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模块六 变压器与电机


模块六
项目 1

变压器与电机

认识变压器

项目 2

认识各类常用电动机

项目一 认识变压器 变压器是一种利用电磁感应作用将一定数值的电压、 电流、 阻抗的交流 电转换成同频率的所需另一数值的电压、电流、阻抗的交流电的静止电器, 以满足高压输电、低压供电及其他用

途的需要。 任务一 变压器的结构与工作原理 活动一 认识变压器结构 图 6-1 为三相油浸式电力变压器的结构示意图。

图 6-1 三相油浸式电力变压器 1—油箱 2—铁心及绕组 3—储油柜 4—散热筋 5—高、低压绕组 6—分接开关 7—气体继电器 8—信号温度计
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三相油浸式电力变压器主要由铁心、绕组及其他部件组成。 1.铁心 变压器的铁心大多采用薄硅钢片叠装而成。 变压器的铁心有心式和壳式两种 基本形式。心式变压器的铁心由铁心柱、铁轭和夹紧器件组成,绕组套在铁 心柱上, 如图 6-2 所示。 国产三相油浸式电力变压器大多采用心式结构。 壳 式变压器的铁心包围了绕组的四面,就像是绕组的外壳,如图 6-3 所示。

图 6-2 三相心式变压器 1—铁心柱 2—铁轭 3—绕组

图 6-3 单相壳式变压器 1—铁心柱 2—铁轭 3—高压绕组 4—低压绕组 2.绕组 绕组是变压器的电路部分, 原绕组吸取供电电源的能量, 副绕组向负载 提供电能。 变压器的绕组由包有绝缘材料的扁导线或圆导线绕成, 有铜导线 和铝导线两种。按照高、低压绕组之间的安排方式,变压器的绕组有同心式 和交叠式两种基本形式。 3.其他部件 (1)油箱 变压器的器身放置在灌有高绝缘强度、 高燃点变压器油的油箱内。 达到 散热的目的,从而使变压器内的温度保持在合理的水平上。 (2)储油柜(也称为油枕) 储油柜装置在油箱上方, 通过连通管与油箱连通, 起到保护变压器油的 作用。 其目的是为了减小油面与空气的接触面积、 降低与空气接触的油面温 度并使储油柜上部的空气通过吸湿剂与外界空气交换, 从而减慢变压器油的
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受潮和老化的速度。 (3)气体继电器(也称为瓦斯继电器) 气体继电器装置在油箱与储油柜的连通管道中, 对变压器的短路、 过 载、漏油等故障起到保护的作用。 (4)安全气道(也称为防爆管) 当变压器内部发生严重故障又恰逢气体继电器失灵时, 油箱内部的高压 气体便会沿着安全气道上冲, 冲破玻璃板封口, 以避免油箱受力变形或爆炸。 (5)绝缘套管 绝缘套管是装置在变压器油箱盖上面的绝缘套管,以确保变压器的引 出线与油箱绝缘。 (6)分接开关 分接开关装置在变压器油箱盖上面, 通过调节分接开关来改变原绕组 的匝数, 从而使副绕组的输出电压可以调节, 以避免副绕组的输出电压因负 载变化而过分偏离额定值。分接开关有无载分接开关和有载分接开关两种。 活动二 了解变压器的分类 变压器按照用途分,主要有电力变压器、调压变压器、仪用互感器(如 测量用电流互感器和电压互感器) 供特殊电源用的变压器 、 (如整流变压器、 电炉变压器、电焊变压器、脉冲变压器) 按照绕组数目分,主要有双绕组 。 变压器、三绕组变压器、多绕组变压器、自耦变压器。按照相数分,主要有 单相变压器、三相变压器、多相变压器。按照冷却方式分,主要有干式变压 器、充气式变压器、油浸式变压器(按照冷却条件,又可细分为自冷、风冷、 水冷、强迫油循环风冷、强迫油循环水冷变压器) 。按照调压方式分,主要 有无载调压变压器、有载调压变压器、自动调压变压器。 容量大小:小型 变压器、中型变压器、大型变压器和特大型变压器。 活动三 认识变压器的结构及工作原理 单相变压器由一个闭合的铁心和套在其上的两个绕组构成。 这两个绕组 彼此绝缘,同心套在一个铁心柱上,其中,与电源连接的绕组称为原绕组, 也称为一次绕组或原边; 与负载连接的绕组称为副绕组, 也称为二次绕组或 副边。我们在表示原绕组电磁量的符号右下角加标号“1” ,在表示副绕组电 磁量的符号右下角加标号“2” ,以便于区别。 将原绕组的两个出线端与单相交流电源连接,原绕组中便流过交流电 流, 该电流在铁心中生成与电源频率相同的交变磁通, 此交变磁通同时链过 原、副绕组。据电磁感应原理,原、副绕组中将分别感应出交变电动势。将 副绕组的两个出线端与负载连接,负载就有交流电流通过。对应某一瞬时, 单相变压器中各物理量的方向标示于图 6--4。

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图 6-- 4 单相变压器工作原理图 有

U1 I N ? 2 ? 1 ?k U2 I1 N2

由此可见,通过选用不同于原绕组匝数 N1 的副绕组匝数 N 2,便可使 副绕组的电压 u2 不等于原绕组的电压 u1,k 称为变压器的变压比,其大小是 由变压器的结构参数 N1, N2 所决定的。 综上所述, 变压器以原、 副绕组能同时链过铁心中同一变化磁通的特有 结构, 利用电磁感应原理, 将原绕组吸收电源的电能传送给副绕组所连接的 负载——实现能量的传送, 使匝数不同的原、 副绕组中感应出大小不等的电 动势——实现电压等级变换,这就是变压器的基本工作原理。 任务二 变压器的运行特性 活动一 变压器的外特性 当电源电压及负载功率因数一定时,反映副边端电压随副边电流变化 而变化的曲线 U2=f(I2),称为变压器的外特性,如图 6-5。外特性直观 反映了变压器输出电压随负载电流变化的趋势。

图 6-5 变压器的外特性图
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电容性负载:U2 随 I2 的增大而增大;电阻和电感性负载:U2 随 I2 的增 大而减小。变化程度用电压变化率来表示:

?U % ?

U 20 ? U 2 U ?U2 100 % ? 2 N 100 % U2N U2N

一般情况下,在 cos? 2 ? 0.8 (感性)左右时,额定负载的电压变化率 约为 4%~5.5%。 活动二 变压器的损耗与效率 变压器的损耗主要有两部分: 铜损和铁损, 铜损的大小与负载电流的平 方成正比,是可变损耗。变压器铁心中的磁滞损耗和涡流损耗称为铁损耗, 其值在电源电压与频率不变时固定不变也称为不变损耗。 变压器的效率是指它的输出有功功率与输入有功功率的比值, 计算公式 为? ?

P2 P ?? p 100 % ? 1 100 % P P 1 1

项目二 认识各类常用电动机 任务一 认识直流电动机 活动一 直流电动机的结构和分类 直流电动机的基本结构是由定子、转子和结构件(端盖、轴承等)三大 部分所组成。图 6-6 是一台电磁式直流电动机的结构示意图。

图 6-6 电磁式直流电动机的结构示意图 (1)定子:定子包括机座、主磁极、换向磁极、前、后端盖和电刷装 置等几个部分。 (2) 转子(电枢): 转子是直流电动机实现能量转换的枢纽, 又称为 “电 枢”。电枢包括电枢铁心、电枢绕组及换向器。如图 6-7

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图 6-7 直流电动机转子结构图 直流电动机按励磁方式 (即励磁绕组的供电方式) 分为他励直流电动机、 并励直流电动机、 串励直流电动机和复励直流电动机, 其中复励直流电动机 还分为积复励直流电动机和差复励直流电动机两种。 直流电动机是利用电磁感应的作用而使电动机转动, 同时利用换向器及 时改变线圈中的电流方向,从而保持线圈持续转动。 活动二 直流电动机的起动和反转 一、直流电动机的起动 直流电动机的起动电流很大,可达额定电流的 10 ~ 20 倍。这么大的启 动电流会烧毁电枢绕组和换向器, 所以直流电动机不允许直接启动。 一般采 用起动时在电枢回路中串联起动电阻的方法, 减小起动电流, 起动结束后将 起动电阻从电路中切除。 【例 6-1】 直流电动机的额定电压为 110V,额定电流为 13.5A,电枢 电阻为 0.4 ? ,求直接起动电流。若将起动电流限定在额定电流的两倍,应 串联多大的起动电阻? 解:直接起动电流

I st ?

U 110 ? A ? 275 A Ra 0.4

可见直流电动机的起动电流很大。为限制启动电流,串联起动电阻 R1, 则电枢回路中总电阻为 Rst ? Ra ? R1 起动电流设定为 27A,则起动电阻为:

Rst ? 110 / 27 ? 4.1?, R1 ? Rst ? Ra ? (4.1 ? 0.4)? ? 3.7?
日用电器中直流电动机容量很小, 可采用全压直接起动。 因为全压起动, 起动电流大,使电刷、换向器产生较大火花,不但使其使用寿命缩短,还因

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其表面电阻增大, 造成电动机在额定运行状态下的转速下降, 这是电子音响 设备中支流电动机的常见故障。 二、直流电动机的反转 直流电动机有两种反转方法:一是改变磁通(即励磁电流)的方向;二 是改变电枢电流的方向。永磁式直流电动机通常用改变电枢绕组电流方向, 来改变其运转方向。 串励式直流电动机常用改变励磁绕组或者电枢组接线方 式来改变转向。 活动四 了解直流电动机的调速 直流电动机的转速方程如下:

n?

U ? Ra I a E ? Ce? Ce?

从方程中可以看出,但转矩不变时,直流电动机的转速与电源电压 U、 磁通 ? 和电枢绕组 R a 有关,可见直流电动机的调速方法有三种。 1. 降压调速: n0 ? U , ?n 不受 U 的影响。调解 U 可以平滑的调解电 动机转速,且机械特性硬度不受影响,如图 6-8 所示

图 6-8 直流电动机降压调速特性曲线图 2. 弱磁调速: n ? 1/ ? 。调解励磁电流改变磁通 ? ,从而改变转速, 机械特性变软。如图 6-9 所示

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图 6-9 直流电动机弱磁调速特性曲线图 3.电枢串电阻调速: 在电枢回路中串联变阻器, 增大电枢绕组。 调速范围小, 机械特性变软, 精度低。但简单易行,用于调速比在 2:1 以下的小功率直流电动机中使用。 任务二 单相异步电动机 由于单相异步电动机的电源是单相交流电源,在家庭中使用十分方便, 所以单相异步电动机被广泛用于各种日用电器中,如电风扇、洗衣机、电冰 箱等。不同日用电器中的单相异步电动机在类型、结构上虽有差别,但其基 本结构和工作原理是相同或相似的。 活动一 单相异步电动机的结构和工作原理 一、单相异步电动机的基本结构 拆卸一台单相异步电动机(如电风扇电动机),观察其内部结构。 单相异步电动机的基本结构也是由定子、转子两大部分,以及机壳、端 盖、轴承、风扇等部件构成,如图 6-10 所示。

图 6-10 单相异步电动机结构图
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1.定子 电动机的定子由定子铁心和定子绕组构成,如图 6-11 所示。

图 6-11 单相异步电动机定子结构图 2.转子 转子由转子铁心、转子绕组和转轴构成,如图 6-12 所示。

图 6-12 单相异步电动机转子结构图 转子绕组一般有笼形转子和绕线式转子绕组两种。 3.其他部件 单相异步电动机的其他部件还有机壳、前后端盖、风叶等。 二、单相异步电动机的工作原理 1.运转原理 异步电动机属于感应电动机。

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(a)转动原理实验装置 (b)转动原理示意图 图 6-13 单相异步电动机工作原理示意图 实验装置如图 6-13 所示,在一个马蹄形磁铁上装有旋转手柄,两磁极 之间放一个可以自由转动的笼型转子, 磁极和转子之间是空气隙, 没有机械 或电气的联系。当我们转动手柄使磁铁旋转时,产生现象: (1)笼型转子随着磁极一起转动。磁极转得快,转子跟着转得快;磁 极转得慢,转子也跟着转得慢。 (2)若改变磁极旋转方向,笼型转子也跟着改变旋转方向。 (3)仔细观察还会发现,笼型转子的转速总是低于磁极的转速,两者 的转速不能同步,即所谓“异步”。 异步电动机的转子转向与旋转磁场转向一致, 如果转子与旋转磁场转速 相等,则转子与旋转磁场之间没有相对运动,转子导条不再切割磁感应线, 没有电磁感应,感应电流和电磁转矩为零,转子失去旋转动力,在固有阻力 矩的作用下,转子转速必然低于旋转磁场转速,所以称其为异步电动机。如 果电动机转子与旋转磁场以相同的转速旋转,这种电动机称为同步电动机。 60 f 异步电动机旋转磁场转速(也称同步转速 n0 ? )与转子转速 n 之 P 差称为转差,转差与同步转速 n 0 的比值用“转差率”s 表示:

s?

n0 ? n n0

转差率 s 是反映异步电动机运行状态的一个重要参数。异步电动机额 定转速时的转差率称为额定转差率 sN,一般很小(约 2%~5%) ,即异步电动 机在额定状态下运行时的转速nN很接近同步转速n0。 【例 6-2】 一台直流电动机在正常运行时外加直流电源电压 220V, 电 枢电流为 10A 电枢电阻为 0.5? ,求反电动势。 解:

E ? U ? Ra I a ? (220 ? 0.5 ? 10)V ? 215 V

2.旋转磁场 单相异步电动机必须首先建立一个旋转磁场,才能驱动笼型转子旋转。 单相绕组的电动机只有一相绕组, 无法建立一个旋转磁场, 只能建立脉动磁
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场。在脉动磁场下电动机的起动转矩为零,即电动机不能自行起动,但在外 力作用下起动后能够运行。 为了解决以上起动问题, 常用方法是在电动机中 增加一相起动绕组。使单相异步电动机形成旋转磁场,转子能自行起动,则 必须使工作绕组和起动绕组满足以下条件: 1)两相绕组在空间上相差 90?电角度; 2)两相电流的相位相差 90?电角度; 3)两相绕组电流大小相等、匝数相同、分布相同。 活动二 单相异步电动机的分类 分相式单相异步电动机:电动机定子铁心上嵌放了主绕组(运行绕组 或工作绕组)和辅助绕组(起动绕组),且两绕组在空间互差 90?电角度, 如图 6-14 所示。为使两绕组在接同一单相电源时能产生相位不同的两相电 流,往往在起动绕组中串入电容或电阻(也可以利用两绕组自身阻抗的不 同)进行分相的电动机。

图 6-14 单相异步电动机绕组示意图 一、电阻起动式电动机 1. 电路构成 图 6-15 为单相电阻起动式异步电动机的原理图。 图中“1” 为主绕组, 匝数比启动绕组多,主要呈感性。 “2” 为启动绕组,匝数较少、导线较 细,相对于主绕组呈阻性。

图 6-15 单相电阻起动式异步电动机的原理图

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2. 特点 起动绕组一般是按短时工作设计, 因此串有一个起动开关S , 当转速 上升到一定程度时, 开关自动断开起动绕组, 由工作绕组维持运行。 由于φ 角不大, 因此电阻起动式电动机的起动转矩较小。 3. 应用 适用于空载或轻载起动的场合。 二、电容起动式电动机 1. 电路构成 图 6-16 为单相电容起动式电动机的原理图。电动机的启动绕组中串联 了一个电容器, 选择合适的电容量, 可使工作绕组与启动绕组的电流相位差 0 接近 90 ,产生近似于圆形的旋转磁场。

图 6-16 单相电容起动式电动机的原理图 2. 特点 具有较大的启动转矩, 且启动电流较小, 因而这种电动机的起动性能较 好。 电容启动式电动机的起动绕组也是按短时工作设计, 因此串有一个起动 开关S , 当转速上升到一定程度时, 开关自动断开起动绕组, 由工作绕组 维持运行。 三、电容运转式电动机 1. 电路构成 图6-17为单相电容运转式电动机的原理图。与电容启动式电动机相比 较,其启动绕组中不串起动开关S,因此启动绕组和启动电容器在电动机启 动后也参与运行,因此称为电容运转式电动机。

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图 6-17 单相电容运转式电动机的原理图 2. 特点 这种电动机运行时输出功率大、功率因数高、过载能力强、噪声低、振 动小。其缺点是起动性能不如电容起动式电动机好。 3. 应用 广泛应用于各种小功率的电动类日用电器中 四、电容起动运转式电动机 为了使电动机的起动和运行性能都比较好, 可以在启动绕组中串联两个 相互并联的电容器, 如图 6-18, 其中 C1 与启动开关 S 串联。 电动机启动时, 两个电容器都参与工作;启动结束,由 S 断开启动电容器,只有 C2 参与运 行,这样电动机的启动与运行性能都能得到保障。

图 6-18 电容起动运转式电动机的示意图 五、罩极式异步电动机 罩极式电动机的转子是笼型的, 定子有凸极式和隐极式两种。罩极式 异步电动机结构简单, 价格低廉, 但起动转矩小且不能改变转向, 多用于电 唱机、小型电风扇和鼓风机中。

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活动三 单相异步电动机的反转和调速 1. 分相式电动机的反转 改变单相异步电动机的起动绕组或工作绕组的电流方向。 就可以改变单 相异步电动机的转向,电路原理如图 6-19 所示。

图 6-19 单相异步电动机电路原理图 2. 罩极式电动机反转 罩极式电动机的转向由定子磁极的结构决定的, 故运行时无法改变, 只 有把定子绕组铁心从机座中抽出来, 反相后再装。 或在定子槽中增加一套主 绕组或罩极线圈。 3. 单相异步电动机的调速方法 通过改变电源电压或电动机结构参数的方法, 从而改变电动机转速的过 程,称为调速。常用的调速方法有两种:第一是外电路降压法,;第二种是 通过改变定子绕组的匝数调速。 任务三 三相异步电动机 异步电机主要用作电动机,去拖动各种生产机械。它具有结构简单、制 造容易、价格低廉等一系列优点,所以被广泛应用。异步电动机的容量从几 十瓦到几千千瓦,在国民经济的各行各业中应用极为广泛。例如。在农业方 面:各种金属切削机床、轻工机械、通风机、压缩机等;在农业方面:水泵、 粉碎机及其他农副产品加工机械等都是用的异步电机来拖动。 此外, 生活中 常用的风扇、洗衣机等设备中也都用的异步电动机。 活动一 三相异步电动机的结构和工作原理 一、三相异步电动机的结构 定子:绕组为三相绕组,空间分布上完全对称。可星形或角形联结。如 图 6-20 所示。
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转子:笼型或绕线型两种。

图 6-20 三相异步电动机结构图 二、三相异步电动机的工作原理 三相对称交流电流流入对称的三相定子绕组, 在定子绕组的空间可产生 一个圆形的旋转磁场, 旋转磁场与转子导体之间有相对运动, 转子导体中产 生感应电流, 感应电流在磁场中受到电磁力的作用, 从而顺着旋转磁场的方 向旋转起来。旋转磁场的产生原理如图 6-21。

图 6-21 旋转磁场原理图 活动二 三相异步电动机的特性 一、三相异步电动机的机械特性 三相异步电动机的机械特性曲线,如图 6-22,A、B、C、D 点分别为电 动机的同步点、额定运行点、临界点和起动点。由图可见电动机在 D 点起 动后,?随着转速的上升转矩随之上升,在达到转矩的最大值后(C 点), 进入 A–C 段的工作区域。

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图 6-22 三相异步电动机的机械特性图 二、三相异步电动机的过载、起动能力 电动机产生的最大转矩 Tm 与额定转矩 TN 之比称为电动机的过载能力 λ ,即

??

Tm TN

一般三相异步电动机的 λ 在 1.8 ~ 2.2 之间,这表明在短时间内电动 机轴上带动的负载只要不超过 1.8 ~ 2.2 TN ,电动机仍能继续运行,因此 一定的 λ 表明电动机所具有的过载能力的大小。 电动机产生的起动转矩 Tst 与额定转矩 TN 之比称为电动机的起动能力, 即

起动能力 ?

Tst TN

一般三相异步电动机的起动能力在 1 ~ 2 之间。 活动三 三相异步电动机的反转、起动和调速 一、三相异步电动机的反转 三相异步电动机采用改变三相电源相序的方法来改变旋转磁场和转向, 从而改变电动机的转向。 方法是: 将三根电源线的任意两根对调, 就可以改 变电动机的转向,如图6-23所示。

图 6-23 三相异步电动机的反转示意图

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二、三相异步电动机的起动 起动要求起动转矩 Tst 要大,以减小起动时间;起动电流 Ist 要小,以免导 致电网电压下降,影响其它同一电网的设备正常运行和自身使用寿命。另 外,起动方法和设备要求简单、经济、易操作。视与电源容量的相对大小, 三相异步电动机可直接起动或降压起动。 (一)直接起动 电动机在额定电压、额定频率下进行的,起动电流大、起动转矩较 大,且简单、方便,因此一般都作为首选采用。 (二)降压起动 一般 20 kW 以上较大容量的三相异步电动机,须采用以下各种降压起动 的方法来限制起动电流,但应注意在降压起动时,起动转矩会因电压下降 而会下降得更多。常用的降压起动方法有: 1.定子串电阻或电抗的降压起动:在定子绕组上串联电阻或电抗 2.星—三角降压起动:正常运行时定子绕组为三角形联结的三相电动 机才能使用这种方法起动,如图 6-24 所示。

图 6-24 星—三角降压起动示意图 3.自耦变压器降压起动 自耦变压器接在电源和电动机之间,给电动机输出一个可调电压,进 行降压、降电流起动。 三、三相异步电动机的调速 所谓调速, 就是在负载不变的情况下, 用人为的方法来改变电动机的转 速,以满足不同生产机械的要求。

n ? n1 (1 ? S ) ?

60 f1 (1 ? S ) p

从上式知,三相异步电动机的调速方法分为三种,即变极调速、改变转 差率调速和变频调速三种。
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(1)变极调速:改变磁极对数 p,电动机的转速只能成倍的改变。 (2)改变转差率调速:转差率与电动机转子结构参数有关,对于绕线 型电动机可在转子电路中串联电阻改变转差率, 达到调速的目的。 这种方法 不适用于笼型电动机。 (3)变频调速:改变交流电源的频率调速。变频调速可以光滑的调节 三相异步电动机的转速,实现无级调速。

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