电机与电气控制教案.docx
《电机与电气控制教案.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《电机与电气控制教案.docx（90页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
电机与电气控制教案
江苏广播电视大学五年制高职《电机与电气控制》课程教学要求
机电一体化专业（第八学期）用
一、课程说明
1、选用教材
《电机与电气控制》周元一主编,机械工业出版社2006年9月第一版。
（书号ISBN7-111-19793-3）
2、课程教学目标与原则
本课程教学目标：
根据高职教育的特点和要求，通过本课程的学习，使学生掌握工厂常用电气控制设备的运行原理和特性，一般应用与设计的基本原则。
能阅读和分析常用机械电气图，并具有动手安装、调试、运行、维护常用简单电气控制电路的能力。
本课程教学原则：
在原理教学中以定性分析为主，够用为度。
突出实用性，加强直观性。
利用挂图、实验仪器、多媒体教学和实物现场教学等手段提高教学效果，为后面的实践课教学打好基础。
二、课时分配
序号
课题
学时数
总课时
理论课
习题课
1
第1章直流电机
10
4
2
第2章变压器
8
2
3
第3章交流电动机
14
4
4
第4章常用控制电机
8
5
第5章常用低压电器
10
6
第6章电动机的基本电气控制线路
24
4
7
第7章常用生产机械的电气控制
14
8
第8章电气控制电路设计
选学
9
第9章实验与实训
6
10
总计
108
88
20
三、各章节内容和教学要求
第1章直流电机
教学内容：
直流电机的基本结构和工作原理；直流电机的励磁方式和铭牌；直流电机的的基本平衡方程式和机械特性；直流电机的启动和反转；直流电机的调速；直流电机的制动等。
基本要求：
1、掌握直流电机基本结构和工作原理。
2、了解直流电机的励磁方式和铭牌内容。
3、掌握直流电动机的机械特性。
4、掌握直流电动机启动、调速、制动的方法、优缺点和应用场合。
第2章变压器
教学内容：
变压器的基本结构和分类；单相和三相变压器的工作原理；变压器的工作特性；其他常用变压器的原理和特点。
基本要求：
1、了解变压器的基本结构和分类。
2、掌握单相和三相变压器的工作原理。
3、理解变压器的工作特性。
4、了解其他常用变压器的原理和特点。
第3章交流电动机
教学内容：
三相异步电动机的结构和工作原理；三相异步电动机的运行特性；三相异步电动机的启动、调速、反转和制动；单相异步电动机的特点；电力拖动系统运动状态分析；同步电动机的工作原理、特点及应用。
基本要求：
1、了解三相异步电动机的结构和交流磁场的产生。
2、掌握三相异步电动机的工作原理。
3、掌握三相异步电动机的运行特性；三相异步电动机的启动、调速、反转和制动方法。
4、了解单相异步电机、同步电动机的工作原理、特点及应用。
5、了解电力拖动系统运动状态分析方法。
（选学）
6、三相异步电动机的选择、使用和维护。
第4章常用控制电机
教学内容：
直流伺服电动机；交流伺服电动机；直流测速发电机；交流测速发电机；步进电机。
基本要求：
1、了解常用控制电机的基本结构。
2、掌握各种控制电机的基本工作原理、主要运行特征、应用场合。
第5章常用低压电器
教学内容：
常用低压电器中的控制电器和保护电器的基本知识；构造和工作原理；主要技术参数。
基本要求：
1、了解常用低压电器中的控制电器和保护电器的种类。
2、熟悉常用低压电器中的控制电器和保护电器的构造和符号。
3、熟悉常用低压电器中的控制电器和保护电器的工作原理和选择方法。
第6章电动机的基本电气控制电路
教学内容：
电气图的阅读；三相异步电机的继电器-接触器控制常用基本电路和控制原理（启动、制动、反转、调速）；三相异步电动机变极调速控制电路（选学）；直流电动机电气控制电路（选学）。
基本要求：
1、掌握简单电气原理图、位置图、接线图的图形和文字符号，掌握电气控制图、接线图的特点。
2、理解三相异步电动机点动、正转（单向）、正反转（双向）、降压起动、调速、制动、位置、顺序和时间控制等基本控制线路。
3、掌握以上控制电路的构成、动作流程和必要的保护措施。
4、进一步熟悉基本电器在控制线路中的作用。
第7章常用生产机械的电气控制
教学内容：
卧式车床的电气控制线路及常见故障分析；摇臂钻床的电气控制线路及常见故障分析；铣床的电气控制线路及常见故障分析；平面磨床、镗床、交流桥式起重机的电气控制（选学）。
基本要求：
1、了解常用生产机械的工作原理及机械、电气配合的意义。
2、掌握常用生产机械电气控制的特点
3、学会阅读、分析常用生产机械电气原理图。
4、了解常用生产机械故障排除的方法。
第8章电气控制电路设计
（选学）
第9章实验与实训
教学内容：
1、9．2．2三相笼型异步电动机的简单测试与接线
2、9．2．3三相笼型异步电动机单方向起动、停止及点动控制
3、9．2．4三相笼型异步电动机的可逆旋转控制
4、9．2．5三相笼型异步电动机Y-△减压起动控制
5、9．2．6三相笼型异步电动机反接制动控制
6、9．2．11X62W铣床的运行控制与故障分析
基本要求：
可任选以上至少两个实验课题进行实训，其它实验可在学习相关内容时以演示、现场教学等形式进行学习。
四、本课程与其他课程的关系
本课程的先修课程为数学、物理、电工基础等课程，后续课程为机电一体化概论、PLC应用技术等。
五、考核方法及考核要求
本课程为期末全省统考，统考形式为书面闭卷。
江苏省邗江职业技术教育中心
教案
教师姓名
徐正来
授课班级
04机电五2
授课形式
新授
授课日期
08年月日第周
授课时数
2
授课章节
名称
第一章直流电机
§1．1结构和工作原理
掌握直流电机的结构及各部分的作用。
掌握直流电机的工作原理
教学重点
直流电机的结构
教学难点
直流电机的工作原理
更新、补充、
删节内容
无
使用教具
实物
课外作业
P18-1、2、3、4
课后体会
1．1．1直流电机的结构
我们讨论电机及其它电器的结构，目的在于了解它们各主要部件的名称、作用、相互组装及动作关系。
以利正确选用和使用。
电机的结构是由以下几方面的要求来确定的。
首先是电磁方面的要求:
使电机产生足够的磁场，感应出一定的电动势，通过一定的电流，产生一定的电磁转矩，要有一定的绝缘强度。
其次是机械方面的要求：
电机能传递一定的转矩，保持机械上的坚固稳定。
此外，还要满足冷却的要求，温升不能过高；还要考虑便于检修，运行可靠等。
从电机的基本工作原理知道，电机的磁极和电枢之间必须有相对运动，因此，任何电机都有固定不动的定子和旋转的转子两部分组成，在这两部分之间的间隙叫空气隙。
下面介绍直流电机的结构。
下图是直流电机结构图。
一、定子
定子的作用是产生磁场和作为电机机械支撑。
它由主磁极、换向磁极、
电刷、机座、端盖和轴承等组成。
（一）主磁极
主磁极的作用是产生主磁通φ，主磁极铁心包括极心和极掌两部分。
极心上套有励磁绕组，各主磁极上的绕组一般都是串联的。
直流电机的磁极如图所示。
极掌的作用是使空气隙中磁感应强度分布最为合适。
改变励磁电流If的方向，就可改变主磁极极性，也就改变了磁场方向。
（二）换向磁极
在两个相邻的主磁极之间中性面内有一个小磁极，这就是换向磁极。
它的构造与主磁极相似，它的励磁绕组与主磁极的励磁绕组相串联。
换向磁极的作用是产生附加磁场，改善电机的换向，减小电刷与换向器之间的火花，不致使换向器烧坏。
主磁极中性面内的磁感应强度本应为零值，但是，由于电枢电流通过电枢绕组时所产生的电枢磁场，使主磁极中性面的磁感应强度不能为零值。
于是使转到中性面内进行电流换向的绕组产生感应电动势，使得电刷与换向器之间产生较大的火花。
用换向磁极的附加磁场来抵消电枢磁场，使主磁极中性面内的磁感应强度接近于零，这样就改善了电枢绕组的电流换向条件，减小了电刷与换向器之间的火花。
（三）电刷装置
电刷装置主要由用碳一石墨制成导电块的电刷、加压弹簧和刷盒等组成。
固定在机座上（小容量电机装在端盖上）不动的电刷，借助于加压弹簧的压力和旋转的换向器保持滑动接触，使电枢绕组与外电路接通。
电刷数一般等于主磁极数，各同极性的电刷经软线汇在一起，再引到接线盒内的接线板上，作为电枢绕组的引出端。
（四）机座
机座用铸钢或铸铁制成。
用来固定主磁极、换向磁极和端盖等，它是电机磁路的一部分。
机座上的接线盒有励磁绕组和电枢绕组的接线端，用来对外接线。
（五）端盖
端盖由铸铁制成，用螺钉固定在底座的两端，盖内有轴承用以支撑旋转的电枢。
二、转子
转子又称电枢，是电机的旋转部分。
它由电枢铁心、绕组、换向器等组成。
如右图所示。
（一）电枢铁心
电枢铁心由硅钢片冲制迭压而成，在外圆上有分布均匀的槽用来嵌放绕组。
铁心也作为电机磁路的一部分。
（二）绕组
绕组是产生感应电动势或电磁转矩，实现能量转换的主要部件。
它是由许多绕组元件构成，按一定规则嵌放在铁心槽内和换向片相连，使各组线圈的电动势相加。
绕组端部用镀锌钢丝箍住，防止绕组因离心力而发生径向位移。
（三）换向器
换向器由许多铜制换向片组成，外形呈圆柱形，片与片之间用云母绝缘。
1．1．2直流电机工作原理
任何电机的工作原理都是建立在电磁感应和电磁力这个基础上的。
为了讨论直流电机的工作原理，我们把复杂的直流电机结构简化为工作原理图。
一、直流发电机的工作原理
在电工课程中，我们已经知道在磁场中运动的导体内，将产生感应电动势——电磁感应定律。
发电机就是应用这个定律工作的。
上图所示的是一台两磁极直流发电机的工作原理图。
图中N和S是一对静止的磁极，用以产生磁场，其磁感应强度沿圆周为正弦分布。
容量较小的发电机是用永久磁铁做磁极的。
容量较大的发电机的磁场是由直流电流通过绕在磁极铁心上的绕组产生的。
用来形成N极和S极的绕组称为励磁绕组，励磁绕组中的电流称为励磁电流If 。
在N极和S极之间，有一个能绕轴旋转的圆柱形铁心，其上紧绕着一个线圈称为电枢绕组（图中只画出一匝线圈），电枢绕组中的电流称为电枢电流Ia。
电枢绕组两端分别接在两个相互绝缘而和绕组同轴旋转的半圆形铜片——换向片上，组成一个换向器。
换向器上压着固定不动的炭质电刷。
铁心、电枢绕组和换向器所组成的旋转部分称为电枢。
当电枢被原动机以恒速驱动，按逆时针方向转动时，用右手定则可以判定，线圈ab和cd边切割磁力线产生的感应电动势的方向，则在负载与线圈构成的回路中产生电流Ia，其方向与电动势方向相同。
电流由电刷Ａ流出，由电刷Ｂ流回。
当电枢转到上图b所示位置时，ab边转到了S极下，cd边转到了N极下。
这时线圈中感应电动势的方向发生了改变，但由于换向器随同一起旋转，使得电刷A总是接触N极下的导线，而电刷B总是接触S极下的导线，故电流仍由A流出B流回，方向不变。
虽然有换向器的作用，将线圈内的交变电动势在两电刷间变换为方向不变的电动势，但它的大小仍然是脉动的。
欲获得在方向和量值上均为恒定的电动势，则应把电枢铁心上的槽数和线圈匝数增多，同时换向器上的换向片数也要相应地增加。
直流发电机的电动势，因割切磁力线而产生，故两电刷间电动势E的大小，与发电机电枢的转速n和磁极磁通φ的乘积成正比，即
E＝CEφn
式中，CE为电机常数，与电机的构造有关；φ的单位是Wb；n的单位是r/min；E的单位的是V。
在这种情况下，直流电机便是一个直流电源，向负载输出直流电功率。
与此同时，电枢电流Ia与磁场相互作用而产生的电磁力形成了电磁转矩T。
T＝CTφIa
式中，CT是与电动机结构有关的常数；φ的单位是Wb；Ia的单位是A;T的单位是N.m。
用左手定则可以判定，电磁转矩T的方向与电枢旋转方向相反。
因此，在电枢等速旋转时，原动机的驱动转矩T1必须与发电机的电磁转矩T和空载损耗转矩T0相平衡（T0是发电机轴上的转矩），即T1=T+T0
当发电机的负载（即电枢电流）增加时，电磁转矩和输出功率也随之增加，这时原动机的驱动转矩所供给的机械功率亦必须相应增加，以保持转矩之间和功率之间的平衡，使转速基本上不变。
可见，发电机向负载输出电功率的同时，原动机却向发电机输出机械功率，发电机起着将机械能转换为电能的作用。
二、直流电动机的工作原理
在电工课程中，我们已经知道通电导体在磁场中会受到电磁力的作用--电磁力定律。
电动机就是应用这个定律工作的。
下图是直流电动机的原理图。
其组成与直流发电机基本相同。
电枢绕组通过电刷接到直流电源上，绕组的旋转轴与机械负载相联。
电流从电刷A流入电枢绕组，从电刷B流出。
电枢电流Ia与磁场相互作用产生电磁力F，其方向可用左手定则判定。
这一对电磁力所形成的电磁转矩T，使电动机电枢逆时针方向旋转。
如上图a所示。
当电枢转到上图b所示位置时，由于换向器的作用，电源电流Ia仍由电刷A流入绕组，由电刷B流出。
电磁力和电磁转矩的方向仍然使电动机电枢逆时针方向旋转。
电枢转动时，割切磁力线而产生感应电动势，这个电动势（用右手定则判定）的方向与电枢电流Ia和外加电压U的方向总是相反的，称为反电动势Ea。
它与发电机的电动势E的作用不同。
发电机的电动势是电源电动势，在外电路产生电流。
而Ea是反电动势，电源只有克服这个反电动势才能向电动机输入电流。
可见，电动机向负载输出机械功率的同时，电源却向电动机输入电功率，电动机起着将电能转换为机械能的作用。
发电机和电动机两者的电磁转矩T的作用是不同的。
发电机的电磁转矩是阻转矩，它与原动机的驱动转矩T1的方向是相反的。
电动机的电磁转矩是驱动转矩，它使电枢转动。
电动机的电磁转矩T必须与机械负载转矩T2及空载损耗转矩T0相平衡，即T＝T2十T0。
当电动机轴上的机械负载发生变化时，则电动机的转速、反电动势、电流及电磁转矩将自动进行调整，以适应负载的变化，保持新的平衡。
可见，直流电机作发电机运行和作电动机运行时，虽然都产生电动势和电磁转矩，但两者作用截然相反。
复习回顾、布置作业P18-1、2、3、4
江苏省邗江职业技术教育中心
教案
教师姓名
徐正来
授课班级
04机电五2
授课形式
新授
授课日期
08年月日第周
授课时数
2
授课章节
名称
第一章直流电机
§1．2直流电机的励磁方式和铭牌
§1．3直流电动机的基本平衡方程式和机械特性
了解直流电机的励磁方式和铭牌
掌握直流电机的基本平衡方程式
教学重点
励磁方式和铭牌中的额定值
教学难点
直流电机的基本平衡方程式
更新、补充、
删节内容
无
使用教具
实物
课外作业
P18-7
课后体会
1．2直流电机的励磁方式和铭牌
1．2．1直流机的励磁方式
1、他励电机
这种电机的励磁绕组与电枢绕组分别由两个直流电源供电。
励磁绕组又称他励绕组。
变阻器用来调节励磁电流的大小，励磁电流If仅取决于他励电源的电动势和励磁电路的总电阻，而不受电枢端电压的影响。
2、并励电机
它的励磁绕组与电枢绕组并联，由同一直流电源供电。
励磁绕组又称并励绕组。
可见，励磁电流If不仅与励磁回路的电阻有关，而且还受电枢两端电压的影响，承受电枢两端的较高电压。
为了减小励磁电流及损耗，接有变阻器调节If。
励磁绕组必须具有较大的电阻，因此，励磁绕组的匝数较多，且用较细的导线绕制。
励磁电流虽小，但绕组匝数较多，仍能使磁极产生一定的磁通。
并励电动机的电流有I=Ia+If关系。
3、串励电机
串励电动机的励磁绕组与电枢绕组串联。
励磁绕组又称串励绕组。
由于串励绕组电流较大，因此要求串励绕组应具有较小的电阻。
为此，所用导线要粗且匝数较小，但由于流过的电流较大，故磁极仍能产生一定的磁通。
4、复励电机
电动机的主磁极上有两个励磁绕组，一个同电枢绕组并联，另一个同电枢绕组串联。
故名复励电机。
1．2．2铭牌和额定值
为了使电机安全而有效地运行，制造厂对电机的工作条件都加以技术规定。
按照规定的工作条件进行运行的状态叫做额定工作状态。
电机在额定工作时的各种技术数据叫做额定值，一般加下标e表示。
这些额定值都列在电机的铭牌上，使用电机前，应熟悉铭牌。
使用中的实际值，一般不应超过铭牌所规定的额定值。
（一）型号：
它表示电机的类别。
例如：
Z2--12
Z：
直流；2：
设计序号；1：
铁心长度；2：
机座号
（二）额定电流Ie
这是指发电机长期运行时电枢输出给负载的允许电流。
对于电动机则是指电源输入到电动机的允许电流。
（三）额定电压Ue
这是指发电机输出的允许端电压。
对于电动机则指输入到电动机端钮上的允许电压。
（四）额定转速ne
这是指电机在额定工作状态时，应达到的转速。
（五）额定功率（额定容量）Pe
对于发电机来说，这是指在额定电压下，输出额定电流时，向负载提供的电功率Pe,Pe=UeIe
对于电动机来说，则是指在额定电压，额定电流和额定转速下，电动机轴上输出的机械功率Pe=UeIeηe
（六）额定效率ηe
额定功率与输入功率之比，称为电机的额定效率，即ηe=（额定功率/输入功率）×100
1．3直流电动机的基本方程和机械特性
（一）电枢电路电压平衡方程
1.电动机的反电势
在电机工作原理的讨论中，我们知道电枢旋转时，电枢中的载流导体割切磁力线产生感应电动势Ea=Ceφn。
这个电动势的方向与电枢电流的方向相反，抵制电枢电流的流入，故称为反电动势。
因此，电源要向电枢输入电流，就必须克服反电动势的作用，即必须使加在电枢绕组两端的电压U>Ea。
l
2.电压平衡方程
Ea=U–IaRa式中，Ia为电枢电流（A）；Ra为电枢绕组电阻（Ω）
上式改写后即得电压平衡方程为
U=Ea+IaRa上式表明，电枢绕组两端的电压U可分为两部分，一部分用来平衡反电动势Ea，另一部分就是电枢绕组的电阻压降IaRa。
3.电枢电流由U=Ea+IaRa可导出电枢电流公式，即
（二）功率平衡方程
（三）转矩平衡方程
复习回顾、布置作业P18-7
江苏省邗江职业技术教育中心
教案
教师姓名
徐正来
授课班级
04机电五2
授课形式
新授
授课日期
08年月日第周
授课时数
2
授课章节
名称
第一章直流电机
§1．3直流电动机的基本平衡方程式和机械特性
§1．4直流电动机的起动和反转
掌握直流电动机的机械特性
掌握直流电动机的起动
教学重点
直流电动机的机械特性、直流电动机的起动
教学难点
直流电动机的机械特性、直流电动机的起动
更新、补充、
删节内容
无
使用教具
实物
课外作业
P18-8
课后体会
1．3．2直流电动机的机械特性
1、机械特性
表征电动机运行状态的两个主要物理量是：
电动机的电磁转矩T和电动机的转速n。
直流电动机的机械特性是指电动机的端电压等于额定值，励磁电路的电流和电枢电路的电阻不变的条件下，电动机的转速n与电磁转矩T之间的关系，即n=f（T）。
机械特性是电动机最重要的工作特性，它是讨论电动机稳定运行、启动、调速和制动等运行的基础。
机械特性可分为固有（自然）机械特性和人为机械特性。
固有特性，表示电动机在额定参数运行条件下的机械特性；人为特性，表示改变电动机一种或几种参数，使之不等于其额定值时的机械特性。
2、机械特性硬度
一般用特性硬度来评价电动机机械特性变化程度。
即在曲线上该点的斜率。
因此，按照机械特性硬度的概念，将电动机的机械特性分为以下三类：
1）．绝对硬特性转矩变化时，转速不变化。
2）．硬特性转矩变化时，转速降落较小。
3）．软特性转矩变化时，转速降落大。
这种评价分类，是因为多数电动机的机械特性是转速随转矩的增加而下降，但不同的电动机下降程度不同。
3、并励电动机的机械特性方程
下图是并励电动机的接线图，其电压与电流的关系可用下列各式表示：
U=Ea+IaRaIf=U/RfI=Ia+If
当电源电压和励磁电路总电阻保持不变时，则励磁电流If及由它产生的磁通φ也保持不变。
T＝CTφIa=KIa
由Ea＝CEφn可得：
将Ia=T/（CTφ）代入上式：
上式是并励电动机的机械特性方程。
4、并励电动机的固有机械特性
按固有机械特性所给定的条件，U=Ue=常数，励磁电流If调节至磁通φ=φe并保持不变。
由于Ra很小，从并励电动机的机械特性方程式可知，n=f（T）将是一根倾斜度很小的直线。
如右图所示。
在负载从空载到满载，转速降落，仅为额定转速的5％-10％，因此并励电动机的机械特性是硬特性。
并励电动机在运行时，切不可断开励磁电路，使If=0。
这样，主磁极上仅有很小的剩磁通，反电动势很小。
在空载时，将导致转速急剧上升；在有一定负载时，电动机停转并使电枢电流急剧增加，会引起严重事故。
5、并励电动机的人为机械特性
固有机械特性只反映电动机在额定条件下运行的性能，对应某一转矩下，电动机只能运行在某一转速。
而在生产上往往有一些要求，例如在一定的转矩下，根据不同的情况，要求有不同的转速。
这就必须人为地改变电动机的某些参数，来改变电动机的机械特性，以满足生产上的要求。
这时的机械特性称为人为机械特性。
§1．4直流电动机的起动和反转
1．直流电动机的起动
直流电动机直接起动时的起动电流很大，达到额定电流的10～20倍，因此必须限制起动电流。
限制起动电流的方法就是起动时在电枢电路中串接起动电阻Rst。
起动电阻的值：
一般规定起动电流不应超过额定电流的1.5～2.5倍。
起动时将起动电阻调至最大，待起动后，随着电动机转速的上升将起动电阻逐渐减小。
复习回顾
江苏省邗江职业技术教育中心
教案
教师姓名
徐正来
授课班级
04机电五2
授课形式
新授
授课日期
08年月日第周
授课时数
2
授课章节
名称
第一章直流电机
§1．3直流电动机的基本平衡方程式和机械特性
§1．4直流电动机的起动和反转
掌握直流电动机的机械特性
掌握直流电动机的起动
教学重点
直流电动机的机械特性、直流电动机的起动
教学难点
直流电动机的机械特性、直流电动机的起动
更新、补充、
删节内容
无
使用教具
实物
课外作业
P18-8
课后体会
邗江职教中心教案
章节名称
第一章直流电机
1．4起动、反转；
1.5调速；
授课形式
新授
课时
2
班级
03机电（五）1
日期
2007-3-22
教学目的
1、掌握直流电机起动、反转、调速的方法；
2、学会分析起动电流大的原因。
3、学会应用。
教学重点
直流电机起动、反转、调速的方法；
教学难点
分析起动电流大的原因、调速的注意点；
辅助手段
参考资料
电机学
课外作业
P18-8、9、10、11
课后体会
1．直流电动机的起动
直流电动机直接起动时的起动电流很大，达到额定电流的
升级会员 