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 一 变压器是用来改变交流电压大小的供电设备 是根据电磁感应原理把某一等级的交流电压变换成频率相同的另一等级的交流电压 第一节变压器的分类 二 变压器的分类1 按相数分类 1 单相变压器常用于单相交流电路中隔离 电压等级的变换 相位的变换 2 三相变压器常用于输配电系统中变换电压和传输电能 2 按用途分类 1 电力变压器常用于输配电系统中变换电压和传输电能 2 电炉变压器常用于冶炼 加热及热处理设备电源 3 电焊变压器常用于交流电焊机上 4 仪用互感器常用于电工测量与自动保护装置 5 自耦变压器常用于实验室或工业上调节 3 按铁心结构形式分 1 壳式铁心 2 心式铁心 3 C形铁心 4 按冷却方式分 1 油浸式变压器 2 风冷式变压器 3 自冷式变压器 4 干式变压器 第二节变压器的结构 变压器基本结构由绕组和铁心构成 1 绕组 1 材料 它是用绝缘铜线或铜箔绕制而成 2 作用 绕组是变压器的电路部分 3 绕组的命名 a 一次绕组 接电源的绕组 也称初级绕组b 二次绕组 接负载的绕组 也称次级绕组c 高压绕组 接高电压的绕组d 低压绕组 接低电压的绕组 3 绕组的类型按绕组绕制方式的不同 绕组可分为同心绕组和交叠绕组 a 同心绕组将一次 二次侧线圈套在同一铁心柱的内外层 一般低压绕组在内层 高压绕组在外层 大多用于电力变压器中 B 交叠绕组将高低压线圈绕成饼状 沿铁心轴向交叠放置 一般两端靠近铁轭处放置低压绕组 有利于绝缘 大多用于壳式 干式及电炉变压器中 2 铁心 1 作用 铁心是主磁通的通道 也是安放绕组的骨架 2 材料 通常硅钢片叠装而成 硅钢片可分为热轧和冷轧热轧硅钢片 导磁性能好而损耗少 厚度为0 35和0 5mm 片间涂有绝缘漆 工艺性较好 多应用小型变压器冷轧硅钢片 导磁性能较热轧硅钢片更好 但工艺性较差 价格贵 厚度有0 27mm 0 30mm和0 35mm多种 多用于大中型变压器 铁心为什么用硅钢片叠装而成 因为硅钢片能够提高铁心导磁能力 增大变压器的容量 减少体积 提高效率 3 铁心类型 基本形式有芯式和壳式两种 芯式 线圈包着铁心 结构简单 省导线 适用于电力变压器中壳式 铁心包着线圈 铁心易散热 但用线量多 工艺复杂 4 铁心分为铁心柱和铁轭两部分 铁心柱是铁心安装绕组的部分铁轭是连接铁心柱形成闭合磁路的铁心部分 3 其他结构部件以典型的油浸式电力变压器为例 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 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 变压器的空载运行的定义是指变压器一次绕组加额定电压 二次绕组开路的工作状态 2 理想变压器的定义如果不计绕组的电阻 铁心的损耗 磁路中的漏磁通和磁饱和影响的变压器称理想变压器 一 变压器的空载运行 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 3 变压器空载运行的物理量 4 变压器的工作原理 当一次绕组接上交流电源时 在一次绕组中就会有交流电流通过并在铁心中产生交变的磁通 这个交变的磁通不仅通过一次绕组 而且也通过二次绕组 并在两绕组中分别产生感应电动势 通过二次绕组产生的感应电动势将电能传输给了负载 变压器工作原理的总结 总结一 变压器传递电能的过程是一次绕组将电能转换成磁场能 二次绕组再将磁场能转换成电能 总结二 一次绕组和二次绕组之间没有电的联系 只有磁的联系 总结三 电源经理想变压器后电能无损失 1 空载电流i0 变压器空载运行时流过一次绕组的电流 空载电流主要是产生交变的磁通 m 是无功电流 5 理想变压器的空载运行 2 理想变压器空载运行时电压和感应电动势的关系 一次绕组感应电动势的大小等于电压的大小 但两者的相位反相 二次绕组输出电压的大小等于感应电动势的大小 两者的相位也相同即同相位 3 理想变压器空载时感应电动势的大小 公式 E 4 44fN m它说明 感应电动势的大小与电源的频率f绕组的匝数N及铁心中的主磁通的幅值 m成正比 因为U1 E1 所以U1 4 44fN m说明主磁通大小取决于电源电压 频率和一次绕组的匝数 当电源电压不变时 主磁通的幅值也不变 定义 一次侧绕组电动势E1与二次侧绕组电动势E2之比称为变压比 即K E1 E2因为E1 4 44fN1 m E2 4 44fN2 m所以K E1 E2 N1 N2 U1 U2K N1 N2 亦称为匝数比当K 1 降压变压器当K 1 升压变压器 4 变压比K 理想变压器空载运行时 实际变压器的空载运行 空载时的物理情况1 实际变压器一次绕组存在电阻产生电压降 2 主磁通 通过铁心闭合的磁通量 占绝大部分 漏磁通 磁通的一小部分通过一次侧绕组周围的空间形成闭路 3 铁心中存在铁耗 包括涡流损耗和磁滞损耗 4 实际变压器感应电动势与电压的关系 1 一次侧 U1 E1 2 二次侧 U20 E2 1 变压器在传输电能时具有一种自动调节的作用 变压器二次绕组所消耗的电功率P2 输出功率 增加 或减少 时 一次绕组从电源所取得的电功率P1 输入功率 也随着增加 或减少 2 变压器一次 二次绕组之间没有电的联系 这种能量传输是通过磁场作为媒介 把一 二次绕组相互联系起来的 二 变压器的负载运行 3 电流变换 理想变压器输出功率P2应等于输入功率P1 即 I1 I2 U2 U1 N2 N1 P1 P2 U1I1 U2I2 理想变压器一次 二次绕组的电流跟它们的匝数成反比 I1 I2 N2 N1 此公式只适用于一个二次绕组的变压器 知识扩宽 变压器工作时 高压绕组匝数多而通过的电流小 可用较细的导线绕制 低压绕组匝数少而通过的电流大 应当用较粗的导线绕制 这也是判定高压线圈和低压线圈的一种方法 I1 I2 U2 U1 N2 N1 4 阻抗变换 Z1 K2Z2 说明负载Z2经过变压器以后阻抗扩大了K2倍 变压器具有阻抗匹配的作用 5 电压调整率 1 定义 变压器二次侧电压随负载而变化的程度叫电压调整率 2 公式 U U2N U2 U2N 100 U2N 变压器二次侧输出额定电压 即二次侧空载电压 U2 变压器二次侧额定电流时的输出电压一般情况下照明电源电压波动不超过 5 5 动力电源电压波动不超过 5 10 6 变压器的损耗和效率 1 变压器的损耗分为铁耗 铜耗两大类 2 铁耗A 基本铁耗是指铁心中涡流损耗和磁滞损耗B 变压器空载时的损耗以铁耗为主 所以变压器的空载损耗等于铁耗 C 当电源电压一定时 铁耗为恒定值 故又称不可变损耗 3 铜耗 A 基本铜耗是指一次绕组与二次绕组内电流所引起的电阻损耗 B 额定负载时铜耗近似等于短路损耗 C 铜耗是可变损耗 4 效率 是指变压器输出的有功功率与输入的有功功率之比 即 P2 P1 100 当铜耗与铁耗相等时 变压器的效率最高 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 第一节单相变压器绕组的极性 一 极性的意义1 直流电源的极性直流电源两端的极性是恒定不变的 2 交流电源的极性 正弦交流电源两端只存在瞬时极性 3 单相变压器的极性 1 变压器的极性 是指变压器一次侧 二次侧绕组在同一交变的磁通作用下所产生的感应电动势之间的相位关系 通常用同名端来标记 2 同名端 定义 是指变压器一次侧 二次侧绕组在同一交变的磁通作用下所产生的感应电动势在任意时刻具有相同极性的端点 标记 用星 号或点 来表示异名端 不同极性的两端 2 同名端 存在条件 只有被同一交变磁通所贯穿的两个线圈之间才存在同名端 一台单相变压器一次侧和二次侧绕组在某一瞬间的电流如图所示 试判断并用符号标出同名端 例题 4 绕组的连接 1 绕组串联分为 正向串联 反向串联A 正向串联 把两个绕组的异名端相连 总电动势等于两个绕组中的电动势之和 B 反向串联 把两个绕组的同名端相连 总电动势等于两个绕组中的电动势之差 绕组的连接主要有 串联和并联 2 绕组的并联 分为 同极性并联和反极性并联 A 同极性并联a E1和E2大小一样 两个绕组回路内部的总电动势为零 I环 E1 E2 Z1 Z2 0不会产生内部环流 变压器的并联应符合这个条件 b E1和E2大小不等 两个绕组回路内部的总电动势不为零 内部产生环流 环流会产生损耗和发热 严重时烧坏绕组 所以当两个变压器的两个绕组中感应电动势不相等时 不可并联 B 反极性并联 这时两个绕组回路内部的环流I环 E1 E2 Z1 Z2I环很大 烧坏绕组 这种接法是不允许的 应绝对避免 注意 变压器绕组之间进行连接时 极性判别至关重要 一旦极性接反 轻者不能工作 重者导致绕组和设备的严重损毁 二 变压器绕组极性的测定 一般采用直观法和仪表测试法1 直观法两绕组绕制方向相同的端点是同名端 2 仪表测试法 1 直流法将任意一绕组通过开关SA接一个1 5V的干电池 另一绕组通过万用表的50mA档构成闭合回路 当开关SA闭合的瞬间 若万用表的指针正向偏转则1U1端和2U1端是同名端 若指针反向偏转则1U1端和2U2端是同名端 2 交流法 将变压器两个绕组的任意两端连接在一起 在高压绕组两端施加较低的便于测量的交流电压 用万用表交流电压档分别测出高压绕组两端电压U1 低压绕组两端电压U3 高低压绕组之间的电压U2 若U2 U1 U3 则1U1和2U2是同名端 若U2 U1 U3 则1U1和2U1是同名端 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 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 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一次侧U1N 正常工作时线电压 由绝缘强度和允许发热条件规定 二次侧U2N 一次侧额定电压时 二次测空载线电压 返回 3 额定电流I1N I2N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 V A或kV A 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 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 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 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 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 电动机 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 励磁绕组通入励磁电流后 沿转子圆周也会出现N极和S极 图6 1隐极式转子 2 隐极式转子特点 在大容量高转速汽轮发电机中 转子圆周线速度极高 最大可达170米 秒 为了减小转子本体及转子上的各部件所承受的巨大离心力 大型汽轮发电机都做成细长的隐极式圆柱体转子 考虑到转子冷却和强度方面的要求 隐极式转子的结构和加工工艺较为复杂 转子长度 直径 2 5 6 5 且容量愈大比值愈大 3 汽轮发电机 如图6 2 主要结构部件有 定子 转子 端盖和轴承 定子定子大体上与异步电机相同 定子铁心由0 35mm 0 5mm或其它厚度的电工钢片叠成 图6 2汽轮发电机 三 凸极同步电机 卧式 立式支撑 1支撑 卧式 立式支撑 立式水轮发电机据推力轴承的不同安放位置又分 悬式 推力轴承在转子上部 伞式 2 水轮发电机的特点是 极数多 直径大 轴向长度短 整个转子在外形上与汽轮发电机大不相同 大多数水轮发电机为立式 3 定子 水轮发电机的直径很大 定子铁心由扇形电工钢片拼装叠成 为了散热的需要 定子铁心中留有径向通风沟 4 转子 水轮发电机由于水轮机的转速较低 要发出工频电能 发电机的极数就比较多 做成凸极式转子结构工艺上较为简单 凸极式转子上有明显凸出的成对磁极和励磁线圈 如图6 4所示 转子铁心 由厚度为1 3mm的钢片叠成 磁极两端有磁极压板 用来压紧磁极冲片和固定磁极绕组 有些发电机磁极的极靴上开有一些槽 槽内放上铜条 并用端环将所有铜条连在一起构成阻尼绕组 其作用是用来抑制短路电流和减弱 电机振荡 在电动机中作为起动绕组用 励磁绕组 励磁线圈中通过直流励磁电流后 每个磁极就出现一定的极性 相邻磁极交替为N极和S极 图6 4凸极式转子 同步电机的运行原理 一 同步发电机工作原理参考同步电机结构模型图6 51 定子上 三相绕组 空间互差1200电角度 匝数相等转子上 If 由转子N极出来 气隙 定子铁心 气隙 转子S极原动机n逆时针恒速旋转 定子上导体切割磁力线 产生e 图6 5 9 2同步发电机的空载运行 空载运行 原动机带动发电机在同步转速下运行 励磁 转子 绕组通过适当的励磁电流 电枢 定子 绕组不带任何负载 开路 时的运行情况 称为空载运行 空载运行是同步发电机最简单的运行方式 其气隙磁场由转子磁势Ff 励磁磁势 单独建立 称励磁磁场 一 空载气隙磁场1 主磁通 既与转子交链 又经气隙与定子交链的磁通 为一以同步转速旋转的旋转磁场 磁密波形沿气隙圆周近似作正弦分布 其基波分量的每极磁通用 0表示 0参与电机的机电能量转换