第十二章變壓器及電動機(電工電子)

第12章變壓器與電動機電工電子學(下)中國石油大學(華東)信息與控制工程學院電工電子學教學中心張勇Chapter12

變壓器與電動機磁路變壓器三相異步電動機12.1磁路12.1.1磁路的基本概念12.1.2磁路的基本定律12.1.3鐵芯線圈12.1.1磁路的基本概念1.磁通Φ

垂直穿過某一截面積S的磁力線總數。單位：Wb(韋伯)2.磁感應強度B

表示磁場內某點的磁場強弱和方向的物理量，為矢量。單位：特斯拉（T），即韋伯/米2

1T=1Wb/m2

計算公式：B=Φ/S3.磁導率μ：衡量物質導磁能力大小的物理量。（亨/米）

真空中的磁導率()為常數一般材料的磁導率和真空中的磁導率之比，稱為這種材料的相對磁導率，則稱為磁性材料，則稱為非磁性材料非磁性物質：空氣、陶瓷、玻璃、橡膠、銅、鋁……磁性材料：鐵、鎳、鈷及其合金等根據磁導率的不同，物質可分為：4.磁場強度H：單位：安/米（A/m）注意：磁場強度H與磁感應強度B

的名稱很相似，切忌混淆。H是為計算方便而引入的物理量。在任何磁介質中，磁場中某點的磁感應強度B與該點的磁導率μ的比值稱為該點的磁場強度H，即：H=B/μ。5、磁路通過磁性材料構成的磁通的閉合路徑。＋i－uΦ變壓器的磁路E型電磁鐵的磁路6、磁性材料的磁性能

高導磁性

磁飽和性＋I－UΦ磁化曲線OH(I)B(Φ)B0B磁性材料的磁化曲線是非線性的，μ=B/H不是常數。磁滯回線OHB????BrHc

磁滯性＋i－uΦ剩磁感應強度矯頑磁力按磁性物質的磁滯特性，磁性材料分為三種類型：(1)軟磁材料HB

具有較小的剩磁感應強度Br和矯頑磁力Hc，磁滯回線較窄。

一般用來制造電機、電器及變壓器等的鐵芯。常用的有鑄鐵、硅鋼、坡莫合金(即鐵氧體)等。

一般用來制造永久磁鐵。常用的有碳鋼及鐵鎳鋁鈷合金等。HB(2)永磁材料

具有較大的剩磁感應強度Br和矯頑磁力Hc

，磁滯回線較寬。(3)矩磁材料HB

在計算機和控制系統(tǒng)中常用作記憶元件、開關元件和邏輯元件。常用的有鎂錳鐵氧體等。

具有較大的剩磁感應強度Br和較小的矯頑磁力Hc，磁滯回線接近矩形，穩(wěn)定性良好。12.1.2磁路的基本定律

安培環(huán)路定律(全電流定律)：在磁場中沿任何閉合曲線磁場強度矢量的線積分，等于穿過該閉合曲線所圍曲面上的電流的代數和。P78公式12.1.2

在無漏磁的理想磁路（磁路的材料和截面積相同，各處的磁場強度相等）中，安培環(huán)路定律可寫成：磁路長度L線圈匝數NIHL：稱為磁壓降。NI：稱為磁動勢(磁通勢）一般用F

表示。F=NI單位：A總磁動勢

在非均勻磁路（磁路的材料或截面積不同，或磁場強度不等）中，總磁動勢等于各段磁壓降之和。例：IN對于均勻磁路磁路中的歐姆定律

磁路的歐姆定律：則：INSL注：因磁性材料是非線性的，磁路歐姆定律多用作定性分析，不做定量計算。令：Rm

稱為磁阻磁路與電路的比較

磁路磁動勢F磁通磁阻電路電動勢E電流密度J電阻磁感應強度B電流INI+_EIR12.1.3鐵芯線圈勵磁電流：在磁路中用來產生磁通的電流勵磁電流

直流-------直流磁路

交流-------交流磁路12.1.3.1直流鐵芯線圈IU直流磁路的特點:

一定一定磁動勢F=IN一定磁通和磁阻成反比（線圈中沒有反電動勢）（R

為線圈的電阻）直流鐵芯線圈的特點：勵磁電流I=U/R，I由外加電壓U及勵磁繞組的電阻R決定，與磁路特性無關。勵磁電流I產生的磁通是恒定磁通，不會在線圈和鐵芯中產生感應電動勢。磁通的大小不僅與線圈的電流I(即磁動勢NI)有關，還決定于磁路中的磁阻Rm。功率損耗P=I2R由線圈中的電流和電阻決定。因磁通恒定，在鐵芯中不會產生功率損耗。12.1.3.2交流鐵芯線圈一.電磁關系–+e–+e+–uNi（磁動勢）主磁通：通過鐵芯閉合的磁通。漏磁通：經過空氣或其它非導磁媒質閉合的磁通。線圈鐵芯與i不是線性關系。L是等效漏磁電感楞次定律(電磁感應定律)二.電壓電流關系根據KVL:+––+–+eeuNi式中：R是線圈導線的電阻由于線圈電阻

R

和漏磁通較小，可忽略，故有+-uRLL++--eei設主磁通則有效值當電源電壓u為正弦量時，Φ和e都為同頻率的正弦量相量表達式分析交流磁路的重要公式+––+euNi結論：在電源頻率f和線圈匝數N一定時，主磁通的幅值只與外加電源的電壓有效值有關，而與鐵芯材料及尺寸無關。牢記公式三.功率損耗交流鐵芯線圈的功率損耗主要有銅損和鐵損兩種。1.銅損（Pcu）

在交流鐵芯線圈中,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。2.鐵損（PFe）

在交流鐵芯線圈中，處于交變磁通下的鐵芯內的功率損耗稱鐵損，用PFe

表示。鐵損由磁滯和渦流產生。+–ui（1）磁滯損耗（Ph）由磁滯所產生的能量損耗稱為磁滯損耗（Ph）。

磁滯損耗的大?。簡挝惑w積內的磁滯損耗正比于磁滯回線的面積和磁場交變的頻率fOHB

磁滯損耗轉化為熱能，引起鐵芯發(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芯。變壓器和電機中使用的硅鋼等軟磁材料的磁滯損耗較低。(2)渦流損耗（Pe）渦流損耗:由渦流所產生的功率損耗。

渦流：交變磁通在鐵芯內產生感應電動勢和電流，稱為渦流。渦流在垂直于磁通的平面內環(huán)流。渦流損耗轉化為熱能，引起鐵芯發(fā)熱。減少渦流損耗措施：

鐵芯用彼此絕緣的鋼片疊成，把渦流限制在較小的截面內。總結交流鐵芯線圈工作時的功率損耗為：12.2變壓器

變壓器是一種常見的電氣設備，在電力系統(tǒng)和電子線路中應用廣泛。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：12.2.1變壓器概述及基本結構變壓器的結構變壓器的磁路繞組：一次繞組二次繞組單相變壓器+–+–由高導磁硅鋼片疊成厚0.35mm或0.5mm鐵芯:變壓器的電路一次繞組N1二次繞組N2鐵芯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12.2.2變壓器的工作原理單相變壓器+–+–一次繞組N1二次繞組N2鐵芯

一次、二次繞組互不相連，能量的傳遞靠磁耦合。

空載運行情況1.電壓變換一次側接交流電源，二次側開路。+–+–+–+–1忽略一次繞組的電阻及漏磁通的影響，（匝數比）K為變比結論：改變匝數比，就能改變輸出電壓。2.電流變換有載運行

可見，鐵芯中主磁通的最大值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，一次繞組上的電阻壓降和漏磁通均可忽略，故有由上式，若U1、f不變，則m基本不變，近于常數?？蛰d：有載：+–Z2+–+–+–一般情況下：I0(2～10)%I1N很小，可忽略。或結論：一次、二次側電流與匝數成反比。或：1.提供產生m的磁勢2.提供用于抵消作用

的磁勢磁勢平衡式：空載磁勢有載磁勢3.阻抗變換由圖可知：

結論：變壓器一次側的等效阻抗的模，為二次側所帶負載的阻抗模的K2倍。+–+–+–(1)

變壓器的匝數比應為：信號源R0RL+–R0+–+–解:例1:

如圖，交流信號源的電動勢E=120V，內阻R0=800，負載為揚聲器，其等效電阻為RL=8。要求:（1）當通過變壓器將RL折算到原邊的等效電阻時，求變壓器的匝數比和信號源輸出的功率；（2）當將負載直接與信號源聯接時,信號源輸出多大功率？信號源的輸出功率：電子線路中，常利用阻抗變換實現最大輸出功率。本例結論：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）將負載直接接到信號源上時，輸出功率為：12.2.3變壓器的外特性和額定值1.變壓器的外特性

當一次側電壓U1和負載功率因數cos2保持不變時，二次側輸出電壓U2和輸出電流I2的關系U2=f(I2)稱為變壓器的外特性。U20：一次側加額定電壓、二次側開路時，二次側的輸出電壓。

一般供電系統(tǒng)希望要硬特性（隨I2的變化，U2

變化不大），電力變壓器的電壓調整率約在5%左右。電壓調整率：當I2=I2N時cos2=0.8(感性）U2I2U20I2Ncos2=1O2.變壓器的損耗與效率變壓器的損耗包括兩部分：銅損(PCu)：繞組導線電阻的損耗。渦流損耗：交變磁通在鐵芯中產生的感應電流(渦流)造成的損耗。磁滯損耗：磁滯現象引起鐵芯發(fā)熱，造成的損耗。鐵損(PFe)：變壓器的效率為額定電壓U1N、U2N

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

U2N，二次側允許的電壓值三相：U1N、U2N，一次、二次側的線電壓額定電流I1N、I2N

變壓器滿載運行時，一次、二次側繞組允許的電流值。單相：一次、二次側繞組允許的電流值三相：一次、二次側繞組的線電流3.變壓器的額定值

額定容量

SN

指輸出的額定視在功率。單相：三相：容量SN

輸出功率P2

一次側輸入功率P1

二次側輸出功率P2注意：變壓器幾個功率的關系（單相）效率容量：一次側輸入功率：

輸出功率：變壓器運行時的輸出功率P2取決于負載的性質

當電流流入(或流出）兩個線圈時，若產生的磁通方向相同，則兩個流入(或流出）端稱為同名端。?

?

AXax?

AXax(1)同名端同名端用“?”表示。又稱同極性端。+–+++–––同名端和繞組的繞向有關。

4.變壓器的同名端及其繞組的接法(選講)?

聯接

2－3

變壓器一次側有兩個額定電壓為110V的繞組：(2)線圈的接法??1324?

?

1324

聯接

1－3，2－4當電源電壓為220V時：+–+–電源電壓為110V時：主磁通相等問題1：在110V情況下，如果只用一個繞組(N）行不行？答：不行（兩繞組必須并接）

一次側有兩個相同繞組的電源變壓器(220/110V)，使用中應注意的問題：??1324要使220/110兩種接法鐵芯中的磁通相等，則：+–線圈電流過大問題2：如果在220V情況下兩繞組的極性端接錯，結果如何？結論：在同名端不明確時，一定要先測定同名端再通電。答：有可能燒毀變壓器兩個線圈中的磁通抵消原因：電流很大燒毀變壓器感應電勢??1324’+–方法一：直流法mA表+_AXaxK+-當K閉合時增加。感應電動勢的方向，阻止的增加。如果當

K

閉合時，mA表正偏，則A－a

為同極性端;如果當K

閉合時，mA表反偏，則A－x

為同極性端結論：**AXax+_K-+-(3)同極性端的測定方法(選講)方法二：交流法把兩個線圈的任意兩端(X-x)連接,然后在AX

上加一小電壓u

。測量：

若說明A

與x或

X與a是同極性端若說明A

與a

或X

與x

為同極性端結論：**AXax+_-u12.2.4三相變壓器三相組式變壓器每相計算按單相變壓器計算。U1U2V1V2W1W2u2u1v2v1w2w1U1U2V1V2W1W2u2u1v2v1w2w1n三相變壓器連接方式舉例Y/Y0Y/△三相變壓器原、副繞組相電壓之比三相變壓器原、副繞組線電壓之比，不僅與變壓器的變比有關，還與變壓器繞組的連接方式有關。Y/Y0Y/△

使用時，改變滑動端的位置，便可得到不同的輸出電壓。實驗室中用的調壓器就是根據此原理制作的。注意：一次、二次側千萬不能對調使用，以防變壓器損壞。因為N變小時，磁通增大，電流會迅速增加。1.自耦變壓器ABP+–+–12.2.5特殊變壓器電流表被測電流=電流表讀數N2/N1二次側不能開路，以防產生高電壓；2.鐵芯、副繞組的一端接地，以防在絕緣損壞時，在二次側出現過壓。使用注意事項：2.電流互感器實現用低量程的電流表測量大電流（被測電流）N1（匝數少）N2（匝數多）ARi1i212.3.1三相異步電動機的結構12.3三相異步電動機12.3.2三相異步電動機的工作原理12.3.3三相異步電動機的電磁轉矩與機械特性12.3.4三相異步電動機的使用電動機的分類：三相異步交流電動機授課內容：

基本結構、工作原理、機械特性、使用方法

電動機交流電動機直流電動機：三相電動機單相電動機同步電動機異步電動機他勵、并勵、串勵、復勵12.3.1三相異步電動機的結構封閉式三相異步電動機的結構

1—端蓋2—軸承3—機座4—定子繞組5—轉子

6—軸承7—端蓋8—風扇9—風罩10—接線盒1、定子鐵芯：由內周有槽的硅鋼片疊成。U1----U2V1----V2

W1----W2三相繞組機座：鑄鋼或鑄鐵2、轉子鼠籠轉子鐵芯：由外周有槽的硅鋼片疊成。1.鼠籠式轉子

鐵芯槽內放銅條，端部用短路銅環(huán)形成一整體；或采用鑄鋁形成轉子繞組。鼠籠式繞線式轉子作用:在旋轉磁場作用下，產生感應電動勢和感應電流。2.繞線式轉子同定子繞組一樣，也分為三相，并且接成星形。鼠籠式電動機與繞線式電動機的的比較：鼠籠式：

結構簡單、價格低廉、工作可靠；不能人為改變電動機的機械特性。

繞線式：結構復雜、價格較貴、維護工作量大；轉子串入可變電阻可人為改變電動機的機械特性。12.3.2三相異步電動機的工作原理一、旋轉磁場1.旋轉磁場的產生三相對稱繞組：

——空間互差120度。三相對稱電源：

——時間互差120度。1.旋轉磁場的產生1.旋轉磁場的產生1.旋轉磁場的產生1.旋轉磁場的產生三相電流產生的合成磁場是一旋轉的磁場。取決于三相電流的相序2.旋轉磁場的旋轉方向任意調換兩根電源進線，則旋轉磁場反轉。3.旋轉磁場的磁極對數p旋轉磁場的磁極對數與三相繞組的空間排列有關p=1p=24.旋轉磁場的轉速

旋轉磁場的轉速取決于磁場的極對數旋轉磁場轉速n0與極對數p的關系旋轉磁場的轉速n0也稱為同步轉速極對數每個電流周期磁場轉過的空間角度同步轉速旋轉磁場轉速n0與頻率f1和極對數p有關?？梢?二、轉子轉動原理1.轉動原理定子三相繞組通入三相交流電假設方向為順時針

切割轉子導體右手定則感應電動勢E20旋轉磁場感應電流I2，受到磁場作用左手定則電磁力F電磁轉矩Tn2.轉差率

旋轉磁場的同步轉速和電動機轉子轉速之差與旋轉磁場的同步轉速之比稱為轉差率。

由前面分析可知，電動機轉子轉動方向與磁場旋轉的方向一致，但轉子轉速n不可能達到與旋轉磁場的轉速相等，即異步電動機如果:無轉子電動勢和轉子電流

轉子與旋轉磁場間沒有相對運動，磁通不切割轉子導條無轉矩因此，轉子轉速與旋轉磁場轉速間必須要有差別。異步電動機運行中:轉子轉速亦可由轉差率求得轉差率s

例1：一臺三相異步電動機，其額定轉速

n=975r/min，電源頻率f1=50Hz。試求電動機的極對數和額定負載下的轉差率。解：根據異步電動機轉子轉速與旋轉磁場同步轉速的關系可知：n0=1000r/min,∴p=3額定轉差率為當電動機正常運行時，轉子轉速為n，旋轉磁場的轉速為n0，它與轉子導體間的切割速度為（n0

-n），由則轉子中感應電動勢的頻率為可得出

一、電磁轉矩

即轉子中各載流導體在旋轉磁場的作用下,受到電磁力所形成的轉矩之總和。常數，與電機結構有關旋轉磁場每極磁通轉子電流轉子電路的功率因數12.3.3三相異步電動機的電磁轉矩與機械特性I2cos2s1(n=0)I2,O轉子電流及功率因數與轉差率的關系(推導見P100)起動時(s=1,n=0),轉子電流最大，根據變壓器原理，定子電流也最大。由公式可知★T與定子每相繞組電壓成正比。U1T★當電源電壓U1一定時，T是

s的函數?！颮2

的大小對

T有影響。繞線式異步電動機可外接電阻來改變轉子電阻R2

，從而改變轉距。電磁轉矩公式二、機械特性OTS根據轉矩公式可以得到：OT1電動機在額定負載時的轉矩。1.額定轉矩TN三個主要轉矩OT額定轉矩(N?m)

如某普通機床的主軸電機(Y132M-4型)的額定功率為7.5kw,額定轉速為1440r/min,則額定轉矩為注意單位！2.最大轉矩Tm電機帶動最大負載的能力。令：求得臨界轉差率將sm代入轉矩公式，可得根據轉矩公式OTS1當U1

一定時，Tm為定值一般三相異步電動機的過載系數為工作時必須使機械負載轉矩T2

<Tm，否則電機將停轉。電機嚴重過熱而燒壞。稱為悶車或堵轉★sm與R2有關，R2smnm

。繞線式電機改變轉子附加電阻R2’可實現調速。過載系數表示電動機的短時允許過載能力3.啟動轉矩Tst電動機啟動時的轉矩。啟動時n=0時，s=1★Tst與R2有關，適當使R2Tst。對繞線式電機改變轉子附加電阻R2’,可使Tst=Tm

。P102圖12.3.12OTTst轉矩公式Tst體現了電動機帶載啟動的能力。若

Tst

>負載轉矩T2,電機能啟動，否則不能啟動。OTTst啟動系數表示異步電動機的啟動能力問:三相異步電動機在滿載和空載下啟動，其啟動電流和啟動轉矩是否一樣？?問:三相異步電動機穩(wěn)定運行時,當負載轉矩增加,為什么定子電流和輸入功率會自動增加?當負載轉矩大于電動機的Tm時,電動機將會發(fā)生什么情況??4.電動機的運行分析

電動機的電磁轉矩可以隨負載的變化而自動調整，這種能力稱為自適應負載能力。

自適應負載能力是電動機區(qū)別于其它動力機械的重要特點（如：柴油機當負載增加時，必須由操作者加大油門，才能帶動新的負載）。此過程中，n、sI2I1電源提供的功率自動增加。T2’sT2’

>TNT

=T2’nT

T2′達到新的平衡常用特性段TOTN當T2

>TM時T2TO電動機將越過機械特性的b點而沿bc段運行，此時T隨n的下降而減小，T的減小又進一步使n下降，使電動機停轉。bc段稱為不穩(wěn)定運行區(qū)。常用特性段5.U1和R2變化對機械特性的影響(1)U1變化對機械特性的影響UTmTstTOsm不變問:三相異步電動機帶額定負載運行,如果電源電壓降低,電動機轉矩、轉速及電流有無變化？如何變化？對電動機有何影響？?T2TO轉矩不變轉速降低電流增大可能堵轉(2)R2變化對機械特性的影響TOR2Tstnsm

不同場合應選用不同的電機。如金屬切削，選硬特性電機；重載啟動則選軟特性電機。硬特性：負載變化時，轉速變化不大，運行特性好。軟特性：負載增加時轉速下降較快，但啟動轉矩大，啟動特性好。TOR212.3.4三相異步電動機的使用1、型號

磁極數(極對數p=2)例如：Y132M－4

用以表明電動機的系列、幾何尺寸和極數。機座長度代號機座中心高（mm）三相異步電動機一、銘牌數據

2、接法接線盒定子三相繞組的聯接方法。V1W2U1W1U2V2U2U1W2V1V2W1U1V1W1W2U2V2W2U2V2V1W1U1Y聯結W1U1V1W2U2V2聯結3、電壓例如：380/220V、Y/是指線電壓為380V時采用Y聯結；線電壓為220V時采用聯結。電動機在額定運行時定子繞組上應加的線電壓值。4、電流例如：Y/,6.73/11.64A

表示星形聯結下電機的線電流為6.73A；三角形聯結下線電流為11.64A。兩種接法下相電流均為6.73A。電動機在額定運行時定子繞組的線電流值。鼠籠電機

=72～93％額定功率是指電機在額定運行時軸上輸出的機械功率P2，它不等于從電源吸取的電功率P1。5、額定功率、效率6、額定轉速nN電機在額定電壓、額定負載下運行時的轉速。二、三相異步電動機的啟動

啟動問題：啟動電流大，啟動轉矩小。一般中小型鼠籠式電機啟動電流為額定電流的5－7倍;電動機的啟動轉矩為額定轉矩的(1.0－2.2)倍。大電流使電網電壓降低，影響鄰近負載的工作頻繁啟動時造成熱量積累，使電機過熱后果：原因：啟動：接通電源后開始轉動,轉速不斷上升,直至穩(wěn)定。啟動時，n=0，轉子導體切割磁力線速度很大，轉子感應電勢轉子電流定子電流

OT1.啟動方法(1)直接啟動

二、三十千瓦以下的異步電動機一般都采用直接啟動。(2)降壓啟動：星形-三角形(Y－)

換接啟動自耦降壓啟動（主要適用于鼠籠式電動機）(3)轉子串電阻啟動（僅適用于繞線式電動機）

降壓啟動★Y－換接啟動+－

啟動U1U2V1V1W1W2+－正常運行U1U2V1V2W1W2設:電機每相阻抗模為

Y－換接啟動時的線電流為直接啟動時的1/3◆僅適用于正常運行為三角形聯結的電機?！鬥－啟動降壓啟動只適合于空載或輕載啟動的場合Y-換接啟動應注意的問題正常運行UlU1W2V2W1+＿U2V1UP

啟動+＿Ul+＿U1W2V2W1U2V1(2)自耦降壓啟動L1L3L2FUQQ2下合：接入自耦變壓器，降壓啟動。Q2上合：切除自耦變壓器，全壓工作。合刀閘開關QQ2

自耦降壓啟動適合于容量較大的或正常運行時聯成Y形不能采用Y－啟動的鼠籠式異步電動機。I1若自耦降壓變壓器的變比為K，則：（推導見P108)正常啟動自耦降壓啟動I2U2U1U1

方法：任意調換電源的兩根進線，電動機反轉。電動機正轉電動機反轉三、三相異步電動機的正、反轉電源~UVWM3~UVW電源~M3~三種電氣調速方法★變頻調速(無級調速)★變極調速

(有級調速)★變轉差率調速

(無級調速)

又稱變轉子電路電阻調速見P110圖12.3.23四、三相異步電動機的調速五、三相異步電動機的制動制動方法機械制動電氣制動能耗制動反接制動能耗制動定子線圈通入直流電流形成固定磁場與旋轉的轉子作用，產生了與轉子旋轉方向相反的轉距（制動轉距），使轉子迅速停止轉動。反接制動

停車時，將接入電