《電工基礎(chǔ)與運(yùn)用（上、下冊）》 教案 項目六 耦合電感和諧振電路認(rèn)識 任務(wù)四 串聯(lián)諧振認(rèn)識任務(wù)五 并聯(lián)諧振認(rèn)識

《電工基礎(chǔ)與應(yīng)用》單元課程教案四川電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院2023年9四川電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院2023年9月版本信息課程名稱《電工基礎(chǔ)與應(yīng)用》課程代碼100182制定部門電力設(shè)備技術(shù)系制訂人（修訂人）張煌竟、程蓉、程銘、廖翔志、鐘運(yùn)來、沈永海審核人（教研室主任）席川審批人（系部主任）湯曉青發(fā)布日期：2023年9月1日版本2023年版

模塊二項目六耦合電感和諧振電路認(rèn)識任務(wù)四串聯(lián)諧振認(rèn)識&任務(wù)五并聯(lián)諧振認(rèn)識課程名稱任務(wù)四串聯(lián)諧振認(rèn)識&任務(wù)五并聯(lián)諧振認(rèn)識授課對象發(fā)電專業(yè)大一（上）學(xué)生教學(xué)課時理論課程4課時授課地點教室授課類型理論課程說明本任務(wù)是項目六耦合電感和諧振電路認(rèn)識的最后兩個項目，是上一節(jié)內(nèi)容的延申。教學(xué)內(nèi)容串聯(lián)諧振和并聯(lián)諧振的特點。教材選用教材名稱：《電工基礎(chǔ)與運(yùn)用（下冊）》教師參考書目：《電路與磁路》（第四版）、《電路原理》學(xué)情分析知識基礎(chǔ)學(xué)生能對含有耦合電感的正弦電流電路進(jìn)行簡單分析。能力水平學(xué)生具有計算耦合電感電路的能力。行為特征學(xué)生高考成績普遍在350-440之間，理論思維、邏輯分析能力較差，對抽象的邏輯概念公式理解能力較弱，班上學(xué)生有1/3左右為文科生，物理基礎(chǔ)更加薄弱。學(xué)生善于利用網(wǎng)絡(luò)媒介、信息化資源，比起枯燥的單向講授更愿意接受音頻、視頻、圖片知識。教學(xué)目標(biāo)素質(zhì)目標(biāo)（1）通過引入具體電路的諧振案例，培養(yǎng)學(xué)生對電力系統(tǒng)諧振危害性的認(rèn)識，樹立安全生產(chǎn)、防治諧振的理念，學(xué)習(xí)防治諧振的方法（2）使學(xué)生養(yǎng)成設(shè)計具體電路時對可能存在諧振現(xiàn)象的識別檢測能力，培養(yǎng)其嚴(yán)謹(jǐn)?shù)墓ぷ鲬B(tài)度；知識目標(biāo)（1）理解并能陳述電路諧振的原理，發(fā)生串聯(lián)諧振或并聯(lián)諧振的條件（2）理解品質(zhì)因數(shù)的概念，理解并能牢記串聯(lián)諧振和并聯(lián)諧振的特征能力目標(biāo)（1）能對具體的電路分析其中是否可能存在串聯(lián)諧振或并聯(lián)諧振；對存在串聯(lián)諧振或并聯(lián)諧振的電路，能計算其相應(yīng)電路固有頻率或分析其發(fā)生諧振的頻率范圍（2）能計算相應(yīng)電路的品質(zhì)因數(shù)，分析具體品質(zhì)因數(shù)下電路的諧振電壓和諧振電流大小教學(xué)重點串聯(lián)諧振和并聯(lián)諧振的定義、條件，電路諧振中固有頻率的計算教學(xué)難點電路諧振中諧振回路的識別和諧振過程中的電路能量交換過程教學(xué)策略教學(xué)組織本任務(wù)教學(xué)采用線上+線下混合教學(xué)模式，結(jié)合學(xué)習(xí)通在線課程資源，提前一天發(fā)布預(yù)習(xí)視頻，要求學(xué)生提前觀看教學(xué)視頻，在課上使用學(xué)習(xí)通APP進(jìn)行分組、選人、隨堂練習(xí)，評分和計時功能，及時獲得教學(xué)反饋，在課下發(fā)布習(xí)題鞏固教學(xué)成果。充分發(fā)揮項目導(dǎo)學(xué)、自主探學(xué)、合作研學(xué)、展示賞學(xué)、互檢評學(xué)、課后拓學(xué)的六學(xué)模式，突出學(xué)生的課堂主體地位。教學(xué)方法教學(xué)中采用分組教學(xué)法、任務(wù)驅(qū)動法教學(xué)資源線上視頻資源：/mooc-ans/mycourse/teacherstudy?chapterId=788950451&courseId=237538271&clazzid=84991162線下授課資源：紙質(zhì)教材、電子教材、配套PPT教學(xué)準(zhǔn)備學(xué)生準(zhǔn)備提前一天觀看線上教學(xué)視頻，提交學(xué)習(xí)心得，標(biāo)注難以理解的知識點環(huán)境準(zhǔn)備提前一天調(diào)試好教室多媒體、話筒等教學(xué)設(shè)備。資料準(zhǔn)備教材、隨堂練習(xí)、課堂名單。教學(xué)實施過程教學(xué)環(huán)節(jié)教學(xué)內(nèi)容師生活動設(shè)計意圖與資源教師活動學(xué)生活動課前探索引入授課內(nèi)容：復(fù)習(xí)耦合電感元件、含耦合電感的正弦電流電路，以鐘擺的簡諧運(yùn)動為例類比引入電路諧振現(xiàn)象；同學(xué)們，生活中存在的鐘擺簡諧運(yùn)動就是諧振的一個典型案例，鐘擺在運(yùn)動過程中發(fā)生著動能和勢能的交換，不考慮能量摩擦耗散其簡諧運(yùn)動也存在一個諧振頻率：式中，k和m分別是彈簧張力系數(shù)和擺塊質(zhì)量。那么對于電路中，是否也存在類似的諧振過程呢？有！收音機(jī)的調(diào)諧就是一個典型案例：同學(xué)們玩過收音機(jī)沒有？熊貓牌收音機(jī)所謂調(diào)諧，就是我們調(diào)整收音機(jī)自身的固有頻率，使之與外界廣播臺發(fā)送的無線電磁波的相應(yīng)頻率一致，這時候收音機(jī)就會“選出”對應(yīng)廣播臺的頻率放大后就會產(chǎn)生響聲，而調(diào)幅呢？就是收音機(jī)調(diào)諧選頻之后調(diào)節(jié)放大倍數(shù)罷了。所以電路中是存在諧振的哈同學(xué)們，那么到底電路產(chǎn)生諧振有哪些條件，然后電路又有那些諧振的種類呢，諧振的能量交換過程是什么，諧振頻率又怎么算呢？這就是我們這堂課要重點討論的內(nèi)容。1.以鐘擺元素，引入課程，發(fā)起學(xué)生小組討論并巡視2總結(jié)一下鐘擺振動和收音機(jī)調(diào)諧兩個案例并講解電路中類似的諧振問題看一個完整的鐘擺振動周期，小組討論談?wù)務(wù)駝拥哪芰拷粨Q過程和諧振頻率是什么觀察自帶的收音機(jī)自己旋轉(zhuǎn)調(diào)諧旋鈕感受一下收音機(jī)調(diào)諧過程設(shè)計意圖：通過實操的形式讓學(xué)生對本節(jié)重難點有一個更清晰的認(rèn)知，結(jié)合講授法以及視頻學(xué)習(xí)的形式讓學(xué)生進(jìn)一步了解知識點，最后以完成習(xí)題的形式對知識點進(jìn)行鞏固，來逐步突破本節(jié)課的教學(xué)重難點；資源：試驗場地、試驗器具、超星平臺、參考教材、多媒體PPT。課中導(dǎo)學(xué)串聯(lián)諧振新課內(nèi)容：串聯(lián)諧振；同學(xué)們，我們來看看第一種電路諧振：串聯(lián)諧振。串聯(lián)諧振為什么叫串聯(lián)諧振呢？因為其中的諧振元件：電感和電容是串聯(lián)方式連接，我們說，之前鐘擺的簡諧運(yùn)動其實就是擺塊運(yùn)動過程中動能和勢能的交換，那么這里呢，其實就是電感的磁場能和電容的電場能之間的諧振能量交換，他的固有頻率是什么，那其實就是電路呈純阻性時，即L和C所儲存能量互相抵消的過程，那么這個時候純阻性意味著什么呢？考慮：如果虛數(shù)項等于0，這時候就是純電阻，這時候電路負(fù)載功率全部是純有功功率，無功功率由于電感和電容大小一樣，相當(dāng)于發(fā)出無功和吸收無功正好相抵，電路沒有無功功率負(fù)荷消耗：即：這里，f0就是電路的固有頻率，固有怎么理解同學(xué)們？就是看這個式子f0只取決于L和C的大小，而L和C是電路一開始設(shè)計時就設(shè)計好，定死了的，也就是固有的，本來就是這樣的，就是這個意思。反過來說，我們拿到一個電路，如果發(fā)現(xiàn)L和C直接串聯(lián)了，嘿嘿，那這時候電路的串聯(lián)諧振的固有頻率我們就能直接預(yù)先算出來了。這時，串聯(lián)諧振的諧振條件也就是電源頻率等于f0，哎換句話說就是外界激勵的頻率等于電路固有頻率。這句話可以類比簡單理解，就是說收音機(jī)調(diào)諧時候，我們調(diào)諧就是調(diào)收音機(jī)電路的固有頻率，就是調(diào)節(jié)L和C的相對大小，然后使這個固有頻率和外界激勵也就是廣播電磁頻率一樣，這時候電路就諧振了。而如果說沒調(diào)好，沒產(chǎn)生諧振呢，就是這時候電路不是純阻性的，存在無功負(fù)荷，要么是電感占優(yōu)的感性無功要么就是電容占優(yōu)的容性無功。那么接下來，串聯(lián)諧振有什么特點呢，這時候電路純阻性，阻抗最小，因此電路電流最大，這時的電流就被稱為諧振電流，這個電流是純阻性的電流和電壓同相位：這時，感抗等于容抗，我們就將其值大小稱為特性阻抗：那么特性阻抗ρ和電阻R的比值就叫做品質(zhì)因數(shù)，品質(zhì)因數(shù)怎么理解同學(xué)們，其實在串聯(lián)諧振中就象征著諧振電壓也就是L和C上的電壓的大小與電阻R上電壓大小的比值是不是？那就是說，如果設(shè)計這樣一個RLC串聯(lián)回路的品質(zhì)因數(shù)越高，那么諧振電壓就會越高，我們在一些電子器件如收音機(jī)可以通過設(shè)計品質(zhì)因數(shù)實現(xiàn)輸出高于輸入數(shù)十倍大小的電壓，但我們在電力生產(chǎn)中，在電力線路上，則要盡量避免串聯(lián)諧振，因為這時候可能產(chǎn)生局部高電壓使絕緣擊穿，以后同學(xué)們學(xué)習(xí)高電壓絕緣技術(shù)，這個又被稱為諧振過電壓：因此，我們在防治諧振過電壓時，可以通過引入自動調(diào)諧裝置，在傳感器檢測到電路發(fā)生諧振時，此時自動調(diào)諧裝置將自動介入工作，通過補(bǔ)償電容等方式使電路退出諧振。好，學(xué)完串聯(lián)諧振，我們還是一起來看一個隨堂練習(xí)題吧：請各位同學(xué)翻到書上例題5-30：一收音機(jī)的輸入電路中，電感L=0.233mH與可調(diào)電容C=42.5~360pF串聯(lián)，求諧振的頻率范圍。答：先審題。說的是諧振的頻率范圍，為什么這里會有個范圍呢，因為這里說的是可調(diào)電容，我們根據(jù)公式，調(diào)節(jié)電容大小范圍，可以得到一個單調(diào)的相應(yīng)的諧振頻率范圍：教師講串聯(lián)諧振相關(guān)知識點，注意與學(xué)生問答互動教師播放思政視頻，關(guān)于諧振過電壓的現(xiàn)場擊穿示意視頻，引導(dǎo)學(xué)生建立防治諧振過電壓的意識，養(yǎng)成電力安全生產(chǎn)理念學(xué)生聽講，記筆記，在老師講完課后逐次各小組回答課堂提問（串聯(lián)諧振是什么，有什么特點，品質(zhì)因數(shù)是什么，如何識別是否存在串聯(lián)諧振，固有頻率怎么算）學(xué)生觀看思政案例：線路的諧振過電壓絕緣擊穿視頻。設(shè)計意圖：通過實操、觀看視頻和教師講解讓學(xué)生掌握串聯(lián)諧振的基本原理和特征，包括諧振頻率的計算等；資源：試驗場地和試驗器具、多媒體PPT、參考教材。并聯(lián)諧振新課內(nèi)容，并聯(lián)諧振好，既然有串聯(lián)諧振，同學(xué)們，是不是相應(yīng)就是有并聯(lián)諧振呀？同學(xué)們完全可以類比思考一下，對吧，串聯(lián)諧振中諧振電壓會偏大，并聯(lián)諧振中呢？那就是電流，學(xué)過串聯(lián)諧振，并聯(lián)諧振就要簡單好理解多了，好我們一起來看看并聯(lián)諧振是怎么回事同樣，并聯(lián)諧振時，電壓和電流同相，電路呈純阻性，這時候我們來分析這個電路，為了使之純阻性，那么：這個時候?qū)е率裁唇Y(jié)果呢，也就是并聯(lián)諧振是什么特征呢？電感電流和電容電流大小相等，方向相位相反，電路呢，電流也最小，因為這時候按照KCL和相量關(guān)系，電感和電容上面的電流對于兩端連接處的節(jié)點，正好正負(fù)抵消，所以沒有注入，同樣電路不消耗無功，那為什么說電流最小呢，由于這時候?qū)τ诤蠖薒C而言，注入電流為0，所以相當(dāng)于開路，對于并聯(lián)電路，負(fù)載開路就是相當(dāng)于并一個無限大電阻，所以這時候電流最小。那么對于并聯(lián)諧振的品質(zhì)因數(shù)又是什么呢，其實就是并聯(lián)諧振時諧振支路L和C的電流相對總電流I的比值，因為品質(zhì)因數(shù)說的就是諧振之后相應(yīng)電壓或電流的放大倍數(shù)，也就是：那相應(yīng)的并聯(lián)諧振有什么危害呢，那就是導(dǎo)致部分過電流，然后防治并聯(lián)諧振，就可引入有源濾波器，消除諧振過電流大小。有源電力濾波器（APFactivepowerfilter）教師講授并聯(lián)諧振相關(guān)知識點教師播放圖文視頻思政案例，以有源濾波器在電力安全生產(chǎn)中消除諧波電流的效果建立學(xué)生的安全生產(chǎn)意識和對電流諧振的危害性認(rèn)識學(xué)生討論：類比法猜測并聯(lián)諧振的定義、特征、發(fā)生條件等知識點思政案例：學(xué)生觀看有源濾波器消除過電流的典型圖文視頻案例并小組為單位談?wù)動^后感設(shè)計意圖：通過實操、觀看視頻和教師講解讓學(xué)生掌握并聯(lián)諧振發(fā)生條件和串聯(lián)諧振的區(qū)別，并聯(lián)諧振的特征等；資源：試驗場地和試驗器具、多媒體PPT、參考教材。課后拓展完成任務(wù)工單1、任務(wù)工單2獨立完成，在規(guī)定時間內(nèi)提交到學(xué)習(xí)通平臺教學(xué)評價本任務(wù)得分由教師評價、個人評價兩部分構(gòu)成。學(xué)生完成任務(wù)工單后，由教師打分和學(xué)生個人自評兩部分構(gòu)成。教師結(jié)合學(xué)生完成的任務(wù)工單給學(xué)生打分，占80%;學(xué)生結(jié)合任務(wù)工單給自己打分，占20%；兩部分成績之和作為本任務(wù)的最終成績，計入平時成績。反思診