| 課題 | 變壓器與三相異步電動機（二） | ||||||||||||||
| 課時 | 2課時（90 min） | ||||||||||||||
| 教學目標 |
知識技能目標： （1）掌握三相異步電動機的基本結構、工作原理和啟動方法 （2）能夠拆裝三相異步電動機 素質目標： （1）樹立科技成才、技能報國的人生理想 （2）樹立勇于探索、追求真理的職業精神 |
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| 教學重難點 |
教學重點：三相異步電動機的基本結構、工作原理和啟動方法 教學難點：拆裝三相異步電動機 |
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| 教學方法 | 案例分析法、問答法、討論法、講授法 | ||||||||||||||
| 教學用具 | 電腦、投影儀、多媒體課件、教材 | ||||||||||||||
| 教學過程 | 主要教學內容及步驟 | ||||||||||||||
| 課前任務 |
【教師】布置課前任務，和學生負責人取得聯系，組織學生下載“任務工單——拆裝三相異步電動機”，并根據任務工單進行組內分工，同時提醒同學通過文旌課堂APP或其他學習軟件，了解三相異步電動機的相關知識 【學生】完成課前任務 |
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| 考勤 |
【教師】簽到 【學生】班干部報請假人員及原因 |
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| 任務導入 |
【教師】提出以下問題： 什么是三相異步電動機？其主要應用對象是什么？ 【學生】思考、舉手回答 |
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| 傳授新知 |
【教師】通過學生的回答引入要講的知識，介紹三相異步電動機的基本結構、工作原理、啟動方法等內容 ✈【教師】通過多媒體展示“電機的分類”圖片（詳見教材），幫助學生對這些內容有更直觀地認識 電機是變壓器、發電機和電動機的總稱，是根據電磁感應原理制成的、可實現電能傳遞與轉換的一種電磁裝置。其中，把機械能轉換成電能的電機稱為發電機，而把電能轉換成機械能的電機稱為電動機。電機的種類較多。 在工業生產中，交流電動機的應用非常廣泛，特別是三相異步電動機，它因具有結構簡單、堅固耐用、運行可靠、價格低廉、維護方便等優點，而被廣泛地用于驅動各種金屬切削機床、起重機、鍛壓機、鑄造機械、通風機和水泵等。 3.2.1 三相異步電動機的基本結構 ✈【教師】組織學生掃碼觀看“三相異步電動機的工作特性（1）”視頻（詳見教材），讓學生對相關知識有一個大致地了解 三相異步電動機的基本結構，它主要由定子和轉子兩大部分組成。 ✈【教師】通過多媒體展示“三相異步電動機的基本結構”圖片（詳見教材），幫助學生對這些內容有更直觀地認識 1．定子 定子主要由機座、定子鐵芯和定子繞組等組成。 1）機座 機座是由鑄鐵或鑄鋼制成的，它是三相異步電動機的外殼，起著支撐三相異步電動機的作用。通常要求機座具有良好的散熱性能，因此機座的外表面一般鑄有散熱片。 2）定子鐵芯 定子鐵芯是三相異步電動機磁路的一部分。為了減少鐵損，定子鐵芯一般由互相絕緣的硅鋼片疊成，其內表面有均勻分布的槽，用以嵌放定子繞組。 3）定子繞組 ✈【教師】通過多媒體展示“定子鐵芯與轉子鐵芯”和“定子繞組的Y聯結或△聯結”圖片（詳見教材），幫助學生對這些內容有更直觀地認識 定子繞組是三相異步電動機電路的一部分，它由三個完全相同的繞組組成，每個繞組為一相，三個繞組在空間上分別相差120°。三個繞組的始端和末端都被引至接線盒內，可根據需要做Y聯結或△聯結 2．轉子 轉子主要由轉子鐵芯和轉子繞組兩部分組成。 1）轉子鐵芯 轉子鐵芯是三相異步電動機磁路的一部分。它也是由硅鋼片疊成的，硅鋼片外圍有均勻分布的槽，用以嵌放轉子繞組。轉子鐵芯固定在轉軸支架上。 2）轉子繞組 轉子繞組可分為籠型和繞線型兩種，據此可將三相異步電動機分為籠型三相異步電動機和繞線型三相異步電動機兩種。 ✈【教師】通過多媒體展示“籠型繞組”圖片（詳見教材），幫助學生對這些內容有更直觀地認識 籠型繞組是在轉子鐵芯的每個槽中插入一根銅條（導條），在銅條兩端各用一個銅環（端環）把銅條連接起來，這樣的轉子稱為銅排轉子，若把鐵芯拿出來，則整個轉子繞組的外形很像一個鼠籠。還可以用鑄鋁的方法，把銅條、銅環及風葉用鋁液一次澆鑄成形，這樣的轉子稱為鑄鋁轉子。 繞線型繞組與定子繞組相同，也為三相繞組，它一般連接成Y形，3根引出線分別接到轉軸的3個相互絕緣的集電環上，通過3個電刷與外電路相連。 經驗傳承 為了保證轉子能夠自由旋轉，定子與轉子之間必須留有一定的氣隙。一般情況下，中小型三相異步電動機的氣隙為0.2～1.0 mm。 3.2.2 三相異步電動機的工作原理 ✈【教師】通過多媒體展示“三相異步電動機工作原理的模擬試驗”圖片（詳見教材），幫助學生對這些內容有更直觀地認識 三相異步電動機的工作原理可通過下面的小試驗進行簡單模擬。磁極與轉子之間沒有機械聯系。當轉動外面的磁極時，轉子隨著磁極沿同一方向一起轉動。磁極轉得越快，轉子轉得也越快。磁極反轉，轉子也反轉。該試驗說明，使三相異步電動機工作的關鍵是有旋轉磁場。 1．旋轉磁場 1）旋轉磁場的產生 ✈【教師】通過多媒體展示“三相異步電動機定子繞組的接法和三相對稱電流的波形”圖片（詳見教材），幫助學生對這些內容有更直觀地認識 三相異步電動機的定子鐵芯中嵌放有三相對稱繞組、和。設三相對稱繞組做Y聯結，當其接入三相電源后，三相對稱繞組中將有三相對稱電流通過，如圖3-14所示。取三相對稱電流的參考方向為從繞組始端指向末端。電流在正半周時，其實際方向與參考方向一致；在負半周時，其實際方向與參考方向相反。因此，三相對稱電流分別為 ，， 由于各相繞組中的電流是交變的，這些電流所產生的磁場也是交變的，因此三相對稱電流所產生的合磁場是一個旋轉磁場。 2）旋轉磁場的轉向 旋轉磁場的轉向與三相對稱電流的相序一致。當三相對稱電流的相序為→→時，旋轉磁場按→→方向進行順時針旋轉。若任意調換三相對稱電流相序中的兩相，如將其變為→→，則旋轉磁場將按→→方向進行逆時針旋轉。 3）旋轉磁場的轉速 三相異步電動機的轉速與旋轉磁場的轉速有關，而旋轉磁場的轉速則取決于磁場的磁極對數。由上述分析可知，當有一對磁極（）時，電流變化一周，旋轉磁場在空間旋轉一周；當有兩對磁極（）時，電流變化一周，旋轉磁場在空間旋轉1/2周。依此類推，當有對磁極時，電流變化一周，旋轉磁場就在空間旋轉周，即有對磁極的旋轉磁場的轉速應為 （3-16） 式中： ——旋轉磁場的轉速，單位為轉/分（）； ——定子繞組中電流的頻率，單位為赫（）； ——磁極對數。 旋轉磁場的轉速又稱同步轉速。國產三相異步電動機定子繞組額定電流的頻率為。于是，根據式（3-16）可知，對應于不同的磁極對數，旋轉磁場的轉速是不同的常數，如表3-9所示。 表3-9 對應于不同磁極對數時旋轉磁場的轉速
2．三相異步電動機的轉動原理 ✈【教師】組織學生掃碼觀看“三相異步電動機的工作特性（2）”視頻（詳見教材），讓學生對相關知識有一個大致地了解 三相異步電動機轉子轉動的簡化原理圖，其中、表示兩極旋轉磁場的磁極，轉子中只畫出了兩根銅條用于示意。設旋轉磁場以的轉速順時針旋轉，則旋轉磁場與靜止的轉子銅條之間就存在相對運動，相當于轉子銅條切割磁力線，銅條中就會產生感應電壓和感應電流，其方向可由右手定則確定。 ✈【教師】通過多媒體展示“三相異步電動機轉子轉動的簡化原理圖”圖片（詳見教材），幫助學生對這些內容有更直觀地認識 通電的銅條在旋轉磁場中將會受到電磁力的作用，電磁力的方向可用左手定則判斷。電磁力作用到三相異步電動機的轉軸上將會產生電磁轉矩，從而帶動轉子以轉速轉動，其轉動方向與旋轉磁場的轉向相同。 3．轉差率 盡管三相異步電動機轉子的轉動方向與旋轉磁場的轉向相同，但轉子的轉速不能與旋轉磁場的轉速相等，且必須使。這是因為若兩者相等，則轉子與旋轉磁場之間將沒有相對運動，轉子中就不會產生感應電壓和感應電流，也不會有電磁轉矩，轉子就不可能繼續以轉速轉動了。因此，轉子的轉速與旋轉磁場的轉速之間必須有一定差值，即它們不同步，三相異步電動機就是因此得名的。 為了便于分析計算，人們引入了轉差率s這個參數。轉差率是旋轉磁場的轉速和轉子的轉速的差值與旋轉磁場的轉速之比，即 （3-17） 轉差率是分析三相異步電動機的一個重要參數。在三相異步電動機的啟動瞬間，，，此時轉差率最大；若轉子的轉速達到旋轉磁場的轉速，則。因此，轉差率的變化范圍為0～1，一般用百分數表示。通常，三相異步電動機在額定負載時的轉差率為1%～9%。 式（3-17）也可寫為 （3-18） 3.2.3 三相異步電動機的啟動方法 三相異步電動機的啟動是指其從靜止狀態過渡到穩定運行狀態的過程。在啟動瞬間，由于轉子的轉速為零，因此定子和轉子的繞組中都有很大的啟動電流，其大小一般為額定電流的4～7倍。過大的啟動電流會使電網電壓明顯減小，同時還會影響接在同一電網上的其他負載的正常運行，嚴重時會使三相異步電動機本身也無法正常工作。如果是頻繁啟動，則不但會使三相異步電動機的溫度大幅上升，還會對其造成過大的電磁沖擊，從而影響三相異步電動機的使用壽命。 在三相異步電動機啟動瞬間，盡管啟動電流很大，但轉子的功率因數很低，因此此時的啟動轉矩較小。啟動轉矩過小會使三相異步電動機的啟動時間延長，這樣既影響生產效率，又會使三相異步電動機的溫升過快。如果啟動轉矩小于機械負載轉矩，則三相異步電動機將不能啟動。 綜上所述，三相異步電動機在啟動時既要把啟動電流限制在一定數值之內，又要保證具有足夠大的啟動轉矩，以便縮短啟動時間，提高生產效率。 下面以籠型三相異步電動機為例，介紹三相異步電動機的啟動方法。籠型三相異步電動機常用的啟動方法有直接啟動和降壓啟動兩種。 1．直接啟動 直接啟動又稱全壓啟動，是指利用刀開關（又稱閘刀開關）或接觸器將籠型三相異步電動機直接接到具有額定電壓的電源上。這種啟動方法操作簡單，設備少，成本低，但啟動電流大，啟動轉矩小，因此只適用于小容量（7.5 kV·A以下）籠型三相異步電動機的啟動。對較大容量的籠型三相異步電動機，可參考以下經驗公式進行核定，即 （3-19） 式中： ——電源的總容量，單位為千伏安（kV·A）； ——籠型三相異步電動機的額定功率，單位為千瓦（kW）。 只有滿足式（3-19），籠型三相異步電動機才能直接啟動。 2．降壓啟動 降壓啟動是指啟動時減小加在籠型三相異步電動機定子繞組上的電壓，啟動過程結束后再將其增大至額定電壓的啟動方法。降壓啟動的主要目的是減小啟動電流，但同時也限制了啟動轉矩，因此這種情況只適用于空載或輕載情況下的啟動。常用的降壓啟動有Y-△降壓啟動和自耦變壓器降壓啟動兩種。 1）Y-△降壓啟動 Y-△降壓啟動適用于正常運行時定子繞組做△聯結的籠型三相異步電動機。在啟動時，可先將定子繞組做Y聯結，啟動結束時再做△聯結。這樣，啟動時定子繞組上的電壓就可以減小為額定電壓的。 ✈【教師】通過多媒體展示“Y-△降壓啟動電路”圖片（詳見教材），幫助學生對這些內容有更直觀地認識 Y-△降壓啟動電路。設定子每相繞組的阻抗模為，電源額定電壓為，當采用△聯結直接啟動時，其線電流為 當采用Y聯結降壓啟動時，每相繞組的相電壓為，其線電流為 由以上兩式可知 （3-20） 即Y-△降壓啟動時的啟動電流為直接啟動時的1/3。 由于啟動轉矩與電壓的平方成正比，因此Y-△降壓啟動時的啟動轉矩也減小到直接啟動時的1/3。 Y-△降壓啟動具有操作方便、啟動設備簡單、運行可靠等特點。 2）自耦變壓器降壓啟動 自耦變壓器降壓啟動適用于容量較大或正常運行時定子繞組做Y聯結的籠型三相異步電動機，它利用自耦變壓器將電源電壓減小后再加到籠型三相異步電動機的定子繞組上，以減小啟動電流。 ✈【教師】通過多媒體展示“自耦變壓器降壓啟動電路”圖片（詳見教材），幫助學生對這些內容有更直觀地認識 自耦變壓器降壓啟動電路。啟動時，將開關扳到“啟動”位置，自耦變壓器一次側接電源，二次側接籠型三相異步電動機定子繞組，以實現降壓啟動。當轉速接近額定轉速時，再將開關扳向“運行”位置，從而斷開自耦變壓器，使籠型三相異步電動機直接接電源運行。 因為自耦變壓器的一、二次電壓之比等于一、二次繞組的匝數之比，且啟動電流與啟動電壓成正比，所以引入自耦變壓器前后啟動電流的關系為 （3-21） 式中： ——電源向自耦變壓器一次側提供的降壓啟動電流，單位為安（A）； ——電源向籠型三相異步電動機提供的直接啟動電流，單位為安（A）； K ——自耦變壓器的變比。 由式（3-21）可知，引入自耦變壓器后的降壓啟動電流為直接啟動電流的1/。由于啟動轉矩與電源電壓的平方成正比，因此引入自耦變壓器后的降壓啟動轉矩也為直接啟動轉矩的1/。 自耦變壓器通常備有多組抽頭，具有多種變比，可根據所要求的啟動轉矩來選擇（如電源電壓的73%、64%、55%）。這種啟動方法的設備成本較高，且不宜頻繁啟動。 【學生】聆聽、思考、理解、記錄 |
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| 課堂實踐 |
【教師】準備器材，帶領學生到實驗室進行試驗操作 1）拆卸籠型三相異步電動機 （1）切斷電源，拆下籠型三相異步電動機與電源的連接線，并將電源連接線的線頭做好絕緣處理。 （2）脫開皮帶輪或聯軸器與負載的連接，松開地腳螺栓和接地螺栓。 （3）依次拆卸皮帶輪或聯軸器、罩殼和風扇、軸承蓋和端蓋。 （4）從定子中抽出轉子。 2）裝配籠型三相異步電動機 （1）對籠型三相異步電動機轉子的軸承洗油，并在軸承上涂抹軸承潤滑脂。 （2）依次安裝軸承、后端蓋、轉子、前端蓋和軸承蓋、風扇和罩殼。 （3）安裝皮帶輪或聯軸器。 ……（詳見教材） 【學生】以小組為單位進行試驗，根據分工填寫“任務工單——拆裝三相異步電動機” 【教師】巡堂輔導，及時解決學生遇到的問題，根據學生表現填寫考核評價表 |
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| 探索活動 |
【教師】組織學生以小組為單位完成以下任務： 三相異步電動機在工業生產中的應用非常廣泛。請查閱有關資料，分析我國三相異步電動機的發展現狀。 【學生】查閱、分析、討論，由小組代表上臺發表討論結果 【教師】與學生一起評價各組的發言，并進行總結 |
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| 課堂小結 |
三相異步電動機的工作原理 三相異步電動機的啟動方法 拆裝三相異步電動機 【學生】總結回顧知識點 |
| 電機類實驗室實訓設備 |
