对比分析法在“电机学”课程教学中的应用

2014-07-05陶彩霞高锋阳

电气电子教学学报 2014年5期

陶彩霞，高锋阳

(兰州交通大学自动化与电气工程学院，甘肃兰州730070)

“电机学”是工业自动化和电气工程自动化专业一门重要的专业基础课。笔者认为，对比分析法可用于贯穿整个“电机学”课程学习的始末，把各种不同的电机联系起来分析、比较，有助于培养学生对电机基本理论的理解能力[1-4]。

1 直流电动机和发电机的对比

大多数学生在学习“电机学”课程时由于理解不到位，死记硬背公式，混淆电动机和发电机之间的区别。为此，笔者对四类通用电机的讲解按直流电机→变压器→异步电机→同步电机的顺序进行。对于直流电机的学习，如果学生真正理解了直流电动机和发电机工作原理，那么相应的电枢回路电压方程、电流方程、转矩方程以及功率方程都可以写出，无需背公式。这部分内容讲解时应从工作原理入手，直流电动机和发电机电磁关系如图1所示。

图1 直流电机电磁关系图

讲解时强调电机是实现能量转换的工具，电动机先有电→后旋转→再产生反电势;而发电机则先旋转→后有感应电势→再供电→产生制动性电磁转矩。根据这种理解，电动机、发电机的端电压和电势之间的大小关系，外电路电流和电枢电流之间的大小关系，各转矩之间的关系都可以方便地得到。如表1所示。

表1 直流电动机与发电机的对照表

表1中，U为端电压，Ea为电枢电势，Ia为电枢电流，Ra为电枢回路总电阻，I为外电路电流，If为励磁电流，T为电磁转矩，T2为电动机输出转矩，T0为空载转矩，T1为发电机输入转矩。

功率流程的讲解自然应该是:电动机先扣除铜耗，再扣除机械损耗和铁耗;发电机先扣除机械损耗、铁耗，而后再扣除铜耗。这样课程初学时就引入对比分析的方法培养学生的理解能力、分析能力，理解了自然记得住，可以达到事半功倍的效果。

2 三相变压器联结组的判定

变压器并列运行中需要将联结组一致的变压器并联，否则会造成严重的事故，因此联结组的准确判断非常重要。学生在学习这部分内容时，当首端都为同名端且同一铁芯柱上字母标号一致的情况下，一般判断不会出错，但出现首端为异名端或字母标号不一致情况，学生就会无从下手[5]。在这部分内容的学习中，需要画向量图来判断联结组号，但部分学生向量图知识掌握得不好，组号正确与否不会判断。因此，我们在教学中要求学生依据不易出错的位形图法熟练判断Y，y0;Y，d11;Y，d1三种常用联结组，对比分析其他联结组接线与常用联结组接线之间的异同，进而准确判断联结组组号的正确性。

若三相变压器高、低压绕组接线为Y，y接，则以Y，y0为基准来判断。若高压绕组三相标记不变，而低压绕组的标记 a，b，c 改标为 c，a，b，则低压绕组各线电势滞后于对应高压绕组各线电势120℃，即顺时针转过4个钟点，可得Y，y4联结组;若首端变为异名端，高、低压线电势相位相反，则顺时针转过6个钟点，可得Y，y6联结组。像这样改变高、低压绕组标记或变同名端为异名端，共得6个偶数号联结组。同理也可得到Y，d顺Δ接线和Y，d逆Δ接线的6个奇数号联结组。如表2所示。

表2 三相变压器各联结组

这样依据画向量图判断出的联结组正确与否就可以用上述对比方法去验证。

3 变压器与异步电机的对比

由于变压器是静止设备，能量转换亦是从电能到电能的转换，通过物理和电路基础知识的学习，学生对于变压器这部分知识的学习相对容易，内容掌握较好。在变压器分析时，通过内部电磁关系写出电压、电流、磁势方程式，对于漏磁通、漏电势、励磁部分作处理，通过绕组归算得出一相等效电路，再画向量图。但对于旋转设备的异步电机，能量的转换是电能和机械能的转换，涉及知识较多，理解就比较困难。通过对于变压器和异步机的比较可知它们的内部电磁关系相似;若将异步电机转动的转子以静止的转子来等效，并且将异步电机看作有缺口的变压器，那二者在结构上也具有相似性。根据这些相似性就可以利用变压器的分析方法来分析异步机，得出等效电路，相对于变压器需要多一步频率折算。

比较了两者的相似性后，还应比较两者的不同之处。异步电机有气隙，变压器无气隙;异步电机的磁场是旋转的，变压器的磁场是脉振的;异步电机定、转子频率不同，变压器则是同频转换。根据这样一些不同之处，就可以得出两者的区别。这样学习异步电机的同时，又加深了对变压器知识的掌握。

4 同步电机与异步电机的对比

同步电机和异步电机都是旋转设备，能量的转换都是电能与机械能之间的转换。同步电机的讲解是在异步电机内容讲解完之后，根据异步电机的工作原理，学生理解了何谓“异步”，也就能知道什么叫“同步”，但如何做到“同步”呢?比较两者结构就会发现同步电机是定、转子双边励磁，外界向转子上线圈供电产生转子磁场，转子跟随定子磁场转动而同步，而异步电机则是定子单边励磁使得转子转速和气隙磁场转速不同。同步电机由于转子励磁的可调可以调节无功功率，因此各自的用途也不同。两者异同的比较，还可从多方面进行，如表3所示。