第四版电机第一单元.docx

1、第四版电机第一单元绪 论一电机在国民经济建设中的作用电能的产生、传输、分配控制和转换都是既方便又高效率的，所以它成了各种能量转换的中间环节。电能被利用到国民经济建设中的各个方面。因此，发电量的大小已成为衡量一个国家现代化程度的重要标志，平均每人耗电量也成了衡量人民物质生活水平的重要依据之一。电机已普遍应用在国民经济和人们生活的各个方面，发挥着十分重要的作用。二、电机发展简史1821年法拉第发明电流在磁场中受到力的作用实验以后，出现了电动机的雏形。到19世纪末，直流电机、变压器、交流电机的基本形式已大体形成。进入20世纪后，三相笼型电动机的大量应用，社会生产力得到极大的提高，从而进入了电气化时代

2、，完成了人类现代科学技术进步史上的第二次技术革命。近代电机发展的主要成就表现在以下几个方面：1、电机容量的不断提高。2、中、小电机的技术及经济指标不断地提高。3、电机制造中不断应用新材料、新技术。4新型的特种电机不断出现。三、我国电机制造工业的发展简况解放前我国电机制造业十分落后，主要是装配修理，最大发电机单机容量不超过200kW，交流电动机不超过220kW，变压器不超过2000kVA。解放后我国电机制造业有了迅速发展，技术水平也有较大提高。1958年浙江大学和上海电机厂共同研制成世界上第一台12MW双水内冷发电机，震动了国际电工界；1969年上海电机厂又生产出125MW双水内冷汽轮发电机；1

3、987年制成600MW定子水内冷、转子氢内冷大型汽轮发电机。目前国内正在进行设计及试制1000MW的巨型发电设备。电力变压器目前早能生产330503kV电压等级，单台容量为550MVA，基本接近当前世界先进水平。在中、小型电动机方面，直流电机从Z3系列过渡到Z4系列，目前已大批量生产适用于整流器供电的系列。交流异步电动机也由J、JO系列过渡到J2、JO2系列，目前已大批量生产Y系列。Y系列和Z4系列均符合国际电工委员会标准，技术指标先进，又能国际通用，有利于进出口，设备的配套。80年代以后，永磁电机发展成为电机中新的一族，小至毫瓦级，大至1000kW，种类也很多。四、本课程的任务和要求本课程是

4、电工专业的专业理论课。通过学习，要求掌握变压器、异步串动机、直流电动机的结构、原理、主要特性、使用和维护知识；对同步电动机和特种电动机要有一定的了解；培养对电动机故障的分析、判断和进行电动机实验的能力，为生产实习课与解决实际技术问题奠定理论基础。 第一单元 变压器的分类、结构和原理课题一变压器的分类和用途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。1、 原理：变压器的一次绕组通电后在铁心中产生一个正弦交变磁通，该磁通又在一次、二次绕组中感应出电动势E1和E2。当二次绕组接有负载ZfZ时，就会输出

5、电压U2和电流I2，这就是变压器传输电能的过程。变压器的工作原理实际上就是利用电磁感应原理，把一次的电能传送给二次侧的负载，如图：11所示。2、效率：变压器的效率一般很高，电力变压器可达95以上，巨型电力变压器高达99以上。在电能的输送过程中，高压输电一可以节省导线和其他架设费用，二可以减少送电时导线上的损耗。用途：发电机的输出电压不可能很高，通常需要通过变压器来升压。而电能被送到用电区后，又要通过降压变压器来降压，这种升降往往要经过多次才能达到要求。所以，变压器在电力系统中的用量是很大的。据统计，在电力系统中每1kW发电机功率需配备58kVA容量的变压器。电力系统中使用的电力变压器，可分为升

6、压、降压和配电变压器。电力变压器运行电压高、容量大。除此之外，还可做成具有稳压、陡降、移相、改变波形等特性的变压器。用在测量系统中的仪用变压器，可以测大电流、高电压；用于实验室的自耦变压器，可任意调节电压；用于焊接的电焊变压器，具有陡降输出特性；用于电子扩音电路的变压器，可进行阻抗匹配；脉冲变压器可以传送脉冲波，等等。3、 分类：变压器的种类很多，按相数分为单相、三相、多相变压器；按冷却方式分为干式、油浸式和充气式变压器；按用途分为电力变压器和专用变压器，如电炉变压器、电焊变压器、仪用变压器、整流变压器，等等。课题二变压器的结构与冷却方式电力变压器基本结构有：铁心、绕组。为了满足其密封、安全、

7、冷却等要求，另有油箱、气体继电器、分接开关等。一、绕组绕组是变压器的电路部分，常用绝缘铜线或铝线绕制而成，也有用铝箔或铜箔绕制的。接电源的绕组称一次绕组；接负载的绕组称二次绕组。也可按绕组所接电压高低分为高压绕组和低压绕组。按绕组绕制的方式不同，可分为同心绕组和交叠绕组两种类型。1同心绕组同心绕组是将一次、二次侧线圈套在同一铁心柱的内外层，一般低压绕组在内层，高压绕组在外层。当低压绕组电流较大时，绕组导线较粗，也可放到外层。绕组的层间留有油道，以利绝缘和散热。大多数电力变压器采用同心绕组。同心绕组又可分为圆筒式、线段式、连续式和螺旋式等结构，一般圆筒式用于容量不大变压器绕组；线段式用于小容量高

8、压绕组；连续式主要用于大容量、高压绕组；。螺旋式用于大容量低压绕组。2交叠绕组交叠绕组是将高、低压线圈绕成饼状，沿铁心轴向交叠放置，一般两端靠近铁轭处放置低压绕组，有利于绝缘。此种绕组大多用于壳式、干式变压器及电炉变压器中。二、铁心铁心是主磁通m的通道，也是器身的骨架。铁心常用硅钢片叠装而成，热轧硅钢片厚度有035mm和05mm两种，片间涂覆绝缘漆。冷轧硅钢片多用于大中型变压器中。电力变压器全部都已采用冷轧硅钢片。铁心因线圈的位置不同可分成芯式和壳式两类：芯式指线圈包着铁心，结构简单，装配容易，省导线，适用于大容量、高电压，所以电力变压器大多采用三相芯式铁心。壳式是铁心包着线圈，铁心易散热，用

9、线量多，工艺复杂，除小型干式变压器外很少采用。 铁心的装配方式有对接式和叠接式两种。铁心片有C形、E形、F形以及卷心片形等。三、主要附件：1、油箱：油箱内装有变压器油，使铁心和绕组隔离，有绝缘和冷却的作用。现有扁管、片式散热器和波纹油箱结构。2、储油柜：储油柜也称为油枕，与油箱连通。在储油柜进气管的端部装了一个呼吸器。呼吸器中放有变色硅胶，发现硅胶受潮变色要及时更换。大型变压器(6300kVA以上)还常采用充氮的储油柜或胶囊式储油柜。储油柜的侧面装有玻璃油表，可以观察油面的高低，油面以一半高为好。如果采用全密封变压器就可省去储油柜，一般可10-15年不用维护，体积也小，很适合城市供电用。3气体

10、继电器(瓦斯继电器)气体继电器装在油箱与储油柜之间的管道中，当变压器发生故障时，器身就会过热使油分解产生气体。气体进入继电器内，使其中一个水银开关接通(上浮筒动作)，发出报警信号。此时应立即将继电器中气体放出检查，若系无色、无味、不可燃气体，变压器可继续运行；若系有色、有焦味、可燃气体，则应立即停电检查。当事故严重时，变压器油膨胀，冲出继电器内的挡板，使另一个水银开关接通跳闸回路(即下浮筒动作)，切断电源，避免故障扩大，这就是浮筒式气体继电器的工作原理。现采用挡板式气体继电器。4、分接开关变压器的输出电压可能因负载和一次侧电压的变化而变化，可通过分接开关来控制输出电压在允许范围内变动。分接开关

11、一般装在一次侧，通过改变一次侧线圈匝数来调节输出电压。分接开关分无励磁调压和有载调压两种，常用无励磁调压分接开关调节范围为额定输出电压的5%，有载调压的分接开关有复合式和组合式两类，组合式调节范围可达15。因调节的方法不同，分接开关又有手动、电动两种，小型变压器多用手动调压，大型变压器多用电动调压，中型变压器手动、电动两种都可用。5、绝缘套管绝缘套管穿过油箱盖，将油箱中变压器绕组的输入、输出线从箱内引到箱外与电网相。绝缘套管由外部的瓷套和中间的导电杆组成，对它的要求主要是绝缘性能和密封性能。根据运行电压的不同，将其分为充气式和充油式两种。根据运行环境的不同，又可将其分为户内和户外式。6、安全气

12、道和压力释放阀安全气道又称防爆管，是在油箱内压力达到一定程度时变压器油冲破防爆膜，从而防止油箱爆炸。目前常用压力释放阀。7、测温装置测温装置就是热保护装置。变压器的寿命取决于变压器的运行温度，因此油温和绕组温度监测是很重要的。通常用三种温度计监测。四、变压器的冷却方式三相油浸自冷式（ONAN）主要有SJ系列和SJL系列（铝线）。冷却方式为：当变压器运行、油温上升时，根据热油上升、冷油下降原理形成自然对流，流动的油将热量传给油箱体和外侧的散热器，然后依靠空气的对流传导将热量向周围散发，从而达到冷却效果。起冷却作用的散热器可分为管式、扁管式、片式和波纹油箱。2三相油浸风冷式（ONAF）主要有SP系

13、列。冷却方式：是在油浸自冷式的基础上，在油箱壁或散热管上加装风扇，利用吹风机帮助冷却。而且风力可调，以适用于短期过载。加装风冷后可使变压器的容量增加30-35。多用于容量在10000KVA及以上的变压器。3三相强迫油循环风冷式（OFAF）主要有SEP系列。冷却方式：在油浸自冷式的基础上，利用油泵强迫油循环，并且在散热器外加风扇风冷，以提高散热效果。4三相强迫油循环水冷式（OFWF）主要有SSP系列。冷却方式：在油浸自冷式的基础上，利用油泵强迫油循环，并且利用循环水作冷却介质，以提高散热效果。课题三 变压器的原理正如前所述，变压器可以变换电压、电流，如何实现呢？一、空载运行：变压器一次侧加额定电

14、压，二次侧开路即为空载运行，其原理图如右图所示。图中正方向作出以下规定：(1)u与i的正方向一致；(2)主磁通m与i正方向符合右手螺旋定则；(3)感应电动势e与i正方向一致。2、理想变压器不计绕组的电阻、铁心的损耗、磁通中的漏磁通和磁路饱和的影响，这样的变压器就称为理想变压器。一次测只是一个单纯的电感电路了。在一些近似的计算分析中常用理想变压器来作分析。不计电阻和漏磁通，所以一次侧、二次侧的电压方程式为：U1=-E1，U02=E2（1）相量图的画法：理想变压器的相量图如右图所示，先取主磁通m作参考相量画在水平方向，I0与m同相，而E1相位落后I090，而U1与E1正好大小相等，方向相反，可画在

15、E1反向，则P0=UI0cos=0，说明理想变压器空载时是不消耗能量的。E1与E2同相位。（2）感应电动势E的计算由法拉第电磁感应定律有：EP=-N/t可推导出： E=4.44fNm（3）变压器的变压比K：K=E1/E2=U1/U02=N1/N23、实际变压器：（1）漏磁通及其产生的电压降：实际变压器是存在电阻、漏磁通和铁耗的，空载电流产生的磁通有主磁通m和漏磁通S1两部分。漏磁通很小，只占主磁通的千分之几，所以对应的漏抗电动势ES1也是很小的，有时可以忽略不计。画出实际变压器的空载原理图，如图3所示。一次侧等效电路图如图4所示。这时电压平衡方程式为：U1=I0r1+jI0XS1+jI0X1=

16、I0ZS1-E1 图 3 图4可见，漏阻抗电压的存在会使E1下降，当I0ZS1较小时可以忽略。如用有效值表示，则有方程：U1E1 U02=E2(2)励磁电流I0和空载损耗P0：实际变压器的铁心中有铁耗(磁滞与涡流损耗)，它会消耗一部分输入功率。所以I0就不会落后-E1相位90，而是I0小于90。可以分解成两部分，一个是有功分量I0P，是对应铁耗的，它与U1同相位；另一个是无功分量I0Q，是励磁用的，它与m同相位，而I0超前m一个很小的角，称为铁耗角，这时就有：I0P=I0sin I0Q=I0cos空载损耗则为：P0=U1I0cos1U1I0Qcos1中小型变压器I0约为2-10的I1N，大型变

17、压器的I0小于1的I1N，可见空载损耗是较小的。(3)空载相量图 作图方法：先作参考相量m画I0Q画E1、E2、-E1，再由角画I0、I0Q，从-E1顶端画I0r1及jI0XS1，最后把它的顶点和原点连接起来即为U1，如右图所示。二、负载运行1、原理图及电压方程式，单相变压器负载运行原理图如图6所示，它的二次侧可简化成图7所示的等效电路图，一次侧、二次侧电压方程式为：U1=I1r1+jI1XS1+jI1X1=I1ZS1-E1U2=E2-I2r2-jI2XS2=E2I2ZS2=I2ZS2 图 6 图 7可见：(1)当输入电压Ul不变时，输出电压U2稳定性主要由ZS1、ZS2决定。(2)二次侧电路

18、的功率因数cos2主要由负载Zfz决定，与变压器关系不大。2、磁动势平衡方程式及电流比主磁通m就不会变化。所以磁动势平衡方程式为：I1N1 + I2N2 = I0N1I1 = I0 - I2N2/N1 = I0+I1式中I1为一次侧电流中的负载分量。可见负载运行时初级电流比空载的励磁电流多了一个负载分量，这个分量产生的磁动势用来抵消二次侧电流产生的磁动势，以保持主磁通m不变。如忽略空载励磁电流则有：I1=-I2N2/N1=-I2/K上式说明：当I0不大时，可以近似看成I1与I2大小上相差K倍，相位上几乎相差180。3、负载运行相量图变压器负载运行相量图如图8所示，假设负载是感性的。 图 8三

19、变压器的阻抗变换变压器一次侧接交流电源，对电源来说是一个负载。其输入阻抗为Z1=U1/I1，而变压器的二次侧输出又接了负载，满足关系为：Z2=U2/I2=Zfz，可见负载经过变压器接电源与不经过变压器接电源两者是完全不样的这里变压器就起到了改变阻抗的作用。1、变换公式在空载和负载运行分析中，当忽略漏阻抗，不考虑相位，只计大小时，则有： U1=KU2Il=I2/K而变压器的一次侧和二次侧的阻抗为：Z1=U1/I1Z2=U2/I2则有：Z1=U1/I1=KU2/（I2/K）=K2U2/I2=K2Z2这说明负载Z2经过变压器以后阻抗扩大了K2倍。如果已知负载阻抗Z2的大小，要把它变成另一个一定大小的

20、阻抗Z1，只需接一个变压器，该变压器的变比K=Z1Z2。在电子线路中这种阻抗变换很常用。也称为阻抗匹配。例1、l某晶体管收音机的输出变压器的一次侧匝数为N1=230匝，二次侧匝数N2=80匝，原来配接8欧的扬声器，现要改用同样功率而阻抗为4欧的扬声器，则二次侧匝数N2应改绕成多少?解：（先求出一次侧的Z1，因为不论N2和Z2怎么变，必须保证Z1不变，才能保证功率输出最大。）Z1=K2Z2=（230/80）28=66.13欧K=Z1Z2=66.13/4=4.07N=N1/K=230/4.07=57匝。四、变压器的外特性变压器一次侧输入额定电压和二次侧负载功率因数一定时，二次侧输出电压与输出电流的

21、关系称为变压器的外特性，也称为输出特性。通常用曲线表示，如下图所示。从负载运行方程上可知：U1 = I1ZS1 E1U2 = E2 I2ZS2当二次侧接感性阻抗时，随着I2增加输出电压下降，说明感性电流有去磁作用；当二次侧接容性阻抗时，随着I2增加输出电压略升高，说明容性电流有助磁作用。可见在变压器输入电压不变时，影响外特性的因素是ZS1、ZS2及cos2。五、电压调整率：由于电力负载大都为感性负载，因而变压器外特性是略有下降的，通常用电压调整率U表示电压变化的程度。U=（U2N-U2）/U2N100%=U/U2N100%一般电力变压器，当cos21时，U2%3%，cos20.8时，U4%6%

22、，可见提高功率因数能提高二次侧电压的稳定性。一般情况下照明电源电压波动不超过5%，动力电源电压波动不超过+10%-5%。六、变压器的损耗和效率变压器在负载运行时，铁心和绕组中存在铁耗PFe和铜耗PCU，这就有了效率和冷却的问题。一、铁耗PFe：在铁心材料和频率一定的情况下，PFe与m成正比，U1不变，则m就不变，PFe为常数，近似为空载损耗也称不变损耗。二、铜耗PCU：变压器在未满负载运行时，设负载系数为=I2/I2N，则此时的铜耗为：PCU=（I2/I2N）2PCUN=2PK。可见PCU随负载变化，为此称可变损耗。三、效率：变压器的效率是输出功率与输入功率之比：=P2/P1=1-P/（P+P

23、2）单相：P1=U1I1cos1；三相：P1=3U1I1cos1单相：P2=U2I2cos2；三相：P2=3U2I2cos2P=PCU+PFe2PK+P0则有： =1-（2PK+P0）/（2PK+P0+SNcos2）可见，对某一台变压器来说，因空载损耗P0、短路损耗PK、容量SN均为定值，当变压器的负载功率因数cos2一定时，效率只与负荷系数有关。讨论：当=0时，I2=0，P2=0，所以=0；当增加时，I2、P2迅速上升，而P基本不变，所以上升较快。当PCU=PFe时，=m，即=m为最大。当m，开始下降，因为PCU上升较快。由上述分析可知，当PCU=PFe，即2PK=P0时，变压器的效率最高，

24、这时：m=P0/PKm一般在0.6左右。当然，在相同负荷系数下，负载功率因数cos2高，效率也高。但m应在0.9以上为宜。例1-2一台容量为50kVA的单相变压器，一次侧、二次侧电压为6000V230V，电流为833A2174A，空载损耗P0=400W，短路损耗PK=1100Wo当二次侧输出电流为150A时，求：（1）二次侧功率因数cos2=08时的效率；（2）二次侧功率因数cos2=09时的m。解：1）=I2/I2N=150/2174=069=1-（2PK+P0）/（2PK+P0+SNcos2）=967%2）m=P0/PK=400/1100=06m=1-（m2PK+P0）/（m2PK+P0+

25、mSNcos2）=971%课题四 变压器的空载试验与短路试验一、空载试验1目的和方法目的：测定变比K、空载电流I0、空载损耗功率P0和励磁阻抗Zm等，试验电路如右图所示。 方法：将降压变压器一次侧(高压侧)开路，低压侧加上额定电压U2N，由于空载时功率因数很低，所以应采用低功率因数功率表。又因空载电流I0小，所以电流表应接在功率表后面，才能减少误差。图中各表测得的数据为：P0功率表读数(仪表准确度不低于05级)；I0电流表读数，为二次侧空载电流；U2N、U2N电压表读数，为一、二次侧额定电压；根据这些读数可计算出空载参数：变压比K：K=U1N/U2N空载电流I0：I0=I0/K(折合到初级)空

26、载损耗P0：它就是功率表读数励磁阻抗Zm：Zm=K2Zm=U1N/I02、试验的实际意义（1）可以测出变压器的铁耗PFe，空载损耗是铁耗和铜耗之和，铜耗很小，可忽略不计，当一次侧电压U1不变时，m不变，PFe为常数，为此也称为不变损耗。（2）通过空载损耗P0的测试，可以检查铁心材料的质量、装配工艺的质量和绕组的匝数是否正确、有否匝间短路。如果空载损耗和空载电流过大，则说明铁心质量差，气隙太大；如果K太小或太大，则说明绕组的绝缘或匝数有问题；如果波形不是正弦波，失真过大，则铁心过于饱和。二、短路试验1、目的和方法目的是测出变压器的额定铜耗PCUN短路电压UK、短路阻抗ZK。接线电路如右图所示，图

27、中仪表的位置不能任意改变，以保证测量精度。方法：低压侧短路，高压侧从可调变压器得到电源，并调节输入电压U1使一次侧电流为额定电流I1=I1N，近似看成额定负载的铜耗PCUN，由此求得：（1）PK=PCUN+PFePCUN=I1N2r1+I2N2r2（2）UK一般用相对值(标么值)表示：UK*=UK/U1N100=410一般变压器容量越大，电压越高，UK*也越大。（3）ZK=UK/I1N，为便于变压器之间相互比较可用相对值表示：ZK*=ZK/（U1N/I1N）=410=UK*2、短路试验的实际意义（1）测出PCUNPK，可供变压器计算铜耗用（2）测出UK和ZK，反映一次侧绕组在额定电流时的内部压

28、降及内部阻抗，可以用来分析变压器的运行性能。注意不能绝对地讲UK和ZK应该大还是小，而要根据具体情况考虑。实验过程中，应该注意的是切不可在一次侧电压较大。为了保障变压器的安全运行，应对变压器进行经常维护和定期检查。一、 检查和清洁变压器：(1)检查瓷套管是否清洁，有无裂纹与放电痕迹，螺纹有无损坏及其他异常现象，如果发现应尽快停电更换。(2)检查各密封处有无渗油和漏油现象，严重的及时处理。(3)检查储油柜的油位高度及油色是否正常，若发现油画过低应加油。(4)检查箱顶油面温度计温度与室温之差是否低于55C。(5)定期进行油样化验及观察硅胶是否吸潮变色，需要时进行更换。(6)注意变压器的声响与原来相

29、比是否正常。(7)察看防爆管的玻璃膜是否完整，或压力释放阀的膜盘是否顶开。8)检查油箱接地情况。(9)观察瓷管引出排及电缆头接头处有无发热变色，火花放电及异状，如有此现象，应停电检查，找出原因后修复。(10)察看高、低压侧电压及电流是否正常o(11)冷却装置是否正常，油循环是否破坏。另外，要注意变电所门窗和通道的封闭情况，以防小动物进入变压器室，造成电气事故。二、故障检查：1观察法：变压器的故障如过载、短路、接触不良、打火等通常都反映在发热上，油温上升，有气体、油冲出，有焦味，有爆裂声、打火声等，可观察保护装置是否动作；防爆膜是否冲破；喷出油颜色是否变黑或有焦味；上层油温是否超过85C；液面是

30、否正常；各连接部位是否漏油；箱内有无不正常声音。总之通过看、闻、听就可大致判断变压器是否有问题。2测试法：对于观察无法进一步判断的问题，必须用仪表测试才能作出正确的判断。(1)2500V兆欧表测相间和每相对地的绝缘电阻可以发现绝缘破坏的情况。对于6-10kV电力变压器绝缘电阻要求如下：1)10-20C时应为600-300M,；2)30-40C时应为15080M；3)50-60C时应为4524M；4)70-80C时应为13-8M。(2)绕组的直流电阻测量绕组的直流电阻往往测量的是两根相线之间的线电阻，小容量变压器可用单臂电桥测量；大容量变压器可用双臂电桥测量。三相线电阻值相差不超过2，其公式为：（RDRC）/RP100%2%当分接开关在不同位置，测得的电阻值相差很大时，就可能是分接开关接触有问题。绕组的直流电阻测量可查出匝间短路、断路、引线与套管接触不良等。三、检修后的一般试验：(1)绝缘电阻和吸收比的测量吸收比是兆欧表摇动60s时测得的绝缘电阻R60与摇动15s测得的绝缘电阻R15的比值。用2500V兆欧表分别测相间及每相对地的吸收比R60/R15，只要这个值大于13就可认为变压器绕组是干燥的，没有受潮。测量时其他非被测部位和油箱一起要接地。(2)测绕组的直流电阻(要求同前)。(3)测量各分接头上变压