电工技术基础与技能（第2版） 课件 项目八 认识瞬态过程

电工技术基础与技能（第2版）项目八认识瞬态过程电动机启动，其转速由零逐渐上升，最终达到额定转速；高速行驶汽车的刹车过程是由高速到低速或高速到停止等。它们的状态都是由一种稳定状态转换到另一种新的稳定状态，这个过程的变化都是逐渐的、连续的，而不是突然的、间断的，并且是在一个瞬间完成的，这一过程就是本项目要研究的瞬态过程。任务一认识瞬态过程任务二RC串联电路的瞬态过程分析项目评价项目小结思考与练习任务一认识非正弦周期信号电工技术基础与技能（第2版）

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///任务分析日光灯接通的瞬间，以及电容并联在电路中起电压保护作用的工作过程中，都存在一个瞬态变化的过程。这个瞬间发生的过程就是本任务要学习的瞬态过程。一、瞬态过程相关知识1．稳定状态稳定状态是指电路中的电压、电流已经达到某一稳定值，即电压和电流为恒定不变的直流或最大值与频率固定的正弦交流电。电工技术基础与技能（第2版）

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///2．瞬态过程瞬态过程又称过渡过程，是指电路从一种稳定状态向另一种稳定状态的转变过程。如图8-1所示的RC串联直流电路，当开关S闭合时，电源E通过电阻R，对电容C进行充电。电容两端的电压由零开始上升，达到电源E的电压后，只要电路的状态不变，电容两端的电压就保持不变，电容的充电过程就是一个瞬态过程。3．瞬态过程产生的原因1）纯电阻电路纯电阻电路如图8-2所示，纯电阻电路的电流波形如图8-3所示。图8-2纯电阻电路图8-3纯电阻电路的电流波形电工技术基础与技能（第2版）

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///2）电容电路电容电路如图8-4所示，电容电路的换路电压波形如图8-5所示。图8-4电容电路图8-5电容电路的换路电压波形闭合开关S前，iC

=

0，uC

=

0；闭合开关S后，由电容电路的换路电压波形可以看出，uC由零逐渐增加到U，所以电容电路存在瞬态过程。电工技术基础与技能（第2版）

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///3）电感电路电感电路如图8-6所示，电感电路的换路电流波形如图8-7所示。图8-6电感电路图8-7电感电路的换路电流波形闭合开关S前，iL

=

0；闭合开关S后，由电感电路的换路电流波形可以看出，iL由零逐渐增加到U/R，所以电感电路存在瞬态过程。产生瞬态过程的原因可以总结如下：（1）电路中必须含有储能元件（内因）；（2）电路状态的改变或电路参数的变化（外因）。电工技术基础与技能（第2版）

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///1．换路的定义由于电路工作条件发生变化，例如，电源的接通或切断，使得电路连接方法或参数的突然变化称为换路。2．换路定律在学习换路定律之前，先设定几个符号及其所表示的含义：①

t

=

0表示换路时刻；②

t

=

0－表示换路前的终了时刻（瞬间）；③

t

=

0+表示换路后的初始时刻（瞬间）。1）电感元件由于电感所储存的磁场能量在换路的瞬间保持不变，即换路前终了时刻的电流与换路后初始时刻的电流相等，表示为iL(0+)

=

iL(0－)二、非正弦周期信号的谐波分析电工技术基础与技能（第2版）

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///2）电容元件由于电容所储存的电场能量在换路的瞬间保持不变，即换路前终了时刻的电压与换路后初始时刻的电压相等，表示为uC(0+)

=

uC(0－)所以，从t

=

0－到t

=

0+

瞬间，电感元件中的电流和电容元件上的电压不能突变，这就称为换路定律。规定：只含有一个储能元件的电路称为一阶电路；把t

=

0+时刻的电路电压值、电路电流值称为初始值。电路瞬态过程初始值的计算，按下面步骤进行：（1）求出t

=

0－时的电容电压uC(0－)和电感电流iL(0－)的值；（2）求出t

=

0+时的电容电压uC(0+)和电感电流iL(0+)的值；三、换路定律的应用电工技术基础与技能（第2版）

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///（3）画出t

=

0+时的等效电路，把uC(0+)等效为电压源，把iL(0+)等效为电流源；（4）求电路其他电压和电流在t

=

0+时的数值。【例8-1】如图8-8所示的电路中，已知R1

=

2Ω，R2

=

6Ω，US

=

10V，开关S闭合前电路已达到稳定状态，求换路后瞬间各元件上的电压和电流。图8-8例8-1图（a）电路图（b）t

=

0－时的等效电路（c）t

=

0+时的等效电路电工技术基础与技能（第2版）

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///【例8-2】在图8-9中，直流电压源的电压US

=

50V，R1

=

5Ω，R2

=

5Ω，R3

=

20Ω，电路已达到稳态，在t

=

0时，断开开关S，试求0+时的iL、UC、UR、iC、UL。（a）电路图（b）t＝0+时的等效电路图8-9例8-2图任务二RC串联电路的瞬态过程分析电工技术基础与技能（第2版）

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///任务分析在RC串联电路的换路过程中，电容的电压和电流是怎样变化的？本任务主要对RC串联电路的瞬态过程进行分析。相关知识分析和研究RC串联电路的瞬态过程，主要有充电和放电两个过程。通过分析这两种情况的瞬态过程，可以了解RC串联电路充电、放电时RC元件的电压和电流变化的规律和特点。一、RC电路的充电过程RC电路的充电电路如图8-10所示。电工技术基础与技能（第2版）

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///图8-10

RC充电电路初始时，开关K在2端，并且电容本身不带电荷，储能为零，即

。当开关K由2扳到1时，电路的状态发生了变化，US（直流电源）与电容C和电阻R组成串联电路，根据换路定理可知，t

=

0+时电容器两端的电压不能突变，则，此时电路中的电流为电阻两端的电压为经过一段时间（这个时间由电阻R和电容C的值决定，称为RC电路的充电时间；充电时间与放电时间一致，用τ表示，又称时间常数，大小为τ

=

RC，单位为s，它决定了RC电路充电、放电时间的快慢）后，电容器充满电荷，电路就进入了一个新的稳态。电工技术基础与技能（第2版）

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///二、RC电路的放电过程RC电路的放电过程是在充电结束后进行的，RC放电电路如图8-11所示。开关K由图8-10中的1扳到2后，电容与电阻就构成了一个闭合的回路；由于电容已经充满电荷（即储存的能量），所以电容将通过电阻释放电荷，直到电荷全部释放完毕，这一过程就是电容的放电过程。在电容释放电荷也就是换路过程中，电路中的电压及电流变化过程如下：换路前电容储存一定的电荷，即电容的电压为根据换路定律可得到放电的初始状态，即图8-11RC放电电路电工技术基础与技能（第2版）

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///当换路完毕后，电容的电压和放电电流又都为零，进入另一个稳态。在RC放电过程中，电路的电压与电流都按指数规律变化，其数学表达式为RC放电过程中电压与电流随时间变化的曲线如图8-12所示。图8-12RC放电过程中电压与电流随时间变化的曲线电工技术基础与技能（第2版）

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///具体步骤如下：（1）按图8-10连接电路，并且选取R

=

10kΩ，C

=

100μF，调节直流稳压源US输出8V。（2）将示波器X轴的时标旋钮调至0.2s/DIV并能看到示波器上的光点扫描；将输入耦合开关置于“DC”；将A、B接入Y1或Y2通道，Y轴灵敏度旋钮调至2V/DIV。（3）接通开关“1”，能够观察到电源向电容C充电的波形。（4）将观察到的RC充电过程中电压与电流变化规律曲线描绘出来，如图8-13所示。技能训练图8-13

RC充电过程中电压与电流变化规律曲线电工技术基础与技能（第2版）

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///项目评价标准见表8-1。项目评价表8-1项目评价标准项目评价分值评分细则评分备注搭建RC电路30（1）不能完整搭建RC电路的扣10分；（2）元件参数选择错误一个扣2分

示波器的使用30（1）不按步骤进行操作，扣5分；（2）检测出的波形错误，扣15分；（3）检测过程中损坏元件，扣10分

实训记录20（1）不按步骤进行记录，每次扣l0分；（2）不能画出电压和电流变化规律波形的扣10分

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///项目评价分值评分细则评分备注实训后整理10（1）实训结束应及时整理实训器材，清洁实训岗位和场所；（2）认真完成实训报告，一项不符合要求扣5分

安全文明操作10（1）工作台上工具排放整齐，严格遵守安全操作规程，符合“7S”管理要求；（2）能保证工作场所器材与人身安全，会应用防护基本技能；（3）违反安全操作，工作台上脏乱，不符合“7S”管理要求，扣3～10分

合计100

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///1．瞬态过程又称过渡过程，是指电路从一种稳定状态向另一种稳定状态的转变过程。2．产生瞬态过程的条件主要包括两个方面：电路中必须含有储能元件（内因）；电路状态的改变或电路参数的变化（外因）。3．由于电路工作条件发生变化，使得电路连接方法或参数突然变化称为换路。4．换路前和换路后的瞬间，电感元件中的电流和电容元件上的电压不能突变称为换路定律。5．RC电路的充电、放电时间由组成电路的电阻R和电容C的值决定，大小为τ=RC，单位为秒，τ又称时间常数，它决定了RC电路充电、放电时间的快慢。项目小结电工技术基础与技能（第2版）

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///一、填空题1．产生瞬态过程有两大原因，即外因和内因，外因是__________________________，内因是______________________________。2．从t

=

0－到t

=

0+的瞬间，电容元件上的___________和电感元件中的____________不能突变，称为换路定律。3．在瞬态过程中，τ称为_____________，它的单位是________________。在RC电路中τ

=_________。思考与练习二、判断题1．瞬态过程就是从一种稳定状态转变到另一种稳定状态的中间过程。 （）2．含储能元件的电路从一个稳态转变到另一个稳态需要时间，这是因为能量不能突变。（）3．电路瞬态过程的出现是因为换路引起的，所以，无论什么电路，只要出现换路就会产生瞬态过程。 （）电工技术基础与技能（第2版）

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///4．某电容在换路瞬间uC(0+)=uC(0－)，但iC(0+)≠iC(0－)。

（）5．时间常数τ越大，瞬态过程越长。

（）三、选择题1．常见的储能元件有（）。A．电阻和电容 B．电容和电感C．电阻和电感 D．二极管和三极管2．关于换路，下列说法正确的是（）。A．电容元件上的电流不能跃变B．电感元件上的电流不能跃变C．电容元件上的电压能跃变D．电感元件上的电流能跃变3．关于RC电路充电、放电规律正确的说法是（）。电工技术基础与技能（第2版）

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///A．充电时，iC、uR、uC按指数规律上升