《变压器与电动机》PPT课件.ppt

电工电子技术 福建工程学院 2013年 陈佳新 主编 周理 陈炳煌 卢光宝 鄢仁武 编 第5章 变压器与电动机 第5章 变压器与电动机 5.2 三相异步电动机 5.3 单相异步电动机 5.4 三相异步电动机的电气控制 5.1 变压器 2 第5章 变压器与电动机 5.1 变压器 5.1.1 磁性材料的磁性能 磁性材料（如铁、镍、钴及其合金）的磁导率很高，是制 造变压器、电机和各类电器铁心的主要材料，磁性材料具有以 下特点。 变压器是一种静止的电能转换装置，它利用电磁感应原理 ，根据需要可以将一种交流电压和电流等级转换成同频率的另 一种电压和电流等级。 电动机能将电能转换为机械能。异步电动机具有结构简单 、制造方便、价格低廉、运行可靠等一系列优点，能满足各行 各业大多数生产机械的拖动要求，在各种电动机中应用最广。 3 第5章 变压器与电动机 1. 高导磁性 磁性材料内部存在的天然磁化区（称为磁畴），在没有外 磁场的作用时，磁畴呈现杂乱无章的排列，磁场相互抵销，对 外不呈现磁性。在外加磁场时，磁畴在外磁场的作用下，其方 向逐渐与外磁场一致，产生远大于外磁场的附加磁场，从而增 强了原来的磁场。 （a）无外磁场 （b）有外磁场 4 第5章 变压器与电动机 2. 磁饱和性 当外磁场增大到一定程度时，磁性 材料中的磁畴已全部排列整齐，这时磁 性材料中的磁感应强度趋向于某一定值 ，称此特性为磁饱和性。 磁性材料的磁化特性用磁化曲线（B-H曲线）来表示。当 磁场强度H比较小时，磁感应强度B与H近似成比例地增加；当 H增大到一定值后，B的增加缓慢下来，最后趋于磁饱和。因 此磁性材料的B与H为非线性关系，磁导率不是常数。 图中B0-H为真空的磁化曲线，B0与H为正比关系。 5 第5章 变压器与电动机 3. 磁滞性 磁性材料在交变磁场 中被反复磁化，磁感应强 度B随磁场强度H变化的关 系为一条闭合曲线，称为 磁滞回线。 当H减小到零时，B并未回到零，这种磁感应强度滞后于 磁场强度变化的性质称为磁性材料的磁滞性。 Br剩磁感应强度（剩磁） Hc矫顽磁力 永久磁铁的磁性就是剩磁产生的。 6 第5章 变压器与电动机 磁性材料在交变磁化过程中， 由于磁滞现象的存在而产生的能量 损耗，称为磁滞损耗。 在交变磁场作用下，在垂直于 磁力线方向的铁心截面上还会产生 旋涡状的电流，称为涡流，如图所 示。在铁心内产生的能量损耗称为 涡流损耗。 磁性材料的磁滞损耗和涡流损耗统称为铁损耗。为了减 小铁损耗，通常变压器和交流电机的铁心都采用硅钢片叠片 而成。 7 第5章 变压器与电动机 磁性材料常分为以下两类。 （1）软磁材料。软磁材料的磁滞回线较窄，剩磁较小，矫 顽磁力较小，常用来制造变压器、电机和电器等的铁心。软磁 材料主要有铸铁、硅钢、坡莫合金及铁氧体等。 （2）硬磁材料。硬磁材料的磁滞回线较宽，剩磁较大，矫 顽磁力较大，常用来制造永久磁铁。硬磁材料主要有碳钢、镍 铝钴合金和钕铁硼合金等。 8 第5章 变压器与电动机 1.变压器的基本结构 变压器的主要组成部分 是铁心和绕组（俗称器身） 。 电力变压器多采用油浸 式和干式结构，图示为油浸 式电力变压器的结构图。 5.1.2 变压器的基本结构及工作原理 9 第5章 变压器与电动机 （1）铁心是变压器的主磁路，又是绕组的支撑骨架。 铁心的基本结构有心式和壳式两种，如图所示。 （a）心式 （b）壳式 （2）绕组变压器的电路部分，常用绝缘铜线或铝线绕制而成。 一般电力变压器都把绕组绕制成圆形的。工作电压高的绕组 称为高压绕组，工作电压低的绕组称为低压绕组。在高、低压 绕组之间及绕组与铁心之间都加有绝缘。 10 第5章 变压器与电动机 2. 变压器的额定值 铭牌数据主要包括 （1）额定电压U1N和U2N （V）。对于三相变压器指线电压。 （2）额定电流I1N和I2N （A）。对于三相变压器指线电流。 （3）额定容量SN （kVA）。由于电力变压器的效率很高，忽 略压降损耗时有 对单相变压器 对三相变压器 11 第5章 变压器与电动机 【例5.1.1】 一台三相油浸自冷式变压器，已知SN=560kVA， U1N/U2N=10kV/400V，试求一次、二次绕组的额定电流I1N、 I2N各为多少？ 解 12 第5章 变压器与电动机 3. 变压器的工作原理 变压器的工作原理图 13 第5章 变压器与电动机 （1）电压变换作用 变压器是利用电磁感应原理工作。通常接交流电源的称 为一次绕组（俗称原绕组或初级绕组）；接负载的称为二次 绕组（俗称副绕组或次级绕组）。 一次绕组加合适的交流电源电压u1 ，就有交流电流i1 流 过，产生一次绕组磁通势，铁心中激励起交变的主磁通， 同时交链一次、二次绕组。根据电磁感应定律，便在一次、 二次绕组中产生感应电动势e1和e2 。二次绕组在e2的作用下， 向负载ZL供电，实现了能量传递。 另有一小部分磁通经非磁性材料形成闭路，不参与能量 传递，为漏磁通1、2，产生漏磁电动势e1 、 e2 。 14 第5章 变压器与电动机 变压器中电压、电流、磁通及电动势一般采用电工惯例来 规定其正方向 同一条支路中，u与i的正方向一致； 由电流i产生的磁通，正方向符合右手螺旋法则； 由磁通产生的感应电动势e，其正方向与产生该磁通的 电流i的正方向一致。 设主磁通 ，根据电磁感应定律，则一次绕组 的感应电动势为 有效值： 15 第5章 变压器与电动机 同理，二次绕组感应电动势的有效值为 由于一次绕组的漏阻抗压降较小，忽略不计时，可近似地 认为 空载时的二次绕组开路电压 其有效值的关系为 式中k 为匝数比。表明一次、二次绕组的电压之比与一次、二 次绕组的匝数比k成正比。改变匝数比k，即可改变输出电压。 如果N1N2，则U1U20，为降压变压器；反之，N1kUN=0.522UN=198.4V时才能启动。 此时电动机运行时电源电压下降，无法继续运行，将停机。 当最大转矩大于负载转矩时才能继续运行，设U1=kUN，则有 所以 （3）由 ，当U1=0.5UN时，得 所以 即电源电压U1kUN=0.511UN=194.2V时才能继续运行。 47 第5章 变压器与电动机 4绕线转子串电阻的人为机械特性 绕线转子三相异步电动机，其他 条件不变，仅在转子回路串入对称三 相电阻Rp，则有 （1）同步转速不变； （2）最大转矩Tmax的大小不变，但 临界转差率sm与转子回路电阻成正比 ，（或nm 随的增大而减小）； （3）在绕线转子回路串适当的电阻 可增大启动转矩。 48 第5章 变压器与电动机 5.2.3 三相异步电动机的启动 1全压启动存在的问题 全压启动就是利用开关或接触器将电动机的定子绕组直接 接到具有额定电压的电网上，也称为直接启动。优点是操作简 便，启动设备简单，但存在问题： （1）全压启动电流很大。Ist(47)IN。 （2）全压启动转矩不是很大。st=1.82.0。 如果三相笼型异步电动机满足 就可以允许全压启动。 49 第5章 变压器与电动机 对于45 kW的电动机根据经验公式 对于18.5kW的电动机，根据经验公式 允许全压启动 【例5.2.4】 一台Y180M4三相笼型异步电动机，已知 PN=18.5kW， ，其电源变压器的容量为560kVA，问能 否全压启动？另有一台Y225S4三相笼型异步电动机，已知 PN=37kW，问能否全压启动？ 解 不允许全压启动 50 第5章 变压器与电动机 3三相笼型异步电动机的降压启动 降压启动不改变电源电压，只采用某种方法使电动机定子 绕组上的电压降低。降压启动的目的是减小启动电流，但同时 使电动机的启动转矩减小（TU12），故适用于轻负载启动。 （1）星-三角（Y-）降压启动 启动时，定子绕组接成星形(Y)接法，使相电压降为额定电 压的1/ ；运行时，定子绕组换接成三角形()接法，使电动 机在额定电压下正常。 启动电流 启动转矩 51 第5章 变压器与电动机 （2）三相笼型异步电动机的自耦变压器降压启动 利用三相自耦变压器降低加在电动机定子绕组上的电压， 以减小启动电流。 降压启动时，加在电动机 定子绕组上的电压为 （变比k1） 启动电流 启动转矩 52 第5章 变压器与电动机 4三相绕线转子异步电动机的转子串电阻启动 采用三相绕线转子异步电动机的转子串电阻，可限制启动 时的转子及定子电流；同时绕线转子串适当的电阻还能增大 启动转矩。 （1）若采用全压启动。 由经验公式 【例5.2.5】 某厂的电源容量为560kVA，一皮带运输机采用 Y225M-4三相笼型异步电动机拖动，其PN=45kW，接法， ，带0.8TN的负载启动，试问能否采用： （1）全压启动；（2）Y-降压启动；（3）73%抽头的自耦 变压器降压启动。 解 不能采用全压启动。 53 第5章 变压器与电动机 （2）若采用Y-降压启动，则Y接法启动时 启动转矩不符合要求，不能采用。 （3）若采用自耦变压器降压启动 启动电流 启动转矩 可见用73%抽头的自耦变压器降压启动，启动电流和启动 转矩均符合电网和负载的要求，可以采用。 启动电流 启动转矩 54 第5章 变压器与电动机 5.2.4 三相异步电动机的反转 将接到电动机接线端子的三相电源线 的任意两根线对调，就可改变旋转磁场的 转向，也就改变了电动机的转向。 5.2.5 三相异步电动机的调速 调节三相异步电动机的转速，可采用改变电源频率f、改 变磁极对数p和改变转差率s的方法来实现，其中改变转差率的 方法中又分为改变定子电压、转子电阻等。 根据 55 第5章 变压器与电动机 1变极调速 变极调速一般只用于笼型异步电动机，称为多速电动机。 变极调速的方法有：在定子铁心槽内嵌放两套不同磁极 数且完全独立的三相绕组；单绕组反向变极法，通过改变定 子绕组的接法来改变异步电动机的磁极数，故又称为单绕组变 极电动机。 （1）单绕组反向变极法 每相绕组分两半，将一个“半相绕组”的电流由同向（都由 首端流进或流出）改为反向（一半绕组的电流由首端流进，另 一半绕组的电流由首端流出），就可将极对数减少一半，转速 增加一倍，这就是单绕组反向变极法的变极原理。绕组正规分 布时可得到倍极比（2/4极、4/8极等）的转速。 56 第5章 变压器与电动机 （2）Y/YY接法，低速时为单星形(Y)，高速时为双星形(YY)， 适用于恒转矩负载。 57 第5章 变压器与电动机 （3）/YY接法，低速时为三角形()，高速时为双星形(YY)， 适用于恒功率负载。 注意，在改变定子绕组接线的同时，将V、W两相的出 线端进行了对调，以保证变极调速前后电动机的转向不变。 58 第5章 变压器与电动机 2变频调速 改变电源频率可平滑地调节异 步电动机的转速。 f1n1n。 在基频（额定频率）以下进行 调速时，变频电源的输出电压大小 与频率成正比例地调节，适用于恒 转矩负载。 当频率很低时，为保持电动机 有足够大的转矩，可以人为地使定 子电压U1提高一些进行补偿。 当在基频（额定频率）以上进行调速时，保持定子电压 不变，适用于恒功率负载。 59 第5章 变压器与电动机 3改变转差率调速 通过改变转差率实现调节转速的方法较多，主要有改变 定子电压调速法、转子串电阻调速法等。 （1）改变定子电压调速 改变定子电压调速只能在定子端电压U1UN的范围内进 行。由降压人为机械特性，稳定运行时，U1n。调压调 速应用于通风机型负载。 （2）绕线转子异步电动机转子串电阻调速 对于绕线转子三相异步电动机，由转子串电阻人为机械 特性，稳定运行时，Rp n。这种调速方法适用于带恒转 矩负载调速，调速电阻可兼作为启动与制动电阻使用，因而 在起重机械的拖动系统中得到应用。 60 第5章 变压器与电动机 5.2.6 三相异步电动机的制动 1能耗制动 制动时，KM1断开后将KM2闭合，即断开异步电动机 的三相交流电源，同时将直流电流通入定子绕组。 61 第5章 变压器与电动机 2电源反接制动 制动时，KM1断开后将KM2闭合，三相交流电源的两 相对调后再通入电动机。 62 第5章 变压器与电动机 3回馈制动（再生发电制动） 电动状态时，在转向不变的条件下，使转速n大于同 步转速n1，则进入回馈制动（再生发电制动）状态。 63 第5章 变压器与电动机 5.3.1 分相式异步电动机 1单相电阻启动异步电动机 5.3 单相异步电动机 启动时主绕组、辅绕组两个支路的阻抗不同，导致两绕 组中电流的相位不同，形成两相电流，产生旋转磁场，产生 启动转矩。工作时离心开关S断开，剩下主绕组进入稳定运行 状态。 64 第5章 变压器与电动机 2单相电容启动异步电动机 在辅绕组支路中串联一个电容，增大启动转矩。同样， 当电动机转速达到额定转速的70%80时，离心开关S将辅 绕组从电源上自动断开，靠主绕组单独进入稳定运行状态。 辅绕组按短时工作状态设计的。 65 第5章 变压器与电动机 3单相电容运转异步电动机 辅绕组不仅在启动时起作用，而且在电动机运转时也起 作用，长期处于工作状态。电动机的功率因数、效率、过载 能力等运行性能有较大的改善，运行也比较平稳。 66 第5章 变压器与电动机 4单相双值电容异步电动机 电动机在启动和运转时都得到比较好的性能。启动时， Cl和C2两个电容并联作启动电容，总容量大，电动机有较大 的启动转矩；运行时由容量较小的Cl参与运行，因此电动机 又有较好的运行性能， 67 第5章 变压器与电动机 5.3.2 罩极式异步电动机 定子铁心多制成凸极式，装有集中式的主绕组，每个 磁极极靴开有小槽，槽中嵌入的短路铜环将小的部分极靴 罩住。由于短路铜环的作用，电动机内部产生移动磁场、 启动转矩，从而旋转起来。 68 第5章 变压器与电动机 5.4.1 常用低压电器 1按钮 按钮主要用来发布操作命令、接通或断开控制电路、控 制机械与电气设备的运行。 常见的有启动按钮（动合）、停止按钮（动断）和复合 按钮。 5.4 三相异步电动机的电气控制系统 (a)启动 (b)停止 (c)复合 按钮的图形符号 69 第5章 变压器与电动机 2组合开关 组合开关常用做电 源引入的开关，也用于 5.5kW以下电动机的直 接启动、停止、反转和 调速控制开关。 常用的三极组合开 关。每一极有一对静触 片与盒外接线柱相接， 动触片受手柄控制可以 转动，以达到线路的通 、断控制。 70 第5章 变压器与电动机 3闸刀开关 （a）外形 （b）符号 闸刀开关又称为胶盖闸刀开关 或隔离开关，常用做隔离电源的开 关，以便能安全地对电气设备进行 检修或更换熔丝，也可用做照明电 路和小容量（5.5kW及以下）电动 机直接启动的电源开关。 分单极（单刀）、双极（双刀 ）和三极（三刀）。刀片下端装有 熔丝，起保护作用。 71 第5章 变压器与电动机 4熔断器 螺旋式熔断器的结构 熔断器的电气符号 熔断器主要由熔体、外壳和 支座等组成。当电流超过规定值 一定时间后，以它本身产生的热 量使熔体熔化而分断电路，广泛 用于短路保护和过电流保护。 常用的熔断器有插入式熔断 器、螺旋式熔断器、管式熔断器 和有填料式熔断器等。 使用时不允许随意加大熔体 或用其他导体代替熔体。 72 第5章 变压器与电动机 5热继电器 使用时，将发热元件接入电机主电路，若长时间过载， 双金属片受热弯曲，推动执行机构动作，促使动断触点断开 ，达到保护的目的。动作后，双金属片经过一段时间冷却， 按下复位按钮即可将触点复位。 73 第5章 变压器与电动机 6低压断路器 低压断路器的 电气符号 低压断路器又称为自动空气开关，可用来接通和分断负 载电路，也可用来控制不频繁启动的电动机。它相当于闸刀 开关、熔断器、热继电器和欠电压继电器的组合，是一种既 具有手动开关作用又能自动进行欠压、失压、过载和短路保 护的电器。 74 第5章 变压器与电动机 图示为三极塑壳式低压断路器的外形，另有单极、二极 和四极等，广泛应用于照明配电系统和电动机的配电系统中 ，可以在正常情况下不频繁地通断电器装置和照明线路，在 线路中起过载、短路保护作用。 75 第5章 变压器与电动机 7接触器 接触器是一种用于中远距离频繁地接通和断开大电流电 路的开关电器。线圈通电产生的磁场使静铁心产生电磁吸力 吸引动铁心，并带动触点动作，使动断触点断开，动合触点 闭合。线圈断电时，电磁吸力消失，动铁心在释放弹簧的作 用下，使触点恢复到原来的位置。 76 第5章 变压器与电动机 （a）电磁线圈 （b）主触点 （c）辅助触点 接触器的电气符号 接触器主触点的容量大，额定电流为51000A，用于控 制各种电力负载，而辅助触点的额定电流一般为5A，主要用 于控制回路中。 77 第5章 变压器与电动机 8中间继电器 JZ7系列 中间继电 器的外形 及结构 中间继电器的结构和原理与小型交流接触器基本相同， 但触点没有主、辅之分，每对触点允许通过的电流大小相同 ，其额定电流一般为 5A。 78 第5章 变压器与电动机 （a）电磁线圈 （b）动合触点 （c）动断触点 中间继电器的电气符号 中间继电器的触点数目多，通常用于传递信号和同时控 制多个电路，也可直接用它来控制小容量电动机或其他电气 执行元件。 79 第5章 变压器与电动机 9时间继电器 时间继电器是利用电磁原理或机械原理实现延时控制的 自动开关装置。延时方式有通电延时和断电延时两种，图示 为电气符号。 80 第5章 变压器与电动机 10行程开关（位置开关、限位开关） 行程开关原理图和电气符号 行程开关是利用生产机械运动部件的碰撞使其触点动作 来实现接通或分断达到控制目的。用来限制机械运动的行程 或位置，实现顺序控制、定位控制和位置状态的检测。 81 第5章 变压器与电动机 5.4.2 三相异步电动机的基本控制线路 1刀开关单向运转控制线路 合上或断开电源开关QS就能控制电动机 运转或停止，从而带动负载工作。 当线路发生短路故障或长时间严重过载时 ，熔断器FU的熔体熔断，切断电源，以保证 安全。 熔断器熔体的额定电流一般取电动机额定 电流的1.52.5倍。 82 第5章 变压器与电动机 2具有过载保护的单向运转控制线路 图中FU1、FU2为熔断器，FR为热继电 器，其热元件串联在主电路中，起过载保护 作用；熔断器FU起短路保护。 83 第5章 变压器与电动机 合上电源开关QS， 松开SB2，由于KM辅助动合触点闭合自锁，保持KM线 圈得电，电动机继续运转。停止时，按停止按钮SB1，KM线 圈失电，触点复位，电动机停转。 具有自锁的单向运转控制线路还具有欠压与失压（或零 压）的保护作用。 当电动机过载，电流超过整定电流（电动机的额定电流 值）时，FR 动断触点动作，断开控制线路，使KM线圈断电 、触点复位，电动机便脱离电源，起过载保护作用。 84 第5章 变压器与电动机 3利用复合按钮的点动、长动控制线路 85 第5章 变压器与电动机 长动控制： 停机：按下SB1，控制线路断电，接触器释放，触点复位 ，电动机停转。 点动控制： 松开点动按钮SB3，KM线圈失电，KM主触点复位，电 动机停转。 86 第5章 变压器与电动机 4两台电动机先后运转的联锁控制线路 各台电动机有时必 须按一定的顺序启动或 停机，才能保证安全。 图示线路，满足电 动机M1先启动M2后启 动的要求。当按下SB3时 ，M2可单独停机。按下 SB1时，电动机M1、M2 同时停机。 87 第5章 变压器与电动机 5时间继电器自动转换的Y-降压启动线路 三相异步电动机 启动时定子绕组接成 Y接法，延时一段时 间后，定子绕组改接 成接法，使电动机 在额定电压下正常运 行。 依靠接触器的辅助 动断触点相互制约使 得只有一个线圈保持 得电的现象称为触点 互锁（联锁）。 88 第5章 变压器与电动机 合上电源开关QS，电动机Y接法降压启动，