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《电工基础（第4版）》第7章教案
第7章 变压器与电动机
【知识目标】
了解变压器的基本原理、种类、功率和效率及常用变压器。
了解异步电动机的结构、基本原理和应用。
【技能目标】
会应用变压器和电动机知识分析和解决实际问题。
【参考学时】
10学时
7.1 变压器
【教学目标】
●知道变压器的基本原理，会应用变压、变流、变阻抗公式作简单计算。
●知道变压器的种类，知道变压器的功率和效率计算公式。
●认识常用变压器。
【教学重点】
变压、变流、变阻抗计算
【教学难点】
变阻抗计算
【参考学时】
4学时
【教学过程】
一、任务导入
列举实例，让学生认识变压器，激发学生学习兴趣。
二、任务实施
1.认识变压器的基本原理
变压器是由一个矩形铁心和两个互相绝缘的线圈所组成的装置，是利用互感原理工作的，如图所示。两个线圈中，左边一个线圈与交流电源相接，称为原线圈，又称初级线圈或一次线圈（一次侧），右边一个线圈与用电设备或电路元件相接叫副线圈，又称次级线圈或二次线圈（二次侧）。变压器的符号如图所示。
　　　　　　
最简单的变压器 变压器符号
变压器不仅能变换交流电压而且能变换交流电流、交流阻抗等。
（1）变换交流电压
如图所示，将变压器的原线圈接上交流电压，副线圈不接负载，变压器空载运行。
变压器空载运行原理图
设原线圈匝数为N1，副线圈匝数为N2，忽略线圈内阻得
==n
n为变压器的变压比。
变压器原线圈、副线圈的电压比等于它们的匝数比。如果N1 < N2，n< 1，电压上升，称为升压变压器。如果N1 > N2，n>1，电压下降，称为降压变压器。
【例7.1】为了安全，车床上照明灯电压为36V。如果电源电压为380V，所用变压器的原线圈为1 500匝，求副线圈的匝数。
解：副线圈匝数为
N2===142（匝）
（2）变换交流电流
当变压器带负载工作时，将变压器视作理想变压器，变压器的输入功率全部消耗在负载上，即
U1I1= U2I2
===
可见，变压器工作时原线圈、副线圈的电流与线圈的匝数成反比。变压器不但能改变原边、副边（初级、次级）的电压，还能改变原边、副边（初级、次级）的电流。
【例7.2】有一台降压变压器，原线圈接电压为3 000V的电源，副线圈输出电压为220V。如果副线圈接一台功率为25kW的电烤箱，求变压器原边电流、副边电流。
【分析】先求出变压器的副边电流，再代入式公式即可。
解：变压器副边电流就是电烤箱的工作电流为
I2===113.6（A）
变压器原边电流为
I1=I2==8.33（A）
（3）变换交流阻抗
变压器负载运行时，设变压器初级输入阻抗为z1，次级负载阻抗为z2，则
=n2
即
z1 = n2 z2
这说明变压器副边接上负载z2时，相当于原边接上一个阻抗为n2 z2的负载。
2.认识变压器的种类
（1）按用途分
变压器按用途分，有电力变压器、试验变压器、仪表变压器、特殊用途变压器等。
（2）按相数分
变压器按相数分，有用于三相系统升降电压的三相变压器和用于单相负荷及组成三相变压器组的单相变压器。
（3）按绕组形式分
变压器按绕组形式分，有三绕组变压器、双绕组变压器、自耦变压器等。
（4）按铁心形式分
变压器按铁心形式分，有心式变压器和壳式变压器。
心式变压器和壳式变压器
（5）按冷却方式分
变压器按冷却方式分，有油浸式变压器、干式变压器、充气式变压器、蒸发冷却变压器等。
3.计算变压器的功率和效率
（1）变压器的功率
变压器原边的输入功率为
P1 =U1I1 cos1
变压器副边的输出功率为
P2 =U2I2 cos2
变压器功率损耗包括铁损和铜损两部分。变压器的功率损耗为
P =PCu + PFe
变压器的功率损耗等于输入功率与输出功率之差，即
P =P1 P2
（2）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
大容量变压器的效率可达98%～99%，小型电源变压器效率为70%～80%。
4.认识常用变压器
（1）电力变压器
为有效解决“输电要经济用电要安全”的矛盾，在电力系统中广泛采用了电力变压器，其实物形如图（a）所示。电力变压器大部分是三相变压器。
三相变压器就是3个相同的单相变压器的组合，如图（b）所示。
（a）实物图 （b）原理图
电力变压器
（2）自耦变压器
自耦变压器是原线圈、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，如图所示。
自耦变压器
自耦变压器原线圈、副线圈电压之比和电流之比的关系为
（3）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，其实物形如图（a）所示。
①电压互感器
电压互感器的作用是将电力设备上的高电压变换成低电压（一般电压互感器的二次侧电压都设计为100V），再供给测量仪表。
电压互感器实质上就是降压变压器，因此主要构造和工作原理与降压变压器相似。
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（b）所示。
电压互感器高压侧的电压U1等于所测量电压U2和变压比n的乘积，即
U1 = n U2
（a）实物图 （b）接线原理图
电压互感器
②电流互感器
电流互感器的作用是把电路中大电流变成小电流（一般电流互感器的二次侧电流都设计为5A），再供给测量仪表，其实物形如图（a）所示。
电流互感器的主要构造与普通双绕组变压器相似，电流互感器的工作原理与普通双绕组变压器相似。电流互感器副边的额定电流通常为5A，原边额定电流为10～25 000A。
使用时，电流互感器的初级绕组与待测电流的负载串联，次级绕组则与电流表串联成闭合回路，如图（b）所示。
（a）实物图 （b）接线原理图
电流互感器
电流互感器通过负载的电流等于所测电流和变压比倒数的乘积，即
I1=
三、任务评价
请将“变压器”的操作过程、收获体会及任务评价填入“任务评价表”。
任务评价表
课题 7.1 变压器
班级 姓名 学号 日期
任务过程记录 任务实施
仪器仪表使用
安全文明生产
团队协作
任务收获
任务 体会
任务评价 评定人 评　　　　　　语 等级 签名
自己评
同学评
老师评
综合评 定等级
开始时间 结束时间 实际时间
7.2 电动机
【教学目标】
●认识三相异步电动机的结构，说出基本原理，知道三相异步电动机的控制。
●说出单相异步电动机的基本原理，知道单相异步电动机的应用。
【教学重点】
电动机基本原理
【教学难点】
电动机基本原理
【参考学时】
4学时
【教学过程】
一、任务导入
列举实例，让学生认识电动机，激发学生学习兴趣。
二、任务实施
1.认识三相异步电动机
（1）三相异步电动机的结构
三相异步电动机是一种将电能转变为机械能的交流电动机。如图所示为一种常见的小型三相异步电动机外形图。
三相异步电动机外形图
三相异步电动机由两个基本部分组成，固定不动的部分叫定子（由定子铁心、定子绕组、机壳和端盖组成），转动的部分叫转子（由转子铁心、转子绕组和转轴组成）。三相异步电动机的基本结构如图所示。
三相异步电动机基本结构
（2）三相异步电动机的基本原理
三相异步电动机的基本工作原理如图所示。
三相异步电动机的工作原理
①三相异步电动机的定子绕组通入三相交流电产生一个旋转磁场。当三相异步电动机的定子绕组通入三相交流电时，产生一个转速为n0的旋转磁场。旋转磁场的转速又称为同步转速。
若三相交流电的频率为f，磁极对数为p，则三相异步电动机的同步转速为
②转子导体与旋转磁场做相对运动，产生感应电动势和感应电流。
③产生感应电流的转子导体在旋转磁场中形成电磁转矩。
④为保证转子导体与旋转磁场的相对运动，转子与旋转磁场“异步”。
转子总是紧跟着旋转磁场以小于同步转速n0的转速旋转，因此这类交流电动机称为异步电动机。
通常把同步转速n0与转子转速n之差对同步转速n0之比值，称为异步电动机的转差率，其表达式为
s=
转差率s是异步电动机的一个重要参数，当转子刚启动时，n = 0，此时转差率s = 1。理想空载下n≈n0，此时转差率s = 0。因此，转差率的变化范围为0～1。转子转速越高，转差率就越小。异步电动机在正常使用时的转差率为0.02～0.08。
（3）三相异步电动机的铭牌
每台三相异步电动机的机壳上都有一块铭牌，上面标有三相异步电动机的型号、规格和有关技术数据，如图所示。
三相异步电动机的铭牌
①型号
三相异步电动机的型号表示电动机品种形式的代号，其由产品代号、规格代号和特殊环境代号等组成，具体编制方法如下：
产品代号 规格代号 　 特殊环境代号（用数字表示）
　　 中心高度（用数字表示）
　　 机座长度（长L，中M，短S）
　　 铁心长度（用数字表示）
　　 磁极数（用偶数表示）
　　 设计序号（用数字表示）
特点代号（用字母表示）
代号（老型号为J，新型号为Y）
②主要参数
额定功率（PN）：电动机在额定工作状态下运行时转轴上输出的机械功率，单位是kW或W。
额定频率（f）：电动机的交流电源频率，单位是Hz。
额定电压（UN）：在额定负载下情况时电动机定子绕组的线电压。
额定电流（IN）：电动机在额定电压、额定频率和额定负载下定子绕组的线电流。
额定转速（nN）：电动机在额定电压、额定频率和额定负载下工作时的转速，单位是r/min。
绝缘等级：电动机绕组所用绝缘材料按它允许耐热程度规定的等级，这些级别为：A级为105℃；E级为120℃；B级为130℃；F级为155℃。
额定效率（ηN）：电动机在额定情况下运行时的效率，是额定输出功率与额定输入功率的比值。
功率因数(cos)：电动机从电网吸收的有功功率与视在功率的比值。
③工作方式
三相异步电动机的工作方式有三种：
连续工作。电动机在额定负载范围内，允许长期连续使用，但不允许多次断续重复使用。
短时工作。电动机不能连续使用，只能在规定的负载下作短时间使用。
断续工作。电动机在规定的负载下，可作多次断续重复使用。
④编号
编号表示三相异步电动机所执行的技术标准编号。其中“GB”为国家标准，“JB”为机械部标准，后面数字是标准文件的编号。
（4）三相异步电动机的控制
① 三相异步电动机的启动
三相异步电动机的启动可分为全压启动和降压启动两种。
加在定子绕组的启动电压是电动机的额定电压，这样的启动叫全压启动。全压启动电流一般为额定电流的4～7倍。只有10kW以下的异步电动机采用全压启动。
降压启动是在启动时降低加在电动机定子绕组上的电压，待启动结束时恢复到额定值运行。笼型电动机的降压启动常用定子绕组串电阻降压启动、Y-△降压启动和自耦变压器降压启动等方法。
② 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称为调速。调速有以下3种方法。
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。
变转差率调速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。
变极调速是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。
③三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。因此，只要将3根电源相线中任意两根对调即可使电动机反转。
④三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准确停车，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。
反接制动是在电动机停车时，将三相电源线中的任意两根对调，产生反向转矩，起制动作用。当转速接近零时切断电源，否则电动机会反转。
能耗制动是在断电的同时，接通直流电源。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。
2.单相异步电动机
单相异步电动机的构造与三相异步电动机相似，也可由定子和转子两个基本部分组成。
（1）单相异步电动机的基本原理
单相异步电动机转动的关键是产生一个启动转矩。
2．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启动绕组两个绕组。两个绕组在定子铁心上相差90的空间角度，启动绕组中串联一个电容器。如图所示为单相电容式异步电动机的原理图。
单相电容式异步电动机原理图
同一电源向两个绕组供电，则工作绕组的电流和启动绕组的电流就会产生一个相位差，适当选择电容，使i1和i2的相位差为90，相位差为90的i1和i2，流过空间相差90的两个绕组，能产生一个旋转磁场。在旋转磁场的作用下，单相异步电动机转子得到启动转矩而转动。
改变电动机定子绕组接线的顺序，可以改变旋转磁场的方向，也就改变了电动机的转向。
（3）单相异步电动机的应用
单相异步电动机在日常生活中应用十分广泛，如图所示为一些常见家用电器，这些家用电器都应用了单相交流电动机。
（a）吸尘器 （b）电冰箱 （c）洗衣机 （d）电风扇
常见家用电器
①吸尘器用电动机
在使用电动机的家用电器中，吸尘器是最简单的。它使用整流子电动机，如图所示。
整流子电动机
②电冰箱用电动机
使用在电冰箱中的电动机是感应式电动机，如图所示，它是电容器启动。
感应式电动机
③洗衣机用电动机
使用在洗衣机上的电动机有两种：一种是用于脱水的脱水电动机，如图（a）所示；另一种是用于洗涤的洗涤电动机，如图（b）所示。
（a）脱水电动机电路　　 （b）洗涤电动机电路
洗衣机用基本电路
④电风扇用电动机
使用在电风扇上的电动机是感应式电动机，靠电容器启动。它变换转速的结构如图所示，辅助线圈带有几个中间抽头，利用开关选择所需抽头。拨到快速挡位置，全部线圈便都当作辅助线圈，所以转速快。把开关拨到中速（或弱速）挡位置，只有部分线圈当作辅助线圈，所以转速成为中速（或弱速）。
电风扇用电动机基本电路
三、任务评价
请将“电动机”的操作过程、收获体会及任务评价填入“任务评价表”。
任务评价表
课题 7.2 电动机
班级 姓名 学号 日期
任务过程记录 任务实施
仪器仪表使用
安全文明生产
团队协作
任务收获
任务 体会
任务评价 评定人 评　　　　　　语 等级 签名
自己评
同学评
老师评
综合评 定等级
开始时间 结束时间 实际时间
7.3 技能训练：鸿运扇的安装和拆卸、清洗
【教学目标】
●学会鸿运扇的安装和拆卸、清洗。
【教学重点】
鸿运扇的安装和拆卸、清洗
【教学难点】
鸿运扇的安装和拆卸
【参考学时】
2学时
【教学过程】
一、任务导入
列举实例，让学生认识鸿运扇，激发学生学习兴趣。
二、任务准备
1.落地式鸿运扇的安装
（1）认真阅读使用说明书，了解落地式鸿运扇的组成结构，如图所示。
落地式鸿运扇结构示意图
（2）将4只管套套入弯立管，如图所示。
4只管套套入弯立管
（3）将弯立管插入立管定套，拧上螺钉加以固定，如图所示。
固定弯立管
（4）装上内侧夹板用螺钉固定，然后将横弯管、弯立管、外侧夹板上的螺钉孔依次对准，用螺钉逐步固定，如图所示。
（a）装上内外侧夹板　　 （b）逐一拧紧螺钉
内外侧夹板与横弯管、弯立管的安装
（5）将左右立管插入夹板内，并用螺钉夹紧，如图所示。
左右安装直立管
（6）将4根直立管插入扇体的左右手柄4个孔内，并将夹紧螺钉拧松，用手轻轻向里压入，即可将扇体推入。当4根直立管穿过手柄孔后，合上支架顶盖，用两颗螺钉拧紧，如图所示。
安装扇体
2.落地式鸿运扇的拆卸、清洗
（1）落地式鸿运扇的拆卸，按照其安装步骤的（6）、（5）、（4）、（3）和（2）操作步骤进行。
（2）拆卸扇体上的网罩、风叶和导风轮等，并进行清洗，用软干质布条擦干、晾干。注意：清洗时，不要把风扇电机内部弄潮浸湿。
如图所示为台式鸿运扇扇体的结构示意图。
台式鸿运扇的结构
（3）干燥后，进行组装，然后对风扇电机端面（转轴）加油，如图所示，即可包装存放，待来年使用。
对风扇电机端面（转轴）加油
三、任务实施
1.列一列　工具清单
请根据学校、家庭实际，将所需工具的型号、规格和数量填入表中。
表 鸿运扇的安装和拆卸、清洗工具清单
序号 名称 规格 数量 备注
1
2
3
4
2.做一做　鸿运扇的安装和拆卸、清洗
根据家庭和学校的实际需要，安装和拆卸、清洗鸿运扇1～2台。
四、任务评价
请将“技能训练：鸿运扇的安装和拆卸、清洗”的操作过程、收获体会及任务评价填入“任务评价表”。
任务评价表
课题 7.3 技能训练：鸿运扇的安装和拆卸、清洗
班级 姓名 学号 日期
任务过程记录 任务实施
仪器仪表使用
安全文明生产
团队协作
任务收获
任务 体会
任务评价 评定人 评　　　　　　语 等级 签名
自己评
同学评
老师评
综合评 定等级
开始时间 结束时间 实际时间
五、任务拓展
拓展1 家用电动电器
家用电动电器是指必须借助电动机才能工作的家用电器。家用电动电器使用的电动机可分为单相交流感应式电动机、交直流两用串励电动机和永磁式直流电动机3类。
单相交流感应式电动机是家用电器用得最多的电动机，如用于电风扇、洗衣机、抽油烟机、电冰箱、家用空调等。
交直流两用串励电动机又称为交直流通用电动机，其转速可以达到20 000r/min，特别适合使用在吸尘器、食品加工机等需要高速旋转的家用电器上。
永磁式直流电动机是以干电池、蓄电池等为直流电源，用于电动自行车、电吹风、电动剃须刀等。
拓展2　电风扇使用要点
电风扇使用时，要放在平稳的地方。
（2）电风扇的转速一般分快、中、慢3挡。一般都是通过变换串联线圈的电阻大小达到调速目的的。在启动电风扇时，要先按下快速挡，待扇叶转起来后，再按下慢速挡。
（3）移动时要关掉开关，切忌在高速运转时移动。
（4）电风扇连续长时间运转时，要注意用手摸一摸电风扇后部外壳，如稍有热感，则属正常，可继续使用。
（5）平时应经常用细软的干布消除灰尘。
（6）天凉不用时，要仔细清除灰尘、污垢，然后放入纸箱内，放置在通风干燥处，防止受潮生锈。
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