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第七章工业电机 电机的概念非旋转电机旋转电机 第一节变压器一 变压器的概念变压器是利用线圈间的电磁感应 将一种电压等级的交流电能转换成同频率的另一种电压等级的交流电能的静止 非旋转 电器 二 变压器的分类 一 按用途分类1 电力变压器 电力系统传输电能的变压器 升压变压器降压变压器配电变压器等其中配电变压器不包括额定容量小于1kVA的单相变压器及额定容量小于5kVA的多相变压器 2 特种变压器整流变压器 给直流电机供电的专用变压器电炉变压器 给冶炼金属或金属热处理用的电炉供电的专用变压器 电焊变压器 即通常所说的电焊机调压变压器 电炉变压器 整流变压器 电焊机 电焊变压器 三 变压器的结构 一 基本结构变压器的主要部件是铁心和套在铁心上的两个绕组 两绕组只有磁耦合没电联系 与电源相连 取得电功率的绕组称为原绕组 又称一次绕组 与负载相连 输出电功率的称为副绕组 又称二次绕组 变压器的结构 二 电力变压器的构造1 铁心为了加强磁场 提高效率 通常采用铁心 将两个绕组套在铁心上 铁心是变压器的磁路 又是它的机械骨架 铁心分为铁心柱和铁轭两部分 铁心柱套有绕组 铁轭闭合磁路 1 铁心材料通常由含硅量较高 厚度为0 35或0 5mm 表面涂有绝缘漆 漆膜厚度0 01 0 13mm 的热轧或冷轧硅钢片叠装而成 2 铁心的型式铁心结构型式有心式和壳式两种 心式壳式变压器的结构形式 壳式结构的机械强度较好 但制造复杂 铁心材料消耗较多 心式结构的心柱被绕组包围 结构简单 绕组的装配及绝缘处理也较容易 因此国产电力变压器均采用心式结构 3 铁心的叠装变压器的铁心 一般是先将硅钢片裁成条形 然后叠装而成 叠装时 为了减小接缝间隙以减小激磁电流 一般采用叠接式 即将上下两层叠片接缝错开 为减少叠装工时 一般用二 三片作一层 当采用冷轧硅钢片时 由于冷轧硅钢片顺辗压长向的导磁系数高 损耗小 如果按直角切片裁套 则在拐角处会引起附加损耗 故常用斜切钢片的叠装方法 口型EI型F型C型变压器铁芯的种类 2 绕组一般用纱包和纸包的绝缘扁 圆 铜 铝 线绕成 绕组是变压器的电路部分 绕组的质量对变压器的电气性能 耐热性能及机械强度都有重要的影响 变压器的三相绕组 1 绕组材料导线材料 铜 铝绝缘材料 纱 纸断面形状 扁 圆 2 绕组型式同心式绕组高 低压线圈同心套在铁心上 为便于绝缘 一般低压绕组在里 高压绕组在外 高低压绕组之间 低压绕组与铁心之间都留有一定的绝缘间隙 并以绝缘纸筒隔开 同心式绕组示意图 交迭式绕组高低压绕组是交替放置在铁芯柱上的 高低压线圈之间的间隙较多 绝缘比较复杂 主要用在壳式大型电力变压器上 交迭式绕组示意图 由于同心绕组结构简单 制造方便 国产电力变压器均采用这种结构 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 油浸式电力变压器外形 油浸式电力变压器实物 四 变压器工作原理 一 变压器的空载运行变压器原线圈接上额定的交变电压 副线圈开路不接负载 称为空载运行 如下图所示 1 空载电流I0在外加正弦电压u1的作用下 线圈内有交变电流i0流过 这时原线圈内的电流 称作变压器的空载电流 又称激磁电流 它与原线圈匝数N1的乘积i0N1称为激磁磁势 空载电流 激磁电流 的有效值一般都很小 约为额定电流的3 8 变压器空载运行 2 原 副绕组中的感应电动势由于铁心的磁导率远大于空气的磁导率 所以激磁磁势产生的磁通绝大部分集中在铁心里 沿铁心而闭合 称为主磁通 或工作磁通 变压器的磁通 变压器的磁通 设主磁通按正弦规律变化 即则原线圈中的感应电动势为 根据电磁感应定律 上式表明 e1按正弦规律变化 且在相位上滞后于主磁通 2 感应电动势最大值E1m N1 m 2 fN1 m感应电动势有效值同理 副线圈中感应电动势的有效值为式中 N2为副线圈匝数 3 电压平衡方程 电压比空载时变压器的原绕组电路是一个含有铁心线圈的交流电路 在工程计算中常忽略原绕组中的阻抗不计 所以原绕组一侧的电压平衡方程可简化为u1 e1上式说明 在变压器原线圈中 自感电动势和电源电压几乎相等 但相位相反 由此可得u1的有效值为 U1 E1 4 44fN1 m 上式表明 当电源频率和原线圈匝数一定时 铁心中主磁通的大小基本上由电源电压决定 当电源电压不变时 变压器铁心中的主磁通基本上是个常数 由于空载时变压器副线圈是开路的 i2 0 副线圈的端电压为u2 e2其有效值为U2 E2 4 44fN2 m 这样就可以得到 A 由式3可以看出 变压器空载运行时 原 副绕组上电压的比值等于两者的匝数比 这个比值K称为变压器的 变压比 或 变比 当原 副绕组匝数不同时 变压器就可以把某一数值的交流电压变换为同频率的另一数值的电压 这就是变压器的电压变换作用 当原绕组匝数比副绕组匝数多时 K 1 这种变压器称为降压变压器 反之 若 K 1 则变压器为升压变压器 又 或上式说明 变压器在改变电压的同时 亦能改变电流 二 变压器的负载运行变压器副边接上负载阻抗Z后 副线圈中通过电流i2 如下图所示 变压器有负载运行原理图 当副边开关打开时 变压器处于空载运行 当陆续合上副边开关 副边绕组介上负载 此时观察原 副边电流和副边电压的变化 可以看出 原边电流随着副边电流的增大而增大 而副边端电压随着副边电流的增大而略有减小 与空载运行相同 当电源电压U不变时 铁心中主磁通 也基本不变 因此 当变压器带上负载后 原边磁动势i1N1和副边磁动势i2N2共同产生的磁通 与变压器空载时的激磁磁势i0N1所产生的磁通也应基本相等 用数学式表示为i1N1 i2N2 i0N1上式称为变压器负载运行时的磁势平衡方程式 其中 i0 i1 i2分别是空载原边电流 负载运行的原边和副边电流 N1 N2含义同前 为原边和副边绕组匝数 上式说明 变压器有载时 原边与副边磁动势的矢量和 与空载时的磁动势相等 因为I0很小 当变压器在满载 额定负载 或接近于满载的情况下运行时 激磁磁势I0N1比原边磁势I1N1或副边磁势I2N2小得多 可以忽略不计 故可简化为I1N1 I2N2 0即I1N1 I2N2上式中的负号表明 变压器负载运行时 副边磁势与原边磁势相位相反 副边磁势对原边磁势起去磁作用 原边电流和副边电流在相位上几乎相差180 当副边电流i2增大时 副边磁势i2N2也增大 这时 原边电流i1和原边磁势i1N1也随之增大 以抵消i2N2的去磁作用 保证i0N1基本不变 即铁心中的主磁通不变 这就表明 变压器带载后 原边电流是由副边电流决定的 若只考虑其量值 从上式可得I1N1 I2N2 B Ki称为变压器的变流比 表示原 副绕组内的电流大小与线圈匝数成反比 结合A B式还可得出上式表明 在不考虑变压器本身损耗的情况下 理想状态 变压器原绕组输入的功率等于副绕组输出的功率 这也说明变压器是一种把电能转换为 高压小电流 或 低压大电流 的电器设备 起着传递能量的作用 五 变压器的损耗和效率 一 变压器的损耗变压器的损耗主要是铁损耗和铜损耗两种 1 铁损耗 1 铁损耗的构成和含义构成铁损耗包括基本铁损耗和附加铁损耗 含义基本铁损耗 为磁滞损耗和涡流损耗 附加损耗 包括由铁心叠片间绝缘损伤引起的局部涡流损耗 主磁通在结构部件中引起的涡流损耗等 2 铁损耗的影响因素铁损耗与外加电压大小有关 而与负载大小基本无关 故也称为不变损耗 2 铜损耗 1 铜损耗的构成和含义构成铜损耗也分基本铜损耗和附加铜损耗 含义基本铜损耗 是在电流在一 二次绕组直流电阻上的损耗 附加损耗 包括因集肤效应引起的损耗以及漏磁场在结构部件中引起的涡流损耗等 2 铜损耗的影响因素铜损耗大小与负载电流平方成正比 故也称为可变损耗 二 变压器的效率效率是指变压器的输出功率与输入功率的比值 效率大小反映变压器运行的经济性能的好坏 是表征变压器运行性能的重要指标之一 六 三相变压器现代电力系统都采用三相制 所以三相变压器是使用最广泛的变压器 一 三相变压器的概念1 三相组式变压器由三个单相变压器组成的变压器组 2 三相变压器把三个铁心柱和铁轭连成一个三相磁路所制成的变压器 二 三相变压器的磁路系统 组式三相变压器的磁路系统及特点 1 构造三相组式变压器的磁路系统和工作原理图 2 特点各相的磁路是独立的 2 三相变压器磁路系统及特点 1 磁路系统 三个铁心柱贴合中央公共柱取消三相铁心三相铁心的演变图示 若三相变压器接入的对称的三相交流电 根据电磁感应定律 所形成的磁通同也是对称的 由于三相磁通对称 各相磁通幅值相等 相位互差120 所以通过中间铁心的总磁通为零 故中间铁心柱可以取消 因而在实际制作时 一般把三个铁心柱排列在同一平面 这种三相变压器比用三个单相变压器组成的变压器组效率高 成本低 体积小 因此应用广泛 三相变压器绕组和铁心示意图 七 电力变压器的额定值 一 额定容量 KVA 指铭牌规定的额定使用条件下所能输出的视在功率 二 额定电流 A 指在额定容量下 允许长期通过的额定电流 在三相变压器中指的是线电流 三 额定电压 KV 指长期运行时所能承受的工作电压 包括 加在一次侧的额定电压U1N和一次侧加U1N时二次侧的开路电压U2N 三相变压器的额定电压值是线电压 四 额定频率对变压器所设计的运行频率 我国规定工频是50Hz 五 温升对于空气冷却的变压器 系指所考虑的那部分的温度与冷却空气温度之差 对于水冷却变压器 系指所考虑的那部分的温度 与冷却器入口处的水的温度之差 稳定温升 八 变压器的分类变压器的种类很多 实践中也有很多不同的分类方法 除在本节前介绍的按用途分类外 变压器还用下述方法分类 一 按冷却方式分类干式 自冷 变压器 油浸 自冷 变压器氟化物 蒸发冷却 变压器 二 按防潮方式分类开放式变压器灌封式变压器密封式变压器 三 按铁芯或线圈结构分类芯式变压器插片铁芯C型铁芯铁氧体铁芯壳式变压器插片铁芯C型铁芯铁氧体铁芯环型变压器金属箔变压器 四 按电源相数分类单相变压器三相变压器多相变压器 变压器类别及代号 九 变压器的型号 第二节交流电动机一 概念电动机是将电能转换成机械能的旋转动力机械 电动机分交流电动机和直流电动机两大类 交流电动机又可分为同步电动机和异步动电机 同步电机的转速和电网频率之间具有固定不变的关系 正常工作时起转速恒定不变 称为同步转速 而与负载大小无关 异步电机的转速则常异于同步转速 其转速随负载的变化而变化 同步电机常作为发电机用 二 交流异步电动机的分类1 按电机定子相数分三相异步电动机 两相异步电动机 单相异步电动机 2 按电机的转子结构分笼型异步电动机 绕线型异步电动机 图三相交流异步电动机外形 三 异步电动机的用途异步电机的应用非常广泛 常见的电动机几乎都是异步电动机 例如 在工业方面 中 小型轧钢设备 机床 轻工机械 起重机械 矿山机械等 在农业方面 脱粒机 粉碎机 排灌机械及加工机械 在家用电器方面 电风扇 空调机 洗衣机 电冰箱等 四 异步电动机的结构异步电动机的结构 交流异步电动机结构 一 定子1 定子铁芯作用 导磁和嵌放定子三相绕组 结构 0 5mm硅钢片冲制涂漆叠压而成 内圆均匀开槽用于嵌入定子绕组 定子铁心冲片 2 定子绕组绝缘导线绕制线圈 系由若干线圈按一定规律连接成三相对称绕组 3 机座支撑和固定作用 A Z B X C Y 三相绕组 彼此独立 在定子铁心槽中的放置示意图 定子绕组 二 转子1 转子铁芯作用 导磁和嵌放转子绕组 结构 是由相互绝缘的硅钢片叠压而成 外圆开槽 2 转子绕组分为笼型和绕线型两种鼠笼式绕组 铸铝或铜条 转子铁心冲片 鼠笼型绕组和鼠笼式转子示意图 绕线型转子绕组绕线型转子绕组 外接电阻 电刷 滑环 转子铁心 转子绕组 绕线型转子铁心与绕组 绕线型转子可通过集电环和电刷在转子回路中接入附加电阻 用来改善电动机的起动性能和调节电动机的转速 特点启动电流小 起动转矩大 可按需要调节转速 绕线型转子的缺点是结构复杂 运行可靠性差 价格较高 与鼠笼式转子相比较 附注 物流机械中 起重机因频繁 重载 启动 故应用较多 定子绕组与转子绕组安放示意图 定子绕组 转子绕组 A Z B X C Y 五 工作原理定子中的三相对称绕组 接通三相对称电源 流过三相对称电流 产生旋转磁场 电生磁 切割转子导体 感应电势和电流 磁变电 载流导体在磁场中受到电磁力的作用 形成电磁转矩 电磁生力 使转子与旋转磁场旋转的同向旋转 旋转磁场的形成原理见下图 合成磁场方向向下 合成磁场旋转60 合成磁场旋转90 o 六 三相异步电动机运行分析三相异步电动机的定子与转子之间是通过电磁感应联系的 定子相当于变压器的一次绕组 转子相当于二次绕组 可仿照分析变压器的方式进行分析 一 空载运行分析当三相异步电动机的定子绕组接到对称三相电源时 定子绕组中就通过对称三相交流电流 为了方便分析定子 转子的各个物理量 其下标为 1 者是定子方 2 者为转子方 三相交流电流将在气隙内形成按正弦规律分布 并以同步转速n1旋转的磁动势F1 由旋转磁动势建立切割定 转子绕组气隙主磁场 分别在定 转子绕组内感应出对称定子电动势 转子绕组电动势 转子绕组电流 空载时 轴上没有任何机械负载 异步电动机所产生的电磁转矩仅克服了摩擦 风阻的阻转矩 所以是很小的 电机所受阻转矩很小 则其转速接近同步转速 n n1 转子与旋转磁场的相对转速就接近零 即n1 n 0 在这样的情况下可以认为旋转磁场不切割转子绕组 即E2s 0 s 下标表示转子电动势的频率与定子电动势的频率不同 I2s 0 由此可见 异步电动机空载运行时定子上的合成磁动势F1即是空载磁动势F10 则建立气隙磁场Bm的励磁磁动势Fm0就是F10 即Fm0 F10 产生的磁通为 m0 励磁磁动势产生的磁通绝大部分同时与定子 转子绕组交链 这部分称为主磁通 用 m表示 主磁通参与能量转换 在电动机中产生有用的电磁转矩 主磁通的磁路由定转子铁心和气隙组成 它受饱和的影响 此外有一小部分磁通仅与定子绕组相交链 称为定子漏磁通 用 1 表示 漏磁通不参与能量转换并且主要通过空气闭合 受磁路饱和的影响较小 异步电动机在正常工作时的一些电磁关系在转子不转时就存在 利用转子不动时分析有助于理解其电磁过程 1 转子不转时 转子绕组开路 异步电动机内的电磁过程 1 转子绕组开路 定子绕组接三相交流电源 定子绕组中产生三相对称正弦电流 空载电流 形成幅值固定的气隙旋转磁场 旋转速度为 式中 f为电流频率p为磁极对数 2 由于转子不动 旋转磁场在定子绕组 转子绕组中感生频率均为f的正弦电动势 式中kN1N1 定子每相有效串联匝数 kN2N2 转子每相有效串联匝数 电动势比 k kN1N1 kN2N2电动势的平衡方程式为 式中R1 定子每相电阻 定子漏磁通 1 在定子绕组中产生的漏抗电动势 E1 可由下式计算 式中 定子绕组每相漏阻抗 2 转子旋转时异步电动机 空载 的电磁过程转子绕组开路时 转子电流为零 当转子绕组短路时 转子电流不为零 转子电流与磁场作用产生电磁转矩使转子旋转 与转子绕组开路相比 转子电动势的大小 频率的变化 转子不转时 转子电势频率和定子电势频率 电源电压频率相等 当转子转速为n 则定子旋转磁场切割转子导体的相对速度下降为 转子导体扫过一对磁极空间的时间变长 使转子电势频率减小为 s定义为异步电动机的转差率 因相对切割速度下降 所以转子电动势有效值也减小 又因电抗与频率成正比 所以转子漏电抗也减小 由于空载转矩很小 所以转子的空载电流也很小I2 0 这样 电动势平恒关系和转子绕组开路不转时相似 空载时的定子电压平衡关系根据以上的分析 空载时定子绕组上每相所加的端电压为 相电流为 主磁通 m在定子绕组中感应的每相电动势为 定子漏磁通 1在每相绕组中感应的电动势为 定子绕组的每相电阻为R1 可以列出电动机空载时每相的定子电压平衡方程式 式中为励磁阻抗 其中Rm为励磁电阻 是反映铁耗的等效电阻 Xm为励磁电抗 与主磁通相对应 上式可以改写为式中Z1为定子每相漏阻抗Z1 R1 jX 1显然 对于一定的电动机 当频率f1一定时 由此可见 在异步电动机中 若外加电压一定 主磁通大体上也为一定值 这和变压器的情况一样 只是变压器无气隙 空载电流很小 仅为额定电流的2 10 而异步电动机有气隙 空载电流较大 在小型异步中 可达到额定电流的60 左右 二 负载运行分析当电动机从空载到负载运行瞬时 电动机轴上机械负载转矩突然增加 使转矩关系失去平衡 电动机转速下降 其转向仍与气隙旋转磁场的转向相同 因此气隙磁场与转子的相对转速为 n也就是气隙旋转磁场切割转子绕组的速度增加 于是转差率s增大 在转子绕组中感应出电动势的频率f2增大 f2增大 电动势E2增大 转子绕组中产生的电流I2增大 电磁转矩Tm也增大 当电磁转矩增大到与负载转矩和空载转矩相平衡时 电动机将以低于同步转速n1的速度n稳定旋转 七 三相异步电动机的型号 一 作用表明电动机的系列 几何尺寸和极数 二 组成根据我国标准规定 三相异步电动机的型号有四部分组成 见下图 说明 机座代号字母后若有数字代表铁心长度代号三相异步电动机型号结构 异步电动机产品名称代号 三相异步电动机型号举例Y132M 4Y 三相异步电动机 132 表机座中心高132mm M 机座长度代号 4 磁极数 极对数p 2 附 Y系列电动机的特点具有高效 节能 起动转矩大 性能好 噪声低 振动小 可靠性高 功率等级和安装尺寸符合IEC标准以及使用维护方便等优点 适用于不含易燃 易爆或腐蚀性气体的一般场所和无特殊要求的机械上 Y型电动机 八 电机的绝缘等级 一 概念电机所用的绝缘材料 按其在正常条件下允许的最高温度分为若干等级 称为绝缘耐热等级 简称绝缘等级 二 分级符号和极限工作温度耐热等级温度 YAEBFH90105120130155180 九 三相异步电动机的起动1 起动性能 1 起动电流Ist大 5 7IN