《電工基礎(chǔ)與運(yùn)用（上、下冊）》 教案 項(xiàng)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(xiàng)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(shí)理論課程4課時(shí)授課地點(diǎn)教室授課類型理論課程說明本任務(wù)是項(xiàng)目六耦合電感和諧振電路認(rèn)識的最后兩個(gè)項(xiàng)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(diǎn)。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(jì)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(jì)具體電路時(shí)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(jì)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(jì)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(diǎn)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(jì)算教學(xué)難點(diǎn)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(jì)時(shí)功能，及時(shí)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(xiàng)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(dòng)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(diǎn)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(shí)施過程教學(xué)環(huán)節(jié)教學(xué)內(nèi)容師生活動(dòng)設(shè)計(jì)意圖與資源教師活動(dòng)學(xué)生活動(dòng)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(dòng)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(dòng)就是諧振的一個(gè)典型案例，鐘擺在運(yùn)動(dòng)過程中發(fā)生著動(dòng)能和勢能的交換，不考慮能量摩擦耗散其簡諧運(yùn)動(dòng)也存在一個(gè)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(gè)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(shí)候收音機(jī)就會(huì)“選出”對應(yīng)廣播臺的頻率放大后就會(huì)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(diǎn)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(dòng)和收音機(jī)調(diào)諧兩個(gè)案例并講解電路中類似的諧振問題看一個(gè)完整的鐘擺振動(dòng)周期，小組討論談?wù)務(wù)駝?dòng)的能量交換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(jì)意圖：通過實(shí)操的形式讓學(xué)生對本節(jié)重難點(diǎn)有一個(gè)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(diǎn)，最后以完成習(xí)題的形式對知識點(diǎn)進(jìn)行鞏固，來逐步突破本節(jié)課的教學(xué)重難點(diǎn)；資源：試驗(yàn)場地、試驗(yàn)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?yàn)槠渲械闹C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(dòng)其實(shí)就是擺塊運(yùn)動(dòng)過程中動(dòng)能和勢能的交換，那么這里呢，其實(shí)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(shí)就是電路呈純阻性時(shí)，即L和C所儲存能量互相抵消的過程，那么這個(gè)時(shí)候純阻性意味著什么呢？考慮：如果虛數(shù)項(xiàng)等于0，這時(shí)候就是純電阻，這時(shí)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(gè)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(jì)時(shí)就設(shè)計(jì)好，定死了的，也就是固有的，本來就是這樣的，就是這個(gè)意思。反過來說，我們拿到一個(gè)電路，如果發(fā)現(xiàn)L和C直接串聯(lián)了，嘿嘿，那這時(shí)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(shí)，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(lì)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(shí)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(gè)固有頻率和外界激勵(lì)也就是廣播電磁頻率一樣，這時(shí)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(shí)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(diǎn)呢，這時(shí)候電路純阻性，阻抗最小，因此電路電流最大，這時(shí)的電流就被稱為諧振電流，這個(gè)電流是純阻性的電流和電壓同相位：這時(shí)，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(shí)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(jì)這樣一個(gè)RLC串聯(lián)回路的品質(zhì)因數(shù)越高，那么諧振電壓就會(huì)越高，我們在一些電子器件如收音機(jī)可以通過設(shè)計(jì)品質(zhì)因數(shù)實(shí)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?yàn)檫@時(shí)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(gè)又被稱為諧振過電壓：因此，我們在防治諧振過電壓時(shí)，可以通過引入自動(dòng)調(diào)諧裝置，在傳感器檢測到電路發(fā)生諧振時(shí)，此時(shí)自動(dòng)調(diào)諧裝置將自動(dòng)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(gè)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(huì)有個(gè)范圍呢，因?yàn)檫@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(gè)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(diǎn)，注意與學(xué)生問答互動(dòng)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(diǎn)，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(jì)意圖：通過實(shí)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(jì)算等；資源：試驗(yàn)場地和試驗(yàn)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(huì)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(shí)，電壓和電流同相，電路呈純阻性，這時(shí)候我們來分析這個(gè)電路，為了使之純阻性，那么：這個(gè)時(shí)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?yàn)檫@時(shí)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(diǎn)，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(shí)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(gè)無限大電阻，所以這時(shí)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(shí)就是并聯(lián)諧振時(shí)諧振支路L和C的電流相對總電流I的比值，因?yàn)槠焚|(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(diǎn)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(diǎn)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(dòng)^后感設(shè)計(jì)意圖：通過實(shí)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(yàn)場地和試驗(yàn)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(dú)立完成，在規(guī)定時(shí)間內(nèi)提交到學(xué)習(xí)通平臺教學(xué)評價(jià)本任務(wù)得分由教師評價(jià)、個(gè)人評價(jià)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(gè)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(jì)入平時(shí)成績。反思診