资源简介

项目八 搭建电热毯调温电路
学习项目名称 搭建电热毯调温电路
情境应用 电热毯、电炉、电烙铁等
基础知识点 正弦交流电的基本物理量 正弦交流电的三要素 电流的热效应 纯电阻电路的电功和功率
认知技能点 单相电能表的认识与检测 带漏电保护的单相空气开关的认识与检测 单相插座的认识与检测 小型变压器的认识与检测
操作技能点 单相电能表的安装 单相空气开关的安装 调温电热毯电路的搭建 用万用表测量电路中的电压、电流和电阻
课程场地 《电工技术基础与技能》课程教室
设计课时 8
一、项目应用
当电流通过电阻时，电流做功而消耗电能，产生了热量，这种现象叫做电流的热效应。生活中的电烙铁、电炉、电热毯等都属于电阻性负载，如图8-1所示，它们的电阻在电路中起主要作用，这种电路称为纯电阻电路。纯电阻电路大都是利用电流点热效应，以发热为主要功能。
二、项目原理
由于各类发电机产生的一般都是交流电，而且与直流电相比，交流电在输送、分配、使用等方面都有优势。在现代工农业生产及日常生活中，除了必须使用直流电的特殊情况外，绝大多数是使用交流电，如家用电器、生产用机器设备等。交流电动势、交流电压和交流电流统称为交流电。交流电的大小和方向都是随时间作周期性变化的。凡是随时间按正弦规律变化的交流电称为正弦交流电。我们通常使用的市电就属于正弦交流电。
（一）认识正弦交流电
1、正弦交流电的三要素
1）最大值和有效值
（1）瞬时值
正弦交流电在某一时刻的值称为瞬时值，用e、u、i表示。
（2）最大值
正弦交流电的最大瞬时值称为最大值（也叫峰值或振幅），用Em、Um、Im表示。
（3）有效值
正弦交流电的大小通常用有效值表示，而不用瞬时值或最大值表示。有效值是根据电流的热效应来定义的：把一个交流电和一个直流电分别通过两个阻值相同的电阻，如在相等的时间内产生的热量相等，就把此时的直流电的数值称为该正弦交流电的有效值，用E、U、I表示。有效值与最大值之间的关系为：
，,
2）周期和频率
（1）周期
正弦交流电完成一次周期性变化所用的时间，称为正弦交流电的周期，用字母T表示，单位是s（秒），常用的单位还有ms（毫秒）、μs（微秒）等。
（2）频率
正弦交流电在1秒内完成周期性变化的次数，称为正弦交流电的频率，用字母f表示，单位是Hz（赫兹）。根据定义可知，周期和频率互为倒数，即
或
频率和周期都是反映正弦交流电变化快慢的物理量，周期越短（即频率越高），正弦交流电变化越快。我国工农业生产和生活用的正弦交流电周期是0.2s，频率是50Hz，电流方向每秒改变100次。
（3）角频率
交流电变化的快慢，除了用周期和频率表示外，还可以用角频率表示。正弦交流电变化一周可用2π弧度或360 来表示，交流电每秒所变化的弧度（电角度），称为交流电的角频率，用ω表示，单位是rad/s（弧度/秒）。由于交流电变化一周所需时间为周期T，则角频率与周期、频率的关系是：
3）相位和相位差
（1）相位与初相
正弦量在某一个时刻的电角度称为相位，用（）表示，它反映了正弦量变化的进程。在t=0时的相位叫做初相位，简称初相，用表示。初相可以为正，也可以为负，一般用弧度表示，也可以用角度表示，用角度表示时通常用不大于180 的角来表示。
（2）相位差
两个同频率正弦交流电的相位之差称为相位差，用表示，即
相位差是指两者初相之差，它不随时间的变化而变化。两个频率相同的交流电，如果它们的相位相同，即相位差为零，这两个交流电为同相的。它们的变化步调一致，总是同时到达零和正、负最大值；两个频率相同的正弦交流电，如果相位差为180 ，这两个交流电为反相，它们的变化步调正好相反，一个到达正的最大值，另一个恰好到达负的最大值，一个减小到零，另一个正好增大到零。
两个频率相同的交流电，但初相不同，如果，称为e1相位超前e2或e2相位滞后e1。
有效值（或最大值）、频率（或周期、角频率）、初相是表征正弦交流电的三个重要物理量。知道了这三个量，就可以写出交流电瞬时值的表达式，从而知道正弦交流电的变化规律，故称之为正弦交流电的三要素。
（二）正弦交流电的表示法
1、解析式表示法
解析式表示法就是用三角函数式来表示正弦交流电的方法，即写出其瞬时值表达式。它是表示正弦交流电的最基本的方法。正弦交流电电动势、电压、电流的解析式为
2、波形图表示法
正弦交流电还能用跟解析式相对应的波形图，即正弦曲线来表示，如图8-2所示。图中横坐标为时间t，纵坐标为随时间变化的电动势、电压或电流的瞬时值，在波形图中可以反映出其最大值、初相和周期。图8-2中电压的最大值为V，初相为0 ，周期为0.02s。
例8-1 已知一正弦交流电压的解析式为，求此电压的最大值Um、有效值U、频率f和周期T。
解：
（三）纯电阻电路
在交流电路中常用到照明白炽灯、电路、电热毯、电烙铁等电阻性负载，它们的电阻在电路中起主要作用，这种电路称为纯电阻电路。
1、纯电阻电路电压、电流的关系
在交流电路中，电压和电流的大小和方向是不断变化的，为分析方便起见，假定电压的初相位为0 ，则加在负载电阻两端的正弦交流电压为
由欧姆定律可得电路中电流的瞬时值为
在纯电阻电路中，由于通过电阻的电流和加在电阻两端的电压具有相同的频率和相位，且电流与电压的有效值、瞬时值都满足欧姆定律，即
2、纯电阻电路的功率和电能
在交流纯电阻电路中，电阻R上每一瞬间所消耗的功率p称为瞬时功率，其值等于瞬时电压u和瞬时电流i的乘积，瞬时功率在一个周期内的平均值，称为平均功率或有功功率P，即
P=UI
式中 P——有功功率，单位W或kW；
U、I——正弦电压、电流的有效值，单位分别为V和A。
此时，电阻电路中消耗的电能为
W=Pt=UIt
式中 W——电能，单位为J（P的单位为W，t的单位为s时）或kW·h（即1度电，P的单位为kW，t的单位为h时）。
例8-2 有一电炉测得其电阻丝的电阻为20Ω，将其接入电压有效值为220V的单相正弦交流电源上，电阻丝的电感忽略不计，求流过电阻丝的电流的有效值、电炉的有功功率和10分钟内电炉消耗的电能。
解：
三、项目认知
（一）变压器
变压器是根据电磁感应原理工作的电磁装置。电力系统中输电、配电和用电所需的各种电压，都是通过变压器进行变换后得到的。变压器除了可以变换电压之外，还可以变换电流、变换阻抗、改变相位。因此，变压器是输配电、电子线路和电工测量中十分重要的电气设备。小型变压器的外形、内部机构和符号如图8-3所示。
变压器主要由铁芯和线圈（也叫绕组）两部分构成，铁芯是变压器的磁路部分，为了减小涡流和磁滞损耗，铁芯是用磁导率较高且相互绝缘的硅钢片叠装而成；线圈是变压器的电路部分，是采用具有良好绝缘的漆包线、沙包线或丝包线绕成。与交流电源相连的线圈称为一次绕组，其匝数为N1，与负载（用电设备）相连的线圈称为二次绕组，其匝数为N2。
（二）单相电能表
电能表是用于计量电能的仪表，单相电能表是专门为家庭使用而设计的，主要用于记录电流通过用户电路时消耗了多少电能，以合理的支付电费。
目前，常用的电子式电能表是把交流功率转换成脉冲来进行计量，具有较好的线性度、功耗小、电压和频率相应速度好、测算精度高等优点。其外形和接线方法如图8-4所示。
（三）带漏电保护单相空气开关
空气开关，又叫空气断路器，是一种只要电路中电流超过额定电流就会自动断开的开关。空气开关是低压配电网络和电力拖动系统中非常重要的一种电器，它集控制和多种保护功能于一身。除能完成接通和分断电路外，还能对电路或电气设备发生的短路、严重过载、漏电、欠电压等进行保护，同时也可以用于不频繁地启动电动机。带漏电保护的单相空气开关如图8-5所示
（四）单相插座
一般家庭用插座均为单相插座。分单相二孔插座、单相三孔插座和单相二三孔插座。单相三孔插座比单相二孔插座多一个地线接口，即平时家用的三孔插座。单相二三孔插座是二孔插座和三孔插座结合在一起的插座，如图8-6所示。
（五）数字示波器
示波器是一种能将看不见的电信号变换成看得见的图像，便于研究电信号变化过程的电子测量仪器。常用的示波器分为模拟示波器和数字示波器两大类，由于数字示波器具有波形触发、存储、显示、测量、波形数据分析处理等独特优势，因此，目前普遍使用的示波器均为数字示波器。
四、项目实施
（一）项目概述
本项目的任务是先用单相电子式电能表、带漏电保护空气开关和单相插座连接一个供电电路，再用带插头的小型变压器、开关和电阻在面包板上搭接一个模拟电热毯调温电路，并进行电路参数的测试。电路原理图如图所示。
（二）电路元件布局
1、根据表8-1核对元器件清单
表8-1 元器件清单
序号 名称 规格 数量
1 单相电子式电能表 DDS2111 1个
2 带漏电保护单相空气开关 NBE7LE 1个
3 单相二三孔插座 86型 1个
4 小型变压器 12V 1只
5 两脚插头 10A 250V 1个
6 开关 LB16 3只
7 电阻 1kΩ 2只
8 护套线 BVVB 2*1mm2 2米
9 杜邦线 公头 若干条
10 面包板 SYB-120 1块
2、电路元件布局图
电路元件布局如图8-9所示。
（三）任务执行
在所给的参考时间内，按表8-2 项目任务执行表中的执行步骤，对照执行标准完成执行内容中的各项任务，任务完成后在执行结果中打√，如有疑问请立即咨询指导老师。
表8-2项目任务执行表
序号 执行步骤 执行内容 执行标准 参考时间 执行结果
1 核对元件清单并检测 核对电能表、空气开关、插座、变压器的铭牌 铭牌参数应与清单相符 5分钟
插头、开关的检查 判断质量好坏
电阻R1、R2的检查
2 供电电路布局与接线 安装电能表 根据图8-8（a）在网孔板上安装单相交流供电电路 20分钟
安装空气开关
安装插座
根据电路图正确接线
3 电热毯调温电路搭建 将开关K1插入面包板 根据图8-9搭建完成电热毯调温电路 15分钟
将电阻R1插入面包板
将电阻R2插入面包板
将开关K2插入面包板
将变压器副边插入面包板
4 电路参数的测试与计算 将变压器原边接上插头后插入插座，合上空气开关 用数字示波器测试变压器副边，观察交流电波形，记录电压有效值为U= V。 15分钟
合上开关K1 测量电路中电流I= A，计算此时电路功率P= W.
合上开关K2 测量电路中电流I= A，计算此时电路功率P= W。
总计：55分钟
五、项目评价
根据表8-3完成任务检测。
表8-3 任务检测标准
序号 检测内容 执行标准 自评 教师评
1 元件参数测试 1.元件参数测试完全正确 -A
2.部分参数测试正确 -B
3.不会参数测试 -C
2 电路参数测量与计算 1.电路参数测量与计算正确 -A
2.部分电路参数测量与计算正确 -B
3.不会电路参数测试与计算 -C
3 安全文明 1.工具摆放整齐，仪表使用规范，无安全事故 -A
2.工具不齐，但无安全事故 -B
3.出现安全事故或损坏仪表 -C
六、项目拓展
（一）纯电感电路
交流电流过电感线圈时，由于交流电的电流时刻都在变化，电感线圈中就会产生感应电动势，阻碍电流的变化。电感线圈对交流电的阻碍作用叫做感抗，用符号表示，单位是Ω。
由实验可知，电感线圈的感抗与它的自感系数及交流电的频率有关，自感系数L越大，自感作用越大，感抗也就越大；交流电的频率越高。电流的变化率越大，自感作用也越大，感抗也就越大。它们之间的数学关系为
由上式可知，在自感系数一定的情况下，电感线圈的感抗与流过线圈的电流的频率成正比。所以电感线圈在电路中有“通直流、阻交流”或“通低频、阻高频的特性。
（二）纯电容电路
交流电流过电容器时，同样由于交流电的电流时刻在变化，电容器会进行充放电，会阻碍电流的变化。电容器对交流电的阻碍作用叫做容抗，用符号表示，单位也是Ω。
由实验可知，电容器的容抗与它的电容及交流电的频率有关，电容越大，相同电压下容纳的电荷越多，充放电电流就越大，容抗越小；交流电的频率越高，充放电的速度就越快，充放电电流也越大，容抗就越小。它们之间的数学关系为
同样，在电容相同时，容抗与电流的频率成反比，所以电容器在电路中有“通交流、隔直流”或“通高频、阻低频”的特性。
七、项目练习
一、填空题
1.正弦交流电的三要素是： 、 、 。
2.变压器是根据 原理工作的电磁装置。
3.电能表是用于 的仪表。
4.空气开关，又叫 ，是一种只要电路中电流超过额定电流就会自动断开的开关。
二、判断题
（ ）1.按正弦规律变化的电量称为正弦交流电。
（ ）2.两个同频率的正弦交流电在任何时候其相位差保持不变。
（ ）3.在正弦交流电路中，电阻上的电压最大时，电流也最大。
（ ）4.电阻上每一瞬间所消耗的功率称为有功功率。

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