浅谈三相正弦交流电表示法的教学艺术

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  摘要:长期以来,在给学生教授三相交流电这部分内容时,学生对三相正弦交流电的表示法感觉模糊难记,为了让学生更好地理解记忆,笔者采用了文学体裁对应各个表示法的比喻教学,收到良好的效果。
  关键词:三相正弦交流电;表示法;教学艺术
  中图分类号:G632.0 文献标识码:A 文章编号:1992-7711(2017)05-0111
  多年来,笔者一直从事中职学校电子电器专业课教学,在教授《电工基础》中的三相正弦交流电的表示法过程中,学生总是难以理解并记住三种关于三相正弦交流电的表示法,以致影响到后面的学习和提高。为此,笔者根据多年的教学经验,总结出关于这个内容的教学艺术,以供参考:
  首先,了解三相正弦交流电的产生,利用多媒体及操作演示,呈现三相正弦交流电产生的过程和表示方法,教师进行详细分析讲解:
  简介发电机的构造后,演示三相交变电流产生:将三个灵敏电流计分别接到发电机的三个接线柱上,摇转发电机线圈,三个灵敏电流计都有摆动,说明三个线圈均产生交变电动势,从而有三相交变电流通过。
  如上图所示,三相交流发电机内有三个相差120°电角度的线圈,转动时就能产生三个在相位上相差120°的三相交流电了。
  第二,了解三相正弦交流电的特点,如何表示三相正弦交流电:
  重做三相正弦交流电产生的演示实验,摇动线圈尽量均匀,让学生仔细观察三个电流计指针的摆动情况,并让学生思考:三个电流计指针摆动为什么不同?他们所反映的三个交变电动势有何异同?
  引导学生分析:三个交变电动势的特点:
  频率相同、最大值相同、达到最大值的时刻落后三分之一周期
  那么,该怎样表示三相正弦交流电呢?下面将一起了来学习:
  三相正弦交流电的表示法有三种,分别是:解析式表示法,波形图表示法,相量图表示法。
  1. 解析式表示法
  解析以uA为参考正弦量,则三相电压的解析式(瞬时值表达式)为:
  uA=Umsinωt
  uB=Umωt-)
  uC=Um
  式中,uA,uB,uC,分别是三相电动势的瞬时值,Um是最大值(峰值或振幅),是交流电的角频率,单位为弧度/秒(rad/s),它表征正弦交流电流每秒内变化的电角度;即120°表示该相电动势的初相位,也就是说,uA的初相为0°电角度,uB的初相为-120°电角度,uC的初相为 120°电角度,它表示初始时刻(t=0时)三相交流电所处的电角度。
  在此,解析式表示法(也叫做瞬时值表达式)中,分别把三相交流电的最大值(峰值、振幅)、角频率(周期、频率)、初相(相位)表达得清楚明了,这就像是一篇小说,把一个故事交代的清楚完整,而小说的三要素是人物、情节、环境,交流电也有最大值、频率和初相三要素,如此,交流电的解析式表示法就好比文学体裁中的小说。
  2. 波形图表示法
  交流电的波形可以用示波器观察到,将其在建立的直角坐标系中直观画出随时间变化的曲线,这种用正弦波形图表示正弦交流电的方法,称为波形图表示法。
  以熟悉的初相为0正弦函数式uA=Um的波形为参照,根据所需表示的正弦交流电的初相判定超前或滞后关系,将波形图起点前移或后移相应角度,结合最大值(或有效值)调整幅值,并按波形的自然趋势补充完整,如图所示:
  波形图中,横坐标表示时间t或电角度ωt,纵坐标表示随时间变化的电压(电动势、电流)的瞬时值,因此,波形图上可以反映出交流电的最大值、频率和初相。
  用正弦波形这样表示三相正弦交流电,直观、清晰,这就好像文学体裁中的散文,波形飘逸,印象深刻,却和散文一样,形散而神不散。
  3. 相量图表示法
  正弦交流电也可以用最大值相量或有效值相量表示,但通常用有效值相量表示。
  (1)最大值向量表示法
  最大值相量表示法是用正弦量的振幅值(最大值)作为相量的模(大小)、用初相角为相量的幅角,例如有三个正弦量为:
  e=60)V
  u=30)V
  i=5)A
  则它们的最大值相量图如图所示:
  (2)有效值相量表示法
  有效值相量表示法用正弦量的有效值做為相量的模(长度大小),仍用初相角做为相量的幅角
  例如:
  u=220)V
  i=0.41
  则它们的有效值相量图如图所示:
  由此可见,一个正弦量只要知道它的最大值和初相,就可以用一个旋转矢量表示,矢量以角速度沿逆时针方向旋转,其他的矢量就可以依次确定。
  那么,以上的三相正弦交流电压uA,uB,uC 也可以用如相量图表示:
  由此可见,用相量图表示三相正弦交流电,图形简单明了,却意喻丰富,就好像文学体裁中的诗歌,诗歌的语言简洁、跳跃,意象丰富,与相量图表征三相交流电很相似。
  总之,三相正弦交流電的三种表示法,可以分别对应于小说、散文、诗歌这三种文学体裁来进行理解和记忆,解析式法对应小说,波形图法对应散文,相量图法对应诗歌,如此联系教学,可以让学生展开丰富的联想,增强对所学知识的理解和记忆。
  (作者单位:广西扶绥县职业技术学校 532100)
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