第3章电机.

第三章电机及控制电机是根据电磁原理实现电能和机械能相互转换或电能特性变换的机械。电机按其功能可分为：发电机。把机械能转换为电能。电动机。把电能转换为机械能。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。控制电机。在自动控制系统中传递和交换信号，用作执行元件或信号元件。按结构或转速可分为：变压器旋转电机按所用电源不同，旋转电机又分为：直流电机交流电机电机变压器单相变压器三相变压器旋转电机控制电机直流电机交流电机直流发电机直流电动机异步电机同步电机异步发电机异步电动机同步发电机同步电动机电机的分类：电动机的作用：将电能转换为机械能。电力驱动具有控制简单、调节性能好、损耗小、经济、能实现远距离控制和自动控制等一系列优点，大多数生产机械都采用电力控制。第一节变压器一、变压器的用途和分类变压器：能够改变电压的设备。能将电压由低变高或由高变低，是电力系统中最重要的电器设备之一。变压器的分类（一）按容量中小型变压器电压在35kV及以下，容量5~6300kVA。其中5~500kVA为小型变压器，630~6300kVA为中型变压器。大型变压器电压在110kV及以下，容量为8000~63000kVA。特大型变压器电压在220kV及以上，容量为3150kVA及以上。（二）按用途电力变压器：升压变压器、降压变压器、配电变压器、联络变压器等。仪用变压器：电流互感器、电压互感器，作为测量和保护装置。电炉变压器：炼钢炉变压器、感应炉变压器等，特点是二次电压低，以限制短路状态下的工作电流。试验变压器：特点是二次电压很高，而电流很小，用于电气设备和绝缘材料的工频耐压试验。整流变压器：一次侧输入交流电，二次侧输出直流电，用于需要直流电源的场合，如电解、蓄电池、机车、直流输电等。调压变压器：在一定场合下，电压可以在一定范围内调节。矿用变压器：用于矿井的变压器，套管不暴露在外，用电缆与外界连接，能防尘、防机械损坏。其他变压器：船用变压器、电焊变压器、中频变压器、X光变压器等。（三）按相数单相变压器：用于单相负载或三相变压器组。三相变压器：用于三相负载。以单相变压器为例。与电源相联的绕组称为一次绕组（原绕组、初级绕组），匝数为N1。与负载相联的绕组称为二次绕组（副绕组、次级绕组），匝数为N2。二、变压器的工作原理E1、E2—原、副绕组中产生的感应电动势。Φ—交变主磁通。变压器是利用电磁感应原理工作的，输入电流I1、输出电流I2、输入电压U1、输出电压U2、原绕组匝数N1、副绕组匝数N2之间的关系在忽略效率损失条件下，可表示为：K—变压器原、副绕组匝数之比。K＞１，为降压变压器；K＜１，为升压变压器。改变原、副绕组的匝数，就可得到不同的输出电压。KIINNUU122121空载时，一、二次绕组电压有效值之比等于相应的匝数之比：带载时，一、二次绕组电流有效值之比近似等于相应的匝数之反比：KNNEEUU2121201KNNII11221变压器的效率等于输出的有用功功率和输入的有用功功率之比：变压器的输出功率等于输入功率与损耗功率之差。损耗包括两部分：铁损，即铁心涡流损失；铜损，即绕组电阻损耗的能量。一般，铁损和铜损均较小，所以，变压器在满载运行时，效率均在95%以上。电子设备中使用的变压器效率一般在90%以下。显然，变压器空载时的效率为零（因为P2=0）%10012PP三、变压器的额定数据额定容量Se变压器在规定的额定电压、额定电流下连续运行时，能够输送的能量。式中：Se—额定容量（kVA）Ue—变压器二次侧的额定电压（V）Ie—变压器二次侧的额定电流（A）3310310eeeeeeIUSIUS——单相电力变压器——三相电力变压器额定电压Ue变压器长时间运行所能承受的工作电压。额定电流Ie变压器在额定容量下，允许长期通过的电流。eeeeeeUSIUSI3——单相电力变压器——三相电力变压器阻抗电压Ue将变压器二次绕组短路，使一次绕组上的电压慢慢升高，二次绕组的短路电流等于额定值时在一次侧所施加的电压Uk1即为阻抗电压。在变压器铭牌上通常用Uk1对一次额定电压Ue1比值的百分数表示，即负载损耗Pk（铜损）将变压器的二次绕组短路，在一次绕组额定分接头位置处通入额定电流，电力变压器所消耗的功率Pk称为负载损耗，它包括两部分：直流电阻损耗和附加损耗。铭牌上的数值是测量数据换算至75℃时的数值。%100%21kkkUUU空载电流I0变压器在额定电压下且二次侧空载时，一次绕组通过的电流即为空载电流I0。因为空载电流I0只起励磁作用，所以又称励磁电流。一般以额定电流的百分数表示，即空载电流与变压器的容量及铁芯硅钢片的性质有关。%100%100eIII空载损耗P0当额定频率的额定电压施加到一个绕组的端子，其他绕组开路时，所吸取的有功功率即为空载损耗P0。它包括变压器铁芯的励磁损耗和涡流损耗，与变压器铁芯硅钢片的性质及制造工艺和施加的电压有关。温升变压器绕组或上层油面的温度与变压器周围环境的温度之差称为温升。在每一台变压器的铭牌上都标有温升的限值。国家标准规定，当变压器安装地点的海拔不超过1000m时，绕组温升的限值为65℃；上层油面温升的限值为55℃。额定工作状态是变压器在额定电压、额定频率、额定负载及规定使用条件下的工作状态，在铭牌上都有标示。变压器在额定工作状态下运行，经济效果好、寿命长；反之，经济效果差、寿命短，甚至会出事故。主要由铁心和绕组两部分组成。用硅钢片制成铁心，在铁心上缠上绕组，铁心和绕组一般浸在油中。辅助部件有油箱、油位计、防爆管、温度计、散热管、气体继电器等。四、变压器的结构变压器器身铁芯绕组绝缘引线调压装置：无励磁开关、有载分接开关、油箱及冷却装置保护装置，包括储油柜、压力释放阀、吸湿器、气体继电器、净油器、油位计及测温装置等。出线套管变压器油电力变压器结构示意图1.温度计2.铭牌3.吸湿器4.储油柜5.油面指示器6.安全气管（防爆管）7.气体继电器8.高压套管9.低压套管10.分接开关11.油箱12.铁芯13.线圈及绝缘14.放油阀15.小车16.接地端子一种特殊的变压器，工作原理及基本结构与变压器相同。测量和保护用的设备，能够安全地对高电压或大电流进行测量。用互感器和测量仪表配合，可以安全地对供电线路的电压、电流进行测量。用互感器和继电器配合，能够对电力系统进行过电压、过电流保护。五、互感器电压互感器互感器电流互感器电压互感器是利用变压器U1/U2=N1/N2的原理，可安全地将高压线路中的高电压变换成低电压进行测量。电流互感器是利用变压器I1/I2=N2/N1的原理，将各种电压下的大电流变换成小电流进行测量。第二节直流电动机直流电动机是将直流电能转换为机械能的设备。优点：具有良好的调速性能和较大的起动转矩。主要应用于龙门刨床、镗床及起重机械、电力机车等。缺点：制造工艺复杂，成本较高，维护较困难，可靠性较差。一、直流电动机的工作原理A、B——电刷1、2——换向片左手定则把通有电流的导线放在磁场中时，导线在磁场力作用下将会移动。导线移动的方向可用左手定则来确定。根据左手定则确定电磁力的方向。左手定则二、直流电动机的构造旋转电动机有静止和旋转两大部分。静止部分称为定子，作用：产生磁场，由主磁极、换向极、电刷装置和机座等组成。旋转部分称为转子，作用：产生感应电动势和电磁转矩，由转子铁芯、转子绕组、换向器、轴和风扇等组成。直流电动机的结构图（一）定子1.主磁极。作用：产生主磁场。2.机座。又称为磁轭，作为各磁极间磁的通路，也作为电机的支架。3.换向极。两个相邻主磁极间的小磁极。作用：产生附加磁场。直流电动机的剖面图（二）转子1.转子铁芯。两个作用：用来安放转子绕组；作为电动机磁路的一部分。2.转子绕组。主要作用：产生感应电动势并通过电流，使电机实现机、电能量转换。3.换向器。作用：变换电流方向。直流电动机三、直流电动机的主要技术参数（一）额定功率PN电动机轴上输出的机械功率。PN=UNINηN（单位：瓦或千瓦）（二）额定电压UN在额定运行情况下，加在电动机两端的输入电压（单位：伏特）。（三）额定电流IN额定运行情况下，输入给电动机的电流（单位：安培）。（四）额定转速Nn电动机在额定电压、额定电流和额定功率情况下运行时的电机转速（单位：转/分）。（五）额定效率ηN电动机在额定运行时输出功率与输入功率之比的百分数，即：（六）额定温升τN电动机的温度允许高出环境温度的最高允许值（我国规定环境最高温度为40℃）。在一般电动机中绕组最易发热，铭牌上的温升指电动机绕组的最高温升。%100×=）输入功率（额定运行时）输出功率（额定运行时N第三节交流电动机交流电动机有异步电动机和同步电动机两类。异步电动机是应用极为广泛的一种交流电动机，按定子相数分：单相异步电动机、两相异步电动机、三相异步电动机。优点：结构简单、运行可靠、效率高、成本低等，广泛应用于工农业生产中。一、三相异步电动机的基本结构三相异步电动机和直流电动机一样，由定子和转子两个基本部分组成，但具体结构有所不同。三相异步电动机的结构交流电动机交流电动机（一）定子定子—电动机固定部分，作用：产生旋转磁场。由定子铁芯、定子绕组、机座等组成。1.定子铁芯。由相互绝缘的硅钢片叠成圆筒形状，内圆周表面有均匀分布的槽，用来安放三相绕组。2.定子绕组。定子绕组由许多线圈连接而成。线圈由带有绝缘的铜导线或铝导线绕制而成。3.机座。用来安装定子铁芯和固定端盖，并通过两个端盖支承转子。固定整个电动机，要有足够强度。三相定子绕组的三个首端和三个末端接在电动机出线盒的接线柱上。三相定子绕组的接法：星形（Y形）：三个末端连接在一起。三角形（△形）：首尾相接。（二）转子转子—电动机的转动部分，由转子铁芯、转子绕组和转轴等部件组成。作用：在旋转磁场作用下获得转动力矩。按转子的构造不同，分：鼠笼式和绕线式。1.鼠笼式转子。（a）鼠笼绕组（b）铸铝转子2.绕线式转子。外形接线图绕线式转子鼠笼式异步电动机的特点：结构简单，坚固，成本低，运行性能不如绕线式。绕线式异步电动机的特点：通过滑环和电刷，将附加电阻接入转子电路，从而改善起动性能和调节转速。定子、转子之间的气隙大小，会影响电动机性能。气隙太大，需要较大的励磁电流，降低了电动机的功率因数，一般的气隙厚为0.2~1.5mm。二、三相异步电动机的工作原理异步电动机模型1.永久磁铁2.装有鼠笼线圈的转子3.摇柄FF右手定则•右手定则：右手的大拇指与四个手指垂直放在磁场中，让磁力线通过手心，大拇指指向导线移动的方向，那么伸直的四个手指所指的方向就是电动势方向。当不考虑电动势与电流相位差时，电流方向与电动势方向相同。载流导体在磁场中会受到电磁力的作用，电磁力的方向可由左手定则来判断。显然鼠笼式转子上半部导体与下半部导体所受力的方向相反，大小相等，因而形成转矩，使鼠笼转子顺着磁场旋转方向转动起来。如果改变永久磁铁旋转方向，则鼠笼转子的转动方向也随之改变。基于空间旋转磁场与载流导体间相互作用所产生的电磁力。空间旋转磁场是由三相交流电流通过静止三相绕组而产生的。三相异步电动机的工作原理：实际的三相异步电动机是利用定子三相绕组通入三相交流电流，在电动机的空气隙中产生空间旋转磁场。)sin()sin(sin120120tIitIitIimCmBmA三相对称电流三相电流产生的旋转磁场示意图当定子绕组中通入三相电流后，它们共同产生的合成磁场，随电流的交变而在空间不断地旋转，就形成了旋转磁场。电动机转子转动的方向和磁场旋转的方向相同。旋转磁场的转速：（转/分）式中：f—电源频率；P—磁极对数。Pfn601三相电流产生的旋转磁场示意图异步电动机定子上有三相对称的交流绕组；（示意图，模型图）在