電機與電氣控制技術(shù)教案

第1、2課時

課題：

電磁學(xué)基礎(chǔ)知識

教學(xué)目的和要求：

補充了解磁場的基本物理量以及鐵磁材料的性質(zhì)和磁路歐姆定律，掌

握交流鐵心線圈電路中的電磁關(guān)系并了解其功率損耗情況。

重點與難點：

掌握鐵磁材料的性質(zhì)、交流鐵心線圈電路中的電磁關(guān)系及其功率損耗。

教學(xué)方法：

繪圖說明，簡單推正，結(jié)論分析，應(yīng)用介紹，案例教學(xué)。

預(yù)復(fù)習(xí)任務(wù)：

復(fù)習(xí)前期學(xué)的《電工技術(shù)基礎(chǔ)》相關(guān)知識。

一、磁路的基本物理量

磁場可由電流產(chǎn)生，用磁感線來描述。磁場的強弱可用磁感線的疏密

程度來表示。磁感線可以看成是無頭無尾的閉合曲線。

1）磁感線的回轉(zhuǎn)方向和電流方向之間的關(guān)系遵守右手螺旋法則。

2）磁感線總是閉合的，既無起點，也無終點。

3）磁場中的磁感線不會相交，因為磁場中每一點的磁感應(yīng)強度的方向

都是確定的、唯一的。

1.磁通中

磁場中穿過某一截面積A的總磁線數(shù)稱為通過該面積的磁通量，簡稱

磁通①，單位WB。

磁場中穿過某一截面積A的總磁線數(shù)稱為通過該面積的磁通量，簡稱

磁通中，單位WB。

當(dāng)線圈中通以電流后，大部分磁感線沿鐵心、銜鐵和工作氣隙構(gòu)成回

路，這部分磁通稱為主磁通；還有一部分磁通，沒有經(jīng)過氣隙和銜鐵，而

是經(jīng)空氣自成回路，這部分磁通稱為漏磁通。

磁通經(jīng)過的閉合路徑叫磁路。磁路和電路一樣，分為有分支磁路和無

分支磁路兩種類型。

2.磁感應(yīng)強度B

描述磁介質(zhì)中實際的磁場強弱和方向的物理量，是矢量，用B表示。

均勻磁場中，若通過與磁感線垂直的某面積A的磁通為①，則

B=O/A

所以磁感應(yīng)強度也稱磁通密度，單位T

3.磁場強度H

是進行磁場計算時引進的一個物理量，電流產(chǎn)生磁場外，介質(zhì)被磁化

后還會產(chǎn)生附加磁場。單位安每米。H代表電流本身產(chǎn)生的磁場的強

弱，反映了電流的勵磁能力，大小只與該電流的大小成正比，與介質(zhì)的性

質(zhì)無關(guān)；

B代表電流所產(chǎn)生的以及介質(zhì)被磁化所產(chǎn)生的總磁場的強弱，其大小

不僅與電流的大小有關(guān)，還與介質(zhì)的性質(zhì)有關(guān)。

4.磁導(dǎo)率口

磁感應(yīng)強度B與磁場強度H之比，是衡量物質(zhì)導(dǎo)磁能力的物理量。

H=B/H

?0????011約為的1000倍，各種?011為導(dǎo)磁物質(zhì)的磁導(dǎo)率。真空

的磁導(dǎo)率為。鐵磁材料的，例如鑄鋼的

?0硅鋼片的U約為

的6000?7000倍。

5.磁場儲能A/m

磁場能夠儲存能量，這些能量是在磁場建立過程中由其他能源的能量

轉(zhuǎn)換而來的。電機就是借助磁場儲能來實現(xiàn)機電能量轉(zhuǎn)換的。

二、磁性材料的性質(zhì)

1.高導(dǎo)磁性

磁性物質(zhì)的內(nèi)部存在著很多很小的區(qū)域，稱為“磁疇”，磁化前，無

外磁場的作用，雜亂無章地排列，磁場互相抵消，對外界不顯示磁性。

若將鐵磁材料放入磁場，在外磁場的作用下，磁疇的軸線趨于一致,

形成一個附加磁場，疊加在外磁場上，2

從而使合成磁場大為增強。

變壓器和電機中的磁場是由通過線圈的電流來產(chǎn)生，這些線圈都是繞

在磁性物質(zhì)（稱為鐵心）上的。采用鐵心后，在同樣的電流下，鐵心中的

磁感應(yīng)強度B和磁通中將大為增加，且比鐵心外的B和中大很多，一方面

可用較小的電流產(chǎn)生較強的磁場，另一方面可使絕大部分磁通集中在由磁

性材料限定的空間內(nèi)。

2.磁飽和性

如上圖中：oa段，外磁場H較弱，H的增加主要是與外磁場同方向的

磁疇邊界增大的過程，B的增加緩慢；ab段，外磁場H較強，主要是磁疇

沿外磁場的方向轉(zhuǎn)動的過程，B迅速增大；be段，可隨外磁場方向轉(zhuǎn)動的

磁疇越來越少，H的增加變慢，出現(xiàn)了磁飽和現(xiàn)象；cd段，類似于真空中

的情況。3.磁滯性

磁性材料都具有保留其磁性的傾向，B的變化總是滯后于H的變化，

稱磁滯現(xiàn)象。當(dāng)H降為零時，保留的磁感應(yīng)強度Br稱為剩磁強度，永久

磁鐵的磁性就是由Br產(chǎn)生的。

三、磁路的歐姆定律

正如電動勢作用在一定電阻的電路上產(chǎn)生的電流遵循歐姆定律一樣，

一定的磁動勢作用在一定磁阻的磁路上可以產(chǎn)生磁通。磁通的大小同樣遵

循磁路的歐姆定律。

當(dāng)磁路中有空氣隙存在，磁路的磁阻Rm將顯著增加。

3

四、鐵心損耗

1.磁滯損耗Ph

磁性材料被交變磁化時，磁疇之間相互摩擦，要消耗能量，對應(yīng)的功

率損耗

Ph=KhfBmV

式中a與材料的性質(zhì)有關(guān)，電工鋼的a為1.6——2.3,V為鐵心體積

2.渦流損耗Pe

磁性材料不僅是導(dǎo)磁材料，又是導(dǎo)電材料。在交變磁場作用下，鐵心

是也會產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，從而在垂直于a磁通方向的鐵心平面內(nèi)產(chǎn)生旋渦

狀的感應(yīng)電流表，稱渦流。渦流在鐵心電阻上的功率損耗稱渦流損耗。

Pe=K222

edfBmV

式中d為鋼片厚度

4

第3、4課時

課題：

變壓器的工作原理和結(jié)構(gòu)

教學(xué)目的和要求：

變壓器的一種機電能量轉(zhuǎn)換或信號轉(zhuǎn)換的電磁機械裝置。要求根據(jù)電

磁感應(yīng)原理掌握變壓器的工作原理、電力變壓器的基本結(jié)構(gòu)、電力變壓器

額定值的計算、了解電力變壓器的型號及主要系列。

重點與難點：

重點是變壓器的工作原理、電力變壓器的額定值的計算。

難點是變壓器的工作原理、電力變壓器的結(jié)構(gòu)。

教學(xué)方法：

以變壓器的廣泛應(yīng)用為切入點，以圖片和實物為依托，說明其工作原

理。繪圖說明，簡單推正，結(jié)論分析，應(yīng)用介紹。

預(yù)復(fù)習(xí)任務(wù)：

完成課后作業(yè)

?變壓器：是一種靜止的電氣設(shè)備。它是根據(jù)電磁感應(yīng)的原理，將某

一等級的交流電壓和電流轉(zhuǎn)換成同

頻率的另一等級電壓和電流的設(shè)備。

?作用：變換交流電壓、變換交流電流和變換阻抗。

一、變壓器的基本工作原理

變壓器是在一個閉合的鐵心磁路中，套上兩個相互獨立的、絕緣的繞

組，這兩個繞組之間只有磁的耦合，沒有電的聯(lián)系，如圖1-1所示。

一次繞組（也稱原繞組或初級繞組）：接交流電源；其匝數(shù)

為N1；

二次繞組（也稱副繞組或次級繞組）：接負載；其匝數(shù)為N2。

當(dāng)在一次繞組中加上交流電壓ul時在一、二次繞組中其感

應(yīng)電動勢瞬時值分別為

el??Nl

e2??N2d?dteENd?1?1?1（1-1）

dte2E2N2

5

二、變壓器的應(yīng)用與分類

1.變壓器的應(yīng)用：變壓器能夠變換交變電壓、變換交變電流、變換阻

抗。

2.變壓器的種類按用途不同主要分為：

I）電力變壓器：供輸配電系統(tǒng)中升壓或降壓用。

2）特殊變壓器：如電爐變壓器、電焊變壓器和整流變壓器等。

3）僅用互感器：如電壓互感器與電流互感器。

4）試驗變壓器：高壓試驗用。

5）控制用變壓器：控制線路中使用。

6）調(diào)壓器：用來調(diào)節(jié)電壓。

三、電力變壓器的基本結(jié)構(gòu)

電力變壓器主要由鐵心、繞組、絕緣套管、油箱及附件等部分組成。

以油浸式電力變壓器為例其基本結(jié)構(gòu)如圖1—2所示。

1.鐵心

鐵心是變壓器的磁路部分，是繞組的支撐骨架。鐵心由心柱和磁輛兩

部分組成，鐵心用厚度為0.35mm,表面涂有絕緣漆的熱軋硅鋼片或冷軋

硅鋼片疊裝而成。

2.繞組

繞組是變壓器的電路部分，常用絕緣銅線或鋁線繞制而成。工作電壓

高的繞組稱為高壓繞組，工作電壓低的繞組稱為低壓統(tǒng)組。

3.絕緣套管

絕緣套管是變壓器繞組的引出裝置，將其裝在變壓器的油箱上，實現(xiàn)

帶電的變壓器繞組引出線與接地的油箱之間的絕緣。

4.油箱及其附件

油箱安裝變壓器的鐵心與繞組。變壓器油起絕緣和冷卻作用。

電力變壓器附件還有安全氣道、測溫裝置、分接開關(guān)、吸濕器與油表

等。

四、電力變壓器的額定值與主要系列

1.額定值

⑴額定容量SN:指的是變壓器的視在功率，單位為V?A或kV?A。

a.單相變壓器的額定容量為:SN=UN1IN1=UN2IN2(1-2)

b.三相變壓器的容量為:SN=3UN1IN=3UN2IN2(1-3)

(2)額定電壓U1N和U2N

UN1為一次側(cè)繞組額定電壓，它是根據(jù)變壓器的絕緣強度和允許發(fā)熱

條件而規(guī)定的一次繞組正常工作電壓值。UN2為二次繞組額定電壓，它

是當(dāng)一次繞組加上額定電壓，二次繞組的空載電壓值。

對于三相變壓器，額定電壓值指的是線電壓，單位為V或kV。

6

(3)額定電流INI和IN2:額定電流是根據(jù)允許發(fā)熱條件所規(guī)定的繞組長

期允許通過的最大電流值，單位是A或KA。

IN1是一次繞組的額定電流；IN2是二次繞組的額定電流。對于三相

變壓器，額定電流是指線電流。額定頻率f

我國規(guī)定的標(biāo)準工業(yè)用電頻率為50HZ。.電力變壓器的型號及主要

系列

7(4)2

第5、6課時

課題：

單相變壓器的空載運行

教學(xué)目的和要求：

掌握單相變壓器的空載運行特性。

重點與難點:

重點是空載運行時電動勢平衡方程式，空載電流的作用。

難點是變壓器空載運行時的相量圖。

教學(xué)方法：

繪圖說明，簡單推正，結(jié)論分析。

預(yù)復(fù)習(xí)任務(wù)：

復(fù)習(xí)電工基礎(chǔ)相關(guān)知識，題解正弦量的正方向的規(guī)定。

變壓器的空載運行是指變壓器的一次繞組接在額定電壓的交流電源

上，而二次統(tǒng)組開路時的工作情況，如圖1-4所示。

一、空載運行時各物理量正方向的規(guī)定

正弦量的正方向通常規(guī)定如下：

1）電源電壓U正方向與其電流I正方向采用關(guān)聯(lián)方向，即兩者正方向

一致。

2）繞組電流I產(chǎn)生的磁通勢所建立的磁通u,這二者的正方向符合右

手螺旋定則。

3）由交變磁通u產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢產(chǎn)，二者的正方向符合右手螺旋

定則，即它的正方向與產(chǎn)生該磁通的電流正方向一致。

由上述規(guī)定，在圖1-4中標(biāo)出各電壓、電流、磁通、感應(yīng)電動勢的正

方向如圖中所示。

OOOO

8

二、感應(yīng)電動勢與漏磁電動勢

1.感應(yīng)電動勢

若主磁通，u=Omsincot,則一、二次繞組感應(yīng)電動勢瞬時值為:

其有效值為：El=4.44fNlOm(1-5)

E2=4.44fN2m(1-6)

相量表示為：El??j4.44fNl?m(1-7)??

E2??j4.44fN2?m(1-8)

2.漏磁電動勢

變壓器一次繞組漏磁感應(yīng)電動勢E。1為：E。l=-jllOoLl=-j110X1

??oooo

三、變壓器空載運行時的電動勢平衡方程式和電壓比

一次繞組電動勢平衡方程式：

???????Ul??El?E?l?llORl??El?llORl?jllOXl(1-9)

Ul??El??j4.44fNl?m(1-10)

二次繞組的端電壓等于其感應(yīng)電動勢：？?？

U207E2(1-11)

變壓器一次繞組的匝數(shù)NI與二次繞組匝數(shù)N2之比稱為變壓器的電壓

比k,即

k=Nl/N2=El/E2^Ul/U2

(1-12)

當(dāng)N2>N1時，k<l,則U2>U1,為升壓變壓器；若N2<N1,k>l,

則U2<U1,為降壓變壓器。若改變電壓比k,即改變一次或二次繞組匝數(shù)，

則可達到改變二次繞組輸出電壓時目的。

四、空載電流和空載損耗

變壓器空載運行時，空載電流110分解成兩部分：

1.無功分量I10Q,用來建立磁場，起勵磁作用，其與主磁通同相位；

2.有功分量I10P,用來供給變壓器鐵心損耗，其相位超前主磁通約

90o0?????

即

I1O?I1OP?I1OP

五、變壓器空載運行時的相量圖

???

9

第7、8課時

課題：

單相變壓器的負載運行

教學(xué)目的和要求：

與空載運行時相比較，掌握單相變壓器的負載運行特性，強調(diào)變壓器

的三個變換特性以及運行特性。

重點與難點：

重點是負載運行時的磁通勢平衡方程式和電動勢平衡方程式，變壓器

的作用，電壓變化率。

難點是負載運行時的基本方程式，變壓器負載運行時的相量圖。

教學(xué)方法：

繪圖說明，簡單推正，結(jié)論分析。

預(yù)復(fù)習(xí)任務(wù):

復(fù)習(xí)單相變壓器空載運行時的特性，預(yù)習(xí)本節(jié)內(nèi)容，作比較分析。

變壓器的負載運行：是指變壓器在一次繞組加上額定正弦交流電壓,

二次繞組接負載ZL的情況下的運行狀態(tài)，如圖1-6所示。

一、負載運行時的各物理量

負載運行時一、二次電流關(guān)系

?I1??(N1N2).I2

??(1-14)上式表明變壓器負載運行時，二

次電流的變化同時引起一次電流的變化。

二、變壓器負載運行時的基本方程式

1.磁通勢平衡方程式

10

(1)變壓器負載運行時磁通勢平衡方程式為

F??

1?F2?F?

10

I???

1N1?I2N2?I1ON1(1-15)

(2)電流平衡方程式為

??????

I?N??I?

1?110????22???(1-16)

?NI2?

l???llO????k??llO?HL

???

忽略110時，一、二次繞組電流有效值關(guān)系為

Il=l2/k(1-17)

2.電動勢平衡方程式

O

二次繞組中漏磁電動勢E。2即：

E???

?2??jl2?L2??jl2X2(1-18)

負載運行時的一、二次繞組的電動勢平衡方程式為

l??El?IRl?jllXl??El?HZl(l-19)

2??E2?l2R2?jl2X2?E2?l2Z2(l-20)

??

U2?I2ZL(1-21)

綜上所述，變壓器負載運行時的基本方程式有

I???

1N17I2N27I10N1

l??El?llRl?jllXl??El?HZl

U?

2?l2R2?jl2X2?E2?l2Z2

El?kE2

I?I2

k

U??

2?I2ZL

三、變壓器負載運行時的相量圖

四、變壓器的作用

通過對變壓器負載運行的分析，可以清楚地看出變壓器具有變電壓、

變電流、變阻抗的作用。

1.變換電壓

Ul/U2^El/E2=k=Nl/N2

2.變換電流

ll/l2^N2/Nl=l/k

11

3.

'變換阻抗Ul(Nl/N2)U2?Nl?2?(l-22)

Z????Z?kZLLL?ll(N2/Nl)l2?N?2?'上式表明，經(jīng)變壓器把負載阻抗ZL變

換為ZL。通過選擇合適的電壓比k,可把實際負載阻抗變換為所需2的阻

抗值，這就是變壓器的變換阻抗作用。

五、變壓器的運行特性

變壓器運行特性主要有：

(1)外特性(2)效率特性。

1.變壓器的外特性和電壓變化率

⑴變壓器的外特性：

是指在一次繞組加額定電壓，負載功

率因數(shù)cosU2為額定值時，二次繞組端電

壓U2隨負載電流12的變化關(guān)系,即U2=f(l2)

曲線，如圖1-9所示。

在純電阻負我時，電壓變化較??；為感性負我時，電壓變化較大；而

在容性負載時，端電在可能出現(xiàn)隨負載電流的增加反而上升，如圖1-9中

曲線3所示。

⑵電壓變化率

?U%?U

2N?U2?100%U2N

2.變壓器的效率特性

變壓器的效率特性：是指負載功率因數(shù)cosu2不變的情況下，變壓

器效率隨負載電流變化的的關(guān)系，即曲線n=f(l2),如圖1-10所示。

對于電力變壓器，最大效率出現(xiàn)在12=(0.5?0.75)I2N時，其額定

效率nN=0.95-0.99o

12

第9、10課時

課題:

三相變壓器

教學(xué)目的和要求：

掌握三相變壓器的聯(lián)結(jié)組別和變壓器的并聯(lián)運行條件，會用試驗方法

來確定繞組的同名端。

重點與難點：

重點是掌握三相變壓器繞組的聯(lián)結(jié)法，會確定繞組的同名端。

難點是用時鐘法來分析判別三相變壓器的聯(lián)結(jié)組別，掌握三相變壓器

的并聯(lián)運行條件。

教學(xué)方法：

以三相變壓器的廣泛應(yīng)用為切入點，以圖片和實例為依托說明其工作

原理，繪圖說明三相變壓器的同名端的確定、聯(lián)結(jié)組別的判定。

預(yù)復(fù)習(xí)任務(wù)：

復(fù)習(xí)單相變壓器的工作原理、結(jié)構(gòu)，預(yù)習(xí)三相變壓器的相關(guān)內(nèi)容，比

較歸納。

?三相變壓器組：是由三個單相變壓器按一定方式連接在一起組成的。

?三相心式變壓器：將三個鐵心柱用鐵輾連在一起來構(gòu)成三相心式變

壓器。

一、三相變壓器的磁路系統(tǒng)

二、三相變壓器的電路系統(tǒng)

三相變壓器的電路系統(tǒng)是指三相變壓器各相的一次統(tǒng)組、二次繞組的

連接情況。三相變壓器繞組的首端和尾端的標(biāo)志規(guī)定如表1-1所示。

13

三相變壓器繞組的聯(lián)結(jié)有星形和三角形兩種聯(lián)結(jié)方式。如圖l-13a所

zj\O

用字母Y或y分別表示一次繞組或二次繞組的星形聯(lián)結(jié)。若同時也把

中點引出，則用YN或yn表示，

用字母D或d分別表示一次統(tǒng)組或二次繞組的三角形聯(lián)結(jié)。我國生產(chǎn)

的電力變壓器常用Yyn、Yd、YNd、Dyn等四種聯(lián)結(jié)方式，其中大寫字母表

示一次繞組的聯(lián)結(jié)方式，小寫字母表示二次繞組的聯(lián)結(jié)方式。

高低壓繞組相電動勢的相位關(guān)系：

1.同名端

兩個繞組中電動勢極性相同的兩個端點

2.單相變壓器的聯(lián)結(jié)組

IIO116

3.三相變壓器聯(lián)結(jié)組標(biāo)號的確定

(1)觀察繞組聯(lián)結(jié)圖，判斷聯(lián)結(jié)方式；

(2)聯(lián)結(jié)圖上標(biāo)出高低壓繞組的相電動勢和線電動勢

參考方向：末端指向首端

(3)畫出高壓繞組的電動勢相量圖

繞組為星形時，先確定相電動勢，再確定線電動勢，相電動勢相量畫

成星形；

繞組為三角形時，先確定線電動勢，再確定相電動勢，相電動勢相量

畫成三角形。

(4)畫出低壓繞組的電動勢相量圖

都先畫相電動勢，再畫線電動勢相量，星形聯(lián)結(jié)時，相電動勢相量畫

成星形；三角形聯(lián)結(jié)時，相電動勢相量畫成三角形。

(5)判斷聯(lián)結(jié)組號，寫出聯(lián)結(jié)組

三、變壓器的并聯(lián)運行

14

變壓器并聯(lián)運行條件：

1.并聯(lián)運行的各臺變壓器的額定電壓與電壓比要相等。

2.并聯(lián)運行變壓器的聯(lián)結(jié)組別必須相同。

3.并聯(lián)運行的各變壓器的短路阻抗的相對值要相等。

15

第11、12課時

課題：

其他用途的變壓器

教學(xué)目的和要求：

掌握自耦變壓器的工作原理和應(yīng)用。

掌握電壓互感器、電流互感器的使用。

掌握弧焊變壓器的使用條件。

重點與難點：

重點是自耦變壓器的工作原理和電壓互感器、電流互感器使用時的注

意事項和要求。

難點是帶電抗器和帶磁分路的弧焊變壓器的調(diào)節(jié)電流原理。

教學(xué)方法:

繪圖說明，簡單推正，結(jié)論分析。

預(yù)復(fù)習(xí)任務(wù)：

課后習(xí)題的完成。

本節(jié)介紹常用的自耦變壓器、儀用互感器和弧焊變壓器的工作原理及

特點。

一、自耦變壓器

1.自耦變壓器的結(jié)構(gòu)特點是：一、二次繞組共用一個繞組。如圖I—

20所示。對于降壓自耦變壓器，一次繞組的一部分充當(dāng)二次繞組；對于升

壓自耦變壓器，二次繞組的一部分充當(dāng)一次繞組。

因此自耦變壓器一、二次繞組之間既有磁的聯(lián)系，又有電的直接聯(lián)系。

將一、二次繞組共用部分的繞組稱為公共繞組。下面以降壓自耦變壓器為

例分析其工作原理。

2.自耦變壓器的電壓比

k=Ul/U20^El/E2=Nl/N2

3.自耦變壓器的變流公式

???H??(N2Nl)l2??l2/k(1-24)

4.自耦變壓器的輸出視在功率(即容量)為

S=U2l2=U2(l+ll)=U2l+U2ll=U2l2(l-l/k)+U2ll(1-25)

5.使用注意事項

16

(1)在低壓側(cè)使用的電氣設(shè)備應(yīng)有高壓保護設(shè)備，以防過電壓；

(2)有短路保護措施。

6.種類：自耦變壓器有單相和三相兩種。

一般三相自耦變壓器采用星形接法。圖1-21為三相自耦變壓器原理圖。

如果將自耦變壓器的抽頭做成滑動觸頭，就成為自耦調(diào)壓器，常用于

調(diào)節(jié)試驗電壓的大小。圖1-22為常用的環(huán)形鐵心單相自耦調(diào)壓器原理圖。

二、儀用互感器

儀用互感器：供測量用的變壓器?？煞譃殡妷夯ジ衅骱碗娏骰ジ衅?。

1.電壓互感器

(1)電壓互感器：實質(zhì)上是一個降壓變壓器。

圖1-23為電壓互感器原理圖。

它的一次繞組N1匝數(shù)很多，直接并接在被測的

高壓線路上，二次統(tǒng)組N2匝數(shù)較少，接電壓表或其

他儀表的電壓線圈。

(2)使用電壓互感器時，應(yīng)注意以下幾點：

a.電壓互感器在運行時二次繞組絕不允許短路，否則短路電流很大，

會將互感器燒壞。為此在電壓互感器二次側(cè)電路中應(yīng)串聯(lián)熔斷器作短路保

護。

b.電壓互感器的鐵心和二次繞組的一端必須可靠接地，以防一次高壓

繞組絕緣損壞時，鐵心和二次繞組帶上高電壓而觸電。

c.電壓互感器有一定的額定容量，使用時不宜接過多的儀表，否則將

影響互感器的準確度。

17UlN?l?kuU2N2UU2?lku(l-26)

2.電流互感器

(1)電流互感器：一次繞組匝數(shù)NI很少，一般只有一匝到幾匝；二

次繞組匝數(shù)很多。使用時一次繞組串接在被測線路中，流過被測電流，而

二次繞組與電流表或儀表的電流線圈構(gòu)成閉合回路，如圖1—24所示。

I1N2?

?kll2Nl

11271

ki(1-27)

由于電流互感器二次繞組所接儀表阻抗很小，二次繞組相當(dāng)于短

路，因此電流互感器運行情況相當(dāng)于變壓器短路運行狀態(tài)。

(2)使用電流互感器時，應(yīng)注意以下幾點：

a.電流互感器運行時二次繞組絕不許開路。電流互感器的二次繞

組電路中絕不允許裝熔斷器。在運行中若要拆下電流表，應(yīng)先將二次

繞組短路后再進行。

b.電流互感器的鐵心和二次繞組的一端必須可靠接地。以免絕緣

損壞時，高壓側(cè)電壓傳到低壓則，危及儀表及人身安全。

c.電流表內(nèi)阻抗應(yīng)很小，否則影響測量精度。

三、弧焊變壓器

弧焊變壓器實質(zhì)上是一臺特殊的降壓變壓器。

1.對弧焊變壓器提出以下要求：

I)為保證容易起弧，空載電壓應(yīng)在60—75V之間。

2)負載運行時具有電壓迅速下降的外特征，如圖1—25所示。一般在

額定負載時輸出電壓在30V左右。

3）焊接電流可在一定范圍內(nèi)調(diào)節(jié)。

4）短路電流不應(yīng)過大，且焊接電流穩(wěn)定。

2.如何滿足上述要求：

弧焊變壓器具有較大的電抗，且可以調(diào)節(jié)。為此弧焊變壓器的一、二

次繞組分裝在兩個鐵心柱上。為獲得電壓迅速下降的外特性，以及弧焊電

流可調(diào)，可采用串聯(lián)可變電抗器法和磁分路法，由此滋生出帶電抗器的弧

焊變壓器和帶磁分路的弧焊變壓器。

18

第13、14課時

課題：

三相異步電動機的結(jié)構(gòu)與原理

教學(xué)目的和要求：

掌握三相異步電動機的基本結(jié)構(gòu)與工作原理，電動機的銘牌數(shù)據(jù)。會

用轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)差率的公式計算有關(guān)參數(shù)。

重點與難點：

重點是掌握三相異步電動機的基本結(jié)構(gòu)與工作原理。

難點旋轉(zhuǎn)磁場的理解。

教學(xué)方法：

以三相異步電動機的廣泛應(yīng)用為切入點，以多媒體課件圖片和實例為

依托掌握三相異步電動機的結(jié)構(gòu)，繪圖說明三相異步電動機的工作原理,

介紹旋轉(zhuǎn)磁場的建立，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動的條件，轉(zhuǎn)向、轉(zhuǎn)速等問題。

預(yù)復(fù)習(xí)任務(wù):

課后復(fù)習(xí)理解旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速、電機轉(zhuǎn)速的區(qū)別；完成課后作業(yè)。

旋轉(zhuǎn)電機分類：按工作方式不同，可分為直流發(fā)電機

直流電機直流電動機感應(yīng)（異步）電動機

旋轉(zhuǎn)電機交流電機感應(yīng)（異步）發(fā)電機

同步電機同步發(fā)電機

同步電動機

同步補償機

其中，異步電動機按相數(shù)不同，可分為三相異步電動機和單相異步電

動機；按轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)不同，可分為籠型和繞線轉(zhuǎn)子型，其中籠型三相異步電

動機由于具有結(jié)構(gòu)簡單、運行可靠、效率高、制造容易、成本低等優(yōu)點得

到廣泛應(yīng)用。

一、三相異步電動機的結(jié)構(gòu)：

三相異步電動機主要結(jié)構(gòu)包括：靜止的定子、旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子以及兩者之

間的氣隙。

1.定子---定子鐵心、定子繞組、機座

19

1）定子鐵心：

作用：形成磁路

組成：0.5mm硅鋼片疊制。直徑大于1米的鐵心用扇形片拼成

槽型：半閉口槽（小型電機）、半開口槽（低壓中型）、開口槽（大型）

2）定子繞組：

作用：電路部分，感應(yīng)電勢

組成：圓銅線或扁銅線，導(dǎo)線線徑小于1.53mm,散下線；成形線圈

（大電機）。

3）機座：

作用:機械支撐

結(jié)構(gòu)：中小型電機鑄鐵；大型用鋼板焊接。

4）氣隙--0.2mm?1.5mm,作用是磁場耦合

因為磁勢大部分都消耗在氣隙上，氣隙小則電機的空載磁化電流就小,

功率因數(shù)高?？紤]到機械的原因，氣隙又不能太小。

2.轉(zhuǎn)子-一轉(zhuǎn)子鐵心、轉(zhuǎn)子繞線或鼠籠繞組、軸

1）轉(zhuǎn)子鐵心

作用：磁路的一部分

組成：0.5mm硅鋼片疊制。中小型電機轉(zhuǎn)子鐵心直接疊裝在軸上；大

電機則用轉(zhuǎn)子支架。

2）轉(zhuǎn)子繞組

作用：感應(yīng)電勢、流過電流產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩

結(jié)構(gòu)：中小型電機用鑄鋁轉(zhuǎn)子鼠籠結(jié)構(gòu)；繞線電機用銅導(dǎo)線，利用滑

環(huán)和電刷外接起動設(shè)備。

3.接線:對于三相異步電動機定子繞組可以接成星形或三角形。

定子接線方式：

4.分類與用途

20

二、三相異步電動機工作原理：

定子三相對稱繞組通入三相對稱電流，產(chǎn)生同步轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)的氣隙磁場。

轉(zhuǎn)子導(dǎo)體運動（相對磁場，磁場轉(zhuǎn)速快）切割磁力線，產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，

進而產(chǎn)生電流。電流與氣隙磁場的相互作用產(chǎn)生與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)向相同的拖動轉(zhuǎn)

矩。電機從電網(wǎng)吸收電功率，經(jīng)過氣隙的耦合作用從軸上輸出機械功率。

（一）三相交流電的旋轉(zhuǎn)磁場

1.旋轉(zhuǎn)磁場的產(chǎn)生

二極電動機旋轉(zhuǎn)磁場的產(chǎn)生

21

四極電動機旋轉(zhuǎn)磁場

2.旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速

旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速為同步速

60

flnl?P

3.旋轉(zhuǎn)磁場的旋轉(zhuǎn)方向

旋轉(zhuǎn)磁場由超前相電流所在的相繞組軸線轉(zhuǎn)向滯后相電流所在的相

繞組軸線。改變電流相序，則旋轉(zhuǎn)磁場改變方向。

4.三相合成磁場的性質(zhì)：

1）電流變化一個周期，即360電角度時，旋轉(zhuǎn)磁場在空間上轉(zhuǎn)過同

樣數(shù)值的電角度。

22

2）旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速為同步速

nl?60fl

p

3）旋轉(zhuǎn)磁場由超前相電流所在的相繞組軸線轉(zhuǎn)向滯后相電流所在的

相繞組軸線。

4）改變電流相序，則旋轉(zhuǎn)磁場改變方向。

總之，對稱三相繞組通過對稱三相電流，產(chǎn)生氣隙旋轉(zhuǎn)磁場。

（二）轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動

1.轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動的原理

轉(zhuǎn)子則切割磁力線而產(chǎn)生電流

（右手定電流I方向）

?電流在磁場中切割磁力線而產(chǎn)

生力及力矩（左手定方向）

?它與nO方向相同，使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動起來

?在轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動中，n比nO小

2.轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速n、轉(zhuǎn)差率s

S?nl?

n

nl

三、三相異步電動機的銘牌及主要系列。

1.型號

2.額定值

①額定功率PN:電動機在額定情況下運行，由軸端輸出的機械功率,

單位為W,kWo②額定電壓UN:電動機在額定情況下運行，施加在定子

繞組上的線電壓，單位為V。③額定頻率fN：50HZo

④額定電流IN：電動機在額定電壓、額定頻率下軸端輸出額定功率時，

定子繞組的線電流，單位為A。⑤額定轉(zhuǎn)速nN：電動機在額定電壓、額定

頻率、軸端輸出額定功率時，轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速，單位為r/min。對于三相異步

電動機，額定功率：

PN?3UNIN?Ncos?N

23

第15、16課時

課題：

三相異步電動機的運行

教學(xué)目的和要求：

三相異步電動機負載與空載運行時相比較，掌握三相異步電動機負載

運行時的各物理量變化。

重點與難點：

重點是空載與負載運行時的磁通勢平衡方程式和電動勢平衡方程式，。

難點是運行時的基本方程式，負載運行時轉(zhuǎn)子各物理量與轉(zhuǎn)差率的關(guān)

系。

教學(xué)方法：

繪圖說明，簡單推正，結(jié)論分析。

預(yù)復(fù)習(xí)任務(wù)：

復(fù)習(xí)變壓器空載與負載運行時的特性，預(yù)習(xí)本節(jié)內(nèi)容，作比較分析。

一、三相異步電動機的空載運行

電動機空載運行是指電動機軸上沒有帶任何負載，故電動機的轉(zhuǎn)速n

非常接近旋轉(zhuǎn)磁場的同步轉(zhuǎn)速nl,n^nl,即轉(zhuǎn)子與旋轉(zhuǎn)磁場相對轉(zhuǎn)速接

近于零，因此可認為E2^0,則12心0,空載運行時，電動機定子空載電流

10近似等于勵磁電流。其主要作用是產(chǎn)生三相旋轉(zhuǎn)磁通勢，同時也提供空

載損耗，即定子繞組銅損、鐵心損耗和轉(zhuǎn)子的機械摩擦損耗等。

旋轉(zhuǎn)磁場產(chǎn)生的電動機每極磁通中m在定子繞組中產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢:

El=-j4.44flNlKlOm

異步電動機定子電流產(chǎn)生的磁通中除主磁通中m與定子繞組、轉(zhuǎn)子繞

組交鏈外，還有部分磁通僅與定子繞組交鏈而不進入轉(zhuǎn)子磁路，這部分磁

通稱為定子漏磁通中a1,它將在定子繞組中產(chǎn)生漏感電動勢E

表示為：

Eal=-jlOXal

因為lOXol<<El,可忽略不計，則:Ul^-El,Ul^El=4.44flNlKl

①m

由上式可知，當(dāng)電源頻率一定時，電動機的每極磁通中m僅與外加電

壓U1成正比。一般情況，電源電壓為額定值，所以每極磁通中m基本是

一恒定值，負載變化時，①m也基本不變。

三相異步電動機空載運行時的電磁現(xiàn)象，電壓平衡方程式與變壓器基

本相似，但變壓器是靜止的不存在機械摩擦損耗，也基本上不存在氣隙。

所以三相異步電動機的空載電流比變壓器的空載電流大的多。在大、中型

容量的異步電動機中，10占額定電流的10%?35%；在小容量的電動機中，

則占35%?50%,甚至60%。因此空載時，異步電動機的漏抗壓降占額定

電壓的2%?5%,而變壓器的漏抗壓降不超過0.5%。al用漏感抗壓降

24

二、三相異步電動機的負載運行

三相異步電動機的負載運行時，由于負載轉(zhuǎn)距的影響，實際轉(zhuǎn)速低于

理想同步轉(zhuǎn)速，若負載轉(zhuǎn)距不變，電機穩(wěn)定運行時個物理量的關(guān)系如下：

（一）、轉(zhuǎn)子繞組的各電磁量

1.轉(zhuǎn)子電動勢的頻率：f2?sfl；正常運行時，f2?0.5?3Hz；

2.轉(zhuǎn)子繞組的感應(yīng)電動勢：E2S?4.44f2N2kw2??sE2；

3.轉(zhuǎn)子繞組的電阻和漏抗：忽略集膚效應(yīng)，認為不變己不變；

x2S?2?f2L2?2?sflL2?sx2；

??

?

4.轉(zhuǎn)子繞組的電流：正常運行時，轉(zhuǎn)子端電壓U2SSE2

2=0,I2?E

r?

2?jx2Sr2?jsx2

有效值：12

2?sE

r2?（sx2；

22）

結(jié)論：轉(zhuǎn)子電流12隨S的增加而增加。

5.轉(zhuǎn)子繞組的功率因數(shù)：cos?r2

2?r2?(sx2

22)

結(jié)論：轉(zhuǎn)子功率因數(shù)隨S的增加而減小。

6.轉(zhuǎn)子磁動勢的轉(zhuǎn)速：2

2相對轉(zhuǎn)子速度：n2?60f

p?60?sfl

p?snl

2相對定子速度：n2?n?snl?n?nl結(jié)論:1與2相對靜止。

(二)、磁動勢平衡方程

1.磁動勢形式：?1??2??0

2.電流形式：I1?IO?I1L

**定性分析方程的物理意義：

(三)、電動勢平衡方程

???

1.方程：Ul??El?ll(r

??l?jxl)

0?E2S?l2(r

?2?jx2S)

?

El??IO(rm?jx?

m)??IOZm

2.Zm的物理意義與變壓器的相同，但由于氣隙的存在，比變壓器的小。

25；

第17、18課時

課題：

三相異步電動機的工作特性與電磁轉(zhuǎn)矩特性

教學(xué)目的和要求：

了解三相異步電動機的工作特性，掌握三相異步電動機工作特性中的

功率因數(shù)特性、效率特性與電磁轉(zhuǎn)矩的表達式。

重點與難點：

重點與難點是定性分析工作特性中的功率因數(shù)特性、效率特性與電磁

轉(zhuǎn)矩表達式。

教學(xué)方法：

繪圖說明，簡單推正，結(jié)論分析。

預(yù)復(fù)習(xí)任務(wù)：

電動機效率的計算與電磁轉(zhuǎn)矩的計算。

一、三相異步電動機的工作特性

工作特性指：額定電壓和額定頻率下，n,?,cos?l,T2,ll?f(P2)的關(guān)系。

它可以由電機參數(shù)計算出來也可以試驗測試出來。

1.轉(zhuǎn)差率特性s?f(Pp

2)s?cu2

P

em

空載時,P2=0,1220,pcu2仁0,pcu2?sPem,s^O,n^nl

12

2??pcu2???mll2'R2'

負載時，負載電流增加，所以P

?P2??s?

em??mlE2'l2'cos?2

一般s(0.01?0.05)n=(l-s)nl=(0.99~0.95)nl,n=f(p2)是一條下降曲線。

2.效率特性??f{P??P

2)2p

P?l?

1P1

空載時,P2=0,?=0

負載時，負載小損耗增加緩慢，效率快速上升，直到不變損耗=可變

損耗，效率達到最大。

?p?(pcul?pcu2?pad)??pFe?pmec?,負載繼續(xù)增加，兩個銅耗增加很快,

使效率下降。

異步電動機效率?>70%,效率通常在(1/4?3/4)PN時達到最大。

3,功率因數(shù)特性cos?l?f(P2)

26

空載時，定子電流基本上是勵磁電流，它是無功電流，所以空載功率

因數(shù)非常低，小于0.2。

負載時，隨著輸出功率增加，定子電流有功分量加大，在額定負載左

右達到最大值。超過額定負載后，轉(zhuǎn)差變大，P2??s???2?arctan

sX2?

R??cos?2??cos?l?2

4.轉(zhuǎn)矩特性T2?f(P2)TP2?

2

P2??T2?因為轉(zhuǎn)速變化很小。5.定子電流特性l?f(P.

.12)10?11?

12

'

空載時，P2=0,12=^0,I.

1?10

負載時，負載電流增加，I.

,1?10?(?12

'

)定子電流增加。

2異步電動機工作特性圖二、三相異步電動機的

電磁轉(zhuǎn)距特性(一)、物理表達式

物理表達式描述了電磁轉(zhuǎn)矩與磁通、轉(zhuǎn)子有功電流的關(guān)系，即

Tem?CM?ml2cos?2

T?PemmlE2'l2'

cos?em

2ml2?flNlkNl?m?

I2'

cos?2?pmlNlkN????ll

2?n??l???l??ml2'

cos?2?Cm?ml2cos?2??

式中，CpmM?

lNlkNllpm2N2kN2

2k?l2?kil2'

稱為異步電動機轉(zhuǎn)矩常數(shù)

i2

（二卜參數(shù)表達式

mRlpU12

2'

參數(shù)表達式描述了電磁轉(zhuǎn)矩與參數(shù)的的關(guān)系，即Tem?

?

2?f?R22'?l????R???X?'?ls??l?X2?

?

2

???

???

27

???'?P?ml'2R212?ems?Ul?'0

為：?l2?2'???R'?Rl?2??Xl??X2???s????????2?fl?lp?所以

Tem???2Pem得上式?1

討論Tem?f(s)曲線,即轉(zhuǎn)矩特性：其他參數(shù)一定，Tem?f(s)分析：異

步電動機