电机与变压器课件11幻灯片课件

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1、1 绪论 电机的发展是从十八世纪中期开始 法拉第表演了电流在磁场中产生机械力的实验 发现了电动机的工作原理 制造出原始型的电动机 随后另一个科学家阿果拉发现了旋转磁场 法拉第提出了电磁感应定律 1832年 出现了原始型的发电机 电能最早应用是供给照明和化学工业的需要 所以最初发展的电机是直流电机 1845年 电磁铁代替了永久磁铁 不久 出现了第一台自励发电机 建立了第一条直流输电线路 2 1876年 交流电用于照明装置 随后出现了原始型的同步发电机和变压器 随着两相电流能产生旋转磁场的原理被发现 1885年 制造出了单相异步交流电动机的模型 1889年 多波洛尔斯基提出了三相制的建议 并设计和

2、制造了第一台三相变压器和三相异步电动机 至1897年 建成了第一个三相交流输电系统 4 电机与变压器的课程任务是 掌握变压器和交直流电机的基本结构 工作原理和运行性能 并对电机的运行作初步的分析 为了学好本门课程 必须做到以下几点 1 抓主要矛盾 有条件地略去一些次要因素 2 抓住重点 牢固掌握基本概念 基本原理和主要特性 3 要有良好的学习方法 运用对比或比较的方法 分析电机的共性和特点 加深对原理和性能的理解 4 充分预习和复习 5 电机的分类 电机是以适当的有效材料 导电和导磁 构成能互相进行电磁感应的电路和磁路 以产生电磁转矩和电磁功率 达到转换能量形式的目的 静止电机 旋转电机 变压

3、器 直流电机 交流电机 同步电机 异步电机 一般分类 电机 6 电机是一种能量转换装置 变压器是一种电能传递装置 按功能分 发电机 将机械能转换为电能 电动机 将电能转换为机械能 微型控制电机 在电器机械系统中起调节 放大和控制信号的作用 变压器 将一种形式的电能转化为另一种形式的电能 它们共同的特点是 根据电磁感应定律和电磁力定律进行能量转换 7 磁与电磁 一 磁的基本知识 1 磁性能吸引铁 镍等金属或合金的性质 2 磁体具有磁性的物体 3 磁极磁体上磁性最强的部位 有S极和N极 磁极间同性相斥 异性相吸 4 磁力磁极间的相互作用力 5 磁场磁极周围存在的一种特殊物质 具有力和能的特性 6

4、磁力线为描述磁场的强弱和方向而引入的假想线 在磁极外部由N指向S 在磁极内部由S指向N 磁力线越密磁场越强 磁力线越疏磁场越弱 8 二 电流的磁场 1920年 科学家奥斯特发现 在电流周围存在磁场 动电生磁 即电流的磁效应 电流与其产生磁场的方向可用安培定则来判断 既适用于判断电流产生的磁场方向 也适用于在已知磁场方向时判断电流的方向 1 直线电流产生的磁场 2 环形电流产生的磁场 9 三 磁场对电流的作用 1 通电导体在磁场中会受到力的作用 电磁力的方向符合左手定则 伸开左手 四指并拢 拇指与四指垂直 并且在同一平面里 让磁感线垂直穿过手心 使四指指向电流方向 这时大拇指所指的方向就是通电导

5、线在磁场中所受磁场力的方向 左手定则 10 11 2 我们常使用通电导体在磁场中某点受到的电磁力与导体中电流和导体的有效长度的乘积的比值来表示该点磁场的性质 并称为该点的磁感强度B 即 B 均匀磁场的磁感强度 T F 通电导体受到的电磁力 N I 导体中的电流强度 A L 导体在磁场中的有效长度 m 12 3 一匝匝数为N的线圈在磁场中 若与线圈交链的磁通 发生变化 则线圈上会感应出电动势e 称为电磁感应 e的正方向与 符合右手螺旋定则 即 上式的含义是指 电磁感应的电动势与线圈匝数和磁通的变化率成正比 负号是指在感应电动势作用下而在线圈里产生的感应电流所产生的 将逆着 变化 1 变压器电动势

6、 线圈与磁场相对静止 只有磁通变化 13 14 15 一 变压器 变压器是一种静止的电器 它利用电磁感应原理将一种等级的电压和电流的交流电能转换成另一种等级的电压和电流的交流电能 它的工作原理就是电磁感应和磁势平衡 下面我们就从变压器的结构开始 逐步了解和掌握变压器的工作原理和运行特性 在分析时 我们需要注意分析变压器电路的电磁物理过程 变压器为什么只能变换交流电能的电压和电流 16 1 变压器的分类 按用途分 电力变压器和特种变压器 按绕组数目分 单绕组 自耦 变压器 双绕组变压器 三绕组变压器和多绕组变压器 按相数分 单相变压器 三相变压器和多相变压器 按铁心结构分 心式变压器和壳式变压器

7、 按调压方式分 无励磁调压变压器和有载调压变压器 按冷却介质和冷却方式分 干式变压器 油浸式变压器和充气式变压器 17 连接发电机与电网的升压变压器 18 三相干式变压器 自耦变压器 19 电源变压器 环形变压器 控制变压器 20 2 变压器基本结构 1 器身 铁芯 绕组 绝缘和出线装置 2 油箱 冷却装置和保护装置 核心装置是闭合铁芯和两个绕组 在分析变压器时 习惯画法是将两个绕组画在闭合铁芯的两侧 电源侧称为一次绕组或原绕组 负载侧称为二次绕组或副绕组 21 1 铁芯 变压器的主磁路 为了提高导磁性能和减少铁损 用厚为0 35 0 5mm 表面涂有绝缘漆的硅钢片叠成 基本结构分为铁心柱和铁

8、轭两部分 有心式和壳式两种形式 单相心式变压器 单相壳式变压器 22 2 绕组 变压器的电路 一般用绝缘铜线或铝线绕制而成 有同心式和交叠式两种形式 同心式 高 外 低 内 压绕组同心地绕在铁心柱上 结构简单 制造方便 交叠式 高低压绕组交叠放置 最上和最下为低压绕组 漏阻抗较小 机械强度好 引线方便 在特殊变压器上使用较多 3 其他装置 变压器上还有绝缘套管 油箱 储油柜 吸湿器 安全气道 净油器和气体继电器等元器件在工作时起冷却和保护作用 23 24 3 变压器的基本工作原理 变压器的主要部件是铁心和套在铁心上的两个绕组 两绕组只有磁的耦合 没有电的联系 在一次绕组中加上交变电压u1 根据

9、右手螺旋定则 产生交链一 二次绕组的交变磁通 在两绕组中分别感应电动势e 根据电磁感应定律 当变压器二次侧带负载时 则产生感应电流 在负载上形成二次电压u2 结论 只要 1 磁通有变化量 2 一 二次绕组的匝数不同 就能达到改变电压的目的 25 且 在只讨论数量关系时 就有 表明变压器初 次级绕组的电压比就等于它们的匝数比n 这就是变压器的变压原理 n 1时 是降压变压器 n 1时 是升压变压器 n 1时 是隔离变压器 变比n是变压器运行的重要参数 26 例 已知某变压器的初级电压为220V 次级电压为36V 初级的匝数为2200匝 试求该变压器的变压比和次级的匝数 练习 将某单相变压器接在电

10、压u1 220V的电源上 已知u2 20V 次级匝数N2 100匝 则初级的匝数是多少 27 变压器在工作中就像一座桥梁 起了一个能量传递的作用 根据能量守恒定律 在忽略损耗时 变压器的次级输出功率P2应和变压器初级从电网吸收的功率P1相等 即 P1 P2 I1U1 I2U2 说明变压器工作时 其初 次级的电流与初 次级的电压或匝数成反比 这就是变压器的变流原理 28 变压器除了能变换电压 电流的大小外 还能变换交流阻抗 这在电器工作中也有广泛的作用 例如一个带负载的变压器 虚框 看作是一个新的负载 则可得一个简化电路 负载为RLX 29 由于变压器的初 次级功率相等 所以有 也就是说 负载Z

11、L接在变压器的次级上 从电源中获取的功率和负载ZLX直接接在电源上所获取的功率是完全相同的 也就是说 ZLX是ZL在变压器初级中的交流等效电阻 上式还表明 变压器初级交流电阻ZLX的大小 不但与变压器次级的负载ZL的成正比 而且与变压器的变比n的平方成正比 30 课后练习 1 要将电压从220V变换为110V 现使用一个原绕组匝数为2匝 副绕组匝数为1匝的变压器 可不可以实现 2 变压器可以实现变压 变流 变换阻抗 变压器可不可以变换电源频率 31 4 变压器的空载运行 将变压器一次绕组接交流电源 二次绕组开路 这种运行方式称为变压器的空载运行 变压器各电磁量正方向的规定 1 在一次绕组内 电

12、流的正方向与电压的正方向一致 2 磁通正方向与电流方向符合右手螺旋定则 3 感应电势方向与磁通方向符合右手螺旋定则 4 在二次绕组内 电流的正方向与电势方向一致 5 在二次绕组端 电压方向与电流方向一致 32 i1 因为是空载运行 二次绕组开路 所以电流i2 0 0 电流i1是产生磁通 的全部原因 此时称为空载电流i0 i0 因为i0只用于产生主磁通 所以原绕组是一个纯电感电路 i0滞后u1900 电动势e1与u1反相 e1与e2同相 理想变压器的相量图 33 常磁通概念 因为E1 4 44fN1 E2 4 44fN2 而U1 E1 U2 E2 所以有U1 4 44fN1 U2 4 44fN2

13、 上式中4 44是常数 频率f是电网提供的工频 匝数N对于一个已制造好的变压器来说也是一个常数 所以我们可以说只要电压U不变 磁通 的大小就不会发生变化 这就是重要的常磁通概念 34 5 变压器的负载运行 当变压器二次绕组带上负载后 此时电路里开始有电流i2 i i1 i0 i2就一定会通过二次绕组 在铁芯中也产生一个磁通 可是此时电源电压u1并没有改变 变压器的主磁通 就不应该变化 于是励磁电流i0就会也发生变化 i0会根据i2的大小增加一部分电流 i 变成i1 i0 i 最终维持 不变 这就是变压器的磁势平衡 35 5 变压器的外特性 因此我们把当电源电压和负载功率因数一定时 二次电压随负

14、载电流变化的规律 称为变压器的外特性 因为变压器二次侧功率P2是由一次侧功率P1决定的 它不会随变压器所带负载的变化而变化 P2 i2u2 当负载变化引起i2变化时 u2就会跟随i2的变化而变化 36 6 电压调整率 从前面变压器的外特性可以看出 当负载有波动时 变压器输出的二次电压就会有波动 从我们使用电能来说 当然是希望电压越稳定越好 国家规定用 来表征电压调整率 它反映了电网电压的稳定性 我们能采取什么措施来减小电压波动呢 37 7 变压器损耗和效率 实际运行中的变压器不可避免的会因为材料 工艺等问题而产生损耗 变压器的损耗分为两种 铁损耗 铁耗是磁通在铁芯中交变和运行时产生的损耗 与负

15、载没有任何关系 因为磁通大小一般没有变动 所以铁耗又称为不变损耗或空载损耗 用pFE表示 铜损耗 铜损耗是电流在绕组中 与绕组的电阻产生的热损耗 用pCU表示 铜损耗的大小取决于负载电流的大小以及绕组中电阻的大小 所以铜耗又称为可变损耗 38 将变压器的这两种损耗相加 即得变压器的功率损耗 p 变压器的效率 就是变压器输出和输入功率之比 效率的一般计算公式为 39 为了使变压器安全 经济 合理地运行 在每台变压器上都安装有一块铭牌 上面标明了变压器的型号及各种额定数据 作为正确使用变压器的依据 铭牌中参数说明如下 8 变压器的铭牌 40 不同类型电压器的铭牌 变压器铭牌 41 1 型号 42

16、额定电压U1N是指变压器在额定运行情况下 根据变压器绝缘等级和允许温升等条件规定的一次绕组上的线电压 额定电压U2N是指在一次绕组上加额定电压后 二次绕组空载时的线电压 2 额定容量 额定容量是指变压器在额定工作状态下 二次绕组的视在功率 其单位为kVA 对于单相变压器而言 即变压器二次绕组的额定电压U2N与额定电流I2N的乘积 三相变压器的额定容量为 3 额定电压U1N和U2N 43 连接组标号是指三相变压器一 二次绕组的连接方式 Y指高压绕组作星形连接 y指低压绕组作星形连接 D指高压绕组作三角形连接 d指低压绕组作三角形连接 N指高压绕组作星形连接时的中性线 n指低压绕组作星形连接时的中性线 4 额定电流I1N和I2N 额定电流是指变压器在额定运行的条件下 一 二次绕组长时间工作允许的线电流 5 连接组标号 44 2 一台额定容量为SN 100kVA的单相变压器 一 二次绕组的额定电压U1N U2N 10kV 0 2kV 求额定电流I1N I2N各是多大 这台变压器的输出端能否接85kW 功率因数为0 85的感性负载 课后练习 1 变压器的电压变化率与哪些因数有关 从运行角度看是