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发布时间:2020-05-12 05:07:49

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作者:姚勇,邸敏艳

出版社:电子工业出版社

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电机与控制(第3版)

电机与控制(第3版)试读:

前言

随着科学技术的不断发展,随着电力电子技术、微电子技术及现代控制理论的发展,中小功率电机在工农业生产及人们的日常生活中都有极其广泛的的应用。特别是家用电器、家用汽车的迅速发展,更需要人们学会认识、辨别这些中小功率电动机。又由于这些电动机的发展及广泛的应用,它的使用、控制、保养和维护工作也越来越重要。为此,我们本着以培养新世纪社会需要的高素质劳动者和中初级专门人才为出发点编写和修订本教材。

本书修订后共分为10个项目38个任务。以项目教学法的编写方式,以任务为导向,每个项目包括【知识学习】、【知识应用】、【任务实施】、【自我测评】、【习题练习】等内容。【知识学习】:讲授某种类型电机的结构、型号、工作原理、用途以及电动机的启动、制动和调速等,包括变压器、直流电机、三相异步电机、单相串激电动机、单相异步电机、同步电机、控制电机等。此部分由邸敏艳、王艳红编写。【知识应用】:为方便学生对某种电机的理解加深记忆,每种电机讲完基本工作原理后,都要讲授1~3种电器与之对应,包括电力变压器;洗衣机电动机、电风扇用电动机;电冰箱、空调器压缩机用电动机;电动工具、厨房设备专用电动机;汽车启动机、汽车发电机;以及美容保健、办公自动化用电动机等,同时配以简单的控制线路。此部分由姚勇、王艳红编写。【任务实施】:每个项目的最后配有此种电机的常见故障;检修、验收方法;最后一个项目还综合了全书的主要内容设立了6个试验任务。这些内容通过学生的具体实施,更准确地把握此种电机。此部分由邸敏艳、姚勇编写。

本次修订在内容选编以及写法上有了很大的突破。内容上突出了理论联系实际,传统教材往往把电机单独进行讲解,学生看不到实际应用,不易理解抽象的理论推导。本教材利用的是项目教学法,强调学习情境,使学生有目的有要求地去学习电机知识,比传统填鸭式教学有了很大的改善,且每个任务前后均附有学习目标、学习要求提示及习题、自我测评等内容。第八、第九两个项目是知识扩展的内容,教师可根据学生基础选择不同的内容讲授。为方便教学还配有多媒体课件、电子教案、习题答案辅助教学。请有此需要的读者登录华信教育资源网(www.hxedu.com.cn)免费注册后进行下载。

本次修订主要增加了电机在实际中的具体应用,主要内容如下:

任务2.1.3 变压器的参数、型号和绕组组别

任务2.1.5 变压器参数测定

任务2.2 变压器在工厂供配电系统中的应用

任务3.1.7 直流电动机的制动

任务4.2 三相异步电机在机床电器中的应用

任务4.3 X62W型万能铣床电气控制

任务5.2 单相交直流串励电动机在电动工具中的应用

任务7.1 三相同步电机的认识

任务7.2 三相同步发电机在汽车上的应用

本书可作为中职学校电子电工、机电一体化等专业的教学用书,也可作为相关专业的培训教材或相关工程技术人员的技术参考及学习用书。全书由姚勇、邸敏艳统稿。

姚勇、邸敏艳

2013年6月项目1 电机与控制技术学习前的知识准备任务1.1 电机与控制技术发展回顾与展望

任务目标

了解电机发展历史,掌握电机发展与控制应用的方向。1.1.1 电机的分类

在国民经济及家用电器中所应用的电机是多种多样的,但其基本工作原理都基于法拉第电磁感应定律和安培力定律。因此,其构成的一般原理为:采用相应的导磁和导电材料构成能相互进行电磁感应的磁路和电路,以产生感应电势和电磁转矩,从而达到转换能量形态的目的。

电机的分类方法很多。对于常用电机,如按其结构形式及其产生感应电势和电磁转矩的电磁感应方式来看,可进行如下形式的分类:

对于上述各类电机,如果按其功能来分类,可分为发电机、电动机、变压器、变频器、移相器和控制电机。(1)发电机:用于把机械能转换成电能。(2)电动机:用于把电能转换成机械能。(3)变压器、变频器、移相器:分别用于改变电源电压、频率和相位。(4)控制电机:作为控制系统中的控制元件或执行元件。1.1.2 电机与控制技术发展回顾与展望

1800年伏特发明电池,是电机出现的开端,电动机的诞生和发展在这之后可以分成几个阶段。从1820年到整个19世纪,发现了电磁现象以及相关的各种法则,诞生了交流电机的原形,并确立了电机的工业运用。从20世纪初直到1970年,是电动机的成长和成熟期,有刷直流电机、感应电动机、同步电动机和步进电动机等各种电机相继诞生,半导体驱动技术和电子控制概念的引入,带来变频驱动的实用化。从70年代到20 世纪末期,计算机技术的飞跃发展为发展高性能驱动带来了机会,随着设计、评价、测量、控制、功率半导体、轴承、磁性材料、绝缘材料、制造加工技术的不断进步,电动机本体经历了轻量化、小型化、高效化、高力矩输出、低噪声振动、高可靠、低成本等一系列变革,相应的驱动和控制装置也更加智能化和程序化。进入21世纪,在以多媒体和互联网为特征的信息时代,电动机和驱动装置继续发挥支撑作用,向节约资源、环境友好、高效节能运行的方向发展。任务1.2 电磁学的基本知识与基本定律

任务目标

1.复习电机内部主要涉及的基本物理量和电磁定律,深刻理解这些电磁定律在电机内部具体体现怎样的物理概念。

2.掌握磁性材料有哪些特点与特性。

从能量角度看,旋转电机是一种机电能量转换装置。电动机借助内部电磁场将输入的电能转换为机械能输出。发电机则相反,它由原动机(如汽轮机、柴油机或汽油机等)提供动力(动能)借助内部电磁场将输入的机械能转换为电能输出。因此,电磁场在电机内部起到了相当重要的作用。为了熟悉和掌握电机的运行理论与特性,就必须首先了解有关电磁学的基本知识与电磁学定律。

一般来讲,对于电磁场的分析有两种方法;一种是采取场的分析方法;另一种是采取路的分析方法。前者是一种微观分析方法,它通过偏微分方程,并借助有限元等方法具体分析某一单元或某一点的电磁场情况,这种方法较为准确,但计算量较大。后者是一种宏观分析方法,它将闭合磁力线所经过的路径看做由几段均匀磁路组成的,然后将磁路问题等效为电路问题,最终统一求解电路。尽管这种方法在准确性方面存在一定的限制,但由于其计算简单,计算精度也足以满足大部分工程实际需要,因而得到广泛应用。本教材主要采用路的分析方法,通过将有关磁路问题转换为电路问题获得有关电机的等效电路,然后借助等效电路对电机的性能进行分析和计算。为此,本项目首先需要回顾有关电磁学的基本知识与电磁学定律。1.2.1 电路的基本定律

1.基尔霍夫电流定律

基尔霍夫电流定律(KCL)指出:电路中流入某一节点电流的代数和等于零,即

式(1-1)表明:在电路中,电流是连续的,流入某一节点的电流之和等于流出该节点的电流之和。

2.基尔霍夫电压定律

基尔霍夫电压定律(KVL)指出:电路中任一闭合回路电压的代数和为零,即

式(1-2)表明:在电路中,任一闭合回路的电势之和全部由无源元件消耗的压降所平衡。1.2.2 铁磁材料的基本特性

电机是以磁场为媒介,利用电磁感应作用实现能量转换的。因此,作为构成电机磁路的铁磁材料,其性能的优劣对电机性能的好坏起着关键作用。下面将介绍铁磁材料的基本特性,为今后研究电机的磁路和运行特性打下基础。

1.铁磁材料的导磁性

在电机中,常用的铁磁材料有铁、钴、镍以及它们的合金;而常见的非铁磁材料有空气和变压器(电容器)油。用μ来表示铁磁材Fe料的导磁系数;用μ表示非铁磁材料的导磁系数,μ可视为常量。通oo常μ为μ的2 000~6 000倍。因此,在同样大小的电流下,铁芯线Feo圈的磁通比空心线圈的磁通大得多。在非铁磁材料中,由于导磁系数μ为一常量,因此磁感应强度(磁通密度)B与磁场强度H表现为线o性关系(B=μH);而在铁磁材料中,由于μ是一个变量,因此B与oFeH的关系表现为非线性关系。通常,把描述铁磁材料B-H关系的曲线称为铁磁物质的磁化曲线,如图1.1所示。实验结果表明,铁磁物质的磁化规律具有图中曲线所表现的基本特点。在磁化初期随着H的增加,B缓慢增加,如图1.1中Oa段所示;之后,随着H的增加,B迅速增加,如图1.1中ab段所示;再之后,随着H的增加,B的增加又会慢下来,如图1.1中bc段所示;过c点之后,随着H的增加,B基本不变。通常,把过b点之后这种H增加时,B的增加变缓直至基本不变的现象称为磁饱和。图1.1 铁磁材料的磁化曲线

2.磁滞现象和磁滞损耗

如图 1.2 所示,在测取铁磁物质的磁化曲线时,当 H 由零上升到某个最大值 H时,B是沿着磁化曲线O-1上升;当H由H下降到零mm时,B不是沿着O-1下降,而是沿着另一条曲线1-2变化。当H由零变到-H,即进行反向磁化时,B沿着曲线2-3-4变化。当H由-H上升到

mm零时,B沿着曲线4-5变化。当H再由零上升到H 时,B沿着5-6-1上m升,又几乎回到了1 点。这样反复磁化一个循环时,就得到一个闭合回线1-2-3-4-5-6-1,该回线称为铁磁材料的磁滞回线。不同的铁磁材料有不同的磁滞曲线。同一铁磁材料,H越大,则磁滞回线的面积m越大。图1.2 磁滞回线

从磁滞回线可以看出,上升磁化曲线与下降曲线并不重合,下降时,B 的变化总是滞后于H的变化,当H下降到零时,B不是下降到零,而是下降到某一个数值B ,这种现象称为磁滞,B称为剩余磁感应zz强度。

磁滞损耗:在铁磁材料处于交变磁场作用下反复磁化的过程中,磁畴之间不停地相互摩擦,从而产生能量消耗,这种能量消耗称为磁滞损耗。磁滞回线面积越大,损耗越大。实验表明,交变磁化时,磁滞损耗p与磁通的交变频率 f 成正比,与磁通密度的幅值B的α次方hm成正比,即:

对常用的硅钢片,当B=1.0~1.5T时,α≈2。由于硅钢片的磁滞回线面积较小,因此电机的铁芯大都采用硅钢片。

3.涡流损耗

如图1.3所示,依据电磁感应定律,当铁芯内的磁通发生交变时,铁芯内将产生感应电势和感应电流。这些电流将在铁芯内部围绕磁通呈漩涡状流动,称为涡流。涡流在铁芯中引起的损耗称为涡流损耗。设I 和E 分别为涡流和产生涡流的电势,r为涡流回路的等效电阻,www则涡流损耗p可用式(1-4)表示:w

由于感应电势E与磁通交变频率f和磁通幅值成正比,而后者又与磁通密度的幅值B成正比,于是涡流损耗与成正比,即p∝mw。进一步分析表明,对于电工钢片,涡流损耗还与其厚度d的平方成正比,故得:图1.3 硅钢片中的涡流

由式(1-5)可见,为了减小涡流损耗,首先是减小钢片的厚度。所以,电工钢片通常做成0.5mm和0.35mm厚。对于中高频电路,甚至做成0.2mm和0.1mm厚。其次是增加涡流回路的电阻,为此电工钢片中常加入4%左右的硅,变成硅钢片,用以提高电阻系数。

在研究电机和变压器时,通常把磁滞损耗和涡流损耗合并在一起,统称为铁芯损耗,简称铁耗。单位质量的铁损通常用式(1-6)计算:

式中,p为铁损系数,表示当B=1T、f=50Hz时,每千克硅钢1 50m片的损耗;β=1.2~1.6。1.2.3 电机学中常用的基本电磁定律

1.法拉第电磁感应定律

设有一个单匝线圈放置在磁场中,不论什么原因(如线圈本身的移动或转动、磁场强度自身发生变化等),只要引起该线圈相交链的磁通Φ随时间发生变化,则在该线圈中必然有感应电势e产生,这种现象称为电磁感应。如果把感应电势的正方向与磁通的正方向规定符合右手螺旋关系,则感应电势可表示为:

式(1-7)是法拉第电磁感应定律的数学描述。

如果上述线圈不是单匝的,而是N匝,那么,磁通量发生变化时,每匝中都将产生感应电势。由于匝与匝之间是相互串联的,整个线圈的总电势就应等于各匝线圈所产生的电势之和。令 Φ,Φ,…,Φ12W分别是通过各匝线圈的磁通量,则:

式中,Ψ=Φ+Φ+…+Φ称为全磁通或匝链数,简称磁链。如果12w穿过每匝线圈的磁通量相同,均为Φ,则:

Ψ=NΦ

上述电磁感应定律的物理含义可解释为:由电磁感应产生的电势与线圈的匝数和磁通的变化率成正比。式(1-7)右边的负号表明,如果在感应电势的作用下有电流在线圈中流过,则该电流产生的磁通起着阻碍磁通变化的作用。当磁通增加时,它企图减少磁通;而当磁通减少时,则企图增加磁通。这个规律通常被称为楞次定律。

在式(1-7)中,当磁通的单位为韦伯(Wb),时间的单位为秒(s)时,则电势的单位为伏特(V)。

2.电磁力定律

由实验表明,当一载流导体处在磁场中,该导体将受到一个作用力。由于该力是磁场和电流相互作用产生的,因此称其为电磁力。若磁场与导体相互垂直,则作用在导体上的电磁力为:

式中 B——载流导体处磁通密度(T);

i——导体中的电流(A);

l——导体在磁场中的有效长度(m);

f——作用在导体上的电磁力(N)。

电磁力的方向可由左手定则确定:如图 1.4 所示,把左手掌平直伸开,大拇指与其余四指垂直,磁力线由掌心穿过,四指指向电流方向,则大拇指所指方向就是电磁力的方向。在旋转电机中,作用在转子载流导体上的电磁力将使转子受到一个力矩(力乘转子半径)的作用,该力矩称为电磁转矩。电磁转矩在电机的能量形态转换过程中起着重要作用,在后面的任务中将详细介绍。

3.全电流定律

设空间有 n 根载流导体,导体中的电流分别为 I,I,I,…,123则沿任一闭合路径l的磁场强度H的线积分等于该闭合回路所包围的导体电流的代数和,即:

该定律称为全电流定律。∑I是回路所包围的全部电流。在式(1-8)中,若导体电流的方向与积分路径的方向符合右手螺旋关系,该电流取正号,反之取负号。对图1.5所示的电流方向,I和I应取正12号。而I应取负号。3

在图1.5中,绘了另一条积分路径l′,根据全电流定律有:图1.4 左手定则图1.5 全电流定律

把全电流定律应用到电机和变压器中的多段磁路时,可改写成:

式中 H——第k段磁路的磁场强度(A/m);k

l——第k段磁路的平均长度(m);k

F=WI——磁势(A)。

式(1-11)中每一段的Hl值称为该段磁路上的磁压降,而WI是作用在整个磁路上的磁势,在电机中就是励磁绕组的安匝数。因此,式(1-11)表明:作用在磁路上的总磁势等于各段磁路的磁压降之和。

4.磁路欧姆定律

若将磁路分为n段,则磁路欧姆定律可由式(1-12)描述:2

式中 A——第k段磁路的截面积(m);k

由式(1-12)可见,磁路的磁通等于作用在磁路上的总磁势F除以磁路的总磁阻R。而磁路的磁阻主要决定于磁路的几何尺寸和所m用材料的导磁系数。磁路材料的导磁系数越大,则磁阻越小,所以电机的磁路采用铁磁材料。值得注意的是,磁路的构成除铁磁材料外,还包括气隙。即使气隙很小,但由于μ≪μ ,因此气隙磁阻仍然是oFe整个磁路磁阻的主要部分。

5.磁路基尔霍夫定律

磁路的基尔霍夫定律,如图1.6所示。(1)磁路的基尔霍夫第一定律:

式(1-13)表明流入磁路节点的磁通的代数和应等于零。(2)磁路的基尔霍夫第二定律:

式(1-14)表明沿着任一闭合回路,其总磁压等于总磁势。图1.6 磁路基尔霍夫定理1.2.4 交流铁芯线圈电路

铁芯线圈分为两种,直流铁芯线圈和交流铁芯线圈。直流铁芯线圈通直流电来励磁(如直流电机的励磁线圈、电磁吸盘及各种直流电器的线圈),交流铁芯线圈通交流电来励磁(如交流电机、变压器及各种交流电器的线圈)。分析直流铁芯线圈比较简单,因为直流电流产生的磁通是恒定的,在线圈和铁芯中不会感应出电动势,在一定电压U下,线圈中的电流I只和线圈本身的电阻R有关,功率损耗也只有2RI 。而交流铁芯线圈在电磁关系、电压电流关系以及功率损耗等方面比直流铁芯线圈要复杂得多。

1.电磁关系

图1.7是一通以交流电的电磁线圈,磁通势Ni产生的磁通,有两部分,通常把沿铁芯闭合的那部分磁通Φ称为主磁通,把沿非铁磁材料闭合的那部分磁通Φ称为漏磁通。一般情况下,漏磁通占总磁通σ的0.1%~0.2%,主、漏磁通分别产生两个感应电动势:主磁电动势e和漏磁电动势e。主磁通与励磁电流之间是非线性关系,而漏磁通与σ励磁电流之间为线性关系,即:图1.7 铁芯线圈的交流电路

2.电压电流关系

根据基尔霍夫电压定律,可列出铁芯线圈交流电路电压方程:

通常u所加的是正弦交流电,在正弦电压作用下,式(1-16)可用向量表示,即:

式中 R——铁芯线圈的电阻;

X=ωL——铁芯线圈的漏磁感抗。σσ

至于主磁电动势,由于主磁感抗不是常数,所以应按下面的方法计算。

设主磁通时间按正弦规律变化,即:

式中 Φ——主磁通的幅值。m

式中,E =2πfNΦ ,是主磁电动势的幅值,电势的有效值为:mm

又由于线圈电阻R和漏磁感抗X通常较小,因而它们两端的电压σ降也较小,与主磁电动势比较起来,可以忽略不计,于是:

以上是电机学中常用的基本电磁定律,后面任务中经常用到,希望加强记忆。

自我测评

电机与变压器学习中涉及哪些基本电磁定律?试说明它们在电机中的主要作用。项目2 变压器的认识与应用

知识学习任务2.1 变压器的认识学习

变压器是一种静止的电气设备。它是利用电磁感应作用把一种电压的交流电能变换成频率相同的另一种电压的交流电能。变压器是电力系统中的重要设备,它在电能检测、控制等诸方面也得到广泛的应用。另外,变压器还有变换电流、变换阻抗、改变相位和电磁隔离等作用。

任务目标

1.掌握变压器的基本结构和工作原理。

2.具有变压器的参数、型号选择和绕组组别判别的能力。

3.了解其他类型变压器。2.1.1 变压器的分类

由于变压器应用很广泛,因此变压器的种类很多,且各种类型的变压器在其结构和性能上的差异也很大。通常,变压器可按其用途、结构特征、相数和冷却方式进行分类。

1.按用途分类

按照用途分类,变压器可分为电力变压器、仪用变压器、试验变压器和特种变压器。(1)电力变压器:用于输配电系统的升、降电压。(2)仪用变压器:如电压互感器、电流互感器,用于测量仪表和继电保护装置。(3)试验变压器:能产生高压,对电气设备进行高压试验。(4)特种变压器:如电炉变压器、整流变压器、调整变压器等。

2.按绕组形式分类

按照绕组形式分类,变压器可分为双绕组变压器、三绕组变压器和自耦变压器。(1)双绕组变压器:用于连接电力系统中的两个电压等级。(2)三绕组变压器:一般用于电力系统区域变电站中,连接三个电压等级。(3)自耦变压器:用于连接不同电压的电力系统,也可作为普通的升压或降压变压器用。

3.按相数分类

按照相数分类,变压器可分为单相变压器和三相变压器。(1)单相变压器:用于单相负荷和三相变压器组。(2)三相变压器:用于三相系统的升、降电压。

4.按冷却方式分类

按照冷却方式分类,变压器可分为干式变压器和油浸式变压器。(1)干式变压器:依靠空气对流进行冷却,一般用于局部照明、电子线路等小容量变压器。(2)油浸式变压器:依靠油作冷却介质,如油浸自冷、油浸风冷、油浸水冷、强迫油循环。2.1.2 变压器的基本结构和工作原理

1.变压器的基本结构

变压器包括电路和磁路两大部分。变压器的电路部分是绕组,磁路部分是铁芯。铁芯和套在它上面的绕组构成了变压器的器身。油浸式电力变压器的外形结构如图2.1所示。

下面简要介绍变压器各主要部件的结构。(1)铁芯。铁芯是变压器的磁路部分。为减少铁芯内的磁滞损耗和涡流损耗,通常铁芯用含硅量较高的、厚度为0.35mm或0.5mm、表面涂有绝缘漆的热轧或冷轧硅钢片叠装而成。铁芯分为铁柱和铁轭两部分,铁柱上套有绕组线圈,铁轭则是作为闭合磁路之用,铁柱和铁轭同时作为变压器的机械构件。

铁芯结构有两种基本形式:心式和壳式。如图2.2和图2.3分别示出单相心式和壳式变压器的铁芯和绕组。心式铁芯的结构特点是:心柱被绕组所包围,铁轭靠着绕组的顶面和底面,而不包围绕组的侧面。其结构比较简单,绕组的装配及绝缘也较容易,因而绝大部分国产变压器均采用心式结构。(2)绕组:绕组是变压器的电路部分。一般采用绝缘纸包的铝线或铜线绕成。为了节省铜材,我国变压器线圈大部分是采用铝线的。

在变压器中,接于高压电网的绕组称为高压绕组,电压低的绕组称为低压绕组。从高、低绕组之间的相对位置来看,变压器绕组可分为同心式和交叠式两种不同的排列方式。图2.1 油浸式电力变压器的外形结构图2.2 单相心式变压器图2.3 单相壳式变压器

同心式绕组的高、低压线圈同心地套装在外面,如图2.2所示。对于一些大容量的低压大电流变压器,由于低压绕组引出线的工艺困难,往往把低压绕组套装在高压绕组外面。为了便于绕组散热和绝缘,在高、低绕组之间留有油道。

交叠式绕组都做成饼式,其高、低压绕组交互放置,如图2.3和图2.4所示。为了便于绝缘,一般最上和最下的两组绕组都是低压绕组。交叠式绕组的主要优点是漏电抗小,机械强度高,引线方便。通常,较大型的电炉变压器绕组采用此种结构。图2.4 交叠式绕组(3)其他结构部件。变压器除铁芯和绕组等主要部件外,典型的油浸式电力变压器还有储油柜、油箱和气体继电器等,下面分别做简单介绍。

① 储油柜。储油柜安装在油箱上部,它通过连接管与油箱相通。油柜内的油面高度随变压器油的热胀冷缩而变动。

② 油箱。变压器的油箱结构与变压器的容量大小有关。对于小容量变压器,由于油箱自身面积已能满足散热的需要,因此多采用平板式油箱。对于中等容量变压器的油箱,为了增加散热面积,一般在油箱四周加焊冷却用的扁形油管。容量大于10 000kVA的变压器,采用风吹冷却散热器。

③ 气体继电器。在油箱和储油柜之间的连接管中装有气体继电器。当变压器发生故障时,内部绝缘物汽化,使气体继电器动作,发出预报信号或使其跳闸。

2.变压器的基本工作原理

变压器是利用电磁感应原理从一个电路向另一个电路传递电能或传输信号的一种电器。以电力变压器为例简要阐述变压器的工作原理如下。(1)单相变压器

图 2.5 是单相变压器的原理图,为了便于分析,将高压绕组和低压绕组分别画在两边。与电源相连的称为原绕组,与负载相连的称为副绕组。原、副绕组的匝数分别为N和N 。当原绕组接上交流电压12u时,原绕组中便有电流i通过。原绕组的磁通势Ni产生的磁通绝1111大部分通过铁芯而闭合,从而在副绕组中感应出电动势。如果副绕组接有负载,那么副绕组中就有电流i通过。副绕组的磁动势N i也产222生磁通,其绝大部分也通过铁芯而闭合。因此,铁芯中的磁通是一个由原、副绕组的磁通势共同产生的合成磁通,它称为主磁通,用Φ表示。主磁通穿过原绕组和副绕组而在其中感应出的电动势分别为e和1e。此外,原、副绕组的磁通势还分别产生漏磁通Φ和Φ(仅与2σ1σ2本绕组相铰链),从而在各自的绕组中分别产生漏磁电动势e和σ1e。σ2图2.5 变压器的原理图

上述的电磁关系可表示如下:

下面分别讨论变压器的电压变换、电流变换及阻抗变换原理。

① 电压变换:参看式(2-1),根据基尔霍夫电压定律,对原绕组电路可列出电压方程:

通常原绕组上所加的是正弦交流电,在正弦电压作用下,式(2-2)可用向量表示,即:

式中,R和X分别为原绕组的电阻和原边漏磁感抗,由于原绕11组的电阻R和漏磁感抗X较小,因而它们两端的电压降也较小,与11主磁电动势E比较起来,可以忽略不计。1

同理,对于副绕组电路可列出:

如用向量表示,则为:

式中,R和X分别为副绕组的电阻和副边漏磁感抗,U.为副绕222组的端电压。

式中,U 是空载时副绕组的端电压,即原边加上额定电压时的20副边空载电压,则:

式中,K为变压器的变比。

可见,当电源电压U一定时,只要改变变压器的变比,就可以1得出不同的输出电压U (U 一般比U 低5%~10%)。2220

② 电流变换:由于变压器的效率较高,当不考虑任何损耗时,根据能量守恒原理有

式中,U、I和U、I分别为原、副绕组的电压和电流的有效值;1122S、S分别为变压器原、副绕组容量;S为变压器容量或视在功率,12其单位是VA或kVA。

式(2-10)表明变压器原、副绕组的电流之比近似等于它们的匝数比的倒数。变压器中的电流虽然由负载的大小决定,但是原、副绕组中电流的比值是基本不变的。

③ 阻抗变换:在图2.6中负载阻抗模|Z|接在变压器副边,而图中的虚线框部分可以用一个阻抗模|Z′|来等效代替。所谓等效,就是输入电路的电压、电流和功率不变。也就是说,直接接在电源上的阻抗模|Z′|和接在变压器副边的阻抗模|Z|是等效的。图2.6 负载阻抗等效变换

两者的关系可通过下面计算得出:

匝数比不同,负载阻抗模|Z|折算到原边的等效阻抗模|Z′|也不同。可以采用不同的匝数比,把负载阻抗模变换为所需要的、比较合适的数值。(2)三相变压器

当前电力系统中普遍采用三相制。三相交流电的电压变化可以由三台同一型号的单相变压器接成三相变压器组[见图2.7(a)],也可以采用三相绕组共用一个铁芯的三相心式变压器[见图2.7(b)]。在对称负载时,三相变压器的原、副边绕组是对称的三相电路,各相电压和电流的大小相等,相位彼此相差120°,各相参数也相同。因此对三相变压器的研究与对三相对称电路的研究一样,可以分析和计算其中的一相,然后直接得出其他两相的结果。于是,有关单相变压器的基本方程、等值电路相量图和运行特性等论述也完全适用于三相变压器。图2.7 三相变压器2.1.3 变压器的参数、型号和绕组组别

1.变压器的参数(1)额定容量S:额定容量是变压器的额定视在功率,以VA、NkVA或MVA表示。由于变压器效率高,因此通常把原、副边的额定容量设计得相等。(2)原、副边额定电压U、U :原边额定电压是制造厂规定1N2N的工作电压,以V表示。原边加上额定电压时的副边空载电压称为副边额定电压。对于三相变压器,额定电压是指线电压的额定值。(3)变压器的变比K:表示原、副绕组的额定电压之比。(4)原、副边额定电流I、I :根据额定容量和额定电压计算1N2N出的线电流称为额定电流,以A表示。(5)额定频率 f :我国规定的工业频率为50Hz。N

2.变压器的型号

1965年10月1日开始,国家标准规定,变压器的型号用汉语拼音字母和几位数字表示。

编号原则按照机电部JB/T3837—1996《变压器类产品型号编制方法》编制,变压器型号示例如图2.8所示。图2.8 变压器型号示例

例如,SL—180/10表示三相油浸自冷式铝线双绕组容量为180kVA、高压侧电压为10kV的电力变压器;SFPSZ—63000/110表示三相风冷式强迫油循环铜线三绕组有载调压、容量为63000kVA、高压侧电压为110kV的电力变压器。

3.变压器绕组组别

对于单相变压器来说,当同时交链原、副绕组的主磁通发生变化时,原、副绕组中的感应电势存在一定的极性关系,即在任一瞬间,高压绕组的某一端的电位为正时,低压绕组也有一端的电位为正,这两个绕组间同极性的一端称为同名端。用符号“●”标在两个对应的同名端旁。同名端可能是绕组的相同端,如图 2.9(a)所示;也可能在绕组的不同端,如图2.9(b)所示。图2.9 单相变压器的同名端

变压器的首端和末端有两种不同的标注方法,不同的标注方法所得到的原、副绕组相电势之间的相位差不尽相同。但应注意,感应电势正方向的规定是唯一的,即电势的正方向总是从首端指向末端,如图2.10所示。根据同名端的定义和首末端的标注规定可知,如果将原、副绕组的同名端都标为首端(或末端),则原边相电势与副边相电势同相位;当原、副绕组的非同名端标注为首端(或末端),则与相位相反。图2.10 单相变压器连接组

为了能形象地表示原、副边电势相量之间的相位关系,采用时钟法描述这种关系。所谓时钟法,就是把原边电势相量看成时钟的长针,副边电势相量看成时钟的短针,把长针指向12点,再看短针指在哪一个数字上,把短针指向的这个数字作为连接组的标号。把连接组的标号乘以30°便是副边电势相量滞后与原边向量的电度角。对于单相变压器,只有两种连接组,即I/I-12和I/I-6。I/I表示原、副边都是单相绕组,其中斜线左边表示原绕组、斜线右边表示副绕组。12和6表示连接组标号。我国国家标准GB1094—1971规定,单相变压器以I/I-12或I/I-0为标准连接组。

与单相变压器的连接组有所不同,三相变压器的连接组别的表示方法是:大写字母表示一次侧(或原边)的接线方式,小写字母表示二次侧(或副边)的接线方式。Y(或y)为星形接线,D(或d)为三角形接线。“YN”表示一次侧为星形带中性线的接线。

三相变压器的连接组标号是用副边线电势向量与原边对应线电势向量之间的相位差来决定的,它不仅与线圈的绕法和首、末端的标注有关,还与三相绕组的连接方式有关,下面就分别介绍三相变压器的常用连接组。

三相变压器接线方式有4种基本连接形式:“Y,y”、“D,y”、“Y,d”和“D,d”。我国只采用“Y,y”和“Y,d”。(1)Y,y接法:图2.11为Y,y连接的三相绕组的连接图。图中将原、副边的同名端标为首端。此时原、副绕组对应各相的电势同相位,并且原、副绕组线电势和也同相位,如果把放在12点,则也指向12点,所以这种连接组用Y,y12或Y,y0表示。图2.11 三相变压器Y,y连接图2.11 三相变压器Y,y连接(续)

若将图2.11(b)原、副绕组的首端选为非同名端,即把副绕组每相的首、末端对调,则得Y,y6连接组。(2)Y,d接法:图2.12是Y,d连接时三相绕组的连接图,将原、副边同名端均标为首端。图2.12(a)所示的副边各相的串联次序为a→y→b→z→c→x→a。此时,原、副绕组对应相的相电势为同相位,但原绕组线电势与副绕组线电势的相位差为11×30°=330°。如果把放在12点,则指向11点,因而,此种连接组用Y,d11表示。图2.12(b)所示的副边各相的串联次序为a→z→c→y→b→x→a,此种连接组为Y,d1。(3)三相变压器连接组别判别方法:

① 根据三相变压器绕组连接方式(Y或y、D或d)画出高、低压绕组接线图(绕组按A、B、C相序自左向右排列);

② 在接线图上标出相电势和线电势的假定正方向;

③ 画出高压绕组电势相量图,根据单相变压器判断同一相的相电势方法,将A、a重合,再画出低压绕组的电势相量图(画相量图时应注意三相量按顺相序画);

④ 根据高、低压绕组线电势相位差,确定连接组别的标号。

Y,y连接的三相变压器,共有Yy0、Yy4、Yy8、Yy6、Yy10、Yy2六种连接组别,标号为偶数;Y,d连接的三相变压器,共有Yd1、Yd5、Yd9、Yd7、Yd11、Yd3六种连接组别,标号为奇数。为了避免制造和使用上的混乱,国家标准对三相双绕组电力变压器规定只有Yyn0、Yd11、YNd11、YNy0和Yy0五种。

Yyn0组别的三相电力变压器用于三相四线制配电系统中,供电给动力和照明的混合负载。

Yd11组别的三相电力变压器用于低压高于0.4kV的线路中。

YNd11组别的三相电力变压器用于110kV以上的中性点需接地的高压线路中。

YNy0组别的三相电力变压器用于原边需接地的系统中。

Yy0组别的三相电力变压器用于供电给三相动力负载的线路中。图2.12 三相变压器Y,d连接2.1.4 其他用途变压器

1.自耦变压器

普通变压器的原、副绕组之间只有磁的联系,而没有电的联系。自耦变压器的特点在于原、副绕组之间不仅有磁的联系,而且还有电的直接联系,副绕组是原绕组的一部分,如图2.13所示。图2.13 自耦变压器

自耦变压器各物理量正方向的规定与普通双绕组变压器相同。把既作原绕组又作副绕组的那一部分称为公共部分;把仅作原绕组的那一部分称为串联部分。如果忽略漏抗压降,则与普通双绕组变压器一样,原、副绕组电压之比和电流之比也是:

实际上,自耦变压器就是利用一个绕组抽头的办法来实现改变电压的一种变压器。在相同的额定容量下,自耦变压器的外形尺寸小,重量轻,效率高,并便于运输和安装。但应注意,由于自耦变压器原、副边之间存在电的直接联系,故当原边有过电压时,会引起副边产生严重的过电压。

2.电流互感器与电压互感器

电流互感器和电压互感器统称为仪用交流互感器,它们被广泛地应用于电力系统和自动控制系统中,用于获得测量信号、保护信号和反馈信号。(1)电流互感器

当测量高电压线路中的电流或测量大电流时,如果直接使用仪表进行测量,不但对工作人员很不安全,并且由于测量仪表的绝缘需要大大加强,从而给仪表的制造带来很多困难,因此不宜把仪表直接接入电路进行测量,通常的做法是用一台升压变压器,即电流互感器,将高压线路隔开,或把大电流变小,再用电流表进行测量。

电流互感器的接线图如图2.14所示。通常,原绕组由一匝或几匝粗导线组成,串联在被测电路中。副绕组匝数较多,导线较细,所接负载为电流表或瓦特表的电流线圈。由于负载阻抗很小,因此电流互感器相当于短路运行的升压变压器。如果忽略励磁电流,由磁势平衡关系可得:图2.14 电流互感器

于是,利用原、副绕组不同的匝数关系,可将线路上的大电流变为小电流来进行测量。然而,由于互感器内总要有一定的励磁电流,因此所测量出来的电流总会有一定的误差,按照误差的大小,分为0.2、0.5、1.0、3.0和10.0五个标准等级。例如,1.0级电流互感器表示额定电流时的误差不超过±1%。电流互感器的原边额定电流的范围为5~25 000A,副边额定电流均为5A。

为了安全起见,在使用电流互感器时,其副绕组必须牢固接地,以防止由于绝缘损坏后,原边的高电压传到副边,发生人身事故。另外,电流互感器的副绕组绝对不允许开路,这是因为副边开路时,互感器成为空载运行,此时,原边被测线路电流成为励磁电流,使铁芯内的磁密比额定情况增加许多倍,这一方面将使副边感应出很高的电压,可能使绝缘击穿,同时对测量人员也很危险;另一方面,由于铁芯内磁密增大以后,引起铁损耗大大增加,使铁芯过热,这不仅影响互感器的性能,甚至烧坏互感器。(2)电压互感器

电压互感器的工作原理与普通双绕组变压器相同。电压互感器的原边接在被测高压上,副边接电压表或瓦特表的电压线圈。由于电压线圈的阻抗都很大,因此电压互感器实质上是空载运行的降压变压器。电压互感器的原理接线图,如图2.15所示。图2.15 电压互感器

如果忽略漏阻抗压降,则有:

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