【浅议《电工技术》课程学习的认知策略】

　　 [摘要] 《电工技术》课程是高等学校自动化、电子类各专业共同的专业基础课,正确理解和认识《电工技术》的知识点,是学好《电工技术》的关键。文章试图从认知策略的层面,剖析电工知识学习过程中的几个常见问题。
　　[关键词] 电工技术 课程学习 认知策略
　　
　　《电工技术》课程是高等学校自动化、电子类各专业共同的专业基础课。正确理解电工技术学习的认知策略对于学生尽快地掌握电工技术的核心内涵有一定的帮助。
　　一、电路是电路元件的集合,它的任务是实现电能的传输和转换
　　一个实际电路是由一些电气器件或设备(在电工技术中把它们统称为元件)按一定的连接方式构成的一个闭合回路,这个闭合回路不管它有多复杂,其器件或设备的作用只有三类:电源、负载和中间环节。
　　电源是电路中提供能量的元件,它的任务是把其它形式的能量通过一定的方式转换为电能。干电池把化学能转换为电能,太阳能电池把光能转换为电能。在电路模型中,电源是一个电路符号:以电压形式供电的电压源和以电流形式供电的电流源;以直流形式供电的直流电源和以交流形式供电的交流电源。
　　真正意义上的负载是能把电能转换为其它形式能量的用电器。能把电能全部转换为热能的电路模型是电阻。平时所说的感性负载和容性负载是指这种负载是电阻与电感的组合或电阻与电容的组合。理想的电感元件和电容元件是不消耗电能的,是一种储能元件。它们与电源之间实现的是一种能量的交换。正因为电路中有了电感和电容,在交流电路中,电源产生的能量不可能全部用来能转换为其它形式的能量,它必须拿出一部分来与电感、电容元件进行能量的交换。这样就降低了电源的使用率。功率因数的意义正好说明了这个问题,功率因数是指电源或负载所具有的额定功率转换为有关功率的几率。
　　中间环节简单地说是电源与负载的连接与控制部分。由于用电器的使用范围越来越广,技术含量越来越多,使得中间环节的技术要求和工程造价也越来越高。可以这么说,电工技术的大部分内容是学习和研究中间环节,像三相异步电动机的继电接触控制电路。
　　二、两种线性二端网络及其意义
　　墙上的电源插座、直流稳压电源的输出端、信号发生器的输出端、放大器的输出端或一个特定的含源二端网络,它们都是一个外部有二个端子的电路形式。若这个网络内包含有独立电源,且网络中所有的电路元件都是线性元件,则可以称这个网络为线性有源二端网络。任何一个线性有源二端网络都可以等效为电压源(理想电压源和电阻的串联)或电流源(理想电流源和电阻的并联)的形式,这就是著名的戴维宁定理和诺顿定理。
　　戴维宁定理和诺顿定理的意义不仅仅是要求我们会对一个线性二端有源网络能进行变换,更重要的在于它与负载相连接时所呈现的外部特性。电工技术中电源的外特性就充分反映了电源内阻大小对端电压的影响。在电子技术中,如果要求一个放大器的输出电压要稳定,则要求它的输出电阻要小,此时,放大器的带负载能力就强。实际上,放大器的输出端可以近似地视为一个线性有源二端网络,网络等效的内阻就是放大器的输出电阻。
　　线性无源二端网络存在一个等效变换的问题,只要用电阻的串、并联等效的方法就可以求出其等效电阻。也可以采取在该网络的两端加电压测电流的方法来求网络的等效电阻。
　　三、电路的两个基本定律反映了电路分析的两个约束
　　电路分析中有两个重要的定律,即欧姆定律和基尔霍夫定律。从应用角度来看,可以把这两个定律视为电路分析的两个约束。
　　欧姆定律是一种元件约束。只要是线性电阻,它两端的电压与流过的电流永远遵循欧姆定律。
　　基尔霍夫定律是一种结构约束,它给出了在一个节点处电流变化遵循的规律(KCL)和在一个回路中电压变化遵循的规律(KVL)。
　　实际上,在电路的分析计算时,主要应用的是欧姆定律和基尔霍夫的两个定律。如以支路电流为未知量求解电路的支路电流法,就是根据KCL列节点电流方程和根据KVL列回路电压方程。在列回路电压方程时,除电压源、电流源直接用电压、电流表示之外,一个重要的问题就是根据元件约束写电阻电压表达式,这里要注意的是电压电流的关联参考方向问题。
　　以上两个定律的应用,不仅适合于直流电路,也适合于交流电路。在交流电路分析和计算时,欧姆定律、基尔霍夫定律的表达形式是瞬时值或相量的形式,只有纯电阻电路才能用有效值的形式。
　　四、三种参数元件的u-i关系的两种数学形式
　　电路中的参数元件是电阻R、电感L、电容C。它们的电压电流关系分别是:
　　在这三种元件中,电阻的电压电流关系是代数关系,而电感、电容的电压电流关系是微分关系。代数关系与微分关系存在着本质的差别。在电感电路中,电压与电流的变化率成正比;在电容电路中,电流与电压的变化率成正比。有了这个概念,可以得到下面的结论:
　　在直流电路中,可以把一个电感线圈视为一段直导线(短路),可以把一个电容视为开路。
　　在正弦交流电路中,根据微分运算,电感电压超前电流90度,电容电流超前电压90度。而且电感和电容对不同频率成分的交流呈现出大小不同的感抗和容抗。
　　在暂态过程分析中,电感电流不会突变,电容电压不会突变。
　　五、正弦交流电路的相量图和相量图法
　　在正弦交流电路的分析和计算中,经常要遇到同频率正弦量的相加或相减,而正弦量的加减法是很复杂的一种运算,为了简化这种数学运算,便引人了相量。相量是二维平面坐标中的一种旋转矢量,它只能用来表示正弦量,而不等于正弦量。
　　正弦量有三个要素,最大值(或有效值)、角频率、初相移。用相量表示正弦量时只凸现了正弦量的两个要素,该矢量的长度表示正弦量的最大值(或有效值),矢量与水平方向的夹角表示正弦量的初相移,而认为该矢量总是按照角频率的速度绕起始点来旋转的。
　　在表示几个正弦量的相量图中,这几个正弦量的角频率一定要相同,否则,它们的比较与计算便失去意义。有了相量图,便可以进行相量的相加或相减。这种运算基于矢量运算的平行四边形法则。必须注意,矢量合成以后的矢量和是表示这几个正弦量的和(或差)的相量,要还原成正弦量才是所要求的几个正弦量的和(或差)。
　　六、三相交流电路的简捷分析方法
　　三相交流电路的分析与计算实质上与单相交流电路的分析计算没有多大差别,关键在于对三相电源的认识与理解。三相交流电源是一个对称的三个独立交流电源的组合。所谓对称,是指这三个电源的大小(最大值或有效值)相等,频率相同,相位互差120度。电源对称是三相交流电路分析的基础,根据负载的星形连接(Y接)和负载的三角形连接(△接)来决定电源与负载之间采用三相四线制还是三相三线制。画出线路图,负载的线电压、相电压、线电流、相电流便一目了然,根据负载的对称是否和负载角,根据相量图法,就可以求解电路的电压、电流和功率。
　　参考文献:
　　[1]秦曾煌.电工学(上册).高等教育出版社,1999.
　　[2]邓允.电工与电子技术基础.化学工业出版社,2005.
本文为全文原貌 未安装PDF浏览器用户请先下载安装 原版全文