《電工電子技術》課件第4章

第4章變壓器與電動機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交流電動機4.5直流電動機*4.6特種電機小結習題

4.1磁路及其分析方法

早在公元前300年(戰(zhàn)國末年)，中國人就首先發(fā)現(xiàn)了磁鐵礦石吸引鐵片的現(xiàn)象。我國古代四大發(fā)明之一的指南針(也稱司南，如圖4-1所示)就是利用磁鐵磁場與地磁場相互作用，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。實驗證明，同種磁極相互排斥，異種磁極相互吸引。地球是一個巨大的磁鐵，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地磁偏角。指南針就是利用磁針與地磁場的相互作用工作的。

1820年奧斯特(H.C.Oersted)首先發(fā)現(xiàn)了電流的磁效應，如圖4-2所示，放在載流導線(即通有電流的導線)周圍的小磁針會受到力的作用而發(fā)生偏轉(zhuǎn)，若電流的方向發(fā)生變化，則磁針的偏轉(zhuǎn)也會改變。后來安培(A.M.Ampere)發(fā)現(xiàn)放在磁鐵附近的載流導線或載流線圈以及兩條載流導線之間，也都會因受到力的作用而發(fā)生運動。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4.1.1磁場的基本物理量

磁場的特性可用以下幾個基本物理量來表示。

1．磁感應強度

磁感應強度B是表示磁場內(nèi)某點的磁場強弱和方向的物理量。它是一個矢量，它與電流(電流產(chǎn)生磁場)之間的方向關系可用右手螺旋定則來判斷，其大小可用來衡量。

如果磁場內(nèi)各點的磁感應強度的大小相等，方向相同，則稱這樣的磁場為均勻磁場。

2．磁通

磁感應強度B(如果不是均勻磁場，則取B的平均值)與垂直于磁場方向的面積S的乘積，稱為通過該面積的磁通Φ，即

(4-1)

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

(4-2)

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

3．磁場強度

磁場強度H是計算磁場時所引用的一個物理量，也是矢量，通常通過它來確定磁場與電流之間的關系，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)學表示式。它是計算磁路的基本公式。下面以環(huán)形線圈為例，其中媒質(zhì)是均勻的，應用式(4-3)來計算線圈內(nèi)部各點的磁場強度。取磁通作為閉合回線，且以其方向為回線的圍繞方向，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；Hx是半徑x處的磁場強度。

式(4-4)中，線圈匝數(shù)與電流的乘積NI稱為磁動勢，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．磁導率

磁導率μ是一個用來表示磁場媒質(zhì)磁性的物理量，也就是用來衡量物質(zhì)導磁能力的物理量。它與磁場強度的乘積就等于磁感應強度，即

B＝μH

(4-6)

當線圈內(nèi)的媒質(zhì)不同時，磁導率μ不同，在同樣的電流值下，同一點的磁感應強度的大小就不同，線圈內(nèi)的磁通也就不同了。由式(4-3)可知，磁場強度H的國際單位制單位是安每米(A/m)。

由式(4-6)得知，磁導率μ的國際單位制單位為

式中，歐·秒又稱亨［利］(H)，是電感的單位。由實驗可測出，真空的磁導率:

μ0=4π×10－7H/m

因為這是一個常數(shù)，所以將其他物質(zhì)的磁導率與之比較是很方便的。

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

(4-7)4.1.2鐵磁材料的磁性能

1．高導磁性

鐵磁性物質(zhì)的磁導率很高(μr可達102~104數(shù)量級)，它是工業(yè)生產(chǎn)中用于制造變壓器、電機、電器等各種電工設備的主要材料。在外磁場的作用下，其內(nèi)部的磁感應強度大大增強，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，在沒有外磁場作用時，這些磁疇的排列是無序的，它們所產(chǎn)生的磁場的平均值等于零，或者十分微弱，對外不顯示磁性，如圖4-3(a)所示。在一定強度的外磁場作用下，這些磁疇將順著外磁場的方向轉(zhuǎn)動，作有序排列，顯示出很強的磁性，形成磁化磁場，使鐵磁性物質(zhì)內(nèi)的磁感應強度大大增強，如圖4-3(b)所示。這就是鐵磁性物質(zhì)在外磁場作用下所發(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)生的磁感應強度B不會隨外在磁場的增強而無限增強。因為當外磁場(或勵磁電流)增大到一定值時，其內(nèi)部所有的磁疇已基本上轉(zhuǎn)向與外磁場一致的方向，所以，當外部磁場再增大時，其磁性不再繼續(xù)增大。這種現(xiàn)象叫做磁飽和性。

利用實驗方法，我們可以測繪出鐵磁性物質(zhì)的磁感應強度B與磁場強度H之間的關系曲線，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段磁感應強度B隨磁場強度H增加較慢；ab段磁感應強度B隨磁場強度H近似成正比例增加；b點以后B隨H的增加速度逐漸慢下來，媒質(zhì)趨向于飽和；過了c點以后，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點為附點，b點為膝點，c點為飽和點。圖4-4

B、μ與H的關系由于鐵磁材料的B和H的關系是非線性的，因此由B=μH的關系可知，其磁導率μ的數(shù)值也隨磁場強度H的變化而變化，見圖4-4中的曲線μ－H。鐵磁材料在磁化起始的Oa段和進入飽和以后，μ值均不大，在膝點附近μ達到最大值，所以工程上通常要求鐵磁材料工作在膝點附近。

3．磁滯性

磁滯性表現(xiàn)為鐵磁性物質(zhì)在交變磁場中反復磁化時，磁感應強度B的變化滯后于磁場強度H的變化。由實驗得到的磁滯回線如圖4-5所示。當H增大時，B按照一條磁化曲線(Oa)增長。當鐵磁質(zhì)磁化到一定程度，即達到飽和磁化強度+Bs后(圖中的a點)，再逐漸使H減弱而使鐵磁質(zhì)退磁時，B雖相應地減小，但按照另一條曲線ab下降，而ab曲線的位置比Oa曲線高，即在退磁過程中B比磁化過程中同一H值所對應的B值大。圖4-5鐵磁性物質(zhì)的磁滯回線這表明磁感應強度的變化要落后于外加磁場強度的變化，鐵磁質(zhì)的這種特性叫做磁滯性。當H減小到零時，鐵磁質(zhì)仍然保留部分磁性，稱為剩磁，b點表示剩余磁感應強度。若要使剩磁減小到零，就必須改變磁場強度的方向。在反方向磁場強度(即－H)由零增加至某一數(shù)值(圖中的c點)時，B下降為零，這時鐵磁質(zhì)的磁性消失，c點對應的磁場強度Hc叫做矯頑力。反向磁場繼續(xù)增加，鐵磁質(zhì)將發(fā)生反向磁化，按曲線cd出現(xiàn)反方向的磁感應強度(即－B)。達到d點時即處于飽和磁感應強度－Bs，此后如果再把反向磁場強度減小到零，就得到反向的剩磁(b′點)，最后再改變H的方向，并逐漸增大，沿b′c′a回到點a。這樣鐵磁質(zhì)在反復磁化時，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用

1.軟磁材料

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

2.永磁材料

永磁材料的特點是磁滯回線較寬，剩磁感應強度和矯頑力都較大，見圖4-6(b)。這種材料需要較強的外加磁場才能被磁化，去掉外加磁場后磁性不易消失，如碳鋼、鈷鋼、鋁鎳鈷合金等，適用于制造永久磁鐵，如永磁式揚聲器及小型直流電機中的磁極等。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，見圖4-6(c)。其剩磁感應強度接近飽和磁感應強度，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中磁化后，若撤去外磁場，則具有接近+Bs和－Bs的兩種不同的剩余磁感應強度。在計算機技術中通常采用二進制，只需要0和1兩個數(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數(shù)碼。在電子計算機中，常用矩磁材料制成的環(huán)形磁芯作為存儲元件。若沿一定方向的磁場使元件磁化，則在撤去磁場后，元件將永久儲存這兩種剩磁狀態(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、主要特點和應用場合。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，常用來操縱牽引機械裝置以完成預期的動作，或用于鋼鐵零件的吸持固定、鐵磁物件的搬運等，同時電磁鐵又是構成各種電磁型開關、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結構形式，它們都是由線圈、鐵芯和銜鐵三個基本部分構成的。工作時線圈通入勵磁電流，在鐵芯中產(chǎn)生磁場，銜鐵即被吸引；斷電時磁場消失，銜鐵即被釋放。圖4-7電磁鐵的結構

4.2交流鐵芯線圈電路

4.2.1電磁關系

圖4-8是交流鐵芯線圈。線圈的匝數(shù)為N，當在線圈兩端加上正弦交流電壓u時，就有交變勵磁電流i流過。在交變磁動勢的作用下產(chǎn)生交變的磁通，其中大部分通過鐵芯而閉合，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)生感生電動勢，即主磁電動勢e和漏磁電動勢eσ，它們與磁通的參考方向之間符合右手螺旋關系。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、電壓與電動勢的關系為

由于線圈電阻上的壓降iR和漏磁電動勢eσ都很小，與主磁電動勢e相比較都可以忽略不計，因此上式可寫為因為漏磁通主要不經(jīng)過鐵芯，所以可以認為勵磁電流i與Φσ之間為線性關系，鐵芯線圈的漏電感為

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

式中，Em=2πfNΦm是主磁電動勢e的最大值，其有效值為

故u≈－e=Emsin(ωt+90°)?？梢?，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)不僅有導磁能力，還有導電能力，因而在交變磁通的作用下，鐵芯內(nèi)將產(chǎn)生感生電動勢和感生電流。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.變壓器的結構

變壓器由鐵芯和繞組兩部分構成。圖4-9為變壓器的示意圖和電路符號。這是一個簡單的雙繞組變壓器，在一個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)電動勢關系

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

(4-9)

所以

(4-10)

2)電壓關系

如果不計原、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，它還有變換負載阻抗的作用，以實現(xiàn)“匹配”。

在圖4-10中，負載阻抗模|Z|接在變壓器副邊，而圖中的虛線框部分可以用一個阻抗模|Z′|來等效代替。所謂等效，就是輸入電路的電壓、電流和功率不變。也就是說，直接接在電源上的阻抗模|Z′|和接在變壓器副邊的負載阻抗模|Z|是等效的。兩者的關系可通過下面的計算得出。圖4-10負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,交流信號源的電動勢E＝120V,內(nèi)阻R0＝800Ω，負載電阻RL＝8Ω。

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

(2)當將負載直接與信號源連接時，信號源輸出多大功率？

解

(1)變壓器的匝數(shù)比應為

信號源的輸出功率為

(2)當將負載直接接在信號源上時，有4.3.2三相電力變壓器

1.三相電力變壓器的結構

三相油浸式電力變壓器的外形如圖4-11所示。其基本結構可分成以下幾個部分：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構，它將A、B、C三相的繞組分別放在三個鐵芯柱上，三個鐵芯柱由上、下兩個鐵軛連接起來，構成閉合磁路。

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，同時還提供了單相電源，通常使用的動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。變壓器油用于加強變壓器內(nèi)部的絕緣強度和散熱作用。

4)儲油柜

變壓器在運行中，隨著油溫的變化，油的體積會膨脹或收縮，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儲油柜(俗稱油枕)。

5)呼吸器

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

6)絕緣套管

變壓器繞組的引出線從油箱內(nèi)部引到箱外時必須經(jīng)過絕緣套管，使引線與油箱絕緣。絕緣套管一般是陶瓷的，其結構取決于電壓等級。1kV以下采用實心磁套管，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，套管外形做成多級傘形裙邊。電壓等級越高，級數(shù)越多。

7)分接開關

變壓器常通過改變繞組匝數(shù)來調(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關。分接開關分為無載調(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載的情況下進行切換。分接開關安裝在油箱內(nèi)，其控制箱在油箱外。有載調(diào)壓分接開關內(nèi)的變壓器油是完全獨立的，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裝置，安裝在油箱與儲油柜的連接管道中，當變壓器內(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)時產(chǎn)生的氣體和油流迫使氣體繼電器動作。輕者發(fā)出信號，以便運行人員及時處理；重者使斷路器跳閘，以保護變壓器。

9)油表

變壓器的油表和油枕是一個連通器結構，用于監(jiān)視油枕的油位。根據(jù)環(huán)境溫度的不同，一般有三個標準油位。若油面低于標識位置，則說明需要添加變壓器油。

2.變壓器的銘牌及額定值

每臺變壓器都有一個銘牌，上面標注有型號、額定值及其他數(shù)據(jù)，便于用戶了解變壓器的運行性能。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允許長期通過的電流，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、額定電流之間的關系為4.3.3特殊變壓器

1．自耦變壓器

自耦變壓器的結構特點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

實驗室中常用的調(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。它主要用來擴大測量交流電流的量程，因為在測量交流電路的大電流(如容量較大的電動機、工頻爐、焊機等)時，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量儀表與高壓電路隔開，以保證人身與設備的安全。

電流互感器的接線圖及其符號如圖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電流互感器和測流鉗根據(jù)變壓器原理，可認為

(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，要注意線圈應正確連接。譬如，一臺變壓器的原繞組有相同的兩個繞組，如圖4-16中的1-2和3-4所示。當接到220V的電源上時，兩繞組串聯(lián)，如圖4-16(b)所示；當接到110V的電源上時，兩繞組并聯(lián)，如圖4-14(c)所示。如果連接錯誤，譬如串聯(lián)時將2和4兩端連在一起，將1和3兩端接電源，則兩個繞組的磁通勢互相抵消，鐵芯中不產(chǎn)生磁通，繞組中也就沒有感應電動勢，繞組中將流過很大的電流，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，我們在線圈上標以記號“·”。標有“·”號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。當電流從兩個線圈的同極性端流入(或流出)時，產(chǎn)生的磁通的方向相同；當磁通變化(增大或減小)時，在同極性端感應電動勢的極性也相同。在圖4-16中，繞組中的電流正在增大，感應電動勢e的極性(或方向)如圖中所示。如果將其中一個線圈反繞，如圖4-17所示，則1和4兩端應為同極性端。串聯(lián)時應將2和4兩端連在一起。可見，哪兩端是同極性端，還和線圈繞向有關。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交流電動機

4.4.1三相異步電動機的結構

1.定子

電動機定子由支撐定子鐵芯的鋼制機座、定子鐵芯和定子繞組線圈組成。定子鐵芯是電動機磁路的組成部分，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。

三相異步電機具有三相對稱的定子繞組，定子繞組采用高強度漆包線包繞而成，三相繞組的六個出線端通過機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

電動機轉(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)軸拖動機械負載。轉(zhuǎn)子、氣隙和定子鐵芯構成了一個電動機的完整磁路。

異步電動機的轉(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銅端環(huán)上，以構成閉合回路。抽去轉(zhuǎn)子鐵芯，剩下的銅條及其兩邊的端環(huán)其形狀像個鼠籠，故稱為鼠籠式電動機。為了節(jié)省銅材，現(xiàn)在中小容量的鼠籠式電動機是在轉(zhuǎn)子鐵芯的槽中澆注鋁液鑄成籠形導體，同時在滑環(huán)上鑄出多片風葉作為散熱用的風扇，以代替銅制籠形導體。繞線式轉(zhuǎn)子同電動機的定子一樣，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銅制的滑環(huán)上，集電環(huán)固定在轉(zhuǎn)軸上，三個環(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，以便改善電動機的啟動和調(diào)速特性，如圖4-19所示。圖4-19繞線式異步電動機轉(zhuǎn)子4.4.2三相異步電動機的工作原理

1.異步電動機中的旋轉(zhuǎn)磁場

1)旋轉(zhuǎn)磁場的生成

由上面的分析可知，若要異步電動機轉(zhuǎn)動，首先應當有一個旋轉(zhuǎn)磁場。在實際中應用的異步電動機，是不可能使用一個旋轉(zhuǎn)的永久磁鐵來產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場的。它的磁場是由三相對稱交流電流通入靜止的三相對稱繞組而產(chǎn)生的空間旋轉(zhuǎn)磁場。通常我們在三相異步電動機的定子鐵芯中對稱放置三相繞組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，通入三相對稱電流：為了簡化起見，設每相繞組只有一個線匝，三個繞組分別嵌放在定子鐵芯圓周空間位置上互差120°對稱分布的6個凹槽之中。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，其值為正，其實際方向與參考方向一致；在負半周時，其值為負，其實際方向與參考方向相反。當ωt=0°時，定子繞組中的電流方向如圖4-20(a)所示。這時iA=0，iB為負值，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，應用右手螺旋定則，由iC和iB產(chǎn)生的合成磁場如圖4-20(a)所示。合成磁場對定子鐵芯內(nèi)表面而言，上方相當于N極，下方相當于S極，即兩個磁極，也稱為一對極。通常用P表示磁極對數(shù)，即P=1。此時合成磁場的方向是自上而下。圖4-20旋轉(zhuǎn)磁場的生成當ωt=120°時，定子繞組中電流的方向和三相電流的合成磁場的方向如圖4-20(b)所示，這時的合成磁場已在空間轉(zhuǎn)過了120°。

同理，可得當ωt=240°時的三相電流的合成磁場比ωt=120°時的合成磁場在空間又轉(zhuǎn)過了120°，如圖4-20(c)

所示。

當ωt=360°時，三相電流的合成磁場比ωt=240°時的合成磁場在空間又轉(zhuǎn)過了120°，如圖4-20(d)所示。此時的合成磁場同ωt=0°時的方向一致，合成磁場完成了一周的旋轉(zhuǎn)，進入下一個周期的旋轉(zhuǎn)。綜上所述，當三相對稱的定子繞組通入三相對稱電流時，將在電機中產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場。當旋轉(zhuǎn)磁場為一對極時，電流變化角度為360°，合成磁場在空間旋轉(zhuǎn)360°。旋轉(zhuǎn)磁場的極對數(shù)P與定子繞組的排列有關。通過適當安排，可以生成兩對極、三對極等極對數(shù)的旋轉(zhuǎn)磁場，如圖4-21所示。圖4-21

P=2時的旋轉(zhuǎn)磁場

2)旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速

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

n0=60f

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

n0=0.5×60f

由此可以推廣到P對極的旋轉(zhuǎn)磁場轉(zhuǎn)速為

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

決于電源的頻率和電動機的磁極對數(shù)P。我國的電源頻率為

50Hz。表4-3列出了不同電機磁極對數(shù)所對應的同步速。

3)旋轉(zhuǎn)磁場的方向

旋轉(zhuǎn)磁場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，當通入三相繞組AX、BY、CZ中的電流依次為iA→iB→iC時，旋轉(zhuǎn)磁場沿順時針旋轉(zhuǎn)。如果把三根電源線中的任意兩根對調(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，此時旋轉(zhuǎn)磁場的方向為逆時針方向。圖4-22旋轉(zhuǎn)磁場的反轉(zhuǎn)

2.異步電動機的轉(zhuǎn)動機理

圖4-23(a)是兩極三相異步電動機的轉(zhuǎn)動原理示意圖。設磁場以同步速n0順時針方向旋轉(zhuǎn)，于是轉(zhuǎn)子導條與磁場之間產(chǎn)生相對運動，相當于磁場靜止轉(zhuǎn)子導條以逆時針方向切割磁感應線而產(chǎn)生感應電動勢，又由于導條端部由短路環(huán)連通而形成閉合電路，因此導條中形成感應電流，方向如圖4-23(a)所示。載流導條在磁場中受安培力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)磁場的方向轉(zhuǎn)動。異步電動機的轉(zhuǎn)動原理可以用圖4-23(b)來說明。圖4-23異步電動機轉(zhuǎn)動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機運行特性的重要物理量。在電動機啟動瞬間，n=0，s=1，轉(zhuǎn)差率最大；空載運行時，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速最高，轉(zhuǎn)差率最?。活~定負載運行時，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機的工作特性

1.電磁轉(zhuǎn)矩

由異步電動機的轉(zhuǎn)動機理可知，驅(qū)動電機旋轉(zhuǎn)的電磁轉(zhuǎn)矩是轉(zhuǎn)子導條中的感應電流I2與旋轉(zhuǎn)磁場的每極磁通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。可以證明，異步電機的電磁轉(zhuǎn)矩可表示為

(4-20)

式中，KT為與電機結構相關的常數(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是電動機啟動

時(轉(zhuǎn)子尚未轉(zhuǎn)起來)的轉(zhuǎn)子感抗。

2.機械特性

實際工作中，常用異步電動機的機械特性n=f(T)來分析

問題。機械特性反應了轉(zhuǎn)速n與電磁轉(zhuǎn)矩之間的函數(shù)關系。

圖4-24為異步電動機的機械特性曲線。

電動機的電磁轉(zhuǎn)矩與定子相電壓U1的平方成正比，所以機械特性曲線將隨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異步電動機的機械特性電動機的負載是其軸上的阻轉(zhuǎn)矩。電磁轉(zhuǎn)矩T必須與阻轉(zhuǎn)矩Tc相平衡，即當T=Tc時電動機才能等速運行，當T>Tc時電動機加速，當T<Tc時電動機減速。阻轉(zhuǎn)矩包括兩個部分：電動機軸上的機械負載轉(zhuǎn)矩T2和電動機機械損耗轉(zhuǎn)矩T0。一般情況下機械損耗轉(zhuǎn)矩較小，可以忽略，則阻轉(zhuǎn)矩為

Tc=T2+T0≈T2

因此可近似認為，只要電動機的電磁轉(zhuǎn)矩和軸上的負載轉(zhuǎn)矩相平衡，即T=T2，電機就可以等速運行。下面就異步電動機的機械特性曲線來討論三個重要轉(zhuǎn)矩。

1)額定轉(zhuǎn)矩TN

電動機在額定電壓下以額定轉(zhuǎn)速nN運行，輸出額定功率PN時，由機械原理可得，電動機轉(zhuǎn)軸上輸出的轉(zhuǎn)矩為

(4-21)

式中，P2是電動機軸上輸出的機械功率(kW)，n是電動機輸出轉(zhuǎn)速(r/min)。當P2為電動機額定功率P2N、n為額定轉(zhuǎn)速nN時，由式(4-21)計算出的轉(zhuǎn)矩就是額定轉(zhuǎn)矩TN。電動機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是三相異步電動機所能產(chǎn)生的最大轉(zhuǎn)矩。當異步電動機負載轉(zhuǎn)矩超過最大轉(zhuǎn)矩Tm時，電動機將發(fā)生“堵轉(zhuǎn)”現(xiàn)象，此時電動機電流是額定電流的數(shù)倍，若時間過長，則電動機將會劇烈發(fā)熱，以致燒壞。一般允許電動機的負載轉(zhuǎn)矩在短時間內(nèi)超過額定轉(zhuǎn)矩，但不能超過最大轉(zhuǎn)矩。最大轉(zhuǎn)矩也表示電動機短時過載的能力，用過載系數(shù)λm表示，為

一般三相異步電動機的過載系數(shù)為1.8~2.2。

3)啟動轉(zhuǎn)矩Tst

電動機接通電源瞬間(n=0)的電磁轉(zhuǎn)矩稱為啟動轉(zhuǎn)矩。電動機的啟動轉(zhuǎn)矩必須大于靜止時其軸上的負載轉(zhuǎn)矩才能啟動。通常Tst與TN的比值表示異步電動機的啟動能力，則啟動系

數(shù)為

一般三相異步電動機的啟動系數(shù)λst為1~1.2。4.4.4異步電動機的使用

1.三相異步電機的啟動

1)直接啟動

直接啟動就是用閘刀開關和交流接觸器將電機直接接到具有額定電壓的電源上。直接啟動的優(yōu)點是操作簡單，無需很多附屬設備；主要缺點是啟動電流較大。一臺異步電動機能否直接啟動要視不同情況而定，一般根據(jù)以下幾點來確定：

(1)容量在10kW以下的異步電動機允許直接啟動。

(2)啟動時，電動機的啟動電流在線路上引起的壓降不應該超過正常電壓的15%。如果用戶未用獨立變壓器，則不應超過5%。

(3)用戶由獨立變壓器供電時，對于頻繁啟動的電動機，其容量小于變壓器容量的20%時允許直接啟動，對于不頻繁啟動的電動機，其容量小于變壓器容量的30%時允許直接啟動。

2)降壓啟動

鼠籠式異步電動機常用的降壓啟動方法如下：

(1)Y-△降壓啟動。

Y-△降壓啟動適用于正常運行時繞組為三角形連接的電動機，電動機的三相繞組的六個出線端都要引出，并接到轉(zhuǎn)換開關上。啟動時，將正常運行時三角形接法的定子繞組改接為星形(Y)連接，啟動結束后再換為三角形(△)連接。這種方法只適用于中小型鼠籠式異步電動機。圖4-25(a)所示為這種方法的原理接線圖。圖4-25三相異步電動機的降壓啟動

Y-△降壓啟動時，電機定子繞組為星形連接，電機每相定子繞組上的電壓是電源線電壓Ul的，此時電路的線電流等于相電流，即流過每個繞組的電流(這里的Z是每相繞組的等效阻抗):

當定子繞組接成三角形，即直接啟動時，有比較上列兩式，可得

(4-22)

即降壓啟動時的電流為直接啟動時的1/3。

(2)自耦變壓器降壓啟動。自耦變壓器降壓啟動的電路如圖4-25(b)所示。三相自耦變壓器接成星形，用一個六刀雙擲轉(zhuǎn)換開關來控制變壓器接入或脫離電路。啟動時把Q扳在啟動位置，使三相交流電源接入自耦變壓器的原邊，而電動機的定子繞組接到自耦變壓器的副邊，這時電動機得到的電壓低于電源電壓，因而減小了啟動電流，待電動機的轉(zhuǎn)速升高后，把Q從啟動位置迅速扳到運行位置，讓定子繞組直接與電源相連，而自耦變壓器則與電路脫開。

(3)軟啟動。軟啟動是近年來隨著電子技術的發(fā)展而出現(xiàn)的新技術，啟動時通過軟啟動器(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，啟動后再用旁路接觸器KM使電動機投入正常運行，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，用于保護軟啟動器。由式(4-19)得到異步電動機的轉(zhuǎn)速公式：

(4-23)

由式(4-23)可知，異步電動機可以通過三種方式進行調(diào)速：改變電動機旋轉(zhuǎn)磁場的磁極對數(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，兩個線圈串聯(lián)，得到

P＝2；圖(b)中，兩個線圈并聯(lián)，得出P＝1。在換極時，一

個線圈中的電流方向不變，而另一個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

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

動機供電電源的頻率，則可連續(xù)改變電動機的轉(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，從而為異步電動機提供電源。這樣在變頻裝置的支持下，實現(xiàn)了三相異步電動機較大范圍的無級調(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機，是通過在轉(zhuǎn)子電路中串接調(diào)速電阻來實現(xiàn)的。

這種調(diào)速方法的優(yōu)點是有一定的調(diào)速范圍，調(diào)速平滑，設備簡單，但能耗較大，效率較低，廣泛用于起重設備。

3.三相異步電動機的制動

1)能耗制動

能耗制動方法就是在電動機切斷三相電源的同時，向定子繞組通入直流電，產(chǎn)生一恒定磁場。由于轉(zhuǎn)子仍以貫性轉(zhuǎn)速運轉(zhuǎn)，因此轉(zhuǎn)子導條與固定磁場間有相對運動并產(chǎn)生感應電流。這時，轉(zhuǎn)子電流與固定磁場相互作用產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩就是制動轉(zhuǎn)矩，可使電動機快速停轉(zhuǎn)。電機停轉(zhuǎn)后切斷直流電源。此時機械系統(tǒng)存儲的機械能被轉(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，如圖4-28所示。圖4-28能耗制動原理

2)反接制動

如圖4-29所示，若異步電動機需要停轉(zhuǎn)，則將三根電源線中的兩根對調(diào)位置，從而使旋轉(zhuǎn)磁場反向，此時產(chǎn)生一個與轉(zhuǎn)子慣性旋轉(zhuǎn)方向相反的電磁轉(zhuǎn)矩，使電動機迅速減速。當轉(zhuǎn)速接近零時，需及時切斷電源，否則電動機將反向啟動旋轉(zhuǎn)，如圖4-29所示。圖4-29反接制動原理

3)回饋制動

若轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速n超過旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速n0，則此時的轉(zhuǎn)矩為制動轉(zhuǎn)矩。例如，當起重機快速下放重物時，就會發(fā)生這種情況。這時重物拖動轉(zhuǎn)子，使其轉(zhuǎn)速n＞n0，重物受到制動而等速下降。實際上這時電動機變?yōu)榘l(fā)電機運行，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。

另外，在將多速電動機從高速調(diào)到低速的過程中，也會自然發(fā)生這種制動。因為剛將極對數(shù)P加倍時，磁場轉(zhuǎn)速會立即減半，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異步電動機的銘牌

要正確使用電動機，必須看懂銘牌。下面以Y132M-4型電動機為例，說明銘牌上各個數(shù)據(jù)的含義。Y132M-4型電動機的銘牌如圖4-30所示。圖4-30

Y132M-4型電動機的銘牌

1.型號

電動機的型號是表示電動機類型、用途和技術特征的代號，由大寫拼音字母和阿拉伯數(shù)字組成，且字母和數(shù)字各有一定的含義。電動機型號的含義如圖4-31所示。

異步電動機的產(chǎn)品名稱代號及其漢字意義見表4-4。圖4-31電動機型號的含義

2.接法

銘牌上的接法指定了三相繞組的連接方式。異步電動機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。通常三相異步電動機容量為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

銘牌上所標的電壓值是指電動機在額定運行時定子繞組上應加的線電壓值。一般規(guī)定電動機的電壓不應高于或低于額定值的5%。三相異步電動機的額定電壓有380V、3000V、6000V等多種。

4.電流

銘牌上所標的電流值是指電動機在額定運行時定子繞組的額定線電流值，用IN表示。當電動機空載或輕載時，都小于這個電流值。

5.功率與效率

銘牌上所標的功率值是指電動機在額定運行時軸上輸出的額定機械功率PN。一般容易把它誤認為電動機從電網(wǎng)輸入的電功率。其實這兩個功率并不相等，其差值等于電動機本身的損耗功率，包括銅損、鐵損及電動機軸承等的機械損耗。

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

電動機的輸入功率：

(14-24)

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

(14-25)

其中，P2為電動機的輸出功率。

電動機的額定轉(zhuǎn)矩：

(14-26)

其中，nN為電動機的額定轉(zhuǎn)速。

6.功率因數(shù)

因為電動機是電感性負載，所以定子相電流比定子相電壓滯后一個j角，cosj就是電動機的功率因數(shù)。

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

7.轉(zhuǎn)速

銘牌所給出的轉(zhuǎn)速是指電動機在額定電壓、額定頻率且輸出為額定功率時的轉(zhuǎn)速，稱為額定轉(zhuǎn)速nN。由于異步電動機額定運行狀態(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)速判斷出電動機的磁極對數(shù)。例如，若nN=1440r/min，則其n0應該為1500r/min，可推斷出磁極對

數(shù)P=2。

8.絕緣等級

絕緣等級是指電動機所采用的絕緣材料的耐熱等級。絕緣材料按其耐熱程度，可分為A、B、C、D、E、F、H級。電動機的溫度對絕緣影響很大。如果電動機溫度過高，則會使絕緣老化，縮短電機壽命。如果溫度超過很多，則會使絕緣全部破壞。絕緣等級越高，耐熱能力就越強。為使絕緣不致老化，銘牌中對電動機繞組溫度做了一定的限制。異步電動機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

工作方式是指電動機工作在連續(xù)工作制、短時工作制還是斷續(xù)工作制。若標為連續(xù)，則表示電動機可在額定功率下連續(xù)運行，繞組不會過熱；若標為短時，則表示電動機不能連續(xù)運行，而只能在規(guī)定的時間內(nèi)依照額定功率短時運行，這樣不會過熱；若標為斷續(xù)，則表示電動機的工作是短時的，但能多次重復運行。

【例4-2】有一三相異步電動機，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機的運行維護及常見故障

1.三相異步電機的維護和保養(yǎng)

1)啟動前的準備和檢查

(1)檢查電動機啟動設備接地是否可靠和完整，接線是否正確和良好。

(2)檢查電動機銘牌所示電壓、頻率與電源電壓、頻率是否相符。

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

(4)對繞線式轉(zhuǎn)子應檢查其集電環(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)檢查電動機轉(zhuǎn)動是否靈活，軸承的潤滑是否良好。

(6)檢查電動機所用熔斷器的額定電流是否符合要求。

(7)檢查電動機各緊固螺栓及安裝螺栓是否擰緊。

2)運行中的維護

(1)電動機應保持清潔，不允許有雜物進入電動機內(nèi)部；進、出風口必須保持暢通。

(2)用儀表監(jiān)視電源電壓、頻率及電動機的負載電流。電源電壓、頻率要符合電動機銘牌上的數(shù)據(jù)。電動機負載電流不得超過銘牌上的額定值，否則要查明原因，采取措施，消除不良情況后方能繼續(xù)運行。

(3)采取必要手段檢測電動機各部位溫升。

(4)對于繞線式電動機，應注意電刷與集電環(huán)間的接觸壓力、磨損及火花情況。電動機停轉(zhuǎn)時，應斷開定子電路內(nèi)的開關，然后將電刷提升機構扳動到啟動位置，斷開短路裝置。

(5)電動機投入運行后定期維修，一般分為小修和大修兩種。小修屬一般檢修，對電動機啟動設備整體不做大的拆卸，約一季度一次；大修要將所有轉(zhuǎn)動裝置及電動機的所有零部件都拆卸下來,并將拆卸的零部件作全面的檢查及清洗，一般一年一次。

2.電動機常見故障的原因及排除方法

(1)電源接通后電動機不啟動：①檢查接線，排除錯誤；②檢查傳動機構和負載。

(2)溫升過高或冒煙：①負載大，啟動過頻繁；②電動機本身的原因，如定子短路等；③檢查軸承和通風情況。

(3)電機振動：①安裝不穩(wěn)；②負載過大；③電動機與負載軸線不對，應重新校正。

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

(5)帶負載轉(zhuǎn)速過低：①電壓低；②負載大；③轉(zhuǎn)子斷條。出現(xiàn)這種故障時應檢查電源電壓，核對負載。

(6)外殼帶電：①接地不良或接地電阻過大；②受潮；③絕緣不良。出現(xiàn)這種故障時應消除接地不良，進行烘干、浸漆處理，并清除臟物。4.4.7單相異步電動機

單相異步電動機的定子為單相繞組，轉(zhuǎn)子大多是籠形的。當繞組通入單相交流電時，會產(chǎn)生一個磁極軸線位置不變、磁感應強度的大小隨時間做正弦交變的脈動磁場，磁極的軸線位置如圖4-32所示。由于脈動磁場不是旋轉(zhuǎn)磁場，所以轉(zhuǎn)子導條中不能產(chǎn)生感應電流，也就不會形成電磁轉(zhuǎn)矩，因此單相電動機沒有啟動轉(zhuǎn)矩。但當外力使轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)起來后，轉(zhuǎn)子與脈動磁場之間的相對運動產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩能使其繼續(xù)沿原方向旋轉(zhuǎn)。圖4-32單相異步電動機的磁場

1.電容分相式異步電動機

圖4-33所示為電容分相式異步電動機。在它的定子中放置一個啟動繞組B，空間相隔90°嵌放。繞組B與電容器相連，使兩個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。由圖4-33可見，通入繞組中的電流的電角度變化了90°，旋轉(zhuǎn)磁場也轉(zhuǎn)過

了90°。圖4-33電容分相式單相異步電動機旋轉(zhuǎn)磁場的形成

2.罩極式異步電動機

罩極式單相異步電動機的定子多做成凸極式，結構如圖4-34所示。圖中，在磁極一側(cè)開一小槽，用短路銅環(huán)套在磁極的窄條邊上，每個磁極的定子繞組串聯(lián)后接單相電源。當將電源接通時，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)形成的合成磁場將是一個有一定推移速度的移動磁場，使電動機產(chǎn)生一定的啟動轉(zhuǎn)矩。圖4-34罩極式單相異步電動機示意圖4.5直流電動機

4.5.1直流電動機的基本結構

直流電動機由定子和轉(zhuǎn)子兩大部分組成，其外形和結構如圖4-35所示。圖4-35直流電動機的外形和結構

1．定子

定子是直流電動機的靜止部分，由主磁極、機座、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直流電動機定子結構

2．轉(zhuǎn)子

直流電動機的轉(zhuǎn)子通稱為電樞，它的主體結構如圖4-37所示，包括電樞鐵芯、電樞繞組、換向器、轉(zhuǎn)軸和風扇等部件。圖4-37直流電動機的轉(zhuǎn)子結構4.5.2直流電動機的工作原理

1.轉(zhuǎn)動原理

給兩個電刷加上直流電源，如圖4-38(a)所示，則有直流電流從電刷A流入，經(jīng)過線圈abcd，從電刷B流出，根據(jù)電磁力定律，載流導體ab和cd受到電磁力的作用，其方向可由左手定則判定，兩段導體受到的力形成了一個轉(zhuǎn)矩，使得轉(zhuǎn)子逆時針轉(zhuǎn)動；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，在線圈中的流動方向是dcba，從電刷B流出，此時載流導體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)子逆時針轉(zhuǎn)動。圖4-38直流電動機的工作原理直流電動機的工作原理可歸結如下：

(1)將直流電源通過電刷接通電樞繞組，使電樞導體有電流流過。

(2)電機內(nèi)部有磁場存在。

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

(4)所有導體產(chǎn)生的電磁力作用于轉(zhuǎn)子，使轉(zhuǎn)子以n(轉(zhuǎn)/分)旋轉(zhuǎn)，以便拖動機械負載。

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體所受電磁力為

F=Blia

式中，B為磁感應強度，其大小與一個磁極的磁通量F成正比；l為載流導體的有效長度；ia為導體中的電流。

電動機的電磁轉(zhuǎn)矩是由電樞繞組所有有效導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為與電動機結構有關的常數(shù)；T為電磁轉(zhuǎn)矩，單位

是N·m。

3.電樞電勢及平衡方程

電樞旋轉(zhuǎn)時，電樞繞組切割磁感線運動，產(chǎn)生感應電動勢e，其有效值為

E=Blv

式中，v為導體運動的線速度。電樞繞組兩電刷之間的總電動勢為

Ea=KEΦn

(4-28)

式中，KE是與電動機結構有關的常數(shù)；電動勢Ea的方向又稱為反電動勢，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直流電動機的分類及機械特性

1.直流電動機的分類

直流電動機可按結構、用途、容量大小和勵磁方式的不同進行分類。按勵磁方式不同，直流電動機可分為他勵、并勵、串勵和復勵，如圖4-39所示。

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

I=Ia+If

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

復勵的勵磁繞組分為兩部分：一部分勵磁繞組與電樞

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

2.直流電動機的銘牌數(shù)據(jù)

1)型號

直流電動機銘牌中型號的具體含義如圖4-40所示。圖4-40直流電動機銘牌中型號的具體含義

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)：軸上帶額定負載時電刷端的輸入電流。

額定轉(zhuǎn)速nN(r/min)：電動機額定運行時的轉(zhuǎn)速。

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

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.直流電機的運行特性

下面以他勵電動機為例來分析其機械特性。圖4-41為直流電動機的電樞電路。

由式(4-28)、式(4-29)可得直流電動機的轉(zhuǎn)速為

(4-30)

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

(4-31)

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

是T=0時的轉(zhuǎn)速，實際上是不存在的，因為即使電動機軸上沒有加機械負載，電動機的轉(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，當負載增加時，Ia隨之增加，于是RaIa增加，由于電源電壓U是一定的，因此這時反電動勢E減小，轉(zhuǎn)速n降低。4.5.4直流電動機的使用

1.啟動

1)直接啟動

直接啟動指在不采取任何措施的情況下，電樞繞組直接接額定電壓啟動。

啟動瞬間，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速n=0，電樞的反電動勢Ea=KEΦn=0，在加額定電壓時電樞的啟動電流為

2)電樞回路串電阻啟動

在電樞繞組回路中串入電阻Rst，啟動瞬間，啟動電流為

在啟動過程中，隨著電動機轉(zhuǎn)速的提高，逐段切除啟動電阻，直到轉(zhuǎn)子達到正常轉(zhuǎn)速時全部切除。

3)降壓啟動

降壓啟動指降低電樞繞組的電壓，以限制啟動電流。這需要有一個電壓可調(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行。降壓啟動的優(yōu)點是啟動電流小，能耗低，可平滑啟動，但只適用于他勵型直流電動機。

2.反轉(zhuǎn)

使用直流電動機的許多設備常常要求電動機既能正轉(zhuǎn)，又能反轉(zhuǎn)。要改變直流電動機的旋轉(zhuǎn)方向，必須改變電磁轉(zhuǎn)矩的方向。直流電動機電磁轉(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，所以要使直流電動機反轉(zhuǎn)，有兩種方法：①保持電樞電流方向不變，改變勵磁繞組電流的方向；②保持勵磁繞組電流方向不變，改變電樞電流方向。如果兩個電流方向同時改變，則電動機旋轉(zhuǎn)方向不變。實際上，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)速是指在負載轉(zhuǎn)矩不變的條件下，通過人為的方法改變電動機的有關參數(shù)(即改變直流電動機的機械特性)，使之在一定的負載下獲得不同的轉(zhuǎn)速。直流電動機具有良好的調(diào)速性能，能在較大的范圍內(nèi)平滑而經(jīng)濟地調(diào)速。

從直流電動機的機械特性方程式(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)速方法的特點如下：

(1)電動機的理想空載轉(zhuǎn)速不變，隨著所串電阻的增大，機械特性越來越軟。

(2)只能將轉(zhuǎn)速往下調(diào)，平滑性差。低速時，電動機的效率較低。

(3)如果負載稍有變動，則電動機的轉(zhuǎn)速就會有較大變化，這對于恒轉(zhuǎn)矩負載不利。

這種調(diào)速方法僅適用于調(diào)速范圍不大和調(diào)速時間不長的小功率電動機。

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)速方法的特點如下：

(1)可得到無級平滑調(diào)速。

(2)勵磁電流小，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)直流電動機的速度。采用這種方法調(diào)速時，應注意保持勵磁電流不變，只改變電樞電壓。因此，需要可變電壓的直流電源。近年來，晶閘管整流設備作為可調(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，其機械特性曲線如圖4-43(c)所示。

這種調(diào)速方法的特點如下：

(1)可以得到平滑調(diào)速。

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

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

4.制動

1)能耗制動

圖4-44(a)是他勵電動機能耗制動的電路。制動時將開關S由左邊扳向右邊，使電動機的電樞回路與電源切斷，再與一制動電阻Rp相串聯(lián)，但勵磁繞組的電源必須保留。這時，由于轉(zhuǎn)動部分的慣性，電樞繼續(xù)按原方向旋轉(zhuǎn)，電樞導體切割磁力線產(chǎn)生的感應電動勢E的方向不變，但原來阻礙電流的反電動勢變?yōu)樵陔姌欣@組和制動電阻Rp上產(chǎn)生電流Ia的電動勢，此時的電動機相當于一臺發(fā)電機。圖4-44他勵直流電動機的制動

2)反接制動

反接制動就是把電源電壓反接到電樞繞組或勵磁繞組上，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)矩成為制動轉(zhuǎn)矩，使電動機迅速停止。當電動機的轉(zhuǎn)速接近于零時，應及時切斷電源，否則電動機會反轉(zhuǎn)。

由于反接制動時電樞電壓與反電動勢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電阻Rp，以保證電樞電流不超過額定電流的1.5~2.5倍。

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

3)回饋制動

并勵電動機在運行時，由于某種客觀原因，使實際轉(zhuǎn)速超過原來的空載轉(zhuǎn)速，電樞中的反電動勢E大于電源電壓U，這時電動機變成了發(fā)電機，電樞中的電流方向發(fā)生改變，由原來的與電壓相同變?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)橹苿愚D(zhuǎn)矩，因此叫做回饋制動或反饋制動。例如，電動機拖動電車下坡，當車速很高時，電車帶動電動機轉(zhuǎn)變?yōu)榘l(fā)電狀態(tài)，使車速減慢?；仞佒苿拥膶嵸|(zhì)是將直流電動機從電動機狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榘l(fā)電機狀態(tài)，以限制轉(zhuǎn)速。4.5.5直流電動機的常見故障及處理方法

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志。微小的火花不會損壞電動機，火花嚴重時可能產(chǎn)生環(huán)火，造成電樞繞組全部短路，進而損壞電動機。產(chǎn)生火花的原因可分為三類：電磁原因、機械原因、負載與環(huán)境原因。

(1)電磁原因：電樞繞組開焊或匝間短路，使電路不對稱，造成嚴重火花；電刷不在幾何中心線上，使換向元件處在主機區(qū)內(nèi)，感應出電動勢，造成換向時產(chǎn)生火花。

處理方法：檢查換向器的勵磁繞組是否正常勵磁；處理電樞繞組的短路和開焊；將電刷移動至幾何中心線上。

(2)機械原因：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。這些都會造成因電刷與換向器接觸不良而產(chǎn)