第7章变压器和电动机

叙永职高——王祥远1变压器和电动机【项目描述】变压器和三相异步电动机在生产上的应用极为广泛，从发电厂生产电能开始到电能的传输及使用，变压器和三相异步电动机起着非常重要的作用。本章先从变压器的基本构造开始逐步学习变压器的工作原理，变压器的功率和效率、变压器的额定值和校验等知识。然后从认识电动机的结构出发，逐步分析电动机的结构特点和基本控制电路，并通过技能训练来强化电动机基本控制电路的知识。【教学目标】应知1.了解变压器的基本构造、种类和常用变压器2.掌握变压器的工作原理；掌握变压器的电压变换、电流变换和阻抗变换关系。3.理解变压器的功率和效率4.了解变压器的额定值及校验方法5.理解单相电动机的结构特点、分类及应用6.了解常用低压电器的分类和作用7.理解三相异步电动机的结构特点及应用，掌握其基本控制方法应会1.能读识变压器的额定值，并掌握判断变压器绕组通断及区分一次、二次绕组的方法2.认识钳形电流表，能正确使用钳形电流表测量交流电流3.能正确选用电动机基本控制电路所需的常用低压电器并安装4.能正确安装三相异步电动机的单相连续运行和正反转控制电路【项目分配】任务一变压器任务二单相交流异步电动机任务三三相异步电动机任务四三相异步电动机的控制叙永职高——王祥远2任务一变压器【教学目标】知识目标了解变压器的基本构造；了解变压器的种类和常用的变压器技能目标掌握变压器的变换作用；变压器的功率和效率；掌握变压器的额定值和检验情感目标养成严谨、求实、务实的的职业精神；具有良好的职业道德，团队合作精神和人际交流能力。【教学重点】变压器的变换【教学难点】变压器的变换【教学过程】（一）明确项目任务变压器电流、电压、阻抗变换的计算（二）制定项目实施计划变压器是一种通过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另一数值的电压、电流、阻抗的交流电的静止电器。在电力系统中，专门用于升高电压和降低电压的变压器统称为电力变压器。电力变压器是使用最广泛的变压器。变压器是利用电磁感应原理制成的静止电气设备。它能将某一电压值的交流电变换成同频率的所需电压值的交流电，以满足高压输电、低压供电及其他用途的需要。一、变压器的基本构造变压器主要由铁心和绕组两部分构成1.铁心是变压器的磁路通道，多用两侧涂有绝缘漆、厚度为0.35～0.5mm的多层相互间绝缘的硅钢片叠成，按照铁心的构造形式，可分为心式铁心（成“口”子形）和壳式铁心（成“日”子形）两种。2.绕组是变压器的电路部分，由一定匝数的漆包线绕制而成，其中，与电源相连叙永职高——王祥远3的称为一次绕组（也称为原边绕组、初级绕组），与负载相连的称为二次绕组（也称为副边绕组、次级绕组）3．其他附件绝缘层——冷却设备——铁壳或铝壳（电磁屏蔽作用）二、变压器的变换作用变压器是根据电磁互感原理制成的，是电场能量与磁场能量转换的器件，是用来改变交流电压和电流的一种设备。常用符号T表示，变压器的主要作用是变换电压、电流和阻抗1.电压变换设变压器一次绕组的匝数为N1，二次绕组的匝数为N2.当变压器接上交流电时，由互感原理可以推出下面公式2121NNEE由于变压器的铁心大多是用纯度较高的铜芯线绕，如果忽略其内阻，则有E1≈U1和E2≈U2，由上式可得KNNUU2121K称为变压比，当K1时,为降压变压器;当K1时，为升压变压器；当K=1时，可用作隔离电源和负载。2.电流变换如果忽略变压器的能量损失，则输入的功率P1等于输出的功率P2，即P1=P2，又因cosUIP，可得，222111coscosIUIU，式中,cos12cos为电路的功率因数，它们的值相差很小，在一般的计算中可认为相等，因此可得2211IUIU代入上面的变压公式可得KNNII11221上式表明电流与绕组的匝数成反比。如果是降压变压器，一次绕组的匝数多，电流小，可用线径较细的绝缘漆包线绕制，相对应的二次绕组要用较粗的绝缘漆包线绕制3.阻抗变换叙永职高——王祥远4变压器还可完成阻抗的变换，阻抗的变换对于阻抗匹配有着重要的意义。设一次绕组侧输入阻抗为1Z,二次绕组侧阻抗为2Z，有221ZKZ上式的意义为：当二次绕组侧接上负载2Z时，一次绕组侧就相当于接入一个22ZK的阻抗。例题7-1-1p167三、变压器的功率和效率1.变压器的功率变压器的一次绕组侧输入功率为1111cosIUP式中，U1为一次电压，I1为一次电流，1为U1和I1的相位差变压器的二次绕组侧输入功率为2222cosIUP式中，U2为二次电压，I2为二次电流，2为U2和I2的相位差输入功率和输出功率的差就是变压器所损耗的功率，即21PPP变压器的功率损耗包括铁损耗（磁滞损耗和涡流损耗）和铜损耗（线绕电阻的损耗）。理想变压器的功率损耗为零。2.变压器的效率将变压器的输入功率和输出功率的百分比称为变压器的效率，即%10012PP例题7-1-2（p168）四、变压器的种类和常用变压器叙永职高——王祥远51.变压器的种类按照相数分: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。按铁心形式分：主要有心式变压器、壳式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。2.常用变压器常用的变压器有：输电用的电力变压器，生产过程中电解用的整流变压器，实验用的调压变压器，电子技术中用的电源变压器、输入变压器、输出变压器、音频变压器、中频变压器、高频变压器、脉冲变压器等。（1）单相电源变压器在电子设备中经常用到电源变压器，它能将市电（交流220V）电压变换成电子设备所需的交流电压，经整流、滤波电路后产生各种直流电压供电路使用。（2）电力变压器电力变压器是能将一个系统的交流电压和电流转换为另一个系统的电压和电流的电力设备，用在三相制输电系统中的输配电线路中，是一种三相电源变压器。三相电源变压器的高压绕组采用星形联结时用字母Y或YN(有中性线）表示；低压绕组采用星形联结时采用字母y或yN（有中性线）表示。（3）仪用变压器电压互感器和电流互感器就是仪用变压器，常用的钳形电流表就是一种电流互感器。叙永职高——王祥远6（4）调压变压器实验中所用的调压器，能在0～250V范围内连续调节输出电压。该种调压器一般是自耦变压器式的接触式调压器若变压器的一次、二次绕组有一部分是共用的，这样的变压器称为自耦变压器，它的电压变换、电流变换和阻抗变换情况与普通变压器的相同。自耦变压器的特点是：因一次电流I1和二次电流I2相位差接近1800，所以，共用绕组部分（N2)电流I很小。这样，这部分绕组所用导线的横截面积可以比普通变压器大大减小，从而变压器就具有质量轻、体积小、绕组间铜损耗较小、效率较高的特点。五、变压器的额定值和检验1.变压器的额定值变压器的运行情况分空载（无负载）运行和有负载运行。制造工厂所拟定的满负荷运行情况称为额定运行，额定运行的条件称为变压器的额定值。额定容量：指二次绕组侧最大视在功率，以V·A（伏安）或KV·A（千伏安）表示。额定一次、二次电压：额定一次电压是指接到一次绕组的电压的规定值；额定二次电压是指变压器空载时，一次绕组侧加上额定电压后，二次绕组侧两端的电压。额定电流：指规定的满载电流值2.变压器的检验在使用变压器时，还必须注意：变压器不能存在故障；必须分清变压器的一次、二次绕组；工作温度不能过高。现以普通小型变压器为例，列出一些检验的步骤和方法。（1）外观检测（2）绝缘性能检测（3）绕组线圈通断检测（4）判别绕组（5）检测判别各绕组的同名端（6）短路性故障的初步判别叙永职高——王祥远7（三）项目实施让学生计算（四）作业布置思考与练习7—1（p171）（五）板书设计1.变压器基本构造2.变压器的变换作用3.变压器的功率和效率4.变压器的种类和常用变压器5.变压器的额定值和检验五、【课后反思】任务二单相交流异步电动机【教学目标】知识目标了解单相异步电动机的构造、工作原理和用途。技能目标掌握单相交流电动机的分类及应用情感目标养成严谨、求实、务实的的职业精神；具有良好的职业道德，团队合作精神和人际交流能力。【教学重点】单相异步电动机的构造、工作原理。【教学难点】起动原理和方法【教学过程】（一）明确项目任务掌握单相异步电动机起动原理与方法（二）制定项目实施计划课前复习1．电流的磁场。2．右手定则、左手定则。叙永职高——王祥远8新课的讲授一、单相交流异步电动机的结构1.单相异步电动机：用单相交流电源供电的电动机。2.特点：结构简单，成本低廉，噪声较小，安装方便；广泛应用在工农业生产，医疗和民用等领域，使用最多的是在家用电器中。3.构造：主要由定子、转子、端盖、轴承、外罩等组成。二、工作原理1．由于单相交流电产生的是脉动磁场，而脉动磁场可认为由两个大小相等、转速相同、但转向相反的旋转磁场所合成。当转子静止时，两个旋转磁场在转子上产生的两个转矩大小相等、方向相反，合转矩为零。即在任何时刻，磁场在空间的轴线并不移动，只是磁场的强弱和方向像正弦电流一样，随时间按正弦规律作周期性变化。所以，转子不能自行起动。2．单相异步电动机转动的关键是产生一个起动转矩。3.我们只要将相位上相差90°的两个电流，通入在空间相差90°电角度的绕组，就能使单相异步电动机产生一个两相旋转磁场。在它的作用下，转子得到起动转矩而转动起来进行工作。如图（a）所示，i1和i2两个电流在相位上相差90°，图（b）所示为在空间布置上相差90°电角度的两相绕组。将i1通入绕组A-X、i2通入绕组B-Y。线端A、B为绕组首端，线端X、Y为绕组末端。正电流从绕组的首端流入，负电流从绕组的末端流入。图（c）各图显示了i1和i2两个电流5个瞬时所产生的磁场情况，从图中可以看出，当电流变化一周时，磁场也旋转了一周。叙永职高——王祥远9三、单相交流异步电动机的分类及应用1.电阻分相起动式电动机(1)电阻分相起动式电动机的副绕组导线线径细，匝数少，电阻大，电感量小，使副绕组呈电阻性电路。其主绕组导线线径粗，匝数多，电阻很小，呈电感性电路。（p174图7-2-2）这样两绕组接在同一单相电源上时，绕组中的电流就存在相位差（又称为存在电角度），从而使单相交流电分为两相，形成旋转磁场而产生起动转矩。当转速达到额定值的70%～80%时，起动开关使副绕组脱开电路，由主绕组单独维持电动机转动。（2）特点：结构简单，成本低廉，运行可靠，但它的起动转矩小，起动电流大，过载能力差，功率因数和效率也都不高。它多用在小功率的机械上，如电冰箱的压缩机、鼓风机等。2.电容分相起动式电动机（1）电容分相起动式电动机的副绕组上通过离心式起动开关串联了一个较大容量的电容器，使副绕组呈电容性，主绕组仍保持电感性。（p174图7-2-3）起动时，副绕组中的电流相位超前主绕组电路电流900（即电角度是900），这样就使单相交流电分为两相，形成旋转磁场而产生起动转矩。当转速达到额定值的70%～80%时，起动开关使副绕组脱开电路，由主绕组单独维持电动机转动。（2）特点：起动性能好，起动电流小，但它的空载电流大，功率因数和效率都不高，并要与适当的电容匹配。它适用于起动转矩较大、起动电流较小的机械，如小型空气压缩机、木工机械等。3.电容运转式电动机（1）与工作绕组并联一个起动绕组，而且起动绕组中串联一个适当容量的电容，（p174图7-2-4）使起动绕组中的电流相位超前工作绕组中电流的相位90º，而且二绕组在空间的位置也相差90º，从而产生旋转磁场使电动机起动。（2）结合如下两图分析旋转磁场的产生。叙永职高——王祥远