《电机与变压器》教案.doc

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《电机与变压器》第四版教材教案

XX市XX学校XX教研室

使用班级XX级X班XXX教室

绪论

一电机在电能产生、传输、转换中的作用

电能在产生、传输、使用上拥有诸多的优势，这个过程中，电机起了关键性的作用。

电动机的作用是将电能转换为机械能。

现代各种生产机械都广泛应用电动机来驱动。

二、电能的产生

发电机：

其他形式的能转化为电能

⑴火力发电：

燃料的化学能→水和水蒸气的内能

→发电机转子的机械能→电能

⑵水力发电：

水的机械能→水轮机的机械能

→发电机转子的机械能→电能

⑶核能发电：

核能→水和蒸汽的内能

→发电机转子的机械能→电能

三、变压器在电能的传输中的作用

1.减小输电线电阻的方法来提高电能的传输效率，有色金属消耗大，安全系数低。

2.提高输电电压，有色金属消耗小，输电成本较低，安全系数高，故广泛使用。

四、电动机在电能的使用上的优点

三相异步电动机具有高效、节能、性能好、振动小、噪音低、寿命长、可靠性高、维护方便、启动转矩大等优点。

五、电机发展概况

蒸汽机启动了18世纪第一次产业革命以后,19世纪末到20世纪上半叶电机又引发了第二次产业革命,使人类进入了电气化时代。

20世纪下半叶的信息技术引发了第三次产业革命。

发展趋势：

高密度、高效率、轻量化、低成本、宽调速。

第一单元变压器的分类、结构和原理

教学目的与要求：

熟悉变压器的分类、结构、用途。

掌握变压器工作原理，理解变压器空载试验和短路试验的目的、方法。

教学重点：

变压器结构、原理、阻抗变换、外特性、损耗与效率。

教学难点：

变压器原理分析、电压方程式、效率分析。

教学内容与步骤：

课题一变压器的分类和用途

变压器是一种能够改变交流电压的设备。

除了用于改变电压之外，变压器还用于变换交流电流、变换阻抗以及相位等。

变压器的种类很多，分类方法也很多。

电压在35kv及以下，容量在5～500kVA称为小型变压器，630～6300kVA称为中型变压器。

2.大型变压器。

电压在110kV及以下，容量为8000～63000kVA的变压器。

3.特大型变压器。

电压在220kV及以上，容量为3150kVA及以上的变压器。

按用途可以把变压器分为

1.电力变压器：

（1）升压变压器

（2）降压变压器（3）配电变压器（4）联络变压器。

（5）厂用或所用变压器。

2.仪用变压器。

诸如电流互感器、电压互感器，作为测量和保护装置。

3.电炉变压器。

特点是输出电压低，限制短路状态下的工作电流。

4.试验变压器。

特点是输出电压很高，可以高达100万伏，而电流很小，用于电气设备和绝缘材料的工频耐压试验。

5.整流变压器。

一次侧输入交流，二次侧输出直流。

用于需要直流电源的情况。

6.调压变压器。

有自耦式调压变压器、感应式调压变压器和移圈式调压变压器等。

7.矿用变压器（防爆变压器）。

8.其他变压器。

按相数可以把变压器分为1.单相变压器。

用于单相负载或三相变压器组。

2.三相变压器。

用于三相负载。

课题二变压器的结构与冷却方式

一、变压器的结构

变压器油箱分接开关绝缘套管测温装置气体继电器（瓦斯继电器）

1、变压器绕组（线圈）：

绕组是变压器的电路部分，用绝缘铜线或铝线绕制而成。

绕组的作用是电流的载体，产生磁通和感应电动势。

　高压绕组：

工作电压高的绕组；低压绕组：

工作电压低的绕组。

绕组有同心式和交叠式。

　同心式绕组：

高低压绕组在同一芯柱上同芯排列，低压绕组在里，高压绕组在外，便于与铁芯绝缘，结构较简单。

交叠式绕组：

高低压绕组分成若干部分形似饼状的线圈，沿芯柱高度交错套装在芯柱上。

2、变压器铁心：

　1）变压器铁心材料铁心是变压器磁路的主体，变压器铁心分为铁心柱和铁轭，铁心柱上套装绕组，铁轭的作用是使磁路闭合。

为减少铁心内的磁滞损耗和涡流损耗，提高铁心导磁能力，铁心采用含硅量约为5%，厚度为0.35mm或0.5mm，两面涂绝缘漆或氧化处理的硅钢片叠装而成。

　2）变压器铁心结构变压器铁心分为心式结构和壳式结构。

（1）心式变压器：

心式变压器的原、副绕组套装在铁心的两个铁心柱上，如下图所示。

结构简单，电力变压器均采用心式结构。

（2）壳式变压器：

壳式变压器的铁心包围绕组的上下和侧面。

制造复杂，小型干式变压器多采用。

二、变压器的冷却方式

变压器的ONAN冷却方式为内部油自然对流冷却方式，即通常所说的油浸自冷式。

变压器的冷却方式是由冷却介质和循环方式决定的;由于油浸变压器还分为油箱内部冷却方式和油箱外部冷却方式，因此油浸变压器的冷却方式是由四个字母代号表示的。

第一个字母：

与绕组接触的冷却介质。

O--------矿物油或燃点大于300℃的绝缘液体;K--------燃点大于300℃的绝缘液体;

L--------燃点不可测出的绝缘液体;

第二个字母：

内部冷却介质的循环方式。

N--------流经冷却设备和绕组内部的油流是自然的热对流循环;F--------冷却设备中的油流是强迫循环，流经绕组内部的油流是热对流循环;D--------冷却设备中的油流是强迫循环.

第三个字母：

外部冷却介质。

A--------空气;W--------水;

第四个字母：

外部冷却介质的循环方式。

N--------自然对流;F--------强迫循环.

1、油浸自冷式就是以油的自然对流作用将热量带到油箱壁和散热管，然后依靠空气的对流传导将热量散发，它没有特制的冷却设备。

2、油浸风冷式是在油浸自冷式的基础上，在油箱壁或散热管上加装风扇，利用吹风机帮助冷却。

加装风冷后可使变压器的容量增加30%～35%。

3、强迫油循环冷却方式，又分强油风冷和强油水冷两种。

它是把变压器中的油，利用油泵打入油冷却器后再复回油箱。

油冷却器做成容易散热的特殊形状，利用风扇吹风或循环水作冷却介质，把热量带走。

这种方式若把油的循环速度比自然对流时提高3倍，则变压器可增加容量30%。

三、变压器的主要附件

1.气体继电器（瓦斯继电器）：

装在变压器的油箱和储油柜间的管道中，主要保护装置。

内部有一个带有水银开关的浮筒和一块能带动水银开关的挡板。

当变压器发生故障，产生的气体聚集在气体继电器上部，油面下降，浮筒下沉，接通水银开关而发出信号；当变压器发生严重故障，油流冲破挡板，挡板偏转时带动一套机构使另一水银开关接通，发出信号并跳闸。

2.分接开关：

在电力系统，为了使变压器的输出电压控制在允许变化的范围内，变压器的原边绕组匝数要求在一定范围内调节，因而原绕组一般备有抽头，称为分接头。

利用开关与不同接头连接，可改变原绕组的匝数，达到调节电压的目的。

分接开关分为有载调压分接开关和无载调压分接开关。

3.绝缘套管：

装在变压器的油箱盖上作用是把线圈引线端头从油箱中引出，并使引线与油箱绝缘。

电压低于1KV采用瓷质绝缘套管，电压在10-35KV采用充气或充油套管，电压高于110KV采用电容式套管。

4.安全气道（防爆管）：

装在油箱顶盖上，保护设备，防止出现故障时损坏油箱。

当变压器发生故障而产生大量气体时，油箱内的压强增大，气体和油将冲破防爆膜向外喷出，避免油箱爆裂。

5.测温装置：

　　监测变压器的油面温度。

小型的油浸式变压器用水银温度计，较大的变压器用压力式温度计。

课题三变压器的原理

变压器空载运行指变压器一次绕组接额定频率、额定电压的交流电源，二次绕组开路的运行状态。

一、变压器的空载运行

1.理想变压器的空载运行

空载电流还建立空载磁动势产生交变的磁通;铁心磁导率远大于空气磁导率，绝大部分磁通沿铁心闭合，同时交链一、二次绕组，称为主磁通Φ。

另外有很少一部分磁通只交链一次绕组，主要沿非铁磁材料闭合，称为一次绕组的漏磁通

空载运行时，一次绕组所接电源为额定频率、额定电压的正弦交流电，根据电磁感应定律，一次绕组的感应电动势为变压器的基本原理是电磁感应原理，现以单相双绕组变压器为例说明其基本工作原理:

当一次侧绕组上加上电压Ú1时，流过电流Í1，在铁芯中就产生交变磁通Ø1，这些磁通称为主磁通，在它作用下，两侧绕组分别感应电势É1，É2，感应电势式E=4.44fNØm

式中：

E--感应电势有效值f--频率N--匝数Øm--主磁通最大值.不计一次、二次绕组的电阻和铁耗，其间耦合系数K=1的变压器称之为理想变压器描述理想变压器的电动势平衡方程式为e1（t）=-N1dφ/dte2（t）=-N2dφ/dt若一次、二次绕组的电压、电动势的瞬时值均按正弦规律变化，则有不计铁心损失，根据能量守恒原理可得由此得出一次、二次绕组电压和电流有效值的关系K=N1/N2，称为匝比（亦称电压比）。

2.实际变压器的空载运行

空载运行时，空载电流i0产生励磁磁势F0，F0建立主磁通Φ，而交变磁通在原绕组内感应电势e1，单独产生磁通的电流为磁化电流i0w，i0w与电势E1之间的夹角是90°，故i0w是一个纯粹的无功电流。

铁心中的磁通不变，一定存在损耗，为了供给损耗，励磁电流中除了用来产生磁通的无功电流外，还应包括一个有功电流i0r，即im=i0w+i0r，其向量关系如图。

-E1=imRm+jimXm=imZm，Xm是主磁通Φ引起的电抗，为励磁电抗。

二、变压器的负载运行

1.磁动势平衡方程

I1*N1=I2*N2安匝相等，电流与匝数的乘积就是磁动势。

推论：

I1/I2=N2/N1电流比等于匝数反比。

2.电压方程式

3.阻抗变换

Z1=U1/I1Z2=U2/I2UI/U2=N1/N2=K（变比）

Z1=K*K*Z2

例题1-1：

收音机输出变压器N1=230匝；N2=80匝，原配阻抗8欧姆扬声器，现改为4欧姆，问N2改为多少？

Z1=K*K*Z2=（230/80）*（230/80）*8=66.13ohmK1=66.13/4开平方=4.07N2=230/4.07=57匝。

4.变压器的外特性

变压器空载运行时，若一次绕组电压U1不变，则二次绕组电压U2也是不变的。

变压器加上负载之后，随着负载电流I2的增加，I2在二次绕组内部的阻抗压降也会增加，使二次绕组输出的电压U2随之发生变化。

另一方面，由于一次绕组电流I1随U2增加，因此I2增加时，使一次绕组漏阻抗上的压降也增加，一次绕组电动势E1和二次绕组电动势E2也会有所下降，这也会影响二次绕组的输出电压U2。

变压器的外特性是用来描述输出电压U2随负载电流I2的变化而变化的情况。

5.电压调整率

一般情况下，变压器的负载大多数是感性负载，因而当负载增加时，输出电压U2总是下降的，其下降的程度常用电压变化率来描述。

当变压器从空载到额定负载（I2=I2N）运行时，二次绕组输出电压的变化值ΔU与空载电压U2N之比的百分值就称为变压器的电压变化率，用ΔU％来表示。

ΔU％=（U2n-U2）/U2n*100%=ΔU/U2n*100%

电压变化率反映了供电电压的稳定性，是变压器的一个重要性能指标。

ΔU％越小，说明变压器二次绕组输出的电压越稳定，因此要求变压器的ΔU％越小越好。

常用的电力变压器从空载到满载，电压变化率约为3％～5％。

6.变压器的损耗及效率

变压器从电源输入的有功功率P1和向负载输出的有功功率P2可分别用下式计算

P1=U1I1COSφ1P2=U2I2COSφ2两者之差为变压器的损耗ΔP，它包括铜损耗PC铁铁损耗PFe两部分ΔP=PCu+PFe

1．铁损耗PFe变压器的铁损耗包括基本铁损耗和附加铁损耗两部分。

基本铁损耗包括铁心中的磁滞损耗和涡流损耗，它决定于铁心中的磁通密度的大小、磁通交变的频率和硅钢片的质量等。

附加损耗则包括铁心叠片间因绝缘损伤而产生的局部涡流损耗、主磁通在变压器铁心以外的结构部件中引起的涡流损耗等，附加损耗约为基本损耗的15％～20％左右。

变压器的铁损耗与一次绕组上所加的电源电压大小有关，而与负载电流的大小无关。

当电源电压一定时，铁心中的磁通基本不变，故铁损耗也就基本不变，因此铁损耗又称“不变损耗”。

2．铜损耗PCu变压器的铜损耗也分为基本铜损耗和附加铜损耗两部分。

基本铜损耗是由电流在一次、二次绕组电阻上产生的损耗，而附加铜损耗是指由漏磁通产生的集肤效应使电流在导体内分布不均匀而产生的额外损耗。

附加铜损耗约占基本铜损耗的3％～20％。

在变压器中铜损耗与负载电流的平方成正比，所以铜损耗又称为“可变损耗”

3．效率变压器的输出功率P2与输入功率P1之比称为变压器的效率η，即

η=P2/P1*100%

课题四变压器的空载试验与短路试验

一、单相变压器的空载试验

1.实验目的学习并掌握单相变压器参数的试验测定方法。

2.试验器材单相变压器交流电压表调压器电能表熔断器自动空气开关

3.试验线路图p21图1—18

4.试验内容和步骤

二、单相变压器的短路试验

1.实验目的测量变压器的空载损耗和空载电流；验证变压器铁心的设计计算、工艺制造是否满足技术条件和标准的要求；检查变压器铁心是否存在缺陷，局部过热，局部绝缘不良等。

5.2.试验器材单相变压器交流电压表调压器电能表熔断器自动空气开关

3.试验线路图p22图1—19

4.试验内容和步骤

三、试验应注意事项

 1、 试验电压一般应为额定频率、正弦波形，并使用一定准确等级的仪表和互感器。

如果施加电压的线圈有分接，则应在额定分接位置。

 2、试验中所有接入系统的一次设备都要按要求试验合格，设备外壳和二次回路应可靠接地，与试验有关的保护应投入，保护的动作电流与时间要进行校核。

 3、联结短路用的导线必须有足够的截面，并尽可能的短，连接处接触良好。

第二单元变压器绕组的极性测定与连接

教学目的与要求：

掌握变压器的极性判断、测量方法，正确连接组别。

教学重点：

极性判断三相绕组的首尾端判别组别连接。

教学难点：

5种常用的连接组接线、适用场合。

教学内容与步骤：

课题一单相变压器绕组的极性

一、极性的意义

1.直流电源的极性

2.在直流电路中，电源有正负极之分。

“+”表示正极性高电位，“-”表示负极性低电位。

直流电源的极性是恒定不变的。

3.交流电源的极性交流电每经过半个周期正负极变化一次。

因此交流电源只存在瞬时极性，电位的高低是暂时的，可变的。

4.单相变压器的极性

变压器绕组的极性是指变压器一、二次绕组在同一磁通的作用下所产生的感应电动势之间的相位关系。

变压器在运行时，它的一、二次绕组都是被同一个磁通所联系。

在这个磁通的作用下，一、二次绕组中同时产生感应电动势，感应电动势的大小和方向虽然在不断变化着，但在同一瞬间是一定的。

即一次绕组某一端子出现正极性时，二次绕组某一端子也出现正极性，而与其对应的另一端子必然出现负极性。

我们把各个绕组瞬时极性相同的端子称为同极性端或同名端。

常用黑点“·”或星号“”来标明。

5.绕组的连接和极性的重要性

（1）绕组的串联

分为正向串联和反向串联，正向串联时（两线圈异名端相接）电动势越串越大，

反向串联时（两线圈同名端相接）电动势越串越小。

正向串联E=E1+E2反向串联E=E1-E2

（2）绕组的并联

绕组并联时同名端接同名端，异名端接异名端，要求电压相等，不等则产生环流。

谓之为顺并。

反并无论电压是否相等都产生短路电流，因此不容许。

二、变压器绕组的极性测定

1、直流法：

   如图L1L2线圈接在低压电池上，开关K闭合瞬间，在绕组L1L2、K1K2分别产生电动势e1和e2。

若电压表正偏，说明e1和e2同方向，这时L1与K1、L2与K2为同极性端；

若电压表反偏，说明e1和e2反方向，这时L1与K2、L2与K1为同极性端。

因为当电流刚流进L1端时，L1端的感应电动势为正，而电压表正偏，说明K1端此时也为正。

2、交流法

将电流互感器一、二次线圈的L2和二次侧K2用导线连接起来，在二次侧通以1～5V的交流电压（用小量程），用10V以下的电压表测量U2及U3的数值若U3=U1-U2，则L1与K1、L2与K2同极性端。