《电机与变压器》PPT课件.ppt

第四章电机与变压器 1 教学重点 1熟悉三相异步电动机的构造和工作原理 2了解三相异步电动机的转矩和机械特性 3了解三相异步电动机的单工作原理向和双向控制 4了解直流电动机的 电机与变压器 2 电机与变压器 3 电机的分类 电机是以适当的有效材料 导电和导磁 构成能互相进行电磁感应的电路和磁路 以产生电磁转矩和电磁功率 达到转换能量形式的目的 静止电机 旋转电机 变压器 直流电机 交流电机 同步电机 异步电机 一般分类 电机 电机与变压器 4 电机是一种能量转换装置 变压器是一种电能传递装置 按功能分 发电机 将机械能转换为电能 电动机 将电能转换为机械能 微型控制电机 在电器机械系统中起调节 放大和控制信号的作用 变压器 将一种形式的电能转化为另一种形式的电能 它们共同的特点是 根据电磁感应定律和电磁力定律进行能量转换 电机与变压器 5 一 变压器 变压器是一种静止的电器 它利用电磁感应原理将一种等级的电压和电流的交流电能转换成另一种等级的电压和电流的交流电能 变压器为什么只能变换交流电能的电压和电流 电机与变压器 6 1 变压器的分类 按用途分 电力变压器和特种变压器 按绕组数目分 单绕组 自耦 变压器 双绕组变压器 三绕组变压器和多绕组变压器 按相数分 单相变压器 三相变压器和多相变压器 按铁心结构分 心式变压器和壳式变压器 按调压方式分 无励磁调压变压器和有载调压变压器 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 电机与变压器 7 连接发电机与电网的升压变压器 电机与变压器 8 三相干式变压器 自耦变压器 电机与变压器 9 电源变压器 环形变压器 控制变压器 电机与变压器 10 2 变压器基本结构 器身 铁芯 绕组 绝缘和出线装置 油箱 冷却装置和保护装置 核心装置是闭合铁芯和两个绕组 在分析变压器时 习惯画法是将两个绕组画在闭合铁芯的两侧 电源侧称为一次绕组或原绕组 负载侧称为二次绕组或副绕组 电机与变压器 11 1 铁芯 变压器的主磁路 为了提高导磁性能和减少铁损 用厚为0 35 0 5mm 表面涂有绝缘漆的硅钢片叠成 基本结构分为铁心柱和铁轭两部分 有心式和壳式两种形式 单相心式变压器 单相壳式变压器 电机与变压器 12 2 绕组 变压器的电路 一般用绝缘铜线或铝线绕制而成 有同心式和交叠式两种形式 同心式 高 外 低 内 压绕组同心地绕在铁心柱上 结构简单 制造方便 交叠式 高低压绕组交叠放置 最上和最下为低压绕组 漏阻抗较小 机械强度好 引线方便 在特殊变压器上使用较多 3 其他装置 变压器上还有绝缘套管 油箱 储油柜 吸湿器 安全气道 净油器和气体继电器等元器件在工作时起冷却和保护作用 电机与变压器 13 3 变压器的基本工作原理 变压器的主要部件是铁心和套在铁心上的两个绕组 两绕组只有磁的耦合 没有电的联系 在一次绕组中加上交变电压u1 根据右手螺旋定则 产生交链一 二次绕组的交变磁通 在两绕组中分别感应电动势e 根据电磁感应定律 当变压器二次侧带负载时 则产生感应电流 在负载上形成二次电压u2 结论 只要 1 磁通有变化量 2 一 二次绕组的匝数不同 就能达到改变电压的目的 电机与变压器 14 且 在只讨论数量关系时 就有 表明变压器初 次级绕组的电压比就等于它们的匝数比n 这就是变压器的变压原理 n 1时 是降压变压器 n 1时 是升压变压器 n 1时 是隔离变压器 变比n是变压器运行的重要参数 电机与变压器 15 例 已知某变压器的初级电压为220V 次级电压为36V 初级的匝数为2200匝 试求该变压器的变压比和次级的匝数 练习 将某单相变压器接在电压u1 220V的电源上 已知u2 20V 次级匝数N2 100匝 则初级的匝数是多少 电机与变压器 16 变压器在工作中就像一座桥梁 起了一个能量传递的作用 根据能量守恒定律 在忽略损耗时 变压器的次级输出功率P2应和变压器初级从电网吸收的功率P1相等 即 P1 P2 I1U1 I2U2 说明变压器工作时 其初 次级的电流与初 次级的电压或匝数成反比 这就是变压器的变流原理 电机与变压器 17 变压器除了能变换电压 电流的大小外 还能变换交流阻抗 这在电器工作中也有广泛的作用 例如一个带负载的变压器 虚框 看作是一个新的负载 则可得一个简化电路 负载为RLX 电机与变压器 18 由于变压器的初 次级功率相等 所以有 也就是说 负载ZL接在变压器的次级上 从电源中获取的功率和负载ZLX直接接在电源上所获取的功率是完全相同的 也就是说 ZLX是ZL在变压器初级中的交流等效电阻 上式还表明 变压器初级交流电阻ZLX的大小 不但与变压器次级的负载ZL的成正比 而且与变压器的变比n的平方成正比 电机与变压器 19 课后练习 1 要将电压从220V变换为110V 现使用一个原绕组匝数为2匝 副绕组匝数为1匝的变压器 可不可以实现 2 变压器可以实现变压 变流 变换阻抗 变压器可不可以变换电源频率 电机与变压器 20 为了使变压器安全 经济 合理地运行 在每台变压器上都安装有一块铭牌 上面标明了变压器的型号及各种额定数据 作为正确使用变压器的依据 铭牌中参数说明如下 4 变压器的铭牌 电机与变压器 21 1 型号 电机与变压器 22 额定电压U1N是指变压器在额定运行情况下 根据变压器绝缘等级和允许温升等条件规定的一次绕组上的线电压 额定电压U2N是指在一次绕组上加额定电压后 二次绕组空载时的线电压 2 额定容量 额定容量是指变压器在额定工作状态下 二次绕组的视在功率 其单位为kVA 对于单相变压器而言 即变压器二次绕组的额定电压U2N与额定电流I2N的乘积 三相变压器的额定容量为 3 额定电压U1N和U2N 电机与变压器 23 连接组标号是指三相变压器一 二次绕组的连接方式 Y指高压绕组作星形连接 y指低压绕组作星形连接 D指高压绕组作三角形连接 d指低压绕组作三角形连接 N指高压绕组作星形连接时的中性线 n指低压绕组作星形连接时的中性线 4 额定电流I1N和I2N 额定电流是指变压器在额定运行的条件下 一 二次绕组长时间工作允许的线电流 5 连接组标号 电机与变压器 24 直流电机可分为直流发电机和直流电动机两大类 将机械能转化为电能的直流电机是直流发电机 将电能转化为机械能的直流电机是直流电动机 直流电机具有良好的调速性能 较大的起动转矩和过载能力 一般应用于对起动和调速要求较高的场合 另外 结构复杂 成本较高 维护较困难是直流电机的不足之处 二 直流电动机 工业直流电机 直流伺服电机 外转子直流电机 电机与变压器 25 直流电动机结构也分为定子和转子两大部分 定子 转子 一 直流电机的基本工作原理和结构 1 直流电机的主要结构 电机与变压器 26 定子主要部件有 1 主磁极 主要作用是产生恒定的气隙磁通 由铁心和励磁绕组构成 1 机座 2 主磁极铁芯 3 励磁绕组 2 换向磁级 1 换向极铁芯 2 换向极绕组 主要作用改善换向 减小电火花 电机与变压器 27 与换向器配合 完成交直流的互换 数目与主磁极相同 3 电刷装置 电刷座与电刷 转子又称为电枢 其主要部件有 既是主磁路的一部分 又可以放置电枢绕组 1 电枢铁心 电机与变压器 28 2 电枢绕组 电枢绕组与换向器联结 主要作用产生感应电动势和电磁转矩 实现机电能量的转换 3 换向器 与电刷装置配合 完成直流与交流的互换 电机与变压器 29 电机与变压器 30 2 直流电动机工作原理 把电刷A B接到直流电源上 电刷A接正极 电刷B接负极 此时电枢线圈中将有电流流过 直流电动机是将电能转变成机械能的旋转机械 在磁场作用下 有F BIL 该电磁力形成电磁转矩 使电机转子旋转 电机与变压器 31 电机与变压器 32 电枢绕组有两种连接方式 单叠绕组和单波绕组 下图以单叠绕组为例 另外一半电枢绕组也构成另外一条支路 不管电枢如何转动 一条支路中绕组感应的总电势大小基本不变 微小脉动 电机与变压器 33 单叠绕组的并联支路图说明 转子旋转后电枢绕组所有元件被两个电刷所平分为2条支路 即并联支路数与磁极数相同 有2a 2p 另外一种连接连接方式 单波绕组的并联支路数则恒等于2 即2a 2 电机的电枢电动势Ea 电磁转矩Te则因为连接方式的不同而不同 两个重要公式如下 Ea Ce n Te Ct Ia Ct 9 55Ce Ce pN 60a 电机与变压器 34 二 直流电动机的种类和铭牌 直流电动机按产生磁场的方式来进行区分 分为两大类 他励和自励 他励是指通入电动机定子中 产生磁场的电流If与通入电动机转子 产生转矩的电流Ia分别由两个电源提供 他励的特点是 励磁电流If的大小与电枢电压U及负载等参数无关 若U Uf 则他励电动机与并励电动机性能相同 1 直流电动机的分类 电机与变压器 35 自励是指励磁电流与电枢电流共用一个电源 根据励磁绕组与电枢绕组的连接形式 又分为串励 并励和复励三种励磁方式 串励是指励磁绕组与电枢绕组串联连接 串励的特点励磁线圈匝数少 线径较粗 If较大 有If Ia 串励电动机有较大的启动转矩 但转速容易发生波动 适用于要求较大启动转矩且允许转速变化较大的工作场合 电机与变压器 36 并励是指励磁绕组与电枢绕组并联连接 并励的特点是励磁电流If较小 线圈匝数较多 线径较细 有电源总电流I If Ia 中小型直流电动机多为并励电动机 复励是励磁绕组与电枢绕组采用串 并联混合连接 主磁极由两个励磁绕组组成 一个与电枢绕组串联 称为串励绕组 另一部分励磁绕组再与电枢绕组并联 其特点是电动机的主磁通由这两个励磁绕组共同产生 电机与变压器 37 2 直流电机的铭牌 型号 国产电机型号一般采用大写的汉语拼音字母和阿拉伯数字表示 其格式为 第一部分用大写的拼音表示产品代号 第二部分用阿拉伯数字表示设计序号 第三部分用阿拉伯数字表示机座代号 第四部分用阿拉伯数字表示电枢铁芯长度代号 如 Z2 92中的Z表示一般用途直流电机 2表示设计序号 第二次改型设计 9表示机座代号 2表示电枢铁芯长度代号 电机与变压器 38 额定功率PN 额定功率PN是指在额定条件下电机的输出功率 对于电动机 额定功率是指电动机电枢轴上输出的机械功率 对于发电机 额定功率是指电刷间输出的电功率 额定功率的单位为kW 对于电动机 UN是指电枢上的输入额定电压 对于发电机 UN是指电枢输出的额定电压 额定功率UN 额定功率IN IN是指电机在额定电压下 运行于额定功率时对应的电流值 额定功率 N 电动机 发电机 电机与变压器 39 电机与变压器 40 电机有两大部分 定子和转子 定子是指电机上所有固定不动的部分 主要部件是定子铁芯和定子绕组 转子是指电机上旋转运动的部分 主要部件是转子铁芯和转子绕组 一 基本结构 三 三相笼型异步电动机 电机与变压器 41 1 定子铁芯和定子绕组 1 定子铁心 由导磁性能很好的硅钢片叠成 导磁部分 2 定子绕组 放在定子铁心内圆槽内 导电部分 电机与变压器 42 2 转子铁芯和转子绕组 1 转子铁心 由硅钢片叠成 也是磁路的一部分 2 鼠笼式转子 转子铁心的每个槽内插入一根裸导条 形成一个多相对称短路绕组 电机与变压器 43 二 三相电动机的铭牌 电机与变压器 44 1 型号 电机与变压器 45 2 额定值 1 额定功率额定功率是电动机在额定运行情况下 其轴上输出的机械功率 又称额定容量 2 额定电压额定电压是指电动机在额定运行时定子绕组的线电压 他同定子绕组的接法相对应 3 额定电流额定电流是电动机在额定运行时定子绕组的线电流 如果铭牌上有两个电流值 则表示定子绕组在两种不同接法时的线电流 电机与变压器 46 4 额定转速在额定电压下 输出额定功率时的转速称为额定转速5 绝缘等级绝缘等级是按电动机绕组所用的绝缘材料在使用时允许的极限温度来划分的 6 工作方式工作方式是对电动机按铭牌上等额定功率持续运行时间的限制 分为 连续 短时 和 断续 等 7 功率因数电动机在额定运行状态下 定子电路的功率因数 异步电动机空载运行时定子电路的功率因数很低 只有0 2 0 3 随着负载的增加 功率因数也增加 在额定负载时一般为0 7 0 9 因此要避免空载运行 电机与变压器 47 8 接法中 小容量的低压异步电动机 通常定子三相绕组的六个出线头都引出 可根据额定电压灵活地接成 Y 形或 D 形 电机与变压器 48 三相异步电动机是如何转动起来的 固定不动的转子绕组和旋转的定子磁场相切割而感应电动势 转子绕组是闭合的 因此感应电动势在绕组中产生感应电流 感应电流的方向与感应电动势的方向相同 载流的转子绕组处在磁场中 必定受到电磁力的作用 两个电磁力的大小相等 方向相反 因此对电动机转轴形成了电磁转矩 于是转子就顺着定子磁场的方向转动起来 模型电机的定子磁极 模型电机的转子绕组 e e i2 n0 用右手定则判断 用左手定则判断 三 三相异步电动机的工作原理 电机与变压器 49 三相异步电动机的三相定子绕组以互隔1200的方式嵌放在定子铁芯中 当三个绕组分别接入三相交流电后 便可以产生旋转磁场 实际三相电动机的旋转磁场是如何产生的呢 规定 电流为正值时 电流从绕组首端流入 从末端流出 电流为负值时 电流从绕组末端流入 从首端流出 电机与变压器 50 t 0时电流和磁场情况 A C两相电流t 0时为正 因此首端流入 末端流出 B相电流t 0时为负 末端流入 首端流出 N S 相邻线圈电流流向一致 在气隙中生成合成磁场 电机与变压器 51 t 120 t 120 时电流和磁场情况 N S n0 可见当电流随时间变化120 电动机的磁场在空间的位置也随之旋转了120 观察电流波形图及电机示意图可看出 合成磁场的转向取决于三相电流的顺序 A B C正序时气隙磁场顺时针旋转 电机与变压器 52 t 240 t 240 时电流和磁场情况 N S n0 观察电流波形图及电机示意图可看出 合成磁场的转向取决于三相电流的顺序 电机与变压器 53 t 360 N S n0 电流随时间变化一周 电动机的气隙磁场在空间的位置也顺时针旋转了360 表明磁场的旋转速度与电流变化的频率有关 t 360 时电流和磁场情况 电机与变压器 54 归纳 只要三相异步机的对称三相定子绕组中通入对称三相交流电 就会在定子和转子之间的气隙中产生一个随时间变化的旋转磁场 电机与变压器 55 n0 三相异步电动机工作原理概括 在电动机对称三相定子绕组中通入对称三相交流电流 产生气隙旋转磁场 转子导体与磁场相切割 生成感应电动势 感应电流 载流导体受电磁力的作用形成力偶 力偶对电机转轴形成电磁转矩 从而使固定不动的转子顺着旋转磁场的方向转动起来 F F 若要改变电动机的旋转方向 只需任调通入定子绕组中两相电流的相序即可 电机与变压器 56