一道《电工基础》例题引出的思考:初级电工基础知识
时间：2020-03-02 07:30:08 来源：雅意学习网 本文已影响 人 
摘要：中等职业学校《电工基础》是中职电类专业学生的基础课程。是学生进入社会从事普通电工所必需的基本知识，也是为进入高一级学校学习奠定基础。为此，本文从物理原理上进行了深入探究，为中职教材更为科学、完善提供参考。
关键词:直流电动机 纯阻性负载 感性负载 反电动势 电磁转矩
教师在向学生传授知识的过程中，分析物理现象，讲解物理过程，研究物理规律，很多情况下都要借助于例题的分析。通过例题的解析，使学生把所学的知识运用于实践，以提高解决实际问题的能力，加深对所学知识的理解、巩固。因此，例题的选择在专业课教学工作中具有举足轻重的作用。好的例题可以使已学的知识举一反三。下面就一道例题涉及的物理原理及过程进行探究。
一、例题的引入与电机实际运行的对比
中等职业教育电类专业系列教材《电工基础》有这样一道例题，其题目与其解析如下：
“在图1中，M为直流电动机，它的额定电流为10A，内阻r0为1Ω,电源电压为220V，欲使电动机正常工作，限流电阻R1应选择多大？
分析：这是一个分析限流电阻的问题。由于R1与M串联，所以，为使电动机正常工作，通过R1的电流也应为10A。求出电路总电阻R，将总电阻R减去电动机内阻r0，则可求出限流电阻阻值R1的大小。
解：R=U/I=220V/10A=22Ω
R1=R-r0=（22-1）Ω=21Ω。”
上面的解析看似正确，但却是一个错误的分析。其实，他把直流电动机（以下简称电动机）当成一个纯粹的电阻r0来看待了。假定通过电电动机机的电流为10A，由欧姆定律得，电阻R1分得的电压为UR1=IR1=10A×21Ω=210V; 电动机分得电压为UM=U-UR1=220V-210V=10V;而r0分得电压Ur0=I・r0=10A×1Ω=10V;电动机分得电压完全等于内电阻r0上的电压，电流通过电动机做功完全变成热，满足W=Q。因此，电动机就不会转动。按此推理，这台电动机也只能叫一台电炉。倘若电动机真的转动了，也只会是其他形式的能转化为机械能，而不是电能转化为机械能。
现实生活中，若有这样一台电动机M，串入一个R1=21Ω的电阻后，接通电源是肯定要转动的。难道真的不是电能转化为机械能而使电动机转动吗？笔者通过实验发现：R1与M串联后通过的电流变小了，稳定工作后不可能等于10A。电动机转动变慢了，带负载的能力变弱了。并测得R1两端的电压远小于210V，电动机M两端电压远大于10V。即使不带负载也是如此。从理论上分析：由于流过R1与电动机M的电流I’变小，内阻r0上分得电压Ur0=I’・r0变得小于10V，R1分得电压UR1=I’・R1也变得小于210V（一般情况下r0与R1可认为不变）。那么，加在电动机上的总电压就大于10V，也即电动机所得电压除部分加给r0外，还要承担另外多余的所加电压。设这部分电压为Ux，由功率的计算公式得PX=Ux・I’，电流对电动机另外做功，于是就有电能转化为机械能，电动机就会转动。但是由于通过电动机的电流小于额定电流10A，所以电动机转速变慢，带负载的能力变弱，电动机是不可能正常运转。
现实与教材例题分析为什么会出现如此之差别呢？问题在于有电动机的电路是不能简单地把其当成一个纯粹的电阻来考虑，因为电动机是感性负载，又通常是变负载运行。那么，对于电动机电路应该怎样去分析与理解呢？
二、直流电动机运行的分析方法
首先，分析一下电动机的结构与工作原理。从结构上看，电动机分为定子、转子两大部分。一般磁级在定子上，转子又叫电枢，其上绕有线圈。
当电枢线圈通电以后，这个电流在定子磁极的磁场中受到电磁力的作用。根据左手定则判定，此电磁力的方向总是与电枢转动的方向一致。电磁力绕转轴产生一个力矩称为电磁转矩。正是这个力矩才使电动机转子转动起来的，所以它属于作用转矩，消耗电能转化为机械能，从而可对外实行电力拖动作用。但是，电枢转动时，线圈又处在定子磁场中，又要切割磁感线而产生感应电动势。用右手定则判定知，这一感应电动势总是阻碍电枢线圈中电流的流动，对外界所加的直流电源来看是一个反电动势，就是由于它的存在才需要外电源克服反电动势的阻碍作用，向电动机输送电流，消耗电能转化为机械能。
其次，电动机运行的定量分析方法。由上分析可知，感应电动势与电磁转矩是反映电动机电气性能和机械能的两个最基本的量。了解这两个量与其他量的关系，对于较深入地理解电动机的运行和使用都是很重要的。
电动机的反电动势是电枢绕组的导线切割磁极磁感线而产生的，电枢转速n越大，磁极磁通Φ越强，反电动势E将成正比增大，即：
E=CenΦ-----①。
式中Ce为常数，它由直流电动机的构造决定。
电动机的电磁转矩M是由电枢电流Id与磁极磁通Φ相互作用产生的，M的大小与Id和Φ成正比，即
M=CmΦId------②。
式中Cm称为转矩常数，也是由电动机的构造决定。以上①、②两式是分析电动机工作原理的两个重要公式。
电动机可分为它励、并励、串励和复励等几大类。下面就以它励电动机来简要分析一下。
对于它励电动机，如图2所示。设Rd为电动机内阻，U0为电动机两端所加的电压，Id为电枢电流。由KVL列电枢电压平衡方程:
U0=E+IdRd----③
电枢电流Id=(Uo-E)/Rd----④
将①式代入③式得电压平衡方程为：
U0=CenΦ+IdRd--------⑤
电动机在恒定转速下运行，电磁转矩M与反抗转矩（或制动转矩）Mf相平衡，即M=Mf。电动机在运行过程中,当负载转矩变化时，电动机的转速与电枢电流也会发生变化，这时电动机通过内部电磁过程的变化进行调节，以适应负载的变化。
例如：设电动机两端电压U0不变。当负载增加时，反抗转矩Mf增大。负载刚增加时，电磁转矩M暂时小于反抗转矩Mf，电动机转速n下降，反电动势E=CenΦ减少，电枢电流Id=(Uo-E)/Rd增大。磁极磁通Φ不变，电磁转矩M=CmIdΦ随电枢电流增大而增大，直到电磁转矩等于增大了的负载转矩时，电动机又达到新的稳定运行，不过此时电动机的转速低于原来的转速，电枢电流大于原来的电流。可以说负载增加电枢电流增加，负载减少电枢电流减少。
再次，对教材例题的进一步分析与拓展。根据以上理论，前面教材例题的电动机M串联一个电阻R1去分压，设刚好能使电动机额定运行（说明：R1一定小于21Ω）.如果负载增加了电枢电流I就要增大。同样R1两端电压UR1=I.R1也要增大，而电源电压U不变时有：U=UR1+UM（UM为直流电机电压）。此时UM将变小，UM变小将制约I增大，由M=CmΦId知，电动机带负载的能力大大削弱；反之，若负载减小，I应该变小，以此又导出R1两端电压UR1变小，但UR1变小又使电动机两端电压UM变大又促使I增大，因相互制约，从而使电动机不能正常运行。可以说，利用分压电阻是不能保证电动机的正常负载运行。实际生活中，若负载变化不大的情况下还可以将就，但若负载变化较大的场合还是选用适配电压的电源去供电的好。
再进一步结合图2分析，若外界反抗转矩Mf过大，使电动机不能转动，则n=0。此时反电动势E=CenΦ=0，电枢电流Id=(Uo-E)/Rd=Uo/Rd。电机分得的电压U0全加在电机内阻Rd上。象前面所举的例题，在此种状态下，再在电机前面串联一电阻R1，接于电源上，那么R1与内阻Rd分压就刚好满足其上面教材例题中的分析结论。除此种情况下，其他条件下是不满足的。也就是说，只要电动机处于运转状态，就必须考虑反电动势的存在。
总之，电工学是一门生活性很强的学科，所以，教材列举的例题应符合实际，应遵从科学规律。笔者认为，教材要用这类例题，则可以这样更改：“在图1中，M为直流电动机，正常工作电压为100V，正常工作电压为10A，欲使电动机接于220V直流电源上正常工作，应串联电阻R1为多大？”这样就避开反电动势的问题了。但是生活中如若这样做在变负载的情况下电动机还是不能很好地工作。所以，为了不给学生思维造成混淆，我想还是把电动机改成一个电阻性的负载为好，以避开反电动势的问题。如：把耐压较低的白炽灯接于较高电压的电源上，再告诉白炽灯额定电流或额定电压，求应串联多大的电阻等（假设电灯电阻不变）。可能这样会使教材的用意更加明确，也与初中物理知识很好衔接，学生更易于接受理解，更具有科学性。
参考文献：
[1] 杨约翰.电工学（M）高等教育出版社.1984.8.
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