《电机与变压器》教材.docx
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《电机与变压器》教材
电机与变压器
电工电子技术重点建设专业项目组
前言
本书是根据维修电工中级技术工人等级标准及职业技能鉴定规范,并结合中等职业学校教学特点编写而成的。
本书在编写过程中,采用项目式教学法,准确把握中等职业学校学生的知识与能力特点,激发学生学习兴趣,注重理实一体化教学,在内容的安排上由浅入深、循序渐进。
使学生愿学、易学,进而实现学会的目标。
本书坚持“以就业为导向,以能力为本位”、“必须”、“够用”的原则,力求体现职业教育的特色。
全书共安排了10个实训,主要包括变压器组成与分类、变压器的空载实验、变压器的短路实验、变压器绕组的极性及连接组、三相变压器组的连接、小型变压器的制作、三相异步电动机的连接、三相异步电动机的空载测试、24槽四极单层链式绕组的下线、端部接线和整形。
本书编写过程中力求做到充分考虑中等职业学校的教学实际情况,实现教材、实训一体化,方便师生使用。
本书的建议学时分配如下:
学时分配表
项目
学时
项目一:
变压器组成与分类
6
项目二:
变压器的空载实验
4
项目三:
变压器的短路实验
4
项目四:
变压器绕组的极性及连接组
6
项目五:
三相变压器组的连接
6
项目六:
小型变压器的制作
10
项目七:
三相异步电动机的拆装
6
项目八:
三相异步电动机的连接
6
项目九:
三相异步电动机的空载测试
4
项目十:
24槽四极单层链式绕组的下线、端部接线和整形
8
目录
项目一变压器的组成与分类-1-
训练目标-1-
知识链接-1-
训练准备-5-
操作步骤及要求-6-
评价标准-8-
训练报告-8-
项目二变压器的空载实验-9-
训练目标-9-
知识链接-9-
训练准备-11-
操作步骤及要求-12-
评价标准-13-
训练报告-14-
思考与讨论-14-
项目三变压器的短路实验-15-
训练目标-15-
知识链接-15-
训练准备-16-
操作步骤及要求-17-
评价标准-18-
训练报告-18-
思考与讨论-18-
项目四变压器绕组的极性与连接组-19-
训练目标-19-
知识链接-19-
训练准备-19-
操作步骤及要求-20-
评价标准-20-
训练报告-21-
思考与讨论-21-
项目五三相变压器组的连接-22-
训练目标-22-
知识链接-22-
训练准备-24-
评价标准-26-
训练报告-26-
思考与讨论-27-
项目六小型变压器的制作-28-
训练目标-28-
知识链接-28-
训练准备-30-
评价标准-31-
项目七小型三相交流笼式异步电动机的拆装-32-
训练目标-32-
知识链接-32-
训练器材-34-
训练步骤及要求-35-
评价标准-37-
训练报告-37-
项目八笼式三相交流异步电动机的-38-
星形接线和三角形接线及反转试验-38-
训练目标-38-
知识链接-38-
训练器材-39-
训练步骤及要求-39-
评价标准-40-
训练报告-41-
项目九笼式三相交流异步电动机的空载测试-42-
训练目标-42-
训练原理与训练任务-42-
训练器材-42-
操作步骤及要求-42-
评价标准-43-
训练报告-43-
项目十24槽单层链式绕组的下线、端部接线和整形-44-
训练目的-44-
知识链接-44-
训练器材-46-
操作步骤及要求-46-
评价标准-47-
训练报告-47-
思考与讨论-47-
项目一变压器的组成与分类
训练目标
1、使学生了解变压器的用途、分类及构成。
2、了解常见变压器的故障及处理方法。
知识链接
(一)变压器的组成和分类
变压器是一种静止的电器,它利用电磁感应原理将一种等级的电压和电流的交流电能转换成另一种等级的电压和电流的交流电能。
它的工作原理就是电磁感应和磁势平衡。
变压器的外型和器身图
1、电力变压器类别—按用途分
(1)电力变压器
降压变压器升压变压器降压变压器
(2)特种变压器
试验、仪用等变压器
电炉、整流变压器
2、电力变压器类别—按冷却方式分
●油浸式变压器——铁芯和绕组都一起浸入灌满了变压器油的油箱中,可以加强绝缘和改善冷却散热条件(大容量)
●干式变压器——能满足特殊要求,如安全(小容量变压器)
●充气式变压器——绝缘性能优于油浸式(大容量)
3、电力变压器类别-按相数分
●单相变压器
●三相变压器
●多相变压器
单相变压器三相变压器
4、电力变压器类别-按调压方式分
有载调压变压器无载调压变压器电力
(二)变压器的基本结构
●铁芯
●绕组
●油箱和冷却装置
●保护装置储油柜(油枕)气体继电器(瓦斯继电器)
安全气道(防爆管)
●绝缘套管
●分接开关
1信号温度计,2铭牌,3吸湿器,4油枕(储油柜),5油位指示器,6防爆管,7瓦斯继电器,8高压套管和接线端子,9低压套管和接线端子,10分接开关,11油箱及散热油管,12铁心,13绕组及绝缘,14放油阀,15小车,16接地端子
1、铁芯——变压器的主磁路
铁心是变压器的主磁路,又作为绕组的支撑骨架。
铁心由铁心柱和铁轭两部分组成,铁心柱上装有绕组,铁轭是连接两个铁心柱的部分,其作用是使磁路闭合。
变压器的主磁路,为了提高铁心的导磁性能和减少铁损,铁心用厚为0.35mm、表面涂有绝缘漆的热轧或冷轧硅钢片叠装而成。
根据绕组和铁心的相对位置,变压器有壳式结构和心式结构两种,如以下两图所示。
2、绕组——变压器的电路
●变压器绕组一般为绝缘扁铜线或绝缘圆铜线在绕线模上绕制而成。
●变压器中,工作电压高的绕组称为高压绕组,工作电压低的绕组称为低压绕组。
●变压器的原绕组吸取供电电源的能量,副绕组向负载提供电能。
●基本型式——根据高低压绕组在铁芯柱上排列方式不同可分为同芯式和交叠式。
同芯式——心式变压器常用。
高压绕组和低压绕组均做成圆筒形,然后同芯地套在铁芯柱上,为便于绝缘,通常低压绕组在里面,高压绕组在外面,中间加绝缘纸筒绝缘。
交叠式——壳式变压器常用。
高压绕组和低压绕组各分为若干个线饼,沿着铁芯柱的高度交错地排列着。
低压
同芯式交叠式
3、油箱和冷却装置
●油箱——油浸式变压器的外壳,机械支撑、冷却散热和保护作用
●变压器油——冷却介质、绝缘介质
①绝缘:
绕组与绕组、绕组与铁心及油箱之间
②散热:
热量通过油箱壳散发,油箱有许多散热油管,以增大散热面积。
采用内部油泵强迫油循环,外部用变压器风扇吹风或用自来水冲淋变压器油箱。
4、保护装置
●储油柜——储油柜使变压器油与空气接触面变小,减缓了变压器油的氧化和吸收空气水分的速度。
●气体继电器——故障时,热量会使变压器油汽化,触动气体继电器发出报警信号或切断电源。
●安全气道——(防爆筒)如果是严重事故,变压器油大量汽化,油气冲破安全气道管口的密封玻璃,冲出变压器油箱,避免油箱爆裂。
●吸湿器——(呼吸器)内装硅胶,用以吸收进入储油柜中空气的水分。
5、绝缘套管
●绝缘套管由中心导电杆与瓷套组成。
导电杆穿过变压器油箱、在油箱内的一端与线圈的端点联接,在外面的一端与外线路联接。
●低压引线一般用纯瓷套管,高压引线一般用充油或电容式套管。
●套管外形常做成伞形,电压越高、级数愈多。
训练准备
1、设备及材料准备
变压器应装有铭牌。
铭牌上应注明制造厂名,额定容量、一二次额定容量、一二次额定电压、电流、阻抗、电压及接线组别等技术数据。
变压器的容量,规格及型号必须符合设计要求。
附件备件齐全,并有出厂合格证及技术文件。
型钢:
各种规格型钢应符合设计要求,并无明显锈蚀。
螺栓:
除地脚螺栓及防震装置螺栓外,均应采用镀锌螺栓,并配相应的平垫圈和弹簧垫。
其它材料:
电焊条,防锈漆,调和漆等均应符合设计要求,并有产品合格证。
2、主要机具
安装机具:
台钻、砂轮、电焊机、气焊工具、电锤、台虎钳、活扳子、鎯头、套丝板;
测试器具:
钢卷尺、钢板尺、水平尺、线坠、摇表、万用表、电桥及测试仪器。
操作步骤及要求
1、变压器的检修工艺
配电变压器的检修分为大修和小修两类,其中,大修又称为吊芯检修,小修又称为不吊芯检修。
(1)配电变压器的小修项目:
①检查接头状况是否良好,检查出现接头及各处铜铝接头,若有接触不良或接点腐蚀,则应修理或更换,同时还应检查绝缘套管的导电杆螺丝有无松动及过热。
②绝缘套管的清扫和检查,清扫高低压绝缘套管的积污,检查有无裂痕、破损和放电痕迹。
检查后,要针对故障及时处理。
③检查变压器是否漏油,清扫油箱和散热管,检查箱体结合处、油箱和散热管焊接处及其它部位有无漏油及锈蚀。
若焊缝渗漏,应进行补焊或用胶粘剂补漏。
若是密封渗漏,可能的原因为:
a.密封垫圈老化或损坏;b.密封圈不正,压力不均匀或压力不够;c.密封填料处理不好,发生硬化或断裂。
④检查防爆管,有防爆的变压器,应检查防爆膜是否完好。
同时检查它的密封性。
⑤查看气体继电器是否正常,检查气体继电器是否漏油;阀门的开关是否灵活;动作是否正确可靠;控制电缆及继电器接线的绝缘电阻是否良好。
⑥油枕的检查,检查储油柜上的油表指示的油位是否正常,并观察油枕内实际油面,对照油表的指示进行校验。
若变压器缺油要及时补充。
同时应检查并及时清除储油柜内的油泥和水分。
⑦吸湿器的检查和处理,吸湿器内的硅胶每年要更换一次。
若未到一年,硅胶就已吸潮失效(颜色变红),也应取出放在烘箱内,在110℃~140℃左右烘干脱水后再用。
将硅胶重新加入吸湿器前,使用筷子把粒径小于3~5mm的颗粒除去,以防它们落入变压器油中,引起不良后果。
⑧接地线检查,检查变压器接地线是否完整良好,有无腐蚀现象,接地是否可靠。
⑨高低压熔断器的检查,检查与变压器配用的保险及开关触点的接触情况、机构动作情况是否良好。
采用跌落式保险保护的变压器,还应检查熔断丝是否完整、熔丝直径是否适当。
⑩测量变压器绝缘电阻,用兆欧表测定线圈绝缘电阻。
测量时以额定转速120r/min均匀摇兆欧表一分钟,读取仪表所示值并记录变压器温度。
最后检查消防设施是否完好。
包括四氯化碳灭火器、二氧化碳灭火器、干粉灭火器及沙箱(不能使用泡沫灭火器)。
2、变压器常见故障的处理方法。
变压器运行中出现的不正常现象的分析:
(1)声音异常
变压器正常运行时声音应为连续均匀的“嗡嗡”声,如果产生不均匀或其他响声都属于不正常现象。
a.内部有较高且沉着的“嗡嗡”声,则可能是过负荷运行,可根据变压器负荷情况鉴定并加强监视。
b.内部有短时“哇哇”声,则可能是电网中发生过电压,可根据有无接地信号,表计有无摆动来判定。
c.变压器有放电声,则可能是套管或内部有放电现象,这时应对变压器作进一步检测或停用。
d.变压器有水沸声,则为变压器内部短路故障或接触不良,这时应立即停用检查。
e.变压器有爆裂声,则为变压器内部或表面绝缘击穿,这时应立即停用进行检查。
f.其他可能出现“叮当”声或“嘤嘤”声,则可能是个别零件松动,可以根据情况处理。
(2)油温异常
a.变压器的绝缘耐热等级为A级时,线圈绝缘极限温度为105℃,根据国际电工委员会的推荐,保证绝缘不过早老化,温度应控制在85℃以下。
若发现在同等条件下温度不断上升,则认为变压器内部出现异常,内部故障等多种原因,这时应根据情况进行检查处理。
b.导致温度异常的原因有:
散热器堵塞、冷却器异常、内部故障等多种原因。
这时应根据情况进行检查处理。
(3)油位异常
变压器油位变化应该在标记范围之间,如有较大波动则认为不正常。
常见的油位异常有:
a.假油位,如果温度正常而油位不正常,则说明是假油位。
运行中出现假油位的原因有呼吸器堵塞、防暴管通气孔堵塞等。
b.油位下降,原因有变压器严重漏油、油枕中油过少、检修后缺油、温度过低等。
(4)渗漏油
渗漏油是变压器常见的缺陷,渗与漏仅是程度上的区别,渗漏油常见的部位及原因有:
a.阀门系统,蝶阀胶材质安装不良,放油阀精度不高,螺纹处渗漏。
b.胶垫接线桩头,高压套管基座流出线桩头,胶垫较不密封、无弹性,小瓷瓶破裂渗漏油。
c.设计制造不良,材质不好。
(5)套管闪络放电
套管闪络放电会造成发热,导致老化,绝缘受损甚至引起爆炸,常见原因有:
a.高压套管制造不良,未屏蔽接地,焊接不良,形成绝缘损坏。
b.套管表面过脏或不光滑。
(6)变压器的故障处理
为了正确地处理故障,首先应掌握下列情况:
①系统运行方式,负荷状态,负荷种类;②变压器上层油温,温升与电压情况;③事故发生时天气情况;④变压器周围有无检修及其他工作;⑤系统有无操作;⑥运行人员有无操作;⑦何种保护动作,事故现象情况等。
评价标准
评价类别
考核项目
考核标准
配分/分
得分
专业能力
变压器检修工艺
正确
20
变压器故障检测
操作正确
20
变压器的检测
读数和计算正确
10
变压器的故障排除
计算正确
20
社会能力
团结协作
小组成员之间合作良好
10
敬业精神
遵守纪律,具有爱岗敬业,吃苦耐劳
10
方法能力
计划和决策能力
计划和决策能力较好
10
训练报告
1、写出训练目的。
2、写出实验器材的名称、规格和型号、数量。
3、写出实验步骤,填写测量数据记录表。
4、根据实验记录计算有关参数。
项目二变压器的空载实验
训练目标
1、掌握变压器空载实验的方法
2、测量变压器的变压比K、空载电流I0、空载损耗P0和励磁阻抗ZM
知识链接
(一)变压器的工作原理
变压器的主要部件是铁心和套在铁心上的两个绕组(如图1)。
把与交流电源连接的绕组为原绕组,其匝数用N1表示;把与负载ZL连接的绕组称为副绕组,其匝数用N2表示。
当院绕组连接交流电源,原绕组有电流i1通过时,将激发铁芯产生交变的磁通。
由于原、副绕组套在同意铁芯柱上,铁芯中的交变磁通同时交连原、副绕组,于是在两绕组中产生频率相同的交变感应电动势e1,e2。
显然,对于负载来说,副绕组中的感应电动势e2相当于电源,在副绕组接通的回路中,便有电流i2通过,使负载工作。
图1变压器的基本工作原理
(二)变压器的空载运行
1、变压器空载运行
变压器一次绕组接额定频率和额定电压的电网上,而二次绕组开路,即I2=0的工作方式称变压器的空载运行。
为了简便起见,将立体图改画成平面图,如图2所示。
图2变压器空载运行原理图
由于变压器接在交流电源上工作,因此通过变压器中的电压、电流、磁通及电动势的大小及方向均随时间在不断地变化,为了正确地表示它们之间的相位关系,必须首先规定它们的参考方向。
原则上可以任意规定参考方向,但是如果规定的方法不同,则同一电磁过程所列出的方程式,其正、负号也将不同。
为了统一起见,习惯上都按照“电工惯例”来规定参考方向:
(1)电压的参考方向:
在同一支路中,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:
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)感应电动势的参考方向:
由交变磁通Ф产生的感应电动势e,其参考方向与产生该磁通的电流参考方向一致(即感应电动势e与产生它的磁通Ф之间符合右手螺旋定则),如图3所示。
图3 参考方向的规定
按此参考方向列出的电磁感应定律方程为
下面分析变压器空载运行时,各物理量之间的关系。
2、变压器的空载电流和空载损耗
变压器空载运行时,空载电流I0一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I0分解成两部分,一部分为无功分量Iq,用来建立磁场,起励磁作用,与主磁通同相位;另一部分为有功分量Id,用来供给变压器铁心损耗,相位超前主磁通90o,即:
空载电流一般只占额定电流的(2~10)%,而Id<10%I0,因此I0≈Iq,所以空载电流I0主要用来建立主磁通。
故近似称作励磁电流。
变压器空载时没有输出功率,它从电源获取的全部功率都消耗在其内部,称为空载损耗。
空载损耗绝大部分是铁心损耗P0,即磁滞损耗与涡流损耗,只有极少部分是一次绕组电阻上的铜损耗I02R,它只占空载损耗的2%,故可认为变压器的空载损耗就是变压器的铁心损耗。
3、空载运行时相量图
变压器空载运行时的电路原理图如图4。
其中一次绕组的两个接线端用“U1”、“U2”表示,二次绕组的两个接线端用“u1”、“u2”表示。
图4 单相变压器电路原理图
于 电压U1180o,故E1滞后于电流I090o。
另外由前面分析知道E1也滞后于Фm90o,故I0与由Фm同相位,由此可以作出理想变压器(不计损耗的变压器)空载运行时的相量图,如图5所示。
图5 理想变压器空载运行相量图
训练准备
1、训练器材
调压变压器一台,待测变压器一台,交流电压表两只,交流电流表一只,低功率因数功率表一只,刀开关一只,导线若干。
2、训练原理与训练内容
变压器空载实验是在原边施加额定电压,副边开路的情况下进行的,接线原理图如如6所示。
实验时,由于原边的电压是U1N,这时副边地电压也为额定电压U2N,由此可得变压器的变压比为
空载实验中,原边电流表所测量的电流为变压器的空载电流,即I0为电流表的读数。
该电流通过原边时,在铁芯中建立变压器工作的主磁通,所以也叫做励磁电流。
电流通过变压器的绕组使绕组发热而损耗的电功率,称为铜损,用PCU表示;铁芯中的磁通为交变磁通,由于磁滞和涡流使铁芯发热而损耗的电功率,称为铁损,用PFE表示。
空载时,变压器的铜损和铁损之和称为空载损耗,空载损耗可以用功率表测量,即P0为功率表的读数。
变压器空载时副边开路,没有电流通过副边绕组,副边绕组没有铜损。
空载电流和变压器的额定电流比较,空载电流只占很小一部分;在空载损耗中,铜损和铁损比较,铜损只占很小一部分,所以空载损耗中铜损可以忽略不计。
因此把铁损当作空载损耗,即
变压器的励磁阻抗是空载运行时,原边的额定电压与空载电流之比,即
3、实验内容:
(1)测量变压器的变压比K;
(2)测量变压器的空载电流I0;
(3)测量变压器的铁损PFe,即空载损耗P0;
(4)测量变压器的励磁阻抗Zm。
操作步骤及要求
1、选择实验器材,按接线原理图,对照实物连接实验电路如图7所示。
图7变压器空载实验实物接线图
2、将调压变压器的输出电压调节为“0”,合上刀闸开关。
3、观察接在原边的电压表的指针,逐步升高调压变压器的输出电压。
当电压表的读数为原边的额定电压U1N时,停止调节调压变压器的输出电压。
4、在保持原边为额定电压的情况下,观察电压表、电流表和功率表的指针位置,测取变压器的空载电流I0,原边和副边的额定电压U1N,U2N,变压器的空载损耗P0,并将它们的读数记录在下表中。
变压器空载实验测量数据记录
实验
次数
原边电
压表读数(V)
原边电流表读数(A)
功率表的读数
(W)
副边电压表读数(V)
变压器的变压比
变压器空载电流(A)
变压器空载损耗(W)
变压器励磁阻抗(
第一次
第二次
第三次
5、根据实验记录的有关数据,计算变压器的变压比K、励磁阻抗Zm、变压器的铁损PFe。
评价标准
技能考核单
评价类别
考核项目
考核标准
配分/分
得分
专业能力
变压器的变压比
读数和计算正确
20
变压器的空载电流
读数正确
20
变压器的空载损耗
读数和计算正确
10
变压器的励磁阻抗
计算正确
20
社会能力
团结协作
小组成员之间合作良好
10
敬业精神
遵守纪律,具有爱岗敬业,吃苦耐劳
10
方法能力
计划和决策能力
计划和决策能力较好
10
训练报告
1、写出训练目的。
2、写出实验器材的名称、规格和型号、数量。
3、画出实验接线原理图。
4、写出实验步骤,填写测量数据记录表。
5、根据实验记录计算有关参数。
思考与讨论
1、我们是在原边加额定电压U1N而副边开路的情况下进行变压器空载实验的,如果再副边加额定电压U2N而原边开路的情况下进行变压器的空载实验,可以吗?
2、在副边加额定电压U2N进行变压器的空载实验时,变压器的变压比K、空载电流I0、空载损耗P0、励磁阻抗Zm等,与在原边加额定电压U1N、副边开路进行变压器空载实验时,变压器的变压比K、空载电流I0、空载损耗P0、励磁阻抗Zm有哪些不同?
为什么?
3、空载实验时,原边所加的电压低于额定电压或高于额定电压行不行?
为什么?
项目三变压器的短路实验
训练目标
1、学会变压器短路实验的方法。
2、学会测量变压器的短路电压UD、短路损耗PD和短路阻抗ZD。
知识链接
变压器的负载运行:
变压器一次绕组接额定电压,二次绕组与负载相连的运行状态称为变压器的负载运行,如图6所示。
此时二次绕组中有电流I2通过,由于该电流是依据电磁感应原理由一次绕组感应而产生,因此一次绕组中的电流也由空载电流I0变为负载电流I1。
下面分析一、二次绕组中电流的关系。
图1单相变压器负载运行
二次绕组中的电流I2所产生的磁通势N2I2将在铁心中产生磁通Ф2,它力图改变铁心中的主磁通Фm。
,但由前面分析的恒磁通的概念可知,由于加在一次绕组上的电压有效值U1不变,因此主磁通Фm基本不变,故随着I2的出现,一次绕组中通过的电流将从I0增加到I1,一次绕组的磁通势也将由N1I0增加到N1I1,它所增加的部分正好与二次绕组的磁通势N2I2相抵消,从而维持铁心中的主磁通Фm的大小不变。
由此可得变压器负载运行时的磁通势平衡方程式为
式中,KI称为变压器的变流比。
上式表明,变压器一、二次绕组中的电流与一、二次绕组的匝数成反比,即变压器也有变换电流的作用,且电流的大小与匝数成反比。
变压器的高压绕组匝数多,而通过的电流小,因此绕组所用的导线细;反之低压绕组匝数少,通过的电流大,所用的导线较粗。
训练准备
1、训练器材:
调压变压器一台,待测变压器一台,交流电压表一只,交流电流表一只,低功率因数功率表一只,刀开关一只,导线若干。
2、训练原理与训练内容
变压器的短路实验是在副绕组短路,原、副绕组通过额定电流的情况下进行的,接线原理图如图2所示。
由于副绕组短路,变压器不输出电能,此时功率表的读数就是变压器的端丽损耗功率PD。
短路实验时,在原绕组施加的电压很低,铁芯中的磁通很小,变压器的铁损PFe很小,可以忽略不计,短路功率损耗全部消耗在原、副绕组的直流电阻上,所以短路功率损耗可认为是铜损PCu。
由于实验时,原、副绕组均通
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