电机与变压器一体化课程.doc

_2014-2015__学年度第__一__学期

一体化课程
备 课 本
（编号：JWC-JL-01-22 版号：E/0 ）

班 级 132电气512、132电气522
科 目 电机与变压器
任课教师 李少辉
教 研 室 自动化教研室
系（处） 电气应用系

3
课 程 表
星期
时间
星期一
星期二
星期三
星期四
星期五
1-2节
08:15-09:00
09:10-09:55

132电气512

132电气522

3-4节
10:15-11:00
11:10-11:55

132电气512

132电气522

5-6节
14:30-15:15
15:25-16:10

132电气512

132电气522

8-9节
19:30-21:00

学 期 授 课 计 划 说 明
本课程教学目标：
该课程为专业理论课，重点讲解电机及变压器结构及应用，基本原理稍作介绍。课件会使用大量的图片，让学生对电机和变压器有较深刻的感性认识。期间会进行多次实操，使学生对电机和变压器有较全面的了解，同时为后续课程打下基础。

教材名称、版本、编著者

本课程总课时
已授课时
尚 余 课 时
本学期教学周
本 学 期 课 时 分 配
总
课
时
其 中
讲授
课时
习题
课时
实验（习）课时
测验
课时
复习
课时
120
0
0
20
108
53

49
6
6

教 学 进 度 表
周
次
章
节
或
单
元
教 学 内 容
周
总
课
时
习题
（作业）课时
测验
（实验）
课时
1
项目一
变压器的结构
6
1

2

变压器的基本工作原理
6
1

3

变压器的外特性、损耗及效率空载实验及短路实验
6
1

4
项目二
变压器绕组极性及连接组
6
1

5

国庆节放假冲掉6节
6

6

变压器绕组极性的判别
6
1

7

变压器的铭牌及并联运行
2
0.5

三相变压器组的连接
4
0．5

8
项目三
特种变压器
2
0.5

8、9

小型变压器的制作
10
1

10
项目四
三相交流异步电动机的结构、种类及工作原理
6
1

11

小型三相交流笼式异步电动机拆装
6
1

12

三相交流异步电动机的运行原理、特性及控制
2
0.5

笼式三相交流异步电动机的Y接线和△接线及反转试验
4
0.5

13、14

电动机绕组下线
12
1

15
项目五
单相异步电动机
4
0.5

项目六
同步电机
2
0.5

16
项目七
直流电机
6
1

17
项目八
特种电机
6
1

18

元旦放假冲掉6节
6

19

复习
6

20

考试
6

一体化课程教案首页

第 1 周 星期 二和四 2014 年 9 月 2和4 日
科 目
电机与变压器
学习领域
单相变压器
教 师
李少辉
班 级
132电气512、522
课 时
6
授课地点

授课内容
学习任务
认识单相变压器的结构
子任务
单相变压器的结构、种类和用途
教学目标
1、知道变压器的分类和用途。
2、认识变压器的结构与冷却方式。
教学对象分析
本班为二年级全男班学生，生性活泼好动，喜欢动手做，对理论专业知识不愿学习，学习兴趣一般，纪律性也一般，但学生的学习目标不明确，积极性不高。
教材分析
教材采用任务驱动型教材，每一部分以一工作任务作为切入点进行学习，教材图文并茂，内容难度适中，易于学生理解。
教学重点
变压器的用途和结构
教学难点
变压器的结构与冷却方式
授课方法
现场教学、实物展示、教师讲解、学生练习
教 具
单相变压器实物
课后作业
习题集
课后回顾

审 签： 李少辉 2014 年 8 月 30 日
一体化课程教案内页
教学环节
教学内容与过程及时间分配
师生
活动
教学
方法
设计
意图
一、教学组织
（2分钟）

二、情景导入
（43分钟）

三、资讯
（90分钟）

1、检查学生出勤情况，填写课堂日志。
2、分组分工
3、稳定学生情绪，开始上课。

1、本课程介绍
2、本课程的任务和要求
3、本课程的学习方法

一、变压器定义：
变压器是一种静止电器,它通过线圈间的电磁感应,将一种电压等级的交流电能转换成同频率的另一种电压等级的交流电能.
二、变压器的分类：
按用途分：电力变压器和特种变压器
按相数分：单相、三相、多相变压器
按每相绕组数目分：双绕组、三绕组、自耦变压器
按冷却介质和冷却方式分：干式变压器、油浸式变压器和充气式变压器
铁心结构：心式变压器和壳式变压器
三、变压器的用途：
1、电力变压器和三相变压器：常用于输配电系统中变换电压和传输电能
2、单相变压器：常用于的单相交流电路中隔离、电压等级的变换、阻抗变换、
相位变换或三相变压器组
3、仪用互感器：常用于电工测量与自动保护装置
4、电炉变压器：常用于冶炼、加热及热处理设备电源
5、自耦变压器：常用于试验室或工业上调节电压
6、电焊变压器：常用于焊接钢铁材料的交流电焊机上
三、变压器的基本结构
1、铁心：变压器的主磁路
为了提高导磁性能和减少铁损，用0.35mm厚、表面涂有绝缘漆的硅钢片叠成。
为了减少磁路上的空气隙和安装方便，铁心的装配采用交错叠接式。
2、绕组：
定义 变压器的电路部分，用纸包或纱包的绝缘扁线或圆线绕成。
一次绕组 输人电能的绕组
二次绕组 输出电能的绕组
同异点：一次和二次绕组具有不同的匝数、电压和电流，其中电压较高的绕组称为高压绕组，电压较低的称为低压绕组。
四、变压器的冷却方式
1、三相油浸自冷式（ONAN）
2、三相油浸风冷式（ONAF）
3、三相强迫油循环风冷式（OFAF）
4、三相强迫油循环水冷式（OFWF）
五、变压器的主要附件：
1、油箱和冷却装置
变压器油——冷却、绝缘
①绝缘：绕组与绕组、绕组与铁心及油箱之间
②散热：热量通过油箱壳散发，油箱有许多散热油管，以增大散热面积。采用内部油泵强迫油循环，外部用变压器风扇吹风或用自来水冲淋变压器油箱
油箱—— 分类： 平板式 —— 小容量
排管式—— 较大容量
散热气式—— 大容量
强迫油循环——大容量
作用：机械支撑、冷却散热、
冷却装置：
油泵——为了加快散热，有的大型变压器采用内部 油泵强迫油循环
风扇——外部用变压器风扇吹风
自来水——冲淋变压器油箱。这些都是变压器的冷却装置
2、绝缘套管
绝缘套管由中心导电杆与瓷套组成。导电杆穿过变压器油箱、在油箱内的一端与线圈的端点联接，在外面的一端与外线路联接。
低压引出线一般用纯瓷套管，高压引线一般用充油或电容式套管
套管外形常做成伞形，电压越高、级数愈多。
3、保护装置：
储油柜——储油柜使变压器油与空气接触面变小，减缓了变压器油的氧化和吸收空气水分的速度。从而减缓了油的变质。
气体继电器——故障时,热量会使变压器油汽化，触动气体继电器发出报警信号或切断电源
安全气道——（防爆筒）如果是严重事故，变压器油大量汽化，油气冲破安全气道管口的密封玻璃，冲出变压器油箱，避免油箱爆裂。
吸湿器—— （呼吸器）内装硅胶（活性氧休铝），用以吸收进入储油柜中空气的水分
净油器——过滤油中杂质，改善变压器油的性能

教师活动：
检查人数
学生活动：
进行分组分工

教师提出目标

教师活动：
负责把相关资料整理；引导学生学习，查找相关资料
学生活动：
学生学习分析及小组讨论研究、阅读书本内容
情景教学法

情景教学法

讲授法、
情景教学法、
讨论法、行为导向法

检查出勤情况；严肃学风，培养团队意识

让学生知道要求

1、提高自我学习能力；
2、培养学生处理问题的能力；

四、计划和实施
（90分钟）

五、评估
1、 制订工作计划的方法
2、 工具和材料清单的格式和内容
3、清理现场的方法和内容 

展示工作成果的方法
教师活动：
1、指导学生制订工作计划
2、 检查学生所列清单
学生活动：
互相讨论，画出流程图

教师活动：
指导学生汇报成果；
考核学生；
对教学进行总结。
学生活动：
汇报成果；自己
、小组考核；写心得体会。

讨论法、
实践法

表演法、
情景教学法
实践法

锻炼学生分析问题的能力；

提高学生综合素质；

认识单相变压器结构 任务书
班别 组别 完成时间
任务名称
目标要求
组员姓名
任务分工
得分
单相变压器结构
1、知道变压器的分类和用途。
2、认识变压器的结构与冷却方式。

完成任务的方法与步骤
1、 变压器的分类

2、 变压器的用途

3、变压器的结构
总结与评价
1、自我评价：

2、小组互评：

3、老师评价

任课教师签名：李少辉 2014 年 9 月 2 日
一体化课程教案首页

第 2 周 星期 二和四 2014 年 9 月 9和11 日
科 目
电机与变压器
学习领域
单相变压器
教 师
李少辉
班 级
132电气512、522
课 时
6
授课地点

授课内容
学习任务
变压器的原理
子任务
变压器的工作原理、外特性、损耗及效率
教学目标
1、掌握变压器的原理。
2、掌握变压器空载运行时的物理情况、电磁关系、电压平衡方程及等效电路。
3、掌握变压器的外特性与电压调整率
教学对象分析
1、该班为二年级学生，学习专业知识时间不长；并对理论知识的学习不太喜欢；
2、该班学生全为男生，动手能力较强，有团队意识。
教材分析
教材采用任务驱动型教材，每一部分以一工作任务作为切入点进行学习，教材图文并茂，内容难度适中，易于学生理解。但工作原理编写比较简单，而且和实际联系不紧密。所以在此次课程教学中采用“真实情景”开展教学。
教学重点
变压器的原理、电磁关系、电压平衡方程及等效电路
教学难点
变压器电磁关系、电压平衡方程及等效电路
授课方法
项目法、行为导向法、情景法、讲授法、讨论法等
教 具
单相变压器实物
课后作业
习题集
课后回顾

审 签： 李少辉 2014 年 9 月 1日
一体化课程教案内页
教学环节
教学内容与过程及时间分配
师生
活动
教学
方法
设计
意图
一、教学组织
（2分钟）

二、情景导入
（43分钟）

三、资讯
（90分钟）

1、检查学生出勤情况，填写课堂日志。
2、分组分工
3、稳定学生情绪，开始上课。

1、为什么要高压送电?
2、变压器为什么能把交流电进行变换？

一、理想变压器的运行原理
理想变压器：（不计电阻、铁耗和漏磁）
一次与二次绕组完全耦合，且两绕组电阻为零。
铁芯中损耗为零
铁芯的导磁率为无穷大，即磁阻为零。
原绕组加电压产生电流建立磁通，沿铁心闭合分别在原副绕组中感应电动势
1、变压器的变电压作用：
由于线圈电阻为零，且一次、二次侧绕组完全耦合，故按照图中的假定正方向下：

结论：只要改变原、副绕组的匝数比,就能按要求改变电压。
2、变压器的变电流作用：

结论：变压器在改变电压的同时,亦能改变电流。
教师活动：
检查人数
学生活动：
进行分组分工

教师提出目标

教师活动：
负责把相关资料整理；引导学生学习，查找相关资料
学生活动：
学生学习分析及小组讨论研究、阅读书本内容
情景教学法

行为导向法

讲授法、
情景教学法、
讨论法、行为导向法

检查出勤情况；严肃学风，培养团队意识

让学生知道目标

1、提高自我学习能力；
2、培养学生处理问题的能力；

3、变压器的变阻抗作用
图中，二次侧绕组电路负载阻抗为：

如果从一次侧绕组电路来看，则其大小为：

结论：变压器在改变电压的同时,亦能实现对阻抗的变换。
二、变压器的空载运行
为充分利用铁磁材料，实际的变压器的铁心均工作在饱和状态，因此从本质上讲，变压器属于非线性、非正弦的电磁系统，
线性电路分析中的方法和工具——符号法和向量图在此均不使用，因而难以建立其变量和参数之间的简明的解析关系。
必须在误差允许的范围内，对其中的非线性、非正弦因素作必要的等效处理，最终将变压器简化为单纯的线性电路，以便进行工程分析和计算。
（一）、空载运行和一次侧等效电路
空载运行：原绕组加额定电压，副绕组开路的运行情况称为空载运行
主磁通与漏磁通的区别
主磁通：以铁心为磁路，同时交链着一次绕组和二次绕组
漏磁通：以空气或变压器油为磁路，只与一次绕组相交链
1）性质上：与 成非线性关系；与 成线性关系；
2）数量上：占99%以上，仅占1%以下；
3）作用上：起传递能量的作用，起漏抗压降作用。
（二）感应电动势与电动势变比
结论1：如果u随时间按正弦规律变化，则e亦按正弦规律变化，主磁通Φ也按正弦规律变化
结论2：及在相位上均滞后于电角度
它们的有效值分别是

结论3：电网频率一定时变压器主磁通最大幅值的大小近似于电源电压成正比例。
三、变压器的外特性与电压调整率
1、当原绕组电压u1和负载的功率因数comφ2一定时，副绕组输出的电压u2与负载电流I2的关系u2=f(I2),称为变压器的外特性。

（1）负载为纯电阻
当负载为纯电阻时， comφ2 =1，随着负载电流I2的增大，变压器副绕组的输出电压逐渐降低，即变压器输出电压具有下降的外特性，但下降得并不多。
（2）负载为电感性
当负载为电感性时，0<comφ2<1，随着负载电流I2的增大，变压器副绕组的输出电压下降较快。这是因为无功电流滞后，对变压器磁路中主磁通的去磁作用较强，使副绕组的感应电动势E2下降所致。
（3）负载为电容性
当负载为电容性时，-1<comφ2<0，φ2为负值。超前的无功电流有助磁作用，主磁通会有所增加，副绕组的感应电动势E2也随之增加，使u2随 I2的增加而增加。
以上说明，功率困数对变压器外特性的影响是很大的。负载的功率因数确定之后，变压器的外特性曲线也就随之确定了。为了满足不同负载的工作要求，不同用途的变压器具有不同的外特性。例如，照明用变压器应当有较为平直的外特性；但是有些负载则要求变压器具有陡降（即电流I2增加时， u2下降很大）的外特性，如电弧焊使用的电焊变压器。
2、变压器的电压调整率
一般情况下，当负载波动时，变压器的输出电压也是波动的，输出电压的波动情况可以用电压调整率来描述。变压器从空载I2=0到额定负载I2= I2N时，输出电压的变化量△U=U2N-U2与额定电压U2N的百分比，称为变压器的电压调整率，用△U%表示为

电压调整率表征变压器输出电压的稳定性，是变压器的主要性能指标之一，在一定程度上反映该变压器供电的质量。电压调整率与变压器参数及负载性质有关。对于一般电力变压器，当comφ2≈1时， △ U% ≈ 2%~3%；当 comφ2≈0.8时， △ U% ≈ 4%~6% 了 。可见，提高副绕组负载功率因数，还能提高副绕组电压的稳定性。

一般情况下，照明电源电压波动不超过±5%，动力电源电压波动不超过+10%~－5%。
四、变压器的损耗和效率
1、变压器的损耗
变压器工作时是有损耗的，损耗的来源主要有两个部分，
即导线发热产生的铜损，以及由于铁心发热产生的铁损。
（1）.铁损（PFe）
当变压器铁心中的磁通交变时，在铁心中要产生磁滞损耗和涡流损耗，这两项称为铁损。在铁心材料和电源频率一定的情况下，只要电源电压U1不变，铁心中磁通φm就不会变，变压器的磁滞损耗的涡流损耗也不会变，铁损与负载电流的大小和性质没有关系，是不变的损耗。
（2）.铜损
变压器原、副绕组都有一定的电阻，当电流流过绕组时，就要消耗电能，这就是铜损。
由于电阻一的功率损耗与电流的平方成正比，变压器的铜损取决于负载电流的大小和绕组的电阻值。

在某一负载下变压器的铜损等于变压器负载系数的平方与其额定铜损的乘积。因为铜损是随负载电流的变化的，所以也称为可变损耗。
2、变压器的效率
变压器的效率是其输入的有功功率P2与输入功率Ｐ１的比值，一般记作百分数，用η表示 ，即

变压器的效率是运行性能的重要指标。由于变压器是一种静止的电器设备，在能量传输过程中没有机械损耗，它的效率很高。一般中，小型变压器的效率可达95%-98%，大型变压器的效率可达99%以上。
变压器的效率特性曲线
当负载功率因数comφ2为某一定值式时，变压器得效率η 与负系数β的关系η=f（β） 称为变压器效率特性曲线。

当变压器的铜损 PCU 等于铁损 PFe 时，变压器的效率最高。

四、计划和实施
（90分钟）

五、评估

1、 制订工作计划的方法
2、 工具和材料清单的格式和内容
3、清理现场的方法和内容 

每小组派一名学生总结本小组的工作过程及展示小组成果，老师对本次工作过程进行总结与点评

教师活动：
1、指导学生制订工作计划
2、 检查学生所列清单
学生活动：
互相讨论，画出流程图

教师活动：
指导学生汇报成果；
考核学生；
对教学进行总结。
学生活动：
汇报成果；自己
、小组考核；写心得体会。

讨论法、
实践法

表演法、
情景教学法
实践法

锻炼学生分析问题的能力；

使学生学会总结，锻炼语言表达能力

单相变压器原理 任务书
班别 组别 完成时间
任务名称
目标要求
组员姓名
任务分工
得分
单相变压器原理
1、会分析变压器的原理。
2、了解变压器的外特性、损耗及效率。

完成任务的方法与步骤
3、 变压器的作用

4、 变压器的外特性

5、 变压器的效率
总结与评价
1、自我评价：

2、小组互评：

3、老师评价

任课教师签名：李少辉 2014 年 9 月 2 日

19