电工技术与MATLAB/Simulink数字化应用

电工学是高职、高专和本科院校工科非电类专业的一门基础课程。它具有较深的理论性和较强的实践性。常见的教学方法是课上讲授电工基本理论、课下辅之以电工实验。但是由于理论计算和技术设计的复杂性,导致学生们课上面对深奥的理论知识、课下面对传统的电工实验箱,既畏惧又无奈进而产生厌学情绪。如何让学生们“进教室、抬起头、动起手”,这是近年来我们进行有关专业课程和数字化深度融合教学探索与实践直面要解决的核心问题。为了便于非电类专业学生掌握电工理论和技术,我们采用电工理论和技术与数字化计算、设计与仿真深度融合的教学改革方法。在众多的有关电气工程EDA 数字化设计软件中,我们选择MathWork公司的软件MATLAB作为本课程数字化计算、设计与仿真的教学工具软件。原因就是,在国内的各类工科高职、高专和本科院校中,MATLAB是很多专业教师和本专科大学生们在数字化计算、数字化设计、数字化仿真、专业课程设计和毕业设计中的专业工具软件。MATLAB无疑是学生们学习电工理论和技术不可或缺的辅助学习工具,同时也可以实现与后续其他专业课程学习的完美衔接。将电工理论和技术与数字化计算、设计与仿真深度融合,一方面电工理论采用MATLAB完成必要的数字计算,另一方面实际电路采用Simulink/Simscape电工模块进行设计和仿真,实现直观的图形演示讲解,达到“所见即所得”的教学效果。这不仅能大大地降低学生们的学习难度,而且能极大地激发学生们的学习兴趣,解决目前亟待解决的“进教室、抬起头、动起手”教学难题,同时也可解决电工实验的实验时间受限和实验空间有限的普遍问题。MATLAB是目前科学与工程技术领域中应用和影响广泛的三大计算机数学语言之一(其他两种是Mathematica和Maple)。从某种意义上讲,在纯数学以外的科学技术领域中,MATLAB有着其他两种数学语言无法媲美的极其广泛的适用范围优势。特别是应用MATLAB/Simulink/Simscape可实现电路模块化“搭积木”式设计,其元件库提供了搭建各种复杂电气工程电路所需的物理模型。电路仿真界面的交互式参数设置简单方便,可完成各种数字化电路的计算、设计与仿真,并且可以实时地把电路仿真波形展示出来,同时各种清晰的电路设计图形更有助于学生们对电工理论和技术的深入理解和掌握。本教材既包含传统电工学课程的基本内容,又包含基于MATLAB/Simulink/Simscape的理论计算、技术设计与仿真案例。在教材的编写过程中,借鉴了大量的国内外优秀教材与文献资料。在此,向上述教材和资料的原作者表示衷心的敬意和感谢!本教材由浙江师范大学行知学院蒋永华、陆爽，长春工业大学人文信息学院于晓慧共同编著，此外浙江师范大学行知学院郑丽娟、唐超、赵逸斋也参加了资料整理和修订工作。衷心感谢华东理工大学出版社对我们的鼓励、支持和真诚的帮助。由于编者水平有限,教材中的缺点和疏漏之处在所难免,恳请专家、同行批评指正。

本书为解决电工学教学中理论与实践深度融合而编写,其特色是借助数字化计算仿真软件,将理论知识与实践案例有机结合,既包括电工学理论基本内容,每一个理论知识点又包含MATLAB/Simulink仿真案例,使得学生们在学习电工学理论的同时可以用仿真来设计和验证结果,更易于掌握和应用电工学知识,具有计算简便化、仿真实验实时化、电工理论可视化的特点。本书包括直流电路分析、电路的暂态分析、正弦交流电路分析、供电与配电基础、磁路与变压器、电动机六章,在培养应用型工程技术人才方面有较强的实用性,可供应用型本科和高职高专院校的非电类工科专业师生使用。

1 直流电路分析

1.1 电路及电路模型

1.2 电路的基本物理量

1.2.1 电流及参考方向

1.2.2 电压及参考方向

1.2.3 电能与电功率

1.3 基尔霍夫定律

1.3.1 基尔霍夫电流定律(KCL)

1.3.2 基尔霍夫电压定律(KVL)

1.4 欧姆定律

1.5 电阻的串联与并联

1.5.1 等效概念

1.5.2 电阻的串联

1.5.3 电阻的并联

1.6 电源

1.6.1 独立电源

1.6.2 电源的等效变换

1.7 支路电流分析法

1.8 叠加定理

1.9 等效电源定理

1.9.1 戴维南定理

1.9.2 诺顿定理

1.10 含受控源电路

习题一

2 电路的暂态分析

2.1 电容元件

2.2 电感元件

2.3 动态电路换路定则及初始条件的求取

2.3.1 换路定则

2.3.2 初始条件的求取

2.4 零输入响应

2.4.1 RC电路的零输入响应

2.4.2 RL电路的零输入响应

2.5 零状态响应

2.5.1 RC电路的零状态响应

2.5.2 RL电路的零状态响应

2.6 电路的接近响应

2.6.1 RC电路的接近响应

2.6.2 RL电路的接近响应

2.6.3 三要素法

2.7 微分电路与积分电路

2.7.1 微分电路

2.7.2 积分电路

2.7.3 微分电路和积分电路小结

习题二

3 正弦交流电路分析

3.1 正弦电压与电流

3.1.1 正弦量的三要素

3.1.2 有效值与相位差

3.2 正弦量的相量表示

3.2.1 正弦量相量表示法

3.2.2 基尔霍夫定律的相量表示

3.3 单一参数的交流电路

3.3.1 电阻电路

3.3.2 电感电路

3.3.3 电容电路

3.4 正弦电路中的RLC串联电路

3.5 正弦稳态交流电路分析

3.5.1 阻抗的串联

3.5.2 阻抗的并联

3.5.3 正弦稳态电路分析

3.6 正弦电路的功率

3.6.1 瞬时功率

3.6.2 有功功率

3.6.3 无功功率

3.6.4 视在功率

3.6.5 功率因数的概念

3.7 串联谐振与并联谐振

3.7.1 串联谐振

3.7.2 并联谐振

3.7.3 滤波电路

习题三

4 供电与配电基础

4.1 供电与配电

4.1.1 电力系统

4.1.2 供配电系统

4.1.3 电力系统的额定电压

4.1.4 供电质量

4.2 三相电源

4.2.1 对称三相电源

4.2.2 三相电源的连接

4.3 三相电路中负载的连接

4.3.1 负载星形连接的三相电路

4.3.2 负载三角形连接的三相电路

4.4 三相电路的功率

4.5 安全用电常识

习题四

5 磁路与变压器

5.1 磁路的基本概念

5.1.1 磁场的基本物理量

5.1.2 磁场的基本定律

5.1.3 铁磁性材料的基本性能

5.2 交流铁芯线圈磁路

5.2.1 电磁关系

5.2.2 功率损耗

5.2.3 交流铁芯线圈的等效电路

5.3 电磁铁

5.4 变压器

5.4.1 变压器的基本结构

5.4.2 变压器的工作原理

5.4.3 变压器的工作特性

5.4.4 特殊变压器

习题五

6 电动机

6.1 三相异步电动机的结构与工作原理

6.1.1 三相异步电动机的结构和组成

6.1.2 三相异步电动机的工作原理

6.1.3 三相异步电动机的铭牌及额定值

6.2 三相异步电动机的电磁转矩与机械特性

6.2.1 三相异步电动机的电路分析

6.2.2 三相异步电动机的电磁转矩

6.2.3 三相异步电动机的机械特性

6.3 三相异步电动机的运行特性

6.3.1 三相异步电动机启动

6.3.2 三相异步电动机调速

6.3.3 三相异步电动机制动

6.4 直流电动机

6.4.1 直流电动机的基本工作原理与结构

6.4.2 直流电动机励磁方式

6.4.3 直流电动机的启动和调速

习题六

参考文献