变压器与电动机.ppt

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1、变压器与电动机 Still waters run deep.流静水深流静水深,人静心深人静心深 Where there is life,there is hope。有生命必有希望。有生命必有希望3.1 变压器的结构与工作原理变压器的结构与工作原理3.1.1 变压器的基本结构变压器的基本结构 变压器是利用互感原理工作的电磁装置，它的符号如图3-1所示，T是它的文字符号。在日常生活和生产中，常常需要各种不同的交流电压。如工厂中常用的三相或单相异步电动机，他们的额定电压是380V或220V；机床照明、低压电器只需要36V以下的电压；而高压输电则需要用200kV以上的电压输电。如果采用许多输出电压不同

2、的发电机来分别供给这些负载，不但不经济、不方便，而且实际上也是不可能的。因此在实际中，输电、配电和用电所需的各种不同的电压都是通过变压器进行变换后获得的。变压器除了可以变换电压之外，还可以变换电流（如变流器、大电流发生器）、变换阻抗（如电子电路中输入、输出变压器）、改变相位（如改变线圈的连接方法来变换变压器的极性）。由此可见，变压器是输配电、电子线路和电工测量中十分重要的电器设备。图3-1 变压器符号变压器的种类很多，常用的有：输配电用的电力变压器 电解用的整流变压器 实验用的调压变压器 电子技术中的输入、输出变压器等。虽然变压器种类很多，结构上也各有特点，但它们的基本结构和工作原理是类似的。

3、变压器主要由铁芯和线变压器主要由铁芯和线圈（也叫绕组）两部分组成。圈（也叫绕组）两部分组成。铁芯是变压器的磁路通道。线圈是变压器的电路部分。铁芯是变压器的磁路通道。为了减小涡流和磁滞损耗，铁芯是用磁导率较高而且相互绝缘的硅钢片叠装而成的。在频率为50Hz的变压器中所采用硅钢片的厚度为0.350.5mm，但近年来，通信用的变压器也常用铁氧体或其他磁性材料做铁芯。变压器铁芯的构造型式可分为心式和壳式两种，心 式铁芯成“口”字形，线圈包着铁芯；壳式铁芯成“日”字形，铁芯包着线圈。线圈是由具有良好绝缘的漆包线、纱包线或丝包线绕制而成的。原线圈（初级线圈）原线圈（初级线圈）和电源相连的线圈；副线圈（次级

4、线圈）副线圈（次级线圈）与负载相连的线圈。变压器组装时，通常要将电压较低的一个线圈安装在靠近铁芯柱的内层，这是因为低压线圈和铁心间所虚的绝缘比较简单，而电压较高的线圈则安装在外面。但是，对使用频率较高的变压器，为了较少漏磁通和分布电容，常需要把原、副线圈分为若干部分，分格分层并交叉绕制。绝缘绝缘是变压器制造的主要问题，线圈的区间和层间都要绝缘良好，线圈和铁心以及不同线圈之间更要绝缘良好。为了提高变压器的绝缘性能，在制造时还要进行去潮处理去潮处理（如烘烤、灌蜡、密封等）。变压器工作时，不可避免的存在能量的损耗致使铁心和绕组发热，因此其冷却问题必须考虑。变压器按冷却方式分为自冷式和油冷式变压器按冷

5、却方式分为自冷式和油冷式 功率较小的变压器普遍采用自冷式。在自冷式变压器中，热量依靠空气的自然对流和辐射直接散发到周围的空气中去。为了增加散热量，在箱壁上还装有散热管来扩大其散热表面，并促进油的对流作用。除此之外，为了消除外界电磁波的影响，变压器往往要用铁壳或铝壳罩起来，原、副线圈间也会加一层金属静电屏蔽层，已达到电磁屏蔽的作用。3.1.2 单相变压器工作原理单相变压器工作原理 变压器是按电磁感应电磁感应原理工作的。如图3-2所示，如果把变压器的原线圈接在交变电源上，在原线圈中就有交变电流流过，交变电流在铁心中产生交变磁通，这个变化的磁通经过闭合磁路同时穿过原线圈和副线圈。我们知道，交变的磁通

6、将在线圈中产生感应电动势。因此，在变压器原线圈中产生自感电动势的同时，在 副线圈中也产生了互感电动势。这时，如果副线圈接上负载，电能就将通过负载转换成其他形式的能。1 变换交流电压变换交流电压 当变压器的原线圈接上交流电压后。在原、副线圈中存在交变的磁通，若漏磁通忽略不计，可以认为穿过原、副线圈的交变磁通相同，此时这俩个线圈的毎匝所产生的感应电动势相等。图3-2 变压器工作原理 设原线圈的匝数是N1，副线圈的匝数是N2，穿过它们的磁通是，那么原、副线圈中所产生的感应电动势分别是原边感应电动势 副边感应电动势 由此可得(3-1-1)(3-1-2)(3-1-3)在原线圈中，感应电动势E1起着阻碍电

7、流变化的作用，与加在原线圈两端的电压U1的作用相反。原线圈的电阻很小，如果略去不计，则由U1E1；副线圈相当于一个电源，感应电动势2相当于电源的电动势，副线圈的电阻也很小，如果略去不计，副线圈就相当于无内阻的理想电压源。因而副线圈两端的电压U2等于感应电动势2，即U2 2,得 式中K称为变压比 可见，变压器原、副线圈的端电压之比等于这两个线圈的匝数比。如果N1N2,则U1U2,变压器使电压降低，这种变压器为降压变压器。(3-1-4)2 变换交流电流变换交流电流 由上面的分析可知，变压器从电网中获取能量并通过电磁感应进行能量转换后，再把电能输送给负载。根据能量守恒定律，在不计变压器内部损耗的情况

8、下，变压器输出的功率和它从电网中获取的功率相等，即P1=P2。根据交流电功率的计算公式得 式中是原线圈电路的功率因数 是副线圈电路的功率因数，和通常相差很小，在实际计算中可以认为它们相等，因而得到即(3-1-5)(3-1-6)可见，变压器工作时原、副线圈中的电流与线圈的匝数成反比。变压器的高压线圈匝数多而通过的电流小，可用较细的导线绕制；低压线圈匝数少而通过的电流大，应当较粗的导线绕制。3 变换交流阻抗变换交流阻抗 在电子线路中，也常用变压器来变换交流阻抗。众所周知无论收音机还是其他电子装置，总希望负载获得更大功率，而负载获得更大功率的条件是负载阻抗等于信号源的内阻，即阻阻抗匹配抗匹配。实际工

9、作中，负载的阻抗与信号源的内阻往往是不相等的，把负载直接接到信号源上不能获得最大功率。因此，就需要利用变压器来进行阻抗变换，使负载获得最大功率。设变压器初级输入阻抗（即初级两端所呈现的等效阻抗）为|1|,次级负载阻抗为|2|,则将 带入上式整理后得(3-1-7)因为 所以 可见，在次级接上负载阻抗|2|时，就相当于使电源直接连上一个阻抗（3-1-8）例例3-1-1 有一电压比为220V/110V的降压变压器，如果在次级接上55的电阻时，求变压器初级的输入阻抗。解法1 首先求出次级电流 然后根据变压比求出初级电流 所以变压器的输入阻抗为 解法二 先求出变压比 然后根据阻抗变换公式（3-1-8），

10、直接求出变压器的输入阻抗为 例3-1-2 有一信号源的电动势为1V内阻抗为600，负载阻抗为150。预使负载获得最大功率，必须在信号源与负载之间一匹配变压器，使变压器的输入阻抗等于信号源的内阻抗，如图3-3所示，求变压器的变压比，问初、次级电流各为多大？解解 由题意可知，负载阻抗 变压器的输入阻抗 应用变压器的阻抗变换公式，可求得变压比为 因此，信号源和负载之间接一个变压比为2的变压器即能达到阻抗匹配的目的。变压器的初级电流为 次级电流为 实际变压器的初次、级绕组的极性是看不见的，因此引入了同名端的概念。同名端是指电压实际极性相同的端子，是一种标记，如图3-3中的“”所以即表示同名端。同名端的

11、判别方法请参阅有关书籍。图3-3 变压器电路 变压器的伏安特性和电压变化规律变压器的伏安特性和电压变化规律 对于负载来说，变压器相当于电源，而作为一个电源就必须考虑它的外特性。电力系统的用电负载是经常发生变化的，负载变化所引起的变压器次级电压的变化程度，既与负载的大小和性质（电阻性、电容性和功率因数的大小）有关，又与变压器的本身性质有关。为了说明负载对变压器次级电压的影响，可以作出变压器外特性曲线如图3-4所示。变压器的伏安特性（外特性）就是当变压器的初级电压U1和负载的功率因数=cos一定时，次级电压U2随次级电流I2变化的曲线关系。从图中可以看出，当I2=0（即变压器空载）时，U2=U20

12、当负载为电阻性和电感性时，随着负载电流的增大，变压器次级电压逐渐下降。在相同的负载电流下，其电压下降的程度取决于负载的功率因数的大小。负载的功率因数越低，端电压下降越大；当负载为电容性负载时【如cos(-)=0.8】,曲线上升结果相反。图 3-4 因此，为了减小电压的变化，对感性负载而言，可以在其两端并联电容器，以提高负载的功率因数。变压器有负载时，次级电压变化的程度用电压变化率 U来描述。电压变化率是指变压器空载时的次级端电压 U20和有载时的次级端电压U 2之差与U20的比值，即(3-1-9)电压变化率是变压器的主要性能指标之一，在日常应用中电压变化率越小越好，对于电力变压器来讲，一般在5

13、左右。变压器的功率和效率变压器的功率和效率 变压器功率变压器初级的输入功率为（3-1-10）式中，U1 为初级端电压，I1为次级电流，1为初级电压和电流的相位差。变压器次级的输出功率为(3-1-11)式中，U2为次级端电压，I2为次级电流，2为次级电压和电流的相位差 输入功率和输出功率之差是变压器所损耗的功率，即（3-1-12）变压器的功率损耗，包括铁损 PFe（磁滞损耗和涡流损耗）和铜损PCu（线圈导线的损耗），即(3-1-13)铁损和铜损可以用试验方法测量或计算求出。一般说来，铜损与初、次级电流有关，铁损与电流频率有关。它们的基本关系是：电流越大，铜损越大；频率越高，铁损越大。（2）变压器

14、的效率）变压器的效率 类似于机械效率，变压器的效率也就是变压器输出功率与输入功率的百分比，即(3-1-14)大容量变压器的效率最高可达98%99%,小型电源变压器的效率一般为 70%80%。例3-1-3 一台单相变压器，原边绕组的额定电压 UiN=3000V,副边开路时U20=230V,当副边接入电阻性负载并达到满载时，副边电流 I2=40A,此时U2=220V。若变压器的效率=95%，求变压器原边的电流 I1、变压器的功率损耗 P、电压变化率U。解 副边输出的电功率为原边输入得电功率为原边电流为功耗损耗为电压变化率3.2 常用变压器常用变压器 变压器的种类很多，除上节介绍的单相变压器外，我们

15、在介绍几种常用的变压器。3.2.1 三相变压器三相变压器 由于现代电力供电系统采用三相四线制或三相三线制，交流电能的产生和输送几乎也都采用三相制，所以三相变压器的应用很广泛。欲把某一数值的三相电压变换为同频率的另一数值的三相电压，可用三台单相变压器连成三相变压器组或一台三相变压器来实现。图3-5 由三台单相变压器连接成的是三相变压器组图3-5 三相变压器组 根据电力网的线电阻和各个原绕组额定电压的大小，可把三个原绕组接成星形或三角形，同时根据供电需求，它们的副绕组也可接成上述的形式，图中给出的是星形连接。图3-6是一台三相变压器。它的铁心具有三个铁心柱，在每一个铁心柱上各装有一个原绕组和一个副

16、绕组。图3-6三相变压器 各相高压绕组的起端和末端分别用1、1、1和2、2、2表示；低压绕组的起端和末端分别用1、1、1和2、2、2表示，如果把2、2、2接在一起，1、1、1接在电源上，则原绕组为星形连接。如果在对称三相系统中，加在原绕组上的各个正方向电压（由原绕组的起端指向末端的电压）大小相等，互相有120相位差，那么在正方向电压的作用下，三个原绕组中正方向的磁通（由正方向电流所产生的磁通）也互有120相位差，如图3-7所示图3-7 相位差 虽然铁心中磁通的大小和方向时刻在变化，但由于三个铁心柱中的磁通到达正方向最大值时总是依次相差120（即相差T/3），因此，在三个副绕组中产生的正方向感应

17、电动势也互有120相位差。由此可见，三相变压器的每一铁心柱就相当于一个单相变压器，通过改变三相变压器原副绕组的匝数，便可达到升高或降低三相电压的目的。三相电力变压器绕组的常用接法有Y/yno和Y/d等几种，在上述写法中，大写字母表示高压绕组的接法，小写字母表示低压绕组的接法，yno表示星形接法并具有中点引出线，d表示三角形接法。3.2.2 自耦变压器自耦变压器 普通变压器（或称双绕组变压器）的初级绕组和次级绕组一般是相互分开的，若变压器的初、次级线圈有一部分是共用的，这样的变压器称自耦变压器，如图3-8所示图3-8 自耦变压器 从图中可看出自耦变压器的原、副线圈是同一线圈。如果以a、c两点间的

18、线圈作为原线圈，以b、c两点间的线圈作为副线圈，则它构成一个降压变压器；如果以b、c两点间的线圈作为原线圈，以a、c两点间的线圈作为副线圈，则它构成一个升压变压器。设变压器原线圈的匝数为N1，输入电压为1，电流为I1；副线圈匝数为N2，输出电压为2，电流为I2，则原、副线圈端电压之间的关系为 若N1和U1固定不变，把活动接触点b向上或向下移动，可以改变N2的大小，从而改变输出电压。原、副线圈中电流之间的关系仍为或 因为电流I1和I2的相位差接近于180，所以在共用线圈Nbc内的电流等于I1和I2之差，即 可见，这部分的电流较小，尤其当变压比K接近于1时，这个特点更为明显。采用这种方法bc间线圈

19、所用导线的横截面积就可以比普通变压器大大减小。与同样容量的普通变压器比较，自耦变压器的有点是用铜量较小、重量轻、体积小，线圈内的铜损较小，效率较高；其缺点是副边和原边电路有电的联系，原副边电路的绝缘应采用同一等级。实验室中用来连续改变电源电压的调压变压器，就是一种自耦变压器。3.2.3 电焊变压器电焊变压器 交流电焊机（交流弧焊机）再生产上应用很广，它主要由一个变压器和一个可变阻器组成，如图3-9所示图3-9 交流电焊机 交流电焊机中的电焊变压器应具有如下特点：空载时有足够的电弧点火电压，其值约为6070V，有负载后，副方的电压随输出电流的增大下降较快，即变压器用具有陡降的外部特性；在副方短路

20、时，短路电流不致剧烈地增大。电焊变压器的外部特性曲线如图3-10所示图3-10 开始焊接时，先把焊条和焊件接触在一起，这时交流电焊机的输出端短路。由于电焊变压器的原、副组分别装在两个铁心柱上，两个绕组的漏感抗较大，再加上可变电抗器的电抗，因此短路电流虽然较大但并不剧烈的增大。这个短路电流在焊条和焊件的接触处长生较大的热量，温度较高。当迅速把焊条提起后，在电压的作用下，焊条和焊件之间产生电弧实现焊接 焊接时，焊条和焊件之间的电弧区的性质相当于一个电阻，电弧上的电压降约为30V左右。在焊接过程中，当焊条和焊件之间的距离发生变化时，即电弧的弧柱发生变化时，由于电弧的电阻比电路中的感抗小得多，因此焊接

21、电流的变化并不明显，这对焊接来说是非常有利的。当焊接不同的焊件和使用不同规格的焊条时，要求调节焊接电流的大小，这可通过调节可变电抗器的空气隙或改变电抗器的线圈匝数来实现。空气隙大或匝数少，则焊接电流较大，反之，则焊接电流减小。3.3 三相异步电动机三相异步电动机3.3.1 三相异步电动机的结构三相异步电动机的结构 异步电动机是将电能转化为机械能的装置，他有两个基本组成部分:固定部分称为定子，旋转部分称为转子。定子部分定子部分 定子部分由机座、铁心、三相绕组等组成，其结构示意图如图3-11所示，图(a)是由铁心和机座组成而未装三相绕组的定子；图(b)是装了三绕组的定子。图3-11 定子图3-12

22、 外壳 定子机座的外壳通常用铸铁或铸钢制成，内部装有用0.5厚的硅钢片（如图3-12所示）叠成的简形铁心，铁心的内圆周上开有若干均匀分布的平行槽，用来安装三相绕组。三相异步电动机的定子绕组由三组线圈组成，三组线圈根据电网提供的线电压和绕组允许的工作电压接成星形或三角形。每组线圈有一个始端和一个末端，三个始端分别用1、1、1表示，三个末端分别用2、2、2表示。若点网线电压为380V，电动机各绕组的允许工作电压为220V，定子绕组应该接成星形，如图3-13(a)所示；若电动机各绕组的允许工作电压为380V,定子绕组应接成三角形，如图3-13(b)所示。图3-13 定子绕组 转子部分转子部分 三相异

23、步电动机的转子分为笼式和线绕式两种。笼式转子的结构如图3-14(a)所示，其铁心由硅钢片叠成后固定在转轴上，硅钢片的形状如图3-14(b)所示。在转子铁心外圆周上开有若干均匀分布的平行槽，槽内放置裸导体，这些导体的两端分别用铜环或铝环（称为端环）连接，构成转子绕组，如图3-14(c)所示。目前，100kW以下的笼式电动机通常采用铸铝转子，其转子绕组通常是用铝浇铸在槽内而制成，同时转子的端环和冷却电动机的扇叶也一起铸成，如图3-15所示。图3-14 转子图3-15 铸铝转子 笼式电动机的各部件如图3-16所示图3-16 笼式电动机 线绕式异步电动机转子的结构如图3-17(a)所示，其与笼式的不同

24、之处是转子绕组方式仿照定子绕组制成。首先把转子三相绕组的三个末端接在一起，构成星形连接，然后将三个始端分别接到固定在转轴上的三个铜滑环上（滑环之间及其与转轴之间相互绝缘），通过电刷与外电路的可变电阻器相连接，用于起动或调速，其接线图如图3-17(b)所示。图3-17 线绕式异步电动机3.3.2 三相异步电动机的原理三相异步电动机的原理 三相异步电动机是利用定子绕组中三相交流电所产生的旋转磁场与转子绕组内的感应电流相互作用产生转距而旋转地。这里我们先分析旋转磁场的产生和特点，然后讨论转子转动原理。定子旋转磁场的产生定子旋转磁场的产生 图3-18(a)是一个简单的三相定子绕组。为了简化问题，每相绕

25、组只用一个线圈，在定子铁心的槽内按空间相隔120安放三个相同的绕组12、12和12。设三相绕组作星形连接，如图3-18(b)所示。图3-18 三相定子绕组 当定子绕组的三个首端1、1、1分别与三相交流电源的L1、L2、L3接通时，定子绕组便有对称的三相交流电流i1、i2、i3流过。假定电源的相序为123，设电流的参考方向如图3-18(b)所示，则电流的波动如图3-19所示。下面根据电流分析旋转磁场的产生。图3-19 电流波形 在t=0时刻，i1=0，1、2端无电流；i2O，电流的真实方向与参考方向相同，即从1端流入，2端流出。每相电流都产生磁场，将它们相加便得到该时刻的合成磁场，该磁场在定子内

26、孔中的方向自上而下，相当于是一个N极在上、S极在下的两极磁场。同样，我们可以画出t分别为T/6、T/3、T/2时的磁场如图3-20(b)、(c)和(d)所示。根据各时刻的磁场方向可以得出如下结论：电流变化半个周期，磁场旋转半周；电流变化半个周期，磁场旋转半周；电流变化一个周期，磁场旋转一周。电流变化一个周期，磁场旋转一周。图3-20 不同时刻的磁场 上述电动机每相只有一个线圈，分别放置在铁心的留个槽内，所形成的旋转磁场只有一对N、S磁极（两磁极）在旋转。如果每相设置两个线圈，按空间位置相隔60放置在铁心的十二槽内，则可形成两对N、S磁极（四磁极）的旋转磁场，如图3-21和图3-22所示。用上面

27、的分析方法不难证明：电流变化一个周期，磁场旋转半周，而且若定子采用不同的结构和接线方法，可以获得三对、四对、无对或更多不同磁极对数的旋转磁场。图3-21 旋转磁场图3-22 不同时刻的磁场 综上所述，对于50Hz的工频交流电来说，当磁极对数p=1时，磁场每秒钟旋转50周，则磁场转速（称为同步转速）为n1=60f1=3000r/min。同理，p=2时，n1=1500r/min；p=3时，n1=1000r/min；p=4时，n1=750r/min，。由此可以推导出同步转速n1与电流频率f1、磁极对数p之间的关系为（3-3-1）旋转磁场的旋转方向是由电流的相序决定的，对于图3-18和图3-21的接线

28、方法，当相序为123时，磁场转向为顺时针；若人已调换两个定子绕组的接地与电流的接线，则磁场将反方向旋转。转子的转动原理转子的转动原理 如图3-23所示，设定子产生的段旋转磁场顺时针旋转，将转子放入定子孔内后，转子与 旋转磁场之间产生相对运动，转子导线因切割磁力线而产生感应电动势，根据左右定则可以判定出转子上部导线中的电动势方向向外，下部向内。同时，由于转子导线两端通过两个端环（线绕式转子通过外接电阻）自行闭合，在感应电动势的作用下将产生转子电流i2（图3-23中仅示出上、下两根导线中的电流）。电流i2又与旋转磁场相互作用产生电磁力F，该电磁力F对转轴形成一电磁转矩T，其方向与旋转的方向一致，于

29、是转子沿顺时针方向旋转。由以上的分析可知，异步电动机转子的转动方向与旋转磁场的转向相同，但转子的转速n永远小于同步转速n1.分析原因是如果转子的转速达到同转速，则它与旋转磁场之间不存在相对运动，转子导线将不再切割磁力线，感应电动势、电流、电磁转矩也随之消失。图3-23 转子 正因为这个性质，我们把这种交流电动机称为异步电动机，转速n也称为异步转速，这种电动机的转子电流是由电磁感应而产生的，所以又称为感应电动机。为了衡量异步电动机的机械性能，在电动机的参数中定义了一个称为转差率的参数，用s表示，其值为式中，n1为同步转速，n为异步转速。(3-3-2)转差率是分析异步电动机运行情况的一个重要参数。

30、例如：当n=0时，s=1，转差率最大，这是电动机刚刚接通电源而转子还未转起来时的情况；稳定运行时n接近于n1，s很小；在额定负载下运行时，s一般为0.010.08；空载时s为0.05以下。3.3.3 三相异步电动机的机械特性三相异步电动机的机械特性 转矩特性转矩特性 异步电动机的电磁转矩T与转差率s的关系为(3-3-3)在式（3-3-3）中，k为与电动机结构有关的比例常数，为磁极磁通的平均值，I2为转子绕组电流有效值，为转子电路的功率因数，U1为定子绕组所加额定电压有效值，2为每相转子 绕组的电阻，20为转差率s=1（n=0）时每相转子绕组的感抗，其值一般为常数。当式中、1、2、20为常数时，

31、仅是与s有关的函数，称为转矩特性，其特性曲线如图3-24所示。由转矩特性曲线可知，当s=1时（即起动时），转子与旋转磁场之间的相对运动虽然最大，但电磁转矩并不是最大，这是因为起动时转子电流有效值2虽然最大，但转子绕组的功率因数却很小，故乘积也很小；当s=1开始减小时（转子转速上升），增大；当s=sm时=m，此时的电磁转矩最大，m称为临界电磁转矩，sm称为临界转差率；随着s 的继续减小，开始减小，当s=0时（即n=n1时），=0，这是理想的空载运行。机械特性机械特性 为了便于分析，通常把转矩特性=f(s)函数改写为转速n与电磁转矩的关系函数，即n=f()，称之为机械特性，其曲线如图3-25所示。

32、图3-24 转矩特性曲线图3-25 机械特性曲线 机械特性曲线包含以下两个不同的部分：AB部分，从A电开始，电动机定子接通电源，开始行动，此时的电磁转矩=st，称之为启动转矩；随着电磁转矩的增大，转速上升较快，到达B点，转矩最大，=m；BC部分，随着转速的上升，电磁转矩减小，当电磁转矩等于轴上所加反抗转矩（=N）时，转矩平衡，转速稳定，此时n=nN,N称为额定转速。额定转矩与额定功率、额定转速之间的关系为(3-3-4)式中，N的单位为Kw,nN的单位为r/min（转/分），N的单位为Nm。BC部分异步电动机正常工作，在这一部分，电磁转矩变化时（即轴上外加反抗转矩波动时）转速基本保持不变，这是异

33、步电动机一个非常重要的特性，称之为硬特性。为了定量的描述异步电动机的机械特性，我们定义两个参数：过载能力和起动能力st。即(3-3-5)(3-3-6)异步电动机的过载能力和起动能力一般较大，例如Y系列异步电动机的过载能力一般为2.02.2，起动能力一般为1.72.2。例3-3-1 有一台三相异步电动机的额定功率为11kW，额定电压为380V，额定转速为2930r/min,额定电流为21.8，额定效率为87.2，额定功率因数为0.88，过载能力为2.2，起动能力为2.0，起动电流是额定电流的7倍。求该电动机的额定转矩、最大转矩、起动转矩、直接起动时的电流和额定转差率。解解 该电动机的额定转矩为最

34、大转矩为起动转矩为起动电流为额定转矩为3.3.4 三相异步电动机的适用与维护三相异步电动机的适用与维护 三相异步电动机在工农业生产中的应用极为广泛，因此正确、高效的使用好三相异步电动机显得尤为重要。下面简要介绍三相异步电动机的起动、调速、反转和制动常用的方法以及相关的维护措施。三相异步电动机的起动三相异步电动机的起动 当定子绕组接通三相电源后，电动机开始起动，此时s=1，转子绕组以最大的相对转速切割旋转磁场的磁力线，转子电流最大，定子电流也最大，此时的定子电流I=Ist，称为起动电流。起动时间一般为几秒至几十秒，起动电流为额定电流IN的47倍.这样大的起动电流会使电源内部及供电线路上的电压降增

35、大，倒是电力网供给负载的电压下降，影响同一电网下其他设备的正常工作。由此可见电动机在起动时，既要把起动电流限制在一定的范围内以不影响其他设备正常工作，又要有足够大的起动转矩以缩短起动过程，提高生产效率。对于笼式电动机，若电动机的容量（额定功率）较小，起动电流较小，应采用直接起动，电动机容量较大的采用降压起动。Y-D降压起动的接线方法如图3-26所示，其原理是在起动时通过起动快管QS2将电动机定子绕组接成星（Y）形，使每相绕组的电压将为电源线电压的1/，以较小起动电流，当转子转速上升后，再将电动机改接三角（D）形，这种起动方法仅适用于作三角形联接运行的电动机。自耦变压器降压起动的接线方法如图3-

36、27所示，其原理是起动时开关QS打在“起动”位置，将电动机的定子绕组接在自耦变压器的副边，以减小加在定子绕组上的电压，达到减小起动电流的目的，当转速上升后将开关QS再打向“运行”位置，使电源直接与电动机相连，自耦变压器降压起动对于D形和Y形 运行的电动机均适用。图3-26 Y-D降压起动图3-27 自耦变压器降压起动 对于线绕式电动机，通常采用的方法是在转子电路中串联可变电阻器，通过增大转子电路的电阻2以减小电流I1，因为由式（3-3-3）计算可知，2改变了，m不变，st增大，所以这有利于电动机的起动。这种起动方法的原理电路如图3-28(a)所示，图3-28(b)给出了不同2时的机械特性曲线。

37、也可以采用在转子电路中串联频敏变阻器的方法，频敏电阻器是一个三相铁心线圈，其铁心用3050 的铸铁板或钢板叠装组成，当电动机开始起动时，转子绕组切割磁力的速图3-28 线绕式电动机的启动 度最大，转子电流频率最大，频敏变阻器的感抗最大，同时，铁心产生涡流，使频敏变阻器的电阻也最大，线路中的阻抗使转子电流I2减小，以达到减小I1的目的。频敏变阻器的结构原理和频敏变阻器起动的原理电路如图3-29所示。图3-29 频敏变阻器三相异步电动机的调速、反转和制动三相异步电动机的调速、反转和制动 调速调速、反转反转和制动制动是电动机使用过程中常见的几种现象。所谓调速调速，就是在同一负载下，使电动机的转速从某

38、一值改变为另一值，以满足工作的需要。由式（3-3-1）和式（3-3-4）可得：n=(1-s)n1=(1-s)60f1/p，可见通过改变电源的电流频率f1和电动机定子绕组的磁极就能实现对数p的调速，电流频率可以通过变频调速装置来完成，磁极对数可以通过改变定子绕组的联接方法来完成。另外，由图3-29(b)可知，对于绕线式电动机，可以通过改变转子 绕组的电阻2来调速，其具体方法是在转子绕组中串联调速电阻，特别注意特别注意：切不切不可用起动变阻器调速，否则，起动变阻器会可用起动变阻器调速，否则，起动变阻器会因过热而损坏。因过热而损坏。图3-30 反接制动原理图 电动机的反转就是改变转向，对于三相异步电

39、动机，子要调换三根电源线的任意两根即可。电动机的制动就是在切断电源后要使电动机迅速停转。对相三根异步电动机，常用的制动方法有反转制动和能耗制动。反接制动的原理如图3-30所示，即在切断电动机电源的同时，迅速将开关QS打向“停止”位置，反接制动的制动力强，无需专用设备，但其冲击力较大，不适用于精密设备。能耗制动的原理如图3-31所示，制动时利用开关QS打向“制动”位置，由电流电源提供的电流在定子中产生固定磁场，使转子迅速停转，能耗制冲击力较小，但其需要专用设备，造价比较昂贵。图3-31 能耗制动原理图 三相异步电动机的维护三相异步电动机的维护 电动机的维护一般包含起动前的检查起动前的检查、运运行

40、过程中的监视行过程中的监视和定期的检修定期的检修。起动前检查的内容有：核对电压与接线是否正确，接线与安装是 否牢固，起动设备油质是否良好，线绕式电动机的电刷与滑环是否良好，传动装置是否正常，接地或接零是否可靠，新安装的电动机和停用三个月以上的电动机还应遥测绝缘电阻。运行过程中监视的内容有：监视电动机各部分的发热是否正常，监视电动机的额定电流值和三相不平衡度，监视电源电压的波动情况，监视电动机的音响及气味等。定期检修一般分为小修小修和大修大修。小修半年至一年进行一次，其内容为：清除油垢和灰尘，检查轴承润滑情况，线绕式电动机还应检查滑环、整流子及电刷，接地或接零是否良好，遥测绝缘电阻；检查冷却装置

41、是否完好等。大修一年至两年一次，其内容为：电机解体后清除内部污垢，检查绕组绝缘情况、槽楔有无松动、绝缘漆有无损伤，检查转子良好情况，检测绕组和起动装置的直流电阻，外壳补漆等。3.4 单相异步电动机单相异步电动机 单相异步电动机是使用单相交流电源的异步电动机，它在家用电器、医疗设备中应用极为广泛。单相异步电动机的工作原理与三相异步电动机基本相同，其转子一般采用笼式。单相异步电动机的特点在于定子绕组通入的是单相交流电，产生一个空间位置保持不变，而大小和方向随时间做正弦变化的脉动磁场，如图3-32所示。脉动磁场不能使转子导线切割磁力线而产生电磁转矩，因此为了使单相异步电动机通电后能产生旋转磁场使转子

42、自行 起动，必须再产生一个频率相同、相位不同、空间位置相差一定角度的脉动磁场，两个磁场合成后成为旋转磁场，常用的合成方法有电容分相式和罩极式。图3-32 单相异步电动机3.4.1电容列相式单相异步电动机电容列相式单相异步电动机 电容列相式单相异步电动机的结构示意图和定子接线图如图3-33所示，其绕组分为主绕组U1 1U2 2和辅助绕组1 12 2,辅助绕组在串联电容C后与主绕组并联。当电动机与电源接通后，各绕组分别通过一交变电流，由于主绕组呈感性，电流i1 1超前电压，而辅助绕组呈容性，电流i2 2滞后电压u，一旦选择合理电容量C，就可以使i1 1超前i2 290（如图3-34所示）。此时电动

43、机定子电流便能产生一旋转磁场，其过程如图3-35。图3-33 电容列相式单相异步电动机图3-34 波形图3-35 磁场分布情况 当t=0时，i2 2=0,i1 10,即电流从U2 2流入，从U1流出磁场方向如图3-35(a)所示，图3-35(b)和(c)分别示出了t=T/8和t=T/4时的磁场分布情况，可见其产生的磁场是一旋转磁场。必须指出，单相异步电动机在起动之前不能将辅助绕组断开，如果将辅助绕组断开，则电动机不能起动，但在起动之后，若把辅助绕组断开，此时电动机仍能继续旋转，我们把仅为起动设置的辅助绕组又称为起动绕组。为此，有些单相异步电动机内部装有离心开关，当电动机转速上升到一定值后自动打

44、开，切断起动绕组，这种运行时断开起动绕组的电动机称为电容起动式异步电动机，若电容绕组按照长期工作而设置，运转时不断开，则称为电容运转式单相异步电动机。另外，若要使电动机反转，则将列相电容与主绕组相串联，所以，例如拖动电风扇、洗衣机等这一类设备中，电动机的主绕组和辅助绕组完全相同。3.4.2 罩极式单相异步电动机罩极式单相异步电动机 罩极式单相异步电动机的结构示意图如图3-36(a)所示，其定子绕组绕在两个凸出的磁极上，磁极上开有凹槽，将每个磁极分为两个部分，即P1 1和P2 2.两个斜对角的较小部分P2 2（约占每个磁极的1/31/4）上各套有一个短路铜环，称为被罩部分，如图3-36(b)所示

45、。当定子绕组中通过交变电流时，磁极中就有交变磁通产生，由于短路铜环内产生感应电流以阻碍其内部磁通的变化，所以，被罩部分磁极P2 2中 的磁通2在相位上滞后于磁极P1中的磁通1。当1随定子绕组中的电流变化上升到最大值时，此时2却很小，这是磁场的轴线接近于P P1 1的中心线处；当1下降到最小值时，2则上升到最大值，这时磁场的轴线就旋转到了P2 2的轴线处。随着定子绕组电流的不断变化在电动机的空气隙中就形成一个从磁极的末罩部分P P1 1 向被罩部分P2 2旋转的两极旋转磁场，在这种旋转磁场的作用下，鼠笼式转子就随之而转动。单相异步电动机的主要优点是使用方便使用方便，其缺点是效率低，过载能力小，制

46、造成本高效率低，过载能力小，制造成本高。其容量一般不超过1kW图3-36 罩极式单相异步电动机 3.5 直流电动机直流电动机 直流电动机是将直流电能转变成机械能的一种电力拖动设备。由于其具有良好的起动性能和调速性能，广泛用于电力牵引、轧钢设备、起重设备以及要求调速性能较高的切割机床中。在自动控制设备中，小容量直流电动机的应用也极为广泛。3.5.1 直流电动机的结构直流电动机的结构 直流电动机的外形和结构如图3-37所示，其由定子和转子两个部分组成。图3-37 直流电动机的外形和结构 定子定子 定子时直流电动机的静止部分，其主要部分如图3-38所示，它包含主磁极、换向磁极、机座、主磁极、换向磁极

47、、机座、端盖和电刷装置端盖和电刷装置等部件。主磁极与主磁极铁心主磁极铁心和励磁绕组励磁绕组组成：铁心由11.5的硅钢片叠置而成，励磁绕组套在其上，当通直流电流后就产生主磁场。主磁极可以是一对、两对或更多。图3-38 直流电动机的定子结构 换向磁极位于主磁极之间，是比较小的磁极，其结构与主磁极相似。换向磁极与电枢绕组相串联，电流通过后就产生附加磁场，用以改善电动机的换向特性，减小换向器上的火花。机座用铸钢或厚钢板制成，用来安放磁极和其他定子部件，支撑转自部分。机座既是电动机的外壳，又是电动机磁路的一部分。转子转子 直流电动机的转子又称为电枢，其基本结构如图3-39所示，包括电枢铁心、电枢绕组、换

48、向器、转轴和风扇等部件。图3-39 转子 电枢铁心用0.5厚的硅钢片叠成，其表面开有均匀分布的槽，用来安放电枢绕组，它也是电动机磁路的一部分。电枢绕组由许多相同的线绕组成，按一定规律嵌放在转子铁心的槽内，并与换向器相连，当电枢绕组流过直流电时，在定子磁场的作用下就产生电磁转矩。换向器又称为整流子，由许多相互绝缘的铜片组成，外形呈圆柱形，装在转轴的一端，每一换向铜片按一定规律与电枢绕组相连接。在换向器的表面压着电刷，使旋转地电枢绕组与外电路相通以引入直流电流。3.5.2 直流电动机的工作原理直流电动机的工作原理 直流电动机的工作原理与所有电动机相似，也是建立在电磁感应原理的基础之上，其基本原理如

49、图3-40所示图3-40 直流电动机的工作原理 转动原理转动原理 电动机定子绕组流过直流电后产生固定方向的磁场。在图3-40中，只画出了一对固定的主磁极，电枢绕组也只有一个线圈，电枢绕组通过半圆形的换向器1、2和压在换向器上的电刷A、B与直流电源相连接。当直流电流按图3-40(a)所示方向流入电枢线圈时，线圈的两个边ab和cd将在磁场中受到电磁力F的作用，有左手定则判定，ab边受力方向向左，cd边向右，这两个力对转轴产生的电磁转矩将驱动电枢按逆时针方向旋转。随 随着电枢的旋转，线圈的ab边从磁极的N极处转至S极处，转向器1脱离电刷A而与电刷B接触。同时cd边从S极处转至N极处，换向器2脱离电刷

50、B而与电刷A接触（如图3-40(b)所示），流过电枢线圈的电流方向发生了变化，但处于N极处的cd边的电流方向仍然向内，处于S极处的ab边的电流方向仍然向内，电磁力所产生的电磁转矩的方向仍然为逆时针方向。由此可见，换向器和电刷的作用就是改变电流在电枢绕组中的流向，以保证作用于电枢的电磁转矩的方向始终不发生变化，使电动机能按一定的方向连续旋转。电磁转矩电磁转矩 直流电动机的电磁转矩是由流过直流的电枢绕组在定子磁场中受力而形成，根据电磁力的计算公式，每根导体所受的力为F=BIL，式中B为定子磁场的磁感应强度，I为流过电枢绕组每根导线的电流，L为电枢导线在磁场B中的有效长度。对于给定的电动机，B与磁极