Электрические цепи переменного тока

НОРМАТИВНЫЙ БЛОК
Для специальностей и единичных квалификаций, связанных с производством, передачей и
потреблением электрической энергии; обслуживанием, монтажом и ремонтом
соответствующих устройств (сильноточная техника); связанных с производством
электронной техники, полупроводниковых приборов, вычислительной техники,
радиотехнических устройств (слаботочная техника) и единичных квалификаций по
которым необходимо знать общие основы электротехники.
Рабочая учебная программа
Количество часов по предмету: 80
Количество часов по теме: 10 (условно)
Электрические цепи переменного тока
Цели изучения темы
Содержание темы
Результат
1. Однофазные электрические цепи переменного тока
Сформировать знания
Уравнения и графики
Характеризует мгновено различных значениях синусоидальных
вели- ные, амплитудные, дейстсинусоидального
тока, чин.
вующие и средние значения
напряжения и ЭДС, их
Мгновенное, ампли- переменных ЭДС, напряжепериоде изменения, час- тудное, действующее и ний и токов, их период изтоте, фазе, графическом среднее значения пере- менения,
электрическую
изображении и парамет- менных ЭДС, напряже- частоту и угловую частоту,
рах электрических цепей ний и токов. Их период фазы, начальные фазы,
переменного тока.
изменения, частота, уг- сдвиги по фазе, параметры
Научить строить век- ловая частота, фаза, электрических цепей переторные и волновые диа- начальная фаза, сдвиг менного тока.
граммы.
фаз.
Строит векторные и волСформировать знания
Графическое
изо- новые диаграммы.
о физических процессах в бражение синусоидальАнализирует физические
цепях переменного тока с ных токов, напряжений, процессы в цепях переменR, L и С; последователь- ЭДС в виде волновых и ного тока с R, L и С; посленом соединении R и L; R и векторных диаграмм.
довательном соединении R
С; R, L и С, векторных и
Параметры электри- и L; R и С; R, L и С
волновых
диаграммах, ческих цепей переменноВоспроизводит расчетные
расчетных соотношениях го тока: активное сопро- соотношения и характеризуи резонансе напряжений. тивление, емкость, ин- ет явление резонанса наНаучить строить вол- дуктивность,
взаимная пряжений.
новые и векторные диа- индуктивность.
Строит векторные и волграммы.
Физические процес- новые диаграммы.
Сформировать знания сы в цепях переменного
Анализирует физические
о физических процессах в тока с R, L, С; при после- процессы в цепях переменцепях переменного тока довательном соединении ного тока при параллельном
при параллельном соеди- R и L; R и С; R, L и С. соединении R,L и C.
нении R, L и С, векторных Векторные и волновые
Воспроизводит расчетные
диаграммах,
расчетных диаграммы. Расчетные соотношения и характеризусоотношениях и резонансе соотношения. Резонанс ет явление резонанса токов.
токов.
напряжений.
Строит векторные и волНаучить строить волФизические процессы новые диаграммы.
новые и векторные диа- в цепях переменного Рассчитывает по предлограммы.
тока при параллельном женной методике коэффиСформировать умения соединении
активного циент мощности, объясняет
в расчете коэффициента сопротивления,
индук- способы и экономическую
мощности, знания о спо- тивности и емкости. Век- целесообразность его пособах и экономической торные диаграммы. Рас- вышения.
целесообразности
его четные
соотношения.
Рассчитывает неразветвповышения.
Резонанс токов.
ленные электрические цепи
Сформировать умения
Коэффициент мощ- переменного тока по предв расчете неразветвлен- ности, способы и эконо- лагаемой методике.
ных электрических цепей мическая целесообразпеременного тока.
ность его повышения.
Расчет неразветвленных
электрических
цепей
переменного тока.
2.Трехфазные электрические цепи переменного тока
Сформировать знания
Получение токов и
Объясняет принципы поо получении токов и нанапряжений в трехфазлучения токов и напряжепряжений в трехфазной
ной системе. Соединение ний в трехфазной системе,
системе, соединении обобмоток трехфазного
порядок соединения обмомоток трехфазного генегенератора "звездой" и
ток трехфазного генератора
ратора "звездой" и "тре"треугольником".
"звездой" и "треугольниугольником".
Соединение потреби- ком".
Сформировать знания телей электрической
Объясняет порядок соо линейных и фазных тоэнергии "звездой" и "тре- единения потребителей
ках и напряжениях, соотугольником". Линейные и электрической энергии
ношениях между ними, о
фазные токи и напряже- "звездой" и "треугольнирасчете мощностей Р, Q и ния, соотношение между ком", соотношение между
S и построении векторных ними. Расчетные соотно- линейными и фазными тодиаграмм
шения.
ками и напряжениями, поМощности Р, Q,и S.
рядок расчета мощностей
Векторные диаграммы.
Р, Q и S и построения векторных диаграмм.
Содержание
темы.
Содержание
урока.
Колво
часов
Электрические цепи переменного тока
Переменный электрический
ток. Мгновенное, амплитудное, действующее и среднее
значения переменных ЭДС,
напряжений и токов. Графическое изображение синусоидальных величин. Активное
сопротивление в цепи переменного тока
10*
(2+1)
Индуктивное и емкостное
сопротивления в цепи переменного тока. Последовательное соединение активных и реактивных сопротивлений. Резонанс напряжений.
2
2
Тип
урока
Наглядные
пособия,
ТСО, и др.
Самостоятельная
работа учащихся на
уроке
Межпредметные
связи
Урок
сообщения
новых
знаний
книги,
плакаты
карточкизадания
Работа с
книгой,
решение
задач ответы
на карточкизадания
Физика,
спецтехнология,
черчение
Комбинированный
книги,
карточкизадания,
наглядные
образцы
Работа с
книгой,
решение
задач,
ответы на
карточкизадания
Физика,
спецтехнология, черчение
Работа с
книгой, решение задач,
ответы на
карточкизадания
Физика,
спецтехнология
Работа с
книгой, ответы на карточки-задания
Снятие показаний, составление
отчётов
Физика,
спецтехнология,
черчение
Физика,
спецтехнология, черчение
Параллельное соединение
реактивных и активных сопротивлений. Резонанс тока.
Коэффициент мощности.
Компенсация реактивной
мощности. Расчет неразветвленных электрических
цепей переменного тока.
2
Комбинированный
книги, карточки-задания,
наглядные
образцы
Трехфазные электрические
цепи переменного тока.
ОКР
2
Комбинированный
книги,
плакаты карточки-задания
Лабораторная работа
2
ЛПЗ
Лабораторная
установка
ности и емкости.
4. Исследование цепи при параллельном соединение индуктивности и емкости. Резонанс
токов.
5. Исследование трехфазной цепи при соединение потребителей «звездой» и
«треугольником».
МЕТОДИЧЕСКИЙ БЛОК
Общие методические рекомендации по преподаванию
(изучению) темы «Электрические цепи переменного тока»
Содержанием данной темы являются сведения по электрическим цепям синусоидального
переменного тока, трехфазным электрическим цепям, электрическим цепям с
несинусоидальными периодическими напряжениями и токами, нелинейным
электрическим цепям переменного тока.
Основной целью изучения темы является изучение электрических цепей синусоидального
переменного тока, основных параметров и соотношений в этих цепях, физических
процессов в них происходящих. Трехфазных электрических цепей, их параметров и
методов расчета.
При изучении данной темы следует уделить внимание межпредметным связям. В
частности – с физикой и математикой. Учащиеся должны знать: действующие значения
величин, активное и реактивное сопротивления, их зависимость от частоты, основные
соотношения между работой, мощностью и энергией, основные понятия о векторных
величинах, операции с ними, системы нелинейных уравнений, графические методы их
решения.
В ходе обучения преподаватель формирует, а затем реализует на практике следующие
цели урока:
·
обучающую (формирование знаний, умений, навыков);
·
воспитательную (формирование взглядов, убеждений, качеств личности);
·
развивающую (развитие интересов, мышления и т.д.);
·
методическую (зависит от цели приглашения коллег на открытый урок, а в случае
работы по апробации новых методов, средств и форм обучения, такая цель ставится перед
самим собой для совершенствования учебного процесса и повышения уровня
педагогического мастерства).
Чтобы правильно определить учебные, воспитательные и развивающие цели урока, надо
знать задачи подготовки квалифицированных специалистов на современном этапе
развития общества и промышленности. Задачи эти определяются нормативными
документами. И педагог должен корректировать их в зависимости от конкретной
специальности приобретаемой учащимися.
Если цели проанализировать для темы: «Электрические цепи переменного тока» более
подробно, то их можно представить в следующем виде:
Обучающие цели изучения данной темы: Обеспечить усвоение знаний об электрических
цепях переменного тока, их назначении, классификации. Сформировать умения находить
параметры электрических цепей переменного тока, производить расчеты таких цепей:
находить сопротивления и проводимости электрической цепи, активную, реактивную и
полную мощности, коэффициент мощности цепей переменного тока; научить строить
векторные диаграммы токов и напряжений; объяснять явления резонанса в электрических
цепях переменного тока. Сформировать умения объяснять принцип получения токов и
напряжений в трехфазной системе, производить простые расчеты, строить векторные
диаграммы, находить мощность в трехфазных электрических цепях; сформировать умения
понимать особенности использования нелинейных элементов в электрических цепях
переменного тока, иметь представление об основных методах расчета таких цепей.
Развивающие цели изучения данной темы: Развить у учащихся абстрактное мышление
при расчете электрических цепей переменного тока; сформировать умение отличать
активное и реактивное сопротивления в катушке индуктивности и конденсаторе,
объяснять появление активной, реактивной и полной мощностей в электрических цепях
переменного тока. Понимать энергетические процессы, происходящие в режиме резонанса
в электрических цепях, сравнивать свойства линейных и нелинейных электрических
цепей, различать способы подключения обмоток генератора и нагрузки в трехфазных
цепях; развить у учащихся самостоятельность, формировать познавательный интерес к
изучаемой теме на примере широкого применения в промышленности и технике
электрических цепей переменного тока
Воспитательные цели изучения данной темы: содействовать в ходе изучения данной темы
формированию у учащихся электротехнического мышления, пониманию особых
преимуществ широкого применения переменного тока, пониманию влияния значения cosц
на потери электрической энергии; содействовать представлению о качестве электрической
энергии в системах электроснабжения, при изучении трехфазных электрических цепей
подчеркивать особую роль российских ученых в разработке основных элементов
трехфазной системы, сформировать интерес у учащихся применять персональные
компьютеры для расчетов электрических цепей, содействовать воспитанию аккуратности,
дисциплинированности и усидчивости на уроке. Развивать интерес к учебе.
Основной тип урока – комбинированный (лекция или рассказ с элементами беседы и
постановкой вопросов), практические занятия с решением задач и проведение
лабораторных работ.
Оборудование урока:
Демонстрационные стенды: Явление электромагнитной индукции. Взаимоиндукция.
Способы получения переменного и постоянного тока. Цепь переменного тока с
последовательным соединением элементов R, L, С. Резонанс напряжений. Цепь
переменного тока с параллельным соединением элементов R, L, С. Резонанс токов.
Включение нагрузок трехфазного тока по схеме «звезда». Включение нагрузок
трехфазного тока по схеме «треугольник». Измерение мощности и энергии в однофазных
и трехфазных цепях переменного тока.
Макеты или наглядные образцы: Однофазный трансформатор. Трехфазный
трансформатор.
Динамические плакаты: «Несинусоидальные переменные токи». «Получение трехфазного
переменного тока». «Коэффициент мощности в цепях переменного тока».
Кинофильмы и диафильмы: «Эдс самоиндукции». «Принцип получения трехфазного
тока». «Резонанс напряжений и резонанс токов». «Трехфазный переменный ток».
«Мощность переменного тока». «Выпрямители однофазного переменного тока»,
«Однофазный переменный ток». «Трехфазная система». «Выпрямление переменного
тока».
Плакаты: «Активное сопротивление, индуктивность и емкость в цепях переменного тока».
«Последовательное соединение активного сопротивления и индуктивной катушки».
«Последовательное соединение активного и емкостного сопротивлений». «Получение
трехфазной системы эдс». «Соединение обмоток генератора и приемников энергии
звездой». «Соединение обмоток генератора и приемников энергии треугольником».
«Измерение мощности в цепи переменного тока».
Для достижения целей урока необходимо грамотно подобрать методы обучения – способы
передачи знаний и умений от преподавателя учащимся.
Систему методов мало знать, тот или иной метод необходимо выбирать исходя из: целей
урока, принципа обучения, содержания учебного материала, оснащения урока, уровня
собственного мастерства преподавателя и подготовленности учащихся.
Для наглядности общие методы обучения, их классификацию и рекомендуемую область
применения представим в виде таблицы 1.
Общие методы обучения
Вид учебной
работы
Источники
знаний
Объяснение
Рассказ
Беседа
Лекция
Работа с книгой
Словесные
Показ
Наглядные
Методы обучения по
степени активности
и самостоятельности учащихся в познавательной деятельности
Рекомендуемая область применения
Объяснительно –
иллюстративные
Формирование новых
знаний
Репродуктивные
Закрепление знаний
Формирование умений применять знания при решении
типовых задач (по
образцу)
Экскурсия
Проблемные
Частично – поисковые
Демонстрация
Эксперимент
(опыт)
Практические
Формирование знаний
Совершенствование
умений и навыков
Применение знаний
на практике, в нетипичной ситуации
Лабораторно
– практическая работа
Упражнения
Исследовательские
Формирование умений добывать знания
самостоятельно
Любой метод обучения это система целенаправленных действий преподавателя
направленная на активизацию и организацию познавательной и практической
деятельности учащихся на уроке обеспечивающая усвоение ими учебного материала.
Так же необходимо учитывать, что ни один из перечисленных методов нельзя считать
универсальным, пригодным для всех случаев. Как правило, различные методы в процессе
урока комбинируют. Это позволяет учащимся на разных этапах урока более эффективно
воспринимать и усваивать учебный материал.
Специфика содержания и структура предмета «Электротехника» требует применения тех
методов, которые способствуют активизации мышления учащихся, развитию
познавательной и самостоятельной деятельности учащихся, умению применять
полученные знания на практике по возможности в различных условиях.
Наиболее полно этим требованиям соответствуют беседа, практические и лабораторные
работы, работа с книгой (справочным материалом), карточками – заданиями, а так же
демонстрация наглядных образцов, макетов, динамических моделей.
Поурочное планирование
Урок является основной формой организации учебной работы, обеспечивающей
выполнение важнейших задач обучения. При составлении плана преподаватель должен
учитывать структуру урока, содержание учебного материала темы и требования,
предъявляемые к современному уроку. Каждый урок должен отвечать определенным
дидактическим требованиям, основные из них:
·
четкость определения цели и содержания;
·
выбор наиболее рациональных методов и приемов обучения на каждом этапе;
·
неразрывность образовательных, воспитательных и развивающих задач;
·
правильное сочетание коллективной и индивидуальной работ учащихся;
·
организационная четкость;
·
руководящая роль преподавателя;
·
связь содержания с практикой, ранее пройденным материалом и материалом,
подлежащим дальнейшему изучению.
В плане каждого урока в зависимости от дидактических требований должны быть
предусмотрены следующие требования.
1. Плановость урока.
Каждый урок преподаватель должен проводить по четко разработанному плану урока,
который строго соответствует учебной программе электротехники и перспективнотематическому плану.
2. Научность содержания.
Содержание урока и раскрытие текущего материала должны соответствовать
современному уровню развития науки, техники и технологии производства. Требование
научности предполагает не только сообщение научно достоверных фактов, но и их
объяснение, в результате которого учащиеся должны понять сущность изучаемых
технологических процессов, явлений и фактов.
3. Идеологическое воспитание на уроке.
В содержание уроков необходимо включать конкретные материалы, направленные на
воспитание у учащихся чувства патриотизма, национальной гордости.
4. Проблемность обучения на уроке.
В плане урока изучаемый материал необходимо излагать, ставя перед учащимися те или
иные проблемы
5. Целостность урока.
План урока должен представлять собой отрезок учебного процесса как части изучаемого
курса, его раздела, или темы.
6. Структурное построение урока.
План урока необходимо строить с соблюдением перехода от одного этапа или элемента к
другому. Структура урока выбирается в зависимости от характера изучаемого материала,
подготовки учащихся, наличия технических средств обучения, наглядных пособий и т. д.
7. Использование технических средств и компьютерных технологий на уроке.
Технические и контрольно-программирующие средства, имеющиеся в учебном кабинете,
используют для повышения интенсивности труда преподавателя и учащихся.
8. Методическая направленность урока.
В зависимости от цели преподаватель должен строить план урока с учетом тех принципов
и методов обучения, которые эффективны в выполнении требований методики.
9. Проверка и оценка качества знаний учащихся.
В плане урока должна быть предусмотрена форма контроля качества знаний учащихся.
10. Обобщение и внедрение передового педагогического опыта.
Преподавателю в плане урока необходимо предусматривать элементы обобщения
передового педагогического опыта лучших преподавателей, его внедрение в учебный
процесс.
11. Экономические факторы.
Преподаватель предусматривает краткие сообщения по экономическим проблемам
могущим возникнуть при изучении учебного материала.
12. Руководство преподавателя учащимися на уроке.
Руководящая роль преподавателя на уроке должна быть на всех его этапах вне
зависимости от форм, видов обучения и типа урока.
Преподаватель обязан планировать свою работу, составляя план урока на каждый вид
учебных занятий. Подготовка преподавателя к уроку начинается с изучения литературы
по данной теме. Для этой цели преподавателю рекомендуется иметь личную
профессиональную библиотеку. Приступая к подготовке урока, преподаватель использует
перспективно-тематический план, разработанный им при подготовке к учебному году.
Необходимо продумать и составить план для каждого отдельного урока.
Составляется план урока на базе перспективно-тематического плана и учебной
программы, преподаватель уточняет место и роль отдельного урока в общей системе
уроков, основную цель и характерные особенности взаимосвязи между различными
предметами и определяет структуру урока.
При составлении плана урока преподавателю необходимо также учитывать, что большое
внимание должно быть уделено лабораторно-практическим работам, расчету
электрических цепей, воспитанию у учащихся умения применять знания в различных
условиях.
Преподаватель должен наметить содержание урока, методы преподавания и обучения,
наглядные пособия, технические средства, электрооборудование с учетом конкретных
условий и возможностей.
План урока преподаватель может разрабатывать в произвольной форме, так как единой
формы плана нет и быть не может. Однако общепризнано, что на уроке должны быть
отражены следующие вопросы-элементы: номер по перспективно-тематическому плану;
тема, учебная, воспитательная и развивающая цели. Тип урока и методика обучения;
структура, т. е. определение основных частей или этапов урока, методы и приемы работы
преподавателя и учащихся; учебное оборудование, наглядные пособия и т.д.; домашнее
задание. Важно не только содержание, но и форма плана: он должен легко и быстро
просматриваться. Намеченный план не должен сковывать преподавателя на уроке; в
зависимости от учебной ситуации возможны и определенные отступления от него.
Независимо от опыта и стажа работы преподавателя план урока является необходимым
документом для него. Могут быть различными только объемы: (подробный план-конспект
– у начинающего преподавателя, короткий и сжатый – у опытного).
В обучении, осуществляемом на уроке, главное место должно занимать усвоение
изучаемого материала, которое состоит из осмысливания учащимися воспринятого,
запоминания осмысленного и воспринятого, применения знаний в учебной и
практической деятельности. В соответствии с этим строится работа преподавателя.
Преподаватель намечает следующие этапы в планировании урока:
1. ознакомление с материалом темы урока;
2. определение цели учебно-воспитательной задачи урока;
3. отбор материала для проведения урока;
4. разработка последовательности изучения материала и проведения урока по выбранной
структуре;
5. составление конкретного плана урока.
Целесообразно наметить в плане время, которое необходимо затратить на отдельные
этапы урока.
Учебная деятельность, а следовательно и план, может строиться в соответствии со
следующей структурой:
1. Тема урока. Берется непосредственно из учебной программы. Название темы урока
должно соответствовать перспективно-тематическому плану.
2. Цели урока. Определяются профессиональными и воспитательными задачами
изучаемого материала. В плане урока преподаватель указывает учебную, воспитательную
и развивающую цели.
3. Организация урока. Она может быть следующей:
·
отметка отсутствующих учащихся и запись в журнале темы урока;
·
восстановление в памяти учащихся названия темы и вопросов по ранее
пройденному материалу;
·
постановка перед учащимися вопросов для повторения и закрепления знаний;
·
вызов учащихся с места после объяснения материала с целью выработки у них
навыков обобщения изученного материала;
·
создание проблемной ситуации на уроке;
·
индивидуальные или групповые задания, которые будут необходимы при
подготовке к экзамену, зачету или при выполнении реферата и контрольной работы по
теме.
4. Проверка выполнения домашнего задания. В нее входят:
устная проверка (рекомендуется разработать вопросы для развернутой беседы с
учащимися по основным пунктам темы урока и построить беседу так, чтобы в ней активно
участвовали все учащиеся). При устной проверке преподавателю также целесообразно
вызывать учащихся для выявления усвоения материала, контроля логического мышления
учащихся, определения качества устной речи и умения пользоваться техническими
терминами для выражения своих мыслей, изучения индивидуальных особенностей
учащихся;
письменная проверка, (систематическая текущая проверка по теме урока, разделу курса, а
также полугодовая и итоговая проверки в соответствии с перспективно-тематическим
планом или графиком училища). График должен предусматривать проведение
обязательных письменных контрольных и лабораторно-практических работ. Письменная
проверка должна быть направлена на выявление умений и навыков применять
полученные знания на практике, для решения задач, выполнения расчетов, чтения и
составления электрических схем и т.д.;
графическая проверка (рекомендуется при выполнении лабораторно-практических работ,
составлении электрических схем, чертежей, технических рисунков, эскизов и т.д.).
Графическая проверка позволяет оценить умение учащихся обобщать и
систематизировать изученный материал, выявляет знание ГОСТов, ОСТов, стандартов и
т.д.;
комбинированная проверка (проверка домашнего задания и одновременно вызов
учащихся к доске, беглый опрос с места, а также выполнение индивидуальных
письменных или практических заданий).
При проверке и оценке качества знаний учащихся преподавателю рекомендуется
обращать внимание на фактические знания учащихся в соответствии с уровнями усвоения
материала, уровень овладения практическими навыками, умение использовать ранее
полученные знания на данном уроке, выбор метода работы с отстающими учащимися,
изучение причин повышения и снижения успеваемости, повышение качества подготовки
молодых рабочих.
5. Переход к изучению нового материала (рекомендуется после опроса и подведения
итогов выполнения домашнего задания).
6. Сообщение нового материала. На данном этапе урока преподавателю необходимо:
систематизировать изложение нового материала; излагать материал в соответствии с
требованиями, предъявляемыми к современному уроку; использовать учебно-наглядные
пособия, технические средства и техническую литературу.
7. Закрепление изученного материала (не следует ограничиваться только одним
способом). Закрепление материала во многом зависит от активности учащихся и их
самостоятельности и может быть проведено различными способами: беседой, короткими
контрольными работами с использованием карточек-заданий, компьютерных тестов;
демонстрацией диапозитива, диафильма, фрагмента кинофильма по изучаемой теме.
8. Задание на дом (может выдаваться учащимся на различных этапах урока). Задание
должно ориентировать учащихся на главное в изучаемом материале и на приемы
использования учебной, технической, справочной и информационной литературы.
В методике преподавания так же выделяются группы уроков, сходные между собой по
учебно-образовательным задачам, методам обучения, способам сообщения новых знаний,
формам работы с учащимися. Такие группы уроков называются типовыми. В процессе
изучения электротехники применяют следующие типы уроков:
·
вводный к теме, курсу;
·
сообщение нового материала;
·
закрепление и применение знаний;
·
повторительно-обобщающий;
·
проверка знаний, умений и навыков (контрольно-проверочный);
·
комбинированный;
·
проблемный;
·
лабораторно-практические работы;
·
экскурсия;
·
заключительный по теме, курсу.
БЛОК-КОНСПЕКТ
Электрические цепи переменного тока
Рекомендации
При изучении данной темы важно понять физический смысл явлений, происходящих в
цепи при прохождении переменного тока, знать, чем обусловлены индуктивное и
емкостное сопротивления, а также различие между омическим сопротивлением цепи
постоянного тока и активным сопротивлением цепи переменного тока. Необходимо уметь
выводить количественные соотношения между током, напряжением и сопротивлением
цепи при переменном токе, а также понять причины, отставания по фазе тока от
напряжения в цепи с индуктивной катушкой и опережение в цепи с емкостью.
Необходимо научиться рассчитывать не разветвленные цепи переменного тока.
Особое внимание надо уделить вопросам, связанным с мощностью переменного тока в
цепи. Здесь важно не только запомнить основные количественные соотношения, но и ясно
представить себе физическую сущность явлений.
Учащимся необходимо уяснить преимущества трехфазных установок переменного тока
перед однофазными. Важно знать соотношения между линейными и фазными токами и
напряжениями при соединении элементов трехфазной цепи звездой и треугольником,
уметь выводить их с помощью векторных диаграмм. Необходимо также иметь ясное
представление о назначении нулевого провода в трехфазной четырехпроводной цепи
переменного тока. Иметь ясное представление о симметричном и несимметричном
режимах работы трехфазной цепи при соединении звездой. (При симметричном режиме
напряжения на зажимах приемника образуют симметричную систему, а активные и
реактивные сопротивления в фазах приемника (нагрузки) соответственно одинаковы, в
противном случае имеется несимметричный режим.) Необходимо запомнить, что расчет
трехфазной цепи в симметричном режиме сводится к расчету для одной фазы; он
аналогичен расчету обычной цепи синусоидального тока. Определение мощности в цепи
переменного тока является важной практической задачей, поэтому нужно знать формулы
активной, реактивной и полной мощностей, а также связь между ними.
Обучающие цель: обеспечить усвоение знаний об электрических цепях переменного тока,
их назначении, классификации. Сформировать умения находить параметры электрических
цепей переменного тока, производить расчеты таких цепей, определять активную,
реактивную и полную мощности, коэффициент мощности. Научить строить векторные
диаграммы токов и напряжений; объяснять явления резонанса в электрических цепях
переменного тока. Сформировать умения объяснять принцип получения токов и
напряжений в трехфазной системе, производить простые расчеты, строить векторные
диаграммы, находить мощность в трехфазных электрических цепях.
Развивающие цели: развить у учащихся абстрактное мышление на примере расчета
электрических цепей переменного тока. Сформировать умение отличать активное и
реактивное сопротивления в катушке индуктивности и конденсаторе, объяснять
появление активной, реактивной и полной мощностей в электрических цепях. Понимать
энергетические процессы, происходящие в режиме резонанса в электрических цепях.
Различать способы подключения обмоток генератора и нагрузки в трехфазных цепях.
Развить у учащихся самостоятельность, формировать познавательный интерес к
изучаемой теме на примере широкого применения в промышленности и технике
электрических цепей переменного тока (ЛЭП, электроснабжение предприятий, линии
связи, радиотехника и т. д.).
Воспитательные цели: содействовать в ходе изучения данной темы формированию у
учащихся электротехнического мышления, пониманию особых преимуществ широкого
применения переменного тока. Содействовать пониманию влияния значения cos ц на
потери электрической энергии; содействовать представлению о качестве электрической
энергии в системах электроснабжения. Подчеркивать значительную роль русских ученых
в разработке основных элементов трехфазной системы. Содействовать воспитанию
аккуратности, дисциплинированности. Развивать интерес к учебе.
Оборудование урока:
Демонстрационные стенды: 1. Способы получения переменного тока. 2. Цепь
переменного тока с последовательным соединением элементов R, L, С. Резонанс
напряжений. 3. Цепь переменного тока с параллельным соединением элементов R, L, С.
Резонанс токов. 4. Включение нагрузки в цепь трехфазного тока по схеме «звезда».5.
Включение нагрузки в цепь трехфазного тока по схеме «»треугольник».
Динамические плакаты: «Получение трехфазного переменного тока». «Коэффициент
мощности в цепях переменного тока».
Кинофильмы (видеофильмы): «Эдс самоиндукции». «Принцип получения трехфазного
тока». «Резонанс напряжений и резонанс токов» «Трехфазный переменный ток».
«Мощность переменного тока».
Диафильмы: «Однофазный переменный ток». «Трехфазная система». «Выпрямление
переменного тока».
Плакаты: «Активное сопротивление, индуктивность и емкость в цепях переменного тока».
«Последовательное соединение активного сопротивления и индуктивной катушки».
«Последовательное соединение активного и емкостного сопротивлений». «Получение
трехфазной системы эдс». «Соединение обмоток генератора и приемников энергии
звездой». «Соединение обмоток генератора и приемников энергии треугольником».
«Измерение мощности в цепи переменного тока». Урок № 1
Переменный электрический ток.
Мгновенное, амплитудное, действующее и среднее значения переменных ЭДС,
напряжений и токов.
Графическое изображение синусоидальных величин. Активное сопротивление в цепи
переменного тока
Порядок рассмотрения темы:
1. Основное понятие о переменном токе.
2. Мгновенное, амплитудное, действующее и среднее значения переменных ЭДС,
напряжений и токов.
3. Графическое изображение синусоидальных величин.
4. Электрическая цепь с резистором (активным сопротивлением).
1.1 Общие сведения.
1.2 Поверхностный эффект.
1.3 Свойства цепи переменного тока с активным сопротивлением.
1. Основное понятие о переменном токе
Переменный ток широко применяется во всех отраслях народного хозяйства и в быту. Так
как он имеет ряд неоспоримых достоинств, к которым можно в первую очередь отнести
следующие: возможность получения переменного тока как малого, так и большого
напряжения. Переменный ток легко трансформируется и передается на большие
расстояния при высоком напряжении и малых потерях, электрические машины и другие
электротехнические устройства, предназначенные для работы в цепях переменного тока,
проще, надежнее, компактнее и дешевле аналогичных аппаратов работающих на
постоянном токе.
Переменным электрическим током называют ток, периодически изменяющийся по
величине и направлению.
Представление о переменном токе можно получить, если медленно вращать ручку
действующей модели генератора, подключенного к гальванометру. Отклонение стрелки
гальванометра то вправо, то влево говорит о периодическом изменении величины и
направления тока в цепи, т. е. о переменном токе.
Электрические цепи переменного тока можно условно разделить на следующие:
однофазные и многофазные; линейные и нелинейные; простые и сложные (к сложным
можно отнести многофазные цепи).
Широко используется синусоидальный переменный ток.
Для демонстрации синусоидального изменения переменного тока сети нужно реостат
включить в сеть как потенциометр. Снимаемое с реостата напряжение подать на
горизонтальные пластины включенного в сеть электронного осциллографа. На экране
осциллографа получим синусоиду, которая свидетельствует о синусоидальном изменении
напряжения на горизонтальных обкладках конденсатора осциллографа, а также о
синусоидальном изменении тока в реостате и напряжения в сети
Однофазной электрической цепью синусоидального тока называют цепь, содержащую
один или несколько источников электрической энергии переменного тока, имеющих
одинаковые частоту и начальную фазу.
Генераторы всех электростанций мира вырабатывают электрический ток синусоидальной
формы. Изменение тока по синусоидальному закону происходит плавно, без скачков и
резких перепадов, что благоприятно сказывается на работе всех электрических машин и
аппаратов.
2. Мгновенное, амплитудное, действующее и среднее значения переменных ЭДС,
напряжений и токов
Если электроны в цепи совершают колебательное движение, то электрический ток
считается переменным, так как он (ток) периодически, через равные промежутки времени,
изменяется по величине и направлению.
Переменный ток, используемый в производстве и быту, изменяется по синусоидальному
закону, и характеризуются мгновенным, амплитудным, действующим и средним
значениями. Это утверждение так же справедливо для переменной ЭДС и напряжения. На
рисунке 1 приведена временная (волновая) диаграмма синусоидального тока.
Мгновенное и амплитудное значения
синусоидального тока, напряжения и ЭДС
Переменный ток, используемый в производстве и быту, изменяется по синусоидальному
закону:
i = Im sin (щt + шi),
где: i – значение переменного тока в любой момент времени, называемое мгновенным
значением переменного тока
Im стоящая перед знаком sin – максимальное значение переменного тока или другими
словами амплитуда переменного тока.
щ – угловая частота переменного тока, равная:
шi – начальная фаза переменного тока (при t = 0)
Для переменного напряжения формула примет вид:
u = Um sin (щt + шu)
Переменный синусоидальный ток проходит в цепи под действием синусоидальной
электродвижущей силы – ЭДС.
Формула мгновенного значения ЭДС в произвольный момент выраженная через
амплитуду будет иметь вид: е = Еm sin б
Здесь б – фазовый угол. Фазовый угол за время t будет равен щt или 2t/Т.
Переменный ток (равно как напряжение и ЭДС) характеризуется такими величинами как:
амплитуда, период, частота, фаза (сдвиг фаз).
Амплитуда – это наибольшее положительное или отрицательное значение переменного
тока.
Периодом Т называется время, в течение которого происходит полное изменение
(колебание) тока в проводнике. Т = 1/f. Период выражают в секундах [c]. Период величина
обратная частоте.
Величину, обратную периоду, называют частотой переменного тока и обозначают f. Если
время периода Т выразить в секундах, то f = 1/Т, т.е. частота переменного тока численно
равна числу периодов в секунду и выражается в герцах [Гц]. При частоте тока 1 Гц
происходит одно полное колебание тока за одну секунду. При f =50 Гц длительность
периода Т составляет 0,02 секунды.
Стандартная частота напряжения в энергетических системах стран бывшего СССР и ряде
других принята 50 Гц (это соответствует 50 колебаниям тока за одну секунду). В таких
странах как США, Япония, Куба частота равна 60 Гц. В отдельных автономных
электрических системах (электротранспорт, авиация, электрометаллургия и др.)
применяют повышенные частоты 200, 400, 1000 Гц и т. д. В радиотехнике используют
высокие и сверхвысокие частоты (до 1010 Гц).
Величину щ как уже отмечалось, называют угловой частотой и выражают в радианах на
секунду [рад/с] .
Угол ш называют начальной фазой переменного тока. Начальная фаза определяет
мгновенное значение тока i в момент времени t = 0.
Величину щt + ш, называют фазой. Фаза характеризует переменный ток с течением
времени и выражается в радианах [рад] или градусах [град].
В электротехнике практическое значение имеет разность фаз, называемая сдвигом фаз.
Для сравнения двух электрических величин, изменяющихся по синусоидальному закону,
необходимо знать разность их начальных фаз. Если на участке цепи ток i и напряжение и
имеют одинаковые начальные фазы, говорят, что они совпадают по фазе. Если график
изменения во времени напряжения и на каком-либо участке цепи пересекает координату
времени t раньше графика тока i, можно утверждать, что напряжение по времени
опережает ток.
На рис. 2, представлены графики двух электрических величин: напряжения и и тока i. Из
этихграфиков видно, что они сдвинуты по фазе друг относительно друга на угол ц.
Если переменный ток выразить формулой i = Im sin (щt + шi) , а напряжение u = Um sin
(щt + шu), то сдвиг фаз между током и напряжением можно найти по формуле ц = шu - шi.
В тех случаях, когда шu <, шi угол ц записывают со знаком «минус» и это означает, что
ток i при изменении во времени опережает напряжение и на уго ц.
Необходимо сразу приучать учащихся к правильным обозначениям: маленькие символы i
и и соответствуют мгновенным значениям тока и напряжения, символы I и U –
действующим значениям, Iт и Iт — амплитудным значениям
Действующее и среднее значения переменных ЭДС,
напряжений и токов
Переменный ток, как и постоянный, оказывает тепловое, механическое, магнитное и
химическое действия.
Однако величины i = Im sin щt и u = Um sin щt представляя собой мгновенные значения
тока и напряжения, относящиеся к отдельным моментам, не определяют значения тока за
некоторый промежуток времени. Поэтому в формулы расчета теплового, механического,
магнитного и химического действия переменного тока подставляется действующее
значение переменного тока
Действующим значением переменного тока называется постоянный ток, который за время
одного периода оказывает такое тепловое (механическое и др.) действие, как и данный
переменный ток, протекающий по такому же сопротивлению. Действующее значение для
данного переменного тока величина постоянная.
Отношение между амплитудным значением Im переменного тока и его действующим
значением I называют коэффициентом амплитуды КА который равен
или
Отсюда видно, что действующее значение тока меньше амплитудного.
Подобные соотношения относятся к действующим значениям напряжения U и ЭДС Е, т.е.
Um =U= 1,414 U, а так же U = 0,707 Um
Еm = U= 1,414 Е, а так же Е = 0,707 Еm
Для подтверждения вышесказанного рассмотрим тепловое действие тока.
Известно: тепловое действие постоянного тока определяется по закону Джоуля – Ленца:
Q = I2Rt , где
t – время, равное одному периоду.
R – сопротивление проводника.
Такое же количество теплоты в данном проводнике за это время выделится и при
переменном токе i = Im sin щt. Тогда формула для переменного тока примет вид:
Q = I2Rt где
I – действующее значение переменного тока.
Исходя из этого можно утверждать:
I2R = Р, где
Р – средняя мощность переменного тока за период.
В то же время мгновенная мощность синусоидального тока равна:
р = i2R = Im2 sin2 щt R = Im2 R (1 – cos2 щt)/2 = Im2 R/2 = Im2 R cos2 щ2
Как видно, мгновенная мощность переменного тока выражается двумя слагаемыми.
Первое слагаемое является величиной постоянной и от времени не зависит, а второе –
изменяется по синусоидальному закону и в сумме за период дает ноль.
Следовательно, средняя мощность переменного тока за период может быть выражена
формулой
Р = Im2 R/2
Проанализировав предыдущие равенства можно записать:
I2 R = Im2 R/2, т.е. I = Im/или I = 0,707 Im
Приборы, предназначенные для измерения переменного напряжения и тока, такие как:
вольтметры и амперметры, дают показания действующих значений соответственно
напряжения и тока, так как принцип работы их основан на механическом или тепловом
действии тока.
Например, если вольтметр показывает напряжение переменного тока 50 В, то
максимальное значение этого напряжения равно 50= 70,7В. Следовательно для данного
случая I = 50 В, а Im = 70,7 В.
3. Графическое изображение синусоидальных величин
Графически переменный ток, напряжение и ЭДС выражаются в виде синусоиды (рис. 1,2).
Эти графики еще называют волновыми или временными диаграммами.
При рассмотрении многих вопросов, связанных с цепями синусоидального тока, в
частности при их расчетах, удобно пользоваться векторными диаграммами. Они
позволяют изображать синусоидальные величины проще, нежели с помощью временных
(волновых) диаграмм.
Метод векторных диаграмм состоит в следующем. Переменные токи, напряжения, эдс
изображают в виде векторов. Векторы изображают неподвижными, с учетом сдвига по
фазе и подразумевают, что они равномерно вращаются против часовой стрелки с угловой
скоростью щ. При таком вращении вектора его проекция на вертикальную ось изменяется
во времени по закону синуса с учетом начальной фазы.
При изображении синусоидальных эдс, напряжений и токов из начала координат проводят
векторы, равные амплитудным значениям этих величин, под углом ш к горизонтальной
оси. Положительные углы ш откладываются против часовой стрелки. Если вращать
вектор против часовой стрелки, то в любой момент времени он составит с горизонтальной
осью угол, равный щt + ш. Проекция вращающегося вектора на ось ординат (ось
мгновенных значений) равна мгновенному значению синусоидальной величины (эдс,
напряжения, тока).