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1、能源管理师培训,电气工程学基础与节能技术,本讲共三章 1、第四章电机与拖动 2、第九章电气测量基础 3、第十一章电机系统节能技术,第四章电机与拖动 第一节 电机分类 一、电机分类 在电能的生产、转换、传输、分配、使用与控制等方面，必须通过能够进行能量（或信号）传递与变换的电磁机械装置，这些电磁机械装置被广义地称为电机。电机可分为： （1）发电机-把机械能转变成电能； （2） 电动机-把电能转变成机械能； （3）变压器、变频机、变流机、移相器等，分别用于改变电压、频率、电流及相位，把一种类型的电能转变成另一种类型的电能； （4）控制电机-用于各种自动控制系统中的控制元件。,从能量转换的观点看，发
2、电机与电动机两者是可逆的。 静止的：如变压器等 ； 旋转的：各类发电机与电动机。 电机又可分为：直流电机、交流异步电机、交流同步电机以及各类特殊电机（控制电机）等。 电动机拖动生产机械的运动称为电力拖动（或称为电气拖动）。电力拖动系统一般由控制设备、电动机、传动机构、生产机械与电源五部分组成。 二、同步电动机 同步电动机分为旋转电枢式和旋转磁极式两种，旋转电枢式用于小容量电动机中，旋转磁极式用于大容量电动机中。 同步电动机的特点是：转子转速与负载大小无关，始终保持为同步转速，且功率因素可以调节。,同步电机的转子是磁极，由直流电励磁、直流电机的电刷和滑环流入流入励磁绕组。当电动机的转速接近同步转
3、速时，旋转磁场对转子励磁。此时旋转磁场就紧紧地牵引着转子一起转动，两者转速保持相等（同步），这就是同步电动机名称由来。 n=60f/p p为极对数，当电源频率 f 一定时，电机的转速是恒定的。 改变同步电动机的励磁电流时，就可以就可以改变定子相电压和相电流之间的相位差，（改变同步电动机的功率因素），可以使同步电动机运行于电感性、电阻型和电容性状态）。 同步电动机常用于长期连续工作及保持转速不变的场所， 如用于驱动水泵、通风机、压缩机等。,二、其他电机 异步电动机、直流电动机等都是作为动力驱动使用的。 控制电机的主要任务是转换和传递控制信号，常用的有伺服电动机、测速电动机、步进电动机等。 控制电
4、机的特点：动作灵敏、准确、重量轻、体积小、耗电少、运行可靠等。,第二节 变压器及其应用 变压器是一种常见的电气设备，当输送功率和功率因素一定时，电压越高，则线路电流越小。 在电子线路中，除了有电源变压器外，变压器还用于耦合电路，传递信号，并实现阻抗匹配。 此外还有自耦变器、 以及各种专用变压器。 一、变压器的工作原理 变压器由闭合铁芯和 高压、低压绕组等几个主 要部分构成。,（一）电磁关系 当一次绕组接入交流电压u1 时,一次绕组中便有i1 通过。一次绕组的磁通势 N1i1 产生的磁通绝大部分通过铁芯而闭合，从而在二次绕组中感应出电动势。如果二次绕组中接有负载，则二次绕组中就有电流 I2 通过
5、。二次绕组的磁通势N 2i2 也产生磁通，其绝大部分也通过铁芯而闭合，因此铁芯中的磁通是由一、二次绕组的磁通势共同形成的磁通，它称为主磁通。此外一、二次绕组的磁通势还分别产生漏磁通（仅与本绕组相连），从而在各自的绕组中分别产生漏磁电动势。 （二）电压关系（设加正弦交流电压） 1、一次、二次侧主磁通感应电动势 一次感应电动势:e1 = E1m sin(t-90O) -,一次感应电动势e1 的有效值E1 为： E1 = 4.44fN1 m 同理，二次绕组的感应电动势e2 为： e2 = E2m sin(t-90O) 二次感应电动势e2 的有效值E2 为： E2 = 4.44fN2 m 2、一次、二
6、次侧电压 一次侧电压： 式中： R1 : 一次侧绕组的电阻；,：一次绕组的感抗（漏磁感抗）。 由于电阻R1 和感抗X1（或漏磁通 ）较小，其两端的电压也较小，与主磁电动势E1比较可以忽略不计，则 ，得到 U1的有效值为： 同理对二次侧电路可列出： 式中： R2 : 二次绕组 的电阻； ：二次绕组的感抗； ：二次绕组的端电压。,变压器空载时：I2 = 0, U2 =U20 = E2 = 4.44 f mN2 式中U20 为变压器的空载电压。 一、二次绕组的电压之比为： 式中 K 为变比（匝数比） （三）电流变换（一次、二次侧电流关系） 由 当电源电源电压U1和频率f不变时，E1和m也都接近于常数
7、，因此有：,变压器的空载电流i0 是励磁用的，而铁芯的磁导率，因此，空载电流很小，常可以忽略，因此可以认为： 从上面的关系可以得出： （四）阻抗变换 变压器除了能变换电压和变换电流，还有变换负载阻抗的功能。 二、变压器的额定值 （一)额定电压U1N 、U2N 变压器二次侧开路（空载）时，一次、二次侧绕组允许的,电压值。 三相额定电压是一次、二次侧的线电压。 （二)额定电流I1N 、I2N 变压器满载运行时，一次、二次侧绕组允许的电流值。 三相额定电流是一次、二次侧的线电流。 （三）额定容量SN 额定容量定义为传送功率的最大能力。 单相变压器 SN =U2N I2N U1N I1N 三相变压器
8、SN = U2N I2N U1N I1N 三、变压器的损耗与效率 变压器的功率损耗包括铁芯中的铁损耗PFe 和绕组中的铜损耗PCu 两部分。,变压器的效率常用如下公式表示： P2 :变压器的输出功率； P1 :变压器的输入功率。 四、特殊变压器 （一）自耦变压器 结构特点是： 二次绕组是一次绕 组的一部分。,（二）电流互感器 电流互感器是根据变压器的原理制成的。它主要用于扩大测量交流电流的量程，此外使用电流互感器也是为了测量仪表与高压电路隔离。 结构：一次绕组匝数很少（一匝或几匝），二次绕组的匝数较多。 使用应注意：二次不能开路；铁芯、低压绕组一端接。,电流互感器是一种特殊的变压器，其一次侧线
9、圈匝数很少（低压通常只有1匝），而二次侧线圈匝数很多（比如一个1000/5的互感器,二次侧线圈是一次侧的200倍）。在二侧开路时，二次侧电压会上升到一次侧线圈压降的很多倍（1000/5的互感器，就是200倍），从而影响二次回路的正常运行，并危及人身安全。 （三）电压互感器 电压互感器用于用低量程的电压表测量高电压。 使用时应注意：二次侧不能短路，以防产生过流；铁芯、低压绕组一端接。 电压互感器在正常运行中，二次负载阻抗很大，电压互感器是恒压源，内阻抗很小，容量很小，一次绕组导线很细，当互感器二次端发生短路时，引起一次电流很大，若二次侧熔丝选择不当，保险丝不能熔断时，电压互感器极易被烧坏。所以，
10、电压互感器二次侧是不允许短路。,第三节 直流电动机 直流电动机是将直流电能转换成机械能的电机。 按励磁方式分为：他励、并励、串励和复励四种。 特点：较好的调速性能（调速范围广、易于平滑调速）；较大的起动力矩（制动转矩大、易于快速起动、停车、易于控制）。 一、直流电机的工作原理 （一）构造 直流电机由定子（磁极）、转子（电枢）和机座等部分组成。,（1）定子（磁极）：在电机中产生磁场； （2）转子（电枢）：由铁芯、绕组、换向器组成。 1、电枢感应电动势 E = KE n,式中： E ：电动势，单位伏特（V）； KE ：与电机结构有关的常数； ： 一个磁极的磁通； n ：电机的转速，单位为每分钟转数
11、（r/min）。 2、电枢回路电压平衡式 U =E + IR =KEn + IR 式中： U ：外加电压； R ：绕组电阻 。 3、电磁转矩 转矩公式：T =Kr + I,式中： T ：电机转矩，单位为牛米（Nm）； Kr ：与电机结构有关的常数； 4、转矩平衡关系 T =T2 + T0 式中： T2 ：机械负载转矩； R ：空载转矩。 二、并励电动机的调速 并励直流电机的励磁绕组与电枢并联。 （一）并励直流电机调速的优点,1、调速均匀平滑，可以无级调速； 2、调速范围大，调速比可达200以上。 （二）调速方法 1、改变磁通调速 由于电动机在额定状态下运行时，它的磁路已接近饱和，所以通常只是减
12、小磁通，将转速往上调。 （1）优点 调速平滑，可以实现无级调速； 调速经济，控制方便； 机械特性较硬，稳定性较好； 对专门生产的调磁电动机，调速幅度可达34。,（2）应注意 若调速后I 保持不变，电动机在高速运转时其负载转矩必须减小。 该调速方法只适用于恒功率调速。 2、改变电压调速 优点 （1）机械特性较硬，并且电压降低后硬度不变，稳定性较好； （2）调速幅度较大，可达6 10； （3）可均匀调节电枢电压，得到平滑的无级调速。 改变电压调速需要用专用设备，投资费用较高，近年来，普遍采用晶闸管整流电源进行调压和调磁。,3、电枢回路串电阻调速 电枢回路串接电阻，由于电阻增大则转速下降。 特点 （
13、1）设备简单，操作方便 ； （2）机械特性软，稳定性差； （3）能量损耗大，只适用于小型直流电机。,第四节 异步电动机 异步电动机是指电机工作时转子的速度与定子旋转的磁场速度不一致的电机，其主要优点是，笼型转子异步电机结构简单、牢固，特别适合用于高圆周速度电机；无集电环和碳刷，可靠性高，不受使用场所限制；设备简单负荷控制方便。 一、三相异步电动机的工作原理 （一）构造 三相异步电动机分 成两个基本部分。 定子（固定部分） 转子（旋转部分）,1、定子 定子由机座和装在机座内的圆筒形铁芯以及其中的三相定子绕组组成。 2、转子 分为两种：笼型和绕线型。 笼型：结构简单、价格低廉、工作可靠，不能人为改
14、变电动机的机械特性； 绕线型：结构复杂、价格较贵、维护工作量大，转子外加电阻可人为改变电动机的机械特性。 （二）工作原理 1、旋转磁场,三相绕组接成星形，绕组中就通入三相对称电流。 瞬时值表达式,波形图、旋转磁场,2、旋转磁场的旋转方向 旋转磁场的方向是由三相绕组中电流的相序决定的，若想改变旋转磁场的方向，只要改变通入定子绕组电流的相序，将三根电源线中的任意两根对调即可。 3、旋转磁场的极对数p 三相异步电动机的极数就是旋转磁场的极数。旋转磁场的极数和三相绕组的安排有关。每相绕组只有一个线圈，绕组的始端之间相差120，则产生的旋转磁场具有一对极，p=1（p是磁极对数）。 若每相绕组有两个线圈串
15、联，绕组之间互差60，将形成两对磁极的旋转磁场。,同理，如要产生三对极，则每相绕组必须有均匀安排在空间的串联的三个线圈，绕组的始端之间相差40空间角。 4、旋转磁场的转速 三相异步电动机的转速与旋转磁场的转速有关，而旋转磁场的转速取决于电源频率和磁场的极对数。在一对极的情况下，旋转磁场的转速为：n0 = 60f1，f1是电源频率，转速的单位为转每分（r/min）。在两对极的情况下，n0 = 60f1 / 2。当旋转磁场具有p对极时，磁场的转速为： n0 = 60f1 / p 旋转磁场的转速 n0 常称为同步转速。当电源频率和磁场极对数确定后，旋转磁场的转速 n0 也就确定了。,5、三相异步电动
16、机的转动原理 当旋转磁场顺时针旋转式，其磁通切割转子导条，导条中就感应出电动势。方向由右手定则确定。 在电动势作用下，闭合的导条中就有电流，该电流与旋转磁场相互作用，从而使转子导条受到电磁力的作用。由电磁力产生的电磁转矩，转子就转动起来，转子的转方向与旋转磁场的方向相同。 6、转差率 虽然电机的转子转动方向与旋转磁场的旋转方向一致，但转子的转速 n 不可能达到旋转磁场的转速 n0 ，即n n0 。因为如果转子与旋转磁场没有相对运动，磁通不切割转子的导条，也就没有转子转子电动势和转子电流，也不存在转矩。因此转子转速与旋转磁场转速之间必须要有差别。,旋转磁场的同步转速和电动机转子转速之差与旋转磁场的同步转速之比称为转差率 S 。 因此转子转速可由转差率公式求得：n =(1 S)n0，通常异步电动机在额定负载时的转差率为1% 9%。 二、三相异
