电机与变压器教案

1、绪论一、教学目标1、了解电机在电能产生、传输、转换中的作用2、了解电机的发展概况3、明确本课程的任务和要求二、教学重点与难点1、电机在电能产生、传输、转换中的作用2、明确本课程的任务和要求三、教学时间：1学时四、教学过程及主要内容一、电机在电能产生、传输、转换中的作用一）电能是怎样产生的？ 一般情况下，水能、热能、核能等其他自然能源水水轮机、气轮机等原动机转动，再由原动机带动三相同步发电机转动产生三相电能。二）变压器在电能的传输中有什么作用？ 1、减少输电线电阻 2、提高输电电压三）电动机在电能的使用上有什么优点？二、电机发展概况三、本课程的任务和要求 一）任务1、掌握变压器、异步电动机、直流

2、电动机的结构、原理、主要特性、使用和维护知识； 2、了解同步电动机和特种电动机； 二）要求 1、学习要理论联系实际 2、注重对电机故障的分析、判断和检修能力的培养 3、为生产实习课与解决实际技术问题奠定理论和技能基础第一单元 变压器的分类、结构和原理课题一 变压器的分类和用途一、教学目标1、学生掌握变压器的定义2、学生了解变压器的用途和分类二、教学重点与难点变压器的用途和分类三、教学时间：1学时四、教学过程及主要内容一、变压器的主要用途 变压器是一种通过电磁感应作用将一定数值的电压、电流、阻抗的交流电转换成同频率的另一数值的电压、电流、阻抗的交流电的静止电器。在电力系统中，专门用于升高电压和降

3、低电压的变压器统称为电力变压器。 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。二、变压器的分类 变压器可以按照用途、绕组数目、相数、冷却方式、调压方式分类。1、按照用途分，主要有电力变压器、调压变压器、仪用互感器（如测量用电流互感器和电压互感器）、供特殊电源用的变压器（如整流变压器、电炉变压器、电焊变压器、脉冲变压器）。2、按照绕组数目分，主要有双绕组变压器、三绕组变压器、多绕组变压器、自耦变压器。3、按照相数分，主要有单相变压器、三相变压器、多相变压器。4、按照冷却方式分，主要有干式变压器、充

4、气式变压器、油浸式变压器（按照冷却条件，又可细分为自冷、风冷、水冷、强迫油循环风冷、强迫油循环水冷变压器）。5、按照调压方式分，主要有无载调压变压器、有载调压变压器、自动调压变压器。 容量大小：小型变压器、中型变压器、大型变压器和特大型变压器。五、作业变压器的分类方式有很多，按用途可以分为哪几种？课题二 变压器的结构与冷却方式一、教学目标1、学生掌握变压器的基本结构2、学生了解变压器的冷却方式3、熟悉变压器的主要附件二、教学重点与难点1、变压器的基本结构2、变压器的主要附件三、教学时间 4学时四、教学过程及主要内容一、变压器的结构图1-1为三相油浸式电力变压器的结构示意图。 图1-1 三相油浸

5、式电力变压器1油箱 2铁心及绕组 3储油柜 4散热筋 5高、低压绕组 6分接开关 7气体继电器 8信号温度计 三相油浸式电力变压器主要由铁心、绕组及其他部件组成。1铁心 铁心作为变压器的闭合磁路和固定绕组及其他部件的骨架。为了减小磁阻、减小交变磁通在铁心内产生的磁滞损耗和涡流损耗，变压器的铁心大多采用薄硅钢片叠装而成。变压器的铁心有心式和壳式两种基本形式。心式变压器的铁心由铁心柱、铁轭和夹紧器件组成，绕组套在铁心柱上。2绕组 绕组是变压器的电路部分，原绕组吸取供电电源的能量，副绕组向负载提供电能。变压器的绕组由包有绝缘材料的扁导线或圆导线绕成，有铜导线和铝导线两种。按照高、低压绕组之间的安排方

6、式，变压器的绕组有同心式和交叠式两种基本形式。二、变压器的冷却方式1、三相油浸自冷式2、三相油浸风冷式3、三相强迫油循环风冷式4、三相强迫油循环水冷式三、变压器的主要附件1）油箱 变压器的器身放置在灌有高绝缘强度、高燃点变压器油的油箱内。 变压器运行时，铁心和绕组都要发出热量，使变压器油发热。发热的变压器油在油箱内发生对流，将热量传送至油箱壁及其上的散热器，再向周围空气或冷却水辐射，达到散热的目的，从而使变压器内的温度保持在合理的水平上。（2）储油柜（也称为油枕） 储油柜装置在油箱上方，通过连通管与油箱连通，起到保护变压器油的作用。 变压器油在较高温度下长期与空气接触容易吸收空气中的水分和杂质

7、，使变压器油的绝缘强度和散热能力相应降低。装置储油柜的目的是为了减小油面与空气的接触面积、降低与空气接触的油面温度并使储油柜上部的空气通过吸湿剂与外界空气交换，从而减慢变压器油的受潮和老化的速度。（3）气体继电器（也称为瓦斯继电器） 气体继电器装置在油箱与储油柜的连通管道中，对变压器的短路、过载、漏油等故障起到保护的作用。（4）安全气道（也称为防爆管） 安全气道是装置在较大容量变压器油箱顶上的一个钢质长筒，下筒口与油箱连通，上筒口以玻璃板封口。 当变压器内部发生严重故障又恰逢气体继电器失灵时，油箱内部的高压气体便会沿着安全气道上冲，冲破玻璃板封口，以避免油箱受力变形或爆炸。 （5）绝缘套管 绝

8、缘套管是装置在变压器油箱盖上面的绝缘套管，以确保变压器的引出线与油箱绝缘。（6）分接开关 分接开关装置在变压器油箱盖上面，通过调节分接开关来改变原绕组的匝数，从而使副绕组的输出电压可以调节，以避免副绕组的输出电压因负载变化而过分偏离额定值。 分接开关有无载分接开关和有载分接开关两种。一般的分接开关有三个挡位，+5%挡、0挡和-5%挡。若要副绕组的输出电压降低，则将分接开关调至原绕组匝数多的一挡，即+5%挡；若要副绕组的输出电压升高，则将分接开关调至原绕组匝数少的一挡，即-5%挡。五、作业1、变压器的主要结构是怎样的？各部分有什么功能？2、变压器铁心是主磁通的通道，为什么铁心常用导磁材料-硅钢片

9、叠装而成？3、试简述三相油浸自冷式变压器的冷却方式。课题三 变压器的原理一、教学目标1、熟悉变压器的空载运行2、掌握变压器的负载运行二、教学重点与难点1、理想变压器空载运行状态下各物理量的关系2、实际变压器空载运行状态下各物理量的关系三、教学时间 6学时 四、教学过程及主要内容一、变压器的空载运行 什么是空载运行：变压器一次绕组加额定电压，二次绕组开路的工作状态。 （一） 空载运行时的物理情况原绕组接交流电源时有电流通过，称空载电流。 。交变的流过原绕组，产生磁动势，产生通过绕组中心的交变的磁通，此磁通由单独激励，所以也称为励磁电流或激磁电流。图1.5 单相变压器空载运行原理图 主磁通：绝大部

10、分的磁通经由铁心闭合，称为主磁通，用表示。作用：主磁通与原、副绕组同时交链而传递能量。在原、副绕组中产生感应电动势,。漏磁通：很少一部分磁通经由原绕组周围的空气或变压器油闭合，它不是传递能量的载体，称漏磁通。（二） 感应电动势 1各电、磁量正方向的规定有利于讨论各电、磁量的量值关系和相位关系。原边：视变压器原边为电源的负载，原边电流的正方向与电源电压的正方向一致。副边：将副边视为负载的电源，副边电流的正方向由副边电势的正方向确定，副边电压的正方向依据副边电流流过负载的压降方向确定。磁通：正方向与电流的正方向符合右手螺旋定则。感应电动势：正方向与磁通的正方向符合右手螺旋定则，实际方向由楞次定律确

11、定。2感应电动势 交流电压产生交流磁通，有 则且在相位上以90°滞后于 E2在相位上也以90°滞后于F m变压器的原绕组有漏磁通链过，漏磁通也是按正弦规律变化的，由于漏磁路主要由非磁性介质构成，可近似地看成线性磁路，其磁阻也可近似地看成常数，则漏电感L1s和漏电抗x1也可近似地看成常数，因此，漏感电势可以看成是漏电抗上的压降。3电压平衡关系据基尔霍夫电压定律，得到原、副边的电压平衡方程式由于漏磁路磁阻很大，漏磁通很小，因此反映漏磁通的漏电感和漏电抗很小，I0Z1也很小，有由此看出，主磁通的大小主要决定与电源电压的大小，只要电源电压不变，主磁通维持不变，这是一个很重要的结论，

12、对变压器负载运行时仍然成立。 （三）空载电流和空载损耗空载运行时，只有原绕组流过空载电流，所以励磁电流也就是空载电流。由于铁心采用高磁化能力、低涡流损耗和磁滞损耗的硅钢片叠压而成，空载电流是很小的，只占原边额定电流的4%10%，甚至更低。空载运行时，交变的磁通一方面在铁心中产生涡流，另一方面使铁磁材料中的磁畴随磁场方向的交变而运动，其后果都会使铁心发热，将变压器原边吸收电源能量的一部分消耗掉。分别称为涡流损耗和磁滞损耗，合称为铁损耗。一、 变压器的负载运行（一）负载运行时的物理情况 负载运行时，副绕组中有电流流过，变压器便可以同时与原、副绕组相交链的主磁通为媒介，将原绕组从电源吸收的电能传送到

13、副绕组，向负载供电。负载运行时，副绕组中有电流流过，副绕组中产生相应的磁动势，与原绕组中产生的磁动势 共同作用，产生铁心中的主磁通。（二） 负载运行时的基本方程式 1磁动势平衡方程式 铁心中的磁动势由原边磁动势和副边磁动势合成，为。由于电压不变，主磁通不变，即磁动势仍然为。有由此看出，负载运行时的原边磁动势有两部分作用：一是产生铁心中的励磁磁动势，以产生主磁通；二是产生一个与副边磁动势大小相等、方向相反的磁动势（），抵消副边磁动势的作用，以维持铁心中的主磁通不变。该式称为磁动势平衡方程式。将磁动势平衡方程式改变为 负载运行时的原边电 流大于变压器空载运行时的原边电流 的，它由反映主磁通大小的励

14、磁电流分量和反映负载大小的负载电流分量（）组成。当负载增加时，增加，副边磁动势增加，原边电流的负载电流分量（）也相应增加，可见，虽然变压器的原、副边没有直接的电路联系，但负载电流的变化也会使原边电流相应地改变。 2电压平衡方程式副边电路流过电流，产生副边磁动势。副边磁动势一方面与原边磁动势共同作用产生铁心中的主磁通，另一方面还产生仅与副绕组交链的漏磁通。漏磁通在副绕组中感应出漏感电动势，也可以以副边漏电抗上的压降形式来表示，有 据原、副边电路，列出变压器负载运行时的电压平衡方程式综上所述，可以列出变压器负载运行时的基本方程式组如下课题四 变压器的空载试验与短路试验一、 教学目标1、 掌握变压器

15、空载与短路试验的目的及应用2、 培养学生的动手操作能力和实验数据的取得与分析能力3、 实验中要注意安全，教师检查接线以后学生再闭合电路二、 教学重点与难点1、变压器空载与短路试验2、变压器空载与短路试验的应用三、 教学时间：4学时四、 教学内容：一）、空载试验 试验目的：确定变压器的变比k、铁损耗pFe和励磁阻抗zm。 为便于测量仪表的选用、确保试验安全，空载试验在低压边进行。将高压边开路，在低压边加电压为额定值U2N、频率为额定值的正弦交变电源，测出开路电压U10、空载电流I20、空载损耗p0。 对单相变压器，有据空载等效电路，以及,，有，励磁感抗可由,计算空载铜损很小，有 对于三相变压器的

16、空载试验，测出的电压、电流均为线值，测出的功率为三相功率值，计算时应进行相应的换算，即将电压、电流换算为相值，将功率换算为单相值。 二、短路试验 目的：是确定变压器的铜损耗、短路阻抗。短路试验在高压边进行，将低压端短接，高压边交流电源，缓慢升压至I1I1N时停止，测出短路电压U1s、短路电流I1s、短路损耗ps。短路电压U1s相对于额定电压U1N来说很小，故磁通很小，铁损pFe很小，有 铜损为原、副铜损之和短路试验接线图因是在额定电流时测定，故为额定运行时的铜损耗。由于短路试验时，又有，因此可以用简化等效电路来进行计算。有 U1s称为短路电压，常用对 的百分值us%来表示，us%称短路电压百分

17、值 上式中 Zs%为短路阻抗百分值可见，us%zs%。短路电压百分值反映了变压器漏阻抗的大小。变压器是负载的电源，其漏阻抗就是电源的内阻抗。us%或zs%越小，变压器的输出电压随负载变化而变化的程度就越小。us%是变压器的一个很重要的参数。 五、 处理课后习题第二单元 变压器绕组的极性测定与连接课题一 单相变压器绕组的极性一、 教学目标1、掌握单相变压器绕组的极性及其判定二、教学重点与难点单相变压器绕组的极性及其判定三、教学时间：2课时四、教学内容一）、变压器绕组的极性 变压器绕组的极性是指变压器一次侧、二次侧绕组在同一磁通作用下所产生的感应电动势之间的相位关系，通常用同名端来标记。在图2-1

18、中，铁心上绕制的所有线圈都被铁心中交变的主磁通所穿过，在任何某个瞬间，电动势都处于相同极性(如正极性)的线圈端就称同名端；而另一端就成为另一组同名端，它们也处于同极性(如负极性)。不是同极性的两端就称为异名端。例如在交变磁通曲的作用下，感应电动势与的正方向所指的lU2、2U2是一对同名端，在互感器绕组上常用“+”和“”来表示(并不表示真正的正负意义)。 对一个绕组而言，哪个端点作为正极性都无所谓，但一旦定下来，其他有关的线圈的正极性也就根据同名端关系定下了。有时也称为线圈的首与尾，只要一个线圈的首尾确定了，那些与它有磁路穿通的线圈的首尾也就定下了。 二）、极性的重要性 1绕组串联时 (1)正向

19、串联，也称为首尾相连，即把两个线圈的异名端相连，总电动势为两个电动势相加，电动势会越串越大。 (2)反向串联，也称为尾尾相连(或首首相连)，总电动势为两个电动势之差，电动势将变小。 正因为正、反向串联的总电动势相差很大，所以常用此法来判别两个绕组的同名端。 2绕组并联时也有两种连接方法。 (1)同极性并联，它又分两种情况。 1)与大小一样，则两个绕组回路内部的总电动势为零，不会产生内部环流，这是最理想状态，变压器的并联，就应符合这种条件：2) 与大小不等，则两个绕组回路内部的总电动势不为零，外部不接负载时，也会产生一定的环流。这对绕组的正常工作不利，环流会产生损耗和发热，输出电压、电流都减少，

20、严重时甚至烧坏绕组。 (2)反极性并联 这时两个绕组回路内部的环流将很大，甚至烧坏线圈，这种接法是不允许的，应绝对避免。以上说明绕组极性判别对变压器绕组的连接是十分重要的。 三）、极性的判别 1直观法 因为绕组的极性是由它的绕制方向决定的，所以可以用直观法判别它们的极性。2测试法无法观察到绕组的绕制方向(如绕组密封在内部)，只能借助仪表来测试。（1）如果U3=U1+U2，则是正向串联，1U1与2U1是异名端；如果U3=U1U2则是反向串联，1U1与2U1是同名端 (2)检流计法 P为检流计(检流计指针偏向电流流人的一端)。当合上开关飞，如电流向下，说明这时1U1与2U1都处于高电位，所以它们是

21、同名端。用这个方法时，为了省电和保护检流计，一般将高压侧接检流计。也可用直流毫安表代替检流计，直流毫安表量程由大至小试用，直到反应明显为止。 以上是对单相绕组的极性判别。对三相变压器来说，它的每一相的一次侧、二次侧绕组之间的同名端判别，同单相变压器一样。但三相绕组之间严格地讲不属于同名端判别范畴。五、 处理课后习题课题二 三相变压器绕组的连接及连接组别一、教学目标： 1、掌握三相变压器及连接组别二、教学重点与难点 掌握三相变压器及连接组别三、教学时间：2学时四、教学内容三相交流电无论在经济、技术上都有极大的优越性，所以现代电力系统都采用三相交流电，为此三相交流变压器被广泛应用。它可以由三个单相

22、变压器连接组成，称为三相组式变压器。但大多数均采用三相合为一体的三相芯式变压器，因为它体积小，经济性也好。一、三相变压器的磁路结构1三相组式变压器的磁路它的三个单相变压器铁心磁路是各自独立的，只要三相电压平衡，则磁路也是对称一样的，每只变压器可作为单相变压器来分析。2三相芯式变压器的磁路三相芯式变压器有三个铁心柱，供三相磁通、v、w分别通过。在三相电压平衡时，磁路也是对称的，总磁通=+v +w=0，所以就不需要另外的铁心来供参总通过。类似于三相对称电路中省去中线一样，这样就大量节省了铁心的材料。但由于中间铁心磁路短一些，造成三相磁路不平衡，使三相空载电流也略有不平衡，但大变压器的空载电流Io很

23、小，影响不大。由于三相芯式变压器体积小，经济性好，所以被广泛使用。二、 相芯式变压器绕组的连接1、 三相绕组的首尾判别2、 星型接法(1)星形接法的优点1）与三角型接法相比，相电压低，可节省绝缘材料，对高电压特别有利；2)有中性点可引出，适合于三相四线制，可提供两种电压；3)中点附近电压低，有利于装分接开关；4）相电流大，导线粗，强度大，匝间电容大，能承受较高的电压冲击。(2)星形接法的缺点1）存在谐波，造成损耗增加，1800kVA以上的变压器不能采用此种接法2)中性点要直接接地，否则当三相负载不平衡时，中点电位会严重偏移，对安全不利3）当某相发生故障时，只好整机停用。3三角形接法它是把三相绕

24、组的各相首尾相接构成一个闭合回路，把三个连接点接到电源上去。因为首尾连接的顺序不同，可分为正相序和反相序两种接法。与星形接法一样，如果一次侧有一相首尾接反了，磁通也不对称，就会同样出现空载电流急剧增加，比星形接法还严重，这是不允许的。二次侧绕组正确接法时，闭合回路的三相电动势之和为零，所以也就不产生环流。电动势相量图是闭合的，这时任意打开回路中的一个接点，测量该点两端所得的电压，称为三角形的开口电压，其值应该为零。（1） 三角形接法的优点1)输出电流比星形接法大，可以省铜，对大电流变压器很合适，2)当一相有故障时，另外两相可接成V形运行。（2） 缺点是没有中性点，没有接地点，不能接成三相四线制

25、。三、连接组及其判别1连接组根据不同的需要，一次侧、二次侧有各种不同接法，形成了不同的连接组别，也反映出不同的一次侧、二次侧的线电压之间的相位关系。两台三相变压器并联，如果它们的一次侧、二次侧电压大小一样，但相位不同，不能并联，要求它们的连接组别一样才能并联，从而说明连接组别判别的重要性。国际上规定，标志三相变压器高、低压绕组线电动势的相位关系用时钟表示法。即规定高压侧线电动势为长针，永远指向12点位置；低压侧线电动势为短针，它指向几点钟，就是连接组别的标号。如Y，d11表示高压边为星形接法，低压边为三角形接法，一次侧线电压落后二次侧线电压相位30°。虽然连接组别有许多，但为了便于制

26、造和使用，国家标准规定了五种常用的连接组。2连接组别的判别方法在常用的连接组别中，可分成Y，y和Y，d两类接法，下面分别介绍它们的判别方法。(1)Y，y接法 知道变压器的绕组连接图及各相一次侧、二次侧的同名端，如图2-15a所示，可按下列步骤判别。步骤一，首先要在接线图中标出每个相电动势的正方向及和的正方向，一次侧和二次侧都指向各自的首端即1U1、2U1。再画出一次侧绕组(高压边)电动势相量图，最好按书中方位画，这样画出的线电势，正巧在钟表“12”的位置，不用再移动了。步骤二，画出二次侧绕组的电动势相量图，由接线图中的同名端可判断出，和一次侧的电动势是同相位(即同极性)，所以它的相量图也和一次

27、侧一样步骤三，画出时钟的钟点，只要把一次侧的直l放在“12”点，再把二次侧作为短针放上去即可，很明显二次侧是12点，也就是0点，所以是Y，y0连接组。如果接线图改变了，二次侧的同名端换成另一端，则二次侧的相电动势反相，结果会怎样呢?不需重新画图，只要把二次侧的线电压反过去180°就可以了，即由0点变成了6点，标记变成了Y，y6。当然，如果二次侧不变，而把一次侧的极性接反，结果也是一样。五、处理课后习题课题三 电力变压器的铭牌参数一、教学目标：认识电力变压器铭牌二、教学重点、难点1、认识电力变压器铭牌2、掌握各参数的意义三、教学时间：4学时四、教学内容一、 国产电力变压器的铭牌1 型号型号表示变压器的结构特点、额定容量(kVA)和高压侧的电压等级(kV)。(1)旧型号 SJL56010。第一字母S三相，D单相；第二字母J油浸自冷，F风冷，G干式，S水冷；第三字母L铝线，P强迫油循环；数字560额定容量(kVA)，10高压侧电压(kV)。(2)新型号 S750010三相电力变压器第7设计序号。S=500kVA， =10kV(高压侧)。S98010三相