电机及电气控制教案

课题：第一章变压器
第一节变压器的用途用分类
第二节单相变压器的基本结构
第三节单相变压器的工作原理
课时：2课时
课型：新课
授课方式：课堂讲授、样品展示、举例、小结、提问
目的要求：1、了解变压器的用途用分类
2、理解单相变压器的工作原理
重点：变压器的用途、单相变压器的工作原理
难点：单相变压器的工作原理
内容及步骤：
第一节变压器的用途及分类
变压器是利用电磁感应原理，将某一数值的交变电压变换为同一频率的另一数值的交变电压。

一、变压器的用途
变压器的主要用途是在输配电系统。

作用高压电传输，不仅可以减小输电线的截面积，节约引进人材材料，同时还可减小输电线路的功率损耗。

变压器还可用来改变电流、变换阻抗以及产生脉冲。

二、变压器的分类
通常可按其用途、绕组结构、铁心结构、相数和冷却方式等进行分类。

1、按用途分类：
1）电力变压器：分为升压、降压和配电变压器等。

2）特种变压器：如焊接电源的电焊变压器、电炉变压器和将整流变压器。

3）仪用互感器：如电流互感器、电压互感器。

4）其他变压器
2、按绕组构成分类：有双绕组变压器、三绕组变压器和自耦变压器。

3、按铁心结构分类：有心式变压器和壳式变压器。

4、按相数分类：有单相、三相和多相变压器。

5、按冷却方式分类：有干式、油浸自冷、油浸风冷变压器、强迫油循环和充气式变态器。

第二节单相变压器的基本结构
是指接在单相交流电源上用来改变单相交流电压的变压器中，其容量较小，一般用作控制及照明。

主要由铁心和绕组两部分组成。

一、铁心
铁心构成变压器磁路系统是变压器的机械骨架。

铁心由铁心柱和铁轭两部分组成。

根据变压器铁心的结构形式可分为心式和壳式两大类。

根据变压器铁心的制作工艺可分为叠片式和卷制式铁心两种。

二、绕组（线圈）
是变压器的电路部分，小型变压器一般用具有绝缘的漆包圆铜线绕制而成，对容量稍大的变压器则用扁铜线或扁铝线绕制。

高压绕组:接到高压电网的绕组.
低压绕组:接到低压电网的绕组
1、同心式绕组：将高、低压绕组同心地套装在铁心柱上
2、交叠式绕组：饼式绕组，将高压绕组及低压绕组分成若干个线饼，沿着铁心柱的高度交替排列着。

注意：为了便于绝缘，一般最上层和最下层安放低压绕组。

第三节单相变压器的工作原理
单相变压器的工作原理
一、变压器的空载运行
变压器一次绕组接额定频率和额定电压的电网上，而二次绕组开路，即I2=0的工作方式称变压器的空载运行。

如上图所示：
在空载情况下,由于二次绕组开路,故端电压U2与电动势E2相等
即: U2=E2 U1/ U2≈E1/E2= N1/N2=K u=K
K u变压器的变压比
例1:如上图所示,低压照明变压器一次绕组匝数N1=660匝,一次绕组电压U1=220V,现要求二次绕组输出电压U2=36V,求二次绕组匝数N2及变比K u
解：
通常把K u>1的变压器称为降压变压器；K u<1的变压器称为升压变压器
二、变压器的负载运行
状态：一次绕组接额定电压，二次绕组与负载相连接
分析一、二次绕组中电流的关系：
变压器负载运行时的磁通势平衡方程式为：N1I1+N2I2=N1I0
∵变压器的空载电流I0很小，特别是在变压器接近满载时，NI相对与NI或NI而言基本上可以忽略不计，∴N1I1≈N2I2即I1/I2≈N2/N1=1/K u=K i
式中i1为一次绕组电流，i0为空载电流，i2为二次绕组电流结论：1、变压器一、二次绕组中的电流与一、二次绕组的匝数成反比
2、变压器高压绕组匝数多，而通过的电流小，因此绕组所用的导线细；反之低压绕组匝数少，通过的电流大，所用的导线粗
三、变压器的阻抗变换
变压器不但具有电压变换和电流变换的作用，还具有阻抗变换的作用
例2：见书P10
解：变压器不但具有电压变换和电流变换的作用，还具有阻抗变换的
作用
例2：见书P10
解：
课堂小结：本次课讲述了变压器的用途、分类、基本结构及工作原理。

课堂提问：第29页思考与习题1、2、3、4、5
作业：第30页10、11
课题：第四节变压器的运行特性
第五节三相变压器
第六节其他用途变压器
课时：2课时
课型：新课
授课方式：课堂讲授、样品展示、举例、小结、提问
目的要求：1、了解变压器的外特性及电压变化率
2、了解变压器的损耗及效率
3、了解其它用途的变压器
4、掌握三相变压器的极性表示和联结组别
重点：变压器的用途、单相变压器的工作原理
难点：单相变压器的工作原理
内容及步骤：
第四节变压器的运行特性
一、变压器的外特性及电压变化率
当一次绕组电压U1和负载的功率因数cosφ2一定时，二次绕组电压U2与负载电流I2的关系，称为变压器的外特性
例3：某台电力变压器将U
1
=10000V的高压降压后对负载供电，要求该
变压器在额定负载下的输出电压为U
2
=380V，该变压器的电压变化率
ΔU%=5%，求该变压器二次绕组的额定电压U
2N
及变比K
解：
二、变压器的损耗及效率
变压器从电源输入的有功功率P
1和向负载输出的有功功率P
2
可分别
用下式计算：
两者之差为变压器的损耗ΔP，它包括铜损耗P
Cu 和铁损耗P
Fe
两部分即：
ΔP=P Cu+P Fe
1、铁损耗P
Fe
：不变铁损
磁滞损耗
基本铁损耗：
涡流损耗
它决定与铁心中的磁通密度的大小、磁通交变的频率和
硅钢片的质量等
铁心叠片间因绝缘损伤而产生的局部涡流损耗附加铁损耗：
主磁通在变压器铁心以外的结构部件中引起的
涡流损耗
附加损耗约为基本损耗的15%～20%
2、铜损耗P
Cu
：在变压器中铜损耗与负载电流的平方成正比，称可变损耗
基本铜损耗：由电流在一、二次绕组电阻上产生的损耗
附加铜损耗：由漏磁通产生的集肤效应使电流在导体内分布不均
匀而产生的额外损耗，约占基本铜损耗的3%～20%
3、效率：变压器的输出功率P
2与输入功率P
1
之比称为变压器的效率
η
4、效率特性：
变压器在不同的负载电流I时，输出功率P及铜损耗都在变化，其变化规律通常用变压器的效率特性曲线表示，图中β=I/I称为负载系数
由图可知：当变压器的不变损耗等于可变损耗时，变压器的
效率最高，此时β=0.5～0.6之间
第五节三相变压器
一、三相变压器的基本结构
1、铁心：三相变压器的磁路部分,均采用心式结构
通常心式结构的铁心采用交叠式的叠装工艺,优点:各层磁路的接缝相互错开,气隙小,所以空载电流小。

缺点：铁心及绕组的装配工艺较复杂。

目前广泛采用45º的斜切硅钢片进行叠装。

2、绕组：三相变压器的电路部分，一般用绝缘纸包的扁铜线或扁铝线绕成
3、油箱和冷却装置：容量大雨10000KV·A的电力变压器，采用风吹冷却或强迫油循环冷却装置。

4、保护装置
（1）气体继电器
（2）防爆管（安全气道）
5、铭牌
（1）型号
（2）额定电压U1N和U2N：在三相变压器中，额定电压均指线电压
（3）额定电流I1N和I2N
（4）额定容量S N：指变压器在额定工作状态下，二次绕组的视在功率
（5）联结组标号：指三相变压器一、二次绕组的连接方式
（6）阻抗电压：又称短路电压
二、变压器的极性与三相变压器的联结组
1、变压器的极性
（1）对两个绕向已知的绕组
当电流从两个同极性端流入（或流出）时，铁心中所产生的磁通方向是一致的。

2、三相变压器的联结组
（1）三相变压器绕组的连接方法
三相电力变压器高、低绕组的出线端都分别给予标记，以供正确连接及使用变压器，其出线端标志如下表
采用星形联结及三角形联结
新国家标准规定：
星形联结：Y 星形联
结：y
高压绕组三角形联结：D 低压绕组三角形联结：d
中性线：N 中性线：n
三相变压器一、二次绕组接法的常用组合形式：Y，yn；YN，d；Y，d
对于高压绕组，采用星形接法最好。

大电流的低压绕组，采用三角形联结
∴大容量的变压器通常采用Y,d或YN,d联结
容量不大且需要中性线的变压器,广泛采用Y,yn联结,以适应照明与动力混合负载需要的两种电压
注意:三相变压器联结组别不仅与绕组的绕向和首末端的标记有关,而且还与三相绕组的连接方式有关
理论与实践证明:无论怎样连接,一、二次绕组线电动势的相位差总是30º的整数倍。

以Y，y联结和Y,d联结的变压器分别加以分析
（2）Y，y联结组
如图（a）：∵变压器一、二次绕组都采用星形联结，且首端为同名端。

∴一、二次绕组相互对应的相电动势之间相位相同，∴对应的线电动势之间的相位也相同，如图（b）。

当一次绕组线电动势E UV（长针）指向时钟的“12”时，二次绕组线电动势E uv(短针)也指向“12”，这种连接方式称Y，y0联结组
第六节其他用途变压器
一、自耦变压器
1、结构特点：一、二次绕组之间除了有磁的耦合外，还有电的直接联系
上式说明:自耦变压器一、二次绕组中的电流代销与匝数成反比，在相位上互差180º。

因此，流经公共绕组中的电流大小为
结论：自耦变压器的损耗比普通变压器要小，效率较高，因而较为经济
可见自耦变压器一、二次绕组公共部分的电流比普通变压器二次绕组在相应情况下的电流小得多
二、仪用互感器
仪用互感器是作为测量有的专用设备，分电流互感器和电压互感器，工作原理与变压器相同
使用仪用互感器的目的是：1、为了测量人员的安全，使测量回路与高压电网相互隔离；2、扩大测量仪表的测量范围1、电流互感器：
使用电流互感器时必须注意以下事项：
（1）电流互感器的二次绕组绝对不允许开路
（2）电流互感器的铁心及二次绕组一端必须可靠接地。

2、电压互感器
使用电压互感器时必须注意以下事项：
（1）电压互感器的二次绕组在使用时绝对不允许短路。

（2）电压互感器的铁心及二次绕组的一端必须可靠接地（3）电压互感器有一定的额定容量，使用时二次绕组侧不宜接入过多的仪表，以免影响电压互感器的测量精度
三、电焊变压器
实质上是一台特殊的降压变压器，为保证焊接质量和电弧的稳定燃烧，对电焊变压器有以下要求：
1、电焊变压器杂空载时，应有一定的空载电压，通常U0=60～75V左右，以保证起弧容易。

另一方面，为了操作者的安全，空载起弧电压最高不宜超过85V
2、在负载时，电压应随负载的增大而急剧下降，即应有陡降的外特性，如图，通常在额定负载时的输出电压约30V左右
3、在短路时，短路电流I SC不应过大，以免损坏电焊机
4、为了适应不同的焊接工件和不同焊条的需要，要求电焊变压器输出的电流能在一定范围内调节
课堂小结：通过本次课的学习应重点掌握三相变压器的极性与联结组别，掌握变压器的工作原理，了解其他用途的变压器
作业：第30页15、17、19、24、25
课题：第二章异步电动机
第一节三相异步电动机的工作原理
第二节三相异步电动机的结构
课时：2课时
课型：新课
授课方式：课堂讲授、样品展示、举例、小结、提问目的要求：1、理解变压器的外特性及电压变化率
2、了解变压器的损耗及效率
重点：变压器的用途、单相变压器的工作原理
难点：单相变压器的工作原理
内容及步骤：
第一节三相异步电动机的工作原理
一、旋转磁场的产生
实际使用的异步电动机其旋转磁场不可能靠转动永久磁铁来产生，因为电动机的职能是将电能转换成机械能。

下面先分析旋转磁场产生的条件，再分析三相电动机的旋转原理。

三相异步电动机结构见下图
实际生产的三相异步电动机均采用隐极式结构，现向定子绕组中分别
通入三相交流电，各相电流将在定子绕组中产生相应的磁场。

对上图分析可得以下结论：
结论：在三相异步电动机定子上布置结构完全相同在空间各相差120电角度的三相定子绕组，当分别向三相定子绕组通入三相交流电时，则在定子、转子与空气隙中产生一个沿定子内圆旋转的磁场，该磁场称为旋转磁场。

二、旋转磁场的旋转方向
由上图可以看出：三相交流电的变化次序（相序）为U相达到最大值
V相达到最大值 W相达到最大值 U相最大值……。

将U相交流电接U相绕组，V相交流电接V相绕组，W相交流电接W相绕组，则产生的旋转磁场的旋转方向为：U相 V 相 W相（顺时针旋转），即与三相交流电的变化相序一致。

结论：旋转磁场的旋转方向决定于通入定子绕组中的三相交流电源的相序，且与三相交流电的相序U V W的方向一致。

只要任意调换电动机两相绕组所接交流电源的相序，旋转磁场即反转。

三、旋转磁场的旋转速度
1、当2p=2
2、当2p=4
3、当三相异步电动机定子绕组为p对磁极时
例：通入三相异步电动机定子绕组中的交流电频率f=50Hz,试分别求电动机磁极对数p=1、p=2、p=3、p=4时旋转磁场
的转速n1
四、三相异步电动机的旋转原理
1、分析旋转原理
2、结论：
（1）转子的转速一定要小于旋转磁场的转速n1，如果转子转速与旋转磁场的转速相等，则转子导体就不再切割旋转磁场，转子导体中就不再产生感应电动势和电流，电磁力将为零，转子就将减速。

（2）因此，异步电动机的“异步”就是指电动机转速n与旋转磁场转速n1之间存在着差异，两者的步调不一致。

（3）异步电动机的转子绕组并不直接与电源相接，而是依据电磁感应来产生电动势和电流，获得电磁转矩而旋转，因此又称为感应电动机
（4）转差率：异步电动机旋转磁场的转速n1与电动机转速n 之差与旋转磁场的转速n1之比。

下面对转差率作进一步分析：
（1）当异步电动机在静止状态或刚接上电源的一瞬间，转子转速n=0，则对应的转差率s=1
（2）如转子转速n=n1，则转差率s=0
（3）异步电动机在正常状态下运行时，转差率s在0～1之间变化
（4）三相异步电动机在额定状态下运行时，额定转差率s N 约在0.01-0.05之间，由此可以看出三相异步电动机的额定转速n N与同步转速较为接近n1
（5）当三相异步电动机空载时，转速n与同步转速n1相差很小。

转差率s很小，约为0.04-0.07
第二节三相异步电动机的结构
一、定子：指电动机中静止不动的部分，主要包括定子铁心、定子绕组、机座、端盖、罩壳等部件
1、定子铁心
2、定子绕组：作为电路电动机的电路部分，通入三相交流电即可产生旋转磁场，它是由嵌放在定子铁心槽中的线圈按
一定规则连接而成。

注意：1、小型异步电动机定子绕组一般采用高强度漆包圆铜线绕制。

2、大中型异步电动机用漆包扁铜或玻璃丝包扁铜线绕制
三相异步电动机定子绕组的主要绝缘项目有以下三种：（1）对地绝缘是指定子绕组整体与定子铁心之间的绝缘（2）相间绝缘是指各相定子绕组之间的绝缘
（3）匝间绝缘是指每相定子绕组各线匝之间的绝缘
定子三相绕组的结构完全对称，一般有6个出线端U1、U2、V1、V2、W1、W2置于机座外部的接线盒内，根据需要接成星形或三角形联结
3、机座
4、端盖
二、转子：转子铁心、转子绕组、风扇、转轴等
1、转子铁心
2、转子绕组：原来切割定子旋转磁场，产生感应电动势和
电流，并在旋转磁场的作用下受力而使转子转动，分笼型转子和绕线型转子异步电动机。

（1）笼型转子
（2）绕线型转子
三、其他附件
1、轴承
2、轴承端盖
3、风扇
四、电动机铭牌
现分别说明如下：
1、型号（Y2-132S-4）
2、额定功率：表示电动机在额定工作状态下运行时，允许输出的功率
3、额定电流：表示电动机在额定工作状态下运行时，定子
电路输入的线电流
4、额定电压：表示电动机在额定工作状态下运行时，定子电路所加的线电压
5、额定转速：表示电动机在额定工作状态下运行时的转速
6、接法
7、防护等级
8、频率
9、绝缘等级：表示电机各绕组及其他绝缘所用绝缘材料的等级
10、定额工作制：指电动机按铭牌值工作时，可以持续运行的时间和顺序。

电动机定额分连续定额、短时定额和断续定额三种，分别用S1、S2、S3表示
课堂小结：本次课介绍了三相电动机的基本结构、工作原理。

通过本次课的学习应掌握教学要求的授课内容，为下次课打好基础
作业：书面作业：P83 2-1 2-3 2-4
阅读作业：P83 2-5
课题：第五节三相异步电动机的起动
第六节三相异步电动机的调速
第七节三相异步电动机的制动
课时：2课时
课型：新课
授课方式：课堂讲授、样品展示、举例、小结、提问
目的要求：1、熟悉三相异步机的起动方法及各自优缺点。

2、了解三相异步机调速的原理。

3、掌握三相异步电动机的几种制动方法。

重点：三相异步电动机的几种起动与制动方法。

难点：三相异步机调速的原理
内容及步骤：
第五节三相异步电动机的起动
一、概述
起动是指电动机通电后转速从零开始逐渐加速到正常运转的过程。

对异步电动机的起动提出主要要求:
(1)电动机应有足够大的起动转矩。

(2)在保证一定大小的起动转矩前提下,电动机的起动电流应尽量小。

(3)起动所需的控制设备应尽量简单,价格力求低廉,操作及维护方便。

(4)起动过程中的能量损耗应尽量小。

三相笼型异步电动机的起动方式有两类,即在额定电压下的
直接起动和降低起动电压的降压起动,它们各有优点,应按具体情况正确选用。

二、三相笼型异步电动机的直接起动
所谓直接起动即是将电动机三相定子绕组直接接到额定电压的电网上来起动电动机。

直接起动的条件：
(1)容量在7.5KW以下的三相异步电动机一般均可采用直接起动。

(2)用户由专用的变压器供电时,如电动机容量小于变压器容量的20%时,允许直接起动对于不经常起动的电动机,则该值可放宽到30%。

(3)也可用经验公式来粗估电动机是否可以直接起动
最简单的直接起动控制电路可用三相刀开关和熔断器将三相笼型异步电动机直接接入交流电网。

直接起动的优点是所需设备简单,起动时间短,缺点是对电动机及电网有一定的冲击。

三、三相笼型异步电动机的降压起动
降压起动是指起动时降低加在电动机定子绕组上的电压,起动结束后加额定电压运行的起动方式。

(一)串电阻(电抗)降压起动
如图所示,电动机起动时在定子绕组中串电阻降压,起动结束后再用开关S将电阻短路,全压运行。

由于串电阻起动时,在电阻上有能量损耗而使电阻发热,故一般常用铸铁电阻片。

有时为了减小能量损耗,也可用电抗器代替。

电阻降压起动具有起动平稳、工作可靠、设备线路简单、起动时功率因数高等优点,主要缺点是电阻的功率损耗大、温升高,所以一般不宜用于频繁起动。

(二)自耦变压器(补偿器)降压起动
这种降压起动方法是利用自耦变压器来降低加在定子三相绕组上的电压,如图所示。

起动时,先合上开关Sl,再将补偿器控制手柄(即开关S2)投
向“起动”位置,这时经过自耦变压器降压后的交流电压加到电动机三相定子绕组上,电动机开始降压起动,待电动机转速升高到一定值后,再把S2投向“运行″位置,电动机就在全压下正常运行。

此时自耦变压器已从电网上被切除。

自耦变压器二次侧有2一3组抽头,其电压可以分别为一次电压U1的80%,65%或80%,60%,40%。

这种起动方法的优点：可以按容许的起动电流和所需的起动转矩来选择自耦变压器的不同抽头实现降压起动,而且不论电动机定子绕组采用星形联结或三角形联结都可以使用。

缺点：是设备体积大,投资较贵。

(三)星-三角降压起动
起动时,先把定子三相绕组作星形联结,待电动机转速升高到一定值后再改接成三角形联结。

因此这种降压起动方法只能用于正常运行时作三角形联结的电动机上。

其原理线路图如图所示。

四、绕线转子异步电动机的起动
前已叙述绕线转子异步电动机与笼型异步电动机的主要区别是绕线转子异步电动机的转子采用三相对称绕组,且均采用星形联结。

起动时通常在转子三相绕组中串可变电阻起动,也有部分绕线转子异步电动机用频敏变阻器起动。

(一)转子串电阻起动
如图所示,在绕线转子异步电动机的转子电路中串入一组可以均匀调节的变阻器,称为起动变阻器。

起动开始时,手柄置于图中所示的位置,此时全部电阻串在转子电路中,随着电动机转速的升高,逐渐将手柄按顺时针方向转动,则串人转子电路中的电阻逐渐减小,当电阻被全部切除(即电阻为零)时,电动机起动即告结束。

此法一般用于小容量的绕线转子电动机上。

当电动机容量稍大时则采用下图所示的电路,此时电阻不是均匀地减小,而是通过接触器触点或凸轮控制器触点的开闭有级地切除电阻。

电动机在整个起动过程中起动转矩较大,适合于重载起动,主要用于桥式起重机、卷扬机、龙门吊车等上面。

其主要缺点是所需起动设备较多,起动级数较少,起动时有一部分能量消耗在起动电阻上。

为克服以上缺点,又研制了频敏变阻器起动。

(二)转子串频敏变阻器起动
频敏变阻器外形结构如下图 (a)所示
当绕线转子电动机在轻载起动时,采用频敏变阻器法起动优点较明显,如重载起动一般采用串电阻起动。

第六节三相异步电动机的调速
为了实际应用的需要,异步电动机需要进行调速,所谓调速即是用人为的方法来改变异步电动机的转速。

由前面异步电动机的转差率公式(2～2)可得:
故异步电动机的调速有以下三种方法:
(1)改变定子绕组的磁极对数P——变极调速。

(2)改变供电电网的频率f——变频调速。

(3)改变电动机的转差率s。

一、变极调速
将三相异步电动机定子绕组展开图简化成如图 (a)的形式,此时U相绕组的磁极数为2p=4,若改变绕组的连接方法,使一半绕组中的电流方向改变,成为图 (b)的形式,则此时U 相绕组的磁极数即变为2p=2,由此可以得出:当每相定子绕组中有一半绕组内的电流方向改变时,即达到了变极调速的目的。

采用改变定子绕组极数的方法来调速的异步电动机称为多速异步电动机。

下面简单介绍多速异步电动机的变极原理,如图2-33所示为联结双速异步电动机定子绕组接线图。

如果没有4,5,6三个抽头即为一台三角形联结的三相异。