對比分析法在“電機學”課程教學中的應用

陶彩霞，高鋒陽

(蘭州交通大學自動化與電氣工程學院，甘肅蘭州730070)

“電機學”是工業(yè)自動化和電氣工程自動化專業(yè)一門重要的專業(yè)基礎課。筆者認為，對比分析法可用于貫穿整個“電機學”課程學習的始末，把各種不同的電機聯(lián)系起來分析、比較，有助于培養(yǎng)學生對電機基本理論的理解能力[1-4]。

1 直流電動機和發(fā)電機的對比

大多數學生在學習“電機學”課程時由于理解不到位，死記硬背公式，混淆電動機和發(fā)電機之間的區(qū)別。為此，筆者對四類通用電機的講解按直流電機→變壓器→異步電機→同步電機的順序進行。對于直流電機的學習，如果學生真正理解了直流電動機和發(fā)電機工作原理，那么相應的電樞回路電壓方程、電流方程、轉矩方程以及功率方程都可以寫出，無需背公式。這部分內容講解時應從工作原理入手，直流電動機和發(fā)電機電磁關系如圖1所示。

圖1 直流電機電磁關系圖

講解時強調電機是實現能量轉換的工具，電動機先有電→后旋轉→再產生反電勢;而發(fā)電機則先旋轉→后有感應電勢→再供電→產生制動性電磁轉矩。根據這種理解，電動機、發(fā)電機的端電壓和電勢之間的大小關系，外電路電流和電樞電流之間的大小關系，各轉矩之間的關系都可以方便地得到。如表1所示。

表1 直流電動機與發(fā)電機的對照表

表1中，U為端電壓，Ea為電樞電勢，Ia為電樞電流，Ra為電樞回路總電阻，I為外電路電流，If為勵磁電流，T為電磁轉矩，T2為電動機輸出轉矩，T0為空載轉矩，T1為發(fā)電機輸入轉矩。

功率流程的講解自然應該是:電動機先扣除銅耗，再扣除機械損耗和鐵耗;發(fā)電機先扣除機械損耗、鐵耗，而后再扣除銅耗。這樣課程初學時就引入對比分析的方法培養(yǎng)學生的理解能力、分析能力，理解了自然記得住，可以達到事半功倍的效果。

2 三相變壓器聯(lián)結組的判定

變壓器并列運行中需要將聯(lián)結組一致的變壓器并聯(lián)，否則會造成嚴重的事故，因此聯(lián)結組的準確判斷非常重要。學生在學習這部分內容時，當首端都為同名端且同一鐵芯柱上字母標號一致的情況下，一般判斷不會出錯，但出現首端為異名端或字母標號不一致情況，學生就會無從下手[5]。在這部分內容的學習中，需要畫向量圖來判斷聯(lián)結組號，但部分學生向量圖知識掌握得不好，組號正確與否不會判斷。因此，我們在教學中要求學生依據不易出錯的位形圖法熟練判斷Y，y0;Y，d11;Y，d1三種常用聯(lián)結組，對比分析其他聯(lián)結組接線與常用聯(lián)結組接線之間的異同，進而準確判斷聯(lián)結組組號的正確性。

若三相變壓器高、低壓繞組接線為Y，y接，則以Y，y0為基準來判斷。若高壓繞組三相標記不變，而低壓繞組的標記 a，b，c 改標為 c，a，b，則低壓繞組各線電勢滯后于對應高壓繞組各線電勢120℃，即順時針轉過4個鐘點，可得Y，y4聯(lián)結組;若首端變?yōu)楫惷耍?、低壓線電勢相位相反，則順時針轉過6個鐘點，可得Y，y6聯(lián)結組。像這樣改變高、低壓繞組標記或變同名端為異名端，共得6個偶數號聯(lián)結組。同理也可得到Y，d順Δ接線和Y，d逆Δ接線的6個奇數號聯(lián)結組。如表2所示。

表2 三相變壓器各聯(lián)結組

這樣依據畫向量圖判斷出的聯(lián)結組正確與否就可以用上述對比方法去驗證。

3 變壓器與異步電機的對比

由于變壓器是靜止設備，能量轉換亦是從電能到電能的轉換，通過物理和電路基礎知識的學習，學生對于變壓器這部分知識的學習相對容易，內容掌握較好。在變壓器分析時，通過內部電磁關系寫出電壓、電流、磁勢方程式，對于漏磁通、漏電勢、勵磁部分作處理，通過繞組歸算得出一相等效電路，再畫向量圖。但對于旋轉設備的異步電機，能量的轉換是電能和機械能的轉換，涉及知識較多，理解就比較困難。通過對于變壓器和異步機的比較可知它們的內部電磁關系相似;若將異步電機轉動的轉子以靜止的轉子來等效，并且將異步電機看作有缺口的變壓器，那二者在結構上也具有相似性。根據這些相似性就可以利用變壓器的分析方法來分析異步機，得出等效電路，相對于變壓器需要多一步頻率折算。

比較了兩者的相似性后，還應比較兩者的不同之處。異步電機有氣隙，變壓器無氣隙;異步電機的磁場是旋轉的，變壓器的磁場是脈振的;異步電機定、轉子頻率不同，變壓器則是同頻轉換。根據這樣一些不同之處，就可以得出兩者的區(qū)別。這樣學習異步電機的同時，又加深了對變壓器知識的掌握。

4 同步電機與異步電機的對比

同步電機和異步電機都是旋轉設備，能量的轉換都是電能與機械能之間的轉換。同步電機的講解是在異步電機內容講解完之后，根據異步電機的工作原理，學生理解了何謂“異步”，也就能知道什么叫“同步”，但如何做到“同步”呢?比較兩者結構就會發(fā)現同步電機是定、轉子雙邊勵磁，外界向轉子上線圈供電產生轉子磁場，轉子跟隨定子磁場轉動而同步，而異步電機則是定子單邊勵磁使得轉子轉速和氣隙磁場轉速不同。同步電機由于轉子勵磁的可調可以調節(jié)無功功率，因此各自的用途也不同。兩者異同的比較，還可從多方面進行，如表3所示。

表3 異步電機和同步電機的異同

學生在同步電機學習過程中，通過與異步電機的比較，分析兩者的異同點，就能加深對所學知識的融會貫通。

5 結語

本文就對比分析法在“電機學”課程教學過程中的應用作了介紹，包括直流電動機和發(fā)電機的比較、變壓器各聯(lián)結組的比較、變壓器和異步電機的比較、異步電機和同步電機的比較。通過這種教學方法在課程中的應用，有助于學生理解能力的培養(yǎng)，提高學生分析問題的能力，達到了較好的教學效果。

[1]李天祥.加強能力培養(yǎng)，提高教學質量[J].長沙:高等教育研究，2003，19(3):46-47

[2]吳黎麗，姜衛(wèi)東.“電機學”課堂教學質量的保障與實踐[J].南京:電氣電子教學學報，2010，32(1):65-67

[3]李輝，季海婷，韓力.基于工程問題學習的“電機學”教學探討[J].南京:電氣電子教學學報，2013，35(1):23-24

[4]李書權，侯勇，崔實，曾令全.電機學課程教學改革的研究與實踐[J].南京:電氣電子教學學報，2006，28(4):49-52

[5]陶彩霞，雷達.三相變壓器聯(lián)結組的實用判別法[J].蘭州:蘭州交通大學學報:2005:25(1):46-48