第10章变压器和交流电动机教案.doc

章节名称101变压器的构造、和基本原理授课形式讲授课时3班级教学目的了解变压器的结构、组成。理解变压器的变化电压、电流、阻抗和相位的原理。教学重点变压器的构造，变化电压、阻抗的原理。教学难点变压器的外特性，及阻抗变化的意义。辅助手段多媒体演示变压器电压变化实验课外作业课后习题教学过程学生观察回答引入课题导入新课观察在左侧接上交流电，右侧的灯泡可以发光，灯泡与电源之间有没有导线相连？没有，那为什么灯泡可以发光？观察右侧灯泡发光和灯泡直接接电源发光的亮度是否一样那？不一样，那又是为什么啊？ 从实验观察可知，灯泡与电源之间没有导线相连，灯泡接右侧和直接接电源，发光亮度不一样。我们把这种特殊的电器设备称变压器。变压器这种设备的工作是互感现象在生活中的应用。变压器是利用互感原理工作的电磁装置，图形符号如下图，T是它的文字符号。导入教学过程讲解新课一、变压器作用： 日常生活中，常常需要各种不同的交流电压，如工厂的380V或220V,机床、电钻需要36V，电子设备的各种电压，高压输电的110KV、220KV。这些电压不可能用多组线路来输送，实际上就是靠变压器来变换得到。变压器的结构：二、变压器的基本构造变压器主要由铁心和线圈两部分构成。铁心是变压器的磁路通道，是用磁导率较高且相互绝缘的硅钢片制成，以便减少涡流和磁滞损耗。按其构造形式可分为心式和壳式两种，如图11-2(a)、(b)所示。图11-2 心式和壳式变压器线圈是变压器的电路部分，是用漆色线、沙包线或丝包线绕成。其中和电源相连的线圈叫原线圈(初级绕组)，和负载相连的线圈叫副线圈(次级绕组)。三、拆卸废旧变压器：1、观察图示拆卸废旧变压器过程，发现什么？2、初级线圈与次级线圈之间确实没有电路相连，那么它们之间是怎么传递电能的，初级电压与次级电压有什么关系？四、变压器的工作原理变压器是按电磁感应原理工作的，原线圈接在交流电源上，在铁心中产生交变磁通，从而在原、副线圈产生感应电动势，如图10-3所示。1变换交流电压原线圈接上交流电压，铁心中产生的交变磁通同时通过原、副线圈，原、副线圈中交变的磁通可视为相同。设原线圈匝数为N1，副线圈匝数为N2，磁通为F ，感应电动势为图11-3 变压器空载运行原理图由此得 忽略线圈内阻得上式中K称为变压比。由此可见：变压器原副线圈的端电压之比等于匝数比。如果N1 N2，K N2，K 1，电压下降，称为降压变压器。2变换交流电流根据能量守恒定律，变压器输出功率与从电网中获得功率相等，即P1 = P2，由交流电功率的公式可得U1I1 cosj1= U2I2 cosj2式中cosj1原线圈电路的功率因数；cosj2副线圈电路的功率因数。j1，j2相差很小，可认为相等，因此得到U1I1 = U2I2可见，变压器工作时原、副线圈的电流跟线圈的匝数成反比。高压线圈通过的电流小，用较细的导线绕制；低压线圈通过的电流大，用较粗的导线绕制。这是在外观上区别变压器高、低压饶组的方法。3变换交流阻抗设变压器初级输入阻抗为|Z1|，次级负载阻抗为|Z2|，则 可见，次级接上负载|Z2|时，相当于电源接上阻抗为K2|Z2|的负载。变压器的这种阻抗变换特性，在电子线路中常用来实现阻抗匹配和信号源内阻相等，使负载上获得最大功率。例题分析【例10-1】有一电压比为220/110 V的降压变压器，如果次级接上55 W 的电阻，求变压器初级的输入阻抗。解1：次级电流 初级电流 输入阻抗 解2：变压比 输入阻抗 图10-4 例10-2图【例10-2】有一信号源的电动势为1V，内阻为600 W，负载电阻为150 W。欲使负载获得最大功率，必须在信号源和负载之间接一匹配变压器，使变压器的输入电阻等于信号源的内阻，如图10-4所示。问：变压器变压比，初、次级电流各为多少?解:负载电阻 R2 = 150 W，变压器的输入电阻R1 = R0 = 600 W，则变比应为初、次级电流分别为五、变压器的外特性和电压变化率图10-5 变压器外特性曲线1变压器的外特性变压器外特性就是当变压器的初级电压U1和负载的功率因数都一定时，次级电压U2随次级电流I2变化的关系，如图11-5所示。由变压器外特性曲线图可见：(1) I2 = 0时，U2 = U2N。(2) 当负载为电阻性和电感性时，随着I2的增大，U2逐渐下降。在相同的负载电流情况下，U2的下降程度与功率因数cosj 有关。(3) 当负载为电容性负载时，随着功率因数cosj 的降低，曲线上升。所以，在供电系统中，常常在电感性负载两端并联一定容量的电容器，以提高负载的功率因数cosj。2电压的变化率电压变化率是指变压器空载时次级端电压U2N和有载时次级端电压U2之差与U2N的百分比。即： 电压变化率越小，为负载供电的电压越稳定。练习课堂练习:1、为了安全，机床上的照明灯用电压是36V，这个电压是220V的电压降压后得到的，如果变压器的一级绕组是1210匝，二次绕组的匝数是多少？用这台变压器给40W的白炽灯供电，如果不考虑变压器本身的损耗，一次、二次绕组的电流各是多少？练习突出层次性，第1、2题是基础性练习，第3题是应用性练习。2、某晶体管收音机的输出变压器，其一次绕组匝数为230匝，二次绕组匝数为80匝，原配接音圈阻抗为16欧姆的扬声器，现在改接4欧姆的扬声器，问一次绕组不变的情况下，二次绕组应该如何改动？3、一台理想变压器的一次电压为3000V，变压比为25，其二次电压为多少？若二次负载电阻为20欧姆，则二次电流为多少，一次电流为多少？小结师生共同完成本节课在理解变压器工作原理的基础上，总结了计算变换电压、电流和阻抗的方法。同时也讨论了变压器的构造，使用情况和有负载与无负载的条件下的输出状态。作业思考：在现实中，任何电器设备都有损耗，变压器也不例外，会发热。那么，这时候变换电压、电流和阻抗的情况又会是怎样那，我们看到了一些常用的变压器，那到底有那些种类的变压器是我们经常使用的？解析重点，突破难点引入课题，导入新课 章节名称102变压器的功率和效率，常见变压器，额定值与检验授课形式讲授课时3班级教学目的1、理解变压器的效率和功率，掌握在计算变压器损耗的情况下的计算方法。2、了解常见变压器，理解变压器的额定值和检验方法。教学重点1、 变压器的效率和功率2、 掌握有损耗情况下的变压器变换计算方法。教学难点1、 有损耗情况下的阻抗变换计算方法2、 自耦变压器的原理和有关计算方法。辅助手段多媒体演示实验课外作业课后习题教学过程复习提问 ：1、师：变压器变换电压、电流、阻抗的原理是什么？生：电压之比等于匝数之比，电流之比与匝数之比成反比，阻抗之比是匝数之比的平方。2、现实中的变压器都会发热，有的变压器发热很厉害，需要加散热装置来散热那么在现实中的变压器与理想变压器就会有所不同，理想变压器存在的比例关系在现实变压器中有什么变化，会不会保持不变？引入课题：在刚才的讨论中，我们想到了现实中的变压器存在损耗问题，那么它们的变换电压，电流和阻抗会是怎样，我们这节课就来探讨一下。这表讲授新课： 一、变压器的功率变压器的功率消耗等于输入功率P1 = U1I1 cosj1和P2 = U2I2 cosj2输出功率之差，即PL = P1 P2变压器功率损耗包括铁损和铜损。二、变压器的效率变压器的效率为变压器输出功率与输入功率的百分比，即大容量变压的效率可达98% 99%，小型电源变压器效率约为70% 80%。 【例10-3】有一变压器初级电压为2200 V，次级电压为220 V，在接纯电阻性负载时，测得次级电流为10 A，变压器的效率为95%。 试求它的损耗功率，初级功率和初级电流。 解：次级负载功率 P2 = U2I2cosj2 = 22010 = 2200 W初级功率 损耗功率 PL = P1 P2 = 2316 2200 = 116W初级电流 说明：有效率问题时，变换电压没变，但是电流要用效率来算三、自耦变压器1自耦变压器的构造和工作原理自耦变压器原、副线圈共用一部分绕组，它们之间不仅有磁耦合，还有电的关系，如图11-6所示。原、副线圈电压之比和电流之比的关系为自耦变压器在使用时，一定要注意正确接线，否则易于发生触电事故。图 11-6 自耦变压器符号及原理图图11-7 实验用调压变压器实验室中用来连续改变电源电压的调压变压器，就是一种自耦变压器，如图11-7所示。图11-8 多绕组变压器四、多绕组变压器1多绕组变压器变压器的次级有两个以上的绕组或初、次级都有两个以上绕组的变压器叫多绕组变压器，如图11-8所示。多绕组变压器原、副线圈的电压关系仍符合变压比的关系，2多绕组变压器的使用多绕组变压器多使用于电子设备中，输出多种电压。多绕组可串联或并联使用，串联时应将线圈的异名端相接，并联时应将线圈的同名端相接。只有匝数相同的线圈才能并联。五、互感器互感器是一种专供测量仪表，控制设备和保护设备中使用的变压器。可分为电压互感器和电流互感器两种。1电压互感器使用时，电压互感器的高压绕组跨接在需要测量的供电线路上，低压绕组则与电压表相连，如图11-9所示。可见，高压线路的电压U1等于所测量电压U2和变压比K的乘积，即U1=KU2使用时应注意：(1) 次级绕组不能短路，防止烧坏次级绕组。(2) 铁心和次级绕组一端必须可靠的接地，防止高压绕组绝缘被破坏时而造成设备的破坏和人身伤亡。图11-11 钳形电流表2电流互感器使用时，电流互感器的初级绕组与待测电流的负载相串连，次级绕组则与电流表串联成闭和回路，如图11-10所示。 通过负载的电流就等于所测电流和变压比倒数的乘积。使用时应注意：(1) 绝对不能让电流互感器的次级开路，否则易造成危险；(2) 铁心和次级绕组一端均应可靠接地。常用的钳形电流表也是一种电流互感器。它是由一个电流表接成闭合回路的次级绕组和一个铁心构成，其铁心可开、可合。测量时，把待测电流的一根导线放入钳口中，电流表上可直接读出被测电流的大小，如图11-11所示。图11-12 三相变压器四、三相变压器三相变压器就是三个相同的单相变压器的组合，如图11-12所示。三相变压器用于供电系统中。根据三相电源和负载的不同，三相变压器初级和次级线圈可接成星形或三角形。第五节 变压器的额定值和检验 图11-10电流互感器图11-9 电压互感器六、变压器的额定值变压器的满负荷运行情况叫额定运行，额定运行条件叫变压器的额定值。额定容量指次级最大视在功率，单位是伏安(VA)或千伏安(kVA)。额定初级电压指接到初级线圈电压的规定值。 额定次级电压指变压器空载时，初级加上额定电压后，次级两端的电压。额定电流指规定的满载电流值。变压器的额定值取决于变压器的构造及使用的材料。使用时，变压器应在额定条件下运行，不能超过其额定值。除此外还应注意：(1) 工作温度不能过高；(2) 初、次级绕组必须分清；(3) 防止变压器绕组短路，以免烧毁变压器。七、变压器的检验变压器在使用前应进行检验，通常其检验内容有：(1) 区分绕组、测量各绕组的直流电阻；(2) 绝缘检查；(3) 各绕组的电压和变压比；(4) 磁化电流Im ，变压器次级开路时的初级电流叫磁化电流，Im 一般为初级额定电流的3% 8%。各项检验都应符合设计标准，否则不宜使用。【例10-4】小型电站中发电机的端电压为250V，输出功率75KV，输电线的电阻是0.5欧姆，（1）如果直接用250V低压输电，计算用户所得的电压、功率，并求线路的输电效率;(2)如果电站用匝数比为1:10的变压器提高电压后，经同样线路输电，再用适当的变压比的变压器降低电压，供给用户，为了使用户正常用电，所用降压变压器的变压比应是多大？ 解：（1）低压输电的线路中，线路的电流是 输电线上的电压降和损耗的电功率分别为 所用，用户端得到的电压和电功率分别为 远小于用户所需的额定电压220V，所以用电器不能正常工作。 应用练习：练习1：如图8，线圈P、Q绕在同一铁芯上（固定且彼此绝缘），当开关K闭合时，线圈Q中有无感应电流？方向如何？（有，从a经电流表到b）（学生讨论，老师按步骤引导，并题结）因此，低压输电时，线路的输电效率仅有（2）高压输电线路时。匝数为1:10的升压变压器，二次输出电压U=250X10 V=2500V。输出功率扔为75KW，输电线中的电流以及输电线上的电压降和损耗的电功率分别为 所以，降压变压器的一次电压可达 为了用户正常用电，即获得220V电压，所用降压变压器的变压比应是 用户所获得的电功率可达 因此，高压输电时，线路的输电效率可高达 将高电压输电和低压输电相比较可知，输电线上的功率损耗是1:100，充分说明远距离输电必须用高电压输出。巩固练习：练习：有一个效率是100%的变压器，一次绕组匝数为N1，两个二次绕组匝数分别为N2和N3，一次，二次绕组的电压分别为U1，U2，U3，电流分别为I1，I2,I3.两个才绕组所连接的电阻的阻值未知，下面结论中，那些是正确的？把正确的结论全部选出来。（1） U1：U2=N1：N2; U2：U3=N2：N3;（2） I1：I2=N2:N1; I1:I3=N3:N1;（3） N1I1=N2I2+N3I3（4） U1I1=U2I2+U3I内容总结：在考虑了效率后，怎样计算相应的电压、电流和阻抗，常见的变压器油那些，变压器的额定值和检验方法怎样。布置作业：（1）、复习本节内容（2）、课本： 195页的第5、6题 章节名称103三相异步电动机及工作原理授课形式讲授课时2班级教学目的1了解三相异步电动机的结构和组成。2掌握三相异步电动机的工作原理。教学重点1理解三相异步电动机的工作原理。2理解三相异步电动机工作中的电磁关系。教学难点三相异步电动机工作时的旋转磁场的含义。辅助手段多媒体演示旋转磁场实验 拆电动机课外作业习题7、8、补充观察引入1观看多媒体演示三相异步电动机分解图动画。2通过动画了解了三相异步电动机的结构情况，那么同学们面前的电动机的内部结构怎样。3现场演示拆卸一台三相电动机的过程。新课教学一、异步电动机的构造图11-13 三相异步电动机的构造图11-14定子绕组的星形和三角形连接图电动机由定子和转子两个基本部分组成，如图10-13所示。1定子三相异步电动机的定子由机座、铁心和定子绕组组成。定子绕组是电动机的电路部分，由三相对称绕组组成，按一定规则连接，有六个出线端。即U1-U2、V1-V2、W1-W2接到机座的接线盒中，定子绕组接成星形或三角形。图11-14(a)是定子绕组的星形连接图；图11-14(b)是定子绕组的三角形连接图。教学过程2转子转子是异步电动机的旋转部分，由转轴、转子铁心和转子绕组三部分组成，其作用是输出机械转矩。跟据构造的不同，转子绕组分为绕线式和笼型两种，图11-15 (a) 所示为笼型绕组，(b)为铸铝的笼型转子。图11-16 三相绕组电流的波形图图11-15 笼型绕组及转子二、旋转磁场1旋转磁场的产生将对称三相电流通入在空间彼此相差120的作星形连接的三线圈。设三相电流为： i1=Imsin(w t)i2 = Imsin(w t 120)i3 = Imsin(w t + 120)其波形如图11-16所示。根据电流的磁效应，在三相绕组的空间上就会产生旋转磁场，如图11-7所示，为方便图11-17 旋转磁场的产生分析，规定电流为正值时，电流从线圈的首端(即U1、V1和W1)流向末端(即U2、V2和W2)。图中首端用 表示，末端用 表示，反之电流由末端流向首端。取w t = 0、90、180、270和360五个瞬间，依次的标出电流的方向，由右手螺旋法则确定磁场的方向。w t = 0时，磁场方向由右指向左；w t = 90时，磁场的方向垂直向上；w t = 180、270和360时，磁场的方向分别向右、向下和向左，顺时针旋转一周，分别如图11-7(a)、(b)、(c)、(d)和(e)所示。由图可见，当空间彼此相差120的三个相同线圈通入对称三相交流电，就能产生与电流有相同角速度的旋转磁场(即交流电变化一周，旋转磁场在空间也旋转一周)。当我们i1使通入V相，i2通过U相时，分析可见，旋转磁场逆时针旋转。因此，只要把接到三相绕组上的两根电源线任意对调，即改变电源的相序，就可实现旋转磁场的反转。2旋转磁场的转速上述旋转磁场具有一对磁极，若用p表示磁极对数，则p = 1。磁极对数p = 1的旋转磁场，其转速与正弦电流同步。若交流电的频率为f，则旋转磁场的转速n0 = 60 f (r/min)当磁极对数p = 2时，交流电变化一周，旋转磁场转动周，依次类推当旋转磁场具有p对磁极时，交流电变化一周，旋转磁场转动周。因此交流电频率为f，磁极对数为p，则旋转磁场的转速为式中n0又称为同步转速三、三相异步电动机的工作原理旋转磁场以同步转速n0顺时针旋转，相当于磁场不动，转子逆时针切割磁力线，产生感应电流，用右手定则判定，转子半部分的感应电流流入纸面。有电流的转子在磁场中受到电磁力的作用，用左手定则判定，上半部分所受磁场力向右，下半部分所受磁场力向左，如图11-18所示。这两个力对转子转轴形成电磁转矩，使转子沿旋转磁场的方向以转速n旋转。 四、三相异步电动机的极数与转速图11-18 三相异步电动机的工作原理电动机总是以低于旋转磁场的转速转动。即n n0异步电动机的同步转率n0与转子转速n之差，即n0 n称为转速差。转速差(n0 n)与n之比称为异步电动机的转差率，用s表示也可写成 n = (1 s) n0转差率是异步电动机的一个重要参数。五、异步电动机的铭牌在电动机的铭牌上标有其主要技术数据，使用时应多加注意，表11-1就是一台三相异步电动机的铭牌。表11-1 三相异步电动机的铭牌三相异步电动机型号 Y132M4 功率 7.5KW 频率 50HZ电压 380V 电流 15.4A 接法 转速 1440r/min 绝缘等级 B 工作方式 连续 年 月 日 编号 电机厂 【例10-5】一台三相六极异步电动机，频率为50Hz，铭牌电压为380V/220V（指的是绕组电压为220V,）,若电源电压为380V，试求电动机的旋转磁场的转速。 内容总结：1.三相异步电动机的用途、组成和各个作用；2.旋转磁场的形成、方向及旋转磁场方向的改变；3.三相异步电动的有哪些接法和举例说明布置作业：（1）、复习本节内容（2）、课本： 195页的第9题章节名称104三相异步电动机的控制授课形式讲授课时2班级教学目的1了解三相异步电动机的起动方法。2了解三相异步电动机的调速方法。3掌握三相异步电动机的正反转的控制。教学重点三相异步电动机正反转控制电路的设计教学难点三相异步电动机正反转控制电路的工作原理辅助手段电磁感应实验课外作业课后习题复习1.旋转磁场的产生？2.三相异步电动机的用途？新课导入 升降机提问：（1）你见过升降机吗？ （2）升降机的上升和下降是如何实现的？ （3）电动机又是如何实现正转和反转的呢？ 一、三相异步电动机的起动三相异步电动机的起动可分为全压起动和降压起动两种。1全压起动加在定子绕组的起动电压是电动机的额定电压，这样的起动叫全压起动。全压起动在刚接通电源的瞬间，旋转磁场与转子间的相对转速较大，在转子中产生的感应电流和变压器的原理一样，定子电流必然很大，一般为额定电流的4 7倍。过大的起动电流会在线路上造成较大的电压降，影响供电线路上其他设备的正常工作。此外，当起动频繁时，过大的起动电流会使电动机过热，影响其使用寿命。只有二、三十千瓦以下的异步电动机采用全压起动。2降压起动在起动时降低加在电动机定子绕组上的电压，待起动结束时恢复到额定值运行。笼型电动机的降压起动常用串电阻降压起动、星形-三角形换接起动和自耦降压起动等方法。(1) 串电阻降压起动串电阻降压起动，就是电动机起动时将电阻串联在定子绕组与电源之间的起动方法，如图11-19所示。图11-20 星三角降压起动图11-19 定子绕组串电阻降压起动(2) 星形-三角形换接起动星形-三角形换接起动，就是电动机起动时把定子绕组连成星形，等到转速接近额定值时再换接成三角形的起动方法。图11-20是一种星三角起动器的连接简图，起动时，将手柄指向右，定子绕组连成星形降压起动。等电动机接近额定转速时，将手柄指向左，定子绕组换接成三角形，电动机正常运行。(3) 自耦降压起动图11-21 自耦变压器降压起动自耦降压起动，是利用三相自耦变压器将电动机在起动过程中的端电压降低的起动方法，如图11-21所示。二、三相异步电动机的调速在负载不变的条件下改变异步电动机的转速n叫调速。由转速公式可知，调速有下面三种方法：1变频调速变频调速采用晶闸管整流器将交流电转换为直流电，再由逆变器变换为频率，电压有效值可调的三相交流电，为三相异步电动机供电，实现电动机无级调速。2 变转差率调速此种调速方法，只适用于绕线式电动机。通过改变接在转子电路中调速电阻的大小，就可平滑调速。3变级调速设计制造的电动机具有不同的磁极对数，根据需要改变定子绕组的连接方式，就能改变磁极对数，使电动机得到不同的转速。三、三相异步电动机的反转异步电动机的转向与旋转磁场的方向一致，而旋转磁场的方向取决于三相电源的相序。所以，只要将三根相线中任意两根对调即可使电动机反转。图11-22是电动机正反转控制的原理图。图11-22正反转控制原理图11-23 电动机的能耗制动四、三相异步电动机的制动为克服惯性，保证电动机在断电时迅速停车，需要对电动机进行制动。异步电动机的制动常采用反接制动和能耗制动。1反转制动在电动机停车时，将三根电线中的任意两根对调，产生反转矩，起到制动作用。当转速接近零时切断电源，否则电动机会反转。2能耗制动在断电的同时，接通直流电源，如图11-23所示。直流电源产生的磁场是固定的，而转子由于惯性转动产生的感应电流与直流电磁场相互作用产生的转矩方向，恰好与电动机的转向相反，起到制动的作用。内容总结：1.掌握三相异步电动机的正反转工作原理；2.掌握三相异步电动的互锁的作用；3.树立团队合作的精神。布置作业：（1）、复习本节内容（2）、设计一个带互锁的三相异步电动控制电路章节名称105单相异步电动机授课形式讲授课时2班级教学目的.了解单相异步电动机结构.理解单相电容式异步电动启动原理；。.通过实际操作使学生掌握单相电容式电动机正反转的接线方法。教学重点单相电容式电动机启动原理。教学难点1.单相电动机各绕组中电流的相位关系；.单相电机正反转接线问题。辅助手段实验课外作业复习旋转磁场的产生新课导入同学们，在前面的课程中我们学习了三相异步电动机原理以及简单的控制线路。三相电机被广泛在应用在工农业生产中，但有一个缺点，即三相异步电动只能应用在有三相电源的地方，而家用电器如电风扇，电冰箱，洗衣机等均不能用三相电机，因此单相异步电动机就有了广泛的应用市场。今天的两节课我们就学习单相异步电动机的知识。一.单相异步电动机结构的磁场分布.什么叫单相异步电动机用单相交流电源供电的电动机叫做单相电动机。.单相电动机结构实验演示折卸一台单相异步电动机展示其实际结构，向学生说明各部分的名称，引导学生按下列顺序观察：（）单相电动机整体结构（着重说明电容器是单相电容式异步电动机的主要部分，并查清引线根数）；（）卸下紧定螺钉，拿下其中一个端盖观察；（）仔细观察转子结构；（）观察定子绕组。二、单相异步电动机的工作原理单相异步电动机的定子绕组通以单相电流后，电动机内就产生一交变磁场，但磁场的方向时而垂直向上，时而垂直向下，即单相定子绕组的磁场不是旋转磁场，所以转子不能自行起动。因此，单相异步电动机转动的关键是产生一个起动转矩。二、单相电容式异步电动机单相电容式异步电动机在定子上有工作绕组和起动绕组两个绕组。两个绕组在定子铁心上相差90的空间角度，起动绕组中串联一