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课题 |
变压器与三相异步电动机（二） | ||||||||||||||
| 课时 | 2课时（90 min） | ||||||||||||||
| 教学目标 |
知识技能目标： （1）掌握三相异步电动机的基本结构、工作原理和启动方法 （2）能够拆装三相异步电动机 素质目标： （1）树立科技成才、技能报国的人生理想 （2）树立勇于探索、追求真理的职业精神 |
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| 教学重难点 |
教学重点：三相异步电动机的基本结构、工作原理和启动方法 教学难点：拆装三相异步电动机 |
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| 教学方法 | 案例分析法、问答法、讨论法、讲授法 | ||||||||||||||
| 教学用具 | 电脑、投影仪、多媒体课件、教材 | ||||||||||||||
| 教学过程 | 主要教学内容及步骤 | ||||||||||||||
| 课前任务 |
【教师】布置课前任务，和学生负责人取得联系，组织学生下载“任务工单——拆装三相异步电动机”，并根据任务工单进行组内分工，同时提醒同学通过文旌课堂APP或其他学习软件，了解三相异步电动机的相关知识 【学生】完成课前任务 |
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| 考勤 |
【教师】签到 【学生】班干部报请假人员及原因 |
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| 任务导入 |
【教师】提出以下问题： 什么是三相异步电动机？其主要应用对象是什么？ 【学生】思考、举手回答 |
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| 传授新知 |
【教师】通过学生的回答引入要讲的知识，介绍三相异步电动机的基本结构、工作原理、启动方法等内容 ✈【教师】通过多媒体展示“电机的分类”图片（详见教材），帮助学生对这些内容有更直观地认识 电机是变压器、发电机和电动机的总称，是根据电磁感应原理制成的、可实现电能传递与转换的一种电磁装置。其中，把机械能转换成电能的电机称为发电机，而把电能转换成机械能的电机称为电动机。电机的种类较多。 在工业生产中，交流电动机的应用非常广泛，特别是三相异步电动机，它因具有结构简单、坚固耐用、运行可靠、价格低廉、维护方便等优点，而被广泛地用于驱动各种金属切削机床、起重机、锻压机、铸造机械、通风机和水泵等。 3.2.1 三相异步电动机的基本结构 ✈【教师】组织学生扫码观看“三相异步电动机的工作特性（1）”视频（详见教材），让学生对相关知识有一个大致地了解 三相异步电动机的基本结构，它主要由定子和转子两大部分组成。 ✈【教师】通过多媒体展示“三相异步电动机的基本结构”图片（详见教材），帮助学生对这些内容有更直观地认识 1．定子 定子主要由机座、定子铁芯和定子绕组等组成。 1）机座 机座是由铸铁或铸钢制成的，它是三相异步电动机的外壳，起着支撑三相异步电动机的作用。通常要求机座具有良好的散热性能，因此机座的外表面一般铸有散热片。 2）定子铁芯 定子铁芯是三相异步电动机磁路的一部分。为了减少铁损，定子铁芯一般由互相绝缘的硅钢片叠成，其内表面有均匀分布的槽，用以嵌放定子绕组。 3）定子绕组 ✈【教师】通过多媒体展示“定子铁芯与转子铁芯”和“定子绕组的Y联结或△联结”图片（详见教材），帮助学生对这些内容有更直观地认识 定子绕组是三相异步电动机电路的一部分，它由三个完全相同的绕组组成，每个绕组为一相，三个绕组在空间上分别相差120°。三个绕组的始端和末端都被引至接线盒内，可根据需要做Y联结或△联结 2．转子 转子主要由转子铁芯和转子绕组两部分组成。 1）转子铁芯 转子铁芯是三相异步电动机磁路的一部分。它也是由硅钢片叠成的，硅钢片外围有均匀分布的槽，用以嵌放转子绕组。转子铁芯固定在转轴支架上。 2）转子绕组 转子绕组可分为笼型和绕线型两种，据此可将三相异步电动机分为笼型三相异步电动机和绕线型三相异步电动机两种。 ✈【教师】通过多媒体展示“笼型绕组”图片（详见教材），帮助学生对这些内容有更直观地认识 笼型绕组是在转子铁芯的每个槽中插入一根铜条（导条），在铜条两端各用一个铜环（端环）把铜条连接起来，这样的转子称为铜排转子，若把铁芯拿出来，则整个转子绕组的外形很像一个鼠笼。还可以用铸铝的方法，把铜条、铜环及风叶用铝液一次浇铸成形，这样的转子称为铸铝转子。 绕线型绕组与定子绕组相同，也为三相绕组，它一般连接成Y形，3根引出线分别接到转轴的3个相互绝缘的集电环上，通过3个电刷与外电路相连。 经验传承 为了保证转子能够自由旋转，定子与转子之间必须留有一定的气隙。一般情况下，中小型三相异步电动机的气隙为0.2～1.0 mm。 3.2.2 三相异步电动机的工作原理 ✈【教师】通过多媒体展示“三相异步电动机工作原理的模拟试验”图片（详见教材），帮助学生对这些内容有更直观地认识 三相异步电动机的工作原理可通过下面的小试验进行简单模拟。磁极与转子之间没有机械联系。当转动外面的磁极时，转子随着磁极沿同一方向一起转动。磁极转得越快，转子转得也越快。磁极反转，转子也反转。该试验说明，使三相异步电动机工作的关键是有旋转磁场。 1．旋转磁场 1）旋转磁场的产生 ✈【教师】通过多媒体展示“三相异步电动机定子绕组的接法和三相对称电流的波形”图片（详见教材），帮助学生对这些内容有更直观地认识 三相异步电动机的定子铁芯中嵌放有三相对称绕组  、 和 。设三相对称绕组做Y联结，当其接入三相电源后，三相对称绕组中将有三相对称电流通过，如图3-14所示。取三相对称电流的参考方向为从绕组始端指向末端。电流在正半周时，其实际方向与参考方向一致；在负半周时，其实际方向与参考方向相反。因此，三相对称电流分别为 ， ， 由于各相绕组中的电流是交变的，这些电流所产生的磁场也是交变的，因此三相对称电流所产生的合磁场是一个旋转磁场。 2）旋转磁场的转向 旋转磁场的转向与三相对称电流的相序一致。当三相对称电流的相序为  → → 时，旋转磁场按 → → 方向进行顺时针旋转。若任意调换三相对称电流相序中的两相，如将其变为→→，则旋转磁场将按→→方向进行逆时针旋转。3）旋转磁场的转速 三相异步电动机的转速与旋转磁场的转速有关，而旋转磁场的转速则取决于磁场的磁极对数。由上述分析可知，当有一对磁极（  ）时，电流变化一周，旋转磁场在空间旋转一周；当有两对磁极（ ）时，电流变化一周，旋转磁场在空间旋转1/2周。依此类推，当有 对磁极时，电流变化一周，旋转磁场就在空间旋转 周，即有对磁极的旋转磁场的转速 应为 （3-16）式中： ——旋转磁场的转速，单位为转/分（ ）； ——定子绕组中电流的频率，单位为赫（ ）；——磁极对数。旋转磁场的转速又称同步转速。国产三相异步电动机定子绕组额定电流的频率  为 。于是，根据式（3-16）可知，对应于不同的磁极对数，旋转磁场的转速 是不同的常数，如表3-9所示。表3-9 对应于不同磁极对数时旋转磁场的转速
✈【教师】组织学生扫码观看“三相异步电动机的工作特性（2）”视频（详见教材），让学生对相关知识有一个大致地了解 三相异步电动机转子转动的简化原理图，其中  、 表示两极旋转磁场的磁极，转子中只画出了两根铜条用于示意。设旋转磁场以的转速顺时针旋转，则旋转磁场与静止的转子铜条之间就存在相对运动，相当于转子铜条切割磁力线，铜条中就会产生感应电压和感应电流，其方向可由右手定则确定。✈【教师】通过多媒体展示“三相异步电动机转子转动的简化原理图”图片（详见教材），帮助学生对这些内容有更直观地认识 通电的铜条在旋转磁场中将会受到电磁力  的作用，电磁力的方向可用左手定则判断。电磁力作用到三相异步电动机的转轴上将会产生电磁转矩，从而带动转子以转速 转动，其转动方向与旋转磁场的转向相同。3．转差率 尽管三相异步电动机转子的转动方向与旋转磁场的转向相同，但转子的转速 不能与旋转磁场的转速相等，且必须使 。这是因为若两者相等，则转子与旋转磁场之间将没有相对运动，转子中就不会产生感应电压和感应电流，也不会有电磁转矩，转子就不可能继续以转速转动了。因此，转子的转速与旋转磁场的转速之间必须有一定差值，即它们不同步，三相异步电动机就是因此得名的。为了便于分析计算，人们引入了转差率s这个参数。转差率是旋转磁场的转速 和转子的转速的差值与旋转磁场的转速之比，即 （3-17）转差率是分析三相异步电动机的一个重要参数。在三相异步电动机的启动瞬间，  ， ，此时转差率最大；若转子的转速 达到旋转磁场的转速，则 。因此，转差率 的变化范围为0～1，一般用百分数表示。通常，三相异步电动机在额定负载时的转差率为1%～9%。式（3-17）也可写为  （3-18）3.2.3 三相异步电动机的启动方法 三相异步电动机的启动是指其从静止状态过渡到稳定运行状态的过程。在启动瞬间，由于转子的转速为零，因此定子和转子的绕组中都有很大的启动电流，其大小一般为额定电流的4～7倍。过大的启动电流会使电网电压明显减小，同时还会影响接在同一电网上的其他负载的正常运行，严重时会使三相异步电动机本身也无法正常工作。如果是频繁启动，则不但会使三相异步电动机的温度大幅上升，还会对其造成过大的电磁冲击，从而影响三相异步电动机的使用寿命。 在三相异步电动机启动瞬间，尽管启动电流很大，但转子的功率因数  很低，因此此时的启动转矩较小。启动转矩过小会使三相异步电动机的启动时间延长，这样既影响生产效率，又会使三相异步电动机的温升过快。如果启动转矩小于机械负载转矩，则三相异步电动机将不能启动。综上所述，三相异步电动机在启动时既要把启动电流限制在一定数值之内，又要保证具有足够大的启动转矩，以便缩短启动时间，提高生产效率。 下面以笼型三相异步电动机为例，介绍三相异步电动机的启动方法。笼型三相异步电动机常用的启动方法有直接启动和降压启动两种。 1．直接启动 直接启动又称全压启动，是指利用刀开关（又称闸刀开关）或接触器将笼型三相异步电动机直接接到具有额定电压的电源上。这种启动方法操作简单，设备少，成本低，但启动电流大，启动转矩小，因此只适用于小容量（7.5 kV·A以下）笼型三相异步电动机的启动。对较大容量的笼型三相异步电动机，可参考以下经验公式进行核定，即  （3-19）式中：  ——电源的总容量，单位为千伏安（kV·A）； ——笼型三相异步电动机的额定功率，单位为千瓦（kW）。只有满足式（3-19），笼型三相异步电动机才能直接启动。 2．降压启动 降压启动是指启动时减小加在笼型三相异步电动机定子绕组上的电压，启动过程结束后再将其增大至额定电压的启动方法。降压启动的主要目的是减小启动电流，但同时也限制了启动转矩，因此这种情况只适用于空载或轻载情况下的启动。常用的降压启动有Y-△降压启动和自耦变压器降压启动两种。 1）Y-△降压启动 Y-△降压启动适用于正常运行时定子绕组做△联结的笼型三相异步电动机。在启动时，可先将定子绕组做Y联结，启动结束时再做△联结。这样，启动时定子绕组上的电压就可以减小为额定电压的  。✈【教师】通过多媒体展示“Y-△降压启动电路”图片（详见教材），帮助学生对这些内容有更直观地认识 Y-△降压启动电路。设定子每相绕组的阻抗模为  ，电源额定电压为 ，当采用△联结直接启动时，其线电流为 当采用Y联结降压启动时，每相绕组的相电压为  ，其线电流为 由以上两式可知  （3-20）即Y-△降压启动时的启动电流为直接启动时的1/3。 由于启动转矩与电压的平方成正比，因此Y-△降压启动时的启动转矩也减小到直接启动时的1/3。 Y-△降压启动具有操作方便、启动设备简单、运行可靠等特点。 2）自耦变压器降压启动 自耦变压器降压启动适用于容量较大或正常运行时定子绕组做Y联结的笼型三相异步电动机，它利用自耦变压器将电源电压减小后再加到笼型三相异步电动机的定子绕组上，以减小启动电流。 ✈【教师】通过多媒体展示“自耦变压器降压启动电路”图片（详见教材），帮助学生对这些内容有更直观地认识 自耦变压器降压启动电路。启动时，将开关扳到“启动”位置，自耦变压器一次侧接电源，二次侧接笼型三相异步电动机定子绕组，以实现降压启动。当转速接近额定转速时，再将开关扳向“运行”位置，从而断开自耦变压器，使笼型三相异步电动机直接接电源运行。 因为自耦变压器的一、二次电压之比等于一、二次绕组的匝数之比，且启动电流与启动电压成正比，所以引入自耦变压器前后启动电流的关系为  （3-21）式中：  ——电源向自耦变压器一次侧提供的降压启动电流，单位为安（A）； ——电源向笼型三相异步电动机提供的直接启动电流，单位为安（A）；K ——自耦变压器的变比。 由式（3-21）可知，引入自耦变压器后的降压启动电流为直接启动电流的1/  。由于启动转矩与电源电压的平方成正比，因此引入自耦变压器后的降压启动转矩也为直接启动转矩的1/。自耦变压器通常备有多组抽头，具有多种变比，可根据所要求的启动转矩来选择（如电源电压的73%、64%、55%）。这种启动方法的设备成本较高，且不宜频繁启动。 【学生】聆听、思考、理解、记录 |
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| 课堂实践 |
【教师】准备器材，带领学生到实验室进行试验操作 1）拆卸笼型三相异步电动机 （1）切断电源，拆下笼型三相异步电动机与电源的连接线，并将电源连接线的线头做好绝缘处理。 （2）脱开皮带轮或联轴器与负载的连接，松开地脚螺栓和接地螺栓。 （3）依次拆卸皮带轮或联轴器、罩壳和风扇、轴承盖和端盖。 （4）从定子中抽出转子。 2）装配笼型三相异步电动机 （1）对笼型三相异步电动机转子的轴承洗油，并在轴承上涂抹轴承润滑脂。 （2）依次安装轴承、后端盖、转子、前端盖和轴承盖、风扇和罩壳。 （3）安装皮带轮或联轴器。 ……（详见教材） 【学生】以小组为单位进行试验，根据分工填写“任务工单——拆装三相异步电动机” 【教师】巡堂辅导，及时解决学生遇到的问题，根据学生表现填写考核评价表 |
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| 探索活动 |
【教师】组织学生以小组为单位完成以下任务： 三相异步电动机在工业生产中的应用非常广泛。请查阅有关资料，分析我国三相异步电动机的发展现状。 【学生】查阅、分析、讨论，由小组代表上台发表讨论结果 【教师】与学生一起评价各组的发言，并进行总结 |
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| 课堂小结 |
三相异步电动机的工作原理 三相异步电动机的启动方法 拆装三相异步电动机 【学生】总结回顾知识点 |
| 电机类实验室实训设备 |
