第11章變壓器與電動機

1第11章變壓器與電動機11.2變壓器11.5直流電動機*11.6控制電動機*11.1磁路11.3三相異步電動機11.4單相異步電動機11.7超聲波電動機*21.了解磁路的基本概念

2.了解變壓器的基本結(jié)構(gòu)、工作原理、額

定值的意義、外特性及繞組的同極性端

3.了解三相異步電動機的基本結(jié)構(gòu)、轉(zhuǎn)動

原理、轉(zhuǎn)矩特性和機械特性4.了解三相異步電動機的啟動、調(diào)速和銘

牌數(shù)據(jù)的意義本章要求3

在電機、變壓器及各種鐵磁元件中常用磁性材料做成一定形狀的鐵心。鐵心的磁導(dǎo)率比周圍空氣或其它物質(zhì)的磁導(dǎo)率高的多，磁通的絕大部分經(jīng)過鐵心形成閉合通路，磁通的閉合路徑稱為磁路+–NIfNSS直流電機的磁路交流接觸器的磁路11.1磁路4非磁性物質(zhì)

非磁性物質(zhì)分子電流的磁場方向雜亂無章，幾乎不受外磁場的影響，互相抵消，不具有磁化特性。非磁性材料的磁導(dǎo)率都是常數(shù)0r

1導(dǎo)磁性好，能被磁化,相對磁導(dǎo)率高磁性物質(zhì)11.1.1磁性材料的磁性能如：空氣、紙、木材、鋁為非磁性物質(zhì)r

>>

1鐵、鎳、鈷及其合金等為磁性物質(zhì)51.高導(dǎo)磁性磁性材料內(nèi)部存在磁疇，磁疇一般排列無序，故對外無磁性。外加磁場作用于磁性物質(zhì)時，內(nèi)部磁疇轉(zhuǎn)到與外加磁場相同方向，材料內(nèi)部形成附加磁場。隨著外磁場增強，附加磁場與外加磁場疊加，磁性材料內(nèi)部磁感應(yīng)強度增強，稱為磁化。磁性材料能被強烈的磁化，具有很高的導(dǎo)磁性能。磁性材料的磁導(dǎo)率通常都很高，即r1(如坡莫合金，其r可達(dá)2105)磁性物質(zhì)廣泛應(yīng)用于電工設(shè)備中，如電機、變壓器及各種鐵磁元件的線圈中都放有鐵心。在這種具有鐵心的線圈中通入不太大的勵磁電流，便可以產(chǎn)生較大的磁通和磁感應(yīng)強度11.1.1磁性材料的磁性能62.磁飽和性磁性材料的磁化磁場不隨外加磁場的增強而無限增強。當(dāng)外磁場增大到一定程度時，磁性物質(zhì)中全部磁疇的磁場方向都轉(zhuǎn)向與外部磁場方向一致，磁化磁場的磁感應(yīng)強度將趨向某一定值，稱為磁飽和。

B-H

磁化曲線的特征：oa段：B與H幾乎成正比地增加；

ab段：B的增加緩慢下來；

b點以后：B增加很少，達(dá)到飽和。有磁性物質(zhì)存在時，B與H不成正比，磁性物質(zhì)的磁導(dǎo)率不是常數(shù)，隨H而變。OHB,BB和與H的關(guān)系?a?b73.磁滯性

磁性材料在交變磁場中反復(fù)磁化，其B-H關(guān)系曲線是一條回形閉合曲線，稱為磁滯回線磁滯回線OHB????BrHc剩磁感應(yīng)強度Br(剩磁)：當(dāng)線圈中電流減小到零(H=0)時，鐵心中的磁感應(yīng)強度矯頑磁力Hc：使B=0所需的H值

磁性物質(zhì)不同，其磁滯回線和磁化曲線也不同磁性材料中磁感應(yīng)強度B的變化總是滯后于外磁場變化的性質(zhì)稱為磁滯性8磁性材料分類：（1）軟磁材料具有較小的矯頑磁力，磁滯回線較窄。一般用來制造電機、電器及變壓器等的鐵心。常用的有鑄鐵、硅鋼、坡莫合金即鐵氧體等（2）永磁材料具有較大的矯頑磁力，磁滯回線較寬。一般用來制造永久磁鐵。常用的有碳鋼及鐵鎳鋁鈷合金等（3）矩磁材料具有較小的矯頑磁力和較大的剩磁，磁滯回線接近矩形，穩(wěn)定性良好。在計算機和控制系統(tǒng)中用作記憶元件、開關(guān)元件和邏輯元件。常用的有鎂錳鐵氧體等9任意選定一個閉合回線的圍繞方向，凡是電流方向與閉合回線圍繞方向之間符合右螺旋定則的電流作為正，反之為負(fù)是磁場強度矢量沿任意閉合回線(常取磁通作為閉合回線)的線積分I是穿過閉合回線所圍面積的電流的代數(shù)和安培環(huán)路定律電流正負(fù)的規(guī)定：1.安培環(huán)路定律I1HI2安培環(huán)路定律將電流與磁場強度聯(lián)系起來

在均勻磁場中Hl=IN11.1.2磁路分析方法102.磁路的歐姆定律磁路的歐姆定律是分析磁路的基本定律

環(huán)形線圈如圖，其中媒質(zhì)是均勻的，磁導(dǎo)率為，試計算線圈內(nèi)部的磁通

解：根據(jù)安培環(huán)路定律，有設(shè)磁路的平均長度為l，則有（1）引例SxHxIN匝11式中：F=NI

為磁通勢，由其產(chǎn)生磁通

Rm

稱為磁阻，表示磁路對磁通的阻礙作用

l為磁路的平均長度

S

為磁路的截面積（2）磁路的歐姆定律

若某磁路的磁通為，磁通勢為F

，磁阻為Rm，則即有：12（3）磁路與電路的比較

磁路磁通勢F磁通磁阻電路電動勢E電流密度J

電阻磁感應(yīng)強度B電流INI+_EIR133.交流鐵心線圈電路（1）電磁關(guān)系–+e–+e+–uNi（磁通勢）主磁通：通過鐵心閉合的磁通。漏磁通：經(jīng)過空氣或其它非導(dǎo)磁媒質(zhì)閉合的磁通。線圈鐵心i，鐵心線圈的漏磁電感與i不是線性關(guān)系。14（2）電壓電流關(guān)系根據(jù)KVL:+––+–+eeuNi式中：R是線圈導(dǎo)線的電阻L是漏磁電感

當(dāng)u是正弦電壓時，其它各電壓、電流、電動勢可視作正弦量，則電壓、電流關(guān)系的相量式為：設(shè)主磁通則有效值

由于線圈電阻

R

和感抗X（或漏磁通）較小，其電壓降也較小，與主磁電動勢E相比可忽略，故有式中：Bm是鐵心中磁感應(yīng)強度的最大值，單位[T]

S是鐵心截面積，單位[m2]16（3）

功率損耗

交流鐵心線圈的功率損耗主要有銅損和鐵損兩種。a.銅損（Pcu）

在交流鐵心線圈中,線圈電阻R上的功率損耗稱銅損，用Pcu表示Pcu=RI2式中：R是線圈的電阻；I是線圈中電流的有效值b.鐵損（PFe）

在交流鐵心線圈中，處于交變磁通下的鐵心內(nèi)的功率損耗稱鐵損，用PFe

表示鐵損由磁滯和渦流產(chǎn)生+–ui17磁滯損耗（Ph）由磁滯所產(chǎn)生的能量損耗稱為磁滯損耗（Ph）

磁滯損耗的大?。簡挝惑w積內(nèi)的磁滯損耗正比與磁滯回線的面積和磁場交變的頻率fOHB

磁滯損耗轉(zhuǎn)化為熱能，引起鐵心發(fā)熱

減少磁滯損耗的措施：選用磁滯回線狹小的磁性材料制作鐵心。變壓器和電機中使用的硅鋼等材料的磁滯損耗較低

設(shè)計時應(yīng)適當(dāng)選擇值以減小鐵心飽和程度18渦流損耗（Pe）渦流損耗:由渦流所產(chǎn)生的功率損耗渦流：交變磁通在鐵心內(nèi)產(chǎn)生感應(yīng)電動勢和電流，稱為渦流。渦流在垂直于磁通的平面內(nèi)環(huán)流渦流損耗轉(zhuǎn)化為熱能，引起鐵心發(fā)熱減少渦流損耗措施：

提高鐵心的電阻率。鐵心用彼此絕緣的鋼片疊成，把渦流限制在較小的截面內(nèi)鐵心線圈交流電路的有功功率為：1911.2變壓器

變壓器是一種常見的電氣設(shè)備，在電力系統(tǒng)和電子線路中應(yīng)用廣泛變電壓：電力系統(tǒng)變阻抗：電子線路中的阻抗匹配變電流：電流互感器變壓器的主要功能有：

在能量傳輸過程中，當(dāng)輸送功率P=UIcos及負(fù)載功率因數(shù)cos

一定時：電能損耗小節(jié)省金屬材料（經(jīng)濟(jì)）UIP=I2RlIS20

電力工業(yè)中常采用高壓輸電低壓配電，實現(xiàn)節(jié)能并保證用電安全

發(fā)電廠10.5kV輸電線220kV升壓儀器36V降壓…實驗室380/220V降壓變電站

10kV降壓降壓21（單相）變壓器結(jié)構(gòu)變壓器的磁路繞組：一次繞組二次繞組+–+–由高導(dǎo)磁硅鋼片疊成厚0.35mm或0.5mm鐵心變壓器的電路一次繞組N1二次繞組N2鐵心22變壓器單相電源變壓器三相電力變壓器23變壓器的分類電壓互感器電流互感器按用途分電力變壓器(輸配電用)儀用變壓器整流變壓器按相數(shù)分三相變壓器單相變壓器按制造方式殼式心式變壓器符號24變壓器的工作原理

一次、二次繞組互不相連，能量的傳遞靠磁耦合+–+–一次繞組N1二次繞組N2鐵心（1）空載運行情況1.電磁關(guān)系一次側(cè)接交流電源二次側(cè)開路+–+–+–+–+–1i0(i0N1)1空載時，鐵心中主磁通是由一次繞組磁通勢產(chǎn)生的（2）帶負(fù)載運行情況一次側(cè)接交流電源二次側(cè)接負(fù)載+–+–+–11i1(i1N1)i1i2(i2N2)2有載時，鐵心中主磁通是由一次、二次繞組磁通勢共同產(chǎn)生的合成磁通2i2+–e2+–e2+–u2Z2.電壓變換（設(shè)加正弦交流電壓）有效值:同理：主磁通按正弦規(guī)律變化，設(shè)為則（1）一次、二次側(cè)主磁通感應(yīng)電動勢28根據(jù)KVL：變壓器一次側(cè)等效電路如圖

由于電阻

R1和感抗X1(或漏磁通)較小,其兩端的電壓也較小,與主磁電動勢E1比較可忽略不計，則–––+++（2）一次、二次側(cè)電壓式中R1為一次側(cè)繞組的電阻

X1=L1為一次側(cè)繞組的感抗（漏磁感抗，由漏磁產(chǎn)生）（匝比）K為變比對二次側(cè)，根據(jù)KVL：改變匝數(shù)比，就能改變輸出電壓式中R2為二次繞組的電阻

X2=L2為二次繞組的感抗為二次繞組的端電壓變壓器空載時:+–u2+–+–+–i1i2+–e2+–e2式中U20為變壓器空載電壓故有3.電流變換(一次、二次側(cè)電流關(guān)系)有載運行

可見，鐵心中主磁通的最大值m在變壓器空載和有載時近似保持不變。即有

不論變壓器空載還是有載，一次繞組上的阻抗壓降均可忽略，故有由上式，若U1、f不變，則m基本不變，近于常數(shù)空載：有載：+–|Z|+–+–+–一般情況下：I0(2~3)%I1N很小可忽略或一次、二次側(cè)電流與匝數(shù)成反比或：1.提供產(chǎn)生m的磁勢2.提供用于補償作用

的磁勢磁勢平衡式：空載磁勢有載磁勢324.阻抗變換由圖可知：變壓器一次側(cè)的等效阻抗模，為二次側(cè)所帶負(fù)載的阻抗模的K2倍+–+–+–（1）變壓器的匝數(shù)比應(yīng)為：信號源R0RL+–R0+–+–解:例1:如圖，交流信號源的電動勢E=120V，內(nèi)阻R0=800，負(fù)載為揚聲器，其等效電阻為RL=8。要求:（1）當(dāng)RL折算到原邊的等效電阻時，求變壓器的匝數(shù)比和信號源輸出的功率；（2）當(dāng)將負(fù)載直接與信號源聯(lián)接時,信號源輸出多大功率？信號源的輸出功率：電子線路中，常利用阻抗匹配實現(xiàn)最大輸出功率結(jié)論：接入變壓器以后，輸出功率大大提高原因：滿足了最大功率輸出的條件：（2）將負(fù)載直接接到信號源上時，輸出功率為：3511.2.2變壓器的外特性與參數(shù)1.外特性

當(dāng)一次側(cè)電壓U1和負(fù)載功率因數(shù)cos2保持不變時，二次側(cè)輸出電壓U2和輸出電流I2的關(guān)系，U2=f(I2)U20：一次側(cè)加額定電壓、二次側(cè)開路時，二次側(cè)的輸出電壓

一般供電系統(tǒng)希望要硬特性（隨I2的變化，U2

變化不大），電壓變化率約在5%左右電壓變化率：cos2=0.8(感性）U2I2U20I2Ncos2=1O2.損耗和變壓器的效率()為減少渦流損耗，鐵心一般由導(dǎo)磁鋼片疊成變壓器的損耗包括兩部分：銅損(PCu)：繞組導(dǎo)線電阻的損耗渦流損耗：交變磁通在鐵心中產(chǎn)生的感

應(yīng)電流(渦流)造成的損耗磁滯損耗：磁滯現(xiàn)象引起鐵心發(fā)熱，造

成的損耗

鐵損(PFe

)：變壓器的效率為一般95%,負(fù)載為額定負(fù)載的(50~75)%時，最大輸出功率輸入功率額定電壓U1N、U2N

變壓器二次側(cè)開路（空載）時，一次、二次側(cè)繞組允許的電壓值單相：U1N，一次側(cè)電壓

U2N，二次側(cè)空載時的電壓三相：U1N、U2N，一次、二次側(cè)的線電壓額定電流I1N、I2N

變壓器滿載運行時，一次、二次側(cè)繞組允許的電流值單相：一次、二次側(cè)繞組允許的電流值三相：一次、二次側(cè)繞組線電流3.額定值38

額定容量SN

傳送功率的最大能力。單相：三相：容量SN

輸出功率P2

一次側(cè)輸入功率P1

輸出功率P2注意：變壓器幾個功率的關(guān)系（單相）效率容量：一次側(cè)輸入功率：輸出功率：變壓器運行時的功率取決于負(fù)載的性質(zhì)3.額定值3911.3三相異步電動機11.3.1結(jié)構(gòu)和原理定子部分：電動機固定不動部分，是磁路的一部分。其主要由機殼、定子鐵心、定子繞組和端蓋等組成定子繞組轉(zhuǎn)子軸承轉(zhuǎn)軸風(fēng)扇機殼機座端蓋軸承蓋轉(zhuǎn)子部分：電動機的轉(zhuǎn)動部分，也是磁路的一部分。其由轉(zhuǎn)子鐵心、轉(zhuǎn)子繞組、轉(zhuǎn)軸和風(fēng)扇等組成1.三相異步電機結(jié)構(gòu)40各種電動機外形41定子結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)422.旋轉(zhuǎn)磁場

異步電動機中,用旋轉(zhuǎn)磁場代替了旋轉(zhuǎn)磁極AYCBZX電流入“”“?”電流出iAiBiCt43AXYCBZNSBiAXBYCZAiCi三相繞組的合成磁場方向：豎直向下wt＝044=180otwXBZ0nAYCA=120otwXYCBZ0n同理分析，可得其它時刻的合成磁場方向=60otwAXYCBZ0nSN45旋轉(zhuǎn)方向：取決于三相電流的相序改變電機旋轉(zhuǎn)方向的方法：換接三相中的任意兩相旋轉(zhuǎn)磁場的旋轉(zhuǎn)方向46極對數(shù)（p）的概念BiAXBYCZAiCip＝1此時，合成磁場只有一對磁極，則極對數(shù)為1AXYCBZNS4.旋轉(zhuǎn)磁場轉(zhuǎn)速

47極對數(shù)（p）的改變C'Y'ABCXYZA'X'B'Z'AiBiCi

將每相繞組分成兩段，按右下圖放入定子槽內(nèi)。形成的磁場則是兩對磁極'X'AAXBY'B'YCZ'C'Z48極對數(shù)C'Y'ACXZA'X'B'Z'AiCiBiBYA'XX'ASNZC'Z'CBY'B'YNS49極對數(shù)和轉(zhuǎn)速的關(guān)系'A0nAZ'XXC'Z'CSN300SN'BY'YBOAZ'C'Z'B'X'Y'AYCXBNNSS50三相異步電動機旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速稱為同步轉(zhuǎn)速試問：當(dāng)電源頻率f=50Hz

(工頻電）,極對數(shù)p

=1，2，3時

n0=?

51電動機轉(zhuǎn)速和旋轉(zhuǎn)磁場同步轉(zhuǎn)速的關(guān)系電動機轉(zhuǎn)速n電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動方向與磁場旋轉(zhuǎn)的方向一致，但

n<n0無轉(zhuǎn)距旋轉(zhuǎn)磁場與轉(zhuǎn)子間無相對運動轉(zhuǎn)子導(dǎo)體不切割磁力線，無轉(zhuǎn)子電動勢無轉(zhuǎn)子電流試問：若n=n0（同步）會如何？52

轉(zhuǎn)差率（s）

轉(zhuǎn)差率為旋轉(zhuǎn)磁場的同步轉(zhuǎn)速和電動機轉(zhuǎn)速之差（相對值）的百分?jǐn)?shù)。即：異步電動機正常運行時:電動機啟動瞬間:n=0,s=1s=1~9%531、等效電路參數(shù)11.3.2電磁轉(zhuǎn)矩和機械特性一相轉(zhuǎn)子和定子電路

：主磁通產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢

：主磁通產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢e1e2、e

1e

2、設(shè)：則：定子邊：R1i1u1i2R2e1e

1e2e

2+-54同理可得轉(zhuǎn)子邊：R1i1u1i2R2e1e

1e2e

2+-f2：轉(zhuǎn)子感應(yīng)電動勢的頻率N2：轉(zhuǎn)子線圈匝數(shù)其中轉(zhuǎn)子功率因數(shù)轉(zhuǎn)子繞組（自身）電阻R1i1u1i2R2e1e

1e2e

2+-轉(zhuǎn)子電路電流56轉(zhuǎn)子電路特點1、f2、X2與E2都與轉(zhuǎn)差率s成正比2、I2隨著s的增加而增加

3、cosφ2

隨著s的增加而減小

4、轉(zhuǎn)子繞組一般是短接的57電磁轉(zhuǎn)矩T：轉(zhuǎn)子中各載流導(dǎo)體在旋轉(zhuǎn)磁場的作用下,因受到電磁力而形成的轉(zhuǎn)距之總和2、電磁轉(zhuǎn)矩其中：KT:與電機結(jié)構(gòu)有關(guān)的常數(shù)Φm:每極磁通I2:轉(zhuǎn)子電流:轉(zhuǎn)子電路的功率因數(shù)58將參數(shù)代入：得到轉(zhuǎn)矩公式：59機械特性根據(jù)轉(zhuǎn)矩公式，可得轉(zhuǎn)矩特性曲線T=f（s）10sn0Tn0由公式n=(1-s)n0，可得機械特性曲線n=f（T）60三個重要轉(zhuǎn)矩n0（1）額定轉(zhuǎn)矩TN

電機在額定電壓下，以額定轉(zhuǎn)速nN運行，輸出額定功率PN時，電機轉(zhuǎn)軸上輸出的轉(zhuǎn)矩

TnnN（N?m）61電機可短時過載運行，但不允許超過最大轉(zhuǎn)矩Tmax（2）最大轉(zhuǎn)矩Tmax

電機產(chǎn)生的最大電磁轉(zhuǎn)矩，也指電機短時過載能力n0Tn對轉(zhuǎn)矩公式求導(dǎo)，可得過載系數(shù)：例如三相異步電機62注意：

（1）三相異步機的Tmax和電壓的平方成正比，所以對電壓的波動很敏感，使用時要注意電壓的變化

（2）工作時，一定令負(fù)載轉(zhuǎn)矩TL<Tmax，否則電機將停轉(zhuǎn)。致使電機嚴(yán)重過熱63（3）啟動轉(zhuǎn)矩Tst

電機啟動瞬間的電磁轉(zhuǎn)矩n0Tn則Tst體現(xiàn)了電動機帶載啟動的能力，與電源電壓平方成正比。若Tst

<TL

,電機能啟動，否則將不能啟動根據(jù)電機轉(zhuǎn)矩公式，起動瞬間n=0(s=1)641、銘牌與技術(shù)數(shù)據(jù)（1）

型號Y132S－2磁極數(shù)(極對數(shù)p=1)

同步轉(zhuǎn)速？轉(zhuǎn)/分轉(zhuǎn)差率11.3.3三相異步電動機使用（2）轉(zhuǎn)速:電機軸上的轉(zhuǎn)速（n）

如：n=1440轉(zhuǎn)/分65（3）聯(lián)接方式：Y/接法：Y接法：

接法：ABCZXYABCZXYABCXYZAZBYXCABCXYZ接線盒：66（4）額定電壓：定子繞組在指定接法下應(yīng)加的線電壓規(guī)定：電動機的運行電壓一般不能高于或低于額定

值5％線電壓AZBYXC線電壓ABCXYZ例：380/220Y/是指線電壓為380V時采用Y接法；當(dāng)線電壓為220V時采用接法67（5）額定電流：定子繞組在指定接法下的線電流如：

表示三角接法下，電機的線電流為11.2A，相電流為6.48A；星形接法時線、相電流均為6.48A（6）額定功率：

額定功率指電機在額定運行時軸上輸出的功率P2,小于從電源吸收的功率P