[工程科技]工业电机

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N1N2i0e1u1e2u2i2＝02、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）：tsinm)2tsin(NtcosNdtdNem1m111上式表明,e1按正弦规律变化，且在相位上滞后于主磁通π/2。感应电动势最大值E1m=N1ωΦm=2πfN1Φm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。mmfNEE11144.42m2m12fN44.42EE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=4.44fN1Φm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=4.44fN2Φm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，K1，这种变压器称为降压变压器；反之，若，K1，则变压器为升压变压器。1N2N1N2Na212121KNNEEUU又:或上式说明：变压器在改变电压的同时,亦能改变电流。2211IUIUkIIUUI2212111212kIIUUI（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Φ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。iu1221KK1NNII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。1221IIUU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。%100PP12CuFeCuFeppPppPp2111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１、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axAXbyBYczCZabcABC（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AXBYCZaxbycz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分类类别代表符号绕组耦合方式自耦O相数单相三相DS冷却方式油浸自冷干式空气自冷干式浇注绝缘油浸风冷油浸水冷强迫油循环风冷强迫油循环水冷-(或J)GCFSFFSP绕组数双绕组三绕组—S调压方式无励磁调压有载调压—Z绕组导线材质铜铝-L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