电机与电气控制技术教案

第第 1 1 2 2 课时课时 课题课题 电磁学基础知识 教学目的和要求教学目的和要求 补充了解磁场的基本物理量以及铁磁材料的性质和磁路欧姆定律 掌握交流铁心线圈电路中的电磁关系并 了解其功率损耗情况 重点与难点重点与难点 掌握铁磁材料的性质 交流铁心线圈电路中的电磁关系及其功率损耗 教学方法教学方法 绘图说明 简单推正 结论分析 应用介绍 案例教学 预复习任务预复习任务 复习前期学的 电工技术基础 相关知识 一 磁路的基本物理量一 磁路的基本物理量 磁场可由电流产生 用磁感线来描述 磁场的强弱可用磁感线的疏密程度来表示 磁感线可以看成是无头 无尾的闭合曲线 1 磁感线的回转方向和电流方向之间的关系遵守右手螺旋法则 2 磁感线总是闭合的 既无起点 也无终点 3 磁场中的磁感线不会相交 因为磁场中每一点的磁感应强度的方向都是确定的 唯一的 1 磁通 磁场中穿过某一截面积 A 的总磁线数称为通过该面积的磁通量 简称磁通 单位 WB 磁场中穿过某一截面积 A 的总磁线数称为通过该面积的磁通量 简称磁通 单位 WB 2 当线圈中通以电流后 大部分磁感线沿铁心 衔铁和工作气隙构成回路 这部分磁通称为主磁通 还有一 部分磁通 没有经过气隙和衔铁 而是经空气自成回路 这部分磁通称为漏磁通 磁通经过的闭合路径叫磁路 磁路和电路一样 分为有分支磁路和无分支磁路两种类型 2 磁感应强度 B 描述磁介质中实际的磁场强弱和方向的物理量 是矢量 用 B 表示 均匀磁场中 若通过与磁感线垂直的 某面积 A 的磁通为 则 B A 所以磁感应强度也称磁通密度 单位 T 3 磁场强度 H 是进行磁场计算时引进的一个物理量 电流产生磁场外 介质被磁化后还会产生附加磁场 单位安每米 H 代表电流本身产生的磁场的强弱 反映了电流的励磁能力 大小只与该电流的大小成正比 与介质的性质 无关 B 代表电流所产生的以及介质被磁化所产生的总磁场的强弱 其大小不仅与电流的大小有关 还与介质的性 质有关 4 磁导率 磁感应强度 B 与磁场强度 H 之比 是衡量物质导磁能力的物理量 B H 为导磁物质的磁导率 真空的磁导率为 铁磁材料的 例如铸钢的 约为 的 1000 倍 各种硅钢片的 约为 的 6000 7000 倍 5 磁场储能 磁场能够储存能量 这些能量是在磁场建立过程中由其他能源的能量转换而来的 电机就是借助磁场储能 来实现机电能量转换的 二 磁性材料的性质二 磁性材料的性质 1 高导磁性 磁性物质的内部存在着很多很小的区域 称为 磁畴 磁化前 无外磁场的作用 杂乱无章地排列 磁场 互相抵消 对外界不显示磁性 若将铁磁材料放入磁场 在外磁场的作用下 磁畴的轴线趋于一致 形成一个附加磁场 叠加在外磁场上 0 0 0 0 mA 3 从而使合成磁场大为增强 变压器和电机中的磁场是由通过线圈的电流来产生 这些线圈都是绕在磁性物质 称为铁心 上的 采用 铁心后 在同样的电流下 铁心中的磁感应强度 B 和磁通 将大为增加 且比铁心外的 B 和 大很多 一方 面可用较小的电流产生较强的磁场 另一方面可使绝大部分磁通集中在由磁性材料限定的空间内 2 磁饱和性 如上图中 oa 段 外磁场 H 较弱 H 的增加主要是与外磁场同方向的磁畴边界增大的过程 B 的增加缓慢 ab 段 外磁场 H 较强 主要是磁畴沿外磁场的方向转动的过程 B 迅速增大 bc 段 可随外磁场方向转动的磁 畴越来越少 H 的增加变慢 出现了磁饱和现象 cd 段 类似于真空中的情况 3 磁滞性 磁性材料都具有保留其磁性的倾向 B 的变化总是滞后于 H 的变化 称磁滞现象 当 H 降为零时 保留的磁感应强度 Br 称为 剩磁强度 永久磁铁的磁性就是由 Br 产生的 三 磁路的欧姆定律三 磁路的欧姆定律 正如电动势作用在一定电阻的电路上产生的电流遵循欧姆定 律一样 一定的磁动势作用在一定磁阻的磁路上可以产生磁通 磁通的大小同样遵循磁路的欧姆定律 当磁路中有空气隙存在 磁路的磁阻 Rm 将显著增加 H B Br Hc 0 1 2 3 m F R 4 四 铁心损耗四 铁心损耗 1 磁滞损耗 Ph 磁性材料被交变磁化时 磁畴之间相互摩擦 要消耗能量 对应的功率损耗 Ph KhfBm V 式中 与材料的性质有关 电工钢的 为 1 6 2 3 V 为铁心体积 2 涡流损耗 Pe 磁性材料不仅是导磁材料 又是导电材料 在交变磁场作用下 铁心是也会产生感应电动势 从而在垂直 于磁通方向的铁心平面内产生旋涡状的感应电流表 称涡流 涡流在铁心电阻上的功率损耗称涡流损耗 Pe Ked2f2Bm2V 式中 d 为钢片厚度 5 第第 3 3 4 4 课时课时 课题课题 变压器的工作原理和结构 教学目的和要求教学目的和要求 变压器的一种机电能量转换或信号转换的电磁机械装置 要求根据电磁感应原理掌握变压器的工作原理 电力变压器的基本结构 电力变压器额定值的计算 了解电力变压器的型号及主要系列 重点与难点重点与难点 重点是变压器的工作原理 电力变压器的额定值的计算 难点是变压器的工作原理 电力变压器的结构 教学方法教学方法 以变压器的广泛应用为切入点 以图片和实物为依托 说明其工作原理 绘图说明 简单推正 结论分析 应用介绍 预复习任务预复习任务 完成课后作业 变压器 是一种静止的电气设备 它是根据电磁感应的原理 将某一等级的交流电压和电流转换成 同频率的另一等级电压和电流的设备 作用 变换交流电压 变换交流电流和变换阻抗 一 变压器的基本工作原理一 变压器的基本工作原理 变压器是在一个闭合的铁心磁路中 套上两个相互独立的 绝缘的绕组 这两个绕组之间只有磁的耦合 没有电的联系 如图 1 1 所示 一次绕组 也称原绕组或初级绕组 接交流电源 其匝 数为 N1 二次绕组 也称副绕组或次级绕组 接负载 其匝数为 N2 当在一次绕组中加上交流电压 u1时在一 二次绕组中其感 应电动势瞬时值分别为 dt d Ne 11 6 1 1 dt d Ne 22 2 1 2 1 2 1 N N E E e e 二 变压器的应用与分类二 变压器的应用与分类 1 变压器的应用 变压器能够变换交变电压 变换交变电流 变换阻抗 2 变压器的种类按用途不同主要分为 l 电力变压器 供输配电系统中升压或降压用 2 特殊变压器 如电炉变压器 电焊变压器和整流变压器等 3 仅用互感器 如电压互感器与电流互感器 4 试验变压器 高压试验用 5 控制用变压器 控制线路中使用 6 调压器 用来调节电压 三 电力变压器的基本结构三 电力变压器的基本结构 电力变压器主要由铁心 绕组 绝缘套管 油箱及附件等部分组成 以油浸式电力变压器为例其基本结构 如图 1 2 所示 1 铁心 铁心是变压器的磁路部分 是绕组的支撑骨架 铁心由心柱和磁轭两部分组成 铁心用厚度为 0 35mm 表 面涂有绝缘漆的热轧硅钢片或冷轧硅钢片叠装而成 2 绕组 绕组是变压器的电路部分 常用绝缘铜线或铝线绕制而成 工作电压高的绕组称为高压绕组 工作电压低 的绕组称为低压统组 3 绝缘套管 绝缘套管是变压器绕组的引出装置 将其装在变压器的油箱上 实现带电的变压器绕组引出线与接地的油 箱之间的绝缘 4 油箱及其附件 油箱安装变压器的铁心与绕组 变压器油起绝缘和冷却作用 电力变压器附件还有安全气道 测温装置 分接开关 吸湿器与油表等 四 电力变压器的额定值与主要系列四 电力变压器的额定值与主要系列 1 额定值 1 额定容量 SN 指的是变压器的视在功率 单位为 V A 或 kV A a 单相变压器的额定容量为 SN UN1IN1 UN2IN2 1 2 b 三相变压器的容量为 SN UN1IN UN2IN2 1 3 33 2 额定电压 U1N和 U2N 7 UN1为一次侧绕组额定电压 它是根据变压器的绝缘强度和允许发热条件而规定的一次绕组正常工作电压值 UN2为二次绕组额定电压 它是当一次绕组加上额定电压 二次绕组的空载电压值 对于三相变压器 额定电压值指的是线电压 单位为 V 或 kV 3 额定电流 IN1和 IN2 额定电流是根据允许发热条件所规定的绕组长期允许通过的最大电流值 单位是 A 或 KA IN1是一次绕组的额定电流 IN2是二次绕组的额定电流 对于三相变压器 额定电流是指线电流 4 额定频率 f 我国规定的标准工业用电频率为 50HZ 2 电力变压器的型号及主要系列 8 第第 5 5 6 6 课时课时 课题课题 单相变压器的空载运行 教学目的和要求教学目的和要求 掌握单相变压器的空载运行特性 重点与难点重点与难点 重点是空载运行时电动势平衡方程式 空载电流的作用 难点是变压器空载运行时的相量图 教学方法教学方法 绘图说明 简单推正 结论分析 预复习任务预复习任务 复习电工基础相关知识 题解正弦量的正方向的规定 变压器的空载运行是指变压器的一次绕组接在额定电压的交流电源上 而二次统组开路时的工作情况 如 图 1 4 所示 一 空载运行时各物理量正方向的规定一 空载运行时各物理量正方向的规定 正弦量的正方向通常规定如下 9 1 电源电压正方向与其电流正方向采用关联方向 即两者正方向一致 U I 2 绕组电流产生的磁通势所建立的磁通 这二者的正方向符合右手螺旋定则 I 3 由交变磁通 产生的感应电动势产 二者的正方向符合右手螺旋定则 即它的正方向与产生该磁通的 电流正方向一致 由上述规定 在图 l 4 中标出各电压 电流 磁通 感应电动势的正方向如图中所示 二 感应电动势与漏磁电动势二 感应电动势与漏磁电动势 1 感应电动势 若主磁通 msin t 则一 二次绕组感应电动势瞬时值为 其有效值为 E1 4 44fN1 m 1 5 E2 4 44fN2m 1 6 相量表示为 1 7 mfNjE 11 44 4 1 8 mfNjE 22 44 4 2 漏磁电动势 变压器一次绕组漏磁感应电动势为 j L1 jX1 1 E 1 E 10 I10 I 三 变压器空载运行时的电动势平衡方程式和电压比三 变压器空载运行时的电动势平衡方程式和电压比 一次绕组电动势平衡方程式 1 9 1101101110111 XIjRIERIEEU 1 10 m fNjEU 111 44 4 二次绕组的端电压等于其感应电动势 1 11 220 EU 变压器一次绕组的匝数 Nl与二次绕组匝数 N2之比称为变压器的电压比 k 即 k N1 N2 E1 E2 U1 U2 1 12 当 N2 N1时 k 1 则 U2 U1 为升压变压器 若 N2 N1 k 1 则 U2 U1 为降压变压器 若改变电压比 k 即改变一次或二次绕组匝数 则可达到改变二次绕组输出电压时目的 四 空载电流和空载损耗四 空载电流和空载损耗 变压器空载运行时 空载电流分解成两部分 10 I 1 无功分量 用来建立磁场 起励磁作用 其与主磁通同相位 Q I10 2 有功分量 用来供给变压器铁心损耗 其相位超前主磁通约 900 P I10 即 PP III 101010 10 五 变压器空载运行时的相量图五 变压器空载运行时的相量图 第第 7 7 8 8 课时课时 课题课题 单相变压器的负载运行 教学目的和要求教学目的和要求 与空载运行时相比较 掌握单相变压器的负载运行特性 强调变压器的三个变换特性以及运行特性 重点与难点重点与难点 重点是负载运行时的磁通势平衡方程式和电动势平衡方程式 变压器的作用 电压变化率 难点是负载运行时的基本方程式 变压器负载运行时的相量图 教学方法教学方法 绘图说明 简单推正 结论分析 预复习任务预复习任务 复习单相变压器空载运行时的特性 预习本节内容 作比较分析 变压器的负载运行 是指变压器在一次绕组加上额定正弦交流电压 二次绕组接负载 ZL的情况下的运行状 态 如图 l 6 所示 一 负载运行时的各物理量一 负载运行时的各物理量 负载运行时一 二次电流关系 11 1 14 2211 INNI 上式表明变压器负载运行时 二次电流的变化同时引起一次电流的变化 二 变压器负载运行时的基本方程式二 变压器负载运行时的基本方程式 1 磁通势平衡方程式 1 变压器负载运行时磁通势平衡方程式为 1021 FFF 1 15 1102211 NININI 2 电流平衡方程式为 忽略 I10时 一 二次绕组电流有效值关系为 I1 I2 k 1 17 2 电动势平衡方程式 二次绕组中漏磁电动势即 2 E 1 18 负载运行时的一 二次绕组的电动势平衡方程式为 综上所述 变压器负载运行时的基本方程式有 三 变压器负载运行时的相量图三 变压器负载运行时的相量图 L II k I II N N II 110 2 102 1 2 101 1 16 2 2 2 22XIjLIjE 1 19 1 20 L ZIU k I I kEE ZIEXIjRIEU ZIEXIjRIEU NININI 22 2 21 222222222 111111111 1102211 L ZIU ZIEXIjRIEU ZIEXIjRIEU 22 222222222 11111111 1 19 1 20 1 21 12 四 变压器的作用四 变压器的作用 通过对变压器负载运行的分析 可以清楚地看出变压器具有变电压 变电流 变阻抗的作用 1 变换电压 U1 U2 E1 E2 k N1 N2 2 变换电流 I1 I2 N2 N1 1 k 3 变换阻抗 上式表明 经变压器把负载阻抗变换为 通过选择合适的电压比 k 可把实际负载阻抗变换为所 L Z L Z 需的阻抗值 这就是变压器的变换阻抗作用 五 变压器的运行特性五 变压器的运行特性 变压器运行特性主要有 1 外特性 2 效率特性 1 变压器的外特性和电压变化率 1 变压器的外特性 是指在一次绕组加额定电压 负载功 率因数 cos 2为额定值时 二次绕组端电 压 U2随负载电流 I2的变化关系 即 U2 f I2 曲线 如图 l 9 所示 在纯电阻负我时 电压变化较小 为感性负我时 电压变化较大 而在容性负载时 端电在可能出现随负 载电流的增加反而上升 如图 l 9 中曲线 3 所示 2 电压变化率 2 变压器的效率特性 LL LZkZ N N INN UNN I U Z 2 2 2 1 212 221 1 1 1 22 100 2 22 N N U UU U 13 变压器的效率特性 是指负载功率因数 cos 2不变的情况下 变压器效率随负载电流变化的的关系 即曲 线 f I2 如图 1 10 所示 对于电力变压器 最大效率出现在 I2 0 5 0 75 I2N时 其额定效率 N 0 95 0 99 第第 9 9 1010 课时课时 课题课题 三相变压器 教学目的和要求教学目的和要求 掌握三相变压器的联结组别和变压器的并联运行条件 会用试验方法来确定绕组的同名端 重点与难点重点与难点 重点是掌握三相变压器绕组的联结法 会确定绕组的同名端 难点是用时钟法来分析判别三相变压器的联结组别 掌握三相变压器的并联运行条件 教学方法教学方法 以三相变压器的广泛应用为切入点 以图片和实例为依托说明其工作原理 绘图说明三相变压器的同名端 的确定 联结组别的判定 预复习任务预复习任务 复习单相变压器的工作原理 结构 预习三相变压器的相关内容 比较归纳 三相变压器组 是由三个单相变压器按一定方式连接在一起组成的 三相心式变压器 将三个铁心柱用铁轭连在一起来构成三相心式变压器 一 三相变压器的磁路系统一 三相变压器的磁路系统 14 二 三相变压器的电路系统二 三相变压器的电路系统 三相变压器的电路系统是指三相变压器各相的一次统组 二次绕组的连接情况 三相变压器绕组的首端和 尾端的标志规定如表 l 1 所示 三相变压器绕组的联结有星形和三角形两种联结方式 如图 l 13a 所示 用字母 Y 或 y 分别表示一次绕组或二次绕组的星形联结 若同时也把中点引出 则用 YN 或 yn 表示 用字母 D 或 d 分别表示一次统组或二次绕组的三角形联结 我国生产的电力变压器常用 Yyn Yd YNd Dyn 等四种联结方式 其中大写字母表示一次绕组的联结方式 小写字母表示二次绕组的联结方式 高低压绕组相电动势的相位关系 1 同名端 两个绕组中电动势极性相同的两个端点 2 单相变压器的联结组 II0 II6 3 三相变压器联结组标号的确定 1 观察绕组联结图 判断联结方式 2 联结图上标出高低压绕组的相电动势和线电动势 参考方向 末端指向首端 3 画出高压绕组的电动势相量图 绕组为星形时 先确定相电动势 再确定线电动势 相电动势相量画成星形 绕组为三角形时 先确定线电动势 再确定相电动势 相电动势相量画成三角形 4 画出低压绕组的电动势相量图 都先画相电动势 再画线电动势相量 星形联结时 相电动势相量画成星形 三角形联结时 相电动势相量 15 画成三角形 5 判断联结组号 写出联结组 三 变压器的并联运行 变压器的并联运行 变压器并联运行条件 1 并联运行的各台变压器的额定电压与电压比要相等 2 并联运行变压器的联结组别必须相同 3 并联运行的各变压器的短路阻抗的相对值要相等 16 第第 1111 1212 课时课时 课题课题 其他用途的变压器 教学目的和要求教学目的和要求 掌握自耦变压器的工作原理和应用 掌握电压互感器 电流互感器的使用 掌握弧焊变压器的使用条件 重点与难点重点与难点 重点是自耦变压器的工作原理和电压互感器 电流互感器使用时的注意事项和要求 难点是带电抗器和带磁分路的弧焊变压器的调节电流原理 教学方法教学方法 绘图说明 简单推正 结论分析 预复习任务预复习任务 课后习题的完成 本节介绍常用的自耦变压器 仪用互感器和弧焊变压器的工作原理及特点 一 自耦变压器一 自耦变压器 1 自耦变压器的结构特点是 一 二次绕组共用一个绕组 如图 l 20 所示 对于降压自耦变压器 一次绕组 的一部分充当二次绕组 对于升压自耦变压器 二次绕组的一部分充当一次绕组 因此自耦变压器一 二次绕组之间既有磁的联系 又有电的直接联系 将一 二次绕组共用部分的绕组称 为公共绕组 下面以降压自耦变压器为例分析其工作原理 2 自耦变压器的电压比 k U1 U20 E1 E2 N1 N2 3 自耦变压器的变流公式 1 24 kIINNI 22121 4 自耦变压器的输出视在功率 即容量 为 17 S U2I2 U2 I I1 U2I U2I1 U2I2 1 1 k U2I1 1 25 5 使用注意事项 1 在低压侧使用的电气设备应有高压保护设备 以防过电压 2 有短路保护措施 6 种类 自耦变压器有单相和三相两种 一般三相自耦变压器采用星形接法 图 1 21 为三相自耦变压器原理图 如果将自耦变压器的抽头做成滑动触头 就成为自耦调压器 常用于调节试验电压的大小 图 1 22 为常用 的环形铁心单相自耦调压器原理图 二 仪用互感器二 仪用互感器 仪用互感器 供测量用的变压器 可分为电压互感器和电流互感器 1 电压互感器 1 电压互感器 实质上是一个降压变压器 图 l 23 为电压互感器原理图 它的一次绕组 N1匝数很多 直接并接在被测的 高压线路上 二次统组 N2匝数较少 接电压表或其 他仪表的电压线圈 u u k U U k N N U U 1 2 2 1 2 1 1 26 18 2 使用电压互感器时 应注意以下几点 a 电压互感器在运行时二次绕组绝不允许短路 否则短路电流很大 会将互感器烧坏 为此在电压互感器 二次侧电路中应串联熔断器作短路保护 b 电压互感器的铁心和二次绕组的一端必须可靠接地 以防一次高压绕组绝缘损坏时 铁心和二次绕组带 上高电压而触电 c 电压互感器有一定的额定容量 使用时不宜接过多的仪表 否则将影响互感器的准确度 2 电流互感器 1 电流互感器 一次绕组匝数 NI很少 一般只有一匝到几匝 二次绕组匝数很多 使用时一次绕组串接在被 测线路中 流过被测电流 而二次绕组与电流表或仪表的电流线圈构成闭合回路 如图 1 24 所示 由于电流互感器二次绕组所接仪表阻抗很小 二次绕组相当于短 路 因此电流互感器运行情况相当于变压器短路运行状态 2 使用电流互感器时 应注意以下几点 a 电流互感器运行时二次绕组绝不许开路 电流互感器的二次绕 组电路中绝不允许装熔断器 在运行中若要拆下电流表 应先将二次 绕组短路后再进行 b 电流互感器的铁心和二次绕组的一端必须可靠接地 以免绝缘 损坏时 高压侧电压传到低压则 危及仪表及人身安全 c 电流表内阻抗应很小 否则影响测量精度 三 弧焊变压器三 弧焊变压器 弧焊变压器实质上是一台特殊的降压变压器 1 对弧焊变压器提出以下要求 l 为保证容易起弧 空载电压应在 60 75V 之间 2 负载运行时具有电压迅速下降的外特征 如图 l 25 所示 一般在额定负载时输出电压在 30V 左右 3 焊接电流可在一定范围内调节 4 短路电流不应过大 且焊接电流稳定 2 如何满足上述要求 弧焊变压器具有较大的电抗 且可以调节 为此弧焊变压器的一 二次绕组分装在两个铁心柱上 为获得 电压迅速下降的外特性 以及弧焊电流可调 可采用串联可变电抗器法和磁分路法 由此滋生出带电抗器的弧 焊变压器和带磁分路的弧焊变压器 i k I I k N N I I 1 2 1 1 2 2 1 1 27 19 第第 1313 1414 课时课时 课题课题 三相异步电动机的结构与原理 教学目的和要求教学目的和要求 掌握三相异步电动机的基本结构与工作原理 电动机的铭牌数据 会用转速与转差率的公式计算有关参数 重点与难点重点与难点 重点是掌握三相异步电动机的基本结构与工作原理 难点旋转磁场的理解 教学方法教学方法 以三相异步电动机的广泛应用为切入点 以多媒体课件图片和实例为依托掌握三相异步电动机的结构 绘 图说明三相异步电动机的工作原理 介绍旋转磁场的建立 转子转动的条件 转向 转速等问题 预复习任务预复习任务 课后复习理解旋转磁场的转速 电机转速的区别 完成课后作业 旋转电机分类 按工作方式不同 可分为 直流发电机 直流电机 直流电动机 感应 异步 电动机 旋转电机 感应电机 异步电机 交流电机 感应 异步 发电机 同步电机 同步发电机 同步电动机 同步补偿机 20 其中 异步电动机按相数不同 可分为三相异步电动机和单相异步电动机 按转子结构不同 可分为笼型 和绕线转子型 其中笼型三相异步电动机由于具有结构简单 运行可靠 效率高 制造容易 成本低等优点得 到广泛应用 一 三相异步电动机的结构 一 三相异步电动机的结构 三相异步电动机主要结构包括 静止的定子 旋转的转子以及两者之间的气隙 1 定子 定子铁心 定子绕组 机座 1 定子铁心 作用 形成磁路 组成 0 5mm 硅钢片叠制 直径大于 1 米的铁心用扇形片拼成 槽型 半闭口槽 小型电机 半开口槽 低压中型 开口槽 大型 2 定子绕组 作用 电路部分 感应电势 组成 圆铜线或扁铜线 导线线径小于 1 53mm 散下线 成形线圈 大电机 3 机座 作用 机械支撑 结构 中小型电机铸铁 大型用钢板焊接 4 气隙 0 2mm 1 5mm 作用是磁场耦合 因为磁势大部分都消耗在气隙上 气隙小则电机的空载磁化电流就小 功率因数高 考虑到机械的原因 气隙又不能太小 2 转子 转子铁心 转子绕线或鼠笼绕组 轴 1 转子铁心 作用 磁路的一部分 组成 0 5mm 硅钢片叠制 中小型电机转子铁心直接叠装在轴上 大电机则用转子支架 2 转子绕组 作用 感应电势 流过电流产生转矩 结构 中小型电机用铸铝转子鼠笼结构 绕线电机用铜导线 利用滑环和电刷外接起动设备 3 接线 对于三相异步电动机定子绕组可以接成星形星形或三角形三角形 定子接线方式 21 4 分类与用途 二 三相异步电动机工作原理 二 三相异步电动机工作原理 定子三相对称绕组通入三相对称电流 产生同步转速旋转的气隙磁场 转子导体运动 相对磁场 磁场转 速快 切割磁力线 产生感应电动势 进而产生电流 电流与气隙磁场的相互作用产生与转子转向相同的拖动 转矩 电机从电网吸收电功率 经过气隙的耦合作用从轴上输出机械功率 一 三相交流电的旋转磁场 一 三相交流电的旋转磁场 1 旋转磁场的产生 22 二极电动机 旋转磁场的产生 23 四极电动机旋转磁场 2 旋转磁场的转速 旋转磁场的转速为同步速 3 旋转磁场的旋转方向 旋转磁场由超前相电流所在的相绕组轴线转向滞后相电流所在的相绕组轴线 改变电流相序 则旋转磁场 改变方向 4 三相合成磁场的性质 1 电流变化一个周期 即 360 电角度时 旋转磁场在空间上转过同样数值的电角度 2 旋转磁场的转速为同步速 3 旋转磁场由超前相电流所在的相绕组轴线转向滞后相电流所在的相绕组轴线 4 改变电流相序 则旋转磁场改变方向 总之 对称三相绕组通过对称三相电流 产生气隙旋转磁场 二 转子的转动 二 转子的转动 1 转子转动的原理 转子则切割磁力线而产生电流 右手定电流 I 方向 电流在磁场中切割磁力线而产 生力及力矩 左手定方向 它与 n0 方向相同 使转子转动起来 在转子转动中 n 比 n0 小 2 转子的转速 n 转差率 s P f n 1 1 60 P f n 1 1 60 1 1 n nn S 24 三 三相异步电动机的铭牌及主要系列 三 三相异步电动机的铭牌及主要系列 1 型号 2 额定值 额定功率 PN 电动机在额定情况下运行 由轴端输出的机械功率 单位为 W kW 额定电压 UN 电动机在额定情况下运行 施加在定子绕组上的线电压 单位为 V 额定频率 fN 50Hz 额定电流 IN 电动机在额定电压 额定频率下轴端输出额定功率时 定子绕组的线电流 单位为 A 额定转速 nN 电动机在额定电压 额定频率 轴端输出额定功率时 转子的转速 单位为 r min 对于三相异步电动机 额定功率 NNNNN IUP cos3 第第 1515 1616 课时课时 课题课题 三相异步电动机的运行 教学目的和要求教学目的和要求 三相异步电动机负载与空载运行时相比较 掌握三相异步电动机负载运行时的各物理量变化 重点与难点重点与难点 重点是空载与负载运行时的磁通势平衡方程式和电动势平衡方程式 难点是运行时的基本方程式 负载运行时转子各物理量与转差率的关系 教学方法教学方法 绘图说明 简单推正 结论分析 预复习任务预复习任务 复习变压器空载与负载运行时的特性 预习本节内容 作比较分析 25 一 三相异步电动机的空载运行一 三相异步电动机的空载运行 电动机空载运行是指电动机轴上没有带任何负载 故电动机的转速 n 非常接近旋转磁场的同步转速 n1 n n1 即转子与旋转磁场相对转速接近于零 因此可认为 E2 0 则 I2 0 空载运行时 电动机定子空 载电流 I0 近似等于励磁电流 其主要作用是产生三相旋转磁通势 同时也提供空载损耗 即定子绕组铜损 铁 心损耗和转子的机械摩擦损耗等 旋转磁场产生的电动机每极磁通 m 在定子绕组中产生的感应电动势 E1 j4 44f1N1K1 m 异步电动机定子电流产生的磁通中除主磁通 m 与定子绕组 转子绕组交链外 还有部分磁通仅与定子绕 组交链而不进入转子磁路 这部分磁通称为定子漏磁通 1 它将在定子绕组中产生漏感电动势 1用漏感抗 压降表示为 E 1 jI0X 1 因为 I0X 1 70 效率通常在 1 4 3 4 PN时达到最大 3 功率因数特性 cos 21 Pf 空载时 定子电流基本上是励磁电流 它是无功电流 所以空载功率因数非常低 小于 0 2 负载时 随着输出功率增加 定子电流有功分量加大 在额定负载左右达到最大值 超过额定负载后 转差变大 12 2 2 22 coscosarctan R sX sP 4 转矩特性 因为转速变化很小 22 PfT 60 2 2 2 n P T 22 TP 5 定子电流特性 21 PfI 2 1 0 III 空载时 P2 0 I2 0 0 1 II 负载时 负载电流增加 定子电流增加 2 0 1 III I1 T2 1 cos 28 S P2 异步电动机工作特性图 二 三相异步电动机的电磁转距特性二 三相异步电动机的电磁转距特性 一 一 物理表达式 物理表达式 物理表达式描述了电磁转矩与磁通 转子有功电流的关系 即 22cos ICT mMem 222 2 111 1 2 21111 1 2 2 21 1 coscos 2 60 2 cos2cos ICI kNpm n IkNfmIEmP T mmm NmNem em 式中 称为异步电动机转矩常数 22 222111 2 1 2 IkI kNpm k kNpm C i N i N M 二二 参数表达式参数表达式 参数表达式描述了电磁转矩与参数的的关系 即 2 21 2 2 1 22 11 1 2 XX s R Rf s R pUm Tem 因为 所以 得上式 p f XX s R R U I s R ImPem 1 1 2 21 2 2 1 1 2 2 2 2 1 2 1 em em P T 讨论 曲线 即转矩特性 其他参数一定 sfTem sfTem 分析 异步电动机转差率 s 在 0 1 之间 但实际上 s 在 0 sm 临界转差率 时 稳定 s 在0 ds dTem 1 sm之间 不稳定 s sm 处于临界状态 0 ds dTem 0 ds dTem 电磁制动状态 电动机状态 发电机状态 Tem TN 29 Tmax Tst S 1 Sm SN0 Tmax 转矩特性转矩特性 三个特征转矩 额定转矩 TN 额定负载时 1055 9 3 mN n PP T N N N N N 注 的单位为 kW N P 最大电磁转矩 Tmax 4 4211 2 11 2 21 2 111 2 11 max xxf pUm xxrrf pUm T 21 2 2 21 2 1 2 xx r xxr r sm 特点 Tmax与成正比 而 Sm与无关 2 1 U 2 1 U Tmax与转子电阻无关 而 Sm与转子电阻有关 f1一定时 越大 Tmax越小 21 xx 过载能力 或最大转矩倍数 一般为 1 6 2 5 越大 过载能力越强 N M T T k max 起动转矩 Tst n 0 S 1 得 2 2 21 2 211 2 2 11 xxrrf rpUm Tst 当转子回路电阻为 时 起动转矩达到最大电磁转矩 212 xxrr st 起动转矩倍数 起动能力强 N st st T T k st k st T JO2 1 0 1 8 Y 1 4 2 2 特殊电机 4 0 以上 1 电源电压 频率一定时 认为参数不变 电磁转矩只与转差率有关 曲线如右图示 5 26Fig 2 s 1 起动时 电抗起主要作用 R2 s 相对较小 3 s 接近零时 R2 s 相对较大起主要作用 4 s 等于零时 到同步速 n n1时 Tem 0 30 1 最大电磁转矩 令得 0 ds dTem 2 21 2 111 2 11 max 2 21 2 1 2 4 XXRRf pUm T XXR R sm 正号为电动机 负号为发电机 通常 电阻值远远小于电抗值 上式简化为 4 211 2 11 max 21 2 XXf pUm T XX R sm 讨论 1 频率一定时 最大转矩与电源电压平方成正比 2 最大转矩与转子电阻无关 但出现最大电磁转矩时得转差率 s 与成比例 利用这个特点 可以 2 R 在转子绕组 绕线式 中串电阻改变转差率 速度 3 频率一定 最大转矩与漏抗成反比 4 电机过载能力 kM 1 6 2 5 范围 它是电机的重要性能指标之一 N M T T k max 2 起动转矩 令 s 1 得 2 21 2 21 2 2 11 1 2 XXRRf RpUm Tst 对于绕线式电机 转子回路可以串电阻 使电机起动时获得最大转矩 21 2 1 XXRR s st m 起动转矩倍数 1 0 2 0 N st st T T k 3 异步电动机性能指标包括 经济指标 效率 功率因数 技术指标 最大转矩倍数 1 6 2 5 起动转矩倍数 1 0 2 0 起动电流倍数 4 7 31 第第 1919 2020 课时课时 课题课题 三相异步电动机的机械特性 教学目的和要求教学目的和要求 三相异步电动机的机械特性的含义 掌握三相异步电动机固有机械特性和人为机械特性曲线的特点 重点与难点重点与难点 重点是分析两种人为机械特性曲线上的转速与转矩的关系 难点是理解机械特性方程的参数变化 教学方法教学方法 绘图说明 简单推正 结论分析 预复习任务预复习任务 课后归纳固有机械特性中的四个关键点 人为机械特性的特点 一 固有机械特性一 固有机械特性 在额定条件下 电压 频率 接线方式 电机的固有 T n 特性曲线对于曲线如下页图 它由四个特殊点决 32 定 1 T 0 n n0 S 0 电动机处于理想空载点 电动机转速为理想空载转速 n0 2 T TN n nN S SN 为电动机额定工作点 这时 SN n0 nN n0 TN 9 55PN nN PN为电机额定功率 W nN电机额定转速 r min SN额定转差率 S 0 06 0 015 3 T Tst n 0 S 1 起动工作点 对于起动转矩 Tst 受如下条件的影响 1 电源电压 U 影响较大 U 波动 T 平方关系变化 2 转子电阻 R2 合适 Tst 有较大值 3 电感 X20大 Tst 下降 一般用起动能力系数 st 来表示电动机起动能力的好坏 st Tst TN 一般 st 1 异步电机工作的条件是起动 Tst 负载 TL 4 当 T Tmax S Sm n nm 在临界工作点 这时 Tmax KU2 2 X20 Sm R2 X20 由于 T Tmax U2 所以电源波动对扭矩最大值影响很大 在电机工作过程中 负载变化 冲击 不能 Tmax 以过载能力系数 m 来表示 m Tm TN 一般 鼠笼式为 m 1 8 2 2 线绕式为 m 2 5 2 2 二 人为机械特性 二 人为机械特性 人为地改变异步电动机定子电压 U1 电源频率 f1 定子极对数 P 定子回路电阻或电抗 转子回路电阻或 电抗中的一个或多个参数 所获得的机械特性 称为人为机械特性 关于人为机械特性的分析 主要是分析四个公式 同步转速公式 临界转差率公式 最大转矩公式 起动转矩公式 n0 n S 0 nN SN S m nm 0 1 TNTst Tmax P f n 1 1 60 2 2 X R sm 33 1 降低定子端电压的人为机械特性 根据公式 U1 下降 n1 Sm 不变 Tm Tst 与 U12成正比例降低 2 2 转子回路串对称三相电阻的人为机械特性 转子回路串对称三相电阻的人为机械特性 根据上述四个公式 n1 Tm 不变 Sm 随 Rp 的增大面增大 Nm 下降 Tst 开始随 Rp 的增大而增大 当 Rp 增大到 Rp2 时 Tst2 Tm Rp 继续增大 Tst 开始减小 如图中的 Rp3 时 Tst3 减小到 Tst1 与 Tst2 之 间 Sm 大于 1 可见 电阻 Rp 越大 线性段特性越软 34 第第 2121 2222 课时课时 课题课题 三相异步电动机起动 教学目的和要求教学目的和要求 掌握笼型与绕线式异步电动机的起动方式与特点 学会根据负载的工作情况选择起动方式 重点与难点重点与难点 重点与难点是区分笼型与绕线式异步电动机的起动方法 教学方法教学方法 以对起动的要求为切入点 提出问题的解决办法 以多媒体课件为依托 绘图说明 简单推正 结论分析 应用介绍 预复习任务预复习任务 课后归纳异步电动机的起动方法及其特点 起动 转子从静止状态到稳定运行的过程 起动要求 1 足够大的起动转矩 2 尽可能小的起动电流 3 转速平滑上升 35 4 起动设备简便经济 5 起动过程的功率损耗尽可能小 一 直接起动 全压起动 一 直接起动 全压起动 就是起动时 电动机直接加电网电压 这时起动电流比较大所以不是所有的电机都可能这样使用 一般的 当有独立的变压器供动力电时且电机功率 30 变压器功率时 频繁 电机功率 20 变压器功率时 不频繁 可以直接起动 起动电流大 1 使电网电压降低 前端供电变压器的输出电压下降很大 可能超过额定 允许值 一方面由于 TST与电压的平方成正比 TST下降更多 负载重时可能不能起动 另一方面影响同一供电 变压器的其它负载 电灯变暗 重载的电动机可能停转 2 绕组过热 起动时间长 频繁时发热更严重 加 速绝缘老化 大电流冲击下绕组受电磁力作用易变形 甚至发生短路故障 二 降压起动二 降压起动 一 鼠笼式异步电动机的起动方法 一 鼠笼式异步电动机的起动方法 1 1 定子串电阻或电抗器起动定子串电阻或电抗器起动 使加在电动机定子绕组上的相电压 U1 低于电源相电压 UN U1 IST R XL UN IST R XL U1 UN IST IST 1 K TST TST 1 K2 特点 1 适用于空载起动 轻载 2 电阻耗能 电抗器太贵 体积大 适用于较小容量的电动机 2 2 自耦变压器降压起动自耦变压器降压起动 自耦变压器用作起动补偿器 一 二次电压比为 K K U1 U2 N1 N2 U1 UN 电源相电压 U2 U1 定子绕组相电压 36 所以 U1 UN K 全压起动时电流 IST UN ZK 减压是相电流 IST2 U1 ZK UN KZK IST K 自耦变压器的一次电流 IST1 IST2 K IST K2 U1 UN K TST TST K2 特点 1 在相同的起动电流下 从电网吸取的电流减小 即 T 相同时 I 下降 2 自耦变压器副边有多个抽头 所以起动电压可选 3 起动设备多且体积大 成本比较高 4 不适于频繁起动 过电流工作 5 有一定的起动转矩 适用轻载 6 用在不能 Y 起动的场合 Y 形接法工作的电机 3 3 Y Y 起动起动 只适用于定子绕组在正常工作时为三解形联接的三相异步电动机 Y 起动时 电动机在相电压 UN UN 起动3 ISTY IST UN ZK3 起动时 电动机在相电压 UN UN 线电压 设每相绕组起动电流为 UN ZK 那么 线电流为 IST UN ZK UN ZK33 ISTY IST UN ZK UN ZK 1 333 TSTY TST 1 3 37 说明 起动电流 I 是直接起动的 1 3 起动扭矩 T 是直接起动的 1 3 特点 1 起动电流小 所需设备简单 2 力矩小 适于空载起动 轻载 3 有专门的 Y 起动器 二二 绕线式电动机的起动方法 绕线式电动机的起动方法 绕线电机由于转子绕组可在起动时串联电阻改善特性所以有比较大的起动转矩和比较小的起动电流 对于 重载和频繁起动的生产机械 三相鼠笼式异步电动机难以满足要求时 才选用三相绕线式异步电动机 因为 绕线式异步电动机与鼠笼式异步电动机相比较 结构较复杂 控制维护较困难 制造成本较高 价格较贵 1 1 转子串电阻分级起动转子串电阻分级起动 接线原理图见 P52 的图 2 24 起动时 转子串入全部电阻 TST1等于 T m 对应于 a 点 n 电磁转矩 到 b 点时切除 Rst1 对应于 c 点 n 到 d 点 切除 Rst2 对应于 e 点 n 到 f 点 切除 Rst3 对应于 g 点 直至在固有机械特性的 h 点 稳 定运行 特点 1 与直流电机起动类似 用接触器切换 2 由于起动时 R 比较大 所以转子功率因数 Cos 2 有较大的起动转矩 3 适于带载起动 2 2 转子串频敏变阻器起动转子串频敏变阻器起动 频敏变阻器是一个铁心损耗很大的三相电抗器 铁心做成三柱式 由较厚的钢板叠成 每柱上绕一个线圈 三相线圈联结成星形 然后接到绕线转子异步电动机转子绕组上接线原理图见 P52 的图 2 25 38 Rp 每相绕组电阻 Rmp 铁心损耗等效电阻 SXmp 每相电抗 起动时 S 1 f2 f1 Rmp 大 铁心饱和 SXmp 小 相当于转子回路串 入较大的起动电阻 Rmp 起动电流小 转矩大 n s f2 Rmp SXmp 相当于随着转速的上升 自动连续地减小起动电流 当转速约等于 额定转速时 SN很小 f2 极低 Rmp SXmp 都很小 相当于将起动电阻全部 切除 特点 1 起动电流小 2 起动转矩大 3 起动过程平滑性好 第第 2323 2424 课时课时 课题课题 三相异步电动机制动 教学目的和要求教学目的和要求 利用机械特性方程分析三相异步电动机的制动过程 重点与难点重点与难点 重点是三相异步电动机的三种制动方法与特点 难点是倒拉反接制动的理解 三种制动状态对应的转差率易混淆 教学方法教学方法 始终用电动机的机械特性方程为基础 定性地分析三相异步电动机的制动过程及其特点 预复习任务预复习任务 课后归纳异步电动机的制动方法及其特点 Rp SX mp Rm p 39 三相异步电动机的制动方法 一 机械制动 一 机械制动 加机械抱闸 二 电气制动二 电气制动 1 1 反接制动 反接制动 停车时 将电动机接电源的任意两相反接 使电动机由原来的旋转方向反过来 以达制动的目的 三相异 步电动机的反接制动有电源反接制动和倒拉反接制动 1 电源反接制动 2 2 2 倒拉反接制动 注意 反接制动时 定子旋转磁场与转子的相对转速很大 即切割磁力线的速度很大 造成 I2 增加 引起 I1 变 大 为限制电流 在制动时要在定子或转子中串电阻 2 2 能耗制动能耗制动 40 3 3 回馈制动 再生发电制动 回馈制动 再生发电制动 1 反向回馈制动 2 正向回馈制动 41 第第 2525 2626 课时课时 课题课题 三相异步电动机调速 教学目的和要求教学目的和要求 掌握三相异步电动机的调速方法 重点与难点重点与难点 重点是三相异步电动机的三种调速方法与特点 难点是变转差率调速方法 教学方法教学方法 以三相异步电动机的转速公式为基础 定性地分析三相异步电动机的调速过程及其特点 预复习任务预复习任务 42 课后归纳异步电动机的调速方法及其特点 异步电动机的调速原理 三相异步电动机的调速方法 1 变频调速 改变异步电动机定子电源频率 f1 来改变同步转速 n1 从而进行调速 2 变极调速 改变异步电动机的极对数 p 来改变电动机同步转速 n1 来进行调速 3 变转差率调速 调速过程中保持电动机同步转速 n1 不变 改变转差率 s 来进行调速 其中有降低定子电压 在绕线型异步 电动机转子回路中串入电阻或串附加电动势等方法调速 一 笼型异步电动机的变极调速一 笼型异步电动机的变极调速 一 变极原理 二 两种常用的变极接线法 yy yy yy Y Y Y Y Y T n P n P n P T 9550 2 2 95509550 yy yy yy Y Y Y Y Y T n P n P n P T 9550 2 2 95509550 1 1 n nn s p f snsn 1 1 60 11 43 2 yy 变极调速 15 1 3 2 cos3 cos23 NN yyyyNNyy IU IU p P 15 1 3 2 cos3 cos23 NN yyyyNNyy IU IU p P 三 变极调速电动机的机械