电工电子技术赵景波-第3章

1、了解理想变压器的定义、电路符号和基本结构；了了解理想变压器的定义、电路符号和基本结构；了解变比的定义。解变比的定义。了解和掌握阻抗变换的意义，会进行阻抗变换计算。了解和掌握阻抗变换的意义，会进行阻抗变换计算。理解三相异步电动机工作原理，了解其结构特点、理解三相异步电动机工作原理，了解其结构特点、转矩特性、机械特性和额定值。转矩特性、机械特性和额定值。掌握三相异步电动机的启动、正反转方法。掌握三相异步电动机的启动、正反转方法。本章学习要求本章学习要求 第第3章章 变压器和异步电动机变压器和异步电动机 3.1 变压器的结构和工作原理变压器的结构和工作原理 3.2 变压器绕组的极性变压器绕组的极性

2、3.3 三相异步电动机的结构和转动原理三相异步电动机的结构和转动原理 3.4 三三相异步电动机的相异步电动机的转矩和机械特性转矩和机械特性 3.5 三三相异步电动机的相异步电动机的启动、调速和制动启动、调速和制动 3.6 三三相异步电动机的相异步电动机的铭牌和选择原则铭牌和选择原则 3.7 电动机电动机的分类的分类本章大纲本章大纲变压器功能：变压器功能：变电压：变电压：电力系统电力系统 变阻抗：变阻抗：电子电路中的阻抗匹配电子电路中的阻抗匹配 （如喇叭的输出变压器）（如喇叭的输出变压器） 变电流：变电流：电流互感器电流互感器 变压器的结构和工作原理变压器的结构和工作原理3.1单相变压器单相变压

3、器1u2uLR1i2i铁芯铁芯原边原边绕组绕组副边副边绕组绕组铁心：变压器的磁路。铁心：变压器的磁路。高、低压绕组高、低压绕组. .原边（一次绕组）：原边（一次绕组）：接电源的绕组接电源的绕组副边（二次绕组）：副边（二次绕组）：接负载的绕组接负载的绕组1u1i2u2iLR变压器符号变压器符号：变压器的主要结构变压器的主要结构3.1.1工作过程工作过程u2i1 N1u1i2 N2参考方向的确定：参考方向的确定： 原边是电源的负载；原边是电源的负载； 副边是负载的电源；副边是负载的电源；1u2uLR1i2iN1N2e1e2 原、副边的原、副边的e e与与 符合符合右螺旋法则；右螺旋法则；变压器的工

4、作原理变压器的工作原理3.1.2空载运行空载运行 ：原边接入电源，副边开路。：原边接入电源，副边开路。接上接上交流电源交流电源1u原边电流原边电流 i i1 1等等于励磁电流于励磁电流 i i1010 产生感应电动势产生感应电动势1u1i2e1e1N2N i i1010 产生磁通产生磁通 （交变）（交变）e,e, 方向符合右方向符合右螺旋法则螺旋法则dtdNe 11 dtdNe 22 注意注意变压器的空载运行和变压比变压器的空载运行和变压比1.结论：改变匝数比，就能改变输出电压。结论：改变匝数比，就能改变输出电压。K K为变比为变比10i1u20u2i1e2e根据交流铁心线圈的电磁关系根据交流

5、铁心线圈的电磁关系分析可得：分析可得：KNNEE 2121mNfE1144. 4= U1mNfE2244. 4= U2有载运行有载运行 ：副边接入负载。：副边接入负载。E E1 1 U U1 1E E2 2 U U2 2忽略线圈电阻和漏磁通的影响忽略线圈电阻和漏磁通的影响所以，电压比为所以，电压比为KNNUU 2121 当变压器接上负载后，副绕组中的电流为i2 ，原绕组上的电流将变为i1 ，原、副绕组的电阻、铁心的磁滞损耗、涡流损耗都会损耗一定的能量，但该能量通常都远小于负载消耗的电能，可以忽略。这样，可以认为变压器输入功率等于负载消耗的功率，即 变压器带负载工作时，原、副边的电流有效值与它们

6、的电压或匝数成反比。变压器在变换了电压的同时，电流也跟着变换。变压器的负载运行时的变流比变压器的负载运行时的变流比2.1 122U IU I1222111IUNIUNK1i1u2u2iLZ1N2N22IUZL=u1i1LZ LZ LZK2 22222211KZKIUKIKUIUZLL= 变压器的阻抗变换作用变压器的阻抗变换作用3.变压器满载运行时，原、副边绕组允许的电流值。变压器满载运行时，原、副边绕组允许的电流值。N NN NN NN NN NI IU UI IU US S2 22 21 11 1= = =（理想）（理想）变压器副边开路（空载）时，原、副边绕组允许的电压值变压器副边开路（空载

7、）时，原、副边绕组允许的电压值。1 1） 额定电压额定电压U U1N1N/ /U U2N2N2 2） 额定电流额定电流I I1N1N/ /I I2N2N3 3） 额定容量额定容量S SN N变压器输出的额定视在功率。变压器输出的额定视在功率。电力变压器的铭牌数据电力变压器的铭牌数据3.1.35 5） 额定频额定频 率率f fN N电源的工作频率。电源的工作频率。50Hz50HzP1u2u1i2iLR1N2N1122UNNU 使用时，改变滑动端的位置，便可得到不同的输出电压。使用时，改变滑动端的位置，便可得到不同的输出电压。 N N2 2连续可调，连续可调，U U2 2连续可调。连续可调。注意注

8、意 原、副边千万不能对调使用。原、副边千万不能对调使用。 公共绕组部分不能断开。公共绕组部分不能断开。 公共端不能接火线。公共端不能接火线。几种常见的特殊变压器几种常见的特殊变压器3.1.4自耦变压器自耦变压器1.小型电源变压器小型电源变压器2. 小型电源变压器广泛地应用于工业生产中，如在机床电路中输入220V的交流电，通过电源变压器可以得到36V的安全电压，12V或6V的指示灯电压等。 电压互感器电压互感器3. 电压互感器是用来测量高压电网的一种专用变压器，它能把高电压变成低电压进行测量，它的构造与双绕组变压器相同。在使用时，原绕组并联在高压电源上，副绕组接低压电压表。 （被测电流）（被测电

9、流）N N1 1（匝数少）（匝数少）N N2 2（匝数多）（匝数多）A AR Ri i1 1i i2 2电流表电流表被测电流被测电流= =电流表读数电流表读数 N N2 2/ /N N1 11 1） 副边不能开路，副边不能开路，以防产生高电压；以防产生高电压；使用注意事项：使用注意事项：用低量程的电流表测大电流用低量程的电流表测大电流2 2） 铁心、低压绕铁心、低压绕组的一端接地，以组的一端接地，以防在绝缘损坏时，防在绝缘损坏时，在副边出现过压。在副边出现过压。电流互感器电流互感器4.1 1）. .同极性端同极性端( (同名端同名端) )当电流流入当电流流入( (或流出）两个线圈时，若产生的磁

10、通方向相或流出）两个线圈时，若产生的磁通方向相 同，同，则两个流入则两个流入( (或流出）端称为同极性端（同名端）。或者说，当或流出）端称为同极性端（同名端）。或者说，当铁芯中磁通变化（增大或减小）时，在两线圈中产生的感应电铁芯中磁通变化（增大或减小）时，在两线圈中产生的感应电动势极性相同的两端为同极性端。动势极性相同的两端为同极性端。AXax*AXax*1u2e1i1eZ2i*3.2变压器绕组的极性变压器绕组的极性 联结联结 2 23 3，顺串，顺串1324*串联串联顺串：两异名端相连，相当于两匝数相加；顺串：两异名端相连，相当于两匝数相加；反串：两同名端相连，相当于两匝数相减；反串：两同名

11、端相连，相当于两匝数相减； 联结联结 1 13 3，反串，反串并联并联同名端两两相连。同名端两两相连。1-31-3连，连，2-42-4连连2 2）. . 变压器绕组的连接变压器绕组的连接三相异步电动机接上电源就会转动，这是为什么呢？ 从图示演示得出两点启示：第一、有一个旋转的磁场；第二、转子跟着磁场转动。异步电动机转子转动的原理与上述演示相似。那么在三相异步电动机中，磁场从何而来，又是怎么旋转呢？下面就来逐步讨论这个问题。3.3 3.3 三相异步电动机的结构和转动原理三相异步电动机的结构和转动原理3.3.1三相异步电动机的基本结构三相异步电动机由静止的定子和转动的转子两大部分组成。 三相异步电

12、动机的定子是由机座、定子铁心和三相绕组等组成。机座通常由铸铁或铸钢制成，机座内装有很薄且表面绝缘的硅钢片叠制而成的筒形铁心，铁心内圆上冲有均匀分布的平行槽口。（a）定子的硅钢片 （b）未装绕组的定子 （c）装有三相绕组的定子 三相异步电动机的定子绕组由三相对称绕组组成，按一定空间角度依次嵌放在定子槽内，接成星形或三角形，并与铁心绝缘。，（a）星形连接 （b）三角形连接在旋转磁场作用下，产生感应电动势或电流。在旋转磁场作用下，产生感应电动势或电流。线绕式：接成星型线绕式：接成星型的三相绕组的三相绕组鼠笼式：绕组短路鼠笼式：绕组短路鼠笼转子鼠笼转子V2V1W2U2U1W1转子转子转子：转轴、转子铁

13、心、转子绕组转子：转轴、转子铁心、转子绕组转轴转轴1 1）铁心：硅钢片叠成）铁心：硅钢片叠成2 2）绕组：）绕组：1.1.旋转磁场的产生及方向旋转磁场的产生及方向BiAXBYCZAiCiiAImiBiCCZAXYBNS t=0tIimA sin )120sin(o tIimB )120sin(o tIimC 3.3.2三相异步电动机的旋转磁场60 CZAXYBNSn0 t=60 t=120 NSn0ZCAXBY t=180 NSn0ZCAXBY同理可得其他时刻同理可得其他时刻旋转磁场的方向。旋转磁场的方向。iAImiBiC结论：结论：1 1）旋转磁场的转向）旋转磁场的转向旋转磁场的方向取决于三

14、相电流的相序。旋转磁场的方向取决于三相电流的相序。（当电流的相序为（当电流的相序为A-B-CA-B-C时，旋转磁场的方向沿绕时，旋转磁场的方向沿绕组的首端组的首端A-B-CA-B-C的方向，与电流相序一致。）的方向，与电流相序一致。）任意调换电源线中的两相，旋转磁场与原方向相反。任意调换电源线中的两相，旋转磁场与原方向相反。旋转磁场的转速通常称为：旋转磁场的转速通常称为：电动机的同步转速电动机的同步转速min)/r(pf60n0=p p 旋转磁场的极对数旋转磁场的极对数对电动机来讲，对电动机来讲，f f 和和 p p 通常是一定的，此时通常是一定的，此时n n0 0为常为常数数f f 电源电流

15、的频率电源电流的频率极对数极对数每电流周期，磁场转过角度每电流周期，磁场转过角度同步转速同步转速(f=50HZ)p=1360 3000r/minp=2180 1500r/minp=3120 1000r/min2.2.旋转磁场的转速旋转磁场的转速p=1电流在时间上变化一周电流在时间上变化一周 磁场在空间上变化一周磁场在空间上变化一周f f ：电流的频率：电流的频率旋转磁场的转速：旋转磁场的转速：n n0 0=60f=60f（r/minr/min）p=2电流在时间上变化一周电流在时间上变化一周 磁场在空间上变化半周磁场在空间上变化半周旋转磁场的转速：旋转磁场的转速：n n0 0=60f/2=60f

16、/2（r/minr/min）SN0nFn三相定子绕组接入三相电源，产三相定子绕组接入三相电源，产生旋转磁场；生旋转磁场；旋转磁场切割转子导体，在转旋转磁场切割转子导体，在转子导体中产生感应电动势，短子导体中产生感应电动势，短路的转子导体产生感应电流；路的转子导体产生感应电流；载流导体（转子导体）在磁场载流导体（转子导体）在磁场中受力，转子旋转。中受力，转子旋转。3.3.3 三相异步电动机的转动原理电动机转速和旋转磁场同步转速的关系电动机转速和旋转磁场同步转速的关系电动机转速电动机转速n n电机转子转动方向与磁场旋转的方向一致，电机转子转动方向与磁场旋转的方向一致， 但但 异步异步电动机电动机0

17、nn 无转矩无转矩转子与旋转磁场间没有相对运动转子与旋转磁场间没有相对运动无转子电动势（转子导体不切割磁力线）无转子电动势（转子导体不切割磁力线）无转子电流无转子电流如果如果0nn 旋转磁场转速旋转磁场转速: : n n0 0 转差率的概念：转差率的概念：转差率为旋转磁场的同步转速和电动机转速之差。转差率为旋转磁场的同步转速和电动机转速之差。电动机起动瞬间电动机起动瞬间: :1 ,0=sn（转差率最大）（转差率最大）电动机额定负载运行时电动机额定负载运行时: : S=0.010.0900nnnS 3.4三相异步电动机的转矩与机械特性 电动机的作用是把电能转换为机械能，它输送给生产机械的是电磁转

18、矩T（简称转矩）和转速。因此，在选用电动机时，总是要求电动机的转矩与转速的关系（称为机械特性）符合机械负载的要求。因此，了解电动机的转矩的大小受哪些因素影响，如何计算，对更好地使用电动机意义深远。电磁转矩是三相异步电动机的重要物理量，机械特性则反映了一台电动机的运行性能。 转矩表达式：转矩表达式：2222212SXRUSRKTT 3.4.1电磁转矩 式中KT为与电动机结构相关的常数，U1为定子绕组的相电压，s是转差率，R2是转子电路每相的电阻，X20是电动机启动时转子尚未转起来时的转子感抗。 电磁转矩与相电压U1的平方成正比，所以电源电压的波动将对电动机的电磁转矩产生很大的影响。 当电源电压U

19、1和f1一定且R2、X20都是常数时，电磁转矩T只随转差率s变化。T与s之间的关系可用转矩特性T=f（s）表示，其特性如曲线如下所示。 n0TnNTnN1 1）. .电动机等速运行的条件电动机等速运行的条件T = TC电磁转矩电磁转矩 = = 阻力转矩阻力转矩阻力转矩：主要是电动机轴上的机械负载转矩阻力转矩：主要是电动机轴上的机械负载转矩T T2 2和和电动机的空载损耗转矩（主要是机械损耗转矩）电动机的空载损耗转矩（主要是机械损耗转矩）T T0 0TC=T2+ T0 T2忽略忽略T T0 0 ，电动机等速运行的条件：，电动机等速运行的条件：T = T23.4.2机械特性T = T2 匀速运行匀

20、速运行减速运行减速运行加速运行加速运行T T2 电动机的运行状态：电动机的运行状态：2 2）. . 三个重要转矩三个重要转矩1 1）额定转矩）额定转矩 T TN Nn0TnP P2 2 输出的机械功率输出的机械功率nPnPPTT23222955060/210 NNNnPT29550 Nm2 2）最大转矩）最大转矩 T Tm m 电动机能够产生的最大转矩。一般允许电动机的负载转矩在较短的时间内超过其额定转矩，但是不能超过最大转矩。因此，最大转矩也表示电动机允许短时过载的能力，用过载系数m表示为NTTm=m一般三相异步电动机的过载系数为1.82.2。3 3）启动转矩）启动转矩 T Tstst电动机

21、在启动瞬间的转矩电动机在启动瞬间的转矩Tstn=0n0Tn22022212XRURKTst 启动系数启动系数通常为通常为0.8 20.8 2NTTSt=S3 3）. . 电动机运行状态分析电动机运行状态分析1 1）不稳定运行区（）不稳定运行区（b b、c c段）段）TnbcT2eeT2T2启动时启动时TstT2 电机加速电机加速 转速沿机械特性曲线上升转速沿机械特性曲线上升 上升到上升到e点点 T=T2 电机进入稳定区运行。电机进入稳定区运行。若负载变化使若负载变化使T T2 2增加增加T2T2 T T不能突变不能突变 TT2 电机减速电机减速 转速沿机械特性曲线下降转速沿机械特性曲线下降 很

22、快达到很快达到n n=0=0 发生闷车发生闷车Tnab2 2）稳定运行区（）稳定运行区（a a、b b段）段）T2n假设：电动机稳定运行在假设：电动机稳定运行在e e点。点。T=T2若负载变化使若负载变化使T T2 2减小减小 T2T2 电机加速电机加速T2nee 转速沿机械特性曲线上升转速沿机械特性曲线上升 上升到上升到e点点 T=T2 电机达到新的稳定状态，转速为电机达到新的稳定状态，转速为n n nT2T T不能突变不能突变 TnenT2TnbcT2eeT2T2电动机的稳定运行区比较平坦，电动机的稳定运行区比较平坦，转速变化不大。转速变化不大。电动机只能在稳定区运行，不电动机只能在稳定区

23、运行，不能稳定运行在不稳定区。能稳定运行在不稳定区。n n0 0=1500r/min=1500r/min的电动机能否稳定运行在的电动机能否稳定运行在750r/min?750r/min?不能！不能！ 电机在电机在750r/min750r/min进入不稳定区。进入不稳定区。启动状态启动状态启动时启动时n=n=0 0 ，转子导条切割磁力线速度很大。，转子导条切割磁力线速度很大。大电流使电网电压降低大电流使电网电压降低 影响其他负载工作影响其他负载工作 频繁启动时造成热量积累频繁启动时造成热量积累 电机过热电机过热影响影响启动电流大。启动电流大。Ist =57 IN 原因原因启动转矩不大。启动转矩不大

24、。Tst =0.82 TN 3.5三相异步电动机的启动、调速和制动适用：二三十千瓦以下的异步电动机。适用：二三十千瓦以下的异步电动机。2 2） 降压起动。降压起动。Y Y 起动起动自耦降压起动自耦降压起动1 1） 全压启动全压启动特点：简单，起动电流大特点：简单，起动电流大3.5.1三相异步电动机的启动星三角降压启动自耦变压器降压启动 3.5.2三相异步电动机的调速 负载不变改变电动机的转速或者负载变化保持电动机速度不变的方法称为异步电动机的调速。电动机调速用的最多的是变频调速，其基本原理是：采用整流电路将交流电转换为直流电，再由逆变器将直流电变换为频率、电压可调的三相交流电。 变极调速是改变

25、定子绕组的连接方式及改变磁极对数，使电动机获得不同的转速。3.5.3三相异步电动机的制动 电动机在断电时要保证克服惯性迅速停机，需要对其进行制动。制动的方法主要有反接制动和能耗制动两种。 反接制动是指在电动机停机时，将其三相电源线中的两根对调，产生相反的转据，起到制动作用。当转速接近于零时，要切断电源，以防反转。 能耗制动是在断电的同时，接通直流电源。直流电源产生的磁场是固定的，而转子由于惯性转动产生的感应电流与直流电磁场相互作用产生的转矩方向恰好与电动机的转向相反，起到制动的作用。3.6三相异步电动机的铭牌和选择原则 每台电动机的机座上都有一个铭牌，标记了电动机的型号、额定值和连接方法等。

26、3.6.1三相异步电动机的铭牌1.1.型号：型号：Y 112 M 4三相异步三相异步电动机电动机机座中心高机座中心高（mmmm）机座长度代号：机座长度代号： S S 短机座短机座 M M 中机座中机座 L L 长机座长机座磁极数（个数）磁极数（个数）2. 2. 额定电压：额定电压：额定运行时，定子绕组上应加的线电压。额定运行时，定子绕组上应加的线电压。一般规定电动机的电压不应高于或低于额定值的一般规定电动机的电压不应高于或低于额定值的5%5%。3. 3. 额定电流：额定电流：额定运行时，定子绕组的线电流。额定运行时，定子绕组的线电流。4.4.功率和效率：功率和效率：额定功率额定功率：电动机在额

27、定运行状态下，其转子轴电动机在额定运行状态下，其转子轴 上输出的机械功率。上输出的机械功率。额定运行状态：定子加额定电压，转子带额定负载。额定运行状态：定子加额定电压，转子带额定负载。效率效率：输入功率输入功率 P P1N1N：%10012 NNPP cos31NNNIUP 5.5.功率因数功率因数电机的功率因数指定子的功率因数。电机的功率因数指定子的功率因数。电机的功率因数是变量，不同的工作状态电机的功率因数是变量，不同的工作状态coscos 不同。不同。6.6.转速转速电源电压电源电压= =U UN N，频率，频率= =f fN N ，电机的输出功率，电机的输出功率= =P P2N2N时，

28、电动机每分钟的转数。时，电动机每分钟的转数。 7.7.接法接法定子三相绕组的接法。定子三相绕组的接法。例：铭牌数据：例：铭牌数据：380/220380/220、Y/Y/ 指：指：U UL L=380v=380v时，采用时，采用Y Y形连接形连接 U UL L=220v=220v时，采用时，采用 形连接形连接3.6.2三相异步电动机的功率选择原则 功率的选择实际上也就是容量的选择，如果容量选择太大，容量没得到充分利用，既增加投资，也增加运行费用。如选得过小，电动机的温升过高，影响寿命，严重时，可能还会烧毁电动机。对于长期运行（长时工作制）的电动机，可选其额定功率PN等于或略大于生产机械所需的功率

29、；对于短时工作制或重复短时制工作的电动机，可以选择专门为这类工作制设计的电动机，也可选择常时制电动机，但可根据间歇时间的长短，电动机功率的选择要比生产机械负载所要求的功率要小一些。3.6.3 三相异步电动机的种类和形式选择原则选择电动机的种类是从交流或直流、机械特性、调速与启动性能、维护及价格等方面来考虑的。因为通常生产场所用的都是三相交流电源，如果没有特殊要求，一般都应采用交流电动机。在交流电动机中，三相笼型异步电动机结构简单，坚固耐用、工作可靠，价格低廉，维护方便；其主要缺点是调速困难，功率因数较低，启动性能较差。因此，要求机械特性较硬而无特殊调速要求的一般生产机械的拖动应尽可能采用笼型电动机。在功率不大的水泵和通风机、运