电机与电气控制技术教案.docx

1、电机与电气控制技术教案第 1、2 课时课题:电磁学基础知识教学目的和要求: 补充了解磁场的基本物理量以及铁磁材料的性质和磁路欧姆定律，掌握交流铁心线圈电路中的电磁关系并了解其功率损耗情况。重点与难点:掌握铁磁材料的性质、交流铁心线圈电路中的电磁关系及其功率损耗。教学方法: 绘图说明，简单推正，结论分析，应用介绍，案例教学。预复习任务: 复习前期学的电工技术基础相关知识。一、磁路的基本物理量磁场可由电流产生，用磁感线来描述。磁场的强弱可用磁感线的疏密程度来表示。磁感线可以看成是无头无尾的闭合曲线。1)磁感线的回转方向和电流方向之间的关系遵守右手螺旋法则。 2)磁感线总是闭合的，既无起点，也无终点

2、。 3)磁场中的磁感线不会相交，因为磁场中每一点的磁感应强度的方向都是确定的、唯一的。1.磁通 磁场中穿过某一截面积A的总磁线数称为通过该面积的磁通量，简称磁通，单位WB。磁场中穿过某一截面积A的总磁线数称为通过该面积的磁通量，简称磁通，单位WB。 当线圈中通以电流后，大部分磁感线沿铁心、衔铁和工作气隙构成回路，这部分磁通称为主磁通；还有一部分磁通，没有经过气隙和衔铁，而是经空气自成回路，这部分磁通称为漏磁通。 磁通经过的闭合路径叫磁路。磁路和电路一样，分为有分支磁路和无分支磁路两种类型。2磁感应强度B 描述磁介质中实际的磁场强弱和方向的物理量，是矢量，用B表示。均匀磁场中，若通过与磁感线垂直

3、的某面积A的磁通为，则 B = / A 所以磁感应强度也称磁通密度，单位T3磁场强度H 是进行磁场计算时引进的一个物理量，电流产生磁场外，介质被磁化后还会产生附加磁场。单位安每米。 H代表电流本身产生的磁场的强弱，反映了电流的励磁能力，大小只与该电流的大小成正比，与介质的性质无关； B代表电流所产生的以及介质被磁化所产生的总磁场的强弱，其大小不仅与电流的大小有关，还与介质的性质有关。4磁导率磁感应强度B与磁场强度H之比，是衡量物质导磁能力的物理量。 = B / H为导磁物质的磁导率。真空的磁导率为 。铁磁材料的 ，例如铸钢的约为 的1000 倍，各种硅钢片的约为 的60007000 倍。5磁场

4、储能 磁场能够储存能量，这些能量是在磁场建立过程中由其他能源的能量转换而来的。电机就是借助磁场储能来实现机电能量转换的。二、磁性材料的性质1高导磁性磁性物质的内部存在着很多很小的区域，称为“磁畴”，磁化前，无外磁场的作用，杂乱无章地排列，磁场互相抵消，对外界不显示磁性。若将铁磁材料放入磁场，在外磁场的作用下，磁畴的轴线趋于一致，形成一个附加磁场，叠加在外磁场上，从而使合成磁场大为增强。变压器和电机中的磁场是由通过线圈的电流来产生，这些线圈都是绕在磁性物质（称为铁心）上的。采用铁心后，在同样的电流下，铁心中的磁感应强度B和磁通将大为增加，且比铁心外的B和大很多，一方面可用较小的电流产生较强的磁场

5、，另一方面可使绝大部分磁通集中在由磁性材料限定的空间内。2磁饱和性如上图中：oa段，外磁场H较弱，H的增加主要是与外磁场同方向的磁畴边界增大的过程，B的增加缓慢；ab段，外磁场H较强，主要是磁畴沿外磁场的方向转动的过程，B迅速增大；bc段，可随外磁场方向转动的磁畴越来越少，H的增加变慢，出现了磁饱和现象；cd段，类似于真空中的情况。3磁滞性磁性材料都具有保留其磁性的倾向，B的变化总是滞后于H的变化，称磁滞现象。当H降为零时，保留的磁感应强度Br称为剩磁强度，永久磁铁的磁性就是由Br产生的。三、磁路的欧姆定律正如电动势作用在一定电阻的电路上产生的电流遵循欧姆定律一样，一定的磁动势作用在一定磁阻的

6、磁路上可以产生磁通。磁通的大小同样遵循磁路的欧姆定律。当磁路中有空气隙存在，磁路的磁阻Rm将显著增加。四、铁心损耗1磁滞损耗Ph磁性材料被交变磁化时，磁畴之间相互摩擦，要消耗能量，对应的功率损耗Ph = KhfBmV式中与材料的性质有关，电工钢的为1.62.3，V为铁心体积2涡流损耗Pe磁性材料不仅是导磁材料，又是导电材料。在交变磁场作用下，铁心是也会产生感应电动势，从而在垂直于磁通方向的铁心平面内产生旋涡状的感应电流表，称涡流。涡流在铁心电阻上的功率损耗称涡流损耗。Pe = Ked2f2Bm2V 式中d为钢片厚度第 3、4 课时课题:变压器的工作原理和结构教学目的和要求: 变压器的一种机电能

7、量转换或信号转换的电磁机械装置。要求根据电磁感应原理掌握变压器的工作原理、电力变压器的基本结构、电力变压器额定值的计算、了解电力变压器的型号及主要系列。重点与难点:重点是变压器的工作原理、电力变压器的额定值的计算。难点是变压器的工作原理、电力变压器的结构。教学方法:以变压器的广泛应用为切入点，以图片和实物为依托，说明其工作原理。绘图说明，简单推正，结论分析，应用介绍。预复习任务: 完成课后作业 变压器：是一种静止的电气设备。它是根据电磁感应的原理，将某一等级的交流电压和电流转换成同频率的另一等级电压和电流的设备。 作用：变换交流电压、变换交流电流和变换阻抗。一、变压器的基本工作原理变压器是在一

8、个闭合的铁心磁路中，套上两个相互独立的、绝缘的绕组，这两个绕组之间只有磁的耦合，没有电的联系，如图1-1所示。一次绕组（也称原绕组或初级绕组）：接交流电源；其匝数为N1；二次绕组（也称副绕组或次级绕组）：接负载；其匝数为N2。当在一次绕组中加上交流电压u1时在一、二次绕组中其感应电动势瞬时值分别为 （1-1）二、变压器的应用与分类1.变压器的应用：变压器能够变换交变电压、变换交变电流、变换阻抗。2.变压器的种类按用途不同主要分为：l）电力变压器：供输配电系统中升压或降压用。2）特殊变压器：如电炉变压器、电焊变压器和整流变压器等。3）仅用互感器：如电压互感器与电流互感器。4）试验变压器：高压试验

9、用。5）控制用变压器：控制线路中使用。6）调压器：用来调节电压。三、电力变压器的基本结构电力变压器主要由铁心、绕组、绝缘套管、油箱及附件等部分组成。以油浸式电力变压器为例其基本结构如图12所示。1.铁心铁心是变压器的磁路部分，是绕组的支撑骨架。铁心由心柱和磁轭两部分组成，铁心用厚度为0.35mm，表面涂有绝缘漆的热轧硅钢片或冷轧硅钢片叠装而成。2.绕组绕组是变压器的电路部分，常用绝缘铜线或铝线绕制而成。工作电压高的绕组称为高压绕组，工作电压低的绕组称为低压统组。3.绝缘套管绝缘套管是变压器绕组的引出装置，将其装在变压器的油箱上，实现带电的变压器绕组引出线与接地的油箱之间的绝缘。4.油箱及其附件

10、油箱安装变压器的铁心与绕组。变压器油起绝缘和冷却作用。电力变压器附件还有安全气道、测温装置、分接开关、吸湿器与油表等。四、电力变压器的额定值与主要系列1.额定值(1)额定容量SN :指的是变压器的视在功率，单位为VA或kVA。a.单相变压器的额定容量为:SN=UN1IN1=UN2IN2 （12）b.三相变压器的容量为:SN=UN1IN= UN2IN2 （13）(2)额定电压U1N和U2NUN1为一次侧绕组额定电压，它是根据变压器的绝缘强度和允许发热条件而规定的一次绕组正常工作电压值。UN2为二次绕组额定电压，它是当一次绕组加上额定电压，二次绕组的空载电压值。对于三相变压器，额定电压值指的是线电

11、压，单位为V或kV。(3)额定电流IN1和IN2 :额定电流是根据允许发热条件所规定的绕组长期允许通过的最大电流值，单位是A或KA。IN1是一次绕组的额定电流；IN2是二次绕组的额定电流。对于三相变压器，额定电流是指线电流。(4)额定频率f我国规定的标准工业用电频率为50HZ。2电力变压器的型号及主要系列 第 5、6 课时课题:单相变压器的空载运行教学目的和要求: 掌握单相变压器的空载运行特性。重点与难点:重点是空载运行时电动势平衡方程式,空载电流的作用。难点是变压器空载运行时的相量图。教学方法:绘图说明，简单推正，结论分析。预复习任务: 复习电工基础相关知识,题解正弦量的正方向的规定。变压器

12、的空载运行是指变压器的一次绕组接在额定电压的交流电源上，而二次统组开路时的工作情况，如图1-4所示。一、空载运行时各物理量正方向的规定正弦量的正方向通常规定如下：1）电源电压正方向与其电流正方向采用关联方向，即两者正方向一致。2）绕组电流产生的磁通势所建立的磁通，这二者的正方向符合右手螺旋定则。3）由交变磁通产生的感应电动势产，二者的正方向符合右手螺旋定则，即它的正方向与产生该磁通的电流正方向一致。由上述规定，在图l-4中标出各电压、电流、磁通、感应电动势的正方向如图中所示。二、感应电动势与漏磁电动势1.感应电动势若主磁通，=msint，则一、二次绕组感应电动势瞬时值为：其有效值为：E1=4.

13、44fN1m (1-5)E2=4.44fN2m (1-6) 相量表示为： （1-7） （1-8）2.漏磁电动势变压器一次绕组漏磁感应电动势为： =-jL1 =-jX1三、变压器空载运行时的电动势平衡方程式和电压比一次绕组电动势平衡方程式： (1- 9) (1-10)二次绕组的端电压等于其感应电动势： （1-11）变压器一次绕组的匝数Nl与二次绕组匝数N2之比称为变压器的电压比k，即 k=N1/N2=E1/E2U1/U2 (1-12)当N2N1时，k1，则U2U1，为升压变压器；若N2N1，k1，则U2U1，为降压变压器。若改变电压比k，即改变一次或二次绕组匝数，则可达到改变二次绕组输出电压时目

14、的。四、空载电流和空载损耗变压器空载运行时，空载电流分解成两部分：1无功分量，用来建立磁场，起励磁作用，其与主磁通同相位；2有功分量，用来供给变压器铁心损耗，其相位超前主磁通约900。即五、变压器空载运行时的相量图第 7、8 课时课题:单相变压器的负载运行教学目的和要求: 与空载运行时相比较，掌握单相变压器的负载运行特性，强调变压器的三个变换特性以及运行特性。重点与难点:重点是负载运行时的磁通势平衡方程式和电动势平衡方程式，变压器的作用，电压变化率。难点是负载运行时的基本方程式，变压器负载运行时的相量图。教学方法:绘图说明，简单推正，结论分析。预复习任务: 复习单相变压器空载运行时的特性，预习

15、本节内容，作比较分析。变压器的负载运行：是指变压器在一次绕组加上额定正弦交流电压，二次绕组接负载ZL的情况下的运行状态，如图l-6所示。一、负载运行时的各物理量负载运行时一、二次电流关系 (1-14)上式表明变压器负载运行时，二次电流的变化同时引起一次电流的变化。二、变压器负载运行时的基本方程式1.磁通势平衡方程式（1） 变压器负载运行时磁通势平衡方程式为 (1-15)（2） 电流平衡方程式为(1-16)忽略I10时，一、二次绕组电流有效值关系为I1=I2/k （1-17）2.电动势平衡方程式二次绕组中漏磁电动势即： （1-18）(1-20)(1-19)负载运行时的一、二次绕组的电动势平衡方程

16、式为综上所述，变压器负载运行时的基本方程式有三、变压器负载运行时的相量图四、变压器的作用通过对变压器负载运行的分析，可以清楚地看出变压器具有变电压、变电流、变阻抗的作用。1.变换电压U1/U2E1/E2=k=N1/N22.变换电流I1/I2N2/N1=1/k3.变换阻抗上式表明，经变压器把负载阻抗变换为。通过选择合适的电压比k，可把实际负载阻抗变换为所需的阻抗值，这就是变压器的变换阻抗作用。五、变压器的运行特性变压器运行特性主要有：（1）外特性（2）效率特性。1. 变压器的外特性和电压变化率(1) 变压器的外特性：是指在一次绕组加额定电压，负载功率因数cos2为额定值时，二次绕组端电压U2随负

17、载电流I2的变化关系，即U2=f(I2) 曲线，如图l-9所示。在纯电阻负我时，电压变化较小；为感性负我时，电压变化较大；而在容性负载时，端电在可能出现随负载电流的增加反而上升，如图l-9中曲线3所示。(2)电压变化率2.变压器的效率特性变压器的效率特性：是指负载功率因数cos2不变的情况下，变压器效率随负载电流变化的的关系，即曲线f（I2），如图1-10所示。对于电力变压器，最大效率出现在I2=（0.50.75）I2N时，其额定效率N0.950.99。 第9、10 课时课题:三相变压器教学目的和要求: 掌握三相变压器的联结组别和变压器的并联运行条件，会用试验方法来确定绕组的同名端。重点与难点

18、:重点是掌握三相变压器绕组的联结法，会确定绕组的同名端。难点是用时钟法来分析判别三相变压器的联结组别，掌握三相变压器的并联运行条件。教学方法:以三相变压器的广泛应用为切入点，以图片和实例为依托说明其工作原理，绘图说明三相变压器的同名端的确定、联结组别的判定。预复习任务: 复习单相变压器的工作原理、结构，预习三相变压器的相关内容，比较归纳。三相变压器组：是由三个单相变压器按一定方式连接在一起组成的。三相心式变压器：将三个铁心柱用铁轭连在一起来构成三相心式变压器。一、三相变压器的磁路系统二、三相变压器的电路系统三相变压器的电路系统是指三相变压器各相的一次统组、二次绕组的连接情况。三相变压器绕组的首

19、端和尾端的标志规定如表l-1所示。三相变压器绕组的联结有星形和三角形两种联结方式。如图l-13a所示。用字母Y或y分别表示一次绕组或二次绕组的星形联结。若同时也把中点引出，则用YN或yn表示，用字母D或d分别表示一次统组或二次绕组的三角形联结。我国生产的电力变压器常用Yyn、Yd、YNd、Dyn等四种联结方式，其中大写字母表示一次绕组的联结方式，小写字母表示二次绕组的联结方式。高低压绕组相电动势的相位关系:1. 同名端两个绕组中电动势极性相同的两个端点2. 单相变压器的联结组II0 II63. 三相变压器联结组标号的确定(1) 观察绕组联结图，判断联结方式；(2) 联结图上标出高低压绕组的相电

20、动势和线电动势参考方向：末端指向首端(3) 画出高压绕组的电动势相量图绕组为星形时，先确定相电动势，再确定线电动势，相电动势相量画成星形；绕组为三角形时，先确定线电动势，再确定相电动势，相电动势相量画成三角形。(4) 画出低压绕组的电动势相量图都先画相电动势，再画线电动势相量，星形联结时，相电动势相量画成星形；三角形联结时，相电动势相量画成三角形。(5) 判断联结组号，写出联结组三、变压器的并联运行变压器并联运行条件：1 并联运行的各台变压器的额定电压与电压比要相等。2 并联运行变压器的联结组别必须相同。3 并联运行的各变压器的短路阻抗的相对值要相等。第 11、12 课时课题:其他用途的变压器

21、教学目的和要求:掌握自耦变压器的工作原理和应用。掌握电压互感器、电流互感器的使用。掌握弧焊变压器的使用条件。重点与难点:重点是自耦变压器的工作原理和电压互感器、电流互感器使用时的注意事项和要求。难点是带电抗器和带磁分路的弧焊变压器的调节电流原理。教学方法:绘图说明，简单推正，结论分析。预复习任务: 课后习题的完成。本节介绍常用的自耦变压器、仪用互感器和弧焊变压器的工作原理及特点。一、自耦变压器1自耦变压器的结构特点是：一、二次绕组共用一个绕组。如图l20所示。对于降压自耦变压器，一次绕组的一部分充当二次绕组；对于升压自耦变压器，二次绕组的一部分充当一次绕组。因此自耦变压器一、二次绕组之间既有磁

22、的联系，又有电的直接联系。将一、二次绕组共用部分的绕组称为公共绕组。下面以降压自耦变压器为例分析其工作原理。2自耦变压器的电压比k=U1/U20E1/E2=N1/N23自耦变压器的变流公式 (1-24) 4自耦变压器的输出视在功率（即容量）为S=U2I2=U2(I+I1)=U2I+U2I1=U2I2(1-1/k)+U2I1 (1-25)5使用注意事项（1）在低压侧使用的电气设备应有高压保护设备，以防过电压；（2）有短路保护措施。6种类：自耦变压器有单相和三相两种。一般三相自耦变压器采用星形接法。图1-21为三相自耦变压器原理图。如果将自耦变压器的抽头做成滑动触头，就成为自耦调压器，常用于调节试

23、验电压的大小。图1-22为常用的环形铁心单相自耦调压器原理图。二、仪用互感器仪用互感器：供测量用的变压器。可分为电压互感器和电流互感器。1.电压互感器（1）电压互感器：实质上是一个降压变压器。图l-23为电压互感器原理图。(1-26)它的一次绕组N1匝数很多，直接并接在被测的高压线路上，二次统组N2匝数较少，接电压表或其他仪表的电压线圈。（2）使用电压互感器时，应注意以下几点：a.电压互感器在运行时二次绕组绝不允许短路，否则短路电流很大，会将互感器烧坏。为此在电压互感器二次侧电路中应串联熔断器作短路保护。b.电压互感器的铁心和二次绕组的一端必须可靠接地，以防一次高压绕组绝缘损坏时，铁心和二次绕

24、组带上高电压而触电。c.电压互感器有一定的额定容量，使用时不宜接过多的仪表，否则将影响互感器的准确度。2.电流互感器（1）电流互感器：一次绕组匝数NI很少，一般只有一匝到几匝；二次绕组匝数很多。使用时一次绕组串接在被测线路中，流过被测电流，而二次绕组与电流表或仪表的电流线圈构成闭合回路，如图124所示。(1-27)由于电流互感器二次绕组所接仪表阻抗很小，二次绕组相当于短路，因此电流互感器运行情况相当于变压器短路运行状态。（2）使用电流互感器时，应注意以下几点：a.电流互感器运行时二次绕组绝不许开路。电流互感器的二次绕组电路中绝不允许装熔断器。在运行中若要拆下电流表，应先将二次绕组短路后再进行。

25、b.电流互感器的铁心和二次绕组的一端必须可靠接地。以免绝缘损坏时，高压侧电压传到低压则，危及仪表及人身安全。c.电流表内阻抗应很小，否则影响测量精度。三、弧焊变压器弧焊变压器实质上是一台特殊的降压变压器。1对弧焊变压器提出以下要求：l）为保证容易起弧，空载电压应在6075V之间。2）负载运行时具有电压迅速下降的外特征，如图l25所示。一般在额定负载时输出电压在30V左右。3）焊接电流可在一定范围内调节。4）短路电流不应过大，且焊接电流稳定。2如何满足上述要求：弧焊变压器具有较大的电抗，且可以调节。为此弧焊变压器的一、二次绕组分装在两个铁心柱上。为获得电压迅速下降的外特性，以及弧焊电流可调，可采

26、用串联可变电抗器法和磁分路法，由此滋生出带电抗器的弧焊变压器和带磁分路的弧焊变压器。第 13、14 课时课题:三相异步电动机的结构与原理教学目的和要求:掌握三相异步电动机的基本结构与工作原理，电动机的铭牌数据。会用转速与转差率的公式计算有关参数。重点与难点:重点是掌握三相异步电动机的基本结构与工作原理。难点旋转磁场的理解。教学方法:以三相异步电动机的广泛应用为切入点，以多媒体课件图片和实例为依托掌握三相异步电动机的结构，绘图说明三相异步电动机的工作原理，介绍旋转磁场的建立，转子转动的条件，转向、转速等问题。预复习任务:课后复习理解旋转磁场的转速、电机转速的区别；完成课后作业。旋转电机分类：按工

27、作方式不同，可分为 直流发电机 直流电机 直流电动机 感应（异步）电动机旋转电机 感应电机（异步电机） 交流电机 感应（异步）发电机同步电机 同步发电机 同步电动机 同步补偿机其中，异步电动机按相数不同，可分为三相异步电动机和单相异步电动机；按转子结构不同，可分为笼型和绕线转子型，其中笼型三相异步电动机由于具有结构简单、运行可靠、效率高、制造容易、成本低等优点得到广泛应用。一、三相异步电动机的结构： 三相异步电动机主要结构包括：静止的定子、旋转的转子以及两者之间的气隙。1 定子-定子铁心、定子绕组、机座1)定子铁心：作用：形成磁路组成：0.5mm硅钢片叠制。直径大于1米的铁心用扇形片拼成槽型：

28、半闭口槽（小型电机）、半开口槽（低压中型）、开口槽（大型）2)定子绕组：作用：电路部分，感应电势组成：圆铜线或扁铜线，导线线径小于1.53mm，散下线；成形线圈（大电机）。3)机座：作用:机械支撑 结构：中小型电机铸铁；大型用钢板焊接。4)气隙-0.2mm1.5mm，作用是磁场耦合因为磁势大部分都消耗在气隙上，气隙小则电机的空载磁化电流就小，功率因数高。考虑到机械的原因，气隙又不能太小。2 转子-转子铁心、转子绕线或鼠笼绕组、轴1)转子铁心作用：磁路的一部分组成：0.5mm硅钢片叠制。中小型电机转子铁心直接叠装在轴上；大电机则用转子支架。2)转子绕组作用：感应电势、流过电流产生转矩结构：中小型

29、电机用铸铝转子鼠笼结构；绕线电机用铜导线，利用滑环和电刷外接起动设备。3. 接线:对于三相异步电动机定子绕组可以接成星形或三角形。定子接线方式：4分类与用途 二、三相异步电动机工作原理：定子三相对称绕组通入三相对称电流，产生同步转速旋转的气隙磁场。转子导体运动（相对磁场，磁场转速快）切割磁力线，产生感应电动势，进而产生电流。电流与气隙磁场的相互作用产生与转子转向相同的拖动转矩。电机从电网吸收电功率，经过气隙的耦合作用从轴上输出机械功率。 （一）三相交流电的旋转磁场 1旋转磁场的产生 二极电动机旋转磁场的产生 四极电动机旋转磁场2旋转磁场的转速旋转磁场的转速为同步速3旋转磁场的旋转方向旋转磁场由

30、超前相电流所在的相绕组轴线转向滞后相电流所在的相绕组轴线。改变电流相序，则旋转磁场改变方向。4三相合成磁场的性质：1） 电流变化一个周期，即360电角度时，旋转磁场在空间上转过同样数值的电角度。2） 旋转磁场的转速为同步速3） 旋转磁场由超前相电流所在的相绕组轴线转向滞后相电流所在的相绕组轴线。4） 改变电流相序，则旋转磁场改变方向。总之，对称三相绕组通过对称三相电流，产生气隙旋转磁场。（二）转子的转动 1转子转动的原理转子则切割磁力线而产生电流 （右手定电流I方向）电流在磁场中切割磁力线而产 生力及力矩（左手定方向）它与n0方向相同,使转子转动起来在转子转动中，n比n0小 2转子的转速 n、转差率s三、三相异步电动机的铭牌及主要