電工技術(shù)基礎(chǔ)與技能（第2版） 課件 項目八 認識瞬態(tài)過程

電工技術(shù)基礎(chǔ)與技能（第2版）項目八認識瞬態(tài)過程電動機啟動，其轉(zhuǎn)速由零逐漸上升，最終達到額定轉(zhuǎn)速；高速行駛汽車的剎車過程是由高速到低速或高速到停止等。它們的狀態(tài)都是由一種穩(wěn)定狀態(tài)轉(zhuǎn)換到另一種新的穩(wěn)定狀態(tài)，這個過程的變化都是逐漸的、連續(xù)的，而不是突然的、間斷的，并且是在一個瞬間完成的，這一過程就是本項目要研究的瞬態(tài)過程。任務(wù)一認識瞬態(tài)過程任務(wù)二RC串聯(lián)電路的瞬態(tài)過程分析項目評價項目小結(jié)思考與練習(xí)任務(wù)一認識非正弦周期信號電工技術(shù)基礎(chǔ)與技能（第2版）

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///任務(wù)分析日光燈接通的瞬間，以及電容并聯(lián)在電路中起電壓保護作用的工作過程中，都存在一個瞬態(tài)變化的過程。這個瞬間發(fā)生的過程就是本任務(wù)要學(xué)習(xí)的瞬態(tài)過程。一、瞬態(tài)過程相關(guān)知識1．穩(wěn)定狀態(tài)穩(wěn)定狀態(tài)是指電路中的電壓、電流已經(jīng)達到某一穩(wěn)定值，即電壓和電流為恒定不變的直流或最大值與頻率固定的正弦交流電。電工技術(shù)基礎(chǔ)與技能（第2版）

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///2．瞬態(tài)過程瞬態(tài)過程又稱過渡過程，是指電路從一種穩(wěn)定狀態(tài)向另一種穩(wěn)定狀態(tài)的轉(zhuǎn)變過程。如圖8-1所示的RC串聯(lián)直流電路，當開關(guān)S閉合時，電源E通過電阻R，對電容C進行充電。電容兩端的電壓由零開始上升，達到電源E的電壓后，只要電路的狀態(tài)不變，電容兩端的電壓就保持不變，電容的充電過程就是一個瞬態(tài)過程。3．瞬態(tài)過程產(chǎn)生的原因1）純電阻電路純電阻電路如圖8-2所示，純電阻電路的電流波形如圖8-3所示。圖8-2純電阻電路圖8-3純電阻電路的電流波形電工技術(shù)基礎(chǔ)與技能（第2版）

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///2）電容電路電容電路如圖8-4所示，電容電路的換路電壓波形如圖8-5所示。圖8-4電容電路圖8-5電容電路的換路電壓波形閉合開關(guān)S前，iC

=

0，uC

=

0；閉合開關(guān)S后，由電容電路的換路電壓波形可以看出，uC由零逐漸增加到U，所以電容電路存在瞬態(tài)過程。電工技術(shù)基礎(chǔ)與技能（第2版）

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///3）電感電路電感電路如圖8-6所示，電感電路的換路電流波形如圖8-7所示。圖8-6電感電路圖8-7電感電路的換路電流波形閉合開關(guān)S前，iL

=

0；閉合開關(guān)S后，由電感電路的換路電流波形可以看出，iL由零逐漸增加到U/R，所以電感電路存在瞬態(tài)過程。產(chǎn)生瞬態(tài)過程的原因可以總結(jié)如下：（1）電路中必須含有儲能元件（內(nèi)因）；（2）電路狀態(tài)的改變或電路參數(shù)的變化（外因）。電工技術(shù)基礎(chǔ)與技能（第2版）

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///1．換路的定義由于電路工作條件發(fā)生變化，例如，電源的接通或切斷，使得電路連接方法或參數(shù)的突然變化稱為換路。2．換路定律在學(xué)習(xí)換路定律之前，先設(shè)定幾個符號及其所表示的含義：①

t

=

0表示換路時刻；②

t

=

0－表示換路前的終了時刻（瞬間）；③

t

=

0+表示換路后的初始時刻（瞬間）。1）電感元件由于電感所儲存的磁場能量在換路的瞬間保持不變，即換路前終了時刻的電流與換路后初始時刻的電流相等，表示為iL(0+)

=

iL(0－)二、非正弦周期信號的諧波分析電工技術(shù)基礎(chǔ)與技能（第2版）

///8

///2）電容元件由于電容所儲存的電場能量在換路的瞬間保持不變，即換路前終了時刻的電壓與換路后初始時刻的電壓相等，表示為uC(0+)

=

uC(0－)所以，從t

=

0－到t

=

0+

瞬間，電感元件中的電流和電容元件上的電壓不能突變，這就稱為換路定律。規(guī)定：只含有一個儲能元件的電路稱為一階電路；把t

=

0+時刻的電路電壓值、電路電流值稱為初始值。電路瞬態(tài)過程初始值的計算，按下面步驟進行：（1）求出t

=

0－時的電容電壓uC(0－)和電感電流iL(0－)的值；（2）求出t

=

0+時的電容電壓uC(0+)和電感電流iL(0+)的值；三、換路定律的應(yīng)用電工技術(shù)基礎(chǔ)與技能（第2版）

///9

///（3）畫出t

=

0+時的等效電路，把uC(0+)等效為電壓源，把iL(0+)等效為電流源；（4）求電路其他電壓和電流在t

=

0+時的數(shù)值。【例8-1】如圖8-8所示的電路中，已知R1

=

2Ω，R2

=

6Ω，US

=

10V，開關(guān)S閉合前電路已達到穩(wěn)定狀態(tài)，求換路后瞬間各元件上的電壓和電流。圖8-8例8-1圖（a）電路圖（b）t

=

0－時的等效電路（c）t

=

0+時的等效電路電工技術(shù)基礎(chǔ)與技能（第2版）

///10

///【例8-2】在圖8-9中，直流電壓源的電壓US

=

50V，R1

=

5Ω，R2

=

5Ω，R3

=

20Ω，電路已達到穩(wěn)態(tài)，在t

=

0時，斷開開關(guān)S，試求0+時的iL、UC、UR、iC、UL。（a）電路圖（b）t＝0+時的等效電路圖8-9例8-2圖任務(wù)二RC串聯(lián)電路的瞬態(tài)過程分析電工技術(shù)基礎(chǔ)與技能（第2版）

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///任務(wù)分析在RC串聯(lián)電路的換路過程中，電容的電壓和電流是怎樣變化的？本任務(wù)主要對RC串聯(lián)電路的瞬態(tài)過程進行分析。相關(guān)知識分析和研究RC串聯(lián)電路的瞬態(tài)過程，主要有充電和放電兩個過程。通過分析這兩種情況的瞬態(tài)過程，可以了解RC串聯(lián)電路充電、放電時RC元件的電壓和電流變化的規(guī)律和特點。一、RC電路的充電過程RC電路的充電電路如圖8-10所示。電工技術(shù)基礎(chǔ)與技能（第2版）

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///圖8-10

RC充電電路初始時，開關(guān)K在2端，并且電容本身不帶電荷，儲能為零，即

。當開關(guān)K由2扳到1時，電路的狀態(tài)發(fā)生了變化，US（直流電源）與電容C和電阻R組成串聯(lián)電路，根據(jù)換路定理可知，t

=

0+時電容器兩端的電壓不能突變，則，此時電路中的電流為電阻兩端的電壓為經(jīng)過一段時間（這個時間由電阻R和電容C的值決定，稱為RC電路的充電時間；充電時間與放電時間一致，用τ表示，又稱時間常數(shù)，大小為τ

=

RC，單位為s，它決定了RC電路充電、放電時間的快慢）后，電容器充滿電荷，電路就進入了一個新的穩(wěn)態(tài)。電工技術(shù)基礎(chǔ)與技能（第2版）

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///二、RC電路的放電過程RC電路的放電過程是在充電結(jié)束后進行的，RC放電電路如圖8-11所示。開關(guān)K由圖8-10中的1扳到2后，電容與電阻就構(gòu)成了一個閉合的回路；由于電容已經(jīng)充滿電荷（即儲存的能量），所以電容將通過電阻釋放電荷，直到電荷全部釋放完畢，這一過程就是電容的放電過程。在電容釋放電荷也就是換路過程中，電路中的電壓及電流變化過程如下：換路前電容儲存一定的電荷，即電容的電壓為根據(jù)換路定律可得到放電的初始狀態(tài)，即圖8-11RC放電電路電工技術(shù)基礎(chǔ)與技能（第2版）

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///當換路完畢后，電容的電壓和放電電流又都為零，進入另一個穩(wěn)態(tài)。在RC放電過程中，電路的電壓與電流都按指數(shù)規(guī)律變化，其數(shù)學(xué)表達式為RC放電過程中電壓與電流隨時間變化的曲線如圖8-12所示。圖8-12RC放電過程中電壓與電流隨時間變化的曲線電工技術(shù)基礎(chǔ)與技能（第2版）

///15

///具體步驟如下：（1）按圖8-10連接電路，并且選取R

=

10kΩ，C

=

100μF，調(diào)節(jié)直流穩(wěn)壓源US輸出8V。（2）將示波器X軸的時標旋鈕調(diào)至0.2s/DIV并能看到示波器上的光點掃描；將輸入耦合開關(guān)置于“DC”；將A、B接入Y1或Y2通道，Y軸靈敏度旋鈕調(diào)至2V/DIV。（3）接通開關(guān)“1”，能夠觀察到電源向電容C充電的波形。（4）將觀察到的RC充電過程中電壓與電流變化規(guī)律曲線描繪出來，如圖8-13所示。技能訓(xùn)練圖8-13

RC充電過程中電壓與電流變化規(guī)律曲線電工技術(shù)基礎(chǔ)與技能（第2版）

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///項目評價標準見表8-1。項目評價表8-1項目評價標準項目評價分值評分細則評分備注搭建RC電路30（1）不能完整搭建RC電路的扣10分；（2）元件參數(shù)選擇錯誤一個扣2分

示波器的使用30（1）不按步驟進行操作，扣5分；（2）檢測出的波形錯誤，扣15分；（3）檢測過程中損壞元件，扣10分

實訓(xùn)記錄20（1）不按步驟進行記錄，每次扣l0分；（2）不能畫出電壓和電流變化規(guī)律波形的扣10分

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///項目評價分值評分細則評分備注實訓(xùn)后整理10（1）實訓(xùn)結(jié)束應(yīng)及時整理實訓(xùn)器材，清潔實訓(xùn)崗位和場所；（2）認真完成實訓(xùn)報告，一項不符合要求扣5分

安全文明操作10（1）工作臺上工具排放整齊，嚴格遵守安全操作規(guī)程，符合“7S”管理要求；（2）能保證工作場所器材與人身安全，會應(yīng)用防護基本技能；（3）違反安全操作，工作臺上臟亂，不符合“7S”管理要求，扣3～10分

合計100

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///18

///1．瞬態(tài)過程又稱過渡過程，是指電路從一種穩(wěn)定狀態(tài)向另一種穩(wěn)定狀態(tài)的轉(zhuǎn)變過程。2．產(chǎn)生瞬態(tài)過程的條件主要包括兩個方面：電路中必須含有儲能元件（內(nèi)因）；電路狀態(tài)的改變或電路參數(shù)的變化（外因）。3．由于電路工作條件發(fā)生變化，使得電路連接方法或參數(shù)突然變化稱為換路。4．換路前和換路后的瞬間，電感元件中的電流和電容元件上的電壓不能突變稱為換路定律。5．RC電路的充電、放電時間由組成電路的電阻R和電容C的值決定，大小為τ=RC，單位為秒，τ又稱時間常數(shù)，它決定了RC電路充電、放電時間的快慢。項目小結(jié)電工技術(shù)基礎(chǔ)與技能（第2版）

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///一、填空題1．產(chǎn)生瞬態(tài)過程有兩大原因，即外因和內(nèi)因，外因是__________________________，內(nèi)因是______________________________。2．從t

=

0－到t

=

0+的瞬間，電容元件上的___________和電感元件中的____________不能突變，稱為換路定律。3．在瞬態(tài)過程中，τ稱為_____________，它的單位是________________。在RC電路中τ

=_________。思考與練習(xí)二、判斷題1．瞬態(tài)過程就是從一種穩(wěn)定狀態(tài)轉(zhuǎn)變到另一種穩(wěn)定狀態(tài)的中間過程。 （）2．含儲能元件的電路從一個穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)變到另一個穩(wěn)態(tài)需要時間，這是因為能量不能突變。（）3．電路瞬態(tài)過程的出現(xiàn)是因為換路引起的，所以，無論什么電路，只要出現(xiàn)換路就會產(chǎn)生瞬態(tài)過程。 （）電工技術(shù)基礎(chǔ)與技能（第2版）

///20

///4．某電容在換路瞬間uC(0+)=uC(0－)，但iC(0+)≠iC(0－)。

（）5．時間常數(shù)τ越大，瞬態(tài)過程越長。

（）三、選擇題1．常見的儲能元件有（）。A．電阻和電容 B．電容和電感C．電阻和電感 D．二極管和三極管2．關(guān)于換路，下列說法正確的是（）。A．電容元件上的電流不能躍變B．電感元件上的電流不能躍變C．電容元件上的電壓能躍變D．電感元件上的電流能躍變3．關(guān)于RC電路充電、放電規(guī)律正確的說法是（）。電工技術(shù)基礎(chǔ)與技能（第2版）

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///A．充電時，iC、uR、uC按指數(shù)規(guī)律上升