2010注评备考 机电设备随章讲义：电机及电力拖动

王销纱

电机是根据电磁原理实现电能和机械能相互转换或电能特性变换的机械。

发电机和变压器在电能生产、传输和分配过程中起着重要的作用。在电能远距离传输前，升压变压器把大型发电机发出的低电压交流电转换成高电压的交流电；而在供给用户使用前，来自高压输电网的电能须经降压变压器降压，这样才能达到安全使用的目的。
第一节　变压器
一、变压器的用途和分类
变压器是一种能够改变交流电压的设备。除了用于变换电压之外，变压器还用于变换交流电流、变换阻抗以及改变相位等。
变压器的种类很多，分类方法也很多。
（一）按容量可以把变压器分为　　
按照容量分类        电压（kV）        容量（kVA）
中小型        小型        ≤35        5～500
        中型                630～6300
大型        ≤110        8000～63000
特大型        ≥ 220        ≥3150
　　（二）按用途可以把变压器分为
1.电力变压器。包括：
（1）升压变压器。
（2）降压变压器。
（3）配电变压器。用于配电网络，以满足生产和日常生活的要求。低压侧电压为400V（单相为230V）的变压器称为配电变压器，一般高压侧电压为6～10 kV。如果变压器高压侧电压为35 kV（或66～110 kV）的，则称为直配配电变压器，简称直配变。
（4）联络变压器。用于联络两变电所系统。
（5）厂用或所用变压器。发电厂或变电所自用或为厂矿企业专用。
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。有炼钢炉变压器、电石炉变压器、感应炉变压器。
4.试验变压器。
5.整流变压器。
6.调压变压器。
7.矿用变压器（防爆变压器）。
8.其他变压器。
（三）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。
【例题1•多选题】下列变压器中，（ ）归属于电力变压器。
A.升压变压器
B.调压变压器
C.降压变压器
D.配电变压器
E.接地变压器
答案：ACD
二、变压器的工作原理
1
与电源相联的绕组称为一次绕组（原绕组、初级绕组），匝数为 N1；
与负载相联的绕组称为二次绕组（副绕组、次级绕组），匝数为 N2 。


2
当一次绕组与交流电源接通而二次绕组未接负载时，变压器处于空载状态。这时一次绕组在电源电压作用下，有交变电流通过，此电流为空载电流。
空载时，一、二次绕组电压有效值之比存在以下关系：

空载时，一二次绕组电压有效值之比等于相应的匝数之比。
3
当变压器带载时，一、二次绕组中电流的有效值与匝数存在以下的关系：

即，带载时变压器一、二次绕组电流比近似为其匝数比的倒数。
K > 1 为降压变压器；
K 4.直接起动控制线路
（1）中、小容量三相异步电动机的直接起动控制线路，其中用了组合开关QC、交流接触器KM、按钮SB、热继电器KR及熔断器FU等几种电器。
在以上电器中，原来就接通的触头称之为常闭触头；原来就断开的触头称之为常开触头。
（2）先将组合开关QC闭合，为电动机起动作好准备。当按下起动按钮SB1时，交流接触器KM的线圈通电，动铁芯被吸合，使三个主触头闭合，电动机M起动。当松开SB1时，交流接触器本应在弹簧作用下恢复其断开位置，但由于与起动按钮并联的辅助触头和主触头同时闭合，因此接触器线圈的电路仍然接通而使接触器触头保持在闭合位置。这个辅助触头称为自锁触头。
如将停止按钮SB2按下，则将线圈的电路切断，动铁芯和触头恢复到断开的位置。
（3）绘制原理图时注意事项：将控制电路和主电路分开。各种电器使用统一的符号。同一电器的各个部件是分散的，但使用同一文字符号表示；而且它们的动作是关联的。

（4）所有电器的触头均以起始位置表示。在起始情况下，如果触头是断开的，则称为常开触头或动合触头（因为一动就合）；如果触头是闭合的，则称为常闭触头或动断触头（因为一动就断）。
（5）上述控制电路可实现短路保护作用、过载保护作用和零电压保护等多重保护。
①熔断器FU起短路保护作用。一旦发生短路事故，熔丝立即熔断，电动机立即停车。
② 热继电器KR起过载保护作用。过载时，它的热元件发热，常闭触头断开，使接触器线圈断电，主触头断开，电动机也就停下来。为了可靠地保护电动机，应至少用两个热元件，分别串接在任意两相中。这样不仅在电动机过载时起保护作用，而且当任意一相的熔丝熔断后作单相运行时，仍有一个或两个热元件中通有电流而使电动机得到保护。
③ 过零保护作用就是当电源暂时停电时，电动机即自动从电源切除。因为这时接触器线圈中的电流消失，动铁芯释放而使主触头和辅助触头同时断开。当电源电压恢复后，若不重新按起动按钮，则电动机不能自行起动，因为自锁触头已经断开。如果不是采用继电接触器控制，而是直接用刀开关或组合开关进行手动控制，那么停电时未及时拉开开关，当电源电压恢复时，电动机即自行起动而可能造成事故。
（6）以上的控制电路分为主电路和控制电路两部分。
主电路是：
三相电源
—— QC（组合开关）
—— FU（熔断器）
—— KM（交流接触器主触头）
—— KR（热继电器）
—— 电动机
控制电路是：
电源线1 —— SB1
―― KM（交流接触器辅助触头）
—— KM（线圈）
—— KR（热继电器常闭触头）
—— 电源线2
【例题10·单选题】下列电器中，只有（）可以起过载保护作用。
A.交流接触器
B.时间继电器
C.熔断器
D.热继电器
答案：D
【综四】（12分）题图所示为三相异步电动机控制原理图
（1）试说明SB、QC、FU、KM、KR所代表电器的名称及在电路中的作用；
（2）试叙述电动机起动、停止的控制过程。
答案：
（1）SB是按钮，在控制电路中使用，通过较小的电流；QC是组合开关，在主电路中应用，直接把外接电源和电动机连接起来；FU是熔断器，起短路保护作用；KM是交流接触器，分别控制主触头和辅助触头应产生的相应的动作；KR是热继电器，起过载保护作用。
（2）起动过程是首先闭合组合开关QC，按下按钮SB1，主触头KM动作闭合，电动机进入运转，松开按钮，由于KM的辅助触头仍然处在闭合状态，所以电动机继续转动。如果要电动机停止转动，只要按下按钮SB2，则控制电路断开，交流接触器KM的绕组停电，于是主触头KM断开，辅助触头KM也断开，电动机就从主电路中切除，停止转动。
（二）鼠笼式异步电动机的降压起动
1、降压起动是利用起动设备，在起动时降低加在定子绕组上的电压，待起动过程结束，再给定子绕组加上全电压（正常工作的额定电压）。降压起动只适合于空载或轻载起动，负载不大的情况。选择起动方法时，要同时校核起动电流和起动转矩是否满足要求。
2、鼠笼式降压起动方式中经常采用的两种方式，即星形—三角形（Y—△）起动和自耦变压器降压起动。
1）星形—三角形（Y—△）起动。
①如果电动机在工作时其定子绕组是联接成三角形的，那么在起动时可把它联成星形，等到转速接近额定值时再换接成三角形。
②下图表示定子绕组的两种联接法，Z为起动时每相的等效阻抗。
IlY、Il△分别为星形、三角形接法的线电流
IΦy、IΦ△分别为星形、三角形接法的相电流。
Ul为线电压。
星形连接：
相电流等于线电流
但相电压不等于线电压。
三角形连接：
相电压等于线电压
但相电流不等于线电流。

即Y—△降压起动时，起动时的线电流为正常运转时的线电流的1/3。
另外，起动时定子每相绕组上的电压降到正常运转电压的 。由于转矩与电压的平方成正比，所以起动转矩也减小到正常运转转矩的1/3。
③在Y—△起动过程中，Y联接需要持续一定时间才能换接成△联接，这就得用时间继电器来控制。
在交流电路中，常采用的空气式时间继电器，它是利用空气阻尼作用来实现动作延时的。延时时间即为自电磁铁吸引线圈通电时刻起至微动开关动作时为止的这段时间。通过调节螺钉10，调节进气孔的大小就可调节延时时间。

空气式时间继电器结构简单，但准确度较低。延时范围有0.4～60秒和0.4～180秒两种。
KM1、KM2、KM3是三个交流触器。起动时KM3工作（KM2不工作），电动机接成Y形；运行时KM2工作（KM3不工作），电动机接成△形。

④线路的动作次序如下：
⑤本线路的特点是在接触器KM1断电，也就是电动机主电路断开的情况下进行Y—△换接，这样就可以避免当KM3的常开触头还未断开时KM2已吸合而造成电源短路；另外，接触器KM3的常开触头在无电情况下断开，这就避免电弧的发生，延长其使用寿命。
⑥由于起动转矩减小到正常运转转矩的1/3。所以，Y—△起动方法只适用于空载或轻载情况下起动；而且Y—△启动只能用于正常运行时定子绕组接成△的情况。
2）自耦变压器降压起动。
④这种起动方法用于正常运行时定子绕组接成星形而不能采用星形一三角形起动或容量较大的鼠笼式异步电动机，也适用于需要较大起动转矩的场合。
⑤起动时自耦变压器高压端接电源，低压端接电动机，电动机便在低于额定电压下起动。待电动机转速上升到接近额定转速时，再将自耦变压器脱离电源和电动机，电动机直接与电源相接，进入全压运行。
⑥自耦变压器降压器降压起动比星形一三角形起动的价格高得多，但自耦变压器有三个接头，其输出电压80%、60%、40%，可根据需要选用，使用较灵活。
3.电阻（电抗）降压起动。
利用在电动机定子回路串接电阻来降低定子绕组电压，以达到限制起动电流的目的。一旦起动完毕，串接电阻即被短接，电动机进入全电压正常运行。
[综五]（2008年考题）
问题：
1.试述三相异步电动机旋转的必要条件，以及三相异步电动机和直流电动机应用的场合。
2.如图所示为一台三相异步电动机降压起动控制线路，试说明该起动为何种降压起动，并写出起动过程。
答案：
1.答案略；
2.鼠笼式降压起动的第三种方法，串接电阻降压起动，起动过程是，合上组合开关QC，按下起动按钮SB1,KM1线圈通电，其三个主触头和辅助触头闭合，时间继电器线圈KT通电，但最下面的时间继电器，需要延时一段时间后才闭合，所以KM2线圈没电，其三个主触头断开，所以在起动的时候，电阻就串接到定子绕组中，实现了降压起动，当时间继电器延时时间到了后，常开延时闭合的触头闭合，KM2线圈得电，其三个主触头闭合，将定子回路的电阻短路，电机进入全电压运行状态。
（三）绕线式三相异步电动机的起动
1.转子回路串接电阻起动。
绕线式三相异步电动机可以在转子回路中串入电阻进行起动，这样就减小了起动电流。一般采用起动变阻器起动，起动时全部电阻串入转子电路中，随着电动机转速逐渐加快，利用控制器逐级切除起动电阻，最后将全部起动电阻从转子电路中切除。
2.转子回路串接频敏变阻器起动。
频敏变阻器的电阻随线圈中所通过的电流频率而变。起动时，转差率S=1，转子电流（即频敏电阻线圈通过的电流）频率最高，等于电源频率。因此，频敏变阻器的电阻最大，这就相当于起动时在转子回路中串接一个较大电阻，从而使起动电流减小。随着电动机转速的加快，转差率 S逐渐减小，转子电流频率逐渐降低，频敏变阻器电阻也逐渐减小，最后把电动机的转子绕组短接，频敏变阻器从转子电路中切除。
采用频敏变阻器起动，具有起动平滑、操作简便、运行可靠、成本低廉等优点，因此在绕线式电动机中应用较广。

六、三相异步电动机的正反转控制
三相异步电动机的旋转方向与旋转磁场的旋转方向一致，而旋转磁场的旋转方向取决于三相电流的相序。因此，要改变电动机的旋转方向，必须改变三相交流电的相序。实际上，只要将接到电源的任意二根联线对调即可。
三相异步电动机的正、反转方法：任意调换电源的两根进线，电动机反转。

为此，只要用两个交流接触器就能满足这一要求，当正转接触器KM1工作时，电动机正转；
当反转接KM2工作时，由于调换了两根电源线，所以电动机反转。
如果两个接触器同时工作，那么将有两根电源线通过它们的主触头而使电源短路。所以对正反转控制线路最根本的要求是：必须保证两个接触器不能同时工作。这种在同一时间里两个接触器只允许一个工作的控制作用称为联锁或互锁。
在图（a）所示的控制电路中，正转接触器KM1的一个常闭辅助触头串接在反转接触器KM2的线圈电路中，而反转接触器的一个常闭辅助触头串接在正转接触器的线圈电路中。这两个常闭触头称为联锁触头。这样一来，当按下正转起动按钮SB1时，正转接触器线圈通电，主触头KM1闭合，电动机正转。与此同时，联锁触头断开了反转接触器KM2的线圈电路。因此，即使误按反转起动按钮SB2，反转接触器也不能动作。
但是这种控制电路有个缺点，就是在正转过程中要求反转，必须先按停止按钮SB3，让联锁触头KM1闭合后，才能按反转起动按钮使电动机反转。这给操作带来不便。
为了解决这一问题，在生产中常采用复式按钮和触头联锁的控制电路。
在图（b）中，当电动机正转时，按下反转起动按钮SB2，它的常闭触头断开，使正转接触器线圈KM1断电，主触头KM1断开。与此同时，串接在反转控制电路中的常闭触头KM1恢复闭合，反转接触器线圈KM2通电并自锁，电动机便反转。同时，串接在正转控制电路中的常闭触头KM2断开，起联锁保护作用。
七、三相异步电动机的调速
在生产中，有时要求异步电动机在不改变负载的情况下转速能够调节，称为异步电动机的调速。
根据公式可得：
由上式可知，改变电动机的转速有三种方案，即改变电源频率f、改变绕组的磁极对数P以及改变转差率S。
改变磁极对数调速，实际上是改变定子绕组的连接方法。电动机制造厂专门设计便于改接的定子绕组，制造出多速电动机。
改变转差率S的调速方法，只能在绕线式转子电动机中使用，在其转子电路中串入附加电阻，便可改变转差率。
改变电源频率调速，调速范围宽。具体方法有：
1.变频机组。变频机组作为一种变频电源，由一台直流电动机和一台交流发电机组成，用电动机拖动交流发电机发电，通过调节直流电动机的转速来改变交流发电机发电的频率，再把此可调频率的电流送给需调速的异步电动机，就可调节该异步电动机的转速。
2.交一直一交变频。交—直—交变频装置也是一种变频电源，它先将交流电通过整流电路变为直流电，再把此直流电送入逆变器变为频率可调的交流电，作为异步电动机变频调速的电源。
3.交一交变频。交一交变频，就是直接把50Hz交流电变为频率可调的交流电。
第三节　直流电动机及其电力拖动运行
直流电动机是将直流电能转换为机械能的设备。它的优点是具有良好的调速性能和较大的起动转矩，因而广泛地应用于要求调速性能较高和较大起动转矩的生产机械。但直流电动机的制造工艺复杂，生产成本较高，维护较困难，可靠性较差。
一、直流电动机是如何工作的
直流电动机由定子和转子组成。定子的作用是在励磁绕组中通入直流电流励磁而产生磁场；转子的作用是通电后产生电磁转矩。
直流电源通电导线在磁场中会受到电磁力作用，其方向由左手定则确定。
备注：这个图在教材中是图3-28。
二、直流电动机的构造
直流电动机主要由静止的定子和旋转的转子组成。
定子由主磁极、换向极、电刷装置和机座等组成。
转子由转子铁芯、转子绕组、换向器、轴和风扇等组成。
备注：这个图在教材中是图3-29。
（一）定子
1.主磁极。主磁极的作用是产生主磁场。
2.机座。机座是各磁极间磁的通路，同时也是电机的机械支架。
3.换向极。两个相邻磁极间的小磁极叫做换向极，它的作用是用来产生附加磁场，用以减弱换向片与电刷之间的火花，避免烧蚀。
（二）转子
1.转子铁芯。转子铁芯有两个作用：一是用来安放转子绕组；二是作为电动机磁路的一部分。
2.转子绕组。转子绕组的主要作用是产生感应电动势并通过电流，使电动机实现机、电能量转换。
3.换向器。在转子轴的一端装有换向器，换向器由许多铜片组成，片与片之间用云母绝缘。
【例题11·单选题】直流电动机的定子不包括（）。
A.磁极
B.电刷装置
C.绕组
D.换向器
答案：D
【例题12·单选题】定、转子绕组都为三相绕组的电动机是（）。
A.鼠笼式三相异步电动机
B.绕线式三相异步电动机
C.直流他励电动机
D.同步电动机
答案：B
三、直流电动机的励磁方式
（一）直流他励电动机
在这种电动机中，励磁绕组与转子绕组没有电的联系，励磁电流是由另外的直流电源（如蓄电池组）供给的。
（二）直流并励电动机
在这种电动机中，励磁绕组与转子绕组并联。并励绕组两端电压就是转子绕组两端电压，其值较高，但励磁绕组用细导线制成，其匝数绕得很多，因此具有较大的电阻，使通过它的励磁电流较小。
（三）直流串励电动机
在这种电动机中，励磁绕组与转子绕阻串联。为使励磁绕组不引起过大的损耗和电压降，励磁绕组的电阻越小越好，所以串励绕组通常用较粗的导线绕制，其匝数也较少。
（四）直流复励电动机
在这种电动机中有两个励磁绕组，一个与转子绕组并联，称为并励绕组；另一个与转子绕组串联，称为串励绕组。电动机中的磁通由这两个绕组内的励磁电流共同产生。
四、直流电动机的主要技术数据及主要系列
额定运行：直流电动机按铭牌上标明的数据运行。
过载运行：电动机在超过额定容量情况下运行。
轻载：电动机在小于额定容量情况下运行。
在直流电动机的铭牌上，标明的主要技术数据有下列几项：
（一）额定功率PN
额定功率是指电动机轴上输出的机械功率，它等于电动机额定电压UN与额定电流IN的乘积，再乘以电动机的额定效率ηN,，即PN=UN·IN·ηN，单位是W或kW。
（二）额定电压UN
额定电压是指在额定运行情况下，加在电动机上的输入电压，单位为V。
（三）额定电流IN
额定电流是指在额定运行情况下，输给电动机的电流，单位是A。
（四）额定转速nN
额定转速是指电动机在额定电压、额定电流和额定功率情况下运行时的电动机转速,以r/min为单位。
（五）额定效率ηN
额定效率是电动机在额定运行时输出功率与输入功率之比的百分数，即：
（六）额定温升τN
额定温升指电动机的温度允许高出环境温度的最大允许值（我国规定环境最高温度为40℃）。 在一般电动机中绕组最易发热，所以铭牌上的温升是指电动机绕组的最高温升。
图3-31　直流电动机铭牌




系列
类型
转速r/min
功率
用途
Z、ZF、ZD
小型
1500～4000
25～400W
小型机械传动
Z4、ZO2
中型
320～1500
　
机床、造纸、水泥、冶金
ZJF、ZJD
大型
　
1000～5350kW
大型轧钢机、卷扬机及重型机械设备

例：一台直流电动机，其额定功率PN=160kW，额定电压UN=220V，额定效率ηN=90%，求该电动机的输入功率及额定电流。
解：输入功率
因为P1=UN·IN，所以额定电流
【例题13·单选题】下列关于直流电动机技术数据的说法中，错误的是（）。
A.额定功率是指电动机轴上输出的机械功率，等于额定电压与额定电流的乘积
B.额定电压是指在额定运行情况下，加在电动机上的输入电压
C.额定电流是指在额定运行情况下，输给电动机的电流
D.额定转速是指电动机在额定电压、额定电流和额定功率情况下运行的电动机转速
答案：A
五、并励直流电动机的机械特性
四种励磁方式的直流电动机中，并励电动机和他励电动机比较常用。这两种电动机只是联结上的不同，两者的特性是一样的。并励直流电动机的机械特性曲线如图所示。电动机的转速将随着负载的增加稍有降低，但降低的幅度不大，可以看成是近于恒速的电动机。这就是说，并励直流电动机的机械特性比较硬。
备注：这个图在教材中是图3-32。
六、并励直流电动机的起动、反转及调速
（一）起动
起动电动机时，如果将转子绕组直接与电源接通，则会造成起动电流（起动瞬时的电流）比额定电流大10～20倍。这样大的起动电流将会在换向器上产生强列的火花而使换向器烧伤；同时在电动机轴上产生很大的起动转矩，使电动机和它所拖动的生产机械遭受突然的冲击，以致使传动构受损。
因此，直接起动直流电动机是绝对不允许的。
为了限制起动电流，通常在转子绕组电路中串联接入一个起动变阻器RQ。起动时，变阻器的手柄应放在断路触点O上，闭合主电路开关Q后，转动手柄使起动电阻RQ随着电动机转速的加快而逐渐减小，最后将它从电路中切除（短接）。选择起动电阻RQ，通常以起动电流等于额定电流的1.2～2.5倍为准。
备注：这个图在教材中是图3-33。
（二）反转
要改变电动机的旋转方向，关键在于改变电磁转矩的方向。根据左手定则，改变转子绕组电流的方向或者改变励磁电流的方向（即改变磁场的方向），都可以达到改变电磁转矩方向的目的。将转子绕组两端的接头对调或者将励磁绕组两端的接头对调，都能够使电动机的电磁转矩反向，从而使其反转。
备注：这个图在教材中是图3-34。
但必须注意，如果将转子绕组和励磁绕组的接头同时对调，那么电磁转矩的方向将保持不变。这样也就不可能达到改变电动机转动方向的目的。
（三）调速
并励电动机具有良好的调速性能，因此用于调速性能要求高的生产机械。由于并励电动机能无级调速，且具有较宽的调速范围，因此可以大大简化变速齿轮箱。
电磁转矩：
其中，励磁磁通Φ和转子回路电流Ia是相互独立的，可以分别进行调节，从而得到良好的静态和动态转矩控制特性。
并励电动机通常有三种调速方法，即改变磁通Φ调速、改变外加电压U调速和改变转子绕组回路电阻调速。
在改变磁通的调速方法中，通常是减小磁通将转速往上调。这种调速方法为恒功率调速，适用于转速约成反比而输出功率基本上不变的场合，例如用于切削机床中。
在改变外加电压U的调速方法中，为了保证电动机的绝缘不受损害，通常是通过降低电压将转速往下调。这种调速方法为恒转矩调速，起重设备多采用这种调速方法。
改变转子绕组回路电阻的调速方法需在转子绕组电路中串联一个调速用的变阻器。由于有较大的功率损耗，所以这种调速方法的经济性较差，应用范围不广。

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trymybest

谢谢

xinqi19841016

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祝福楼主

柳随风吹

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asunny

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liulian17742

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