第六章--常用电气设备课件

常用电气设备 第六章第六章 常用电气设备常用电气设备第一节常用变压器第二节常用三相异步电动机第三节常用单相异步电动机第四节常用低压电器常用电气设备 第一节 常用变压器 一、变压器的基本结构 单相变压器主要由铁芯和两个套在铁芯上相互绝缘的绕组所构成。绕组是变压器的电路部分，与电源相连的绕组称为初级绕组或原边绕组。与负载相连的绕组称做次级绕组或副边绕组。根据不同的需要，变压器可以有多个次级绕组，以输出不同的电压。小容量变压器的绕组多用高强度漆包线绕制，大容量变压器的绕组可用绝缘铜线或铝线绕制。常用电气设备 铁芯是变压器的磁路部分，为了减少涡流和磁滞损耗，多用厚度为0.350.5毫米的硅钢片叠成。硅钢片两侧涂有绝缘漆，使叠片互相绝缘。在一些小型变压器中，也有采用铁氧体或坡莫合金替代硅钢片的。按铁芯的构造，变压器可分为芯式和壳式两种，如图61所示。芯式铁芯一般用于大型变压器，壳式铁芯一般用于小型变压器。变压器在工作时铁芯和线圈都要发热。小容量变压器采用自冷式，即将其放置在空气中自然冷却。中容量电力变压器采用油冷式，即将其放置在有散热管的油箱中。大容量变压器还要用油泵使冷却液在油箱与散热管中作强制循环。常用电气设备 图61变压器示意图常用电气设备 二、变压器的工作原理变压器是根据电磁感应原理制成的，能够改变交流电压的数值，而保持交流电频率不变的一种静止电器。如图62所示，原绕组匝数为N1，电压u1，电流i1，主磁电动势e1；副绕组匝数为N2，电压u2，电流i2，主磁电动势e2。图62 变压器工作原理图 常用电气设备 1变换电压 k称为变压器的变比。常用电气设备 2变换电流由U1E1=4.44N1fm可知，U1和f不变时，E1和m也都基本不变。因此，有负载时产生主磁通的原、副绕组的合成磁动势（i1N1+i2N2）和空载时产生主磁通的原绕组的磁动势i0N1基本相等，即：空载电流i0很小，可忽略不计。常用电气设备 3阻抗变换设接在变压器副绕组的负载阻抗Z的模为|Z|，则：Z反映到原绕组的阻抗模|Z|为：常用电气设备 三、变压器的损耗和效率变压器主要有两部分功率损耗：铁损耗和铜损耗。变压器铁芯中的磁滞损耗和涡流损耗称为铁损耗，用PFe表示。当外加电压一定时，工作磁通一定，铁损耗是不变的，也称为固定损耗。变压器绕组有电阻，电流通过绕组时的功率损耗称为铜损耗，用PCu表示。铜损耗的大小随通过绕组中的电流变化而变化，也称这部分损耗为可变损耗。变压器的输出功率与输入功率之比称为变压器的效率，用表示。变压器的效率比较高，一般供电变压器的效率都在95%左右，大型变压器的效率可达99%以上。同一台变压器处于不同负载时的效率也不同。一般在40%60%额定负载时效率最高。常用电气设备 第二节 常用三相异步电动机 一、三相异步电动机的结构 如图63所示,三相异步电动机的结构分为两个主要部分，定子和转子。此外还有端盖、轴承、风冷装置和接线盒等。图63 三相异步电动机的结构 常用电气设备 定子是指电机固定不动的部分的总称，主要由机座和装在机座内的定子铁心及嵌放在铁心槽内的定子绕组所组成。其作用是产生旋转磁场。定子铁心的作用一是导磁，二是安放绕组。为减少铁损，铁心一般采用相互绝缘的导磁性能较好的硅钢片叠压而成，形状为环行，沿内圆周表面均匀轴向开槽。定子绕组是异步电动机的电路部分，三相绕组在槽内互差120电角度对称放置，可以根据需要接成星形或三角形。转子是电机旋转部分的总称，主要是由转子铁心和转子绕组所组成。按转子结构的差异，三相异步电动机分鼠笼式和线绕式两种类型。常用电气设备 二、三相异步电动机的转动原理 1旋转磁场的产生 我们知道，载流导体的周围会产生磁场，如果电流方向改变，周围的磁场方向也会随之改变。把三相定子绕组接成星形接到对称三相电源，定子绕组中便有对称三相电流流过。图64是三相电流的波形图 常用电气设备 图64 三相电流的波形图 常用电气设备 图65 旋转磁场示意图 常用电气设备 从图65旋转磁场示意图中可以得出以下结论：(1)在对称的三相绕组中通入三相电流，可以产生在空间旋转的合成磁场。(2)磁场旋转方向与电流相序一致。电流相序为U-V-W时磁场顺时针方向旋转；电流相序为U-W-V时磁场逆时针方向旋转。常用电气设备 (3)磁场转速(同步转速)与电流频率有关，改变电流频率可以改变磁场转速。对两极(一对磁极)磁场，电流变化一周，则磁场旋转一周。同步转速no与磁场磁极对数p的关系为：常用电气设备 2转子的转动原理 如图66所示,静止的转子与旋转磁场之间有相对运动，在转子导体中产生感应电动势，并在形成闭合回路的转子导体中产生感应电流，其方向用右手定则判定。转子电流在旋转磁场中受到磁场力F的作用，F的方向用左手定则判定。电磁力在转轴上形成电磁转矩。电磁转矩的方向与旋转磁场的方向一致。常用电气设备 图66 转子转动原理图常用电气设备 电动机在正常运转时，其转速n总是稍低于同步转速no，因而称为异步电动机。又因为产生电磁转矩的电流是电磁感应所产生的，所以也称为感应电动机。异步电动机同步转速和转子转速的差值与同步转速之比称为转差率，用s表示，即：转差率是异步电动机的一个重要参数。异步电动机在额定负载下运行时的转差率约为1%9%。常用电气设备 3三相异步电动机的铭牌和主要系列 三相异步电动机出厂时，每台电机的机座上都固定着一块铭牌，如表6.1所示。铭牌上标注了电机的型号、额定值和额定运行情况下的有关技术数据。按铭牌上所规定的额定值和工作条件下运行，称为额定运行。常用电气设备 表6.1 三相异步电动机铭牌三相异步电动机型号Y2-200L-4功率30kW电流57.63A电压380V频率50Hz接法转速1470r/vminLW79dB/A防护等级IP54工作制SIF级绝缘质量270kg电机厂常用电气设备（1）型号异步电动机的型号主要包括产品代号、设计序号、规格代号和特殊环境代号等。中小型异步电动机 Y 2-200L-4异步电动机 磁极数第二次改型设计 机座长度代号中心高（mm）S-短，M-中，L-长常用电气设备 Y 355 M2-4表示中心高355mm中机座、2号铁心长、4极 表示异步电动机大型异步电动机 Y 630-10/1180 表示功率630W、10极、定子铁心外径1180mm表示异步电动机 常用电气设备（2）额定值额定电压UN。指在额定运行状态下运行时，规定加在电动机定子绕组上的线电压值。额定电流IN。指在额定运行状态下运行时，流入电动机定子绕组中的线电流值。额定功率PN。指电动机在额定状态下运行时，转子轴上输出的机械功率，单位为W或kW。额定频率fN。在额定状态下运行时，电机定子侧电压的频率称为额定频率，单位为Hz，中国电网fN=50Hz。额定转速nN。指额定运行时电动机的转速，单位为r/min。常用电气设备 （3）绝缘等级 绝缘材料又称电介质，其主要作用是用来隔离带电的或不同电位的导体，使电流按一定的方向流通，绝缘材料的电阻率（又称电阻系数）一般应大于109cm。绝缘材料的品种很多，按物态一般可分为气体绝缘材料、液体绝缘材料和固体绝缘材料。绝缘材料按其在正常运行下允许的最高工作温度分级，称为耐热等级，见表6.2。常用电气设备 表6.2 绝缘材料的耐热等级级别YAEBFHG极限工作温度/90105120130155180180以上常用电气设备（4）接线 接线是指在额定电压下运行时，电动机定子三相绕组有星形联结和三角形联结两种。如图6.7所示。图6.7 三相异步电动机接线常用电气设备（5）电机的防护等级 电动机外壳防护等级的标志方法，是以字母“IP”和其后面的两位数字表示的。“IP”为国际防护的缩写。IP后面第一位数字代表第一种防护形式（防尘）的等级，共分06七个等级。第二个数字代表第二种防护形式（防水）的等级，共分08九个等级，数字越大，表示防护的能力越强。常用电气设备 第三节 常用单相异步电动机 一、单相异步电动机的结构 单相异步电动机的总体结构和三相异步电动机类似，也是由转子和定子组成，图68是一只拆散的单相异步电动机结构图。图68 单相异步电动机的结构 常用电气设备 二、单相异步电动机的基本原理在单相异步电动机的定子绕组通入单相交流电，电动机内产生一个大小及方向随时间沿定子绕组轴线方向变化的磁场，称为脉动磁场。脉动磁场可以分解为两个大小一样、转速相等、方向相反的旋转磁场B1、B2。顺时针方向转动的旋转磁场B1对转子产生顺时针方向的电磁转矩；逆时针方向转动的旋转磁场B2对转子产生逆时针方向的电磁转矩。由于在任何时刻这两个电磁转矩都大小相等、方向相反，所以电动机的转子是不会转动的，也就是说单相异步电动机的起动转矩为零。如图69所示。常用电气设备 图69 脉动磁场常用电气设备 要使单相异步电动机按预期的方向起动运转，必须采取一些起动措施。根据不同的起动方法，可把单相异步电动机分为电容分相式、和罩极式。由于电容分相式电动机的效率高、运行性能好、过载能力大而且制作方便，所以应用广泛。一旦让单相异步电动机转动起来，由于顺时针旋转磁场B1和逆时针旋转磁场B2产生的合成电磁转矩不再为零，在这个合成转矩的作用下，即使不需要其它的外在因素，单相异步电动机仍将沿着原来的运动方向继续运转。由于单相异步电动机总有一个反向的制动转矩存在，所以其效率和负载能力都不及三相异步电动机。常用电气设备 第四节 常用低压电器 在电路中起通断、保护、控制或调解作用的用电器件统称为电器，如开关、熔断器等。用于直流电压为1200V及以下的电器统称为低压电器。常用的低压电器有以下几种：开关、按钮、熔断器、接触器和熔断器等。按电器的动作方式可分为保护电器和控制电器。常用电气设备 1闸刀开关闸刀开关是最简单、最常用的一种开关，刀极数目有二极和三极两种。图610(a)为二极闸刀开关的结构图，在瓷质底座上装有静插座、接熔丝的接头和带瓷质手柄的闸刀等。图示为合闸位置，闸刀已推入静插座，胶盖防止电弧烧伤和触电。图610(b)为三极闸刀开关。安装闸刀开关时应将电源进线接在静插座上，将用电器接在闸刀开关的出线端，这样在分闸时，闸刀和熔丝上不带电，可以保证装换熔丝和维修用电器时的安全。闸刀开关在电器原理图中的符号如图610(c)所示。常用电气设备 图610 闸刀开关的结构和符号 常用电气设备 2铁壳开关 铁壳开关是一种熔断器和开关的组合体，带有灭弧装置。因为这种开关能在带负载情况下进行操作，所以也叫做负荷开关；又因为具有铸铁或钢板制成的全封闭外壳，故又称为铁壳开关或钢壳开关。铁壳开关的结构如图611所示，主要由刀开关、熔断器、操作机构和钢板(或铸铁)外壳等组成，它与一般闸刀开关的主要区别是装有一个速断弹簧，拉闸时动刀片能很快与静刀片分离切断，这样可使电弧被迅速拉长而熄灭。另外为了保证安全用电，盖子和手柄间有机械连锁装置，当铁壳打开时，刀开关被卡住，手柄不能操作开关合闸，能充分发挥铁壳的防护作用。常用电气设备 图611 铁壳开关的结构 铁壳开关的特点是结构简单，价格便宜。当它用作隔离开关 时，常 用 于 低 压 电 源 配 电 总 开 关；也 常 用 于 小 容 量（13kW）电机的不频繁起动及短路保护；也在电气照明和电热电路中供手动不频繁地接通与分断负荷电路及短路保护之用；也可用于直接起动电动机。常用电气设备 3组合开关组合开关是另一种形式的开关，它的特点是用动触片的左右旋转来代替闸刀的推合和拉开，三极组合开关的结构和符号如图612所示。所有电器中的触头对都是由动触头和静触头组成的。在空间静止不动的，称为静触头，在空间上随着电器动作而移动的，称动触头。常用电气设备 图612 三极组合开关的结构和符号常用电气设备 三极组合开关共有三对静触头和三个动触头，静触头的一端固定在胶木盒内的绝缘板上，另一端伸出盒外，并附有接线螺钉，以便与电源或负载联接。三个动触头套在装有手柄的绝缘转动轴上，手柄可向左或向右每次作90的转动，从而使动触头与静触头接通或断开。由于组合开关具有结构紧凑，安装面积小，操作方便等优点，故广泛用于机床上作为引入电源的开关；有时也用来接通和分断小电流的电路，如直接起动冷却泵电动机、控制机床照明等。常用电气设备 4自动空气断路器 自动空气断路器也称自动空气开关或自动开关，在低压电路中，用作分断和接通电路，控制电动机运行和停止。当电路发生过载、短路、失压等故障时，它能自动切断故障电路，保护电路和用电设备的安全。它的特点是动作后不需要更换新的元件，工作可靠，应用安全，操作方便，断流能力大(可达到数千安)。常用电气设备 图613 自动空气开关的外形和结构常用电气设备 图613是自动空气开关的外形和结构图，它的操作机构在中间，其两边有热脱扣器和过电流电磁脱扣器；触头系统在下面，除了三对主触头外，还有常开及常闭辅助触头各一对。上述全部结构均装在塑壳内，红色按钮（分钮）、绿色按钮（合钮）和主触头的接线柱分别伸出壳外。常用电气设备 自动开关的动作原理和符号如图614所示，过电流电磁脱扣器的线圈和热脱扣器的热驱动件均串联在被保护的三相主电路中。按下绿色按钮，搭钩钩住锁扣，使主触头闭合，接通电动机电源。在正常工作时，过电流电磁脱扣器的铁芯和线圈所产生的吸力不能吸合衔铁；但是当电路发生短路时，线圈流过非常大的电流，产生的吸力猛增，于是衔铁被吸合，它橦击滑杆，顶开搭钩，在弹簧作用下主触头分断，切断了电源。当电动机发生过载时，过载电流使热驱动件中双金属片弯曲，同样可顶开搭钩，切断电源。常用电气设备 图614 自动开关的动作原理和符号常用电气设备 5按钮按钮是一种简单的手动电器，在接触器、继电器及其它电气线路中，作远距离控制之用。按钮主要是由桥式动触头和静触头及自复位弹簧组成。图615为按钮的外形结构及符号。按照按钮的用途和触头状态，可把按钮分为常开按钮（启动按钮）、常闭按钮（停止按钮）及复合按钮（常开、常闭组合为一体的按钮）。若在按钮按下前，触点对为打开（闭合）；按钮按下后，触点对为闭合（打开），这样的触点对称为按钮的常开（常闭）触点，或称常开（常闭）触头。通常用常开触点启动电动机，常闭触点停止电动机，其按钮分别称为启动按钮和停止按钮。常用电气设备 图615 按钮的外形结构及符号 按钮在结构上可做成多种型式，如紧急式装有凸出的蘑菇形钮帽，以便紧急操作；旋钮式用手钮旋转进操作；指示灯式在透明的彩色按钮内装有信号灯，接通交流6.3V电源，可供信号显示；钥匙式用钥匙进行操作；保护式用外壳对触点部分加以封闭以防触电等。常用电气设备 6熔断器熔断器是低压电路及电动机控制线路中主要用作短路保护的电器，它串联在被保护的线路中。当线路或电气设备发生短路或严重过载时，熔断器中的熔体首先熔断，使线路或电气设备脱离电源，起到保护作用。插入式熔断器的结构如图616所示。常用电气设备 图616 插入式熔断器的结构 常用电气设备 熔断器主要由熔断体（也叫熔丝）、熔壳（载熔件和底座）组成。熔断器中的熔丝用电阻率较高的易熔合金制成，例如铅锡合金等；或用截面积很小的良导体制成，如铜、银等。熔断器是根据电源热效应的原理工作的。在正常电流下，熔体发热温度低于其熔点，熔体相当于一条导线；当电路中的电流超过规定值一定时间后，以它本身产生的热量使熔体熔化而分断电路，从而起着保护其它电器设备的作用。常用电气设备 7交流接触器接触器是一种远距离操作的自动电器，它是交流控制电路的主要电器，被用来接通或断开异步电动机或其他电气设备（如电容器、电热器和照明等）的主电路。图617是交流接触器的外形、结构和符号。交流接触器主要由电磁系统、触头系统及灭弧罩等部分组成。电磁系统包括静铁芯、吸引线圈和动铁心等，其中静铁心与线圈固定不动，动铁心又称衔铁，可以移动；触头系统包括由桥式主触头、辅助常开（闭）触头组成，桥式主触头对中的动触头和电磁系统的动铁心通过绝缘支架固定在一起。常用电气设备 图617 交流接触器的外形、结构和符号常用电气设备 按线圈未通电时的状态触头可分为常开触头和常闭触头两种。常开触头在线圈未通电时是断开的，线圈通电后闭合；常闭触头在线圈未通电时是闭合的，线圈通电后即断开。另外根据触头允许通过电流的大小，又有主触头和辅助触头之分，主触头一般都是常开的，允许通过较大的电流，接在电动机的主电路中；辅助触头有常开和常闭两种，只允许通过小电流，常接在电动机的控制电路中。常用电气设备 当线圈通电后，线圈电流产生磁场，使静铁心产生足够的吸力，将动铁心吸合，使常闭触头先分断，然后所有常开触头跟着闭合；当线圈断电时，所有的触头位置都复原。交流接触器可频繁的接通、断开带有负载的主电路和大容量控制电路，并兼有失压保护作用，它与按钮配合可实现对电动机的远距离控制。交流接触器的选用原则是主触头的额定电流应等于或大于电动机的额定电流，所用接触器的线圈额定电压必须符合供给控制电路的电压。常用电气设备 8热继电器 热继电器利用电流的热效应（电流通过导体时导体发热的现象）产生动作，对电动机进行过载保护的一种保护电器。热继电器主要由热驱动器件、触头、动作机构和复位按钮等部分组成。其外形、结构及符号如图618所示。常用电气设备 图618 热继电器的外形、结构及符号 常用电气设备 热驱动器件由双金属片和绕在双金属片上的电阻丝组成。双金属片是由两种膨胀系数不同的金属片压制成的，它的一端固定在支架上，另一端是自由端。电阻丝串接在电动机的主电路中，常闭触头串接在控制电路中。当电动机过载时，电阻丝中通过的电流超过了它的额定值，产生较大的热量，使双金属片受热膨胀发生弯曲，通过连动机构迫使常闭触头断开。在控制电路中，常闭触头和接触器的线圈相串联，当常闭触头断开时，接触器线圈断电，使主触头分断，电动机停转，实现了过载保护。要使电动机恢复工作，需待热继电器冷却复位后，重新起动电动机。热继电器在使用前，必须调节其整定电流值，使其与电动机的额定电流值相等。