第五章++变压器及电动机.pptx

任务一 磁路的基本概念,任务二 电磁铁与变压器,任务三 电动机,变压器及电动机,项目五,任务四 三相鼠笼式异步电动机接法实训,电工设备中常见的磁路及铁心线圈,铁心,任务一 磁路的基本概念,一、磁路的概念,1.磁感应强度B(磁通密度)：是表示磁场内某点的磁场强弱和方向的物理量。,均匀磁场 磁场内各点的 B 大小相等，方向相同。,单位：T（特斯拉）,方向：与电流之间用右螺旋定则确定。,（该点磁场作用于1米长、1安电流的导体上的力）,任务一 磁路的基本概念,4.磁场强度 H 定义：H=B/,3.磁导率,相对磁导率 r=/0（对于铁磁材料 r=102 105）,单位：A/m(安/米),铁磁材料广泛应用在变压器、电机、电工仪表等。,真空磁导率 0=410 7 H/m（亨/米）,对于均匀磁场 F=B S,F-标量 单位：Wb（韦伯）,2.磁通F 等于磁感应强度B与垂直于磁场方向的面积S的乘积。,任务一 磁路的基本概念,二、磁路欧姆定律,磁通势：F=NI 单位A(安）,单位H-1(每亨）,磁路欧姆定律：,铁心磁路,铁心磁路,磁通势：励磁电流和线圈匝数的乘积。,磁路磁阻：,磁路磁阻：,任务一 磁路的基本概念,（不是常数）,F,F,0,0,磁通随磁通势变化曲线,空心线圈,铁心线圈,磁饱和,任务一 磁路的基本概念,1.为什么说磁路欧姆定律只能用于定性分析？,2.磁滞损耗和涡流损耗是怎么产生的？如何减小这两种损耗？,任务二 电磁铁与变压器,一、铁磁材料,1.铁磁材料的磁化曲线,2.铁磁材料的磁滞回线,任务二 电磁铁与变压器,3.铁磁材料的分类及应用,软磁材料：主要特点是导磁系数高，容易磁化和退磁，磁滞损耗小，如硅钢片、铸钢、铁氧体等。这类材料主要用于制造电机、变压器和电器的铁心；坡莫合金常用于制作高频变压器及脉冲变压器的铁心。,硬磁材料：主要特点是剩磁大，如钴钢、锰钢、钨钢等。这类材料主要用于制造永久磁铁、扬声器和电工仪表等。特别是钕铁硼永磁材料，由于其有很高的剩磁性能，目前被广泛应用于制作各种永磁电机的磁场，能有效地减少电能的损耗，提高电机的效率，在航空航天技术中得到了广泛的应用。,矩磁材料：主要特点是受较小的磁场的磁化就可以达到饱和，而去掉磁场后仍能保持饱和状态，如锰镁铁氧体、锂锰铁氧体和某些铁镍合金等。由于矩磁材料去掉磁场后仍能保持饱和状态，具有一定的“记忆”功能，常用于制造存储器磁芯和外部设备中的磁鼓、磁带、磁盘等。,变压器可以变换电压、电流和阻抗的功能。应用非常广泛。,电力系统：变压器用于改变供电系统的电压。,电子线路：变压器用于改变电压、耦合电路、传送信 号和实现阻抗的匹配等。,还有一些特殊变压器（如：自耦变压器、电流互感器等）及专用变压器（如：电焊变压器、整流变压器等）。,按相数分:单相、三相和多相变压器。,分类：,按用途分:电力变压器，特殊用途变压器。,按结构分:心式变压器、壳式变压器。,按冷却方式分:自冷变压器、油冷变压器。,任务二 电磁铁与变压器,其它部件,壳式变压器,变压器主要组成部分,变压器铁心,变压器绕组,心式变压器,线圈,铁心,铁心,线圈,二、变压器的结构,任务二 电磁铁与变压器,变压器铁心的作用是构成磁路。为了减小涡流和磁滞损耗，一般采用具有绝缘层的0.230.35mm厚硅钢片叠压而成。在一些专用的小型变压器中，也有采用铁氧体或坡莫合金替代硅钢片的。,1、铁心,任务二 电磁铁与变压器,2、绕组（线圈）,变压器的绕圈通常称为绕组。在变压器中，接到高压电网的绕组称为高压绕组或一次绕组，接到低压电网的绕组称为低压绕组或二次绕组。,按照高压绕组和低压绕组的相互位置和形状的不同，绕组可以分为同心式和交叠式两种。,任务二 电磁铁与变压器,壳式变压器绕组和铁心的结构示意图,任务二 电磁铁与变压器,低压绕组,高压绕组,同心式绕组,交叠式绕组,低压绕组,高压绕组,任务二 电磁铁与变压器,变压器的绕组,任务二 电磁铁与变压器,三、变压器的工作原理,其中N1为一次绕组的匝数，一次绕组也称为原绕组或原边。N2为二次绕组的匝数，二次绕组也称为副绕组或副边。,任务二 电磁铁与变压器,e1,变压器原理示意图,i1,e1,主磁通,1,N1,e2,e2,i2,2,原绕组,副绕组,变压器符号,任务二 电磁铁与变压器,变压器变比,E2=4.44 f N2 m,1.空载运行,变压器空载：,E1=4.44 f N1 m,e1,i1,e1,N1,e2,变压器带载工作时,任务二 电磁铁与变压器,i2,2.负载运行,变压器接负载：,U1E1=4.44 f N1 m,变压器接负载后,副边磁势也产生磁通,主磁通 为合成磁通。,电源电压U1没有变,变压器接负载后,主磁通 m 不变。,（空载电流很小）,N1I1=N2 I2,结论,有效值,任务二 电磁铁与变压器,3.阻抗变换,Z1,负载阻抗,结论,在电子线路和通信工程中，常用变压器来实现阻抗的匹配。,任务二 电磁铁与变压器,四、变压器的额定值和运行特性,1.变压器的额定值,（1）额定电压（V、KV）,U2N 原绕组加U1N时，副绕组的开路电压。,U1N 原绕组的额定电压。,三相变压器为线电压。,（2）额定容量（VA、KVA）,三相变压器,单相变压器,任务二 电磁铁与变压器,（3）额定电流（A）,I2N 副绕组的额定电流。,I1N 原绕组的额定电流。,三相变压器为线电流。,（4）额定频率fN,额定频率fN是指变压器应接入的电源频率，我国电力系统的标准频率为50Hz。,（5）型号,任务二 电磁铁与变压器,例:某收音机输出变压器的原线圈匝数N1=600匝，N2=30匝，接有阻抗为16扬声器（匹配），现要改接成4扬声器，问二次线圈匝数为多少才能匹配？,解：原变比,任务二 电磁铁与变压器,电压变化率,2.变压器的外特性,（电压变化率越小越好，一般在5%左右）,变压器外特性,当电源电压U1和负载功率因数一定时，的关系曲线称为变压器的外特性。,任务二 电磁铁与变压器,损耗,铜损,效率,电力变压器=(9099)%,3.变压器的功率损耗与效率,铁损 PFe与Bm、f有关,例:有一单相容量为10kVA、额定电压3300/220V的变压 器。问：（1）变压器的变比；原、副边额定电流是多少？（2）副边接220V、40W的白炽灯，如变压器在额定状态下运行，可接多少盏？（3）如果副边接的是220V、40W、cos=0.45的日光灯可接多少盏？,任务二 电磁铁与变压器,解：,（3）,每盏灯电流,（2）,每盏灯电流,（1）,任务二 电磁铁与变压器,1.为什么变压器的铁心要用硅钢片叠成？用整块的铁心行不行？,变压器能否用来变换直流电压？如果将变压器接到与额定电压相同的直流电源上，会有输出吗？会产生什么后果？,有一台220110V的变压器，可否把变压器原绕组绕2匝，副绕组绕1匝来满足变比的要求？为什么？,任务二 电磁铁与变压器,五、常用变压器,1、自耦变压器和调压器,滑动头,原理图,接零线,接火线,任务二 电磁铁与变压器,(1)原、副边不能对调使用，否则可能会烧坏绕组，甚至造成电源短路。(2)接通电源前，应先将滑动触头调到零位，接通电源后再慢慢转动手柄，将输出电压调至所需值。,使用自耦调变压器时应该注意：,任务二 电磁铁与变压器,2.小功率电源变压器,小功率电源变压器：在各种仪器设备中提供所需电源电压的变压器，一般容量和体积都较小。,小功率电源变压器,任务二 电磁铁与变压器,变压器线圈极性的测定,如果变压 器有两个相同的原边，串联时可接于高压，并联时可接于低压，但接线时一定要注意同极性端。,1）.同极性端（同名端）：当电流从同极性端流入时，两线圈产生的磁通方向相同。,1、3为同名端,1、4为同名端,正确的串联接法,同名端标注,任务二 电磁铁与变压器,2）同名端的测定,直流法（三“正”法）,s,电流表正指，1、3为同名端,交流法,1、3为同名端,1、4为同名端,任务二 电磁铁与变压器,3.三相电力变压器,在电力系统中，用来变换三相交流电压，输送电能的变压器称为三相电力变压器。,三相电力变压器,任务二 电磁铁与变压器,三相变压器的接法,三相电力变压器的额定容量为：,三相变压器的原、副边绕组可以根据需要分别接成星形或三角形，三相电力变压器的常见连接方式有Y.yn(Y/Y0星形连接有中线)和Y.d(Y/星形三角形连接)，如图所示。,任务二 电磁铁与变压器,例：有一带有负载的三相电力变压器，其额定数据如下：SN=100kVA，U1N=6000V，U2N=U20=400V，f=50Hz，绕组接成Yyn，由试验测得，PFe=600W，额定负载时的Pcu=2400W。试求：(1)变压器的额定电流。(2)满载和半载时的效率。,(2)满载时和半载时的效率分别为,解：(1)由 得,任务二 电磁铁与变压器,4.仪用互感器,仪用互感器按用途不同可分为电压互感器和电流互感器两种。,1）电压互感器,外形及结构原理如图所示。,电压互感器用来扩大测量交流电压的量程。,通常电压表的表盘上直接标出被测的电压值。,注意,测量时副绕组电路不允许短路，否则，副边会有很大的电流，危及设备及人身安全。,任务二 电磁铁与变压器,被测电流,电流互感器用来扩大测量交流电流的量程。,通常电流表的表盘上直接标出被测的电流值。,测量时副绕组电路不允许开路，否则，副边会有很高的感应电动势，危及设备及人身安全。,注意,2）电流互感器,任务二 电磁铁与变压器,1.自耦变压器与普通变压器相比，有何特点？,3.调压器用毕后为什么必须调回零点？如果错误地把电源电压220V接到调压器的输出端，试分析会出现什么问题？,2.为什么在运行时，电压互感器二次侧不允许短路？而电流互感器的二次侧不能开路？,任务二 电磁铁与变压器,4.1 三相异步电动机的结构及转动原理,4.2 三相异步电动机的电磁转矩与机械特性,4.3 三相异步电动机的控制,4.4 三相异步电动机的铭牌数据,异步电动机,第 4章,4.1 三相异步电动机的结构及转动原理,4.1.1 三相异步电动机的结构,4.1.2 三相异步电动机的工作原理,异步电动机是把交流电能转变为机械能的动力机械，广泛应用于工业（如：机床、纺织机械、起重机、矿山机械等）、农业（脱粒机、粉碎机、水泵及加工机械等）、家用电器（电风扇、空调、洗衣机、电冰箱及小功率电动工具等）。,电动机,发电机,电机,直流电机,交流电机,同步电机,异步电机（笼型、绕线型）,特殊电机,三相异步电机,单相异步电机,本章重点介绍三相异步电机。,三相异步电机,接线盒,转轴,4.1.1 三相异步电动机的结构,机座,定子铁心,定子绕组,接线盒,端盖,罩壳,风扇,转子,此外，还有端盖、轴承、风扇等部件。,转轴,主要部件是由定子和转子两大部分组成。,三相异步机的结构,转子,1.定子 三相异步电动机的定子是由机座、定子铁心和定子绕 组组成。,定子绕组,机座,铁心,定子铁心冲片,U1,U2,三相定子绕组,（U相）,2.转子,根据转子绕组结构的不同分为：,三相异步电动机的转子是由转子铁心、转子绕 组和转轴组成。,转子铁心冲片,铁心,转子绕组,转轴,笼型转子,去掉铁心后的转子导条,（转子铁心槽内嵌有铸铝导条）,笼型转子,绕线型转子,（转子铁心槽内嵌有三相绕组）,鼠笼式转子,绕线式转子,4.1.2 三相异步电动机的工作原理,异步电动机模型,1.旋转磁场的产生,三相异步电动机的定子铁心中放入三相定子绕 组。,定子绕组,U1,U2,V1,V2,W1,W2,定子绕组Y接,接入三相对称电源。,t=0iu=0iv为负值iw为正值,t=0,360,240,120,t=120,t=240,t=360,N,S,N,N,N,S,S,S,空间相差120 角的三相绕组，通入对称三相电流时，产生的是一对磁极的旋转磁场，磁场的旋转方向与绕组中电流的相序一致。,如果改变流入三相绕组的电流相序,就能改变旋转磁场的旋转方向，三相异步电动机的旋转方向也就跟着改变。,如果电流的相序为U-V-W-U则旋转磁场为顺时针方向。,n1,2.磁场的旋转方向,与绕组中电流的相序一致U-V-W-U。,t=0,360,240,120,t=240,绕组中电流的相序为U-W-V-U，磁场逆时针旋转。,把三相异步电动机的三根线任意调换两根与电源相接，电动机旋转方向反向。,t=360,旋转磁场的磁极对数p与取决于三相定子绕组的结构和连接方式。,3.旋转磁场的磁极对数 p,4.旋转磁场的转速n0,(转/每分）,电源频率,电动机的磁极对数,+,f,f,转子转速n,旋转的磁场可以带动转子同方向旋转,异步电动机原理图,转子,定子,磁场转速n1,n,三相异步电动机转子在旋转磁场的作用下转动起来，其转向与旋转磁场的转向相同。,磁场转速n1,转子,感应电动势(电流),5.电动机的转动原理,n=(1s)n1,转差率：,0 s,sN=0.01 0.06,例 一台额定转速为1450r/min的三相异步电动机，求：额定转差率。,解：,因为sN=0.01 0.06，所以该电动机为4极电机，旋转磁场转速为1500 r/min。,某三相异步电动机额定转速（即转子转速）n=950r/min，试求工频情况下电动机的额定转差率及电动机的磁极对数。,磁极对数,额定转差率为：,由于电动机的额定转速接近于同步转速，所以可得电动机的同步转速,例：,4.2 三相异步电动机的电磁转矩与机械特性,4.2.1 三相异步电动机的电磁转矩,4.2.2 三相异步电动机的机械特性,4.2.1 三相异步电动机的电磁转矩,电动机的电磁转矩是由转子电流的有功分量和定子旋转磁场相互作用产生的。,电磁转矩的大小与转子电流的有功分量(I2a)、旋转磁场的强弱(0)成正比。,与电动机结构有关的常数,转子回路的功率因数,电磁转矩与电动机参数之间的关系：,电动机结构常数,U1 电动机电源电压，电源电压波动对电动机的转矩影响很大。,R2 电动机转子绕组电阻。,X20 电动机转子不转时，转子绕组的感抗。,S 电动机的转差率。,4.2.2 三相异步电动机的机械特性,S,Tem,1,0,Tst,sN,TN,Tem=f(S),TN 额定转矩,Tm 最大转矩,Tst 起动定转矩,电动机的电磁转矩与转差率之间的关系,当 U1、R2、X20为固定值时，,机械特性:,电动机的电磁转矩与转速之间的关系曲线。,Tem=f(S),n=f(Tem),三相异步电动机的机械特性,稳定运行时，电动机轴上输出的转矩等于负载转矩 Tem T2,稳定运行区域：AB段当负载转矩发生变化时，电动机能自动调节到新的稳定运行状态。,Tm,1.额定转矩TN,电动机额定运行时的转矩,PN 单位：千瓦（kW）,nN 单位：转每分（r/min）,TN 单位：牛米（N m）,例:有两台功率相同的异步电动机，一台PN=7.5 kW，nN=962r/min，UN=380V，另一台PN=7.5 kW，nN=1450r/min，UN=380V，求电动机额定转矩。,解:第一台,第二台,2.最大转矩Tm,令,代入得:,sm R2而与U1无关,Tm U12而与R2 无关,3.起动定转矩Tst,过载能力(最大转矩倍数),Y系列三相异步电动机T 2 2.2,起动瞬间 n=0，s=1,当负载转矩 T2Tst 时，电动机可带负载起动。,起动转矩倍数,Tst 起动转矩越大，起动就越迅速。,Y系列三相异步电动机 K st 1.7 2.2,4.3 三相异步电动机的控制,4.3.1 电动机的起动控制,4.3.2 电动机的制动控制,4.3.3 电动机的调速控制,4.3.1 三相异步电动机的起动,对电动机起动的要求:,起动过程:电动机接通电源后，转速由零增至稳定运行状态的过程。,起动转矩大,起动电流小,起动时间短,起动过程的特点:,2.转子绕组的功率因数低，起动转矩不大。,笼型电动机常用起动方法:,直接起动,降压起动,1.起动电流是额定电流的6 7倍。,一、直接起动(全压起动),直接起动线路,缺点：起动电流大。,控制电路简单，投资少，起动时间短。,优点：,允许直接起动的条件：,因为起动电流大，引起的线路压降就大，可能影响到其他设备的正常工作，所以大容量电动机不允许直接起动。,：电动机起动电流倍数,二、降压起动,1.Y-换接起动,电动机在起动时接成Y联结，正常运行时接成联结。只适用于工作时接的电动机。,（运行）,Q1,缺点：起动转矩小。,设备简单，成本低，操作方便，动作可靠。每相定子绕组承受相电压起动，起动电流小。,优点：,Q2,起动,运行,2.自耦补偿器降压起动,三相自耦变压器,如果自耦变压器的变比为Ka,采用自耦变压器的起动电流、起动转矩为：,绕线式电动机起动时，可在转子绕组中串入电阻，可减小起动电流，还可以增大起动转矩。,3.转子串电阻起动,绕线式电动机适用于要求起动转矩大的生产机械，如卷扬机、起重机等。,例:已知一台PN=10kW，IN=20 A，UN=380 V，nN=1450r/min,接三相笼型电动机，由手册查得：Ist/IN=7，Tst/TN=1.4，拟半载起动,电源容量为200kVA,试选择适当的起动方法,并求此时的起动转矩和起动电流。,解:,（1）直接起动,KI=7 5.75 不允许接起动。,（2）Y-换接起动,不能采用Y-换接起动。,例:已知一台PN=10kW，IN=20 A，UN=380 V，nN=1450r/min,接三相笼型电动机，由手册查得：Ist/IN=7，Tst/TN=1.4，拟半载起动,电源容量为200kVA,试选择适当的起动方法,并求此时的起动转矩和起动电流。,解:,（3）自耦补偿器起动,由题意,设：自耦变压器的变比为Ka,变压器抽头为,（抽头置于60%位置）,4.3.2 电动机的制动控制,1.能耗制动,调节制动电流,能耗制动的特点：,制动准确、平稳、能量消耗小。但制动力较弱,且需要有直流电源。,固定磁场n1=0,制动原理,2.反接制动,运行,制动,制动原理,将电源的任意两相对调，产生反向旋转磁场，产生制动转矩。,方法简单，制动效果好，但能耗大。,特点：,制动限流电阻,3.回馈制动,电动机转速n大于旋转磁场转速n1。如起重机重物下放时。,电动机处于发电运行状态。,特点：,4.3.3 电动机的调速控制,调速方法,变频调速（笼型电动机）,变极调速（笼型电动机）,变转差率调速（绕线型电动机）,电动机的转速与电源频率、电机磁极对数、转差率有关。,1.变极调速,电源频率不变，改变电动机的磁极对数 p 调速。,有级调速,P=2,定子绕组接线,电机磁场情况,P=1,U1,U2,2.变频调速,改变频率（f1)调整电动机的转速，属无级调速，调速性能好，但需有一套专用变频设备。,3.变转差率调速,在绕线式电动机转子绕组中串入可调电阻R,可改变 s 和 n。,可实现小范围无级调速，但能耗大，效率低，广泛应用于起重设备。,特点：,4.4 三相异步电动机的铭牌数据,铭牌的作用：向使用者简要说明电动机的一些额定数据和使用方法。,例：某电动机铭牌数据如下。,三相异步电动机型号Y132 M-4 功率7.5kW 频率50HZ电压 380V 电流15.4A 接法转速 1440 r/min 绝缘等级B 工作方式 连续 年 月 编号 电机厂,1.型号,Y 132 M-4,三相异步电动机,机座中心高(mm),磁极数,机座长度代号,(S短机座;M中机座;L长机座),2.功率PN 额定运行时，轴上输出的机械功率。,输入功率,效率,3.电压UN 额定运行时，定子绕组上应加的线电压。,4.电流IN 在UN、PN时，流入定子绕组的线电流。,5.转速nN 在UN、PN、IN时，电动机转子的转速。,6.接法,电动机三相定子绕组的接线方法。,接线盒,接线盒,接,Y接,7.频率 fN 我国电网频率为50HZ。,8.温升及绝缘等级,电动机常用绝缘材料分为五个等级。,9.工作方式,连续工作、短时工作、断续周期工作。,10.其他,可从电工手册中查得,功率因数、效率、,例:某三相异步电动机，型号为Y225M4，其额定数据如下：额定功率45kW，额定转速1480r/min，额定电压380V，效率92.3%，功率因数0.88，Ist/IN=7.0，起动系数Kst=2.2，过载系数，试求：(1)额定电流IN和起动电流Ist；(2)额定转差率SN；(3)额定转矩TN、最大转矩Tmax、起动转矩Tst。,解：(1)4100kW的电动机通常采用380V/(三角形连接)，因此有,(2)由nN=1480r/min可知，该电动机是四极的，即p=2，n0=1500r/min所以,