《电机与电气控制技术》讲稿-高教社(2019.2) .doc
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1、电机与电气控制技术讲稿-高教社(2019.2) 电机与电气控制技术讲稿教材采用:电机与电气控制技术 高等出版社主编:赵承荻、王玺珍、袁媛计划课时 60 授课学期 任课教师 授课班级 年 月2第一章 变压器第一节变压器的工作原理及分类第三节 变压器的基本结构一、电工基本定律1、电路欧姆定律1) 直流电路欧姆定律,流过电阻上电流的大小与电压成正比。2) 交流电路欧姆定律,流过阻抗Z上电流的大小与电压的成正比。2、磁路欧姆定律在磁阻 组成的磁路中,通过磁路中的磁通与产生该磁通的磁动势成正比,与磁路的磁阻成反比,即N为线圈匝数,I为流过线圈的电流,为磁路平均长度,A为磁路的横截面积,为磁路的导磁系数。
2、3、发电机右手定则导体在磁场中作切割磁感线的运动时,在导体中会产生感应电动势,其大小为:为感应电动势;为磁感应强度;为切割磁感线的导体长度;为导体切割磁感线的速度。感应电动势的方向可用右手定则判定。4、电动机左手定则通电导体在磁场中会受到力的作用,方向用左手定则判定。为作用力;为磁感应强度;为通过导体的电流;为导体在磁场中的有效长度。l 左手与右手定则:磁力线垂直穿过掌心大拇指所指为力的方向 四指所指为电流的方向5、右手螺旋定则1)通电导线右手螺旋定则通电的导线周围会产生磁场,其电流和磁场的方向可用右手螺旋定则来判定2)通电线圈右手螺旋定则通电的线圈在线圈内部及周围也会产生磁场,电流和在线圈内
3、部的磁场方向可用右手螺旋定则来判定6、楞次定律 当通过线圈中的磁通发生变化时,在线圈内部会产生感应电动势,而感应电动势 的方向总是企图使它所形成的感应电流所产生的磁通阻止原磁通的变化。二、单相变压器工作原理变压器是利用电磁感应原理工作的,主要由铁心和绕组组成。两个相互绝缘且匝数不同的绕组分别套装在铁心上,两绕组间只有磁的耦合而没有电的联系,一次绕组加上交流电压后,绕组产生励磁电流,在铁心中产生与同频率的交变磁通,根据电磁感应原理,在原、次边绕组中产生感应电动势和。将次边接入负载后,就有电流流过负载,实现了电能从原边到次边的传递。从上式可知,一、二次绕组感应电动势的大小与绕组的匝数成正比,因此只
4、要改变一、二次绕组的匝数,就可变压的目的。三、变压器极性判别1、变压器的极性变压器的原、次边绕组在同一个铁心上,都被同一磁通交链,因此都会在绕组中产生在感应电动势,在任一瞬间一次绕组的某一端点的感应电动势与二次绕组的某一端感应电动势的极性相同时,就称为同极性端或同名端,用符号“”或“*”表示。当变压器需要扩大容量时,就需将两台变压器联在一起使用。扩大容量有两种情况,一种是扩大电流,一种是扩大电压。将输出电压相等的变压器次边并联运行,可扩大输出电流。将变压器的次边串联运行,可扩大输出电压。例1:将两台220V/36V单相变压器联接成电压为220V/36V的接法,方法见下图。例2:将一台220V/
5、36V单相变压器与一台220V/24V的单相变压器联接成电压为220V/60V的接法,方法见下图。2、变压器绕组的极性判别(1)分析法对两个绕向已知的绕组,当电流从两个同极性端流入(或流出)时,铁心所产生的磁通方向是一致的。(2)实验法对于已经制成的变压器,从外部无法观察绕组的绕向,可用实验的方法判别,判别方法有交流法和直流法两种。 交流法 将2、4端连接在一起,在上、2端加入一个较低的交流电压,用交流电压表分别测量、 的值,如果,则1、3为同极性端,如果,则1、4为同极性端。 直流法(电磁感应法) 用1.5V或3V的直流电源通过开关S接在高压绕组上,将直流毫伏表接在低压绕组两端。当合上开关S
6、的瞬间,如毫伏表指针正偏(向右),则接电源正极的端子与接毫伏表正极的端子为同极性端。四、变压器结构、特点1、单相变压器结构、特点(1)铁心80年代生产的新型电力铁心用高磁导率、低损耗的冷轧晶粒取向硅钢片制作,降低的损耗,提高了变压器的效率。三相电力变压器铁心均采用心式结构,交叠式的叠装工艺。交叠式铁心优点是各层磁路的接缝相互错开,气隙小,空载电流小,且铁心的夹紧装置简单经济,可靠性高;不足之处是铁心及绕组的装配工艺较复杂。(2)绕组三相变压器绕组一般采用绝缘纸包的扁铜线绕成结构形式与单相变压器一样有同心式绕组和交叠式绕组。(3)油箱和冷却装置为了铁心和绕组的散热和绝缘,将其放置在变压器油内,为
7、了增加散热面积,在四周装有散热片,容量大于10 000KVA的电力变压器,采用风冷或强迫油循环冷却装置。(4)保护装置:气体继电器、防爆管(安全气道)五、变压器铭牌数据1、型号2、额定电压 和在三相变压器中,额定电压是指线电压。高压侧(一次绕组)额定电压是加在一次绕组上的正常工作电压值,是根据变压器的绝缘强度和允许发热等条件规定的。低压侧(二次绕组)额定电压是变压器在空载时,高压侧加上额定电压后,二次绕组输出的电压值。3、额定电流和额定电流是根据变压器容许发热的条件而规定的满载电流值。在三相变压器中是指线电流。4、额定容量额定容量是变压器在额定工作状态下,二次绕组的视在功率。单相变压器的额定容
8、量为:三相变压器的额定容量为:5、联结组标号6、阻抗电压又称为短路电压,是额定电流时变压器阻抗压降的大小,通常用它与额定电压的百分比来表示。4第二节 单相变压器的运行原理一、变压器的电流、磁通、感应电动势的参考方向为了统一,按照“电工惯例”来规定参考方向:1、在同一支路中,电压的参考方向与电流的参考方向一致。2、磁通的参考方向与电流的参考方向之间符合右手螺旋定则。3、由交变磁通的电动势感应,其参考方向与产生该磁通的电流参考方向一致,即感应电动势与产生它的磁通之间符合右手螺旋定则时为正方向。图中电压、电流、磁通、感应电动势的参考方向是按此惯例标出的。二、变压器空载运行变压器空载运行原理图变压器一
9、次绕组接额定交流电压,而二次绕组开路,的工作方式称为变压器的空载运行,如上图所示。1、理想变压器为了分析问题方便、简单,忽略漏磁通、一次绕组的电阻及铁心的损耗,这种变压器称为理想变压器。空载时,在外加交流电压作用下,一次绕组中通过的电流称为空载电流,在电流的作用下,铁心中产生交变磁通,同时穿过一、二次绕组,分别在其中产生感应电动势和,大小与成正比。当 时,则 感生电动势在相位上滞后磁通90,有效值为因此: 则在空载情况下,空载电流很小,在一次绕组中产生的电压降忽略不计,则,方向相反,即电动势与外加电压相平衡。由于二次侧开路,则。因此 ,为变压器的变比, 由上分析可知:(1)变压器一次、二次绕组
10、的电压与一次、二次匝数成正比,即变压器有变换电压的作用。(2)当频率与匝数为常数时,加在变压器上的交流电压为恒定值,则变压器铁心中的磁通基本上保持不变,这就是恒磁通概念。 2、实际变压器实际的变压器空载运行时,磁通分为两部分:一部分为主磁通过铁心同时与一、二次绕组交链,在一、二次绕组中产生感应电动势和;另一部分漏磁通通过一次绕组周围的空间形成闭合回路,只与一次绕组交链,在一次绕组中产生漏抗电动势 。由于漏磁通经过空气形成闭合回路,磁路不会饱和,使漏磁通保持与成正比,所以漏阻抗是一个常数。实际变压器空载除产生主磁通和漏磁通外,还具有有功分量,以供绕组电阻和铁心中的损耗。电动势平衡方程式为: =
11、= 其中一次绕组的电阻很小,漏阻抗很小,产生的漏抗电动势也很小。所以实际变压器在穿戴运行时仍然是: ,三、变压器负载运行如上图,当变压器二次绕组接上负载后,二次绕组流过负载电流,并产生去磁磁势,为保持铁心中的磁通基本不变,一次绕组中的电流由增加为,磁通势变为以抵消二次绕组电流产生的磁通势的影响。磁动势平衡方程式为:由上可知,负载时一次侧电流由建立主磁通的励磁电流和供给负载的负载电流分量组成,用以抵消二次绕组磁通势磁作用,使主磁通保持不变。当二次绕组的输出功率增加,、二次绕组的电流增加,则使一次绕组中的电流增加,一次侧输入功率也随之增加,从而实现了能量从一次侧到二次侧的传递。由于很小,公式可表示
12、为 “-” 表示 与在相位上相差180,由些可知,变压器一次、二次绕组中的电流与其绕组的匝数成反比,即变压器有变换电流的作用。由上式可知变压器的高压绕组匝数多、电流小,所需导线细;低压绕组匝数少、电流大,所需导线粗。电动势平衡方程式一次绕组的电动势平衡方程式为: 二次绕组的电动势平衡方程式为 为二次绕组漏阻抗,为二次绕组的负载阻抗,为二次绕组的负载电阻,为二次绕组的负载电抗。变压器的阻抗变换:变压器不但具有电压变换和电流变换的作用,还具有阻抗变换的作用。当变压器二次绕组接上阻抗为Z的负载后,则 相当于直接接在一次绕组上等效阻抗,故。可见接在变压器二次绕组上负载Z与不经过变压器直接接在电源上等效
13、负载相减小了倍,即负载阻抗通过变压器接在电源上时,相当于把阻抗增加了倍。在电路应用中,为了获得最好的功率输出往往对输出电路的输出阻抗与所接的负载阻抗要相匹配。为了在扬声器中获得最好的音响效果(最大的功率输出),要求音响设备输出的阻抗与扬声器的阻抗尽量相等。但实际上扬声器的阻抗很小,而音响设备等信号的输出阻抗却很大,因此通常在两者之间加接变压器来达到阻抗匹配的目的。6第四节 三相电力变压器一、三相油浸式电力变压器的结构在三相电力变压器中,目前使用最广泛的是三相油浸式电力变压器,主要由铁心、绕组、油箱和冷却装置、保护装置等部件组成。铁心是三相变压器的磁路部分,与单相变压器一样,它由0.230.3m
14、m厚的硅钢片叠压(或卷制)而成。随着我国节能减排“十二五”规划的贯彻实施,采用新的软磁材料非晶合金作为铁心材料的非晶合金变压器正在被迅速推广。非晶合金是采用铁基、铁镍基、钴基等合金,采用先进的超级冷技术将液态金属直接冷却形成厚度为0.020.04mm的固体薄带材料来制作变压器铁心,它具有高饱和磁感应强度、低矫顽磁力、低损耗等优点,空载损耗可比叠片式硅钢片铁心下降70%80%,空载电流下降约85%,负载损耗下降20%30%,节能效果十分明显。二、三相电力变压器的联结联结组是指三相电力变压器高、低压绕组的连接方式。在三相电力变压器中,不论是高压绕组,还是低压绕组,我国均采用星形联结及三角形联结两种
15、方法。1、三相变压器绕组的连接方法三相变压器一、二次绕组均采用Y与联结方式。星形联结是把三相绕组的末端U2、V2、W2(或u2、v2、w2)连接在一起,而把它们的首端U1、V1、W1(或u1、v1、w1)分别用导线引出。三角形联结是把一相绕组的首端与另一相绕组的首端连在一起,顺次连接成一个闭合回路,再从三个连接点引出导线。国家标准规定:高压绕组戥联结用Y表示,三角形联结用D表示,中性线用N表示。低压绕组星形联贯用y表示,三角形联结用d表示,中性线用n表示。三相变压器一、二次绕组不同接法的组合形式有:Y,y;YN,d;Y,yn;D,y;D,d等。不同形式的组合,各有优缺点,高压绕组接成星形可使绕
16、组的对发绝缘要求降低。大电流的低压绕组采用三角形联结。可使导线截面积比星形缔结时减小 ,便于绕制。2、三相变压器的联结组别一、二次绕组线电压之间的相位关系是不同,且一、二次绕组线电动势的相位差总是30的整数倍。因此,国际上用时钟法规定:一次绕组线电压UUV为时钟的长针,永远指向钟面上“12”,二次绕组线电压UUV的短针,它指向哪个数字,该数字则为该三相变压器联结级别的标号。(1)Y,y联结组(偶数)(2)Y,d联结组(奇数)三相电力变压器的联结组别有很多的,为了制造与运行方便的需要,国家标准规定了三相电力变压器只采用五种标准联结组:Y,yn0 ;YN,d11;YN,y0 ;Y,y0 ;Y,d1
17、1。Y,y0不能用于三丰变压器组,只能用于三铁心的三相变压器。三、电力变压器运行特性1、变压器的外特性与电压变化率当变压器一次绕组电压和负载的功率因数一定时,二次绕组电压与负载电流的关系,称为变压器的外特性。变压器的外特性是用来描述输出电压随负载电流变化而变化的情况。从变压器外特性图可以看出,当 时,随下降得并不多;当在感性负载,降低时,随下增加而下降的程度加大,主时因为滞后无功电流对变压器磁路中的主磁通的去磁作用更为显著,而使E1和E2有所下降的原因;当在容性负载,为负值时,超前的无功电流有助磁作用,主磁通会有所增加,使得会随下的增加而提高。这些表明,负载的功率因数对变压器外特性的影响是很大
18、的。一般情况下,变压器的负载大多数是感性负载,当负载增加时,输出电压U2总是下降的。当变压器从空载到额定负载运行时,二次绕组输出电压的变化值与空载电压之比的百分数称为变压器的电压变化率,有%来表示。电压变化率反映了供电电压的稳定性,是变压器的一个重要按照权利要求。U%越小,则变压器二次绕组输出的电压越稳定。2、变压器的损耗与效率变压器从电源输入的有功功率与向负载输出的有功功率之差为变压器的损耗功率,它包括铜损耗和铁损耗两部分。(1)铁损耗磁滞损耗基本铁损耗涡流损耗附加铁损耗铁心叠片间绝缘损伤面产生的局部涡流损耗主磁通在铁心以外的结构部件引起的涡流损耗铁损耗附加损耗约为基本损耗的15%20%左右
19、。变压器的铁损耗与一次绕组上所加的电源电压大小有关,而与负载的大小无关。当电源电压一定时,铁心中的磁通基本不变,则铁损耗也基本不变,因此铁损耗又称“不变损耗”。(2)铜损耗变压器的铜损耗有基本铜损耗和附加铜损耗。基本銅损耗是由电流在一次、二次绕组电阻上产生的损耗,附加损耗是由漏磁通产生的集肤效应使电流在导体内颁不均匀而产生的额外损耗。附加铜损耗约为基本铜损耗的2%3%。在变压器中铜损耗与负载电流的平方成正比,所以铜损耗又称为“可变损耗”。3、效率变压器的输出功率与输入功率之比称为变压器的效率。由于变压器没有旋转的部件,不像电机那样有机械损耗存在,因此变压器的效率一般都比较高。中、小型电力变压器
20、效率在95%以上,大型电力变压器效率可达99%以上。4、效率特性变压器的效率特性曲线变压器在不同的负载电流时,输出功率与铜损都不同,因此变压器的效率,随负载电流的变化而变化。当铁损耗等于铜损耗时,变压器的效率最高。变压器的负载电流不同时,输出功率及铜损耗犘也在变化,因此变压器的效率将随负载电流的变化而变化,其变化规律通常用变压器的效率特性曲线来表示,图中: ,称为负载系数。通过数学分析可知:当变压器的铁损耗等于铜损耗时,变压器的效率最高,通常热轧硅钢片铁心变压器的最高效率0.60.7,而冷轧硅钢片铁心变压器的最高效率0.30.5。也就是说目前我国生产及上网运行的三相电力变压器当负载为变压器额定
21、容量的30%50%时,变压器效率最高、最经济。(5)电压变化率当变压器一次绕组接额定电压,二次绕组空载时的电压(称为额定电压)与额定负载时的电压之差与之比的百分值就称为变压器的电压变化率,用%来表示。电压变化率反映了供电电压的稳定性,是变压器的一个重要性能指标。U越小,说明变压器二次绕组输出的电压越稳定,因此要求变压器的U越小越好。常用的电力变压器从空载到满载,电压变化率为4%6%。8 第五节 常用变压器在各种电气设备、家用电器和电子仪器设备中都广泛使用各种小型变压器,它们的容量一般都比较小,因而体积小、重量轻,却承担着不同的功能,成为必不可少的器件。常见的有各类控制变压器、电焊变压器、自耦变
22、压器、互感器、脉冲变压器、旋转变压器等。一、小功率电源变压器1、控制变压器控制变压器是指工作在5060频率下的电源变压器,又称工频电源变压器,用于低压局部照明电源、信号灯或指示灯电源以及电气控制设备中控制电路的电源。控制变压器容量都比较小,常见的都在几百伏安以下,一次电压为220与380,二次电压为220V、127V、110V、36V、24V、12V、6V等,也可按需要特制。 2、中频及高频电源变压器(1)中频电源变压器中频电源变压器是指工作在4001000频率范围内的电源变压器。由于工作频率的上升,为减小涡流损耗,铁心用0.2 厚冷轧硅钢片构成,且铁心中的磁感应强度B一般取得较低。它既可工作
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