阻性,此时电路的工作状态称为谐振。串联谐振 )1(CLjRXZ+U 1IC电动机 R(a) 电 路 (b) 相 量 图ULIIC I1+u+uL+ uR uC +RLCi, 。01CLX0arctgCLRX电压与电流同相,电路呈电阻性,电路谐振。并联谐振,LjRZ1jZC1j)(C1 ,RL )
20、1(1LCjRjLZ谐振时,阻抗的虚部为零,故有: 00谐振角频率为: L10谐振频率为: Cf2在 的情况下,并联谐振电路与串联谐振电路的谐振频率相同。RL并联谐振时, ,电压与电流同相,阻抗为 ,阻抗的模最大,在外0RCLZ加电压一定时,电路的总电流最小。授课题目:三相电路授课方式(请打)理论课 讨论课 实验课 习题课 其他课时安排 2教学大纲要求:三相电压 、三相电源和三相负载,线电压(线电流) 、相电压(相电流)及三相功率的概念,负载星形联接和三角形联接的三相电路。 教学目的、要求(分掌握、熟悉、了解三个层次):掌握三相四线制电路中负载的正确联结,掌握中性线的作用,熟练掌握对称三相交流
21、电路中电压、电流和功率的计算。教学重点及难点:重点:三相电路的联接方法,对称三相电路电压、电流和功率的计算方法。难点:三相电路中的电压电流关系。作业、讨论题、思考题:课后总结分析:教 学内 容 备注三相电路由 3 个频率相同、振幅相同、相位互差 120的正弦电压源所构成的电源称为三相电源。由三相电源供电的电路称为三相电路。三相电源三相电源由三相交流发电机产生的。在三相交流发电机中有 3 个相同的绕组。3 个绕阻的首端分别用 A、B、C 表示,末端分别用 X、Y、Z 表示。这 3 个绕组分别称为 A 相、B 相、C 相,所产生的三相电压分别为:)120sin(2iCBtUutpp120CBAppU三个电压、同幅值、同频率、相位互差 120。三个电压达最大值的先后次序叫相序,图示相序为 ABC。1三相电源的星形连接星形连接:3 个末端连接在一起引出中线,由 3 个首端引出 3 条火线。每个电源的电压称为相电压,火线间电压称为线电压。 ACBAU由相量图可得: pl3 tu uA uB uCO120120120 ABU(a) 波 形 图 (b) 相 量 图CUB+ A+ANBC