电机与变压器教案（可编辑）

电机与变压器教案（可编辑） 电机与变压器教案 绪 论 电机的发展是从十八世纪中期开始法拉第表演了电流在磁场中产生机械力的实验发现了电动机的工作原理制造出原始型的电动机随后另一个科学家阿果拉发现了旋转磁场法拉第提出了电磁感应定律1832年出现了原始型的发电机 电能最早应用是供给照明和化学工业的需要所以最初发展的电机是直流电机1845年电磁铁代替了永久磁铁不久出现了第一台自励发电机建立了第一条直流输电线路 1876年交流电用于照明装置随后出现了原始型的同步发电机和变压器随着两相电流能产生旋转磁场的原理被发现1885年制造出了单相异步交流电动机的模型 1889年多波洛尔斯基提出了三相制的建议并设计和制造了第一台三相变压器和三相异步电动机至1897年建成了第一个三相交流输电系统 交流三相制发电厂的迅速发展使高速运转的汽轮发电机代替了以蒸汽机为原动力的的发电机产生第二次技术革命将社会生产力推进了电力时代 随着科学技术的不断发展电机理论的不断完善电机的发展日新月异不仅容量大体积小运行良好可靠而且应用范围也在不断扩大并且随着功率电子学等学科的渗入电机家族还在不断增添新的成员 电机与变压器的课程任务是掌握变压器和交直流电机的基本结构工作原理和运行性能并对电机的运行作初步的分析 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 电机是一种能量转换装置变压器是一种电能传递装置 磁与电磁 一磁的基本知识 二电流的磁场 三 磁场对电流的作用 2我们常使用通电导体在磁场中某点受到的电磁力与导体中电流和导体的有效长度的乘积的比值来表示该点磁场的性质并称为该 点的磁感强度B 3一匝匝数为N的线圈在磁场中若与线圈交链的磁通Φ发生变化则线圈上会感应出电动势e称为电磁感应 e的正方向与Φ符合右手螺旋定则 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 2变压器基本结构 1铁芯 2绕组 ? 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 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 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 由于变压器的初次级功率相等所以有 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 4变压器的空载运行 5变压器的负载运行 当变压器二次绕组带上负载后此时电路里开始有电流i2 5变压器的外特性 6电压调整率 从前面变压器的外特性可以看出当负载有波动时变压器输出的二次电压就会有波 动从我们使用电能来说当然是希望电压越稳定越好 7变压器损耗和效率 实际运行中的变压器不可避免的会因为材料工艺等问题而产生损耗 将变压器的这两种损耗相加即得变压器的功率损耗p 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 1型号 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 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 课后练习 1变压器的电压变化率与哪些因数有关从运行角度看是大些好还是小些好 二三相变压器和特殊变压器 三相变压器广泛应用于电力系统中在对称三相负载下运行时变压器的各相电压电流大小相等相角互差120?三相完全对称前面所分析得出的单相变压器的各种特性可直接用于三相变压器的任意一相下面只讨论三相变压器特有的问题 二电路系统 三相绕组通常采用星形联结记作Y或y或三角形联结记作D或d绕组的首末端的标志规定如下所示 三变压器的绕组极性 变压器的主磁通以及绕组中的感应电动势都是交变的并无某一固定极性这个极性是指某一瞬间的相对极性即在任一瞬间一个绕组的某一端为正时另一个绕组的某一端必然也为正 对于单相变压器来说极性对变压器的运行没有任何影响但对于要将三个绕组按一定规律联结的三相变压器来说极性问题就十分重要了一旦某相绕组的极性接反就会烧坏变压器 2单相变压器的极性判别 鉴别既没有线端标记又不知绕向的绕组我们可以使用电压表或电流表进行测试根据测试结果找出两个绕组的同极性端下面以电压表为例介绍测试的原理与方法 若用一根导线连接了同极性端如X和x 如果导线连接的是异名端aX 3三相变压器的极性判别 判别三相变压器的绕组极性有以下三个步骤 ? 判别高低压绕组 ? 找出每相绕组的原副绕组 2判别每相原副绕组的同极性端 4三相变压器的联结组别 三相变压器原副绕组按不同连接方式的组合形成不同的联结组 最常用的联结组有以下四种即YyNYyYdYNd其中YN表示绕组接成星形后中性点具有引出线用于三相四线制的输出线路 练习 特种变压器 1电流互感器 2电压互感器 3自耦变压器 三三相笼型异步电动机 电机和变压器一样也是利用电磁感应原理工作的一种设备它的主要作用是进行能量的转换例如电动机是将电能转换成机械能可以带动其他设备工作发电机则是将其他能量转换成电能不断提高我们的生活质量 一三相笼型异步电动机的基本结构 1定子铁芯和定子绕组 2转子铁芯和转子绕组 1型号 2额定值 四电动机的运行特性 电动机当然也有许多和变压器不一样的地方 五电动机的功率和损耗 电动机是一种将电能转换成机械能的装置所以在能量转换的过程中不可避免的会产生各种损耗 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 直流电动机结构也分为定子和转子两大部分 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 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 2直流电机的铭牌 型号 额定功率PN Z271型并励直流电动机 其铭牌数据如下PN 30 kW UN 220 VηN 088 Ra 01 Ω nN 3000 rmin If 1765 A 求额定电流IN 电枢电流Ia 励磁回路的电阻Rf和反向电动势Ea 一台并励直流电动机 电源电压UN 230 V时 电枢电流IN 60 A 电枢电组Ra 01 Ω Φ 008 Wb Ce 25 求电枢反电势Ea及此时的转速n 一台直流并励电动机 PN 10 kW IN 548 A UN 220 V 电枢电阻Ra 04 Ω 若直接起动 起动电流为多少若采用电枢回路串电阻起动 将起动电流降为额定值的15倍 则应串多大的起动电阻 2机械特性方程 2降电压U 异步电动机电磁转矩特性 电磁转矩有三个重要值分别为 Tm sm 1 T 0 s n 0 n n0 根据公式 可得异步机的电磁转矩特性曲线 最大电磁转矩 对应最大电磁转矩的临界转差率 1 额定转矩TN 电动机额定电压下以额定转速nN运 功率单位若为W时9550改为955 行输出额定机械功率 PN时电机转轴上对应输出的机械转矩为额定电磁转矩TN 最大转矩反映了电动机带最大负载的性能我们把它与额定转矩的比值称为电动机的过载能力即 TM T 0 s 最大电磁转矩 起动电磁转矩 2 最大转矩TM 起动转矩反映了异步机带负载起动时的性能起动转矩与额定电磁转矩之比称作电动机的起动能力即 Tst 3 起动转矩Tst λm通常在1620之间如果负载转矩超过了最大转矩电动机将停转 λst通常在1418之间如果电机的起动转矩Tst小于电动机轴上的负载阻转矩TL时电动机将无法起动 异步电动机的机械特性 n 0 T 机械特性曲线 额定工作点 N nN TN Tst TM 额定转矩 电动机运行在AB段其电磁转矩可以随负载的变化而自动调整这种能力称为自适应负载能力 A B C 机械特性曲线可分为稳定运行区AB段和非稳定运行区BC段两部分 电机稳定运行时 TL TN当负载增加时TL TN动力小于阻力 电机稳定运行状态被破坏转速 n下降转差率s上升转子电路感应电动势增加电流I2增大定子电流I1随之增大电磁转矩T增大至T′当T ′ TL′时电动机转速重新稳定在n上此时n′ n特性曲线的N点向右移 显然把转矩特性曲线旋转90?后即可得到机械特性曲线 额定转速 最大电磁转矩 起动电磁转矩 电机稳定运行在 TL TN当负载减少时TL〃 TN动力大于阻力电机的稳定运行状态被破坏转速 n上升转差率s下降转子 电路感应电动势减小电流I2减小定子电流I1随之减小电磁转矩T减小至T〃当T〃 TL〃时电动机转速重新稳定在n〃上此时n〃 n沿特性曲线左移 N′ N〃 四 单相异步电动机简介 我们日常生活及办公场所通常是单相供电因此很多仪器各种电动小型工具家用电器等都采用单相异步电动机单相异步机采用鼠笼式转子结构一般容量多在075KW以下 电容运转单相机 洗衣机电动机 电风扇电动机 制冷压缩机 三相异步电动机只所以能够转动是因为它的定子绕组通入对称三相交流电后产生的旋转磁场那么单相异步电动机通入单相交流电后产生的是一个什么样的磁场呢 单相异步电动机的定子磁场 单相机定子 单相机转子 ωt 0 i 在定子绕组中通入单相交流电 × × × 电流正半周线圈导体中通过的电流始终为正值 合成磁场随时间大小不断变化但磁场轴线的位置始终不变 N S 电流的负半周线圈导体中通过的电流方向始终为负 × × × S N 合成磁场随时间大小不断变化但磁场轴线的位置始终不变 显然单相异步电动机的定子磁场是一个大小和方向随时间不断变化但磁场轴线位置始终不变的脉动磁场所以单向异步机的转子不会自行起动也就是说单相异步电动机的起动转矩为零 如何使单相异步电动机旋转起来呢 电容分相法可让单相异步机转动 电容分相式异步电动机的定子有两个绕组 一个是工作绕组另一个是起动绕组两个绕组在 空间对称嵌放起动绕阻与电容C串联使起动绕组 电流i2和工作绕组电流i1产生90?的相位差即 加入起动绕组后和工作绕组并联连接于单相交流电源上 可见单相电动机定子两绕组的合成磁场也是一个随时间空间位置不断变化的旋转磁场单相电动机也因之可以自行起动了 A X B Y A X B Y A X B Y 五 直流电动机 工业直流电机 直流伺服电机 外转子直流电机 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 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 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 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 2直流电动机工作原理 把电刷AB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 - 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 CeΦn Te CtΦIa Ct 955Ce Ce pN60a 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 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 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 IfIa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 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Z292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 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ηN 电动机 发电机 三直流电动机的机械特性 1电势平衡功率平衡及转矩平衡方程式 在直流电动机中感应电动势Ea是由于电枢绕组和磁场之间的相对运动而产生的是反电动势其与电枢所加外电压相平衡以并励电动机为例方程式有 直流电动机的电动势平衡方程式为U,EaIaRa 直流电动机的功率平衡方程式为 P1,P2P Pe,P2P0 P,PacuP0 直流电动机的转矩平衡方程式为 Te,T2T0 在直流电机中电磁转矩为驱动转矩电磁转矩Te克服负载的制动转矩T2和空载转矩T0带动电动 机稳定运行 Ia IN,If 155,1765 153235 A A U P U P I N N N N IN N 155 220 88 0 10 30 3 × h W 6 124 765 1 220 , , f N f I U R Ea UN,IaRa 220,153235×01 20468 V Ea UN,IaRa 230,60×01 224 V 1120 rmin , e C a E n Φ 224 , 0 2 直流电动机的技术数据 分别为PN 10 kW UN 220 V IN 548 A nN 3000 rmin 试求电动机在额定运行 情况下电动机的电磁转矩 输入功率和 效率 直接起动时 起动电流为 电枢回路串电阻起动时 起动电流为 1 5 N st a st I R R U I W 3 2 4 0 - 220 8 54 5 1 × - a R 5 1 N I U st R 则起动电阻 自耦 变压器是单绕组变压器一二次绕组共用一个线圈 绕在闭合的铁心上二次绕组是 一次绕组的一部分称为公共绕组可见自耦变压器的一二次绕组之间除了有磁的 耦合外还有电的直接联系 A X AX为原绕组匝数为N1 N1 ax为副绕组匝数为N2 a x N2 工作原理与普通变压器相同要注意的是公共绕组中的电流i u1 i1 e1 e2 u2 i2 i i i1i2 但i1与i2方向相反故在数值上 I I2,I1 A X a x i1 i2 i N1 N2 u1 u2 自耦变压器的容量 SN U1N I1N U2N I2N U2N I U2N I1N 这说明自耦变压器的容量是由两部分组成的 U2N I 是电磁容量这部分容量与普 通变压器二次绕组 中的容量是相同的 是传导容量这部分容量是通过电路的直 接联系 U2N I1N 从一次绕组传至二次绕组的 这就是自耦变压器独有的特点 了解电机的基本结构是我们今后使用或维护电动机的第一步 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 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 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 二三相电动机的铭牌 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 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02,03随着负载的增加功率因数也增加在额定负载时一般为07,09因此要避免空载运行 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 U1 V1 W1 U1 V1 W1 W2 U 2 V2 W2 U2 V2 D 联结 Y联结 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 N S 模型电机的 定子磁极 模型电机的 转子绕组 e e i2 F F n0 n 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 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 ωt 0 i A X B Y C Z 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 A X B Y C Z ωt 0 i ωt 0时电流和磁场情况 × AC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 电流入 电流出 N S n0 相邻线圈电流流向一致在气隙中生成合成磁场 ωt 0 i ωt 120? A X B Y C Z ωt 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 ωt 0 i ωt 240? A X B Y C Z ωt 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 ωt 0 i ωt 360? A X B Y C Z × × × 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 ωt 360?时电流和磁场情况 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 A X B Y C Z × × × 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 N S 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 很明显电动机上存在两个转速一个是旋转磁场转速n0 一个是转子的转速n 电动机的转速n能等于旋转磁场的转速n0吗 如果二者相等则转子与旋转磁场之间 产生感应电流成为载流导体?不是载流导体就无法在磁场中 就没有了相对切割?转子不切割磁场就不能 受力?不受力电动机就永远转运不起来 n?n0异步 三相电动机旋转磁场的转速与哪些因素有关 1电流频率 电流随时间变化一周电动机的旋转磁场旋转了360? 即磁场转速n0与电流频率f成正比 2磁极对数 磁场转速随定子磁极数的增加而发生变化 四极电机 A A B Y C Z X X B Y C Z A X B Y C Z S N 二极电机 四极旋转磁场转速的分析 A A B Y C Z X X B Y C Z ωt 0 i ωt 0?时 × × × × ωt 120?时 A A B Y C Z X X B Y C Z × × × × 电流变化120?旋转磁场在空间的位置仅转过了60?当电流变化360?时四极电动机的旋转磁场才能旋转180?显然四极旋转磁场的转速是二极电机12 综合分析可得电动机旋转磁场的转速与频率极对数之间的关系为 r 0 min 60 分 转 p f n 即异步电动机旋转磁场的转速与电源频率成正比与电机的极对数成反比 由于电动机转速n与n0之间存在速度差因此我们选用一个参数转差率s来表示n与n0的关系 1 电动机起动瞬间电动机转速n 0转差率s 1 2 电动机转速最高时转速n?n0转差率s ?0 3 电动机运行过程中转速0 n n0转差率0 s 1 n 60f1 p 1,s 有一台三相异步电动机其额定转速为975rmin试求工频情况下电动机的磁极对数和电动机的额定转差率 由于电动机的额定转速接近于旋转磁场的转速所以 可以估取同步转速n0 1000rmin 通过电动机工作原理的学习我们可以发现电动机有许多地方和变压器是相类似的 变压器一次绕组接入电流产生交变磁场 电动机定子绕组接入电流产生旋转磁场 交变磁场在铁芯中环绕在变压器二次绕组上产生电磁感应产生感应电势和电流 旋转磁场交链转子绕组在电动机转子上产生电磁感应产生感应电势和电流 变压器一次绕组和二次绕组只有磁耦合没有电的直接联系 电动机定子绕组和转子绕组只有磁耦合没有电的直接联系 变压器是静止的没有旋转部分 电动机转子在感应出电流后是旋转运动的 变压器主磁路只在铁芯中运行 电动机旋转磁场交链转子铁芯时需要经过气隙 变压器绕组是集中绕在铁芯上的 电动机绕组是按一定规律安放在铁芯上的若干个槽内 所以根据变压器的一些结论就可以得到电动机的一些运行特性 变压器一次绕组感应电势E1 444fN1Φ 电动机定子绕组感应电势E1 444f1N1ΦK1 K1是线圈系数 变压器二次绕组感应电势E2 444fN2Φ 电动机转子绕组感应电势E2 444f2N2ΦK2 K2是线圈系数 E1E2的频率为什么不一样 电磁感应定律E Blv中的v是磁场与导体之间的相对运动速度n0,n 因此对于静止的定子绕组来说这个相对速度就是磁场的旋转速度而对于旋转的转子来说这个相对速度是磁场与转子之间的速度差 pn0 60 p f1 60 n0,0 电动机定子绕组感应电势E1的频率 p f2 60 n0,n 电动机转子绕组感应电势E2的频率 60 pn0 n0 n0,n s f1 A X B Y C Z 转子感应电势E2的频率对电机运行有什么影响呢 在电机定子通入电流产生旋转磁场的瞬间 S N 转子处于静止状态此时转差率s 1 转子感应电势f2 f1E2此时最大转子中的感应电流I2也最大 随转子转速的提高转差率s下降E2和I2也随之下降 另外电动机功率因素和转子阻抗也与转差率有关转子在处于静止的瞬间时其阻抗最大功率因素最低随转速的提高阻抗随之下降功率因素开始上升 电动机在启动的瞬间转子上有很大的电流根据磁势平衡则电动机定子上就会有很大的电流从而可能会烧坏电机定子绕组 P1 3 UN IN cosj pFE1 pCU1 pCU2 pFE2 pm p 电源 定子旋转磁场 转子电磁感应 电磁功 率Pe 输入电功率P1 机械功率 Pmec 输出机械功率P2 转子旋转 P1 Pe , pCU1 ， pFE1 Pmec Pe , PCU2 PFE2 转子铁耗 很小可忽略不计 pCU2 SPe 称为转差功率 Pe 1,S P2 Pmec , p0 p0 p pm 称为空载损耗固定不变 P1 η pCU2 SPe 说明从气隙传递到转子的电磁功率分为两部分一小部分变为转子铜损耗绝大部分转变为总机械功率转差率越大转子铜损耗就越多电机效率越低 的两边同时除以机械角速度 得 或 电磁转矩 电磁转矩等于总机械功率除以转子机械角速度 输出转矩 1 异步电动机的电磁转矩的几种表达式 五异步电动机的电磁转矩和机械转矩 电动机的结构常数 每极下工作主磁通 转子电流 转子电路功率因数 上式中各参数 每极下工作主磁通 遵循主磁通原理 转子电路的功率因数 和转子电流均随转差 率的变化而变化 em 1 将公式中各量的计算式代入电磁转矩公式即可得到电磁转矩的另一种参数表达式 电磁转矩T正比电源电压U1的平方反映了电动机的电磁转矩在负载不变情况下其大小取决于电源电压的高低但这并不意味电动机的工作电压越高电动机实际输出转矩就越大 上式说明只要电机参数不发生变化电磁转矩 电动机输出机械转矩的大小实际上决定于来自于电动机轴上负载阻转矩的大小当电磁转矩T等于负载阻转矩TL时电动机就会在某一速度下稳定运行若T TL电动机就会加速运行若T TL电动机则要减速运行直至停转 2 1 U 2 sR 2 2 20 2 sX R K f 1 T em 2 i1 将变压器一次绕组接交流电源二次绕组开路这种运行方式称为变压器的空载运行 变压器各电磁量正方向的规定 1在一次绕组内电流的正方向与电压的正方向一致 2磁通正方向与电流方向符合右手螺旋定则 3感应电势方向与磁通方向符合右手螺旋定则 4在二次绕组内电流的正方向与电势方向一致 5在二次绕组端电压方向 与电流方向一致 L1 L2 N1 N2 ZL i1 L1 L2 N1 N2 因为是空载运行二次绕组开路所以电流i2 0 ZL 0 电流i1是产生磁通Φ的全部原因此时称为空载电流i0 i0 因为i0只用于产生主磁通所以原绕组是一个纯电感电路 i0滞后u1900电动势e1与u1反相e1与e2同相 理想变压器的相量图 I0 ? Φ ? U1 ? E1 ? ? E2 常磁通概念 因为E1 444fN1Φ E2 444fN2Φ 而U1 E1 U2 E2 所以有U1 444fN1Φ U2 444fN2Φ 上式中444是常数频率f是电网提供的工频匝数N对于一个已制造好的变压器来说也是一个常数所以我们可以说只要电压U不变磁通Φ的大小就不会发生变化这就是重要的常磁通概念 L1 L2 N1 N2 ZL i i1 i0 0 i2就一定会通过二次绕组在铁芯中也产生一个磁通Φ′可是此时电源电压u1并没有改变变压器的主磁通Φ就不应该变化 于是励磁电流i0就会也发生变化i0会根据i2的大小增加一部分电流i变成i1 i0 i最终维持Φ不变这就是变压器的磁势平衡 因此我们把当电源电压和负载功率因数一定时二次电压随负载电流变化的规律称为变压器的外特性 因为变压器二次侧功率P2是由一次侧功率P1决定的它不会随变压器所带负载的变化而变化 ? P2 i2u2 ? 当负载变化引起i2变化时u2就会跟随i2的变化而变化 10 0 10 国家规定用 u u2N, u2 u2N × 100 u u2N × 100 来表征电压调整率它反映了电网电压的稳定性 电压的波动就越小因此我们在使用电气设备时如果能尽量提高功率因数就有助于电压的稳定 分析变压器的外特性当功率因素 越接近1 2 cosj 我们能采取什么 措施 《全国民用建筑工程设计技术措施》规划•建筑•景观全国民用建筑工程设计技术措施》规划•建筑•景观软件质量保证措施下载工地伤害及预防措施下载关于贯彻落实的具体措施 来减小电压波动呢 变压器的损耗分为两种 ? 铁损耗铁耗是磁通在铁芯中交变和运行时产生的损耗与负载没有任何关系因为磁通大小一般没有变动所以铁耗又称为不变损耗或空载损耗用pFE表示 ?铜损耗铜耗是电流在绕组 中与绕组的电阻产生的热损耗用pCU表示 pCU I12 r1 r2 I22 β2 pCUN 铜耗的大小取决于负载电流的大小以及绕组中电阻的大小所以铜耗又称为可变损耗 β I2 I2N p pCU pFE 变压器的效率η就是变压器输出和输入功率之比 η P2 P1 × 100 ? P1 P2 p ?效率的一般计算公式为 × η p P2 P2 100 时变压器效率最高 当 pFE pCU 8(变压器的铭牌 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 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 2一台额定容量为SN 100kVA的单相变压器一二次绕组的额定电压U1NU2N 10kV02kV求额定电流I1NI2N各是多大这台变压器的输出端能否接85kW功率因数为085的感性负载 三相变压器 三相组式变压器由三个容量与结构完全相同的单相变压器组成特点是每相都有自己独立的磁路互不相关各相的励磁电流在数值上完全相等其优点是对特大容量的变压器制造容易备用量小但其铁心用料多占地面积大只适用于超高压特大容量的场合 一磁路系统 1三相组式变压器 u1 u2 v1 v2 w1 w2 2三相心式变压器 三相心式变压器特点是三相磁路相互关联磁路长度不等当外加三相对称电压时三相励磁电流不对称但因励磁电流很小可忽略对负载运行的影响其优点是节省材料体积小效率高维护方便故目前大中小容量的变压器广泛采用心式变压器 末端 首端 末端 首端 n u2v2w2 u1v1w1 u2 u1 低压绕组 N U2V2W2 U1V1W1 U2 U1 高压绕组 中性点 三相变压器 单相变压器 绕组名称 1绕组的端头标号 或 a 星形联结 b 三角形联结 2星形和三角形联结法 U1 U2 V1 V2 W1 W2 U1 U2 V1 V2 W1 W2 U1 U2 V1 V2 W1 W2 Y形连结时 U线 U相 3 U线 U相 U线 U相 D形连结时 U线 U相 U1 U2 u1 u2 如某一瞬间U1为正U2为负 , Φ e2 - 得u1为正u2为负因此我们称U1和u1为同极性端或同名端加?或,表示 , , 1单相变压器的极性 取三相心式变压器中的某一相 e1 e2 绕向和线端标志均相同 U1 U2 , , Φ ? E1 ? E2 e1 e2 绕向和线端标志不同 v1 v2 V1 V2 , , Φ W1 W2 w1 w2 , , Φ e1 e2 II 0 ? E1 ? E2 II 6 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 -E1U2 E2 A X a x U1 e2 e1 U2 由图可知A和aX和x为同极性端 , , A X a x U1 e2 e1 U2 , , 用电压表测量另一个同极性端Aa V 根据电压关系有UAa e1e2 U2-U1 U1-U2 反过来说也就是如果电压表上的测量结果为两各端电压之差则说明此时被导线连接的两端或被电压表测量的两端为同极性端 A X a x U1 e2 e1 U2 , , 电压表测量Ax V 根据电压关系有UAx e1-e2 -U1-U2 U1U2 说明电压表上测量的数值如果是两个端电压之和则此时导线连接的两端或电压表测量的两端为异名端 1判别每相绕组中原副绕组的一一对应关系 三相变压器总共六个绕组首先就是找出结构封闭(出线凌乱的三相变压器的三相原副绕组的对应关系这可以使用万用表来测量 ? 用万用表电阻档测出每个绕组的首末端 R 电阻小为同一个绕组的首末端 电阻大不是同一个绕组的首末端 R 找出绕组的首末端后接下来的工作就是要找出三个高压绕组和三个低压绕组同样使用万用表的电阻档 测得电阻值R1 测得电阻值R2 比较R1和R2的大小由于高压绕组匝数多低压绕组匝数少因此电阻大的为高压绕组 给某绕组加一个合适的交流电源 , 交流电源 用万用表的交流电压档测量每个绕组的感应电势并记录数值 V E1 E2 E3 比较三个感应电势有最高值 的绕组即与加交流电源的绕组为同一相得原副绕组 按单相变压器的极性判别方法即可 3判别相与相之间绕组的同极性端 U1 U2 V1 V2 W1 W2 , , , , , , 在某一原绕组上加一个合适的交流电压 110V, 用导线任意连接两相之间的某两个绕组的端子 用电压表测量另两个端子之间的电压U V U,110V 异名端 U,110V 同名端 下面以Yy0联结组为例说明三相变压器联结组别的步骤 1根据三相变压器绕组联结方式Y或yD或d画高低压绕组接线图绕组按ABC相序自左向右排列 2在接线图上标出相电动势和线电动势的假定正方向 A X B Y C Z a x b y c z , , , , , , uAB uab uA ua 3画出高压绕组电动势相量图将Aa重合再画出低压绕组的电动势相量图画相量图时应注意三相量按顺相序画 A X B Y C Z uAB a x b y c z 4根据高低压绕组线电动势相位差确定联结组别的标号 uab UAB与uab同相所以此变压器联结组为Yy0 分析此变压器为什么联结组 A X B Y C Z a x c z b y a x b y c z , , , A X B Y C Z , , , N YNd11 电流互感器作用是将电路中流过的大电流变换成小电流 额定值为5A或1A 供电给测量仪表和继电器的电流线圈 原绕组线径较粗匝数为一匝或几匝副绕组线径较细匝数很多 N1 N2 i1 i2 I1 I2 N2 N1 使用注意 ? 串联 ? 可靠接地 ? 运行时二次侧不允许断开 电压互感器作用是将高电压降为低电压一般额定值为100V供电给测量仪表和继电器的电压线圈使测量继电保护回路与高压线路隔离保证人员和设备的安全 原绕组匝数很多副绕组匝数较少 FU u1 u2 N1 N2 U1 N1 N2 U2 使用注意 ? ? ? 并联 可靠接地 运行时二次侧不允许短路 电机与变压器 为了学好本门课程必须做到以下几点 1抓主要矛盾有条件地略去一些次要因素 2抓住重点牢固掌握基本概念基本原理和主要特性 3要有良好的学习方法运用对比或比较 的方法分析电机的共性和特点加深对原理和性能的理解 4充分预习和复习 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 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 1磁性 能吸引铁镍等金属或合金的性质 2磁体 具有磁性的物体 3磁极 磁体上磁性最强的部位有S极和N极磁极间同性相斥异性相吸 4磁力 磁极间的相互作用力 5磁场 磁极周围存在的一种特殊物质具有力和能的特性 6磁力线 为描述磁场的强弱和方向而引入的假想线在磁极外部由N指向S在磁极内部由S指向N磁力线越密磁场越强磁力线越疏磁场越弱 1920年科学家奥斯特发现在电流周围存在磁场动电生磁即电流的磁效应 电流与其产生磁场的方向可用安培定则来判断既适用于判断电流产生的磁场方向也适用于在已知磁场方向时判断电流的方向 1直线电流产生的磁场 2环形电流产生的磁场 1通电导体在磁场中会受到力的作用电磁力的方向符合左手定则 伸开左手四指并拢拇指与四指垂直并且在同一平面里让磁感线垂直穿过手心使四指指向电流方向这时大拇指所指的方向就是通电导线在磁场中所受磁场力的方向 左手定则 即 B F IL B均匀磁场的磁感强度T F通电导体受到的电磁力N I导体中的电流强度A L导体在磁场中的有效长度m 为后面研究问题方便我们规定用符号 和 ? 分别表示电流或磁力线进入和流出纸面的方向 即 e – Φ t N 上式的含义是指电磁感应的电动势与线圈匝数和磁通的变化率成正比负号是指在感应电动势作用下而在线圈里产生的感应电流所产生的Φ′将逆着Φ变化 1变压器电动势线圈 与磁场相对静止只有磁通变化 2运动电动势线圈与磁场相对运动引起磁通变化 e Blv 符合右手定则 它的工作原理就是电磁感应和磁势平衡下面我们就从变压器的结构开始逐步了解和掌握变压器的工作原理和运行特性在分析时我们需要注意分析变压器电路的电磁物理过程 变压器为什么只能变换交流电能的电压和电流 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 连接发电机与电网的升压变压器 连接发电机的封闭母线 与电网相连的高压出线端 三相干式变压器 自耦变压器 电源变压器 环形变压器 控制变压器 1器身铁芯绕组绝缘和出线装置 2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 变压器的主磁路为了提高导磁性能和减少铁损用厚为035-05mm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 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 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Φ 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 e1 – Φ t N1 e2 – Φ t N2 且 e1 – u1 e2 u2 ? 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 u1 u2 e1 e2 N1 N2 n 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 解 N2 N1 u1 u2 u1 u2 ? n 61 2200×36 220 360匝 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 即 P1 P2 I1 U1 I2 U2 U1 U2 I2 I1 N1 N2 n 1 即 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 R1 u1 I1 N1 N2 u2 ZL I2 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 u1 R1 I1 ZLX I12 ZLX I22 ZL 即 ZLX N1 N2 2 ZL ZL n2 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 n ZL ZLX 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