《電工電子技術(shù)》課件第4章

第4章變壓器與電動(dòng)機(jī)4.1磁路及其分析方法4.2交流鐵芯線圈電路4.3變壓器4.4交流電動(dòng)機(jī)4.5直流電動(dòng)機(jī)*4.6特種電機(jī)小結(jié)習(xí)題

4.1磁路及其分析方法

早在公元前300年(戰(zhàn)國(guó)末年)，中國(guó)人就首先發(fā)現(xiàn)了磁鐵礦石吸引鐵片的現(xiàn)象。我國(guó)古代四大發(fā)明之一的指南針(也稱司南，如圖4-1所示)就是利用磁鐵磁場(chǎng)與地磁場(chǎng)相互作用，產(chǎn)生“指南”現(xiàn)象。最早發(fā)現(xiàn)的磁鐵是天然磁鐵礦，其成分是四氧化三鐵(Fe3O4)?，F(xiàn)代工業(yè)所用的磁鐵大多是由鐵、鈷、鎳及其合金制成的人造磁鐵。圖4-1司南磁鐵具有吸引鐵、鈷、鎳等物質(zhì)的性質(zhì)，具有南極(S)和北極(N)。兩塊磁鐵的磁極間有相互作用力存在，這種作用力稱為磁力。實(shí)驗(yàn)證明，同種磁極相互排斥，異種磁極相互吸引。地球是一個(gè)巨大的磁鐵，其地磁南極在地理北極附近，地磁北極在地理南極附近，且與地理南北極之間有一個(gè)地磁偏角。指南針就是利用磁針與地磁場(chǎng)的相互作用工作的。

1820年奧斯特(H.C.Oersted)首先發(fā)現(xiàn)了電流的磁效應(yīng)，如圖4-2所示，放在載流導(dǎo)線(即通有電流的導(dǎo)線)周圍的小磁針會(huì)受到力的作用而發(fā)生偏轉(zhuǎn)，若電流的方向發(fā)生變化，則磁針的偏轉(zhuǎn)也會(huì)改變。后來(lái)安培(A.M.Ampere)發(fā)現(xiàn)放在磁鐵附近的載流導(dǎo)線或載流線圈以及兩條載流導(dǎo)線之間，也都會(huì)因受到力的作用而發(fā)生運(yùn)動(dòng)。這些現(xiàn)象完全類同于磁鐵與磁鐵之間的作用力。圖4-2電流的磁效應(yīng)4.1.1磁場(chǎng)的基本物理量

磁場(chǎng)的特性可用以下幾個(gè)基本物理量來(lái)表示。

1．磁感應(yīng)強(qiáng)度

磁感應(yīng)強(qiáng)度B是表示磁場(chǎng)內(nèi)某點(diǎn)的磁場(chǎng)強(qiáng)弱和方向的物理量。它是一個(gè)矢量，它與電流(電流產(chǎn)生磁場(chǎng))之間的方向關(guān)系可用右手螺旋定則來(lái)判斷，其大小可用來(lái)衡量。

如果磁場(chǎng)內(nèi)各點(diǎn)的磁感應(yīng)強(qiáng)度的大小相等，方向相同，則稱這樣的磁場(chǎng)為均勻磁場(chǎng)。

2．磁通

磁感應(yīng)強(qiáng)度B(如果不是均勻磁場(chǎng)，則取B的平均值)與垂直于磁場(chǎng)方向的面積S的乘積，稱為通過(guò)該面積的磁通Φ，即

(4-1)

由式(4-1)可見(jiàn)，磁感應(yīng)強(qiáng)度在數(shù)值上可以看成與磁場(chǎng)方向相垂直的單位面積所通過(guò)的磁通，故又稱為磁通密度。根據(jù)電磁感應(yīng)定律的公式

(4-2)

可知，在國(guó)際單位制(SI)中，磁通的單位是伏·秒，通常稱為韋［伯］(Wb)。在國(guó)際單位制中，磁感應(yīng)強(qiáng)度的單位是特［斯拉］(T)，特［斯拉］也就是韋［伯］每平方米(Wb/m2)。

3．磁場(chǎng)強(qiáng)度

磁場(chǎng)強(qiáng)度H是計(jì)算磁場(chǎng)時(shí)所引用的一個(gè)物理量，也是矢量，通常通過(guò)它來(lái)確定磁場(chǎng)與電流之間的關(guān)系，即

(4-3)

式(4-3)是安培環(huán)路定律(或稱為全電流定律)的數(shù)學(xué)表示式。它是計(jì)算磁路的基本公式。下面以環(huán)形線圈為例，其中媒質(zhì)是均勻的，應(yīng)用式(4-3)來(lái)計(jì)算線圈內(nèi)部各點(diǎn)的磁場(chǎng)強(qiáng)度。取磁通作為閉合回線，且以其方向?yàn)榛鼐€的圍繞方向，于是所以

Hx×2πx=NI

即

(4-4)

式中，N是線圈的匝數(shù)；lx=2πx是半徑為x的圓周長(zhǎng)；Hx是半徑x處的磁場(chǎng)強(qiáng)度。

式(4-4)中，線圈匝數(shù)與電流的乘積NI稱為磁動(dòng)勢(shì)，用字母F代表，即

F＝NI

(4-5)

磁通就是由它產(chǎn)生的。它的單位是安［培］(A)。

4．磁導(dǎo)率

磁導(dǎo)率μ是一個(gè)用來(lái)表示磁場(chǎng)媒質(zhì)磁性的物理量，也就是用來(lái)衡量物質(zhì)導(dǎo)磁能力的物理量。它與磁場(chǎng)強(qiáng)度的乘積就等于磁感應(yīng)強(qiáng)度，即

B＝μH

(4-6)

當(dāng)線圈內(nèi)的媒質(zhì)不同時(shí)，磁導(dǎo)率μ不同，在同樣的電流值下，同一點(diǎn)的磁感應(yīng)強(qiáng)度的大小就不同，線圈內(nèi)的磁通也就不同了。由式(4-3)可知，磁場(chǎng)強(qiáng)度H的國(guó)際單位制單位是安每米(A/m)。

由式(4-6)得知，磁導(dǎo)率μ的國(guó)際單位制單位為

式中，歐·秒又稱亨［利］(H)，是電感的單位。由實(shí)驗(yàn)可測(cè)出，真空的磁導(dǎo)率:

μ0=4π×10－7H/m

因?yàn)檫@是一個(gè)常數(shù)，所以將其他物質(zhì)的磁導(dǎo)率與之比較是很方便的。

任意一種物質(zhì)的磁導(dǎo)率μ和真空的磁導(dǎo)率μ0的比值，稱為該物質(zhì)的相對(duì)磁導(dǎo)率μr，即

(4-7)4.1.2鐵磁材料的磁性能

1．高導(dǎo)磁性

鐵磁性物質(zhì)的磁導(dǎo)率很高(μr可達(dá)102~104數(shù)量級(jí))，它是工業(yè)生產(chǎn)中用于制造變壓器、電機(jī)、電器等各種電工設(shè)備的主要材料。在外磁場(chǎng)的作用下，其內(nèi)部的磁感應(yīng)強(qiáng)度大大增強(qiáng)，即發(fā)生了磁化。這是由于在鐵磁性物質(zhì)內(nèi)部存在著許多體積約為10－9cm3

的磁化小區(qū)域，稱為磁疇，在沒(méi)有外磁場(chǎng)作用時(shí)，這些磁疇的排列是無(wú)序的，它們所產(chǎn)生的磁場(chǎng)的平均值等于零，或者十分微弱，對(duì)外不顯示磁性，如圖4-3(a)所示。在一定強(qiáng)度的外磁場(chǎng)作用下，這些磁疇將順著外磁場(chǎng)的方向轉(zhuǎn)動(dòng)，作有序排列，顯示出很強(qiáng)的磁性，形成磁化磁場(chǎng)，使鐵磁性物質(zhì)內(nèi)的磁感應(yīng)強(qiáng)度大大增強(qiáng)，如圖4-3(b)所示。這就是鐵磁性物質(zhì)在外磁場(chǎng)作用下所發(fā)生的磁化現(xiàn)象。圖4-3鐵磁性物質(zhì)的磁化

2．磁飽和性

鐵磁性物質(zhì)的磁飽和性體現(xiàn)為因磁化所產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)度B不會(huì)隨外在磁場(chǎng)的增強(qiáng)而無(wú)限增強(qiáng)。因?yàn)楫?dāng)外磁場(chǎng)(或勵(lì)磁電流)增大到一定值時(shí)，其內(nèi)部所有的磁疇已基本上轉(zhuǎn)向與外磁場(chǎng)一致的方向，所以，當(dāng)外部磁場(chǎng)再增大時(shí)，其磁性不再繼續(xù)增大。這種現(xiàn)象叫做磁飽和性。

利用實(shí)驗(yàn)方法，我們可以測(cè)繪出鐵磁性物質(zhì)的磁感應(yīng)強(qiáng)度B與磁場(chǎng)強(qiáng)度H之間的關(guān)系曲線，稱為磁化曲線(B－H曲線)，如圖4-4所示。從圖中可以看出，B－H曲線大致可分為

4段，其中Oa段磁感應(yīng)強(qiáng)度B隨磁場(chǎng)強(qiáng)度H增加較慢；ab段磁感應(yīng)強(qiáng)度B隨磁場(chǎng)強(qiáng)度H近似成正比例增加；b點(diǎn)以后B隨H的增加速度逐漸慢下來(lái)，媒質(zhì)趨向于飽和；過(guò)了c點(diǎn)以后，其磁化曲線變成近似一條直線，且與真空或者非磁性材料的磁化曲線B0－H平行。工程上稱a點(diǎn)為附點(diǎn)，b點(diǎn)為膝點(diǎn)，c點(diǎn)為飽和點(diǎn)。圖4-4

B、μ與H的關(guān)系由于鐵磁材料的B和H的關(guān)系是非線性的，因此由B=μH的關(guān)系可知，其磁導(dǎo)率μ的數(shù)值也隨磁場(chǎng)強(qiáng)度H的變化而變化，見(jiàn)圖4-4中的曲線μ－H。鐵磁材料在磁化起始的Oa段和進(jìn)入飽和以后，μ值均不大，在膝點(diǎn)附近μ達(dá)到最大值，所以工程上通常要求鐵磁材料工作在膝點(diǎn)附近。

3．磁滯性

磁滯性表現(xiàn)為鐵磁性物質(zhì)在交變磁場(chǎng)中反復(fù)磁化時(shí)，磁感應(yīng)強(qiáng)度B的變化滯后于磁場(chǎng)強(qiáng)度H的變化。由實(shí)驗(yàn)得到的磁滯回線如圖4-5所示。當(dāng)H增大時(shí)，B按照一條磁化曲線(Oa)增長(zhǎng)。當(dāng)鐵磁質(zhì)磁化到一定程度，即達(dá)到飽和磁化強(qiáng)度+Bs后(圖中的a點(diǎn))，再逐漸使H減弱而使鐵磁質(zhì)退磁時(shí)，B雖相應(yīng)地減小，但按照另一條曲線ab下降，而ab曲線的位置比Oa曲線高，即在退磁過(guò)程中B比磁化過(guò)程中同一H值所對(duì)應(yīng)的B值大。圖4-5鐵磁性物質(zhì)的磁滯回線這表明磁感應(yīng)強(qiáng)度的變化要落后于外加磁場(chǎng)強(qiáng)度的變化，鐵磁質(zhì)的這種特性叫做磁滯性。當(dāng)H減小到零時(shí)，鐵磁質(zhì)仍然保留部分磁性，稱為剩磁，b點(diǎn)表示剩余磁感應(yīng)強(qiáng)度。若要使剩磁減小到零，就必須改變磁場(chǎng)強(qiáng)度的方向。在反方向磁場(chǎng)強(qiáng)度(即－H)由零增加至某一數(shù)值(圖中的c點(diǎn))時(shí)，B下降為零，這時(shí)鐵磁質(zhì)的磁性消失，c點(diǎn)對(duì)應(yīng)的磁場(chǎng)強(qiáng)度Hc叫做矯頑力。反向磁場(chǎng)繼續(xù)增加，鐵磁質(zhì)將發(fā)生反向磁化，按曲線cd出現(xiàn)反方向的磁感應(yīng)強(qiáng)度(即－B)。達(dá)到d點(diǎn)時(shí)即處于飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度－Bs，此后如果再把反向磁場(chǎng)強(qiáng)度減小到零，就得到反向的剩磁(b′點(diǎn))，最后再改變H的方向，并逐漸增大，沿b′c′a回到點(diǎn)a。這樣鐵磁質(zhì)在反復(fù)磁化時(shí)，B－H曲線可用封閉曲線abcdb′c′a表示，這一閉合曲線稱為磁滯回線。4.1.3鐵磁材料及其在工程上的應(yīng)用

1.軟磁材料

軟磁材料的磁滯回線見(jiàn)圖4-6(a)。由圖可見(jiàn)，這種材料矯頑力小，剩磁感應(yīng)強(qiáng)度小，磁滯回線所圍面積小，交變磁化過(guò)程中磁滯損耗小。硅鋼、鑄鐵、玻莫合金等都屬于軟磁材料，常用于制造電機(jī)、變壓器、電磁鐵等各種交流電氣設(shè)備的鐵芯。利用軟磁材料制成的電磁鐵在工程上應(yīng)用極為廣泛，它是將導(dǎo)線繞在圓柱形鐵芯上而制成的，使用時(shí)利用導(dǎo)線中通過(guò)的勵(lì)磁電流，使鐵芯磁化方向與電流所激發(fā)的磁場(chǎng)方向相同，總磁場(chǎng)即為鐵芯產(chǎn)生的磁場(chǎng)和勵(lì)磁電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)相疊加，這比電流的磁場(chǎng)可能大幾千倍，即鐵芯的作用大大增強(qiáng)了電流的磁場(chǎng)。撤去勵(lì)磁電流，鐵芯退磁，鐵芯只有很小的剩磁。利用電磁鐵可以開(kāi)動(dòng)各種機(jī)械裝置(例如開(kāi)關(guān)、閥門等)、控制電路等。由電磁鐵開(kāi)動(dòng)的開(kāi)關(guān)叫做繼電器。

2.永磁材料

永磁材料的特點(diǎn)是磁滯回線較寬，剩磁感應(yīng)強(qiáng)度和矯頑力都較大，見(jiàn)圖4-6(b)。這種材料需要較強(qiáng)的外加磁場(chǎng)才能被磁化，去掉外加磁場(chǎng)后磁性不易消失，如碳鋼、鈷鋼、鋁鎳鈷合金等，適用于制造永久磁鐵，如永磁式揚(yáng)聲器及小型直流電機(jī)中的磁極等。圖4-6不同磁性材料的磁滯回線

3.矩磁材料

矩磁材料的磁滯回線接近矩形，見(jiàn)圖4-6(c)。其剩磁感應(yīng)強(qiáng)度接近飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度，而矯頑力比較小，易于磁化和翻轉(zhuǎn)。將矩磁材料在不同方向的外磁場(chǎng)中磁化后，若撤去外磁場(chǎng)，則具有接近+Bs和－Bs的兩種不同的剩余磁感應(yīng)強(qiáng)度。在計(jì)算機(jī)技術(shù)中通常采用二進(jìn)制，只需要0和1兩個(gè)數(shù)碼，而矩磁材料的這兩種剩磁狀態(tài)+Bs和－Bs就可以分別代表這兩個(gè)數(shù)碼。在電子計(jì)算機(jī)中，常用矩磁材料制成的環(huán)形磁芯作為存儲(chǔ)元件。若沿一定方向的磁場(chǎng)使元件磁化，則在撤去磁場(chǎng)后，元件將永久儲(chǔ)存這兩種剩磁狀態(tài)，起記憶的作用。表4-1和表4-2分別列出了軟磁材料、永磁材料的品種、主要特點(diǎn)和應(yīng)用場(chǎng)合。4.1.4電磁鐵

電磁鐵是利用通電線圈鐵芯吸引銜鐵而工作的一種電器，常用來(lái)操縱牽引機(jī)械裝置以完成預(yù)期的動(dòng)作，或用于鋼鐵零件的吸持固定、鐵磁物件的搬運(yùn)等，同時(shí)電磁鐵又是構(gòu)成各種電磁型開(kāi)關(guān)、電磁閥門和繼電器的基本部件。

圖4-7是電磁鐵的幾種常見(jiàn)結(jié)構(gòu)形式，它們都是由線圈、鐵芯和銜鐵三個(gè)基本部分構(gòu)成的。工作時(shí)線圈通入勵(lì)磁電流，在鐵芯中產(chǎn)生磁場(chǎng)，銜鐵即被吸引；斷電時(shí)磁場(chǎng)消失，銜鐵即被釋放。圖4-7電磁鐵的結(jié)構(gòu)

4.2交流鐵芯線圈電路

4.2.1電磁關(guān)系

圖4-8是交流鐵芯線圈。線圈的匝數(shù)為N，當(dāng)在線圈兩端加上正弦交流電壓u時(shí)，就有交變勵(lì)磁電流i流過(guò)。在交變磁動(dòng)勢(shì)的作用下產(chǎn)生交變的磁通，其中大部分通過(guò)鐵芯而閉合，這部分磁通稱為主磁通Φ，但還有很小部分從附近空氣隙中通過(guò)而閉合，這部分磁通稱為漏磁通Φσ。這兩種交變的磁通都將在線圈中產(chǎn)生感生電動(dòng)勢(shì)，即主磁電動(dòng)勢(shì)e和漏磁電動(dòng)勢(shì)eσ，它們與磁通的參考方向之間符合右手螺旋關(guān)系。圖4-8交流鐵芯線圈由基爾霍夫電壓定律可得鐵芯線圈中電流、電壓與電動(dòng)勢(shì)的關(guān)系為

由于線圈電阻上的壓降iR和漏磁電動(dòng)勢(shì)eσ都很小，與主磁電動(dòng)勢(shì)e相比較都可以忽略不計(jì)，因此上式可寫為因?yàn)槁┐磐ㄖ饕唤?jīng)過(guò)鐵芯，所以可以認(rèn)為勵(lì)磁電流i與Φσ之間為線性關(guān)系，鐵芯線圈的漏電感為

主磁通通過(guò)鐵芯，由于鐵磁材料磁化的非線性，Φ與i之間為非線性關(guān)系，鐵芯線圈的主磁電感L不是一個(gè)常數(shù)。因此，鐵芯線圈是一個(gè)非線性電感器件。設(shè)主磁通Φ=Φmsin(ωt)，則

式中，Em=2πfNΦm是主磁電動(dòng)勢(shì)e的最大值，其有效值為

故u≈－e=Emsin(ωt+90°)?？梢?jiàn)，外加電壓的相位超前鐵芯中磁通90°，而外加電壓的有效值為

(4-8)

式中，Φm

是鐵芯中磁通的最大值，單位是韋伯(Wb)；f的單位是赫茲(Hz)；U的單位是伏特(V)。4.2.2功率損耗

1.磁滯損耗ΔPh

鐵磁物質(zhì)交變磁化的磁滯現(xiàn)象所產(chǎn)生的鐵損稱為磁滯損耗，用ΔPh表示。它是由于鐵磁物質(zhì)內(nèi)部磁疇反復(fù)轉(zhuǎn)向，磁疇間相互摩擦引起鐵芯發(fā)熱而造成的。鐵芯單位體積內(nèi)每周期產(chǎn)生的磁滯損耗與磁滯回線所包圍的面積成正比。為了減小磁滯損耗，交流鐵芯均由軟磁材料制成。

2.渦流損耗ΔPe

鐵磁性物質(zhì)不僅有導(dǎo)磁能力，還有導(dǎo)電能力，因而在交變磁通的作用下，鐵芯內(nèi)將產(chǎn)生感生電動(dòng)勢(shì)和感生電流。感生電流在垂直于磁通的鐵芯平面內(nèi)圍繞磁力線呈旋渦狀，故稱為渦流。渦流使鐵芯發(fā)熱，其功率損耗稱為渦流損耗，用ΔPe表示。

4.3變壓器

4.3.1變壓器的工作原理

1.變壓器的結(jié)構(gòu)

變壓器由鐵芯和繞組兩部分構(gòu)成。圖4-9為變壓器的示意圖和電路符號(hào)。這是一個(gè)簡(jiǎn)單的雙繞組變壓器，在一個(gè)閉合鐵芯上有兩套繞組，繞組與繞組之間以及繞組與鐵芯之間都是絕緣的，它們之間靠磁鏈相互聯(lián)系，所以變壓器也具有電氣隔離的作用。圖4-9變壓器

2.變壓器的工作原理

1)電動(dòng)勢(shì)關(guān)系

由于變壓器鐵芯磁路中有同一個(gè)交變磁場(chǎng)，所以原、副線圈中具有相同的ΔΦ/Δt。根據(jù)電磁感應(yīng)定律有

(4-9)

所以

(4-10)

2)電壓關(guān)系

如果不計(jì)原、副線圈的電阻及漏磁損耗，則有

U1=E1，U2=E2

(4-11)

所以

(4-12)

3)電流關(guān)系

忽略一、二次繞組的漏感及線圈電阻壓降，根據(jù)能量守恒原則，二次側(cè)消耗的能量只能靠一次側(cè)從電源處獲得，即二次側(cè)為負(fù)載提供的功率和一次側(cè)從電源處得到的功率相等，即

U1I1=U2I2

(4-13)

所以變壓器一、二次側(cè)的電流有效值之比為

(4-14)

4)阻抗變換關(guān)系

變壓器除了能起變換電壓、變換電流、隔離電路的作用之外，它還有變換負(fù)載阻抗的作用，以實(shí)現(xiàn)“匹配”。

在圖4-10中，負(fù)載阻抗模|Z|接在變壓器副邊，而圖中的虛線框部分可以用一個(gè)阻抗模|Z′|來(lái)等效代替。所謂等效，就是輸入電路的電壓、電流和功率不變。也就是說(shuō)，直接接在電源上的阻抗模|Z′|和接在變壓器副邊的負(fù)載阻抗模|Z|是等效的。兩者的關(guān)系可通過(guò)下面的計(jì)算得出。圖4-10負(fù)載阻抗的等效變換根據(jù)式(4-14)可得出

由圖4-10可知

代入則得

(4-15)

【例4-1】在圖4-10中,交流信號(hào)源的電動(dòng)勢(shì)E＝120V,內(nèi)阻R0＝800Ω，負(fù)載電阻RL＝8Ω。

(1)當(dāng)RL折算到原邊的等效電阻RL′＝R0時(shí)，求變壓器的匝數(shù)比和信號(hào)源輸出的功率；

(2)當(dāng)將負(fù)載直接與信號(hào)源連接時(shí)，信號(hào)源輸出多大功率？

解

(1)變壓器的匝數(shù)比應(yīng)為

信號(hào)源的輸出功率為

(2)當(dāng)將負(fù)載直接接在信號(hào)源上時(shí)，有4.3.2三相電力變壓器

1.三相電力變壓器的結(jié)構(gòu)

三相油浸式電力變壓器的外形如圖4-11所示。其基本結(jié)構(gòu)可分成以下幾個(gè)部分：鐵芯、繞組、絕緣套管、油箱及其他附件等。鐵芯和繞組是變壓器的主要部件，稱為器身。器身放在油箱內(nèi)部。圖4-11三相油浸式電力變壓器

1)鐵芯

鐵芯是變壓器的主磁路。電力變壓器的鐵芯主要采用芯式結(jié)構(gòu)，它將A、B、C三相的繞組分別放在三個(gè)鐵芯柱上，三個(gè)鐵芯柱由上、下兩個(gè)鐵軛連接起來(lái)，構(gòu)成閉合磁路。

2)繞組

繞組是變壓器的電路部分，它由銅或鋁的絕緣導(dǎo)線繞制而成。為了便于絕緣，低壓繞組靠近鐵芯柱，高壓繞組套在低壓繞組外面。

三相變壓器一、二次側(cè)繞組可根據(jù)需要分別接成星形或三角形。三相電力變壓器常見(jiàn)的連接方式是Y-yn(即Y-Y0)和Y-d(即Y-△)，如圖4-12所示。其中，Y-yn連接常用于車間配電變壓器，yn表示有中性線引出的星形連接，這種接法不僅給用戶提供了三相電源，同時(shí)還提供了單相電源，通常使用的動(dòng)力和照明混合供電的三相四線制系統(tǒng)就是用這種連接方式的變壓器供電的；Y-d連接的變壓器主要用在變電站用于升壓或降壓。圖4-12三相變壓器繞組的連接方式

3)油箱

油浸式變壓器均有一個(gè)油箱，裝入變壓器油后，將組裝好的器身裝入其中，以保證變壓器正常工作。變壓器油用于加強(qiáng)變壓器內(nèi)部的絕緣強(qiáng)度和散熱作用。

4)儲(chǔ)油柜

變壓器在運(yùn)行中，隨著油溫的變化，油的體積會(huì)膨脹或收縮，為了減少油與外界空氣的接觸面積，減小變壓器受潮和氧化的概率，通常在變壓器上部安裝一個(gè)儲(chǔ)油柜(俗稱油枕)。

5)呼吸器

隨著負(fù)荷和氣溫的變化，各變壓器中的油溫不斷變化，這樣油枕內(nèi)的油位隨著整個(gè)變壓器中油的膨脹或收縮而發(fā)生變化。為了使潮氣不進(jìn)入油枕，通常將油枕用一個(gè)管子從上部連通到一個(gè)內(nèi)裝硅膠的干燥器(俗稱呼吸器)中。硅膠對(duì)空氣中的水份具有很強(qiáng)的吸附作用，在干燥狀態(tài)下為藍(lán)色，吸潮飽和后變?yōu)榉奂t色，吸潮的硅膠可以通過(guò)再生后重復(fù)使用。

6)絕緣套管

變壓器繞組的引出線從油箱內(nèi)部引到箱外時(shí)必須經(jīng)過(guò)絕緣套管，使引線與油箱絕緣。絕緣套管一般是陶瓷的，其結(jié)構(gòu)取決于電壓等級(jí)。1kV以下采用實(shí)心磁套管，10～35kV采用空心充氣或充油式套管，110kV及以上采用電容式套管。為了增大外表面放電距離，套管外形做成多級(jí)傘形裙邊。電壓等級(jí)越高，級(jí)數(shù)越多。

7)分接開(kāi)關(guān)

變壓器常通過(guò)改變繞組匝數(shù)來(lái)調(diào)壓。一般從變壓器的高壓繞組引出若干抽頭，稱為分接頭。用以切換分接頭的裝置叫分接開(kāi)關(guān)。分接開(kāi)關(guān)分為無(wú)載調(diào)壓和有載調(diào)壓兩種。前者必須在變壓器停電的情況下切換；后者可以在變壓器帶負(fù)載的情況下進(jìn)行切換。分接開(kāi)關(guān)安裝在油箱內(nèi)，其控制箱在油箱外。有載調(diào)壓分接開(kāi)關(guān)內(nèi)的變壓器油是完全獨(dú)立的，它也有配套的油箱、瓦斯繼電器、呼吸器。

8)氣體繼電器

氣體繼電器又稱為瓦斯繼電器，是變壓器的一種保護(hù)裝置，安裝在油箱與儲(chǔ)油柜的連接管道中，當(dāng)變壓器內(nèi)部發(fā)生故障(如絕緣擊穿、匝間短路、鐵芯事故、油箱漏油使油面下降較多等)時(shí)產(chǎn)生的氣體和油流迫使氣體繼電器動(dòng)作。輕者發(fā)出信號(hào)，以便運(yùn)行人員及時(shí)處理；重者使斷路器跳閘，以保護(hù)變壓器。

9)油表

變壓器的油表和油枕是一個(gè)連通器結(jié)構(gòu)，用于監(jiān)視油枕的油位。根據(jù)環(huán)境溫度的不同，一般有三個(gè)標(biāo)準(zhǔn)油位。若油面低于標(biāo)識(shí)位置，則說(shuō)明需要添加變壓器油。

2.變壓器的銘牌及額定值

每臺(tái)變壓器都有一個(gè)銘牌，上面標(biāo)注有型號(hào)、額定值及其他數(shù)據(jù)，便于用戶了解變壓器的運(yùn)行性能。某變壓器的銘牌如圖4-13所示。圖4-13電力變壓器的銘牌

1)額定容量SN

額定容量是變壓器額定工作條件下輸出能力的保證值，是額定視在功率，單位有伏安(V·A)、千伏安(kV·A)和兆伏安(MV·A)。

一般容量在630kV·A以下的為小型電力變壓器；800~6300kV·A的為中型電力變壓器；8000~63000kV·A

的為大型電力變壓器；90000kV·A及以上的為特大型電力

變壓器。

2)額定電壓U1N/U2N

額定電壓均指線值電壓。原邊額定電壓U1N指電源加在原繞組上的額定電壓；副邊額定電壓U2N指原邊加額定電壓、副邊空載時(shí)副繞組的端電壓，單位有伏(V)和千伏(kV)。

3)額定電流I1N/I2N

額定電流均指線值電流。原、副邊額定電流是指在額定容量和額定電壓時(shí)允許長(zhǎng)期通過(guò)的電流，單位為安(A)。

4)額定頻率fN

額定頻率指工業(yè)用電頻率，我國(guó)規(guī)定為50Hz。變壓器的額定容量、額定電壓、額定電流之間的關(guān)系為4.3.3特殊變壓器

1．自耦變壓器

自耦變壓器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是副繞組為原繞組的一部分。原、副繞組電壓之比和電流之比為

實(shí)驗(yàn)室中常用的調(diào)壓器就是一種可改變副繞組匝數(shù)的自耦變壓器，其原理示意圖如圖4-14所示。圖4-14調(diào)壓器的原理示意圖

2．電流互感器

電流互感器是根據(jù)變壓器的原理制成的。它主要用來(lái)擴(kuò)大測(cè)量交流電流的量程，因?yàn)樵跍y(cè)量交流電路的大電流(如容量較大的電動(dòng)機(jī)、工頻爐、焊機(jī)等)時(shí)，通常電流表的量程是不夠的。

此外，使用電流互感器也是為了使測(cè)量?jī)x表與高壓電路隔開(kāi)，以保證人身與設(shè)備的安全。

電流互感器的接線圖及其符號(hào)如圖4-15(a)所示。圖中，原繞組的匝數(shù)很少(只有一匝或幾匝)，它串聯(lián)在被測(cè)電路中；副繞組的匝數(shù)較多，它與電流表或其他儀表及繼電器的電流線圈相連接。圖4-15電流互感器和測(cè)流鉗根據(jù)變壓器原理，可認(rèn)為

(4-16)

或

(4-17)

式中，Ki是電流互感器的變換系數(shù)。4.3.4變壓器繞組的極性

在使用變壓器或者其他有磁耦合的互感線圈時(shí)，要注意線圈應(yīng)正確連接。譬如，一臺(tái)變壓器的原繞組有相同的兩個(gè)繞組，如圖4-16中的1-2和3-4所示。當(dāng)接到220V的電源上時(shí)，兩繞組串聯(lián)，如圖4-16(b)所示；當(dāng)接到110V的電源上時(shí)，兩繞組并聯(lián)，如圖4-14(c)所示。如果連接錯(cuò)誤，譬如串聯(lián)時(shí)將2和4兩端連在一起，將1和3兩端接電源，則兩個(gè)繞組的磁通勢(shì)互相抵消，鐵芯中不產(chǎn)生磁通，繞組中也就沒(méi)有感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，繞組中將流過(guò)很大的電流，把變壓器燒毀。圖4-16變壓器原繞組的正確連接為了正確連接，我們?cè)诰€圈上標(biāo)以記號(hào)“·”。標(biāo)有“·”號(hào)的兩端稱為同極性端，如圖4-16中的1和3是同極性端，2和4也是同極性端。當(dāng)電流從兩個(gè)線圈的同極性端流入(或流出)時(shí)，產(chǎn)生的磁通的方向相同；當(dāng)磁通變化(增大或減小)時(shí)，在同極性端感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的極性也相同。在圖4-16中，繞組中的電流正在增大，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)e的極性(或方向)如圖中所示。如果將其中一個(gè)線圈反繞，如圖4-17所示，則1和4兩端應(yīng)為同極性端。串聯(lián)時(shí)應(yīng)將2和4兩端連在一起?？梢?jiàn)，哪兩端是同極性端，還和線圈繞向有關(guān)。只要已知線圈繞向，同極性端就不難確定。圖4-17線圈反繞

4.4交流電動(dòng)機(jī)

4.4.1三相異步電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)

1.定子

電動(dòng)機(jī)定子由支撐定子鐵芯的鋼制機(jī)座、定子鐵芯和定子繞組線圈組成。定子鐵芯是電動(dòng)機(jī)磁路的組成部分，為了減少鐵損，鐵芯由0.5mm厚的硅鋼片疊成圓筒狀，圓筒內(nèi)表面均勻分布的槽用以嵌放定子繞組。

三相異步電機(jī)具有三相對(duì)稱的定子繞組，定子繞組采用高強(qiáng)度漆包線包繞而成，三相繞組的六個(gè)出線端通過(guò)機(jī)座的接線盒接到三相電源上。根據(jù)銘牌規(guī)定，定子繞組可接成星形或三角形，如圖4-18所示。圖4-18定子繞組的連接

2.轉(zhuǎn)子

電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子由轉(zhuǎn)子鐵芯、轉(zhuǎn)子繞組和轉(zhuǎn)軸組成。

轉(zhuǎn)子鐵芯由表面沖槽的硅鋼片疊成圓柱形。轉(zhuǎn)子鐵芯裝在轉(zhuǎn)軸上，轉(zhuǎn)軸拖動(dòng)機(jī)械負(fù)載。轉(zhuǎn)子、氣隙和定子鐵芯構(gòu)成了一個(gè)電動(dòng)機(jī)的完整磁路。

異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子有兩種形式：鼠籠式轉(zhuǎn)子和繞線式轉(zhuǎn)子。

鼠籠式轉(zhuǎn)子是在轉(zhuǎn)子鐵芯槽里插入銅條，再將全部銅條兩端焊在兩個(gè)銅端環(huán)上，以構(gòu)成閉合回路。抽去轉(zhuǎn)子鐵芯，剩下的銅條及其兩邊的端環(huán)其形狀像個(gè)鼠籠，故稱為鼠籠式電動(dòng)機(jī)。為了節(jié)省銅材，現(xiàn)在中小容量的鼠籠式電動(dòng)機(jī)是在轉(zhuǎn)子鐵芯的槽中澆注鋁液鑄成籠形導(dǎo)體，同時(shí)在滑環(huán)上鑄出多片風(fēng)葉作為散熱用的風(fēng)扇，以代替銅制籠形導(dǎo)體。繞線式轉(zhuǎn)子同電動(dòng)機(jī)的定子一樣，都是在鐵芯的槽中嵌入三相繞組，三相繞組的一端連成Y形，另一端分別連接在三個(gè)銅制的滑環(huán)上，集電環(huán)固定在轉(zhuǎn)軸上，三個(gè)環(huán)之間及環(huán)與轉(zhuǎn)軸之間相互絕緣，在滑環(huán)上用彈簧壓著電刷與外電路連接，以便改善電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)和調(diào)速特性，如圖4-19所示。圖4-19繞線式異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子4.4.2三相異步電動(dòng)機(jī)的工作原理

1.異步電動(dòng)機(jī)中的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)

1)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的生成

由上面的分析可知，若要異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，首先應(yīng)當(dāng)有一個(gè)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。在實(shí)際中應(yīng)用的異步電動(dòng)機(jī)，是不可能使用一個(gè)旋轉(zhuǎn)的永久磁鐵來(lái)產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的。它的磁場(chǎng)是由三相對(duì)稱交流電流通入靜止的三相對(duì)稱繞組而產(chǎn)生的空間旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。通常我們?cè)谌喈惒诫妱?dòng)機(jī)的定子鐵芯中對(duì)稱放置三相繞組AX、BY和CZ，將三相繞組作星形連接，并接在三相正弦交流電源上，通入三相對(duì)稱電流：為了簡(jiǎn)化起見(jiàn)，設(shè)每相繞組只有一個(gè)線匝，三個(gè)繞組分別嵌放在定子鐵芯圓周空間位置上互差120°對(duì)稱分布的6個(gè)凹槽之中。取繞組始端到末端的方向作為電流的參考方向。在電流的正半周時(shí)，其值為正，其實(shí)際方向與參考方向一致；在負(fù)半周時(shí)，其值為負(fù)，其實(shí)際方向與參考方向相反。當(dāng)ωt=0°時(shí)，定子繞組中的電流方向如圖4-20(a)所示。這時(shí)iA=0，iB為負(fù)值，其方向與參考方向相反，即從Y端流入，從B端流出，iC為正值，其方向與參考方向一致，即從C端流入，從Z端流出。根據(jù)電流的流向，應(yīng)用右手螺旋定則，由iC和iB產(chǎn)生的合成磁場(chǎng)如圖4-20(a)所示。合成磁場(chǎng)對(duì)定子鐵芯內(nèi)表面而言，上方相當(dāng)于N極，下方相當(dāng)于S極，即兩個(gè)磁極，也稱為一對(duì)極。通常用P表示磁極對(duì)數(shù)，即P=1。此時(shí)合成磁場(chǎng)的方向是自上而下。圖4-20旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的生成當(dāng)ωt=120°時(shí)，定子繞組中電流的方向和三相電流的合成磁場(chǎng)的方向如圖4-20(b)所示，這時(shí)的合成磁場(chǎng)已在空間轉(zhuǎn)過(guò)了120°。

同理，可得當(dāng)ωt=240°時(shí)的三相電流的合成磁場(chǎng)比ωt=120°時(shí)的合成磁場(chǎng)在空間又轉(zhuǎn)過(guò)了120°，如圖4-20(c)

所示。

當(dāng)ωt=360°時(shí)，三相電流的合成磁場(chǎng)比ωt=240°時(shí)的合成磁場(chǎng)在空間又轉(zhuǎn)過(guò)了120°，如圖4-20(d)所示。此時(shí)的合成磁場(chǎng)同ωt=0°時(shí)的方向一致，合成磁場(chǎng)完成了一周的旋轉(zhuǎn)，進(jìn)入下一個(gè)周期的旋轉(zhuǎn)。綜上所述，當(dāng)三相對(duì)稱的定子繞組通入三相對(duì)稱電流時(shí)，將在電機(jī)中產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。當(dāng)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)為一對(duì)極時(shí)，電流變化角度為360°，合成磁場(chǎng)在空間旋轉(zhuǎn)360°。旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的極對(duì)數(shù)P與定子繞組的排列有關(guān)。通過(guò)適當(dāng)安排，可以生成兩對(duì)極、三對(duì)極等極對(duì)數(shù)的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，如圖4-21所示。圖4-21

P=2時(shí)的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)

2)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)速

根據(jù)上述分析可知，電流變化一個(gè)周期，兩極旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)在空間旋轉(zhuǎn)一周。若電流的頻率為f，則旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)轉(zhuǎn)速為每秒f轉(zhuǎn)。以n0表示旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)每分鐘轉(zhuǎn)速(r/min)，則

n0=60f

當(dāng)P=2時(shí)，可以證明，電流變化一個(gè)周期，合成磁場(chǎng)在空間只旋轉(zhuǎn)180°，其轉(zhuǎn)速為

n0=0.5×60f

由此可以推廣到P對(duì)極的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)轉(zhuǎn)速為

(4-18)由式(4-18)可知，旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)速n0(亦稱為同步速)取

決于電源的頻率和電動(dòng)機(jī)的磁極對(duì)數(shù)P。我國(guó)的電源頻率為

50Hz。表4-3列出了不同電機(jī)磁極對(duì)數(shù)所對(duì)應(yīng)的同步速。

3)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的方向

旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的方向取決于通入三相繞組中電流的相序。由圖4-22可以看出，當(dāng)通入三相繞組AX、BY、CZ中的電流依次為iA→iB→iC時(shí)，旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)沿順時(shí)針旋轉(zhuǎn)。如果把三根電源線中的任意兩根對(duì)調(diào)，以改變通入三相繞組中電流的相序，例如使CZ繞組中通入電流iB，BY繞組中通入電流iC，AX繞組中電流不變，仍然通入電流iA，如圖4-22所示，則由分析可知，此時(shí)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的方向?yàn)槟鏁r(shí)針?lè)较?。圖4-22旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的反轉(zhuǎn)

2.異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)理

圖4-23(a)是兩極三相異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)原理示意圖。設(shè)磁場(chǎng)以同步速n0順時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)，于是轉(zhuǎn)子導(dǎo)條與磁場(chǎng)之間產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，相當(dāng)于磁場(chǎng)靜止轉(zhuǎn)子導(dǎo)條以逆時(shí)針?lè)较蚯懈畲鸥袘?yīng)線而產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，又由于導(dǎo)條端部由短路環(huán)連通而形成閉合電路，因此導(dǎo)條中形成感應(yīng)電流，方向如圖4-23(a)所示。載流導(dǎo)條在磁場(chǎng)中受安培力F的作用，形成電磁轉(zhuǎn)矩，在轉(zhuǎn)矩作用下，轉(zhuǎn)子沿旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的方向轉(zhuǎn)動(dòng)。異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)原理可以用圖4-23(b)來(lái)說(shuō)明。圖4-23異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)示意圖通常把同步速n0與轉(zhuǎn)速n的差與n0之比稱為轉(zhuǎn)差率，用s

表示:

(4-19)

轉(zhuǎn)差率是描述異步電動(dòng)機(jī)運(yùn)行特性的重要物理量。在電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)瞬間，n=0，s=1，轉(zhuǎn)差率最大；空載運(yùn)行時(shí)，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速最高，轉(zhuǎn)差率最?。活~定負(fù)載運(yùn)行時(shí)，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速要低于空載轉(zhuǎn)速sN，大約為0.01~0.07。4.4.3三相異步電動(dòng)機(jī)的工作特性

1.電磁轉(zhuǎn)矩

由異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)理可知，驅(qū)動(dòng)電機(jī)旋轉(zhuǎn)的電磁轉(zhuǎn)矩是轉(zhuǎn)子導(dǎo)條中的感應(yīng)電流I2與旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的每極磁通Φ相互作用產(chǎn)生的。因此，電磁轉(zhuǎn)矩的大小與I2和Φ成正比?？梢宰C明，異步電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩可表示為

(4-20)

式中，KT為與電機(jī)結(jié)構(gòu)相關(guān)的常數(shù)，U1為定子繞組的相電壓，s是轉(zhuǎn)差率，R2是轉(zhuǎn)子電路每相電阻，X20是電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)

時(shí)(轉(zhuǎn)子尚未轉(zhuǎn)起來(lái))的轉(zhuǎn)子感抗。

2.機(jī)械特性

實(shí)際工作中，常用異步電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性n=f(T)來(lái)分析

問(wèn)題。機(jī)械特性反應(yīng)了轉(zhuǎn)速n與電磁轉(zhuǎn)矩之間的函數(shù)關(guān)系。

圖4-24為異步電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性曲線。

電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩與定子相電壓U1的平方成正比，所以機(jī)械特性曲線將隨U1的改變而變化，如圖4-24(b)所示。圖中，U1′<U1，由于電壓變化不影響磁場(chǎng)轉(zhuǎn)速，所以兩條曲線具有相同的同步速n0。圖4-24異步電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性電動(dòng)機(jī)的負(fù)載是其軸上的阻轉(zhuǎn)矩。電磁轉(zhuǎn)矩T必須與阻轉(zhuǎn)矩Tc相平衡，即當(dāng)T=Tc時(shí)電動(dòng)機(jī)才能等速運(yùn)行，當(dāng)T>Tc時(shí)電動(dòng)機(jī)加速，當(dāng)T<Tc時(shí)電動(dòng)機(jī)減速。阻轉(zhuǎn)矩包括兩個(gè)部分：電動(dòng)機(jī)軸上的機(jī)械負(fù)載轉(zhuǎn)矩T2和電動(dòng)機(jī)機(jī)械損耗轉(zhuǎn)矩T0。一般情況下機(jī)械損耗轉(zhuǎn)矩較小，可以忽略，則阻轉(zhuǎn)矩為

Tc=T2+T0≈T2

因此可近似認(rèn)為，只要電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩和軸上的負(fù)載轉(zhuǎn)矩相平衡，即T=T2，電機(jī)就可以等速運(yùn)行。下面就異步電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性曲線來(lái)討論三個(gè)重要轉(zhuǎn)矩。

1)額定轉(zhuǎn)矩TN

電動(dòng)機(jī)在額定電壓下以額定轉(zhuǎn)速nN運(yùn)行，輸出額定功率PN時(shí)，由機(jī)械原理可得，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上輸出的轉(zhuǎn)矩為

(4-21)

式中，P2是電動(dòng)機(jī)軸上輸出的機(jī)械功率(kW)，n是電動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)速(r/min)。當(dāng)P2為電動(dòng)機(jī)額定功率P2N、n為額定轉(zhuǎn)速nN時(shí)，由式(4-21)計(jì)算出的轉(zhuǎn)矩就是額定轉(zhuǎn)矩TN。電動(dòng)機(jī)的額定功率和額定轉(zhuǎn)速可從銘牌上查出。

2)最大轉(zhuǎn)矩Tm

Tm是三相異步電動(dòng)機(jī)所能產(chǎn)生的最大轉(zhuǎn)矩。當(dāng)異步電動(dòng)機(jī)負(fù)載轉(zhuǎn)矩超過(guò)最大轉(zhuǎn)矩Tm時(shí)，電動(dòng)機(jī)將發(fā)生“堵轉(zhuǎn)”現(xiàn)象，此時(shí)電動(dòng)機(jī)電流是額定電流的數(shù)倍，若時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，則電動(dòng)機(jī)將會(huì)劇烈發(fā)熱，以致燒壞。一般允許電動(dòng)機(jī)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩在短時(shí)間內(nèi)超過(guò)額定轉(zhuǎn)矩，但不能超過(guò)最大轉(zhuǎn)矩。最大轉(zhuǎn)矩也表示電動(dòng)機(jī)短時(shí)過(guò)載的能力，用過(guò)載系數(shù)λm表示，為

一般三相異步電動(dòng)機(jī)的過(guò)載系數(shù)為1.8~2.2。

3)啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩Tst

電動(dòng)機(jī)接通電源瞬間(n=0)的電磁轉(zhuǎn)矩稱為啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩。電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩必須大于靜止時(shí)其軸上的負(fù)載轉(zhuǎn)矩才能啟動(dòng)。通常Tst與TN的比值表示異步電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)能力，則啟動(dòng)系

數(shù)為

一般三相異步電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)系數(shù)λst為1~1.2。4.4.4異步電動(dòng)機(jī)的使用

1.三相異步電機(jī)的啟動(dòng)

1)直接啟動(dòng)

直接啟動(dòng)就是用閘刀開(kāi)關(guān)和交流接觸器將電機(jī)直接接到具有額定電壓的電源上。直接啟動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)是操作簡(jiǎn)單，無(wú)需很多附屬設(shè)備；主要缺點(diǎn)是啟動(dòng)電流較大。一臺(tái)異步電動(dòng)機(jī)能否直接啟動(dòng)要視不同情況而定，一般根據(jù)以下幾點(diǎn)來(lái)確定：

(1)容量在10kW以下的異步電動(dòng)機(jī)允許直接啟動(dòng)。

(2)啟動(dòng)時(shí)，電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)電流在線路上引起的壓降不應(yīng)該超過(guò)正常電壓的15%。如果用戶未用獨(dú)立變壓器，則不應(yīng)超過(guò)5%。

(3)用戶由獨(dú)立變壓器供電時(shí)，對(duì)于頻繁啟動(dòng)的電動(dòng)機(jī)，其容量小于變壓器容量的20%時(shí)允許直接啟動(dòng)，對(duì)于不頻繁啟動(dòng)的電動(dòng)機(jī)，其容量小于變壓器容量的30%時(shí)允許直接啟動(dòng)。

2)降壓?jiǎn)?dòng)

鼠籠式異步電動(dòng)機(jī)常用的降壓?jiǎn)?dòng)方法如下：

(1)Y-△降壓?jiǎn)?dòng)。

Y-△降壓?jiǎn)?dòng)適用于正常運(yùn)行時(shí)繞組為三角形連接的電動(dòng)機(jī)，電動(dòng)機(jī)的三相繞組的六個(gè)出線端都要引出，并接到轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)上。啟動(dòng)時(shí)，將正常運(yùn)行時(shí)三角形接法的定子繞組改接為星形(Y)連接，啟動(dòng)結(jié)束后再換為三角形(△)連接。這種方法只適用于中小型鼠籠式異步電動(dòng)機(jī)。圖4-25(a)所示為這種方法的原理接線圖。圖4-25三相異步電動(dòng)機(jī)的降壓?jiǎn)?dòng)

Y-△降壓?jiǎn)?dòng)時(shí)，電機(jī)定子繞組為星形連接，電機(jī)每相定子繞組上的電壓是電源線電壓Ul的，此時(shí)電路的線電流等于相電流，即流過(guò)每個(gè)繞組的電流(這里的Z是每相繞組的等效阻抗):

當(dāng)定子繞組接成三角形，即直接啟動(dòng)時(shí)，有比較上列兩式，可得

(4-22)

即降壓?jiǎn)?dòng)時(shí)的電流為直接啟動(dòng)時(shí)的1/3。

(2)自耦變壓器降壓?jiǎn)?dòng)。自耦變壓器降壓?jiǎn)?dòng)的電路如圖4-25(b)所示。三相自耦變壓器接成星形，用一個(gè)六刀雙擲轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)來(lái)控制變壓器接入或脫離電路。啟動(dòng)時(shí)把Q扳在啟動(dòng)位置，使三相交流電源接入自耦變壓器的原邊，而電動(dòng)機(jī)的定子繞組接到自耦變壓器的副邊，這時(shí)電動(dòng)機(jī)得到的電壓低于電源電壓，因而減小了啟動(dòng)電流，待電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速升高后，把Q從啟動(dòng)位置迅速扳到運(yùn)行位置，讓定子繞組直接與電源相連，而自耦變壓器則與電路脫開(kāi)。

(3)軟啟動(dòng)。軟啟動(dòng)是近年來(lái)隨著電子技術(shù)的發(fā)展而出現(xiàn)的新技術(shù)，啟動(dòng)時(shí)通過(guò)軟啟動(dòng)器(一種晶閘管調(diào)壓裝置)使電壓從某一較低值逐漸上升至額定值，啟動(dòng)后再用旁路接觸器KM使電動(dòng)機(jī)投入正常運(yùn)行，如圖4-25(c)所示。圖中，F(xiàn)U1是普通熔斷器，F(xiàn)U2是快速熔斷器，用于保護(hù)軟啟動(dòng)器。由式(4-19)得到異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速公式：

(4-23)

由式(4-23)可知，異步電動(dòng)機(jī)可以通過(guò)三種方式進(jìn)行調(diào)速：改變電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的磁極對(duì)數(shù)P；改變供電電源的頻率f1；改變轉(zhuǎn)差率s。下面分別介紹這幾種調(diào)速方法。

1)變極調(diào)速

圖4-26所示為定子繞組的兩種接法。圖中，把A相繞組

分成兩半：線圈A1X1和A2X2。圖(a)中，兩個(gè)線圈串聯(lián)，得到

P＝2；圖(b)中，兩個(gè)線圈并聯(lián)，得出P＝1。在換極時(shí)，一

個(gè)線圈中的電流方向不變，而另一個(gè)線圈中的電流必須改變方向。圖4-26定子繞組的兩種接法

2)變頻調(diào)速

異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速正比于電源的頻率f1，若連續(xù)調(diào)節(jié)電

動(dòng)機(jī)供電電源的頻率，則可連續(xù)改變電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。圖4-27所示為變頻調(diào)速裝置的方框圖，主要由整流器和逆變器兩大部分組成。圖中，整流器先將頻率為50Hz的三相交流電變成電壓可調(diào)的直流電，再由逆變器將直流電變換為頻率可以連續(xù)調(diào)節(jié)的三相交流電，從而為異步電動(dòng)機(jī)提供電源。這樣在變頻裝置的支持下，實(shí)現(xiàn)了三相異步電動(dòng)機(jī)較大范圍的無(wú)級(jí)調(diào)速。圖4-27變頻調(diào)速示意圖

3)變轉(zhuǎn)差率調(diào)速

變轉(zhuǎn)差率調(diào)速是在不改變同步速n0的條件下的調(diào)速，通常只用于繞線式電動(dòng)機(jī)，是通過(guò)在轉(zhuǎn)子電路中串接調(diào)速電阻來(lái)實(shí)現(xiàn)的。

這種調(diào)速方法的優(yōu)點(diǎn)是有一定的調(diào)速范圍，調(diào)速平滑，設(shè)備簡(jiǎn)單，但能耗較大，效率較低，廣泛用于起重設(shè)備。

3.三相異步電動(dòng)機(jī)的制動(dòng)

1)能耗制動(dòng)

能耗制動(dòng)方法就是在電動(dòng)機(jī)切斷三相電源的同時(shí)，向定子繞組通入直流電，產(chǎn)生一恒定磁場(chǎng)。由于轉(zhuǎn)子仍以貫性轉(zhuǎn)速運(yùn)轉(zhuǎn)，因此轉(zhuǎn)子導(dǎo)條與固定磁場(chǎng)間有相對(duì)運(yùn)動(dòng)并產(chǎn)生感應(yīng)電流。這時(shí)，轉(zhuǎn)子電流與固定磁場(chǎng)相互作用產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩就是制動(dòng)轉(zhuǎn)矩，可使電動(dòng)機(jī)快速停轉(zhuǎn)。電機(jī)停轉(zhuǎn)后切斷直流電源。此時(shí)機(jī)械系統(tǒng)存儲(chǔ)的機(jī)械能被轉(zhuǎn)換成電能后消耗在轉(zhuǎn)子電路的電阻上，所以稱為能耗制動(dòng)，如圖4-28所示。圖4-28能耗制動(dòng)原理

2)反接制動(dòng)

如圖4-29所示，若異步電動(dòng)機(jī)需要停轉(zhuǎn)，則將三根電源線中的兩根對(duì)調(diào)位置，從而使旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)反向，此時(shí)產(chǎn)生一個(gè)與轉(zhuǎn)子慣性旋轉(zhuǎn)方向相反的電磁轉(zhuǎn)矩，使電動(dòng)機(jī)迅速減速。當(dāng)轉(zhuǎn)速接近零時(shí)，需及時(shí)切斷電源，否則電動(dòng)機(jī)將反向啟動(dòng)旋轉(zhuǎn)，如圖4-29所示。圖4-29反接制動(dòng)原理

3)回饋制動(dòng)

若轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速n超過(guò)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)速n0，則此時(shí)的轉(zhuǎn)矩為制動(dòng)轉(zhuǎn)矩。例如，當(dāng)起重機(jī)快速下放重物時(shí)，就會(huì)發(fā)生這種情況。這時(shí)重物拖動(dòng)轉(zhuǎn)子，使其轉(zhuǎn)速n＞n0，重物受到制動(dòng)而等速下降。實(shí)際上這時(shí)電動(dòng)機(jī)變?yōu)榘l(fā)電機(jī)運(yùn)行，將重物的位能轉(zhuǎn)換為電能而反饋到電網(wǎng)中，所以稱為回饋制動(dòng)。

另外，在將多速電動(dòng)機(jī)從高速調(diào)到低速的過(guò)程中，也會(huì)自然發(fā)生這種制動(dòng)。因?yàn)閯倢O對(duì)數(shù)P加倍時(shí)，磁場(chǎng)轉(zhuǎn)速會(huì)立即減半，但由于慣性，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速只能逐漸下降，因此就出現(xiàn)了n＞n0的情況。

4.4.5異步電動(dòng)機(jī)的銘牌

要正確使用電動(dòng)機(jī)，必須看懂銘牌。下面以Y132M-4型電動(dòng)機(jī)為例，說(shuō)明銘牌上各個(gè)數(shù)據(jù)的含義。Y132M-4型電動(dòng)機(jī)的銘牌如圖4-30所示。圖4-30

Y132M-4型電動(dòng)機(jī)的銘牌

1.型號(hào)

電動(dòng)機(jī)的型號(hào)是表示電動(dòng)機(jī)類型、用途和技術(shù)特征的代號(hào)，由大寫拼音字母和阿拉伯?dāng)?shù)字組成，且字母和數(shù)字各有一定的含義。電動(dòng)機(jī)型號(hào)的含義如圖4-31所示。

異步電動(dòng)機(jī)的產(chǎn)品名稱代號(hào)及其漢字意義見(jiàn)表4-4。圖4-31電動(dòng)機(jī)型號(hào)的含義

2.接法

銘牌上的接法指定了三相繞組的連接方式。異步電動(dòng)機(jī)的定子繞組的連接方式有兩種：星形連接和三角形連接，如圖4-18所示。通常三相異步電動(dòng)機(jī)容量為3kW以下者，連接成星形；容量為4kW以上者，連接成三角形。

3.電壓

銘牌上所標(biāo)的電壓值是指電動(dòng)機(jī)在額定運(yùn)行時(shí)定子繞組上應(yīng)加的線電壓值。一般規(guī)定電動(dòng)機(jī)的電壓不應(yīng)高于或低于額定值的5%。三相異步電動(dòng)機(jī)的額定電壓有380V、3000V、6000V等多種。

4.電流

銘牌上所標(biāo)的電流值是指電動(dòng)機(jī)在額定運(yùn)行時(shí)定子繞組的額定線電流值，用IN表示。當(dāng)電動(dòng)機(jī)空載或輕載時(shí)，都小于這個(gè)電流值。

5.功率與效率

銘牌上所標(biāo)的功率值是指電動(dòng)機(jī)在額定運(yùn)行時(shí)軸上輸出的額定機(jī)械功率PN。一般容易把它誤認(rèn)為電動(dòng)機(jī)從電網(wǎng)輸入的電功率。其實(shí)這兩個(gè)功率并不相等，其差值等于電動(dòng)機(jī)本身的損耗功率，包括銅損、鐵損及電動(dòng)機(jī)軸承等的機(jī)械損耗。

所謂效率，就是電動(dòng)機(jī)銘牌上給出的功率同電動(dòng)機(jī)從電網(wǎng)輸入電功率的比值。

電動(dòng)機(jī)的輸入功率：

(14-24)

式中，Ul和Il分別為電動(dòng)機(jī)的額定線電壓和額定線電流，cosj為功率因數(shù)。電動(dòng)機(jī)的效率：

(14-25)

其中，P2為電動(dòng)機(jī)的輸出功率。

電動(dòng)機(jī)的額定轉(zhuǎn)矩：

(14-26)

其中，nN為電動(dòng)機(jī)的額定轉(zhuǎn)速。

6.功率因數(shù)

因?yàn)殡妱?dòng)機(jī)是電感性負(fù)載，所以定子相電流比定子相電壓滯后一個(gè)j角，cosj就是電動(dòng)機(jī)的功率因數(shù)。

三相異步電動(dòng)機(jī)的功率因數(shù)較低，在額定負(fù)載時(shí)約為0.7～0.9，在輕載和空載時(shí)更低，空載時(shí)只有0.2～0.3。因此，必須正確選擇電動(dòng)機(jī)的容量，盡可能使電動(dòng)機(jī)保持在滿載下工作。

7.轉(zhuǎn)速

銘牌所給出的轉(zhuǎn)速是指電動(dòng)機(jī)在額定電壓、額定頻率且輸出為額定功率時(shí)的轉(zhuǎn)速，稱為額定轉(zhuǎn)速nN。由于異步電動(dòng)機(jī)額定運(yùn)行狀態(tài)下的轉(zhuǎn)差率很小，因此nN與n0相差很小，

可以根據(jù)額定轉(zhuǎn)速判斷出電動(dòng)機(jī)的磁極對(duì)數(shù)。例如，若nN=1440r/min，則其n0應(yīng)該為1500r/min，可推斷出磁極對(duì)

數(shù)P=2。

8.絕緣等級(jí)

絕緣等級(jí)是指電動(dòng)機(jī)所采用的絕緣材料的耐熱等級(jí)。絕緣材料按其耐熱程度，可分為A、B、C、D、E、F、H級(jí)。電動(dòng)機(jī)的溫度對(duì)絕緣影響很大。如果電動(dòng)機(jī)溫度過(guò)高，則會(huì)使絕緣老化，縮短電機(jī)壽命。如果溫度超過(guò)很多，則會(huì)使絕緣全部破壞。絕緣等級(jí)越高，耐熱能力就越強(qiáng)。為使絕緣不致老化，銘牌中對(duì)電動(dòng)機(jī)繞組溫度做了一定的限制。異步電動(dòng)機(jī)的溫升是指定子鐵芯和繞組溫度高于環(huán)境溫度的允許溫差。

9.工作方式

工作方式是指電動(dòng)機(jī)工作在連續(xù)工作制、短時(shí)工作制還是斷續(xù)工作制。若標(biāo)為連續(xù)，則表示電動(dòng)機(jī)可在額定功率下連續(xù)運(yùn)行，繞組不會(huì)過(guò)熱；若標(biāo)為短時(shí)，則表示電動(dòng)機(jī)不能連續(xù)運(yùn)行，而只能在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)依照額定功率短時(shí)運(yùn)行，這樣不會(huì)過(guò)熱；若標(biāo)為斷續(xù)，則表示電動(dòng)機(jī)的工作是短時(shí)的，但能多次重復(fù)運(yùn)行。

【例4-2】有一三相異步電動(dòng)機(jī)，其銘牌給出的額定數(shù)據(jù)為：PN=7.5kW，nN=1470r/min，Ul=380V，η=86.2%，cosj=0.81。試求：

(1)額定電流；

(2)額定轉(zhuǎn)差率；

(3)額定轉(zhuǎn)矩。

解

(1)額定電流:

(2)由nN=1470r/min可知，其極對(duì)數(shù)P=2，同步轉(zhuǎn)速n1=1500r/min，所以

(3)額定轉(zhuǎn)矩:4.4.6三相異步電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行維護(hù)及常見(jiàn)故障

1.三相異步電機(jī)的維護(hù)和保養(yǎng)

1)啟動(dòng)前的準(zhǔn)備和檢查

(1)檢查電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)設(shè)備接地是否可靠和完整，接線是否正確和良好。

(2)檢查電動(dòng)機(jī)銘牌所示電壓、頻率與電源電壓、頻率是否相符。

(3)新安裝或長(zhǎng)期停用的電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)前應(yīng)檢查各相繞組之間以及各相繞組對(duì)地的絕緣電阻。絕緣電組應(yīng)大于0.5MΩ，如果低于此值，則需要將繞組烘干以改善絕緣。

(4)對(duì)繞線式轉(zhuǎn)子應(yīng)檢查其集電環(huán)上的電刷裝置是否能正常工作，電刷壓力是否符合要求。

(5)檢查電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)是否靈活，軸承的潤(rùn)滑是否良好。

(6)檢查電動(dòng)機(jī)所用熔斷器的額定電流是否符合要求。

(7)檢查電動(dòng)機(jī)各緊固螺栓及安裝螺栓是否擰緊。

2)運(yùn)行中的維護(hù)

(1)電動(dòng)機(jī)應(yīng)保持清潔，不允許有雜物進(jìn)入電動(dòng)機(jī)內(nèi)部；進(jìn)、出風(fēng)口必須保持暢通。

(2)用儀表監(jiān)視電源電壓、頻率及電動(dòng)機(jī)的負(fù)載電流。電源電壓、頻率要符合電動(dòng)機(jī)銘牌上的數(shù)據(jù)。電動(dòng)機(jī)負(fù)載電流不得超過(guò)銘牌上的額定值，否則要查明原因，采取措施，消除不良情況后方能繼續(xù)運(yùn)行。

(3)采取必要手段檢測(cè)電動(dòng)機(jī)各部位溫升。

(4)對(duì)于繞線式電動(dòng)機(jī)，應(yīng)注意電刷與集電環(huán)間的接觸壓力、磨損及火花情況。電動(dòng)機(jī)停轉(zhuǎn)時(shí)，應(yīng)斷開(kāi)定子電路內(nèi)的開(kāi)關(guān)，然后將電刷提升機(jī)構(gòu)扳動(dòng)到啟動(dòng)位置，斷開(kāi)短路裝置。

(5)電動(dòng)機(jī)投入運(yùn)行后定期維修，一般分為小修和大修兩種。小修屬一般檢修，對(duì)電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)設(shè)備整體不做大的拆卸，約一季度一次；大修要將所有轉(zhuǎn)動(dòng)裝置及電動(dòng)機(jī)的所有零部件都拆卸下來(lái),并將拆卸的零部件作全面的檢查及清洗，一般一年一次。

2.電動(dòng)機(jī)常見(jiàn)故障的原因及排除方法

(1)電源接通后電動(dòng)機(jī)不啟動(dòng)：①檢查接線，排除錯(cuò)誤；②檢查傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和負(fù)載。

(2)溫升過(guò)高或冒煙：①負(fù)載大，啟動(dòng)過(guò)頻繁；②電動(dòng)機(jī)本身的原因，如定子短路等；③檢查軸承和通風(fēng)情況。

(3)電機(jī)振動(dòng)：①安裝不穩(wěn)；②負(fù)載過(guò)大；③電動(dòng)機(jī)與負(fù)載軸線不對(duì)，應(yīng)重新校正。

(4)有異聲：①定、轉(zhuǎn)子相擦；②軸承不良；③缺相；④風(fēng)葉碰殼。出現(xiàn)這種故障時(shí)應(yīng)檢查軸承，并注油等。

(5)帶負(fù)載轉(zhuǎn)速過(guò)低：①電壓低；②負(fù)載大；③轉(zhuǎn)子斷條。出現(xiàn)這種故障時(shí)應(yīng)檢查電源電壓，核對(duì)負(fù)載。

(6)外殼帶電：①接地不良或接地電阻過(guò)大；②受潮；③絕緣不良。出現(xiàn)這種故障時(shí)應(yīng)消除接地不良，進(jìn)行烘干、浸漆處理，并清除臟物。4.4.7單相異步電動(dòng)機(jī)

單相異步電動(dòng)機(jī)的定子為單相繞組，轉(zhuǎn)子大多是籠形的。當(dāng)繞組通入單相交流電時(shí)，會(huì)產(chǎn)生一個(gè)磁極軸線位置不變、磁感應(yīng)強(qiáng)度的大小隨時(shí)間做正弦交變的脈動(dòng)磁場(chǎng)，磁極的軸線位置如圖4-32所示。由于脈動(dòng)磁場(chǎng)不是旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，所以轉(zhuǎn)子導(dǎo)條中不能產(chǎn)生感應(yīng)電流，也就不會(huì)形成電磁轉(zhuǎn)矩，因此單相電動(dòng)機(jī)沒(méi)有啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩。但當(dāng)外力使轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)起來(lái)后，轉(zhuǎn)子與脈動(dòng)磁場(chǎng)之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩能使其繼續(xù)沿原方向旋轉(zhuǎn)。圖4-32單相異步電動(dòng)機(jī)的磁場(chǎng)

1.電容分相式異步電動(dòng)機(jī)

圖4-33所示為電容分相式異步電動(dòng)機(jī)。在它的定子中放置一個(gè)啟動(dòng)繞組B，空間相隔90°嵌放。繞組B與電容器相連，使兩個(gè)繞組中的電流在相位上近于相差90°，這就是

分相。這樣，在空間相差90°的兩個(gè)繞組分別通有在相位上相差90°的兩相電流，也能產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。由圖4-33可見(jiàn)，通入繞組中的電流的電角度變化了90°，旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)也轉(zhuǎn)過(guò)

了90°。圖4-33電容分相式單相異步電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的形成

2.罩極式異步電動(dòng)機(jī)

罩極式單相異步電動(dòng)機(jī)的定子多做成凸極式，結(jié)構(gòu)如圖4-34所示。圖中，在磁極一側(cè)開(kāi)一小槽，用短路銅環(huán)套在磁極的窄條邊上，每個(gè)磁極的定子繞組串聯(lián)后接單相電源。當(dāng)將電源接通時(shí)，磁極下的磁通分為兩部分：F1與F2。由于短路銅環(huán)的作用，罩極下的F1與在短路環(huán)下的F2之間產(chǎn)生了相位差，于是氣隙內(nèi)形成的合成磁場(chǎng)將是一個(gè)有一定推移速度的移動(dòng)磁場(chǎng)，使電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生一定的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩。圖4-34罩極式單相異步電動(dòng)機(jī)示意圖4.5直流電動(dòng)機(jī)

4.5.1直流電動(dòng)機(jī)的基本結(jié)構(gòu)

直流電動(dòng)機(jī)由定子和轉(zhuǎn)子兩大部分組成，其外形和結(jié)構(gòu)如圖4-35所示。圖4-35直流電動(dòng)機(jī)的外形和結(jié)構(gòu)

1．定子

定子是直流電動(dòng)機(jī)的靜止部分，由主磁極、機(jī)座、換向磁極、端蓋和電刷裝置等部件組成，如圖4-36所示。圖4-36直流電動(dòng)機(jī)定子結(jié)構(gòu)

2．轉(zhuǎn)子

直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子通稱為電樞，它的主體結(jié)構(gòu)如圖4-37所示，包括電樞鐵芯、電樞繞組、換向器、轉(zhuǎn)軸和風(fēng)扇等部件。圖4-37直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)4.5.2直流電動(dòng)機(jī)的工作原理

1.轉(zhuǎn)動(dòng)原理

給兩個(gè)電刷加上直流電源，如圖4-38(a)所示，則有直流電流從電刷A流入，經(jīng)過(guò)線圈abcd，從電刷B流出，根據(jù)電磁力定律，載流導(dǎo)體ab和cd受到電磁力的作用，其方向可由左手定則判定，兩段導(dǎo)體受到的力形成了一個(gè)轉(zhuǎn)矩，使得轉(zhuǎn)子逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)；如果轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)到如圖4-38(b)所示的位置，電刷A和換向片2接觸，電刷B和換向片1接觸，則直流電流從電刷A流入，在線圈中的流動(dòng)方向是dcba，從電刷B流出，此時(shí)載流導(dǎo)體ab和cd受到電磁力的作用方向同樣可由左手定則判定，它們產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩仍然使得轉(zhuǎn)子逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)。圖4-38直流電動(dòng)機(jī)的工作原理直流電動(dòng)機(jī)的工作原理可歸結(jié)如下：

(1)將直流電源通過(guò)電刷接通電樞繞組，使電樞導(dǎo)體有電流流過(guò)。

(2)電機(jī)內(nèi)部有磁場(chǎng)存在。

(3)載流的轉(zhuǎn)子(即電樞)導(dǎo)體將受到電磁力F的作用，每根有效導(dǎo)體所受的電磁力為F=Blia，方向由左手定則判斷。

(4)所有導(dǎo)體產(chǎn)生的電磁力作用于轉(zhuǎn)子，使轉(zhuǎn)子以n(轉(zhuǎn)/分)旋轉(zhuǎn)，以便拖動(dòng)機(jī)械負(fù)載。

2.電磁轉(zhuǎn)矩

根據(jù)電磁力定律，電樞繞組通電后每根有效導(dǎo)體所受電磁力為

F=Blia

式中，B為磁感應(yīng)強(qiáng)度，其大小與一個(gè)磁極的磁通量F成正比；l為載流導(dǎo)體的有效長(zhǎng)度；ia為導(dǎo)體中的電流。

電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩是由電樞繞組所有有效導(dǎo)體所受到的電磁力共同決定的，可以表示為

T=KTF

Ia

(4-27)

式中，KT為與電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)有關(guān)的常數(shù)；T為電磁轉(zhuǎn)矩，單位

是N·m。

3.電樞電勢(shì)及平衡方程

電樞旋轉(zhuǎn)時(shí)，電樞繞組切割磁感線運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)e，其有效值為

E=Blv

式中，v為導(dǎo)體運(yùn)動(dòng)的線速度。電樞繞組兩電刷之間的總電動(dòng)勢(shì)為

Ea=KEΦn

(4-28)

式中，KE是與電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)有關(guān)的常數(shù)；電動(dòng)勢(shì)Ea的方向又稱為反電動(dòng)勢(shì)，可根據(jù)右手定則判斷。

電樞回路的電壓平衡方程為

U=Ea+IaRa

(4-29)

式中，Ra為電樞繞組電阻。4.5.3直流電動(dòng)機(jī)的分類及機(jī)械特性

1.直流電動(dòng)機(jī)的分類

直流電動(dòng)機(jī)可按結(jié)構(gòu)、用途、容量大小和勵(lì)磁方式的不同進(jìn)行分類。按勵(lì)磁方式不同，直流電動(dòng)機(jī)可分為他勵(lì)、并勵(lì)、串勵(lì)和復(fù)勵(lì)，如圖4-39所示。

他勵(lì)的勵(lì)磁繞組由單獨(dú)的勵(lì)磁電源供電，如圖4-39(a)所示，與電樞繞組沒(méi)有直接的電氣聯(lián)系。在小型直流電動(dòng)機(jī)中，也有用永久磁鐵作為磁極的，稱為永磁式電動(dòng)機(jī)，可視為他勵(lì)電動(dòng)機(jī)的一種。圖4-39直流電動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁方式并勵(lì)的勵(lì)磁繞組與電樞繞組并聯(lián)，由同一個(gè)電源供電，如圖4-39(b)所示。電源電流的大小等于電樞電流Ia與勵(lì)磁電流If之和，即

I=Ia+If

串勵(lì)的勵(lì)磁繞組與電樞繞組串聯(lián)，由同一個(gè)電源供電，如圖4-39(c)所示。電樞電流Ia與勵(lì)磁電流If相等。

復(fù)勵(lì)的勵(lì)磁繞組分為兩部分：一部分勵(lì)磁繞組與電樞

繞組并聯(lián)，另一部分勵(lì)磁繞組與電樞繞組串聯(lián)，如圖4-39(d)所示。

2.直流電動(dòng)機(jī)的銘牌數(shù)據(jù)

1)型號(hào)

直流電動(dòng)機(jī)銘牌中型號(hào)的具體含義如圖4-40所示。圖4-40直流電動(dòng)機(jī)銘牌中型號(hào)的具體含義

2)額定值

額定功率PN(kW)：軸上的輸出功率。

額定電壓UN(V)：電刷兩極間的電壓。

額定電流IN(A)：軸上帶額定負(fù)載時(shí)電刷端的輸入電流。

額定轉(zhuǎn)速nN(r/min)：電動(dòng)機(jī)額定運(yùn)行時(shí)的轉(zhuǎn)速。

此外，直流電動(dòng)機(jī)銘牌中的額定值還包括額定勵(lì)磁電流IfN(A)、額定效率ηN1、額定轉(zhuǎn)矩TN、額定溫升CN等。直流電動(dòng)機(jī)的額定輸入功率為

P1N=U1NI1N

額定輸出功率與額定電壓、額定電流的關(guān)系為

PN=U1NI1NηN=UNIN

額定轉(zhuǎn)矩TN的大小可根據(jù)額定轉(zhuǎn)速nN來(lái)確定，即

式中，PN的單位是kW；nN的單位是r/min；TN的單位是N·m。

3.直流電機(jī)的運(yùn)行特性

下面以他勵(lì)電動(dòng)機(jī)為例來(lái)分析其機(jī)械特性。圖4-41為直流電動(dòng)機(jī)的電樞電路。

由式(4-28)、式(4-29)可得直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速為

(4-30)

式（4-30)表明，直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速n與電樞電壓U、每極磁通Φ以及電樞回路電阻Ra都有關(guān)系。圖4-41直流電動(dòng)機(jī)的電樞電路由式(4-27)和式(4-30)又可得出直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速n與電磁轉(zhuǎn)矩T的關(guān)系為

(4-31)

式(4-31)為直流電動(dòng)機(jī)機(jī)械特性的一般表達(dá)式。在式(4-31)中，當(dāng)電源電壓U和電樞繞組的電阻Ra為常數(shù)時(shí)，表示直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速n和轉(zhuǎn)矩T之間關(guān)系的n＝f(T)曲線稱為機(jī)械特性曲線。它是一條向下傾斜的直線，如圖4-42所示。圖4-42他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性式(4-31)中:

是T=0時(shí)的轉(zhuǎn)速，實(shí)際上是不存在的，因?yàn)榧词闺妱?dòng)機(jī)軸上沒(méi)有加機(jī)械負(fù)載，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩也不可能為零，它還要平衡空載損耗轉(zhuǎn)矩，所以通常n0稱為理想空載轉(zhuǎn)速。式(4-31)中:

是轉(zhuǎn)速降，它是由電樞電阻Ra引起的。由式(4-30)可知，當(dāng)負(fù)載增加時(shí)，Ia隨之增加，于是RaIa增加，由于電源電壓U是一定的，因此這時(shí)反電動(dòng)勢(shì)E減小，轉(zhuǎn)速n降低。4.5.4直流電動(dòng)機(jī)的使用

1.啟動(dòng)

1)直接啟動(dòng)

直接啟動(dòng)指在不采取任何措施的情況下，電樞繞組直接接額定電壓?jiǎn)?dòng)。

啟動(dòng)瞬間，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速n=0，電樞的反電動(dòng)勢(shì)Ea=KEΦn=0，在加額定電壓時(shí)電樞的啟動(dòng)電流為

2)電樞回路串電阻啟動(dòng)

在電樞繞組回路中串入電阻Rst，啟動(dòng)瞬間，啟動(dòng)電流為

在啟動(dòng)過(guò)程中，隨著電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的提高，逐段切除啟動(dòng)電阻，直到轉(zhuǎn)子達(dá)到正常轉(zhuǎn)速時(shí)全部切除。

3)降壓?jiǎn)?dòng)

降壓?jiǎn)?dòng)指降低電樞繞組的電壓，以限制啟動(dòng)電流。這需要有一個(gè)電壓可調(diào)的直流電源專供電樞電路，隨著轉(zhuǎn)速的提升，電壓逐漸升高，直到額定電壓下正常運(yùn)行。降壓?jiǎn)?dòng)的優(yōu)點(diǎn)是啟動(dòng)電流小，能耗低，可平滑啟動(dòng)，但只適用于他勵(lì)型直流電動(dòng)機(jī)。

2.反轉(zhuǎn)

使用直流電動(dòng)機(jī)的許多設(shè)備常常要求電動(dòng)機(jī)既能正轉(zhuǎn)，又能反轉(zhuǎn)。要改變直流電動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向，必須改變電磁轉(zhuǎn)矩的方向。直流電動(dòng)機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩的方向是由磁通Φ的方向和電樞電流Ia的方向決定的，所以要使直流電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)，有兩種方法：①保持電樞電流方向不變，改變勵(lì)磁繞組電流的方向；②保持勵(lì)磁繞組電流方向不變，改變電樞電流方向。如果兩個(gè)電流方向同時(shí)改變，則電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)方向不變。實(shí)際上，一般都采用改變電樞電流方向的方法，即把電樞電路的兩條端線互換。

3.調(diào)速

調(diào)速是指在負(fù)載轉(zhuǎn)矩不變的條件下，通過(guò)人為的方法改變電動(dòng)機(jī)的有關(guān)參數(shù)(即改變直流電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性)，使之在一定的負(fù)載下獲得不同的轉(zhuǎn)速。直流電動(dòng)機(jī)具有良好的調(diào)速性能，能在較大的范圍內(nèi)平滑而經(jīng)濟(jì)地調(diào)速。

從直流電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性方程式(4-30)中可以看出，調(diào)速方法有三種：電樞回路串電阻Ra調(diào)速、弱磁(減小Φ)調(diào)速和降壓(改變U)調(diào)速。

1)電樞回路串電阻調(diào)速

這種調(diào)速方法的特點(diǎn)如下：

(1)電動(dòng)機(jī)的理想空載轉(zhuǎn)速不變，隨著所串電阻的增大，機(jī)械特性越來(lái)越軟。

(2)只能將轉(zhuǎn)速往下調(diào)，平滑性差。低速時(shí)，電動(dòng)機(jī)的效率較低。

(3)如果負(fù)載稍有變動(dòng)，則電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速就會(huì)有較大變化，這對(duì)于恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載不利。

這種調(diào)速方法僅適用于調(diào)速范圍不大和調(diào)速時(shí)間不長(zhǎng)的小功率電動(dòng)機(jī)。

2）弱磁調(diào)速

這種調(diào)速方法指保持U、Ra大小不變，調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流使之減小，即減弱磁通，以調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速。其特性曲線如圖4-43(b)所示。

這種調(diào)速方法的特點(diǎn)如下：

(1)可得到無(wú)級(jí)平滑調(diào)速。

(2)勵(lì)磁電流小，能量消耗少，調(diào)速范圍大。

(3)速度只能向上調(diào)，調(diào)速后的機(jī)械特性較硬，速度較穩(wěn)定。

3)降壓調(diào)速

這種調(diào)速方法指保持Ra、Φ大小不變，降低電樞的端電壓U，以調(diào)節(jié)直流電動(dòng)機(jī)的速度。采用這種方法調(diào)速時(shí)，應(yīng)注意保持勵(lì)磁電流不變，只改變電樞電壓。因此，需要可變電壓的直流電源。近年來(lái)，晶閘管整流設(shè)備作為可調(diào)電壓的直流電源已經(jīng)被普遍使用。采用這種方法調(diào)速比較方便，其機(jī)械特性曲線如圖4-43(c)所示。

這種調(diào)速方法的特點(diǎn)如下：

(1)可以得到平滑調(diào)速。

(2)機(jī)械特性是一組平行曲線，機(jī)械特性較硬，轉(zhuǎn)速穩(wěn)定。

(3)轉(zhuǎn)速只能調(diào)低，不能調(diào)高。圖4-43直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速特性

4.制動(dòng)

1)能耗制動(dòng)

圖4-44(a)是他勵(lì)電動(dòng)機(jī)能耗制動(dòng)的電路。制動(dòng)時(shí)將開(kāi)關(guān)S由左邊扳向右邊，使電動(dòng)機(jī)的電樞回路與電源切斷，再與一制動(dòng)電阻Rp相串聯(lián)，但勵(lì)磁繞組的電源必須保留。這時(shí)，由于轉(zhuǎn)動(dòng)部分的慣性，電樞繼續(xù)按原方向旋轉(zhuǎn)，電樞導(dǎo)體切割磁力線產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)E的方向不變，但原來(lái)阻礙電流的反電動(dòng)勢(shì)變?yōu)樵陔姌欣@組和制動(dòng)電阻Rp上產(chǎn)生電流Ia的電動(dòng)勢(shì)，此時(shí)的電動(dòng)機(jī)相當(dāng)于一臺(tái)發(fā)電機(jī)。圖4-44他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的制動(dòng)

2)反接制動(dòng)

反接制動(dòng)就是把電源電壓反接到電樞繞組或勵(lì)磁繞組上，如圖4-44(b)所示。

電樞反接后，電樞電流改變方向，電磁轉(zhuǎn)矩隨之改變方向，電磁轉(zhuǎn)矩成為制動(dòng)轉(zhuǎn)矩，使電動(dòng)機(jī)迅速停止。當(dāng)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速接近于零時(shí)，應(yīng)及時(shí)切斷電源，否則電動(dòng)機(jī)會(huì)反轉(zhuǎn)。

由于反接制動(dòng)時(shí)電樞電壓與反電動(dòng)勢(shì)E的方向相同，因此電樞電流Ia很大。為了限制電流，必須串接較大的制動(dòng)電阻Rp，以保證電樞電流不超過(guò)額定電流的1.5~2.5倍。

反接制動(dòng)方法制動(dòng)迅速，但要消耗一定能量，并有自動(dòng)反轉(zhuǎn)的可能性。

3)回饋制動(dòng)

并勵(lì)電動(dòng)機(jī)在運(yùn)行時(shí)，由于某種客觀原因，使實(shí)際轉(zhuǎn)速超過(guò)原來(lái)的空載轉(zhuǎn)速，電樞中的反電動(dòng)勢(shì)E大于電源電壓U，這時(shí)電動(dòng)機(jī)變成了發(fā)電機(jī)，電樞中的電流方向發(fā)生改變，由原來(lái)的與電壓相同變?yōu)榕c電壓相反，電流流向電網(wǎng)，向電網(wǎng)反饋電能，電磁轉(zhuǎn)矩變?yōu)橹苿?dòng)轉(zhuǎn)矩，因此叫做回饋制動(dòng)或反饋制動(dòng)。例如，電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)電車下坡，當(dāng)車速很高時(shí)，電車帶動(dòng)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)變?yōu)榘l(fā)電狀態(tài)，使車速減慢?；仞佒苿?dòng)的實(shí)質(zhì)是將直流電動(dòng)機(jī)從電動(dòng)機(jī)狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榘l(fā)電機(jī)狀態(tài)，以限制轉(zhuǎn)速。4.5.5直流電動(dòng)機(jī)的常見(jiàn)故障及處理方法

1.換向故障

1)換向產(chǎn)生火花

火花是電刷與換向器間的電弧放電現(xiàn)象，是換向不良的明顯標(biāo)志。微小的火花不會(huì)損壞電動(dòng)機(jī)，火花嚴(yán)重時(shí)可能產(chǎn)生環(huán)火，造成電樞繞組全部短路，進(jìn)而損壞電動(dòng)機(jī)。產(chǎn)生火花的原因可分為三類：電磁原因、機(jī)械原因、負(fù)載與環(huán)境原因。

(1)電磁原因：電樞繞組開(kāi)焊或匝間短路，使電路不對(duì)稱，造成嚴(yán)重火花；電刷不在幾何中心線上，使換向元件處在主機(jī)區(qū)內(nèi)，感應(yīng)出電動(dòng)勢(shì)，造成換向時(shí)產(chǎn)生火花。

處理方法：檢查換向器的勵(lì)磁繞組是否正常勵(lì)磁；處理電樞繞組的短路和開(kāi)焊；將電刷移動(dòng)至幾何中心線上。

(2)機(jī)械原因：主要有換向器偏心或變形，換向器表面粗糙，換向片突出變形，片間絕緣突出等。這些都會(huì)造成因電刷與換向器接觸不良而產(chǎn)