电机与电气控制技术 第3版 课件 第1、2章 变压器、三相异步电动机

本章以一般用途的电力变压器为主要研究对象，着重分析单相变压器的工作原理、基本结构和运行情况，对其他用途的变压器做简单介绍。通过学习，掌握变压器变电压、变电流、变阻抗的原理，掌握三相变压器的联结组别和并联运行条件；理解变压器铭牌数据含义；学会正确使用各种变压器。第一章变压器2024/3/6第五节其它用途的变压器

第四节

三相变压器

第三节单相变压器的负载运行

第二节单相变压器的空载运行

第一节变压器基本工作原理和结构

2024/3/6第一节变压器基本工作原理和结构

一、变压器的基本工作原理

2024/3/6二、变压器的应用与分类按用途不同主要分为:1）电力变压器2)特殊变压器3)仪用互感器4)试验变压器5)控制用变压器6)调压器2024/3/6三、电力变压器的基本结构

电力变压器主要由铁心、绕组、绝缘套管、油箱及附件等部分组成。

2024/3/6四、电力变压器的额定值与主要系列

（一）电力变压器的额定值1．额定容量SN

2．额定电压UN1和UN23．额定电流IN1和IN24．额定频率f2024/3/6（二）电力变压器的型号及主要系列2024/3/6第二节单相变压器的空载运行

一、空载运行时各物理量正方向的规定

2024/3/6二、感应电动势与漏磁电动势

（一）感应电动势

（二）漏磁电动势

2024/3/6三、空载运行时的电动势平衡方程式和电压比电动势平衡方程式：

电压比k：2024/3/6四、空载电流和空载损耗

空载电流一方面用来产生主磁通，另一方面用来补偿变压器空载时的损耗。为此，将分解成两部分，一部分为无功分量，另一部分为有功分量。2024/3/6五、变压器空载运行时的相量图2024/3/6第三节单相变压器的负载运行

一、负载运行时的各物理量

2024/3/6二、变压器负载运行时的基本方程式（一）磁通平衡方程式

2024/3/6（二）电动势平衡方程式2024/3/6三、变压器负载运行时的相量图2024/3/6四、变压器的作用（一）变换电压

（二）变换电流2024/3/6（三）变换阻抗

2024/3/6五、变压器的运行特性（一）变压器的外特性和电压变化率（二）变压器的效率特性2024/3/6第四节三相变压器

一、三相变压器的磁路系统）三相变压器有三相变压器组与三相心式变压器两种。（一）三相变压器组的磁路

2024/3/6二、三相变压器的电路系统

（二）三相心式变压器的磁路绕组名称首端末端中性点高压绕组A、B、CX、Y、ZN低压绕组a、b、cx、y、zn2024/3/6（一）三相变压器绕组的联结法

（二）三相变压器的联结组

三相变压器的联结组标号采用“时钟序数表示法”。2024/3/6（三）高低压绕组相电动势的相位关系

1、同名端与同名端的规定

2024/3/62、单相变压器的联结组a)II0联结组b)II6联结组2024/3/65）自该几何中心向低压侧相量图的a端点引一连线并延伸，其所指示钟面的序号，就是高低压绕组的联结组标号3、三相变压器联结组标号的确定1)按三相变压器高、低压绕组联结方式，画出高、低压绕组联结图

2)作出高压侧相电动势的相量图，并将相量图的A点置于钟面的“12”处

3)作出低压侧相电动势的相量图

4）把低压侧的相量图移向高压侧的相量图，并使两者的几何中心相重合2024/3/6（四）三相变压器的标准联结组及其相量分析1、Yy0联结组2024/3/62、Yd11联结组三相变压器常用联结组见书中表1-2

2024/3/6三、三相变压器的并联运行2024/3/6三相变压器并联运行的条件：1)并联运行的各台变压器的额定电压应相等，即各台变压器的电压比应相等3）并联运行的各台变压器的短路阻抗（或短路电压）的相对值要相等2）并联运行的各台变压器的联结组必须相等2024/3/6第五节其它用途的变压器

一、自耦变压器

自耦变压器的结构特点是一次、二次绕组共用一个绕组，如右图所示自耦变压器的输出视在功率（即容量）为2024/3/6

三相自耦变压器单相自耦调压器2024/3/6二、仪用互感器

（一）电压互感器

2024/3/6使用电压互感器时，应注意以下几点：2）电压互感器的铁心和二次绕组的一端必须可靠接地，以防高压绕组绝缘损坏时，铁心和二次绕组上带上高电压而触电。1）电压互感器在运行时二次绕组绝不允许短路，否则短路电流很大将互感器烧坏。为此在电压互感器二次侧电路中应串联熔断器作短路保护。3）电压互感器有一定的额定容量，使用时不宜接过多的仪表，否则将影响互感器的准确度。2024/3/6（二）电流互感器

2024/3/63）电流表内阻抗应很小，否则影响测量精度。使用电流互感器时，应注意以下几点：1）电流互感器运行时二次绕组绝不许开路。若二次绕组开路，则电流互感器成为空载运行状态，此时一次绕组中流过的大电流全部成为励磁电流，铁心中的磁通密度猛增，磁路产生严重饱和，这一方面铁心过热而烧坏绕组绝缘，另一方面，二次绕组中因匝数很多，将感应产生很高的电压，可能将绝缘击穿，危及二次绕组中的仪表及操作人员的安全。为此，电流互感器的二次绕组电路中绝不允许装熔断器。在运行中若要拆下电流表，应先将二次绕组短路后再进行。2）电流互感器的铁心和二次绕组的一端必须可靠接地，以免绝缘损坏时，高压侧电压传到低压侧，危及仪表及人身安全。2024/3/6三、弧焊变压器

4）短路电流不应过大，且焊接电流稳定。对弧焊变压器的要求：1）为保证容易起弧，空载电压在60～75V之间。为操作者安全，最高空载电压小于85V。2）负载运行时具有迅速下降的外特性，如图所示。一般在额定负载时输出电压约30V左右。3）为满足不同焊接材料和不同规格焊条要求，焊接电流可在一定范围内调节。2024/3/61、带电抗器的弧焊变压器2024/3/62、带磁分路的弧焊变压器2024/3/6BX1系列磁分路动铁心式交流弧焊机原理结构与接线

2024/3/6第一章结束谢谢使用！2024/3/6本章讲述了三相异步电动机的结构与工作原理，分析了三相异步电动机在空载与负载下的运行状态，另外对单相异步电动机也作了介绍。重点分析三相异步电动机的机械特性及电力拖动的相关知识，第二章三相异步电动机3/6/20244:04PM第一节三相异步电动机的结构与工作原理第二节三相异步电动机的空载运行第三节三相异步电动机的负载运行第四节三相异步电动机的工作特性第五节三相异步电动机的电磁转矩第六节三相异步电动机的机械特性3/6/20244:04PM第七节电力拖动基本知识第八节三相异步电动机的起动第九节三相异步电动机的制动第十节三相异步电动机的调速阅读与应用三相异步电动机的运行维护与故障分析第十一节单相异步电动机3/6/20244:04PM第一节三相异步电动机的结构与工作原理

一、三相异步电动机的结构

（一）定子（二）转子（三）分类与用途3/6/20244:04PM三相定子绕组的接法3/6/20244:04PM二、三相异步电动机工作原理

（一）三相交流电的旋转磁场1．旋转磁场的产生3/6/20244:04PM二极电动机旋转磁场的产生3/6/20244:04PM四极电动机定子绕组结构和接线图3/6/20244:04PM四极电动机旋转磁场3/6/20244:04PM2．旋转磁场的转速f1=50Hz时的旋转磁场转速

磁极对数P

1

2

3

4

5同步转速n1/

r/min

3000

1500

1000

750

6003．旋转磁场的旋转方向3/6/20244:04PM（二）转子的转动1．转子转动的原理2．转子的转速n、转差率s与转动方向3/6/20244:04PM（一）三相异步电动机的铭牌

三、三相异步电动机的铭牌及主要系列

三相异步电动机

型号Y112M-2

编号××××

4KW

8.2A

380V

2890r/minLW79dB（A）

接法防护等级IP44

50HZ

××KgZBK2007-88

工作制B级绝缘××年××月××电机厂3/6/20244:04PM（二）三相异步电动机主要系列

1．型号2．额定值额定功率PN

额定电压UN

额定电流IN额定频率fN

额定转速nN

常用的Y系列异步电动机有Y（IP44）封闭式、Y（IP23）防护式小型三相异步电动机，YR（IP44）封闭式、YR（IP23）防护式绕线型三相异步电动机，YD变极多速三相异步电动机，YX高效率三相异步电动机，YH高转差率三相异步电动机，YB隔爆型三相异步电动机，YCT电磁调速三相异步电动机，YEJ制动三相异步电动机，YTD电梯用三相异步电动机，YQ高起动转矩三相异步电动机等几十种产品。3/6/20244:04PM（一）三相异步电动机的拆装与试车四、三相异步电动机的技能训练（二）三相异步电动机定子绕组首尾端判断3/6/20244:04PM第二节三相异步电动机的空载运行

电动机空载运行是指电动机轴上没有带任何负载的运行状态。定子绕组中产生的感应电动势为：

定子绕组中产生漏感电动势为：

3/6/20244:04PM定子绕组电压平衡方程式：

当，则：或

即当电源频率一定时，电动机的每极磁通仅与外加电压成正比。电源电压为额定值时，每极磁通基本是一恒定值，负载变化时，其基本不变。3/6/20244:04PM第三节三相异步电动机的负载运行

当电动机轴上带上机械负载后，在开始的那一瞬间，转子所产生的电磁转矩小于负载转矩，转子减速旋转而旋转磁场的同步转速n1是恒定的，随着转子转速n的下降，转子与旋转磁场间的转速差（n1-n）增大，转子导体中的感应电动势和转子电流也将增大，于是电动机的电磁转矩随之增大，直至电磁转矩等于负载转矩时，转子就不再减速，而在较低转速下稳定运行。

3/6/20244:04PM一、转子各物理量与s的关系

1．转子绕组感应电动势及转子电流的频率

2．转子旋转时转子绕组的电动势E2

E2s=4.44f2N2K2=4.44sf1N2k2=sE23/6/20244:04PM3．转子电抗X2S

4．转子电流I2S

5.转子电路的功率因数cos

6.转子的旋转磁通势F2F2的空间转速，即相对定子的转速为n13/6/20244:04PM二、负载运行时的基本方程式

1．磁通势平衡方程式

2．电动势平衡方程式

3/6/20244:04PM3．功率转换过程与功率平衡方程式

3/6/20244:04PM第四节三相异步电动机的工作特性

三相异步电动机的工作特性是指在f1=fN及定、转子绕组不串任何阻抗的情况下，电动机的转速n、定子电流I1、电磁转矩T、功率因数、效率与输出功率P2的关系曲线。

一、转速特性n=f（P2）

二、定子电流特性I1=f（P2）

3/6/20244:04PM三、功率因数特性=f（P2）四、转矩特性五、效率特性3/6/20244:04PM第五节三相异步电动机的电磁转矩

异步电动机的转子电流与旋转磁场磁通相互作用，产生了电磁力和电磁转矩，在电磁转矩作用下驱使电动机旋转。

一、电磁转矩的物理表达式

3/6/20244:04PM二、电磁转矩的参数表达式由I2S=

=

得

3/6/20244:04PM1．电动状态（0<s<1）

Tm=

3/6/20244:04PM2.发电状态(s<0)

3.

制动状态

(s>1)

三．电磁转矩的实用表达式其中:3/6/20244:04PM第六节三相异步电动机的机械特性

电动机的曲线称为电动机的机械特性曲线。

曲线变换为曲线3/6/20244:04PM一、机械特性曲线分析

电动机的机械特性曲线上有四个重要特殊点：同步点、额定工作点、最大点与起动点。额定转矩TN

最大转矩Tm

起动转矩Tst

3/6/20244:04PM1）额定转矩TN

2）最大转矩Tm

3）起动转矩Tst

额定转矩是电动机在额定电压下，以额定转速运行，输出额定功率时其轴上输出的转矩。

最大转矩是电动机能够提供的极限转矩。

起动转矩电动机在接通电源起动的最初瞬间的转矩。3/6/20244:04PM二、固有特性

三相异步电动机的固有机械特性是指电动机工作在额定电压和额定功率下，定子绕组按规定方式联接，定子和转子电路不外接电阻等其它电路元件，由电动机本身固有的参数所决定的机械特性。

3/6/20244:04PM三、人为机械特性

人为地改变异步电动机定子电压U1、电源频率f1、定子极对数P、定子回路电阻或电抗、转子回路电阻或电抗中的一个或多个参数，所获得的机械特性，称为人为机械特性。

1．降低定子端电压的人为机械特性

3/6/20244:04PM2．转子回路串对称三相电阻的人为机械特性3/6/20244:04PM第七节电力拖动基本知识

一、电力拖动系统的运动方程式（一）单轴电力拖动系统运动方程式

3/6/20244:04PM（二）电力拖动系统的运动状态

1．当T=TL时，电力拖动系统处于静止或匀速运行的稳定状态。2．当T>TL时，电力拖动系统处于加速过渡过程状态。

3、当T<TL时，电力拖动系统处于减速过渡过程状态。3/6/20244:04PM二、电力拖动系统的负载与负载转矩特性

负载转矩特性简称负载特性，它是指电力拖动系统的旋转速度n与负载转矩TL的函数关系，即n=f(TL)。不同生产机械在运动中所具有的转矩特性不同，大致可分为恒转矩负载特性、恒功率负载特性和通风机型负载特性三类。1．恒转矩负载特性1）反抗性负载转矩2)位能性负载转矩3/6/20244:04PMa)反抗性恒转矩负载特性b)位能性恒转矩负载特性3/6/20244:04PM2．恒功率负载特性3．通风机型负载特性3/6/20244:04PM三、电力拖动系统稳定运行的条件

在电力拖动系统中，电动机的机械特性与负载转矩特性有交点，即T=TL这是系统稳定运行的必要条件。而电力拖动系统稳定运行的充分必要条件是：在

T=TL处

3/6/20244:04PM第八节三相异步电动机的起动一、三相笼型异步电动机的起动（一）全压起动

（二）减压起动

减压起动并不是降低电源电压，而是采用某种方法，使加在电动机定子绕组上的电压降低。

3/6/20244:04PM1．定子串电阻或电抗减压起动3/6/20244:04PM2．自耦变压器减压起动自耦变压器一次电压与二次电压之比为k自耦变压器的一次电流为

Ist1=Ist2/

k=Ist/k2

起动转矩为Tst＇=Tst/k2

3/6/20244:04PM3．星形-三角形减压起动Ist＇=Ist

/3Tst＇=Tst/33/6/20244:04PM二、三相绕线型异步电动机的起动1．转子串电阻起动3/6/20244:04PM2．转子串频敏变阻器起动三、固态减压起动器的“软起动”3/6/20244:04PM第九节三相异步电动机的制动一、反接制动

三相异步电动机的反接制动有电源反接制动和倒拉反接制动两种。

（一）电源反接制动3/6/20244:04PM三相异步电动机电源反接制动的要点是：

1）三相异步电动机定子三相交流电源一定要反接（相序接反）。

2）三相异步电动机转子或定子电路串入反接制动电阻，以限制反接制动电流与反接制动转矩。

3）当电动机转速约为零时，及时切断反相序三相交流电源，防止电机反向起。

4）反接制动不宜过于频繁，否则电动机将过热烧毁。

3/6/20244:04PM（二）倒拉反接制动3/6/20244:04PM三相绕线转子异步电动机倒拉反接制动的要点是：

1）电动机定子按提升方向接入正相序三相交流电源。

2）电动机转子电路串入足够大的电阻。

3）拖动的是位能性负载且负载转矩足够大。

3/6/20244:04PM二、能耗制动3/6/20244:04PM三、回馈制动（再生发电制动）

（一）反向回馈制动

（二）正向回馈制动3/6/20244:04PM第十节三相异步电动机的调速三相异步电动机的转速公式3/6/20244:04PM

三相异步电动机的调速方法有：1）变频调速改变异步电动机定子电源频率f1来改变同步转速n1，从而进行调速。2）变极调速改变异步电动机的极对数p来改变电动机同步转速n1来进行调速。

3）变转差率调速

调速过程中保持电动机同步转速n1不变，改变转差率s来进行调速。其中有降低定子电压、在绕线型异步电动机转子回路中串入电阻或串附加电动势等方法调速。

3/6/20244:04PM一、笼型异步电动机的变极调速（一）变极原理3/6/20244:04PM比较图2-31中a、b、c三种接法可知：

只要将两个“半相绕组”中的任一个“半相绕组”中的电流反向，就可以将极对数增加一倍（顺串）或减少一倍（反串或反并），这就是单绕组倍极比的变极原理。3/6/20244:04PM（二）两种常用的变极接线法1．Y/yy

变极调速3/6/20244:04PM

为保证变极调速前后电动机旋转方向不变，在改变三相异步电动机定子绕组接线的同时，必须将V、W两相出线端对调，使电动机接入电源的相序改变。这点在工程实践中尤应注意。注意：3/6/20244:04PM2．Δ/yy变极调速3/6/20244:04PM（三）变极调速电动机的机械特性3/6/20244:04PM二、变频调速（一）变频与调压的配合