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。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Ф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Ф，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Ф，单位WB。2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的某面积A的磁通为Ф，则B=Ф/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μ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。μ=B/Hμ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μ约为的1000倍，各种硅钢片的μ约为的6000～7000倍。5．磁场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，0000mA/3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Ф将大为增加，且比铁心外的B和Ф大很多，一方面可用较小的电流产生较强的磁场，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。HBBrHc0123mFR4四、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=KhfBmαV式中α与材料的性质有关，电工钢的α为1.6——2.3，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5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dtdNe11dtdNe22212121NNEEee（1-1）6二、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1－2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V·A或kV·A。a.单相变压器的额定容量为:SN=UN1IN1=UN2IN2（1－2）b.三相变压器的容量为:SN=3UN1IN=3UN2IN2（1－3）(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压，单位为V或kV。7(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8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。U正方向与其电流。I正方向采用关联方向，即两者正方向一致。2）绕组电流。I产生的磁通势所建立的磁通。φ，这二者的正方向符合右手螺旋定则。3）由交变磁通φ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。9二、感应电动势与漏磁电动势1.感应电动势若主磁通，φ=Φmsinωt，则一、二次绕组感应电动势瞬时值为：其有效值为：E1=4.44fN1Φm(1-5)E2=4.44fN2m(1-6)相量表示为：mfNjE1144.4（1-7）mfNjE2244.4（1-8）2.漏磁电动势变压器一次绕组漏磁感应电动势。σ1E为：。σ1E=-j10。IωL1=-j10。IX1三、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：1101101110111XIjRIERIEEU(1-9)mfNjEU11144.4(1-10)二次绕组的端电压等于其感应电动势：220EU（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/E2≈U1/U2(1-12)当N2＞N1时，k＜1，则U2＞U1，为升压变压器；若N2＜N1，k＞1，则U2＜U1，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的。四、空载电流和空载损耗变压器空载运行时，空载电流10I分解成两部分：1．无功分量QI10，用来建立磁场，起励磁作用，其与主磁通同相位；2．有功分量PI10，用来供给变压器铁心损耗，其相位超前主磁通约900。即PPIII101010五、变压器空载运行时的相量图10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2211.)(INNI(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11（1）变压器负载运行时磁通势平衡方程式为1021FFF1102211NININI(1-15)（2）电流平衡方程式为忽略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。σ2E即：（1-18）负载运行时的一、二次绕组的电动势平衡方程式为综上所述，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/U2≈E1/E2=k=N1/N22.变换电流I1/I2≈N2/N1=1/kLIIkIIINNII110210212101(1-16)22222XIjLIjEω(1-19)(1-20)LZIUkIIkEEZIEXIjRIEUZIEXIjRIEUNININI