电机与拖动（高职）全套教学课件

电机与拖动绪论全套可编辑PPT课件绪论变压器直流电机直流电动机的电力拖动三相异步电动机三相异步电动机的电力拖动单相异步电动机同步电机特种电机电动机的选择“电机与拖动”是将“电机学”和“电力拖动”两门课程有机地结合的一门课程。本课程主要研究电机的基本理论问题，包括电机的基本结构、工作原理、内部电磁变换的物理过程、功率关系和机械特性等内容；同时将系统地讨论电力拖动系统的静态和动态特性，重点放在研究电机的启动、制动和调速三大问题上。任务：掌握常用电机和变压器的基本结构与工作原理，电力拖动系统的运行性能，以及电动机的选择方法，为学习后续课程打下必要的理论基础。一、电机与电力拖动系统概述1）按能量传递形式及用途分类发电机。可将非电能转换为电能。电动机。可将电能转换为机械能。变压器。可改变与电能相关联的电压及电流而不改变频率控制电机。可实现状态监测、信号处理或伺服驱动等功能。1.电机的分类2）按电机的结构特点及电源性质分类静止电机。变压器是一种无运动部件的电能变换器，因此又称为静止电机。旋转电机。旋转电机按照电源性质的不同，又可分为直流电机和交流电机，而交流电机还可分为同步电机和异步电机。直线电机。在电力工业中，发电机和变压器是发电站和变电所的主要设备。在机械制造、冶金、纺织、煤炭、石油、化工、印刷及其他行业，人们利用电动机把电能转换成机械能，来拖动机床、轧钢机、纺织机、钻探机、电铲机、起重机、传输带等各种生产机械。在交通运输业，各种交通设备需要大量的牵引电机和船用、航空电机来拖动。随着农业机械化的发展，在电力排灌、播种、收割等机械化生产中，都需要不同规格的电动机。在伺服传动、机器人、航天航空和国防科学等领域的自动控制技术中，各种各样的控制电机承担着检测、定位、随动、执行和解算等任务。在小轿车中，装备有各类微型特种电机。医疗仪器、电动工具、家用电器、办公自动化设备和计算机外部设备。2．电机的应用以电动机作为原动机，拖动机械设备运动的拖动方式称为电力拖动，又称电机传动。3．电力拖动系统电力拖动系统一般由控制设备、电动机、传动机构、生产设备和电源五部分组成，如图0-1所示。图0-1电力拖动系统的组成二、电机理论中的基本电磁定律1．描述磁场的物理量磁场是指传递实物间磁力作用的场，它是由运动电荷或电场的变化而产生的。1）磁感应强度在磁场中垂直于磁场方向放置一个通电导体，其所受的电磁力F与电流I和导体长度L的乘积IL之比称为通电导体所在处的磁感应强度B，即（0-1）磁感应强度与电流之间的方向关系可用右手螺旋定则来确定。在国际单位制中，磁感应强度的单位为特斯拉（T）。

右手螺旋定则:（1）假设用右手握住通电直导线，大拇指指向电流方向，那么弯曲的四指就表示导线周围的磁场方向，如图0-2所示；（2）假设用右手握住通电螺线管，弯曲的四指指向电流方向，那么大拇指的指向就是通电螺线管内部的磁场方向。图0-2右手螺旋定则如果磁场内各点的磁感应强度大小相等、方向相同，则这样的磁场称为匀强磁场。2）磁通磁通

是描述磁场在某一范围分布情况的物理量。磁感应强度B与垂直于磁场方向的某一横截面积S的乘积称为通过该面积的磁通

，即（0-2）磁感应强度又称为磁通密度。在国际单位制中，磁通的单位为韦伯（Wb）。

或3）磁导率磁导率μ是用来衡量物质导磁能力大小的物理量，其单位为亨利每米（H/m）。4）磁场强度磁场强度H是分析磁场时所引用的一个辅助物理量，定义为（0-4）在国际单位制中，磁场强度的单位为安培每米（A/m）。5）磁通势磁通势F又称磁动势，用于表征电流流过导体时产生磁通量的能力，类似于电场中的电动势或电压。此外，永磁材料也以某种方式表现出磁通势。磁通势的单位为安培（A）。电流流过导体所产生的磁通势为

（0-5）式中，N——线圈匝数；I——流过导体的电流。2．电路定律基尔霍夫电流定律（KCL）：在任一时刻，流入某一节点的电流之和恒等于由该节点流出的电流之和。其表达式为（0-6）（0-7）基尔霍夫电压定律（KVL）：在任一时刻，沿任一回路的绕行方向，回路中各段电压的代数和恒等于零。其表达式为3．磁路定律1）磁路的基尔霍夫第一定律磁路中的任一闭合面内，在任一瞬间进入或穿出该闭合面的各分支磁路磁通的代数和等于零，即

（0-8）2）安培环路定律在磁场中，沿任一长度为l的闭合磁回路，磁场强度H的线积分等于该回路环链所有电流I的代数和。以图0-3所示磁路为例，应用安培环路定律有

（0-9）图0-3磁路在电机中，当一个N匝的线圈流过电流I时，式（0-9）可写为

（0-10）即

（0-11）4．电磁感应定律变化的磁场会产生电场，使磁场中的导体上产生感应电动势，这种现象称为电磁感应现象。当电机线圈中的磁通发生变化时，线圈内产生感应电动势。当导体与磁场有相对运动时，导体切割磁感线，使导体产生感应电动势，称为切割电动势。1）感应电动势感应电动势可表示为2）切割电动势在磁感应强度为B的匀强磁场中，若直导线的有效长度为l，直导线相对于磁场的切割速度为v，则切割电动势为切割电动势的方向可用右手定则来判定。（0-14）右手定则：伸开右手，使大拇指与其余四指垂直且处在同一平面内，让磁感线垂直进入手心，大拇指指向导体运动的方向，此时四指所指的方向即为感应电动势的方向，如图0-4所示。图0-4右手定则5．电磁力定律在磁感应强度为B的匀强磁场中，若直导线的有效长度为l，直导线上的电流为I，且磁场方向和直导线相互垂直，则作用在直导线上的电磁力为（0-15）载流导体所受电磁力的方向可由左手定则来判定。左手定则：若电流方向与磁场方向垂直，伸出左手使大拇指与其余四根手指垂直，且都在一个平面内，让磁感线从手心垂直进入，四根手指指向电流方向，此时大拇指所指方向即为载流导体在磁场中的受力方向，如图0-5所示。图0-5左手定则三、电机常用材料及其特性1．电机常用材料用于构成电路，常用铝或铜制成。导电材料：用于构成磁路，常用0.35mm或0.5mm厚、两面涂有绝缘漆的硅钢片叠成。导磁材料：用于将带电部分隔离开来，常用云母、绝缘橡胶、陶瓷等材料制成。绝缘材料：用于支撑电机结构，常用钢铁或铝合金制成。支撑材料：2．铁磁性材料的磁化特性1）高导磁性在有外磁场作用时，磁畴的方向将逐渐改变到与外磁场方向接近或一致，使铁磁性材料内部的磁感应强度大大增强，对外呈现出很强的磁性，如图0-6（b）所示。此时，铁磁性材料即被强烈磁化了。（a）没有外磁场

（b）有外磁场图0-6磁畴与磁化为什么铁磁性材料能够被磁化呢？这是因为铁磁性材料的内部存在许多自发磁化的小区域，这些小区域称为磁畴。2）磁饱和性在铁磁性材料的磁化过程中，磁感应强度B随磁场强度H变化的曲线称为磁化曲线，如图0-7所示。当外磁场增强到一定值时，铁磁性材料内部所有磁畴的方向都已与外磁场方向一致，此时，磁感应强度达到饱和，这种特性称为铁磁性材料的磁饱和性。图0-7B和μ与H的关系由于B与H不成正比，所以，铁磁性材料的磁导率

是常数，它随H的变化而变化。3）磁滞性磁感应强度B的变化滞后于磁场强度H的变化，这种性质称为磁滞性。表示B与H变化关系的闭合曲线称为磁滞回线。软磁材料、硬磁（永磁）材料和矩磁材料三类铁磁性材料的磁滞回线如图0-8所示。（a）软磁材料

（b）硬磁材料

（c）矩磁材料图0-8铁磁性材料的磁滞回线4）铁芯损耗铁磁性材料在交变磁化过程中由磁滞现象所引起的能量损耗称为磁滞损耗。它是由于铁磁性材料内部的小磁畴在交变磁化过程中反复转向，相互摩擦引起铁芯发热所造成的。（1）磁滞损耗铁磁性材料不仅能够导磁，同时还能够导电。当线圈中通有交流电时，它所产生的磁通也是交变的。因此，在铁芯内将产生感应电动势和感应电流。这种感应电流在垂直于磁通方向的平面内呈旋涡状，故称为涡流。（2）涡流损耗涡流使铁芯发热所造成的功率损耗称为涡流损耗。由于整块金属的电阻很小，因此，涡流很大，涡流损耗较严重。为减小涡流损耗，在顺磁场方向铁芯可由彼此绝缘的薄钢片叠成，如图0-9（b）所示。这样可将涡流限制在较小的截面内流通，并使回路电阻增大、涡流减小，从而减小涡流损耗。图0-9涡流电机与拖动项目一变压器项目导读变压器是一种能够转移电能而不改变其交流电源频率的静止电能转换器。它可利用电磁感应原理，将一种电压、电流等级的交流电，转变成同频率的另一种或多种电压、电流等级的交流电。本项目主要介绍变压器的结构和工作原理，单相、三相变压器的运行特性，以及变压器的维护与检修等。任务一变压器的认识任务引入小李从国外带回来一款电动玩具，这款电动玩具采用的是100V、50/60Hz电源充电器，无法在家中插座上直接使用，而购买一台电压转换器则需要两三百元。于是，精通电气技术的小李决定自己制作一个小型变压器，用它将家用220V电压转换成100V电压，然后再由电动玩具自带的电源充电器进行充电。思考：变压器的工作原理是什么？如何制作上述变压器呢？一、变压器的作用和分类在电力系统中，变压器是一种作输、配电用的电气设备。在输电方面，采用升压变压器来提高电能的电压等级，可降低输电线路对导线截面积的要求，减小输电线路上的电压降，从而降低输电线路上的功率损耗。在配电方面，为了保证人们的用电安全和满足用电设备的电压要求，需要用降压变压器将电网的电压等级降为用电设备所需的电压等级。

在电子电路中，变压器除用于引入电路电源外，还可用于耦合电路、传递信号、实现阻抗匹配等。1．变压器的作用1）按用途分类电力变压器应用于电力系统中进行变配电的变压器，常用的有升压变压器、降压变压器、配电变压器等特种变压器是具有特殊用途的变压器的统称，如自耦变压器、互感器、电焊变压器、整流变压器、矿用变压器、冲击变压器等。2）按电源的相数分类单相变压器三相变压器多相变压器。2．变压器的分类绕组是变压器的电路部分，一般用绝缘铜或铝导线绕制而成，可由一个线圈组成，也可由多个线圈串联组成。绕组用于连接电路，以产生磁通和感应电动势。与电源连接的绕组称为一次绕组（或初级绕组、原边绕组），与负载连接的绕组称为二次绕组（或次级绕组、副边绕组）。匝数较多的绕组工作电压较高，称为高压绕组；匝数较少的绕组工作电压较低，称为低压绕组。二、变压器的基本结构1．绕组铁芯是变压器的磁路部分，它由铁芯柱和铁轭两部分组成。芯式变压器：铁芯呈口形，铁芯柱分布在铁芯两侧，绕组缠绕在铁芯柱上，构成绕组包围铁芯的形式，如图1-1（a）所示。壳式变压器：铁芯呈日字形，铁芯柱位于铁芯中间，铁轭位于两侧，绕组缠绕在铁芯柱上，构成铁芯包围绕组的形式，如图1-1（b）所示。（a）芯式变压器

（b）壳式变压器图1-1芯式变压器和壳式变压器2．

铁芯根据铁芯和绕组组合结构的不同，变压器又可分为芯式和壳式两种。三、变压器的工作原理变压器是利用电磁感应原理来工作的。单相变压器的结构示意图如图1-5（a）所示。当单相变压器一次绕组输入电压

时，一次绕组中将产生电流

，并产生同频率的交变磁通

。根据电磁感应原理，交变磁通

将分别在两个绕组中产生感应电动势

和，即

（1-1）则一、二次绕组感应电动势的大小之比为（1-2）由此可知，当变压器的输入电压一定时，只要改变一、二次绕组的匝数比，就可得到不同的输出电压，从而实现了电能的传递。（a）结构示意图

（b）符号图1-5单相变压器的工作原理图单相变压器的符号如图1-5（b）所示。四、变压器的铭牌及额定值变压器的额定值是指变压器在规定的使用环境和运行条件下的主要技术数据限定值。又称铭牌数据。变压器的额定值是选择和使用变压器的依据，常用的有额定电压、额定电流、额定容量、额定频率等。1．变压器的铭牌与型号图1-6变压器的铭牌变压器的型号一般反映了其结构、冷却方式、额定容量、电压等级等内容，如图1-7所示。图1-7变压器的型号表示例如，变压器的型号为“SF11-600/10”“S”表示该变压器为三相变压器“F”表示冷却方式为风冷式“11”为设计序号“600”表示额定容量为600kV·A“10”表示高压绕组电压等级为10kV2．变压器的额定值1）额定电压额定电压包括一次额定电压和二次额定电压。一次额定电压是指变压器正常工作时一次绕组上应加的电源电压，用

表示，二次额定电压是指一次绕组加上额定电压时二次绕组上的空载电压，用

表示。例如，6000V/400V，表示一次额定电压为6000V，二次额定电压为400V。

2）额定电流额定电流是指按规定的工作方式（长时连续工作、短时工作或间歇工作）运行时，一、二次绕组允许通过的最大电流，包括一次额定电流

和二次额定电流

。

3）额定容量额定容量是指二次绕组的额定电压与额定电流的乘积，用

表示。它是视在功率，单位为V·A。

单相变压器的额定容量为

（1-3）三相变压器的额定容量为其相电压与相电流乘积的

倍，即

4）额定频率

额定频率是指变压器额定运行时一次绕组外加交流电压的频率。

我国规定工业及民用交流电的额定频率为50Hz。五、小型变压器的参数设计容量在1000V·A以下的变压器统称为小型变压器。在设计制作小型变压器时，通常需要先确定变压器的额定容量

、铁芯柱的截面积

、绕组的匝数N、导线的直径、铁芯窗口的面积等参数。

1．确定额定容量

单相变压器二次侧的容量

为二次侧各绕组输出视在功率的代数和，即

（1-4）由于变压器在传递电能时存在铜耗和铁耗，因此其一次侧容量

比二次侧容量

要大，即

（1-5）式中，

——变压器的效率，其值总小于1。

单相变压器的额定容量

取一、二次绕组容量的平均值，即

（1-6）

2．计算铁芯柱的截面积单相变压器铁芯柱的截面积与其额定容量有关，通常根据以下经验公式计算，即

（1-7）式中，

——铁芯柱的截面积，单位为

——截面积计算系数，其参考值如表1-1所示。

S（V·A）0～910～4950～499500～9991000以上21.75～21.4～21.2～1.41表1-1截面积计算系数的参考值

3．计算绕组的匝数和导线直径1）绕组的匝数绕组的感应电动势为

（1-8）因此，感应产生1V电动势的匝数为

（1-9）则一次绕组的匝数为

（1-10）二次绕组的匝数为

式中，二次绕组增加了5%的匝数，以补偿负载运行时线路上的电压降。

（1-11）2）导线的直径绕组中导线的截面积

可由励磁电流I和电流密度J来确定，即

（1-12）因此导线的直径为

（1-13）

4．计算铁芯窗口的面积计算铁芯窗口的面积A时，应先根据绕组导线直径和每层导线的匝数确定铁芯窗口的高度h，然后根据绕组线圈的厚度确定铁芯窗口的宽度c，则其中

（1-14）

根据绕组线圈的厚度确定铁芯窗口的宽度，即

（1-15）

绕组的厚度B可按照下式计算：

（1-16）

任务实施——绕制小型单相变压器一、实施目的（1）了解小型变压器各参数的计算方法。（2）掌握小型单相变压器的绕制方法。电工工具1套，万用表、绝缘电阻表各1块，E形硅钢片、导线、木方、青壳纸、各种绝缘材料若干。二、实施器材三、实施步骤制作一台小型单相变压器，已知电源频率为50Hz，单相变压器一次侧额定电压为220

V，二次侧输出电压为15V，从实物测得的E形硅钢片舌宽（铁芯柱宽度）为1.4cm，叠片厚度为2cm，铁芯的硅钢片为冷轧硅钢片。1．选择导线和绝缘材料根据计算的导线直径选择相应规格的漆包线。2．制作木芯用绕线机绕制线圈时，应将漆包线绕在预先做好的线圈骨架上。3．制作线圈骨架用青壳纸在木芯上卷绕两圈，层间和接头处用胶水粘牢，即可制成无框骨架，如图1-9所示。（a）粘叠后的骨架

（b）弹性纸尺寸图1-9无框骨架1）无框骨架质量要求较高的变压器一般采用有框骨架，即活络框架，其结构如图1-10所示。a）上下边框架

（b）夹板1（c）夹板2（d）活络框架图1-10有框骨架的结构2）有框骨架4．绕线（1）裁剪好绝缘纸。（2）绕线前，先在套好木芯的骨架上垫好对铁芯的绝缘，然后将木芯中心孔串入绕线机轴并紧固。起绕时，在导线引线头压入一条绝缘带的折条，以便抽紧导线的起始线头，如图1-11（a）所示。（3）当一组绕组绕制即将结束时，要垫上一条绝缘带的折条，继续绕线到结束，将线尾插入绝缘带的折缝中，抽紧绝缘带，以固定线尾，如图1-11（b）所示。图1-11绕线（a）

（b）（4）导线要求绕得紧密、整齐，不允许有叠线现象。（5）线包绕制好后，外层绝缘用铆好焊片的青壳纸缠绕2～3层，用胶水粘牢，将各绕组的引出线焊接在焊片上。5．装配铁芯先将硅钢片从线包两边一片一片地交叉对镶；镶到线包中部时，则要两片两片地对镶；当余下最后几片硅钢片时比较难镶，需要紧片，即用螺丝刀撬开两片硅钢片的夹缝，然后将硅钢片镶入，并用木锤轻轻敲入。6．绝缘处理新绕制或大修后的变压器必须进行浸漆和烘烤处理，浸漆烘烤工艺一般包括预烘、浸漆、滴漆、烘烤等步骤。任务二单相变压器任务引入小李顺利制作出了一个小型单相变压器。在使用之前，为了保证安全，需要对变压器的性能进行测试。小李先将变压器接通电源，然后测量它的输出电压，发现在未接100

V电源充电器（负载）的情况下，变压器的输出电压为100V，而接入负载后，变压器的输出电压下降到了87V，明显不能满足要求。思考：单相变压器的运行特性有哪些？为什么小李制作的变压器在接入负载后输出电压会明显降低呢？一、单相变压器的空载运行变压器的空载运行是指变压器的一次绕组接交流电源、二次绕组开路时的工作状态，其运行原理如图1-12所示。1.空载运行的定义图1-12单相变压器的空载运行原理2．空载运行时各电磁量的参考方向由于变压器接在交流电源上，因此其电压、电流、磁通、电动势等的大小和方向均随时间作周期性变化。为了能正确表明各电磁量之间的关系，一般按照以下原则来规定它们的参考方向。（1）在一次绕组中，电压的参考方向与电流的参考方向一致。（2）磁通的参考方向与电流的参考方向之间符合右手螺旋定则。（3）绕组感应电动势的参考方向与产生该电动势的磁通参考方向一致，符合右手螺旋定则和楞次定律。（4）在二次绕组中，电动势的参考方向与电流的参考方向一致；电压的参考方向与电流的参考方向一致。3．空载运行变压比变压器空载运行时，当一次绕组接上交流电压后，一次侧线圈中有电流通过。在电流作用下，线圈中产生交变磁通（主磁通），该磁通通过一、二次绕组，在两绕组中分别产生感应电动势、，则故、的相位均滞后90°，且，。若忽略漏磁通和绕组电阻的影响，则对于一次绕组有

(1-17)对于二次绕组有

(1-18)对同一变压器而言，当加在一次绕组两边的电压不变时，由于、为常量，故基本保持不变，称为恒磁通。此时有

(1-19)式中，——变压器的变压比，简称变比，它是一次绕组与二次绕组之间的电压比，也可用表示。4．空载电流和空载损耗空载电流是指变压器空载运行时通过一次绕组的电流，它一般仅为变压器额定电流的2%～10%。它一方面用来产生主磁通，另一方面用来补偿变压器的铁损。因此，可将分为两部分，一部分为无功分量

，用来建立磁场，起励磁作用，其相位与主磁通相同；另一部分为有功分量，用于补偿铁损，其相位超前90°。故有

(1-20)

上述关系也可用相量表示，其相量图如图1-13所示。通常，，因此可视为，即空载电流主要用于建立磁场，相当于励磁电流。变压器空载时无功率输出，它从电源获取的全部功率都在其内部消耗，这部分损耗称为空载损耗。空载损耗包括变压器的铁损和一次绕组上的铜损，而仅占的2%左右，故可认为变压器的空载损耗即为其铁损，即。图1-13空载电流相量图二、单相变压器的负载运行变压器的负载运行是指变压器的一次绕组接交流电源、二次绕组接负载时的工作状态，其运行原理如图1-14所示。1．负载运行的定义图1-14单相变压器的负载运行原理2．负载运行变流比变压器在负载运行时，在感应电动势的作用下，二次绕组中将有电流通过。二次绕组的磁通势也会产生磁通，并在一次绕组中产生感应电流，这会使得一次绕组中的电流发生变化。如果将变压器空载时一次绕组的电流记作，将接入负载后一次绕组的电流记作，则空载时，主磁通由一次绕组的磁通势决定；接入负载后，主磁通由一、二次绕组的合成磁通势决定。当和不变时，和基本不变，即不论空载或负载，铁芯中主磁通的最大值基本不变，则有用相量表示为由于空载电流很小，可忽略不计，则

(1-21)于是，一、二次绕组的电流变换关系为

(1-22)式中，——变压器的变流比。式（1-22）表明，变压器一、二次绕组的电流之比与它们的匝数成反比，故可通过改变变压器绕组的匝数来改变电流。变压器一次绕组的电流由变压器所接负载的电流决定。

3．阻抗变换变压器不仅能变换电压和电流，还能变换阻抗。如图1-15（a）所示变压器中，设其一、二次绕组的内阻，漏磁通及空载电流均忽略不计，则负载阻抗模为

(1-23)如图1-15（a）所示方框部分可以用一个阻抗模来等效代替，如图1-15（b）所示，则有

(1-24)图1-15负载阻抗的等效变换(a)(b)由于所以

(1-25)

式（1-25）表明，负载阻抗模|Z|经过变压器变换后，扩大了倍。我们可以采用不同的变压比，把负载阻抗模变换为所需要的数值，以达到电路的匹配状态，使负载上获得最大输出功率，这种做法称为阻抗匹配。例如，在音响设备中，为了使扬声器达到较好的音响效果，需要使其获得较大的功率输出，这就要求音响设备的输出阻抗与扬声器的阻抗尽量匹配。但实际上，扬声器的阻抗较小，通常只有几欧到十几欧，而音响设备的输出阻抗则较大，故可在两者之间加装一个变压器来进行阻抗匹配。解：（1）根据式（1-19）可得空载时二次绕组的电压为（2）若二次绕组上接的负载，忽略线圈内阻及漏磁通，则二次绕组的电流为根据式（1-22）可得一次绕组的电流为【例1-1】有一单相变压器，其一、二次绕组的匝数为，。若一次绕组上接220V的交流电压，求：（1）空载时，二次绕组的电压为多少？（2）二次绕组上接的负载时，一、二次绕组的电流各为多少？三、单相变压器参数的测定方法1．空载试验单相变压器空载试验的目的是测定变压器的变压比K、空载电流和（或）空载损耗，并求出励磁阻抗，由此得出变压器的励磁电阻和励磁电抗。单相变压器空载试验的电路图如图1-16所示。通过仪表可测得、、、的值，由此可计算变压器的励磁参数如下。图1-16单相变压器空载试验的电路图变压器的变压比为

(1-26)励磁阻抗为

(1-27)励磁电阻为(1-28)励磁电抗为(1-29)2．短路试验变压器短路试验的目的是通过测量短路电流、短路电压和短路损耗，来计算短路电压百分值、铜损和短路阻抗。单相变压器短路试验的电路图如图1-17所示。图1-17单相变压器短路试验的电路图将变压器的二次侧短接，一次侧通过调压器接电源。试验时，应使一次侧电压从零开始逐渐升高，观察电流表的读数，待所测电流达到一次侧额定电流时停止升压；然后读取对应的、值。当时，因外加电压较低，故铁芯中的主磁通很小，铁损也很小，可以忽略不计。因此有

(1-30)由此可计算短路参数如下。短路阻抗为(1-31)短路电阻为(1-32)短路电抗为

(1-33)由于导体的电阻值和温度有关，短路试验时导体的温度不同，试验结果也不同，因此根据相关技术标准规定，试验所得电阻值要换算为基准工作温度75℃时的数值，换算公式为励磁电阻为

(1-34)式中，——温度折算系数，其中铜绕组为，铝绕组为；——试验时的室温。在基准工作温度下，短路电流为额定值时，，该电压称为变压器的短路电压或阻抗压降。由于变压器的电压等级较多，为便于使用，短路电压通常用额定电压的百分值来表示，即

(1-35)短路电压是变压器的一个重要参数，它反映了变压器在额定状态下运行时的电压损失。一般来说，中小型变压器的为4%～10.5%，大型变压器的为12.5%～17.5%。四、单相变压器的运行特性1．单相变压器的外特性单相变压器在额定状态下空载运行时，其二次侧电压为二次额定电压；单相变压器在负载运行时，由于其内部存在电阻和电抗，其二次侧电压将随负载的变化而变化。当变压器的电源电压为额定电压，且负载的功率因数一定时，二次侧电压与二次侧电流的变化曲线称为变压器的外特性，如图1-18所示。图1-18变压器的外特性当变压器带容性负载（）运行时，若，则随的增大而增大；当变压器带纯电阻负载（）运行时，随的增大而略微减小；当变压器带感性负载（）运行时，随的增大而减小较多。变压器在负载运行时，和之间存在差值，这一差值与的比值称为电压变化率或电压调整率，用表示，即

(1-36)一般情况下，当时，变压器额定负载的电压变化率约为5%。2．单相变压器的效率特性变压器从电源吸收的有功功率，扣除铁损和两侧绕组的铜损，即为变压器输出的有功功率，也即变压器负载上消耗的功率，即

（1-37）与比值的百分数称为变压器的效率，用表示，即

(1-38)变压器在额定负载状态下运行时，，而在任意负载下则有(1-39)式中，——负载系数，。由于，因此有代入式（1-38）后整理得

（1-40）式（1-40）表明，变压器的效率随负载系数的变化而变化，由于，故变压器的效率随负载电流的变化而变化。随变化的曲线称为变压器的效率特性，如图1-19所示。图1-19变压器的效率特性任务实施——单相变压器的空载试验和短路试验一、实施目的（1）掌握单相变压器空载试验和短路试验的目的和原理。（2）通过空载试验，测量单相变压器的变压比和空载参数。（3）通过短路试验，测量单相变压器的短路电流、短路电压、短路损耗等参数。万用表、交流电流表、交流电压表、单相功率表各1块，单相变压器（220V/55V）1台，单相自耦调压器（0～250V）1台，闸刀开关、熔断器及导线若干。二、实施器材三、实施步骤1．单相变压器空载试验1）测量单相变压器的变压比（1）按如图1-20所示连接电路。图1-20变压比测量电路（2）将单相自耦调压器Ty的手柄置于零位，闭合电源开关S。（3）调节单相自耦调压器的手柄，使加在单相变压器低压侧的电压

分别为额定电压

的100%、75%、50%，依次测量高压侧对应的电压

。（4）根据3次测量结果，分别计算单相变压器的变压比

，取三次计算结果的平均值作为该变压器的实际变压比。将测量与计算结果填入表1-3中。

表1-3单相变压器的变压比测量与计算结果序号/V/V1

2

3

变压器的实际变压比

（2）将单相自耦调压器的手柄置于零位，闭合电源开关S。（3）调节单相自耦调压器的手柄，使其输出电压等于变压器低压侧的额定电压

（55

V），观察交流电流表、单相功率表的读数

，并将测量结果填入表1-4中。2）测量单相变压器的空载参数（1）按如图1-21所示连接电路。图1-21空载试验电路

（4）根据测量结果计算励磁阻抗

、励磁电阻

和励磁电抗

将计算结果填入表1-4中。表1-4单相变压器的空载参数测量与计算结果/V/A/W

///

3）绘制单相变压器的空载特性曲线（1）调节单相耦合调压器的手柄，使其输出电压

等于变压器低压侧额定电压

的1.2倍，读取交流电流表读数

。（2）逐渐降低单相耦合调压器的输出电压

，直至

从中选取若干节点，依次读取各节点输出电压

和交流电流表读数

的值，将测量结果填入表1-5中。表1-5单相变压器的空载特性测量结果/V

/A

（3）根据测量结果，绘制单相变压器的空载特性曲线。

2．单相变压器短路试验（1）按如图1-22所示连接电路。图1-22短路试验电路（2）将单相自耦调压器的手柄置于零位，闭合电源开关S。（3）调节单相自耦调压器的手柄，使其输出电压逐渐增大，观察交流电流表的读数,直至

达到单相变压器一次绕组的额定电流值为止，此时读取交流电流表、交流电压表、单相功率表的读数

将测量结果填入表1-6中。

（4）根据测量结果，计算短路电压百分值

、铜损

和短路阻抗

，将计算结果填入表1-6中。表1-6单相变压器的短路试验测量与计算结果/A/V/W

/W/

任务三三相变压器任务引入在某些航电设备中，常使三相变压器做Yd连接，将220V的交流电变换成线电压为36V的三相交流电，以此作为输出电源向仪表系统等重要负载供电。对于此类36V输出电源，通常要求其能对称输出，以保证负载的平稳运行。思考：三相变压器有哪些连接组别？三相变压器采用Yd连接的运行特点是什么？一、三相变压器的磁路结构三相变压器可由3台同容量单相变压器的一、二次绕组按照一定的顺序连接组成，此类变压器称为三相组式变压器；也可用铁轭把3个铁芯柱连在一起构成，此类变压器称为三相芯式变压器。1．三相组式变压器的磁路结构三相组式变压器的磁路结构如图1-23所示。其各相磁路相互独立，互不关联。当外加三相对称电压时，三相主磁通对称，三相空载电流也对称。图1-23三相组式变压器的磁路结构2．三相芯式变压器的磁路结构三相芯式变压器是将3台单相变压器的铁芯合在一起经演变而成的，其演变过程如下。（1）将3台单相变压器各自的一个铁芯柱贴合在一起，形成一个整体，如图1-24（a）所示。（2）将中间铁芯柱省去，如图1-24（b）所示。当绕组流过三相交流电时，通过中间铁芯柱的磁通是三相磁通之和。因为三相电压对称，所以（3）将三相铁芯柱的中心线排列在同一平面内，演变成常见的三相芯式变压器形式，如图1-24（c）所示。（a）有中间铁芯柱

（b）无中间铁芯柱

（c）常用型图1-24三相芯式变压器的磁路结构

二、三相变压器绕组的连接组1．变压器绕组的极性在变压器的一、二次绕组中，某一瞬时同为高电位（或同为低电位）的出线端称为同名端，一般用“·

”标识。当变压器一、二次绕组的绕向相同时，其同名端均在首端，标记如图1-25（a）所示。当变压器一、二次绕组的绕向相反时，其同名端一个在首端，一个在尾端，标记如图1-25（b）所示。

（a）绕向相同

（b）绕向相反图1-25三相变压器一、二次绕组电动势的相位关系在连接3个高压绕组和3个低压绕组之前，需要判断高、低压绕组的极性，标记首、末端。表1-8常见的三相变压器首末端标记绕组名称首

端末

端中性点高压绕组、、、、N低压绕组、、、、n2．三相变压器绕组的连接三相变压器的高、低压绕组均可采用星形连接和三角形连接。星形连接是将三相绕组的末端

、、

（或

、

）连接在一起，构成中性点，再将它们的首端

、、（或、、）引出箱外，如图1-26所示。

图1-26三相绕组的星形连接1）星形连接2）三角形连接三角形连接是指将三相绕组的各相首尾相接，构成一个闭合的回路，再将三相绕组的首端

、

、

（或

、

、

）引出箱外。根据首尾端连接顺序的不同，三角形连接有顺序和逆序两种接法。顺序（顺时针）三角形连接是指三相绕组按照

的顺序连接，如图1-27（a）所示；逆序（逆时针）三角形连接是指三相绕组按照

的顺序连接，如图1-27（b）所示。（a）顺序三角形连接

（b）逆序三角形连接图1-27三相变压器的三角形连接

3．三相变压器的连接组三相变压器一、二次绕组不同接法的组合，形成不同的连接组，例如，Yy、Yd、Ynd、Yyn、Dy、Dd等，下面以Yy、Yd连接组为例进行介绍。在Yy连接组中，变压器的一、二次绕组都采用星形连接，其接线图如图1-28（a）所示。若变压器一、二次绕组的首端为同名端，则一、二次绕组对应的相电动势之间的相位相同，线电动势之间的相位也相同，相量图如图1-28（b）所示。若将一次绕组线电动势

指向“12”点钟（即0点钟）方向，则二次绕组线电动势

也指向“12”点钟方向，如图1-28（c）所示。故这种连接方式称为Yy0连接组。1）Yy连接组

（a）接线图

（b）相量图

（c）时钟表示图图1-28Yy0连接组在Yy连接组中，若变压器一、二次绕组的首端为异名端，则二次绕组线电动势

与一次绕组线电动势相量方向相反，将指向“6”点钟方向，这种连接方式称为Yy6连接组。

2）Yd连接组在Yd连接组中，变压器的一次绕组采用星形连接，二次绕组采用逆序三角形连接，其接线图如图1-29（a）所示。变压器一、二次绕组的首端为同名端，一、二次绕组电动势的相量图如图1-29（b）所示。若将一次绕组线电动势

指向“12”点钟方向，则二次绕组线电动势

，它超前

指向时钟“11”点钟方向，如图1-29（c）所示。故这种连接方式称为Yd11连接组。

（a）接线图

（b）相量图

（c）时钟表示图图1-29Yd11连接组若在Yd11连接组中将二次绕组的三角形连接相序改变，变为顺序三角形连接，则时钟短针

将滞后

，指向时钟“1”点钟方向，这种连接方式称为Yd1连接组。

三、三相变压器的并联运行三相变压器的并联运行是指将两台或多台变压器的一、二次绕组分别接到各自的公共母线上，共同对负载供电的运行方式，其接线图如图1-30所示。图1-30变压器并联运行接线图1．三相变压器并联运行的优点（1）提高供电的可靠性。当某台变压器发生故障（或需要检修）时，可以将它切除检修，并将备用变压器投入并联运行来为用户供电，从而避免了中途停电。（2）提高运行效率。当负载随昼夜、季节而波动时，可以根据需要随时调整投入并联运行的变压器台数，以提高运行效率，减少不必要的损耗。（3）提高运行的经济性。变电所的用户是不断发展、不断增加的，建立变电所时可以适当减少备用容量，当用电量增加时再分批投入新的变压器，从而减少一次投资。2．三相变压器并联运行的条件1）变压比应相等两个线圈并联时，必须电压相等、极性相同（即变压比相等），才不会产生环流。如图1-31（a）所示，如果两台变压比不相等()的变压器并联运行，当两台变压器的一次绕组均接电源

时，其二次绕组的感应电动势也不相等（不是相同的)。假设

，则

，两绕组之间将产生环流

，如图1-31（b）所示。图1-31变压比不相等的变压器并联运行

为了限制平衡电流，通常规定：并联运行的变压器，其变压比

误差不能超过变压比误差的计算公式为

（1-42）环流

称为平衡电流，其大小与两台变压器的短路阻抗

和

有关，即

（1-41）

2）各变压器的连接组应相同两台变压器并联运行时，其连接组应相同。两台变压器的连接组不同，其二次侧线电压的相位差至少为30°，会产生很大的电压差

。如图1-32所示为Yy0和Yd11两台变压器并联时，二次绕组线电压之间的电压差为

，其中

，此时

的大小为

（1-43）图1-32连接组不同的两台变压器并联运行的电压差

3）变压器的短路阻抗（短路电压）应相等两台变压器并联运行时，其等效电路如图1-33所示。图1-33变压器并联运行等效电路当两台并联的变压器都正常运行时，其二次侧输出电压应相等，即

则有

（1-44）任务实施——绕制小型单相变压器一、实施目的（1）通过试验测定三相变压器绕组的极性。（2）通过试验测定和校验三相变压器的连接组。电工工具1套，万用表、交流电压表各1块，三相变压器1台（500～1000V·A），导线若干。二、实施器材三、实施步骤1．绕组极性的测定1）一、二次绕组的测定（1）用万用表的电阻挡测量三相变压器的12个出线端，区分开6个绕组。（2）将3个一次绕组分别标记为,3个二次绕组分别标记为2）一次绕组极性的测定（1）按如图1-34所示连接电路。（2）接通交流电源，调节其大小约为（3）用电压表测出电压

、、

的大小。

图1-34测定一次绕组极性线路图

（4）若

，则首末端标记正确；若,则标记错误，应该将V、W两相中任一相绕组的端点标记互换。（5）按照同样的方法，将V、W两相中的任一相加上约电压，另外两相末端相连，然后测定出U、W相间标记。测定好后，标记出3个一次绕组的同名端。

3）一、二次绕组极性的测定（1）按如图1-35所示连接电路。

图1-35测定一、二次绕组极性线路图（2）接通交流电源，调节其大小约为

（3）用电压表测量出电压。（4）按照同样的方法，测定出V、W两相一、二次绕组的极性。（5）测定好后，标记出3个二次绕组的同名端。若

，则U相端与端为同名端，标记正确；若，则U相端为

端非同名端，应把标记互换。

2．连接组别的测定1）Yy连接组的测定及校验（1）根据三相变压器绕组的连接组别（Yy）画出高、低压绕组接线图并标识首末端，在接线图上标出电动势的假定正方向，如图1-28（a）所示。（2）画出一次绕组的线电动势相量图

，如图1-28（b）所示。

（3）画出时钟表示图，将一次绕组线电动势

作为长针指向“12”点钟位置，将二次绕组线电动势

作为短针标识在时钟上，如图1-28（c）所示。

（4）将一次绕组

接上三相交流电源，

端与端用导线连接起来，接通交流电源，调节其大小约为

。

（5）依次测量电压

将其记录在表1-12的测量值一栏中。

6）计算

并记录在表1-12的“校验值”一栏中，校验式为（7）比较表1-12中的各校验值与测量值，若相同，则绕组连接正确，连接组标号为Yy0，否则为其他标号。表1-12Yy连接组的测定及校验测量值校验值/V/V/V/V/VK/V/V/V

（1-45）（1-46）（1-47）

2）Yd连接组的测定及校验Yd连接组的判定及校验步骤与Yy连接组基本相同。四、注意事项（1）本实训中加在三相变压器一次绕组上的电源电压不能超过其额定电压。（2）通电前应由指导老师检查连接好的试验电路图，核实无误后方可进行试验。（3）由于本试验中各步骤相关性较强，所以每次试验结束后，应确保测量结果无误才可进行下面试验。（4）试验完毕后应先关电源再拆线，同时注意人身及设备安全。校验式为

（1-48）任务四变压器的维护与检修任务引入某自耦变压器在投入运行后，其一次侧有电压，但电流较小，二次侧既无电压也无电流。维修师傅初步判断是二次侧断路所致。经过检测，维修师傅最终找出故障原因为二次侧引出线端头断裂，于是挑出线圈上的断头，焊上新的引出线，重新包好绝缘层，检测无误后通电运行，自耦变压器恢复正常。思考：自耦变压器的工作原理是什么？它的常见故障有哪些？当其发生故障时，应如何进行检测和维修呢？一、电力变压器的日常维护与检修1．电力变压器的日常维护（1）平时应保持电力变压器瓷套管及绝缘子的清洁。（2）应保证电力变压器电气连接的可靠性，定期检查各分接开关，并检查各触头有无松动、灼伤、疤痕，以及其转动灵活性及接触定位是否异常。（3）应保证油冷却系统的油量和油质，定期检查油位、油温是否正常，有无漏油现象，油色有无变化，油中有无沉淀物等；检查散热器有无渗漏、生锈、污垢淤积以及限制变压器油自由流动的机械损伤。（4）每年检测避雷器接地的可靠性。避雷器必须可靠接地，在天气干燥时检测接地电阻，其值不应超过4MΩ。（5）每三年对电力变压器的线圈、套管以及避雷器进行介损检测。2．电力变压器的日常检修（1）当电力变压器的负荷超过允许的正常过负荷值时，应按规定降低负荷。（2）电力变压器在运行过程中，由于振动会造成内部的铁轭、绕组、引线、夹件、压钉等部件松动或位移，此时应将松动或发生位移的部件紧固。（3）若出现电力变压器内部声音异常且有爆裂声；温度异常并不断上升；储油柜或安全气道喷油；油色变化过快，油内出现碳质；套管有严重的破损和放电现象等，应立即停电修理。（4）当发现严重漏油等原因使油面显著下降，低于油位计的指示限度时，应立即加油。加油时应遵守规定，如果因大量漏油而使油面显著下降，则应将瓦斯保护方式设为“只动作于信号”，而且必须迅速采取堵塞漏油措施，并立即加油。（5）变压器油位因温度上升而逐渐升高时，若最高温度时的油位可能高出油位指示计，则应放油，使油位降至适当的高度，以免溢油。二、特种变压器及其故障检修1．常用的特种变压器1）自耦变压器自耦变压器实际是一台单绕组变压器，其二次绕组是一次绕组的一部分。其结构原理如图1-36所示。图1-36自耦变压器的结构原理与单相变压器相同，在忽略漏阻抗压降的影响时有

（1-49）则

式中，

——自耦变压器的变压比。自耦变压器常见应用如下：（1）自耦变压器可用于连接两个电压接近的大电网，用一个体积较小的自耦变压器就可以传递较大功率的电能。（2）在大容量的交流电动机启动时，用自耦变压器进行降压可以减小交流电动机的启动电流。（3）把自耦变压器绕组的中间抽头做成滑动触头，可以构成自耦调压器。2）互感器互感器又称为仪用变压器，是一种用以传递信息给测量仪器、仪表和保护、控制装置的电能变换器，分为电流互感器和电压互感器两种，它们的工作原理与变压器相同。使用互感器一般有两个目的：为了保证工作人员的安全，将测量回路与高压电网隔离；可以使用小量程的电流表测量大电流，用低量程的电压表测量高电压。（1）电流互感器。如图1-37所示为电流互感器的结构原理。电流互感器的运行情况相当于单相变压器的短路运行。图1-37电流互感器的结构原理由于电流互感器要求误差较小，所以励磁电流越小越好，因此铁芯的磁通密度较低，一般为0.08～0.10Wb/m2。若忽略励磁电流，由磁通势平衡关系可得

（1-50）式中，

——电流互感器的变流比。

（2）电压互感器。电压互感器的一次绕组匝数很多，直接并联到被测的高压线路上；二次绕组匝数较少，接在高阻抗的测量仪表（如电压表、功率表的电压线圈等）上。因此电压互感器的二次电流很小，其运行情况相当于单相变压器的空载运行。3）电焊变压器交流电弧焊接在实际生产中被广泛应用，其电源通常采用电焊变压器。为了保证电焊的质量和电弧燃烧的稳定性，电焊变压器一般有以下要求。（1）电焊变压器应具有60～75V的空载电压，以保证起弧容易，考虑到操作的安全性，一般不超过85V。（2）电焊变压器应具有迅速下降的外特性，如图1-38所示，以满足电弧特性的要求。图1-38电焊变压器的外特性（3）为了满足不同工件的焊接需要，电焊变压器应具有调节焊接电流大小的功能。（4）短路电流不应太大，也不应太小。常用的电焊变压器有带电抗器的电焊变压器和加装可移动铁芯的磁分路电焊变压器两种，如图1-39所示。（a）带电抗器的电焊变压器

（b）加装可移动铁芯的磁分路电焊变压器图1-39电焊变压器的工作原理（a）带电抗器的电焊变压器

（b）加装可移动铁芯的磁分路电焊变压器图1-39电焊变压器的工作原理带电抗器的电焊变压器如图1-39（a）所示。它是在二次绕组中串接一个电抗器，电抗器中的气隙可以用螺杆调节。加装可移动铁芯的磁分路电焊变压器如图1-39（b）所示。它是在一、二次绕组铁芯柱中间，加装一个可移动的磁分路铁芯，为电焊变压器提供一个磁分路。1）引出线端头断裂如果断裂的端头处在线圈的最外层，可掀开绝缘层，挑出线圈上断裂的端头，焊上新的引出线，包好绝缘层即可；如果断裂的端头处在线圈内层，一般无法修复，需要拆开重绕。2）线圈的匝间短路如果匝间短路发生在线圈的最外层，可掀去绝缘层后，在短路处局部加热（指对浸过漆的线圈，可用电吹风机加热），待漆膜软化后，用薄竹片轻轻挑起绝缘已破坏的导线。若线芯没损伤，可插入绝缘纸，裹住后揿平；若线芯已损伤，则应将其剪断，去除已短路的一匝或多匝导线，将剪开的两端焊接后垫妥绝缘纸，揿平。用以上两种方法修复后均应涂上绝缘漆，吹干后再包上外层绝缘。如果故障发生在无骨架线圈两边沿口的上下层之间，一般也可按上述方法修复。如果故障发生在线圈内部，一般无法修理，需拆开重绕。2．特种变压器常见故障及检修方法3）线圈对铁芯短路其检修方法可参照匝间短路的有关内容。4）铁芯噪声过大铁芯噪声有电磁噪声和机械噪声两种。如果是电磁噪声，属于设计原因的，可换用质量较佳的同规格硅钢片；属于其他原因的，应减轻负载或排除漏电故障。如果是机械噪声，应采取措施压紧铁芯。5）线圈漏电线圈漏电故障的基本特征是铁芯带电和线圈温升变大，通常是线圈受潮或绝缘老化所所致。若是受潮，只要烘干后故障即可排除；若是绝缘老化，严重的一般较难排除，轻度的可拆去外层包缠的绝缘层，烘干后重新浸漆。6）线圈过热线圈过热通常是过载或漏电所致，也可能是设计原因所致；若是局部过热，则多是匝间短路所致。其检修方法可参照匝间短路的有关内容。7）铁芯过热铁芯过热通常是过载、设计不佳、硅钢片质量不佳或重新装配硅钢片时少插入硅钢片等原因所致。其检修方法可参照上述相关内容。8）输出侧电压下降输出侧电压下降通常是一次侧输入的电源电压不足（未达到额定值）、二次绕组存在匝间短路，对铁芯短路、漏电，或过载等原因所致。其检修方法可参照上述相关内容。任务实施——检修变压器一、实施目的掌握小型变压器的检修流程及检修方法。常用电工工具1套，万用表、兆欧表各1块，自耦变压器1台，滑杆电阻器（75Ω、10A）1个，导线若干。二、实施器材三、实施步骤1．绝缘电阻的检测用兆欧表检测线圈与铁芯之间以及线圈匝间的绝缘电阻，正常均应不低于0.5MΩ。若检测异常，则分析故障原因，并进行相关检查，找出故障位置并排除故障。2．通电检测（1）观察并记录该自耦变压器的型号、额定电压、额定电流、输出电压、容量及变压比等参数。（2）空载检查：接通电源，使自耦变压器二次侧开路，检测自耦变压器二次绕组的电压、一次侧电流是否正常。（3）带额定负载检查：检测自耦变压器一、二次侧的电流和绕组的电压。记录检测数据，并分析检测结果是否正常。（4）变压器工作一段时间后，查看自耦变压器的温度是否正常；是否有异响。如果温度偏高或有异响，则进行相关检查，找出故障位置并排除故障。电机与拖动项目二直流电机项目导读直流电机是实现直流电能与机械能相互转换的电力机械，从能量转换的角度来划分，直流电机可分为直流电动机和直流发电机两大类。直流电动机具有良好的启动和调速性能，常用于对启动和调速有较高要求的场合，如大型可逆式轧钢机、矿井卷扬机、造纸和印刷机械、大型精密机床和大型起重机，以及电力机车、城市电车、地铁列车、电动自行车、船舶机械等。直流发电机主要用作各种直流电源，如直流电动机电源、直流电焊机电源等。本项目主要介绍直流电机的基本结构、工作原理、铭牌数据、运行特性及其维护与检修方法等内容。任务一直流电机的认识任务引入小张经常骑电动自行车上下班。2020年初，小张接连几个月都在家办公，电动自行车也一直闲置着。某日他准备去公司办公，便提前将电动自行车充满电，并检查电动自行车的状况，结果发现它在行驶时的噪声很大，速度也比平时变慢了许多，由于当时维修店都没有开门营业，小张决定自己动手进行修理。通过查阅资料，小张发现该电动自行车采用的是永磁有刷直流电动机，并初步判断噪声是由于电动自行车长时间闲置，使电动机