电机与变压器(劳动版).ppt

第一单元 变压器的分类 结构和原理 课题一 变压器的分类和用途课题二 变压器的结构与冷却方式课题三 变压器的原理课题四 变压器的空载试验与短路试验 1 变压器按用途一般分为电力变压器和特种变压器两大类电力变压器可分为 升压变压器 降压变压器 配电变压器 联络变压器等电力变压器外形 第一节变压器的分类 控制变压器 特种变压器可分为 整流变压器 电炉变压器 高压试验变压器 控制变压器等 2 变压器按相数可分为单相和三相变压器三相变压器外观示意图 第二节变压器的结构 变压器的结构简介1 铁心铁心是变压器中主要的磁路部分 通常由含硅量较高 厚度为0 35或0 5mm 表面涂有绝缘漆的热轧或冷轧硅钢片叠装而成铁心分为铁心柱和铁轭俩部分 铁心柱套有绕组 铁轭闭合磁路之用铁心结构的基本形式有心式和壳式两种 心式变压器结构示意图 2 绕组绕组是变压器的电路部分 它是用纸包的绝缘扁线或圆线绕成 右图为交叠式绕组3 其他结构部件以典型的油侵式电力变压器为例 其他结构部件有 油箱 储油柜 散热器 高压绝缘管套以及继电保护装置等外形如下图 第三节变压器的工作原理 变压器的工作原理变压器 利用电磁感应原理 从一个电路向另一个电路传递电能或传输信号的一种电器是电力系统中生产 输送 分配和使用电能的重要装置 也是电力拖动系统和自动控制系统中 电能传递或作为信号传输的重要元件 1 变压器 静止的电磁装置变压器可将一种电压的交流电能变换为同频率的另一种电压的交流电能电压器的主要部件是一个铁心和套在铁心上的两个绕组 变压器原理图 图3 1 与电源相连的线圈 接收交流电能 称为一次绕组用U1 I1 E1 N1表示 与负载相连的线圈 送出交流电能 称为二次绕组用U2 I2 E2 N2表示 同时交链一次 二次绕组的磁通量的相量为Fm 该磁通量称为主磁通请注意图3 1各物理量的参考方向确定 2 理想变压器不计一次 二次绕组的电阻和铁耗 其间耦合系数K 1的变压器称之为理想变压器描述理想变压器的电动势平衡方程式为 若一次 二次绕组的电压 电动势的瞬时值均按正弦规律变化 则有不计铁心损失 根据能量守恒原理可得由此得出一次 二次绕组电压和电流有效值的关系令K N1 N2 称为匝比 亦称电压比 则 第四节单相变压器的空载运行 什么是空载运行 变压器一次绕组加上交流电压 二次绕组开路的运行情况一 空载时的物理情况1 空载磁场空载电流i0产生一个交变磁通势i0N1 并建立交变磁场主磁通 m通过铁心闭合的磁通量 占绝大部分 漏磁通 1 通过油和空气闭合的磁通量 占少量 单相变压器空载运行时的各物理量 图3 2 单相变压器空载运行时的各物理量 图3 2 2 主磁通感应电动势主磁通在一次绕组和二次绕组产生感应电动势 e1 t N1dFm dte2 t N2dFm dt3 感生漏电动势交链一次绕组的漏磁通在一次绕组中感生漏电动势e1s t N1dF1s dt列出一次 二次绕组的电动势平衡方程式u1 i0r1 e1s e1 i0r1 N1dF1s dt N1dFm dtu20 e2 N2dFm dt 一 感应电动势与主磁通 1 变压器感应电势1 主磁通若u1随时间按正弦规律变化 则 m也按正弦规律变化 设则对e1有 e1 t N1dFm dt wN1Fmcoswt wN1Fmsin wt 90 E1msin wt 90 而对e2有 e2 t N2dFm dt wN2Fmcoswt wN2Fmsin wt 90 E2msin wt 90 所以e1和e2也按正弦规律变化 磁通与电势的关系 图3 3 2 感应电动势感应电动势e1 e2在相位上滞后于 m的电角度是90 有效值是 3 相量表达式根据上述讨论 有E1 E2的相量表达式为 磁通Fm与电势E1 E2的相量关系 图3 4 2 变压器变比当一次绕组上加上额定电压U1N时 一般规定此时二次绕组开路电压将是额定电压U2N 因此可以认为 变压器的电压比就是匝数比在三相变压器中 电压比规定为高压绕组的线电压与低压绕组的线电压之比 二 空载电流1 空载电流主要作用是在铁心中建立磁场 产生主磁通2 空载时的变压器实际上就是一个非线性电感器其磁通量与电流的关系 服从与铁磁材料的磁化曲线 f i 磁化曲线 f i 图3 5 3 磁滞作用与涡流现象使 t f i t 的关系复杂化磁滞作用导致励磁电流有功无功分量出现示意图 图3 6 空载电流可认为是励磁电流 用Im表示 空载运行时从电源输入少量电功率p0 主要用来补偿铁心中的铁损耗pFe Im中含有有功IFe 损耗电流 和用以建立磁场的无功Iu 磁化电流 Im2 Im2 IFe2IFe pFe E1 pFe U1通常 Iu IFe U1与Im之间相位角 0接近90 三 漏磁通与漏电抗设漏磁通所经磁场磁阻Rm1 则由于漏磁通所通过的途径是非磁性物质 其磁导率是常数 所以漏磁通的大小与产生此漏磁通的绕组中的电流成正比所以漏电动势E1s的有效值与电流Im关系为式中x1为一次绕组的漏电抗 二 空载运行时电势平衡方程式 相量图及等效电路1 空载运行时电势平衡方程单相变压器空载运行时的各物理量如图所示 变压器空载运行时 电动势平衡方程式如下 由主磁通产生的电势E1与产生主磁通的励磁电流Im之间存在关系 可以直接用参数形式来表示 由于Im中有有功分量与无功分量 故 E1可表示为Im流过一个阻抗时所引起的阻抗压降 即励磁阻抗Zm 励磁电抗xm 励磁电阻rm变压器空载运行时原边电动势平衡方程式如下其中Z1 r1 jx1 2 空载运行时等值电路3 空载运行时相量图 4 应注意的问题注意r1 x1是常量而励磁阻抗的大小和变压器工作点有关因铁心中存在饱和现象 rm xm随着饱和程度的增加而减小但当电源电压的变化范围不大 对应铁心中磁通的变化为也不是很大时 Zm的值基本上可视为不变 第二单元 变压器绕组的极性测定与连接 课题一 单相变压器绕组的极性课题二 三相变压器绕组的连接及连接组别课题三 用交流法测定三相变压器绕组极性课题四 电力变压器的铭牌参数 单相变压器绕组同名端的概念 同名端是指在同一交变磁通的作用下任意时刻两 或两个以上绕组中 都具有相同电势急性的端点彼此互为同名端 识别 当电流从两个同极性端流入 或流出 时 铁心中所产生的磁通方向是一致的 第一节单相变压器绕组的极性 单相变压器绕组极性判别 1 直观法 如图所示 如从绕组的某端通入直流电 产生的磁通方向一致的这些端点就是同名端 右手螺旋法则判别 1 电动势越串越大 则把两个线圈的异名端连接 2 电动势越串越小 则把两个线圈的同名端连接 第二节三相变压器绕组的连接及连接组别三相变压器的两种形式 1 三个独立单相变压器组成的变压器组 称为三相组式变压器 三相组式变压器及联结如图所示 分析单相变压器时的所得的基本方程式 等效电路 相量图以及即将探讨的运行特性分析等方法完全适用于三相变压器2 铁心为三相所共有的三相变压器叫三相芯式变压器如图所示 一 三相变压器的电路系统 连接组 一 联结法绕组的首端和末端的标志规定 1 星形联结用符号 Y 或y 表示三个首端A B C 或a b c 向外引出末端X Y Z 或x y z 连接在一起成为中性点2 三角形联结用符号 D 或d 表示各相间联结次序为A X C Z B Y 或a x c z b y 从首端A B C 或a b c 向外引出 二 联结组三相绕组无论采用什么联结法 二次侧线电动势的相位差总是30 的倍数 因此采用钟表面上12个数字来表示1 时钟表示法把高压侧线电动势的相量作为分针 始终指着 12 这个数字而以低压侧线电动势的相量作为时针 它所指的数字即表示高 低压侧线电动势相量间的相位差这个数字称为三相变压器联结组的 标号 2 单相变压器的联结单相变压器或三相变压器中某相高 低压绕组的联结组问题其实质为电路理论中互感线圈的同名端问题 由电路图表达获得三相变压器的具体连接 三相变压器的磁路系统 三相心式变压器的磁路系统的演变 第三节用交流法测定三相变压器绕组极性 变压器极性的判别单向变压器原 绕组极性的判别三相变压器每相原 付绕组的判别每相原 付绕组同名端的判别三相变压器三个原绕组极性和判别三相变压器联接组的判别 三相变压器极性及联接组的判别 变压器极性的判别 单向变压器原 付绕组极性的判别由变压器的原理可知 当变压器空载时 在忽略原边绕组的漏电感和内电阻电压降的条件下 可得U1 E1 U2 E2根据同名端 又称对应端 的定义 若把图8 1中的单相变压器原 付绕组的 同名端 X x用导线短接 则UAa U1 U2 E1 E2UAa数值上为U1与U2之差即UAa U1 U2 呈现减极性 状态 若把X和a导线短接 即 异名端 相联时 则UAX U1 U2 E1 E2 E1 E2 数值上UAX U1 U2 呈现 加极性 状态 上述结论表明 异名端 相接时 输出为加极性 同名端 相接时 为 减极性 这就为我们判别单相变压器原 付绕组的 同名端 提供了一个很好的交流方法 三相变压器极性及联接组的判别 三相变压器每相原 付绕组的判别 三相交压器有二套原 付绕组 为了使三相对称 一般是每相原付绕组套在同一铁芯上 利用此特点 可以用实验方法找出结构封闭 出线凌乱的三相变压器的三相原 付绕组的对应关系 首先 可以用万用表测出同一绕组的两个出线端 再根据六个绕组的电阻值大小区别出高压绕组 电阻头 和低压绕组 电阻小 然后通过给某极原绕组加一交流电压 万用表测三个付绕组感应电动势 其中感应电动势最高的一个绕组即为加突流电压的一相原绕组的付绕组 可以用同样方法找出第二相绕组 剩下的即为第三相绕组 三相变压器极性及联接组的判别 三相变压器三个原绕组极性和判别 为了使三相变压器正确联接 必须对三相变压器三个原绕组的极性于以正确的判别 由图 可知 三相变压器的三相绕组是分别绕于三个铁芯柱上 而每相的原 付绕组是绕在同一铁芯柱上的 并且每相的绕法是一致的 按图 的绕法 三相变压器三个原边绕组的同名端为 且 定为三相原绕组的相头 为三相原绕组的相尾 在 相的原绕组 上加一个单相交流电压 则在 和 上比感应出电动势 若把 绕组和 绕组看成是 的付绕组 从磁通的进出方向来判别 此时的 和 不是 的同名端而是 的异名端 这显然与上述 为同名端的规定矛盾 现仍采用 中判别原 付绕组极性的方法 用导线把不同的原绕组的相尾 短接 并在 绕组上加单相交流电压 测量 端电压 当 即 加极性 时 即为三相变压器原绕组的同名端 用同样的方法可以测出 端 三相变压器极性及联接组的判别 三相变压器联接组的判别 三相变压器在运行时 其三对原 付绕组有各种联接法 常用的有 图 所示为三相变压器的 联接组 为了判别该联接是否正确 可用一导线 两端短接 使这两点等电位 然后在原边 上接上三相交流电 注意 付边中点 悬空 不准接地 测量 和 若满足UbB UAB UabUcC UAC Uac则说明 联接组的接法正确 其相量图如图 所示 三相变压器极性及联接组的判别 每相原 付绕组同名端判别 三相变压器的每相原付绕组找好后 可以用对单相变压器确定极性的方法来确定三相变压器每相原 付绕组的极性 三相变压器极性及联接组的判别 一 国产电力变压器的铭牌 电力变压器分接高压标准代号GB1094 1 2 1996位置电压V电流A标准代号GB1094 3 5 85产品型号S9 80 10 10500产品代号1NB 710 5315 1相数3相 100004 6额定容量80kVA额定频率50Hz 9500冷却方式ONAN器身质量320kg低压使用条件户外式油质量100kg连接组标号Dyn11总质量500kg电压V电流A绝缘水平L175AC35400115 5出厂序号阻抗电压 制造年月年月中华人民共和国变压器厂 返回 第四节电力变压器的铭牌参数 1 型号 表示变压器的结构特点 额定容量 高压侧电压等级 1 旧型号SJL 560 10第一字母S 三相 D 单项 第二字母J 油浸自冷 F 风冷 G 干式 S 水冷 第三字母L 铝线 P 强迫油循环 数字560 额定容量 kVA 10 高压侧电压 kV 返回 2 新型号S7 500 10 第七设计序号 SN 500kVA U1N 10kV S9 80 10 第九设计序号 SN 80kVA U1N 10kV SZ9 有载调压三相电力变压器 S9 M 全密封三相电力变压器 返回 2 额定电压UN一次测 正常工作时线电压 由绝缘强度和允许发热条件规定 二次测 一次测额定电压时 分接开关位于额定位置 二次测空载线电压 返回 3 额定电流IN某种环境温度 某种冷却条件下允许规定的满载线电流 并且随条件改变 大小由绕组绝缘和散热条件限制 我国规定环境温度40 返回 4 额定容量SN视在功率 kVA 额定条件下最大输出功率 满负荷时实际输出功率 P2 SNCOS 2 单相 SN U2NI2N 三相 SN 3U2NI2N 忽略损耗 U1NI1N U2NI2N 返回 5 阻抗电压UK短路电压 与输出电压稳定性 承受短路电流的能力有关 返回 6 温升额定工作条件下 内部电阻允许的最高温度与环境温度之差 最高允许温度为额定环境温度加额定温升 例 A级绝缘下 40 65 105 油面最高温度40 55 95 上层油温为85 返回 7 冷却方式ONAN 油浸自冷8 绝缘水平L1 雷击耐压75kV AC 交流耐压35kV 9 其他数据具体标准查有关标准代号 返回 Back 第三单元 变压器并联运行 维护和检修 课题一 三相变压器的并联运行课题二 变压器的维护及检修 第一节变压器的并联运行 变压器的并联运行 变压器并联运行的好处 提高供电可靠性减少备用容量提高运行效率 并联运行的最理想情况 空载时 并联的各变压器二次侧之间无环流 负载时 并联的各变压器按容量合理分担负载 负载时 并联的各变压器二次侧电流同相位 理想并联运行的三个条件 各变压器的额定电压相等 变比相同 各变压器的联结组号相同 各变压器的短路阻抗标幺值相等 阻抗角相同 联结组号的问题 联结组号不相同的变压器 绝对不允许并联运行 比如 Yy0与Yd11并联 U2 0 518U2由于变压器本身的漏阻抗很小 将产生很大的环流 烧坏绕组 变比不等时的环流 并联运行的负载分配 变比相等时的负载分配 第二节变压器检修 检修分为小修和大修 大修后的变压器须经过验收方可投入运行 变压器小修指在不吊出铁芯和绕组的情况下进行的各项检查和维修 小修包括以下项目 1 消除日常巡视中发现的缺陷 2 测定绕组的绝缘电阻 3 清扫变压器的瓷套管和外壳 检查各部螺纹有无松动 4 检查有无渗 漏油 检查油管有无堵塞 如油量不足 应予补油 5 检查气体继电器及其控制线是否完好 6 检查呼吸器是否完好 如硅胶已经受潮 应予更换 7 清除储油柜上集污器内的污垢和积水 8 检查引线 并处理过热及烧伤缺陷 9 检查跌开式熔断器熔管是否完好 熔丝规格是否符合要求 10 检查柱上变压器的安装是否牢固 杆基是否下沉等 变压器大修指放出变压器油 吊出铁芯和绕组的检查和维修 大修包括以下项目 1 清除线圈表面的油污和沉积物 观察绕组绝缘的老化程度 如绝缘已经损坏 应更换绕组 2 检查铁芯有无松动 压紧螺栓的绝缘是否良好 3 检查分接开关有无烧伤痕迹 接触是否紧密 定位是否准确 与绕组的连接是否良好 4 清除连通管 防爆管 散热器等处的油垢 检查是否堵塞 5 检查气体继电器 6 检查油循环装置和滤油装置 7 重新油漆变压器的外壳 8 按规定进行测量和试验 第四单元 特殊用途的变压器 课题一 自耦变压器课题二 仪用变压器课题三 电焊变压器 自耦变压器 原付边共用一部分绕组的变压器 一 特点 1 原付绕组既有磁的联系 又有电的联系 2 能量传递 既有磁场传递的 又有直接传递的 第一节自耦变压器 三相自耦变压器 三相自耦变压器 第二节仪用互感器互感器是电流互感器和电压互感器的合称 互感器的主要功能是 1 可使仪表和继电器标准化 如电流互感器副绕组的额定电流都是5A 电压互感器副绕组的电压通常都规定为100V 2 可使测量仪表 继电器等二次设备与一次主电路隔离 降低仪表及继电器的绝缘水平 简化仪表构造 同时保证工作人员的安全 3 可以避免短路电流直接流过测量仪表及继电器的线圈 1 电流互感器电流互感器简称CT 文字符号为TA 单二次绕组电流互感器图形符号为 是变换电流的设备 1 工作原理和接线方式电流互感器的基本结构原理如图4 14所示 它由一次绕组 铁芯 二次绕组组成 其结构特点是 一次绕组匝数少且粗 有的型号还没有一次绕组 利用穿过其铁芯的一次电路作为一次绕组 相当于1匝 而二次绕组匝数很多 导体较细 电流互感器的一次绕组串接在一次电路中 二次绕组与仪表 继电器电流线圈串联 形成闭合回路 由于这些电流线圈阻抗很小 工作时电流互感器二次回路接近短路状态 电流互感器的变流比Ki用表示 则式中 I1N I2N分别为电流互感器一次侧和二次侧的额定电流值 N1 N2为其一次和二次绕组匝数 变流比一般表示成如100 5A形式 2 电流互感器种类和型号按一次电压分 有高压和低压两大类 按一次绕组匝数分有单匝 包括母线式 芯柱式 套管式 和多匝式 包括线圈式 绕环式 串级式 按用途分有测量用和保护用两大类 按绝缘介质类型分有油浸式 环氧树脂浇注式 干式 SF6气体绝缘等 电流互感器型号的表示和含义如下 图4 15LQZ 10型电流互感器的外形图 图4 16LMZJ1 0 5型电流互感器的外形图 3 电流互感器使用注意事项 电流互感器在工作时二次侧不得开路 电流互感器二次侧有一端必须接地 电流互感器在接线时 必须注意其端子的极性 2 电压互感器电压互感器简称PT 是变换电压的设备 文字符号为TV 单相式电压互感器图形符号为 1 工作原理和接线方式电压互感器的基本结构原理如图4 17所示 它由一次绕组 二次绕组 铁芯组成 一次绕组并联在线路上 一次绕组匝数较多 二次绕组的匝数较少 相当于降低变压器 二次绕组的额定电压一般为100V 二次回路中 仪表 继电器的电压线圈与二次绕组并联 这些线圈的阻抗很大 工作时二次绕组近似于开路状态 图4 17电压互感器的结构原理 电压互感器的变压比用Ku表示式中 U1N U2N分别为电压互感器一次绕组和二次绕组额定电压 N1 N2为一次绕组和二次绕组的匝数 变压比Ku通常表示成如10 0 1kV的形式 电压互感器有单相和三相两大类 在成套装置内 采用单相电压互感器较为常见 电压互感器的变压比用Ku表示式中 U1N U2N分别为电压互感器一次绕组和二次绕组额定电压 N1 N2为一次绕组和二次绕组的匝数 变压比Ku通常表示成如10 0 1kV的形式 电压互感器有单相和三相两大类 在成套装置内 采用单相电压互感器较为常见 3 电压互感器使用注意事项 电压互感器在工作时 其一 二次侧不得短路 电压互感器二次侧有一端必须接地 电压互感器在接线时 必须注意其端子的极性 图4 19JDZ 3 6 10型电压互感器外型结构 图4 20JSW 10型电压互感器外型结构 第三节电焊变压器 电弧焊工艺对电焊变压器的要求为保证电弧焊的质量和电弧燃烧的稳定性 对电焊变压器有以下几点要求 1 空载时 空载电压U20 60 75V左右 以保证起弧容易 但为了操作者安全 U20最高不超过85V 2 负载 焊接 时 电焊变压器应具有迅速下降的外特性 如图所示 在额定负载时的输出电压U2 焊钳与工件间 约为30V左右 3 短路时 短路电流不应过大 4 为了适应不同焊接件和不同规格的焊条 要求焊接电流大小在一定范围内要均匀可调 第五单元 电动机的基础知识 课题一 电动机的种类和用途课题二 异步电动机的结构课题三 异步电动机的工作原理课题四 电动机的铭牌和型号 第一节电动机的种类和用途 选择电动机种类应在满足生产机械对拖动性能的要求下 优先选用结构简单 运行可靠 维护方便 价格便宜的电动机 电动机种类选择时应考虑的主要内容有 1 电动机的机械特性应与所拖动生产机械的机械特性相匹配 2 电动机的调速性能 调速范围 调速的平滑性 经济性 应该满足生产机械的要求 对调速性能的要求在很大程度上决定了电动机的种类 调速方法以及相应的控制方法 3 电动机的启动性能应满足生产机械对电动机启动性能的要求 电动机的启动性能主要是启动转矩的大小 同时还应注意电网容量对电动机启动电流的限制 4 电源种类在满足性能的前提下应优先采用交流电动机 5 经济性一是电动机及其相关设备 如 启动设备 调速设备等 的经济性 二是电动机拖动系统运行的经济性 主要是要效率高 节省电能 交流电动机 电动机 直流电动机 他励 异励 串励 复励 电动机的分类 磁极旋转 导线切割磁力线产生感应电动势 导线长 切割速度 右手定则 异步 2 线圈比磁场转得慢 三相异步机的结构 转子 在旋转磁场作用下 产生感应电动势或电流 三相定子绕组 产生旋转磁场 旋转磁场的产生 A Y C B Z 异步机中 旋转磁场代替了旋转磁极 电流出 电流入 X 第三节异步电机的工作原理 合成磁场方向 向下 同理分析 可得其它电流角度下的磁场方向 旋转方向 取决于三相电流的相序 改变电机的旋转方向 换接其中两相 旋转磁场的旋转方向 旋转磁场的转速大小 极对数 P 的概念 极对数 P 的改变 将每相绕组分成两段 按右下图放入定子槽内 形成的磁场则是两对磁极 极对数 极对数和转速的关系 三相异步电动机的同步转速 极对数 每个电流周期磁场转过的空间角度 同步转速 电动机转速和旋转磁场同步转速的关系 电动机转速 转差率的概念 异步电机运行中 转差率为旋转磁场的同步转速和电动机转速之差 即 第四节三相异步机铭牌与技术数据 1 型号Y132M 4 转差率 3 联接方式 Y 接法 A B C Z X Y A B C Z X Y A B C X Y Z 4 额定电压 定子绕组在指定接法下应加的线电压 说明 一般规定电动机的运行电压不能高于或低于额定值的5 例 380 220Y 是指 线电压为380V时采用Y接法 当线电压为220V时采用 接法 5 额定电流 定子绕组在指定接法下的线电流 如 表示三角接法下 电机的线电流为11 2A 相电流为6 48A 星形接法时线 相电流均为6 48A 6 额定功率 额定功率指电机在额定运行时轴上输出的功率 不等于从电源吸收的功率 两者的关系为 其中 额定负载时一般为0 7 0 9 空载时功率因数很低约为0 2 0 3 额定负载时 功率因数最大 注意 实用中应选择合适容量的电机 防止 大马 拉 小车 的现象 7 功率因数 cos 1 P2 PN cos 1 第六单元 三相异步电动机的运行 课题一 三相异步电动机的启动课题二 三相异步电动机的调速课题三 三相异步电动机的反转与制动 第一节三相异步电动机的启动 一 起动性能 电动机的起动就是将它开动起来 在起动瞬间 n 0 s 1 我们没从起动时的电流和转矩来分析电动机的期待性能 1 起动电流Ist 在刚起动时 由于旋转磁场对静止的转子有着很大的相对转速 磁力线切割转子导体的速度很快 这时转子绕组中感应出的电动势和产生的转子电流都很大 一般中小型电动机的起动电流约为额定值的5 7倍 即 当电动机不是频繁起动时 起动电流对电机本身影响不大 因为电机的起动时间很短 但当起动频繁时 由于热量的积累 可以使电机过热 但是 电动机的起动电流对线路是有影响的 2 起动转矩Tst 在刚起动时 虽然转子电流较大 但由于转子的功率因数是很低的 因此起动转矩是不大的 它与额定转矩之比值约为1 0 2 2 如果起动转矩过小 就不能在满载下起动 应设法提高 但起动转矩也不能过大 否则 会使传动机构收到冲击而损坏 由上述可知 异步电动机起动时的主要缺点是起动电流较大 为了减小起动电流 必须采用适当的起动方法 二 起动方法 鼠笼式电动机的起动方法有两种 1 直接起动 2 降压起动 1 直接起动 直接起动就是利用闸刀开关或接触器将电动机直接接到额定电源上 这种起动方法虽然简单 但如上所述 由于起动电流较大 将使线路电压下降 影响负载的正常工作 一般只有功率在二三十千瓦以下的异步电动机才能采用直接起动的方法来起动 而对于功率较大的异步电动机通常都采用降压起动 2 降压起动 所谓降压起动就是在电动机起动时 降低其所加的电压 其目的就是要减小起动电流 降压起动通常采用下面的几种方法 1 星形 三角形 Y 换接起动 该方法只适合于电动机在工作时 其定子绕组接成三角形时的情况 如有一台三角形联接的电动机 接在电压为380V的电源上 其每相定子绕组上的电压就是380V 当采用星形联接并接在相同电源上 此时每相定子绕组上的电压是220V 电流关系 当电动机正常工作时 当电动机星形起动时 由于转矩与电压的平方成正比 所以起动转矩也减小到直接起动时的1 3 因此 这种方法只适合于空载或轻栽时起动 该种起动一般采用星三角起动器来实现 电路如图所示 2 自耦降压起动 自耦降压起动是利用三相自耦变压器将电动机在起动过程中的端电压降低 其接线如图所示 自耦变压器备有抽头 以便得到不同的电压 例如为电源电压的73 64 55 根据对起动转矩的要求而选用 自耦降压起动适用于容量较大的或正常运行时联成星形不能采用三角起动器的鼠笼式异步电动机 自耦降压起动接线图 3 接起动电阻起动 对于绕线式电动机的起动 只要在转子电路中接入大小适当的起动电阻 就可达到减小起动电流的目的 同时起动转矩也提高了 例 有一Y225M 4型三相异步电动机 其额定数据如下 试求 1 额定电流 2 额定转差率SN 3 额定转矩TN 最大转矩Tmax 起动转矩Tst 2 3 解 1 4 100KW的电动机通常都是380V 联接 在上题中 1 若负载转矩为510 2N m 试问在U UN和U 0 9UN两种情况下 能否起动 2 采用Y 换接起动时 求起动电流和起动转矩 又当负载转矩为额定转矩TN的80 和50 时 电动机能否起动 例 解 1 Tst 551 8N m 510 2N m所以能起动 2 在U 0 9UN时 T st 0 92 551 8 447N m 510 2N m所以不能起动 在80 额定负载时 在50 额定负载时 对上题如采用自耦降压起动 设起动时电动机的端电压降到电源电压的64 求线路起动电流和电动机的起动转矩 例 解 直接起动时的起动电流 设降压起动时电动机中的起动电流为 设降压起动时线路中的起动电流为 设降压起动时的起动转矩为 第二节三相电动机的调速 调速就是在同一负载下能得到不同的转速 以满足生产过程的要求 从三相异步电动机的转速公式 可以看到改变电动机的转速有三种可能 1 改变电源频率f1 2 改变极对数p 3 改变转差率s 前两者是鼠笼式电动机的调速方法 后者是绕线式电动机的调速方法 下面我们分别讨论 一 变极调速 由式 可知 如果极对数减小一半 则旋转磁场的转速便提高一倍 转子转速差不多也提高一倍 因此 改变p可以得到不同的转速 如何改变极对数呢 这同定子绕组的接法有关 p 1的绕组接法 p 2的绕组接法 二 变频调速 变频调速就是改变电源电压的频率 从而改变电动机的转速 目前主要采用下图所示的变频装置 整流器先将50Hz的交流电变换为直流电 再由逆变器变换为频率可调 电压有效值也可调的三相交流电 供给鼠笼式异步电动机 由此可得到电动机的无级调速 并具有硬的机械特性 三 变转差率调速 只要在绕线式电动机的转子电路中接入一个调速电阻 改变电阻的大小 就可以得到平滑调速 如增大调速电阻时 转差率上升 而转速下降 这种调速方法的优点是设备简单 投资少 但能量损耗较大 这种调速方法广泛应用于起重设备中 第三节三相电动机的制动 因为电动机的转动部分有惯性 所以把电源切断后 电动机还会继续转动一定时间后停止 为了缩短辅助工时 提高生产机械的生产率 并为了安全起见 往往要求电动机能够迅速停车和反转 这就需要对电动机制动 对电动机制动 也就是要求它的转矩与转子的转动方向相反 这时的转矩称为制动转矩 异步电动机的制动常用下列几种方法 一 能耗制动 二 反接制动 F 三 发电反馈制动 第七单元 单相异步电动机 课题一 单相异步电动机的原理 结构及分类课题二 单相异步电动机的运行课题三 单相异步电动机的常见故障及处理 一 电动机的分类 单相异步电动机 由单相电源供电的小功率异步电动机 应用广泛 如日常生活中的电风扇 电冰箱 洗衣机 抽排油烟机 手电钻 医用器械 自动化仪表 第一节单相异步电动机的原理 结构及分类 二 单相异步电动机 一 单相异步电动机的工作原理 二 单相异步电动机的起动方法 一 单相异步电动机的工作原理单相感应电动机中的磁场 静止的脉动磁场三相感应电动机中的磁场 旋转磁场 结构 定子放单相绕组 其中通单相交流电 转子一般用鼠笼式 定子中通入单相交流电后 形成脉动磁场 其磁感应强度按正弦分布 且随时间按正弦变化 转子借助其它力量转动后 外力去除后仍按原方向继续转动 定子绕组产生的脉动磁场 可用正 反两个旋转磁场合成而等效 即 脉动磁场的分解 正反向旋转磁场的合成转矩特性 合成转矩 正向 反向 第二节单相异步电动机的运行由于单相异步电动机绕组通过单相交变电流 若电动机定子铁心只具有单相绕组 则产生的磁通是交变脉动磁通 它的轴线在空间上是固定不变的 这种磁通不可能使转子起动旋转 必须采取另外的起动措施 单相异步电动机常用的起动方法有分相起动法和罩极法 1 电容分相式单相异步电动机适合容量较大或要求起动转矩较高的单相异步电动机 电容分相式单相异步电动机的定子有两个绕组 一个是工作绕组 主绕组 另一个是起动绕组 副绕组 两个绕组在空间互成90 起动绕阻与电容C串联 起动时离心开关闭合 使起动绕组电流i2和工作绕组电流i1产生90 相位差 从而产生旋转磁场 在旋转磁场的作用下 电动机的转子就会沿旋转磁场方向旋转 转动正常以后离心开关被甩开 起动绕组被切断 下图所示分别为 t 0 45 90 时合成磁场的方向 由图可见该磁场随着时间的增长顺时针方向旋转 这样一来 单相异步电动机就可以在该旋转磁场的作用下起动了 其他方法 除用电容来分相外 也可以与起动绕组串联适当的电阻 或起动绕组本身的电阻比工作绕组大很多 这样 工作绕组中的电流比起动绕组中的电流滞后 也可以产生一个旋转磁场使电动机起动 但起动转矩要比电容分相的起动转矩小些 注意 三相异步电动机接到电源的三根导线中由于某种原因断开了一根线 就成为单相电动机运行 如果起动时就断开了一根线 则不能起动 只听到嗡嗡声 这时电流很大 时间长了 电动机会被烧坏 如果在运行中断了一根线 则电动机将继续转动 若此时还带动额定负载 其他两相电路中的电流将超过额定电流 时间一长 也会使电动机烧坏 因此 在实际工作中必须特别注意三相异步电动机在运行时有无发生一相熔丝烧断现象 一般要采取自动保护措施 2 罩极式单相异步电动机定子通入电流以后 部分磁通穿过短路环 并在其中产生感应电流 短路环中的电流阻碍磁通的变化 致使有短路环部分和没有短路环部分产生的磁通有了相位差 从而形成旋转磁场 使转子转起来 图中电机的转动方向 瞬时针旋转 因为没有短路环部分的磁通比有短路环部分的磁通领先 第三节单相异步电动机的维护 1 起动 2 运行 3 维修 电动机在起动前首先应进行机械方面的检查 然后进行电路方面的检查 电机的插座前最好安装熔断器 熔断器的额定电流要比电动机的额定电流高10 25 电动机带负载正常运转时转速均匀 声音适中 发热适当 但要经常注意其温升情况 如果发现电动机严重发热或其它不良症状必需拉闸停止运行 电网电压较低时经常出现发热严重的情况 虽然短时间内不会烧坏绕组 但将影响电动机的使用寿命 电机运行一段时间后可以拆开维修 清理内部杂物灰尘 填加润滑油等 最好用500伏级摇表测量绕组绝缘电阻 正常的应不小于0 5兆欧 第八单元 直流电动机 课题一 直流电动机的原理 构造 分类课题二 直流电动机运行 第一节直流电动机的原理 构造 分类一 结构打开直流电动机的端盖 不难看出直流电动机与交流电动机类似 它也是由定子和转子两大部分组成 直流电动机的转子也叫电枢 不过在直流电动机的转子一端装有换向器 这一点与交流电动机不同 图7 2是直流电动机的结构示意图 图7 2直流电动机的结构 1 定子 图7 3直流电动机的定子 2 转子 直流电动机的转子主要由转子铁芯 转子绕组和换向器组成 此外 还包括转轴和风扇等部分 如图7 4所示 图7 4直流电动机的转子 3 换向器 换向器由许多彼此绝缘的钢质换向片组成一个圆柱体 装在转子转轴的一端 转子绕组的每一个绕组线圈分别接在两个与转轴对称的换向片上 换向片通过和电刷的滑动接触与外加直流电源相连通 当转子转轴每旋转180 时 接在相应换向片上的直流电改变一次极性 相当于每个转子绕组线圈中接的是交流电 保证了形成固定方向的电磁转矩 换向器是直流电动机的标志性部件 它将加于电刷之间固定极性的直流电流变成转子绕组内部的交流电流 二 直流电动机的工作原理 1 转动原理 直流电动机的转动过程是以电磁相互作用的基本规律为基础的 如图7 5所示 处在均匀磁场B中的一段通有电流I的导体l将受到磁场力的作用 由安培定律可知 磁场作用力F的大小为 F的方向由右手螺旋定则或左手定则确定 如图7 6所示 如果一段长度为l的导体在均匀磁场B中沿垂直于磁场的方向以速度v匀速运动 导体中将产生感生电动势 由电磁感应定律可知 感生电动势e的大小为e lvB 7 2 e的方向由右手定则确定 7 1 图7 5通电导体受到的安培力 动动导体中的感生电动势 用如图7 7 a 所示的简化模型代替直流电动机 图7 7直流电动机的转动模型 当接通电源U时 直流电流将从a边流入 b边流出 由安培定律可知线圈a边和b边将受到一对大小相等 方向相反的电磁力作用 其方向由左手定则确定 如图7 7 b 所示 由于这对电磁力不在一条直线上 因此它们将形成一个电磁转矩 使电动机的转子沿逆时针方向加速旋转 当电磁转矩与阻力转矩平衡时 转子的转速才稳定下来 由于换向片随转子一起转动 当线圈a边旋转至S磁极附近 b边旋转至N磁极附近时 转子线圈ab中的直流电流将改变方向 此时 电流从线圈a边流出 b边流入 而电磁力和电磁转矩的方向不变 这就保证了转子的连续转动 可见 转子线圈a b每旋转半圈 其中的直流电流就改变一次方向 相当于转子线圈接入的是交流电 这正是换向器产生的效果 2 基本物理量 1 磁转矩M 直流电动机的转子之所以能转动是因为转子线圈受到电磁转矩的作用 电磁转矩是主磁场与转子电流相互作用产生的转矩 它是一个重要的物理量 反映了直流电动机的机械输出功率的大小和拖动负载的能力 一般用M表示 下面我们通过物理概念来建立M的定量计算公式 电磁转矩M是由所有转子线圈受到的电磁力共同产生的效果 因M与F成正比 由式 7 1 可知 式中 B是每个磁极之下的平均磁感应强度 它与每个磁极下的磁通量 成正比 I是每根转子线圈中流过的电流 与经电刷流入转子线圈的总电流成正比 l是转子线圈的有效长度 对于特定的电动机来说 它是一个常数 因此 我们可以得到计算电磁转矩M大小的公式为M CM Ia 7 3 式中 CM是一个反映直流电动机电磁结构的常数 它与磁极对数 转子线圈的数目等有关 通常称为转矩常数 当Ia的单位用A 安培 的单位用Wb 韦伯 时 M的单位为N m 牛 米 式 7 3 说明 当直流电动机转动时 电磁转矩的大小与磁通量 转子电流Ia成正比 方向根据磁通量 和转子线圈电流Ia两者的方向按左手定则确定 2 感生电动势E 由式 7 2 可知 转子绕组每根导线中的感生电动势的大小为e Bvl 其方向由右手定则确定 当转子逆时针旋转时 感生电动势e的方向如图7 8所示 它与转子线圈中的电流方向相反 是反电动势 其中 v是运动导体的线速度 正比于转子的转速n B是每个磁极的平均磁感应强度 正比于每极的磁通量 由于直流电动机的转子绕组是由许多匝线圈按一定规律并联而成 因此转子绕组中产生的总感应电动势E与每根导线中的感生电动势e成正比 由此可以得到计算感生电动势的公式为E CE n 7 4 式中 CE是由电动机结构决定的常数 称为电动势常数 若 的单位用Wb n的单位用r min 则E的单位为V 式 7 4 表明转子绕组中感生电动势E的大小与每个磁极的磁通量 和转子的转速n成正比 图7 8转子绕组中感生电动势方向 第二节直流电动机的运行 1 启动时存在的主要问题 在直流电动机接通电源的瞬间 由于定子线圈先通电已建立起了主磁场 但转子还来不及转动 转速n 0 转子中的反电动势E CE n 0 由电压平衡方程式可知 这时电驱电流很大 我们将这个电流称为启动电流 用Iast表示 7 13 2 启动方法 1 变阻器启动 图7 12两种启动方法 Rst的阻值可根据来确定 即 7 14 第一 在接通转子电源之前 应先接通定子电源 保证先有主磁通 否则将不能产生电磁转矩 而且为了在较小的启动电流下产生足够大的电磁转矩 主磁通 应尽可能大一些 如果定子电路中串有附加电阻Rf 启动时应调至最小 第二 启动变阻器一般采用小阻值 大电流的变阻器 并按短时要求设计 不允许长时间接在电路中或用作调速电阻 2 降压启动 如图7 12 b 所示 将专用可调直流电源接到转子电路中 启动时 调节电源电压 从零开始逐渐上升至额定值 这种启动方法仅适用于他励式直流电动机 2 正 反转直流电动机的反转也有两种方法 如图7 13所示 图7 13直流电动机的正 反转 图7 13 a 是直流电动机正转时 转子电流Ia 定子电流If和主磁通 的方向 图7 13 b c 是直流电动机反转时 转子电流Ia 定子电流If和主磁通 的方向 如图7 13 b 所示 将转子电源电压U的极性对调 转子电流Ia 的方向就改变了 这时电磁转矩M的方向也跟着改变了 电动机从正转 顺时针方向旋转 变成了反转 逆时针方向旋转 如图7 13 c 所示 将定子电源的极性对调 改变定子绕组电流If的方向 从而改变主磁通 的方向 使电磁转矩反向 电动机也从正转变成了反转 两种实现直流电动机反转的方法中 一般采用改变转子电流方向的方法 而改变主磁通 的方法较少采用 3 调速要改变直流电动机的转速n可以采用3种方法 即改变转子电阻Ra的大小 改变转子电源电压U的大小或改变主磁通 的大小 1 改变转子电阻调速 如图7 14 a 所示 在保持转子电源电压U和主磁通 不变的情况下 在转子电路中串联一个附加电阻Rac 使转子电路的总电阻变成 Ra Rac 这样直流电动机的机械特性曲线的斜率将比原来增大了 而理想空载转速不变 如图7 14 b 所示 附加电阻Rac越大 特性曲线的斜率就越大 当负载转矩不变时 MC ML M0不变 转子的转速n将随之下降了 转速下降的具体过程如下所述 图7 14改变转子电阻调速 假设直流电动机的负载转矩ML不变 MC不变 且直流电动机以转速n1稳定运行 当加入或增大Rac时 由于惯性电动机转速还来不及变化仍为n1 相应的感生电动势E CE n也不变 这就导致了电驱电流减少 电磁转矩M CM Ia下降 原来的转矩平衡被破坏 暂时出现M ML 电动机将减速运行 n下降 转速下降 相应地感生电动势E也下降 转子电流Ia重新增大 电磁转矩M也重新上升 最终转矩又重新达到平衡 再次使M ML 这时电动机在较低的转速n2下稳定运行 2 改变转子电压调速如图7 15 a 所示 在保持主磁通 和转子电路电阻Ra不变的情况下 调节转子电源电压U可改变直流电动机的转速 这种调速方法仅适用于他励式直流电动机 因为定子电路的直流电压Uf不允许随之变化 这就要求定子 转子各使用不同的直流电源 由机械特性方程可知 当转子电源电压U改变时 理想空载转速将随之变化 而特性曲线的斜率b不变 如图7 15 b 所示 随着将U的调低 机械特性曲线将向下平移 如果负载转矩ML不变 MC不变 转速n将随之下降n1 n2 n3 起到了调速的作用 改变转子电路电压调速 3 改变主磁通调速 如图7 16 a 所示 改变主磁通的调速实际上是在保持电源电压U和转子电阻Ra不变的情况下 调节定子线圈中的串联电阻Rf 从而改变定子电流If 也就是主磁通 的大小进行调速 因为定子电路中串联一个附加电阻Rfc将使If减小 主磁通 减小 由机械特性方程可知 主磁通 的减少将使理想空载转速上升 曲线斜率更显著地上升 相应的机械特性曲线上移 且倾斜程度增加 如果负载转矩不变 转速n将上升 如图7 16 b 所示 调速的具体过程如下所述 改变主磁通调速 接入或增大Rfc If减小 主磁通 减小 由于惯性转速n来不及变化 E CE n将随 的减小而减小 转子电流增加 因Ra很小 Ia的增加比 的变化所造成的影响更显著 而Ia的增加将使电磁转矩M增加 暂出现M MC 因此 电动机将加速运转 使n上升 E回升 Ia下降 M下降 最终使M MC 这时电动机在较高转速下稳定运行 4 制动如图7 17所示 将直流电动机的转子电源切除 并使转子电路与制动电阻R2串联 图中开关S接到右边 由于惯性 电动机将继续按原来的方向旋转 主磁通的方向不改变 转子中感生电动势E CE n的方向也不改变 但是 由于没有外加电压 电驱电流的方向和电磁转矩的方向改变了 这时 电磁转矩的方向与转子的旋转方向相反 电动机迅速减速至停转 实际上 这一过程是转子的惯性转动拖动电动机发电 把生产机械和电动机贮存的机械能转化为电能再消耗在制动电阻Rz和转子损耗电阻Ra上 所以这种制动方法称为能耗制动 图7 17能耗制动 2 反接制动 反接制动是指人为地改变转子电压极性 即反接 使转子电流反向的方法 这时 电磁转矩成为制动转矩 使电动机迅速减速至停止 这种制动方法由于转子电压反接后 极性与反电动势相同 转子电流很大 因此必须串接较大的制动电阻 另外 电机停稳后应该及时切断电源 否则电动机会反转 总之 这种制动方法的制动效果好 但能量损耗大 容易出现反转 第九章同步电机 9 1同步电机的基本工作原理与结构 9 2同步发电机的空载运行 9 3同步发电机的电枢反应 9 4同步发电机的负载运行 9 5同步发电机的并联运行 9 6同步发电机和同步调相机 交流电机分 同步电机 n ns ns为同步转速 异步电机 n ns 一 同步电机分类 旋转电枢式 电枢旋转 主极固定 因电枢功率不易由滑动部分送出 只适于较小容量发电机 实用少 旋转磁极式 磁极旋转 电枢固定 电枢功率由静止部分送出 可传送较大功率 实用广 是同步发电机的基本结构型式 同步电机 9 1同步电机的基本工作原理与结构 旋转磁极式 隐极式转子 不计齿槽时气隙均匀 机械强度高 适用于高转速 一般用于汽轮发电机 外形细长 凸极式转子 气隙不均匀 极弧下较小 极间较大 机械强度比隐极机低 适用于低转速 一般用于水轮发电机 外形扁盘形 二 隐极同步电机 只有卧式支撑 1 隐极式转子结构 隐极式转子上没有凸出的磁极 如图6 1所示 沿着转子本体圆周表面上 开有许多槽 槽中嵌放励磁绕组 在转子表面约1 3部分没有开槽 构成所谓大齿 是磁极的中心区 励磁绕组通入