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课题 |
正弦交流电路（二）——认识三相交流电路 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 课时 | 2课时（90 min） | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 教学目标 |
知识技能目标： （1）掌握三相交流电源的工作原理和表示方法 （2）掌握三相交流电路的联结方法 （3）掌握三相交流电路功率的计算方法 （4）能够测量三相交流电路的电压和电流 素质目标： （1）培养执着专注、科学严谨、精益求精、追求卓越的工匠精神 （2）厚植民族自豪感和文化自信心 |
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| 教学重难点 |
教学重点：三相交流电源的工作原理和表示方法，三相交流电路的联结方法，三相交流电路功率的计算方法 教学难点：测量三相交流电路的电压和电流 |
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| 教学方法 | 案例分析法、问答法、讨论法、讲授法 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 教学用具 | 电脑、投影仪、多媒体课件、教材 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 教学过程 | 主要教学内容及步骤 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 课前任务 |
【教师】布置课前任务，和学生负责人取得联系，组织学生下载“任务工单——测量三相交流电路的电压和电流”，并根据任务工单进行组内分工，同时提醒同学通过文旌课堂APP或其他学习软件，了解三相交流电路的相关知识 【学生】完成课前任务 |
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| 考勤 |
【教师】签到 【学生】班干部报请假人员及原因 |
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| 任务导入 |
【教师】提出以下问题： 什么是三相交流电？三相交流电适用于什么场合？ 【学生】思考、举手回答 |
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| 传授新知 |
【教师】通过学生的回答引入要讲的知识，介绍三相交流电源、三相交流电路的联结方法和三相交流电路的功率等内容 2.2.1 三相交流电源 1．三相交流电源的工作原理 三相交流电路是指由三相交流电源和三相负载组成的电路。其中，三相交流电源是指由3个频率相同、相位互差120°的正弦交流电压源，按一定方式连接起来的电源。最常见的三相交流电源是三相交流发电机。 ✈【教师】通过多媒体展示“三相交流发电机的三相定子绕组”图片（详见教材），帮助学生对这些内容有更直观地认识 三相交流发电机主要由定子和转子组成，定子铁芯内圆周表面的槽内均匀嵌入了3个定子绕组  、 和 ，称为三相定子绕组。其中， 、 和 均为三相定子绕组的始端， 、 和 均为三相定子绕组的末端。这3个定子绕组在空间上分别相隔 。转子的铁芯上绕有励磁绕组，当转子以匀角速度转动时﹐会使三相定子绕组 、和依次切割磁力线，从而得到三相对称电压 、 和 ﹐形成三相交流电源。若三相交流电源中3个正弦交流电压源的振幅相等，则称该三相交流电源为三相对称电源。下文所指的三相交流电源均是指三相对称电源。 2．三相交流电源的表示方法 在三相交流电源中，设三相对称电压的参考方向为由始端指向末端，并以 为参考正弦量，则有 （2-27）其相量表达式为  （2-28）✈【教师】通过多媒体展示“三相对称电压的波形和相量”图片（详见教材），帮助学生对这些内容有更直观地认识 三相对称电压的瞬时值及相量之和均为0，即  （2-29）三相对称电压出现正值（或相应零值）的顺序称为相序。式（2-27）中三相对称电压的相序U→V→W称为正序，即V相滞后于U相，W相又滞后于V相。反之，相序W→V→U称为负序。通常规定，三相交流电源的三根相线分别涂以黄、绿、红三色来区分U、V、W三相。 2.2.2 三相交流电路的联结方法 1．三相交流电源的联结方法 ✈【教师】通过多媒体展示“三相交流电源的Y联结”图片（详见教材），帮助学生对这些内容有更直观地认识 三相交流电源的联结方法主要有Y联结和△联结两种，下面分别进行介绍。 1）Y联结 将三相交流发电机三相定子绕组的3个末端 、和连接于N点，将3个始端、和作为输出端，这种连接方式称为三相交流电源的Y联结，如图2-29所示。在Y联结中，N点称为中性点或零点，从N点引出的导线称为中性线，俗称零线。从、和引出的3根导线 、 和 称为相线，俗称火线。在三相交流电源中，每相绕组始端与末端之间的电压，即相线与中性线之间的电压，称为相电压，其有效值用  、 和 表示，或者用 表示。任意两始端之间的电压，即两相线之间的电压，称为线电压，其有效值用 、 和 表示，或者用 表示。三相交流电源做Y联结时，其相电压和线电压有所不同。 ✈【教师】通过多媒体展示“三相交流电源做Y联结时相电压和线电压之间的相量关系”图片（详见教材），帮助学生对这些内容有更直观地认识 线电压也是频率相同、振幅相等、相位互差120°的三相对称电压。同时，从图中还可以看出每个线电压在相位上比相应的相电压超前30°，因此相电压与线电压的相量关系表达式为  （2-30）由式（2-30）可得，线电压的有效值 是相电压有效值的 倍，其大小关系为 （2-31）【点拨】 就供电方式而言，从三相交流电源引出三根相线和一根中性线的供电方式称为三相四线制，用  表示；仅引出三根相线的供电方式称为三相三线制，用Y表示。其中，三相四线制供电方式可向用户提供相电压和线电压两种电压，主要用于低压供电系统。我国低压供电系统的相电压为220 V，线电压为380 V。三相三线制供电方式由于没有中性线，只能向用户提供线电压，因此主要用于高压输电系统。2）△联结 ✈【教师】通过多媒体展示“三相交流电源的△联结”图片（详见教材），帮助学生对这些内容有更直观地认识 依次将一相绕组的始端与另一相绕组的末端连接，再将三个连接点作为输出端，这种连接方式称为三相交流电源的△联结。 三相交流电源做△联结时，相电压与线电压的相量关系表达式为  （2-32）由式（2-32）可知，线电压的有效值等于相应的相电压的有效值，即  。【点拨】 做△联结的三相交流电源，相当于三个单相交流电压源同时作用在三相绕组的闭合回路中。由于  ，因此闭合回路中的总电压为0 V，不会产生环流。但若有一相绕组接反，则 ，闭合回路中将会产生很大的环流，从而导致三相交流电源被烧毁。因此，在使用时应加以注意。2．三相负载的联结方法 根据所需供电电源类型的不同，负载可分为单相负载和三相负载两类。其中，三相负载又可分为两类：若各相负载的阻抗相等，即  ，则该负载称为三相对称负载，如三相交流电动机等；否则，称为三相不对称负载。三相负载的联结方法也主要有Y联结和△联结两种。无论做Y联结还是做△联结，三相负载中每相负载始、末两端之间的电压都称为负载的相电压，任意两相负载始端之间的电压称为负载的线电压。在三相交流电路中，通过每相负载的电流称为相电流，其有效值用  表示；通过相线的电流称为线电流，其有效值用 表示。当三相负载接入三相交流电路时，应当使加在三相负载上的电压等于其额定电压，并尽可能使各相负载均匀对称，从而使三相交流电源趋于平衡。 1）Y联结 ✈【教师】通过多媒体展示“三相负载做Y联结的三相四线制电路”图片（详见教材），帮助学生对这些内容有更直观地认识 如图所示，将三相负载的末端连接于  点，并与三相交流电源的中性线相连，三相负载的始端分别接到三根相线上，这种连接方法称为三相负载的Y联结，这种连接方法组成的电路称为三相负载做Y联结的三相四线制电路。其中， 、 和 分别为每相负载的阻抗模。 无论三相负载是否对称，其相电压和线电压都分别等于三相交流电源的相电压和线电压，而且其相电流的有效值等于相应线电流的有效值，即  （2-33）✈【教师】通过多媒体展示“三相负载做Y联结时电压和电流的相量”图片（详见教材），帮助学生对这些内容有更直观地认识 当三相负载做Y联结时，由于各相电源与各相负载经中性线组成了各自独立的回路，因此可以利用单相交流电路的分析方法来对每相负载进行独立分析。此时，相电流为  （2-34）中性线上的电流可根据KCL得出，即  （2-35）若三相交流电路中的三相负载也对称，即  ，则此时的电路被称为三相对称电路。由于电压对称且各相负载相同，因此通过各相负载的电流也是对称的，即 （2-36）此时，中性线上的电流等于0，即  （2-37）✈【教师】通过多媒体展示“三相三线制电路”图片（详见教材），帮助学生对这些内容有更直观地认识 在三相对称电路中，取消中性线后不会影响该电路的正常工作，此时三相四线制电路实际上就变成了三相三线制电路。 在三相四线制电路中，中性线的作用非常大。当负载不对称时，中性线的电流不等于0。此时，中性线绝对不能去掉，否则负载上的相电压将会不对称，从而导致有的负载上的相电压大于额定电压，有的负载上的相电压小于额定电压，使负载损坏或不能正常工作。因此，规定不准在三相四线制电路的中性线上安装开关和熔断器，而且为了使中性线本身具有足够的机械强度，可在中性线中加装钢芯。 【经验传承】 当三相负载对称时，三相三线制电路与三相四线制电路完全相同，两者关于相电流的计算方法也相同，且只需要计算其中任意一相的电流，便可推算出另外两相的电流。 2）△联结 ✈【教师】通过多媒体展示“三相负载做△联结的三相交流电路”图片（详见教材），帮助学生对这些内容有更直观地认识 将三相负载分别连接到三相交流电源的两根相线之间，这种连接方式称为三相负载的△联结，其中，  、 和 分别为每相负载的阻抗模。由于每相负载都直接连接在电源的两根相线之间，因此各相负载的相电压与三相交流电源的线电压相等，且无论三相负载是否对称，其相电压总是对称的，即  （2-38）✈【教师】通过多媒体展示“三相对称负载做△联结时线电流与相电流的相量”图片（详见教材），帮助学生对这些内容有更直观地认识 当三相负载做△联结时，若三相负载对称，即  ，则各相负载的相电流也是对称的。此时，线电流与相电流的相量。当三相对称负载做△联结时，线电流也是对称的，其有效值为相电流有效值的 倍，其相位比相应的相电流滞后30°，即 （2-39）2.2.3 三相交流电路的功率 ✈【教师】组织学生扫码观看“交流电路的功率”视频（详见教材），让学生对相关知识有一个大致地了解 三相交流电路可看作三个单相交流电路的组合，因此单相交流电路功率的计算方法可直接应用于三相交流电路。 1．有功功率 在三相交流电路中，无论负载如何连接，电路总的有功功率都等于各相有功功率之和，即  （2-40）在三相对称电路中，式（2-40）可写为  （2-41）式中：  ——相电压的有效值 与相电流的有效值 之间的相位差。在实际应用中，由于线电压和线电流的测量较为容易，因此三相交流电路的有功功率通常用线电压和线电流来计算。当三相对称负载做Y联结时，有  ， 当三相对称负载做△联结时，有  ， 因此，无论三相对称负载是做Y联结还是做△联结，其有功功率均为  （2-42）2．无功功率与视在功率 无论三相对称负载是做Y联结还是做△联结，其无功功率均为  （2-43）其视在功率为  （2-44）【学生】聆听、思考、理解、记录 |
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| 课堂实践 |
【教师】准备器材，带领学生到实验室进行试验操作 1）测量三相负载做Y联结的三相交流电路 （1）如图所示连接电路，使三相灯组负载经三相调压器接通三相交流电源。将三相调压器的旋柄置于输出为0 V的位置（即逆时针旋转到底）。  （2）经指导教师检查，合格后方可接通电源，然后调节三相调压器，使其输出的相电压为220 V。 （3）在上图所示的电路中，分别测量三相灯组负载在如表2-6所示不同接线方法下的线电流、相电流、线电压、相电压、中性线电流（  ）、负载中性点与N点之间的电压（ ），将所测数据填入表2-6中，并观察三相灯组负载明暗的变化，分析中性线的作用。表2-6 三相交流电路电压和电流的测量数据（一）
如图所示连接电路，经指导教师检查，合格后接通三相交流电源。调节三相调压器，使其输出的线电压为220 V，并按如表2-7所示的内容进行测量，将所测数据填入表2-7中。  表2-7 三相交流电路电压和电流的测量数据（二）
【教师】巡堂辅导，及时解决学生遇到的问题，根据学生表现填写考核评价表 |
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| 探索活动 |
【教师】组织学生以小组为单位完成以下任务： 三相交流电路广泛应用于工业生产各领域，请查阅有关资料，分析三相交流电路的特点，列举常用的三相交流负载。 【学生】查阅、分析、讨论，由小组代表上台发表讨论结果 【教师】与学生一起评价各组的发言，并进行总结 |
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| 课堂小结 |
【教师】简要总结本节课的要点 三相交流电源的工作原理和表示方法 三相交流电路的联结方法 三相交流电路功率的计算方法 测量三相交流电路的电压和电流 【学生】总结回顾知识点 |
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（A）
（V）
相
相
相
接平衡负载
相电压（V）
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