汽车电工与电子技术基础教案

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编号：QD-751b-19 版本：A/0 流水号：
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1、定义：电压是衡量电场力做功能力的物理量。

2、大小：UAB=WAB/q
3、单位：kV 、V、mV、μV
4、方向：高电位 低电位(电位降低的方向)
三、电压和电流的参考方向
1、参考方向
在分析与计算电路时，对电量任意假定的方向。

又称假设方向、正方向。

2、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。

注意：在参考方向选定后，电流 ( 或电压 ) 值才有正负之分
四、电位
１、电位
在电路中任选一个电位参考点，或者叫作零电位点，则电路中某一点A到参考点的电压叫作这一点的电位，用UA表示。

在电路中常选一条特定的公共线作为参考点，它是电路许多元件的汇集处且与机壳相连接，叫"地线"，用图符⊥表示。

在电子线路中，一般都把电源、信号输入和信号输出的公共端接在一起作为参考点，因此，电路中有一习惯画法：电源不再用电池符号表示，而改为标出其电位的极性和数值，如图１-８所示。

图1-8 电子电路的习惯画法
2、电位与电压的联系与区别（1）联系：电压=两点间的电位差(U AB=V A-V B)（2）区别：电位取决于所选取的参考点，参考点不同，电位也不同；而电压与参考点的选择无关。

五、作业，P1，2
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教学内容
一、组织教学：师生相互问候，点名，管理课堂纪律。

二、复习旧课：对旧课需复习。

三、课堂导入：汽车的电器举例，用大众汽车大灯的电路，并要求学生回答，进入新课学习。

四、教授新课： 1．电阻的串联
如图1-8所示，为几个电阻依次连接，当中无分支电路的串联电路。

串联电路的特点： （1） 流过各电阻中的电流相等，即
图1-8 电阻串联及其等效
I =I 1=I 2
（2）电路的总电压等于各电阻两端的电压之和，即
U =U 1+U 2
由此可得，电路取用的总功率等于各电阻取用的功率之和，即
IU =IU 1+IU 2
（3）电路的总电阻等于各电阻之和，即
R =R 1+R 2
（4）电路中每个电阻的端电压与电阻值成正比，即
U R R U 11=
或者U R
R
U 22=
（5）串联电阻电路消耗的总功率P 等于各串联电阻消耗的功率之和，即
n i P P P P P +++==∑ 21
串联电路的实际应用主要有：
① 常用电阻的串联来增大阻值，以达到限流的目的；
② 常用几个电阻的串联构成分压器，以达到同一电源能供给不同电压的需要； ③ 在电工测量中，应用串联电阻来扩大电压表的量程。

作业：练习本P1,10、 12题
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教学内容
一、组织教学：师生相互问候，点名，管理课堂纪律。

二、复习旧课：对旧课需复习。

三、课堂导入：通过讲述日常生活中出现的电车、家用电器调动学生学习兴趣，并逐步引导学生进入直流电路的学习 四、教授新课：
1．电阻的并联
如图1-9所示，为几个电阻的首尾分别连接在电路中相同的两点之间的并联电路。

并联电路有如下特点：
（1）各并联电阻的端电压相等，且等于电路两端的电压，即
图1-9 电阻并联及其等效
U =U 1=U 2 （1-30） （2）并联电路中的总电流等于各电阻中流过的电流之和，即
I =I 1+I 2
`
（1-31）
（3）并联电路的总电阻的倒数等于各并联电阻的倒数之和，即
2
1111R R R +=
即 2
12
1R R R R R +=
（1-32）
（4）并联电路中，流过各电阻的电流与其电阻值成反比，阻值越大的电阻分到的电流越小，各支路的分流关系为
I R R R I 2
12
1+=
I R R R I 2
11
2+=
（1-33）
可见，在电路中，通过并联电阻能达到分流的目的。

（5）并联电阻电路消耗的总功率等于各电阻上消耗的功率之和，即
n
n R U R U R U P P P P 2
221221+++=
+++= （1-34）
可见，各并联电阻消耗的功率与其电阻值成反比。

并联电路的实际应用有：
（1）工作电压相同的负载都是采用并联接法。

对于供电线路中的负载，一般都是并联接法，
负载并联时各负载自成一个支路，如果供电电压一定，各负载工作时相互不影响，某个支路电阻值的改变，只会使本支路和供电线路的电流变化，而不影响其他支路。

例如工厂中的各种电动机、电炉、电烙铁与各种照明灯都是采用并联接法，人们可以根据不同的需要起动或
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教学内容
一、组织教学：师生相互问候，点名，管理课堂纪律。

二、复习旧课：对旧课需复习。

三、课堂导入：以正弦交流电在实际生活中的应用引入，多媒体显示直流电和交流电的波形，激发学生的学习兴趣，集中学生的注意力。

四、教授新课：
1、三相交流电的产生
定义：是三个单相交流电源以频率相同、最大值相同、相位分别相差1200方式组合起来的电源形式。

一、三相交流电动势的产生
简介三相电机模型：组成定子{磁极}、转子{电枢}
定义绕组为励磁绕组，直流电流形成磁场
转子绕组为三相：U
1U
2
、V
1
V
2
和W
1
W
2
，说明始端、末端；三绕组对应U、V、W相。

强调彼此按夹角120︒放置，当转子以逆时针旋转。

产生对称三相电动势。

二、对称三相电动势
[1]定义：振幅相等、频率相同，在相位上彼此相差120︒的三个电动势称为对称三相电动势。

[2]对称三相电动势瞬时值的数学表达式为
第一相(U相)电动势：e1=Em sinωt
第二相(V相)电动势：e2 = Em sin(ωt- 120︒)
第三相(W相)电动势：e3 = E m sin(ωt - 240︒)= E m sin(ωt+ 120︒)
[3]波形图表示：见右图
由波形图在任一时刻，有e1 +e2+e3 = 0。

即在任一时刻，有三相对称交流电的电动势瞬时值之和为零。

[4]有效值相量：
画出相量图，利用相量合成法则得：
结论：三相对称电动势的相量之和等于0。

三、相序
[1]定义：三相电动势达到最大值(振幅)的先后次序叫做相序。

分类：正相序：e1比e2超前120︒，e2比e3超前120︒，而e3比e1超前120︒，称这种相序称为正相序或顺相序。

反相序：如果e1比e3超前120︒，e3比e2超前120︒，e2比e1超前
120︒，称这种相序为负相序或逆相序。

[2]相序工程意义：是一个十分重要的概念，为使电力系统能够安全可靠地运行，通常统一规定技术标准，一般在配电盘上用黄色标出U相，用绿色标出V相，用红色标出W相。

[3]相序的测定：电力工程中用相序器测定。

总结：
三相正弦交流电动势由三相交流电动机将其它形式的能转化来的
三相对称交流电动势有最大值大小相等、频率相同、彼此相差点120︒
可用瞬时值表达式、波形图及相量形式表示。

使用三相交流电必须注意相序问题。

五、应用举例：
例：在三相交流对称电源中，已知其中一相电动势e1 = 311m sin(314t + 30︒)V，试写出其它两相电动势表达式，并画出有效值相量图。

解：根据三相对称交流电动势有最大值大小相等、频率相同、彼此相差点120︒特点：e2 = 311m sin(314t + 30︒+120︒)
=311m sin(314t + 150︒)V
e
= 311m sin(314t + 150︒+120︒)
3
=311m sin(314t - 90︒)V
根据表达式可得E = 220V
根据相量画出相量图右图示
根据相量图说明三电动势的相序：
e
超前e3、e3超前e2和e2超前e1、e1超前e3是一致的。

1
板书正相序：U-V-W、V-W-U、W-U-V
反相序：V-U-W、W-V-U、U-W-V
结合画波形图，加强学生的理解。

六、学生练习：
三相交流对称电动势，已知其中一相电动势e1 = 7.07sin(ωt + 90︒)V，试写出其它两相电动势表达式，画出有效值相量图
七、作业：练习本P5 1-3题
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有
即线电压和对应相相电压相位同相
线电压和相电压有效值大小相等U L = U p
[3]注意事项：这种没有中线、只有三根相线的输电方式叫做三相三线制。

特别需要注意：在工业用电系统中如果只引出三根导线(三相三线制)，那么就都是火线(没有中线)，这时所说的三相电压大小均指线电压U L；而民用电源则需要引出中线，所说的电压大小均指相电压U P。

四、应用举例：
例[1]：已知发电机三相绕组产生的电动势大小均为E = 220 V，试求：(1) 三相电源为Y形接法时的相电压U P与线电压U L；(2) 三相电源为∆形接法时的相电压U P与线电压U L。

解：(1) 三相电源Y形接法：相电压U
P
= E = 220 V，
线电压U
L ≈3U
p
= 380 V
(2) 三相电源∆形接法：相电压U
P
= E = 220 V，
线电压U
L = U
p
= 220 V。

例[2]：星形联接的三相对称电源线电压为380V，试以u U相为参照，分别写出u U 、u U、u L1-2 、u
L2-3
、u L3-1的表达式。

解：该题给出线电压有效值大小，由于星形接法，利用线相电压关系得：U
p
= 220 V 以u U相为参照，设其初相为0，角频率ω.有u U=311sinωt V
各表达式见右侧
五、学生仿照练习：
已知三相交流电源的相电压为600V，接成星形，线电压多大？若已知U相初相为300,写出所有相电压和线电压的解析式。

分析：本题除线、相电压大小关系外，理解每相电压相位差120︒，设角频率ω；每线电压比对应相电压超前30︒。

总结：
三相对称电源有星形和三角形联接两种方式，不同联接线相电压的大小及相位关系不一样，在分析应用中必须加以正确判断和掌握
正确理解星形和三角形接法在实际应用中很重要。

一、单相与三相负载：
单相负载：如电灯、电烙铁、电冰箱等，接于一相线及零线间
三相负载：如三相异步电动机、三相工业电炉，须接于三相电压才能正常工作的负载。

二、三相对称负载；
定义：每一单相负载的阻抗及阻抗角均一致的三相负载。

即复阻抗一致相等。

否则：称不对称负载。

以下下讨论均为对称负载。

三相对称负载的接法同电源一样两种：星形和三角形接法
三、负载的星形联结：
[1]画图说明：三相负载的星形联结：
该接法有三根火线和一根零线，叫做三相四线制电路，在这种电路中三相电源也是必须是Y形接法，所以又叫做Y－Y接法的三相电路。

[2]线、相电压关系：
不管负载是否对称(相等)，电路中的线电压U L都等于负载相电压U YP的3倍，即
U
L
=3U YP
[3]线、相电流关系：
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一、组织教学：师生相互问候，点名，管理课堂纪律。

二、复习旧课：对旧课需复习。

三、课堂导入：以正弦交流电在实际生活中的应用引入，多媒体显示直流电和交流电的波形，激发学生的学习兴趣，集中学生的注意力。

四、教授新课： 电容器
1．结构两个彼此靠近又相互绝缘的导体，就构成了一个电容器。

这对导体叫电容器的两个极板。

2．种类电容器按其电容量是否可变，可分为固定电容器和可变电容器，可变电容器还包括半可变电容器
固定电容器的电容量是固定不变的，它的性能和用途与两极板间的介质有关。

一般常用的介质有云母、陶瓷、金属氧化膜、纸介质、铝电解质等。

电解电容器是有正负极之分的，使用时不可将极性接反或接到交流电路中，否则会将电解电容器击穿。

电容量在一定范围内可调的电容器叫可变电容器。

半可变电容器又叫微调电容。

3．作用
电容器是储存和容纳电荷的装置，也是储存电场能量的装置。

电容器每个极板上所储存的电荷的量叫电容器的电量。

用于“通交流、隔直流”的电容叫做隔直电容器；用于“通高频、阻低频”将高频电流成分滤除的电容叫做高频旁路电容器。

4．电容C
如图4-2所示，当电容器极板上所带的电量Q 增加或减少时，两极板间的电压U 也随之增加或减少，但Q 与U 的比值是一个恒量，不同的电容器，Q/U 的值不同。

电容器所带电量与两极板间电压之比，称为电
容器的电容。

电容反映了电容器储存电荷能力的大小，它只与电容本身的性质有关，与电容器所带的电量及电容器两极板间的电压无
关。

电容的单位有法拉(F)、微法(μF)、皮法(pF)，它们之间
的关系为 1F=106μF=1012pF 5.平行板电容器的电容
由两块相互平行、靠得很近、彼此绝缘的金属板所组成的电容器，叫平行板电容器。

是一种最简单的电容器。

图4-2给出了平板电容器的示意图。

图4-2平行板电容器
U
Q C =
图4-2所示的平行板电容器的电容C ，跟介电常数ε成正比，跟两极板正对的面积S 成正比，跟极板间的距离成d 反比，即
d
S
C ε=
式中介电常数ε由介质的性质决定，单位是F/m 。

真空介电常数为ε0≈8.86⨯10-12F/m 。

6.电容器的串联
把几个电容器首尾相接连成一个无分支的电路，称为电容器的串联，如图4-3所示。

串联时每个极板上的电荷量都是q 。

总电压U 等于各个电容器上的电压之和 321U U U U ++=
串联总电容
3
211
111C C C C +
+= 即：串联电容器总电容的倒数等于各电容器电容的倒数之和。

7.电容器的并联
如图4-5所示，把几个电容器的一端连在一起，另一端也连在一起的连接方式，叫电容器的并联。

电容器并联时，加在每个电容器上的电压都相等。

电容器组储存的总电量q
U C C C q q q )(321321++=++
并联电容器的总电容
8.电容器的充放电
充电过程中，随着电容器两极板上所带的电荷量的增加，电容器两端电压逐渐增大，充电电流逐渐减小，当充电结束时，电流为零，电容器两端电压 UC=E
放电过程中，随着电容器极板上电量的减少，电容器两端电压逐渐减小，放电电流也逐渐减小直至为零，此时放电过程结束。

充放电过程中，电容器极板上储存的电荷发生了变化，电路中有电流产生。

其电流大小为
由C Cu q =，可得C u C q ∆= ∆。

所以
需要说明的是，电路中的电流是由于电容器充放电形成的，并非电荷直接通过了介质。

7.电容器质量的判别
3
2
1C C C C ++=t
q i ∆ ∆=
t
u C t q
i C ∆ ∆= ∆ ∆=
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1)和非铁磁物质
7
⨯
=π
4-
10
的比值，称为该物质的相对磁导率
Hdl I =∑⎰ 计算电流代数和时，与绕行方向符合右手螺旋定则的电流取正号，反之取负号。

若闭合回路上各点的磁场强度相等且其方向与闭合回路的切线方向一致，式中
磁场强度H ：表示励磁电流在空间产生的磁化力的矢量物理量。

它与磁感应强度之间的关系为B H μ=，这是反映磁性材料的磁化性能的基本公式。

2．磁性材料具有高导磁性、磁饱和性、磁滞性。

磁滞会产生损耗并导致铁心发热。

3．磁路的基本定律
安培环路定律：Hdl I =∑⎰或Hl I NI ==∑，它是计算磁路的基本定律。

欧姆定律： m Hl F
l R S
μΦ=
=
，它用来对磁路作定性分析，一般不用来做定量计算。

2.2．变压器
变压器是根据电磁感应原理工作的一种常见的电气设备，在电力系统和电子线路中应用广泛。

它的基本作用是将一种等级的交流电变换成另外一种等级的交流电。

在电力和电子线路中，变压器独有广泛应用。

2.2.1．变压器的结构原理与功能 1．变压器的结构和工作原理 1）．变压器基本组成部分均为闭合铁心和
线圈绕组，如图
4-3。

图4-3 变压器的结构示意图
（1）铁心
铁心构成变压器的磁路，为了减少铁损，提高磁路的导磁性能，一般由0.35—0.55mm 的表面绝缘的硅钢片交错叠压而成。

根据铁心的结构不同，变压器可分为心式（小功率）和壳式（容量较大）两种。

（2）绕组
即线圈，是变压器的电路部分，用绝缘导线绕制而成的，有原绕组、副绕组之分。

与电源相联的称为原绕组（或称初级绕组、一次绕组），与负载相联的称为副绕组（或称次级绕组、二次绕组）。

（3）冷却系统
由于铁心损失而使铁心发热，变压器要有冷却系统。

小容量变压器采用自冷式而中大容量的变压器采用油冷式。

2）．单相变压器的工作原理
图4-4 变压器工作
原
理图
在原绕组上接入交流电压u 1时，原绕组中便有电流i 1通过。

原绕组的磁动势i 1N 1产生的磁通绝大部分通过铁心而闭合，从而在副绕组中感应出电动势。

如果副绕组接有负载，那么副绕组中就有电流i 2通过。

副绕组的磁动势i 2N 2也产生
磁通，其绝大部分也通过铁心而闭合。

因此，铁心中的磁通是一个由原、副绕组的磁动势共同产生的合成磁通，它称为主磁通，用Φ表示。

主磁通穿过原绕组和副绕组而在其中感应出的电动势分别为e 1、 e 2。

此外，原、副绕组的磁动势还分别产生漏磁通Φσ1和Φσ2，从而在各自的绕和组中分别产生漏磁动势e σ1和e σ2，如图4-4（a ）所示。

2．变压器的功能 1）．电压变换
写出变压器原理图中原绕组电路的基尔霍夫电压定律方程为：
11111u e e i R σ++=
写成相量表示式为
1111111111U I R E E I R j I X E σ•
•
•
•
•
•
•
=--=+-
由于原绕组的电阻R 1和感抗X 1（或漏磁通Φσ1）较小，因而它们两端的电压降也较小，与主磁电动势E 1比较起来，可以忽略不计，于是
1114.44m U E fN =-=Φ
同理可得副边电路的电压与电动势的有效值为
2224.44m U E fN =-=Φ
变压器空载时，
22020 I U E ==
式中20U 是空载时副绕组的端电压。

以上几式说明，由于原、副绕组的匝数N 1、N 2不相等，故E 1和E 2的大小也不等，因而输入电压U 1（电源电压）和输出电压U 2（负载电压）的大小也是不等的。

原、副绕组的电压之比为：
在变压器副边，所谓等效，就是输入电路的电压、电流和功率不变。

就是说，直接接在电源上的阻抗Z`和接在变压器副边的负载阻抗Z L是等效的。

Z L `与Z
L
的关系推导如下：
1
2
222
12122
2
1222
2
1
`()
N
U
U N N U U
Z K K Z
N
I N I I
I
N
=====
所以
2
L L
Z k Z
'=（4-12）
匝数比不同，负载阻抗Z L折算到（反映到）原边的等效阻抗Z L`也不同。

我们可以采
用不同的匝数比，把负载阻抗变换为所需要的、比较合适的数值。

这种做法通常称为阻抗匹配。

4.2.2．变压器的外特性与效率
1．变压器的外特性
当电源电压U1不变时，随着副绕组电流I2的增加（负载增加），原、副绕组阻抗上的电压降便增加，这将使副绕组的端电压U2发生变动。

当电源电压U1和副边所带负载的功率因数cosϕ
2
为常数时，副边端电压U2随负载电流I2变化的关系曲线U2=f（I2）称为变压器的外特性曲线。

图4-5为变压器的外特性曲线图。

图4-5 变压器的外特性曲线
由图可知，U2随I2的上升而下降，这是由于变压器绕组本身存在阻抗，I2上升，绕组阻抗压降增大的缘故。

绕组内阻抗由两部分构成：
A. 绕组的导线电阻
B. 漏磁通产生的感抗
通常我们希望电压U
2
的变动愈小愈好。

从空载到额定负载，副绕组电压的变化程度用电压变化率∆U表示，即。

202
20
%100%U U U U -∆=
⨯ （4-13） 式中U 20为副边的空载电压，也就是副边电压U 2N ；U 2为I 2=I 2N 时副边端电压。

电力变压器的电压调整率为5%左右。

2．变压器的损耗与效率
变压器存在一定的功率损耗。

变压器的损耗包括铁心中的铁损P Fe 和绕组上的铜损P Cu 两部分。

其中铁损的大小与铁心内磁感应强度的最大值B m 有关，与负载大小无关，而铜损则与负载大小（正比于电流平方）有关。

铁损即是铁心的磁滞损耗和涡流损耗；铜损是原、副边电流在绕组的导线电阻中引起的损耗。

变压器的输出功P 2与输入功率P 1之比的百分数称为变压器的效率，用η表示。

22
1
2100%Fe Cu P P P P P P η=
=⨯+∆+∆ （4-14） 2.2.3．特殊变压器
1．自耦变压器 1）．结构特点
图4-6 自耦变压器
自耦变压器的构造如图4-6所示。

在闭合的铁心上只有一个绕组，它既是原绕组又是副
绕组。

低压绕组是高压绕组的一部分。

2）．电压比、电流比
U 1/U 2=N 1/N 2=K
I 1/I 2=N 2/N 1=1/K 3）．用途
调节电炉炉温，调节照明亮度，起动交流电动机以及用于实验和在小仪器中。

4）．使用时的注意事项
（1）. 在接通电源前，应将滑动触头旋到零位，以免突然出现过高电压。

（2）. 接通电源后应慢慢地转动调压手柄，将电压调到所需要的数值。

（3）. 输入、输出边不得接错，电源不准接在滑动触头侧，否则会引起短路事故。

2．仪用互感器
仪用互感器是专供电工测量和自动保护的装置，使用仪用互感器的目的在于扩大测量表的程。

为高夺电路中的控制设备及保护设备提供所需的低电压或小电流并使它们与高压电路隔离，以保证安全。

仪用互感器包括电压互感器和电流互感器两种。

1）．电压互感器
（1）. 构造
电压互感器的副边额定电压一般设计为标准值100V，以便统一电压表的表头规格。

其接线如图4-7 所示。

图4-7电压互感器
（2）. 电压比
电压互感器原、副绕组的电压比也是其匝数比：
U 1/U
2
=N
1
/N
2
=K
u
若电压互感器和电压表固定配合使用，则从电压表上可直接读出高压线路的电压值。

（3）. 使用注意事项
➢电压互感器副边不允许短路，因为短路电流很大，会烧坏线圈，为此应在高压边将熔断器作为短路保护。

➢电压互感器的铁心、金属外壳及副边的一端都必须接地，否则万一高、低压绕组间的绝缘损坏，低压绕组和测量仪表对地将出现高电压，这对工作是非常危险的。

2）.电流互感器
（1）. 构造
电流互感器是用来将大电流变为小电流的特殊变压器，它的副边额定电流一般设计为标准值5安，以便统一电流表的表头规格。

其接线图如图4-8所示。

图4-8电流互感器
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