电机与电气控制技术全套课件

1、第1章 变压器内容提要 本章首先介绍变压器的基本工作原理和变压器的分类，然后分析了变压器空载运行和负载运行时的电压、电流关系以及单相变压器的结构。重点介绍和研究三相电力变压器的结构特点、工作原理、运行特性及具体应用。此外，还对一些其他用途变压器的基本结构、基本工作原理及应用做了简要的介绍。 第一节 变压器的工作原理及分类1 变压器是一种常用的电气设备，通过电磁感应作用将一定数值的交流电压、转换成同频率的另一数值的交流电压。主要用在电力系统中，在其他许多领域中也被广泛使用。 变压器通常按用途来进行分类，可分电力变压器、特种变压器、仪用互感器、控制变压器及其他用途变压器等。 第一节 变压器的工作原

2、理及分类2 图1-1是单相变压器变压器的工作原理图。该单相变压器由一个闭合的铁心和套在其上的两个绕组构成。这两个绕组彼此绝缘，同心套在一个铁心柱上，但是为了分析问题的方便，我们将这两个绕组画在铁心柱两侧上，其中，与电源连接的绕组称为一次绕组，也称原绕组，与负载连接的绕组称为二次绕组，也称副绕组。我们在表示一次绕组电磁量的符号右下角加标号“1”，在表示二次绕组电磁量的符号右下角加标号“2”，以便于区别。例如U1、E1、I1 分别表示一次绕组的电压、感应电动势、电流；U2、E2、I2 分别表示二次绕组的电压、感应电动势、电流。 图1-1 变压器工作原理示意图 第二节单相变压器的运行原理1一、变压器

3、的空载运行 将一次绕组的两个出线端与单相交流电源连接，绕组中便流过交流电流，该电流在铁心中生成与电源频率相同的交变磁通最大值m ，此交变磁通同时交链一次、二次绕组。根据电磁感应原理，一次、二次绕组中将分别感应出交变电动势E1和E2 E1=4.44fN1m (1-1) E2=4.44fN2m (1-2) 式中N1及N2为一、二次绕组匝数，f为交流电频率。第二节单相变压器的运行原理 2 如果单相变压器二次绕组的两个出线端不与负载连接称为变压器的空载运行。如果忽略变压器一次绕组的阻抗，则U1 = E1。在空载时，由于二次绕组开路，故U2 = E2 ，因此有U1 = E1=4.44fN1m (1-3)

4、U2 =E2=4.44fN2m (1-4)由此可得 (1-7)式中K称为变压器的变比。第二节单相变压器的运行原理 3 二、变压器的负载运行变压器一次绕组接额定电压，二次绕组接负载的运行状态称负载运行，如图1-6所示。二次绕组中有电流I2，一次绕组中电流变为I1，可近似认为变压器输入功率与输出功率相等，即 U1 I1 = U 2I2 则 (1-9)可见变压器一次绕组及二次绕组中的电流与一次、二次绕组的匝数成反比，即变压器也有变换电流的作用。 第三节单相变压器的基本结构1一、铁心铁心构成变压器变压器磁路系统及作为变压器支架。目前铁心用0.30mm厚冷轧硅钢片制作。按铁心结构不同可分心式变压器、壳式

5、变压器和C型变压器。如图1-9所示。第三节单相变压器的基本结构2 心式或壳式变压器用叠片式铁心，通常有心式囗形、心式斜囗形、壳式E形、壳式F形，如图1-10所示。C型变压器用裁成一定宽度的冷轧硅钢带卷制而成。第三节单相变压器的基本结构2二、绕组变压器线圈通称绕组，是变压器的电路部分，小变压器一般用具有绝缘的漆包圆铜线绕成。接高压电网的称高压绕组，接低压部分的称低压绕组。小变压器的绕组一般采用将高压绕组和低压绕组同心套装在铁心柱上的同心式绕组。如图1-11所示。 第四节 三相电力变压器三相电力变压器是用来改变三相交流电压的变压器，是输电和配电系统中的重要电气设备，也是整个电力系统中容量最大、最重

6、要的电气设备。一、三相油浸式电力变压器的结构三相油浸式电力变压器主要由铁心、绕组、油箱、冷却装置、保护装置等部件组成。三相油浸式电力变压器的结构（续1）.铁心铁心是三相电力变压器的磁路部分，它由0.230.30mm厚冷轧硅钢片叠压或卷制而成。为了充分利用绕组内圆的空间，铁心柱截面通常采用阶梯形，如图1-15所示。铁心的结构有叠片式铁心、卷制式铁心和非晶合金铁心。后两种代表了当前的最新技术，节能效果明显，大有发展前途。三相油浸式电力变压器的结构（续2）绕组绕组是变压器的电路部分。绕组由包有绝缘材料的扁导线或圆导线绕成，绕组作为电流的通路，产生磁通和感应电动势。绕组的结构形式主要是同心式绕组。按绕

7、制方法的不同可分圆筒式、分段式、螺旋式、连续式。三相油浸式电力变压器的结构（续3）油箱和冷却装置变压器的器身放置在灌有高绝缘强度、高燃点变压器油的油箱内。变压器油的作用是绝缘和散热。旧型号变压器采用在油箱外加焊扁形散热管，新型号变压器釆用片式散热片为多。三相油浸式电力变压器的结构（续4）. 保护装置（1）气体继电器（也称为瓦斯继电器）（2）防爆管(安全气道) 三相油浸式电力变压器的结构（续5）.绝缘套管 绝缘套管装置在变压器油箱盖上面，以确保变压器的引出线与油箱绝缘。. 分接开关分接开关装置在变压器油箱盖上面，通过调节分接开关来改变一次绕组的匝数，从而使二次绕组的输出电压可以调节，以避免二次绕

8、组的输出电压因负载变化而过分偏离额定值。. 变压器的铭牌变压器的油箱表面都镶嵌有铭牌，铭牌上标明了变压器的型号、额定数据及其他一些数据。三相油浸式电力变压器的结构（续6） 1) 变压器的型号按照国家标准规定，变压器的型号由汉语拼音字母和几位数字组成，表明变压器的系列和规格。例如型号为S9-500/10的变压器，表示是1台第9次统一设计的三相电力变压器，额定容量为500kVA，高压边额定电压为10kV的电力变压器。（1）额定容量SN（2）额定电压 U1N（3）额定电流I1N和I2N （4）阻抗电压（5）三相变压器的联结组标号 二、三相电力变压器的损耗与效率 1变压器的损耗可分为铁损耗和铜损耗两种

9、。1.铁损耗PFe铁损耗是指变压器铁心中的磁滞损耗和涡流损耗。它决定于通过铁心中的磁通，当一次绕组上所加的电压基本不变时，则铁心中的磁通基本不变，故铁损耗也基本不变，也称铁损耗为不变损耗。2.铜损耗PCu铜损耗是指电流在变压器一次、二次绕组直流电阻上产生的损耗。铜损耗的大小与负载电流的平方成正比，即随负载电流的变化而变化，故称铜损耗为可变损耗。 二、三相电力变压器的损耗与效率 23.效率变压器的效率是输出功率P2与输入功率P1之比，即 （1-15）由于变压器没有旋转部件，它的效率一般都很高，P1和P2的数值通常很接近，中、小型电力变压器效率在95%以上，大型电力变压器效率在99%以上。二、三相

10、电力变压器的损耗与效率 3变压器在不同的负载电流I2时，输出的功率P2及铜损耗都在变化，因此变压器的效率也是随负载电流变化而变化的，其变化曲线称为变压器的效率特性，如图1-21所示。从效率特性看出，负载较小时，效率随负载的增加而增加；负载较大时，效率随负载的的增加而减小。表明效率有一个最大值。在负载较小时，输出功率小，铁损耗占的比例大，故效率低；随着输出功率的增大效率提高；但当负载过大时，铜损耗是随电流的平方增大的，铜损耗占的比例增加更快，效率反而下降。目前国产三相电力变压器当负载为额定负载的 30%40% 时效率最高，运行最经济。三、三相电力变压器的外特性及电压变化率 1变压器的运行特性主要

11、有外特性和效率特性，运行特性反映了变压器带负载运行时的性能。一、外特性与电压变化率变压器的外特性是用来描述输出电压U2随负载电流I2的变化而变化的情况。习惯上用外特性曲线表示，如图1-26。三、三相电力变压器的外特性及电压变化率 2从图中看出，变压器带电容性负载运行时，U2可能随I2的增大而增大（容性负载减小了无功电流分量）；带电阻性和电感性负载运行时，U2随I2的增大而减小。U2随I2变化而变化的程度大小可以用电压变化率来表示。电压变化率的定义：一次侧加额定电压且负载功率因数一定时，二次侧开路电压U20与二次侧负载上的电压U2之差，相对于二次侧额定电压U2N的百分值。有 （1-16） 电压变

12、化率反映了供电质量的稳定性，希望电压变化率越小越好。常用三相电力变压器的电压变化率约为3 % 5 % 。 第五节 常用变压器简介 1一、小功率电源变压器小功率电源变压器是专门给某些小功率负载供电用的变压器，可按工作频率来分类，也可按铁心结构来分类。1.按工作频率分 (1)工频电源变压器 工作在5060Hz频率下的电源变压器。 (2)中频电源变压器 工作在4001000Hz频率下的电源变压器。 (3)高频电源变压器 工作在1020kHz频率下的电源变压器。2. 按铁心结构分(1)E形及囗形变压器 (2)C形变压器 (3)R形变压器(4)O形变压器第五节 常用变压器简介 2二、自耦变压器 1.结构

13、特点及用途自耦变压器实际是一台单绕组变压器，二次绕组是一次绕组的一部分，其结构、原理图如图1-29所示。自耦变压器的一次和二次绕组之间，不仅有磁路的耦合关系，而且还有直接的电路联系。自耦变压器主要在实验室中用做调压设备，在交流电动 机起动时用做降压设备。第五节 常用变压器简介 32.电压、电流关系自耦变压器也是利电磁原理工作的，当一次绕组加交流电压U1，二次绕组接负载后，其中的电压、电流也可用下式表示 (1-17)式中K为变比电流I1及I2在相位上反相，故流经公共绕组的电流I大小为 I= I2_一I1可见流经公共绕组的电流很小。自耦变压器不仅可以降压，也可以升压。 第五节 常用变压器简介 4

14、3单相自耦调压器 如果把自耦变压器的抽头做成滑动触点，就可构成输出电压可调的单相自耦调压器，如图1-30所示。 第五节 常用变压器简介 5三、仪用互感器仪用互感器是在测量高电压、大电流时使用的一种特殊变压器，仪用互感器有电流互感器和电压互感器两种形式。仪用互感器用于电力系统中，作为测量、控制、指示、继电保护等电路的信号源。使用仪用互感器，可以使仪表、继电器等与高电压、大电流的被测电路绝缘，可以使仪表、继电器等的规格比直接测量高电压、大电流电路时所用的仪表、继电器规格小得多；可以使仪表、继电器的规格统一，以便于制造且可减小备用容量。使用仪用互感器的另一目的是保证测量人员的人身安全。第五节 常用变

15、压器简介 1. 电流互感器使用电流互感器时，必须注意以下几点。（1）二次绕组不许开路。（2）二次绕组及铁心必须牢固接地，以防止绕组绝缘损伤时被测电路的高电压串入二次侧而危及人体。2. 电压互感器使用电压互感器时，必须注意以下几点。（1）二次绕组不许短路，以防止过大的短路电流损坏电压互感器。（2）二次绕组及铁心必须牢固接地，以保证安全。（3）二次负载的阻抗值不能过小。在被测电压一定时，二次电压也一定，如果二次负载的阻抗值过小，则负载上的电流过大，二次负载的容量过大，使电压互感器的测量精度下降。 第五节 常用变压器简介 四、交流电弧焊机 交流电弧焊机在生产实践中应用很广泛，其主要部件就是电焊变压器

16、。电焊变压器实际上是一台特殊的变压器，为了满足电焊工艺的要求，电焊变压器应该具有以下特点： （1）具有60V75V的空载起弧电压； （2）具有陡降的外特性； （3）工作电流稳定且可调； （4）短路电流被限制在两倍额定电流以内。 要具备以上特点，电焊变压器必须比普通变压器具有更大的电抗值，而且其电抗值可以调节。电焊变压器的一次、二次绕组通常分绕在不同的两个铁心柱上，以便获得较大的电抗值。通常采用磁分路法和串联可变电抗法来调节电抗值。第五节 常用变压器简介 12 目前使用较多的是铁心可以调节的磁分路动铁心式弧焊机，其外形及电路图如图1-36所示。它的焊接电流调节是靠改变二次绕组的接法及活动铁心的位

17、置来实现。 第一章 学习指导 一、基本要求 1.掌握单相变压器的基本工作原理及分类。 2.掌握单相变压器的基本构成、空载及负载运行情况。 3.了解三相电力变压器的基本结构，各组成部分的作用及主要应用。 4.了解三相电力变压器的外特性、损耗及效率，了解国产三相低损耗节能电力变压器。 5.了解常用变压器的基本工作原理、结构特点及应用。二、思考题与习题选解 1-1 1-3 1-4 1-5 1-7 1-8 C 1-9 C 1-10 1-11 1-13 50盏、5.26A、55.56A 1-15 12V 1-23 1-24 231V 1-26 1.5kW 1-27 1-28 1-30 1-33 C 1-

18、35 240匝、 9.09A、10A、0.91A、30.91A 1-36 1-37 D 1-38 1-39 1-40 A 1-41 A 1-42 B 1-43 C 1-44 B 1-45 C 1-46 C第二章 三相异步电动机 内容提要本章先讲述三相异步电动机的工作原理、基本结构、主要系列，然后对三相定子绕组作了简介，并对三相异步电动机的运行特点、功率及转矩平衡、机械特性、运行性能等进行讨论，最后重点介绍了三相异步电动机的起动、调速、制动的原理及方法与应用。 第一节 简介三相异步电动机与其他电机相比较，具有结构简单、制造方便、运行可靠、价格低廉等一系列优点；还具有较高的运行效率和较好的工作特性

19、，能满足各行各业大多数生产机械的传动要求。异步电动机还便于派生成各种专用特殊要求的形式，以适应不同生产条件的需要。三相异步电动机是目前使用最广泛的电动机。第二节 三相异步电动机的工作原理一、旋转磁场三相异步电动机转子之所以会旋转、实现能量转换，是因为转子气隙内有一个旋转磁场。下面来讨论旋转磁场的产生。如图2-3所示，在定子铁心上均匀分布三相定子绕组U1U2、V1V2、W1W2，在空间彼此相隔120电角度，接成Y形。三相绕组的首端U1、V1、W1接在三相对称电源上，有三相对称电流通过三相绕组。旋转磁场（续1）设电源的相序为U, V, W。三相交流电波形如图2-4波形图所示。三相交流电产生的磁场也

20、表示在图2-4中。旋转原理 1二、三相异步电动机的旋转原理图2-7为三相异步电动机转动原理示意图。三相交流电通入定子绕组后，便形成了一个旋转磁场，其转速 。旋转磁场的磁感线被转子导体切割，根据电磁感应原理，转子导体产生感应电动势。转子绕组是闭合的，则转子导体有电流流过。设旋转磁场按顺时针方向旋转，且某时刻上为北极N下为南极S，如图2-7所示。根据右手定则，在上半部转子导体的电动势和电流方向由里向外，用表示；在下半部则由外向里，用表示。旋转原理 转差率旋转磁场转速n1与转子转速n之差与同步转速n1之比称为异步电动机的转差率s，即 （2-2）转差率是异步电动机的一个基本参数，对分析和计算异步电动机

21、的运行状态及其机械特性有着重要的意义。当异步电动机处于电动状态运行时，电磁转矩 和转速n同向。转子尚未转动时，n=0, ；当时， ，可知异步电动机处于电动状态时，转差率的变化范围总在0和1之间，即0s1。一般情况下，额定运行时s=1%6%。第三节 三相异步电动机的结构三相异步电动机按外壳防护方式的不同常用的有防护型、封闭型两大类。三相异步电动机的种类很多，但各类三相异步电动机的基本结构是相同的，它们都由定子和转子这两大基本部分组成，在定子和转子之间具有一定的气隙。此外，还有端盖、轴承、接线盒、吊环等其他附件，如图2-11所示。一、定子部分 1 定子指电动机中静止不动的部用，其作用是用来产生旋转

22、磁场。定子外壳定子铁心三相异步电动机定子铁心是电动机磁路的一部分，由0.3mm0.35mm厚表面有绝缘层的薄硅钢片叠压而成定子绕组定子绕组是三相异步电动机的电路部分，电动机有三相绕组，通入三相对称电流时，就会产生旋转磁场机座端盖二、转子部分 1转子转子铁心转子绕组(1) 笼形绕组(2)绕线转子绕组 三、电动机铭牌电动机铭牌标出电动机的型号及主要技术参数，供正确使用电动机用。1.额定功率 电动机在额定狀态运行时，轴上输出的机械功率。2.额定电流 电动机在额定狀态运行时，定子电路的输入线电流。3.额定电压 电动机在额定狀态运行时，定子电路所加的线电压。4.额定转速 电动机在额定狀态运行时的转速。5

23、.接法 电动机定子三相绕组与交流电源的连接方法，分星形接法和三角形接法两种。6.绝缘等级 电动机所用绝缘材料的等级 。第四节三相异步电动机定子绕组简介三相定子绕组是三相异步电动机最主要的组成部分。它由许多嵌放在三相定子铁心槽中的线圈按一定规律分布、排列、连接而成。三相定子绕组组成的基本原则有：1.三相绕组的形状、尺寸、匝数及在定子铁心槽中的排放规律应一致。2.绕组线圈的两个边应放在相隔约一个磁极占有的槽数的不同定子槽内。3.三相绕组在定子铁心槽内的分布应彼此相差120电角度。第五节 三相异步电动机的功率和转矩一、功率和效率三相异步电动机在运行中的功率损耗有：1. 电流在定子绕组上的铜损耗 Pc

24、u1 及转子上的铜损耗 Pcu2。2. 交变磁通在定子铁心中产生的铁损耗 PFe 3.机械损耗Pt从而可得三相异步电动机运行时的功率关系如下。P2=P1- Pcu1 - Pcu2 -PFe-Pt 电源输入电功率除去定子铜损耗和铁损耗，转子铜损和机械损耗后，即为电动机输出功率。电动机的效率等于输出功率P2与输入功率P1之比，即=P2 / P1 二、功率和转矩关系 因为旋转体机械功率P2等于旋转体T2 转矩和它的机械角连度乘积，即P2= T 2 故 可见输出功率相同的异步电动机如极数多，则转速就低，输出转矩就大；极数少，则转速就高，输出转矩就小；在选用异步电动机时，必须清楚这个概念。三、异步电动机

25、的机械特性通过数学分析，三相异步电动机的转矩可用下式表示 当加在电动机上的电压U1不变时，异步电动机的转矩T仅与异步电动机的转差率s (亦即转速n)有关。三相异步电动机的功率和转矩(续1)三相异步电动机的功率和转矩(续2)1.转矩特性曲线把转矩T与转差率s间的关系用曲线来描述，如图2-22，称异步电动机的转矩特性曲线。2.机械特性曲线实用中通常釆用异步电动机的转矩T与转速n之间的关系，称异步电动机的机械特性曲线，如图2-23。 四、三相异步电动机的运行特性 1.起动状态 异步电动机的起动转矩Tst大于电动机轴上的负载阻力矩；电动机就能起动。 2.异步电动机的运行状态 电动机的转速n为 0 nn

26、1 3.异步电动机的额定转速状态 电动机产生额定转矩TN时的转速，称电动机额定转速nN 。 4.临界转速状态 产生最大转矩Tm时的转速，称电动机转速临界转速。 5.起动转矩倍数 起动转矩Tst与额定转矩TN之比 6.过载能力 最大转矩Tm与额定转矩TN之比 三相异步电动机的功率和转矩(续3) 第六节 三相异步电动机的起动 一、起动概述 起动是指电动机接通电源，转速从零加速到正常运转的过程。 电动机起动时起动电流很大，但起动转矩并不大，这是我们不希望的。 三相异步电动机的起动有直接起动和降压起动两类。 二、三相笼型异步电动机的直接起动 直接起动是指将电动机三相定子绕组直接接到额定电压的电网上来起

27、动电动机，又称全压起动。 直接起动所需起动设备简单，但起动电流较大，一般11kw以下三相笼型异步电动机可以采用直接起动。 第六节 三相异步电动机的起动 三、三相笼型异步电动机的降压起动降压起动是指起动时降低加在定子绕组上的电压，起动结朿后加额定电压运行的起动方式。常用的降压起动方法有：软起动器起动、降压起动、串电阻降压起动、自耦变压器降压起动。第六节 三相异步电动机的起动 软起动器起动降压起动第六节三相异步电动机的起动 串电阻降压起动自耦变压器降压起动第六节三相异步电动机的起动 4. 自耦变压器降压起动 用自耦变压器来降低起动时加在电动机三相定子绕组上的电压，起动结朿后全压运行，如图2-31。

28、 此法的优点是电动机起动转矩较大，不受电动机三相定子绕组接法的限制，缺点是所需起动设备体积大、投资较大，目前已很少用。 图2-31第六节三相异步电动机的起动 四、绕线转子异步电动机的起动 起动时在绕线转子三相绕组中串可变电阻起动或在绕线转子三相绕组中串频敏变阻器起动。串可变电阻起动的方法目前在桥式起重机中仍被广泛使用。第七节 三相异步电动机的调速 所谓调速就是用人为的办法来改变异步电动机的转速。异步电动机的转速n为n=n1(1- s)=60 f1 (1- s) / p异步电动机的调速有以下三种方法：1.改变定子绕组的磁极对数p变极调速。2.改变电动机的转差率s。3.改变供电电网的频率f1变频调

29、速。一、变极调速多速三相异步电动机改变三相异步电动机定子绕组的连接方法，就能达到改变磁极对数的目的，如图2-37。第七节 三相异步电动机的调速 2 第七节 三相异步电动机的调速 3二、改变电动机的转差率s调速 ：改变转差率s的调速可分两类1.对绕线转子三相异步电动机用改变转子电路的电阻调速调速原理如图2-40所示。此法主要用于运输、起重机械中的绕线转子三相异步电动机上。2.对笼型三相异步电动机用改变定子绕组上的电压调速调速原理如图2-41所示。主要用于带动通风机负载的三相异步电动机上。第七节 三相异步电动机的调速 三、变频调速异步电动机的转速与电源频率成正比，因此只要连续改变电源频率 ，就可以

30、连续改变异步电动机的转速。常用的变频调速有两种控制方式，即恒转矩变频调速和恒功率变频调速。 1.恒转矩变频调速需保持U1/ f1为常数，这是目前使用最广的变频调速控制方式。2.恒功率变频调速需保持U12/ f1为常数，交通运输中的牵引电动机常用这种控制方式。变频电源目前都釆用通用变频器来获得。第八节三相异步电动机的制动 1所谓异步电动机的制动是指在电动机的轴上加上一个与其旋转方向相反的转矩，使电动机减速或停转。三相异步电动机的制动方法机械制动机械制动是靠摩擦方法产生制动转矩，常用的是电磁抱闸制动。电气制动三相异步电动机的电气制动是利用电动机产生的电磁转矩与电动机的旋转方向相反来实现的。有反接制

31、动、能耗制动和再生制动。第八节三相异步电动机的制动 电气制动反接制动能耗制动再生制动第二章 学习指导一、基本要求 1.了解旋转磁场产生的条件、旋转方向及转速。 2.掌握三相异步电动机的旋转原理。 3.掌握三相异步电动机的基本结构，各部分的作用及铭牌，会拆装三相异步电动机。 4.掌握三相异步电动机输入功率、输出功率、损耗及效率的概念。 5.掌握三相异步电动机功率和转矩的关系，有选用三相异步电动机的基本知识。 6.了解三相异步电动机的机械特性，理解三相异步电动机的主要运行性能。 7.掌握三相异步电动机的起动特点及各种起动方法。 8.掌握三相异步电动机的调速方法。重点理解变频调速。 9.了解三相异步

32、电动机的制动原理及方法。二、思考题与习题选解 2-3 2-4 2-9 2-10 2-11 0.023 2-12 2922r/min 2-14 2-17 2-20 2-21 2-22 2-23 B 2-24 2-25 2-27 2-28 0.853、 12. 57kW 2-32 2-33 2-34 B、 C、B、 A 2-36 可以正常起动、可以正常起动 2-37 2-38 2-39 A 2-40 2-41 D 2-46 A 第四章小结为求作异步电动机的等效电路，除对转子绕组各量进行折算外，还须对转子频率进行折算。频率折算的实质就是用转子静止的异步电动机去代替转子旋转的异步电动机。等效电路中，

33、是模拟总机械功率的等值电阻。异步电动机的电磁转矩和功率反映了能量传递过程中的功率分配。当电动机负载变化时，其转速、转矩、定子电流、定子功率因数和效率将随输出功率而变化，其关系曲线称为异步电动机的工作特性，这些特性可衡量电动机性能的优劣。第三章 单相异步电动机 内容提要 单相异步电动机是利用单相交流电源供电的一种小容量交流电动机，功率约在8W750W之间。单相异步电动机具有结构简单,成本低廉,维修方便等特点，被广泛应用于如冰箱、空调、电扇、洗衣机等家用电器及医疗器械中。但与同容量的三相异步电动机相比，单相异步电动机的体积较大、运行性能较差、效率较低。单相异步电动机有多种类型，目前应用最多的是电容

34、分相的单相异步电动机，这实际上是一种两相运行的电动机。第一节单相异步电动机的结构和工作原理 一、单相异步电动机的结构 单相异步电动机在结构上与三相笼形异步电动机类似，也由定子和转子两部分组成。 第一节 单相异步电动机的结构和工作原理3 二、单相异步电动机的工作原理 1.单相绕组的磁场理论分析及实践都说明在单相绕组中通入单相交流电产生的是脉动磁场並不旋转，由于转子导体中不产生感应电流，转子不会旋转。2.两相绕组的旋转磁场 如在单相异步电动机的定子上放置在空间互差90的两相定子绕组U1U2和Z1Z2，向这两相绕组通入在时间上相差约90的两相交流电第二节 电容分相单相异步电动机1 一、工作原理 电容

35、分相单相异步电动机其原理线路如图。 第二节电容分相单相异步电动机2 二、分类电容运行单相异步电动机结构简单、使用方便，获得广泛使用。吊扇、台扇、电冰箱、洗衣机、通风机中都采用电容起动单相异步电动机当电动机起动即将结束时，将起动绕组和电容从电路中切除。双电容单相异步电动机有两组电容器，一组C1，仅在起动时使用。第三节电阻分相单相异步电动机 如将图3-7中的电容C换成电阻R构成电阻分相单相异步电动机，如图3-12所示。电动机起动快结朿时，将起动绕组和电阻从电路中切除。单相罩极电动机是结构最简单的单相异步电动机，如图3-13所示，它也由定子和转子两部分组成。定子绕组为单相绕组，它靠在定子铁心极面上开

36、槽，在槽内放置短路铜环的结构来形成移动磁场，从而在转子导体上产生电磁转矩的原理工作的。单相罩极电动机的旋转方向是从磁极的未罩部分向被罩部分运动。单相罩极电动机结构简单、价格低、维护方便，用在小功率电气设备中。第四节 单相罩极电动机第五节 单相异步电动机调速 1一、单相异步电动机的调速单相异步电动机的调速方法主要有变频调速、晶闸管调速、串电抗器调速和抽头法调速等。变频调速设备复杂、成本高、很少采用。下面简单介绍目前较多采用的串电抗器调速、自耦变压器调速、串电容调速、抽头法调速和晶闸管调速。第五节 单相异步电动机调速 2.串电抗器调速.串电容器调速.绕组抽头法调速.晶闸管调速第三章 学习指导 一、

37、基本要求 1.了解单相异步电动机的工作原理。 2.熟悉常用单相异步电动机的基本结构，了解各主要部件作用。 3.会拆装、检修单相异步电动机。 4.掌握常用单相异步电动机的调速方法。 二、思考题与习题选解 3-2 C 3-3 3-4 B 3-5 3-6 3-8 D 3-9 A 3-10 3-11 B 3-12 3-17 C第四章特殊电机 内容提要特殊电机是在普通旋转电机基础上产生的特殊功能的电机。它输入的电能可以是交流电能，也可以是直流电能或脉冲信号，它的输出既有作驱动功能用，也有作控制功能用或其他功能用。 驱动用特殊电机主要作驱动机械装备之用，如直流电动机、直线电动机、伺服电动机、步进电动机和微

38、型同步电动机等。控制用特殊电机主要是在自动控制系统和计算装置中作检测、放大、执行和校正元件使用，如测速发电机、旋转变压器、自整角机等。本章主要介绍直流电动机、直线电动机、伺服电动机、步进电动机、测速发电机和微型同步电动机。第一节直流电动机直流电动机是指输入直流电能输出机械能的旋转机械。直流电动机由于具有调速性能好、起动转矩大的优点曾被广泛使用过，但它的结构较复杂、使用维护较麻烦，已基本上被交流电动机取代。一、直流电动机的工作原理直流电动机是依据载流导体在磁场中受力而旋转的原理制造的。通常磁场固定不动，而导体做成可在磁场中绕中心轴OO，旋转，如图4-1中线圈abcd。为了使线圈abcd在不同的磁

39、场位置下按同一方向旋转，采用了电刷和换向器结构。但也正是这个电刷和换向器结构，使直流电动机的结构变得复杂，成了它的致命所在。直流电动机的工作原理 续二、直流 电动机的主要结构图4-5是直流电动机的结构图，它主要由定子和转子(电枢)两部分组成。二、直流 电动机的主要结构 2 1. 定子电动机中静止不动的部分，包括机座、前后端盖、主磁极、换向极和电刷装置等。2.转子转子又称电枢，是电动机中转动的部分。转子的作用是通过电枢电流，产生电磁转矩而旋转。二、直流 电动机的主要结构 3 3. 直流电动机的励磁方式励磁方式是指直流电动机主磁场的产生方法。一类是由永久磁铁产生，称永磁直流电动机；另一类是由主极绕

40、组通直流电产生，根据主极绕组与电枢绕组接法的不同分他励、并励、串励和复励电动机。三、直流电动机的应用1直流电动机的起动直流电动机由静止状态到正常运行的过程称为起动。直流电动机起动时的主要问题是起动电流比较大。直流电动机常用的起动方法有全压起动和降压起动。与三相异步电动机一样，降压起动即是在起动时降低加在电动机上的电压，随着转速升高，逐步增加电压到正常运转。目前采用的方法主要是由晶闸管构成的可控整流电路作为直流电动机的可调直流电源。2.直流电动机的调速直流电动机的调速有以下三种方法：即改变电源电压调速；减小主磁通调速；在电枢回路串电阻调速。串电阻调速方法目前已基本不用。3.直流电动机的应用（1）

41、并励直流电动机调速较方便，曾在大型机床、冶金机械中使用，目前已少用。（2）串励直流电动机的牵引性能较好，曾在起重设备、电传动机车及车辆中使用，目前已少用。（3）直流电动机使用时应注意：串励直流电动机绝不允许空载起动；并励直流电动机励磁绕组在运行时决不允许开路。第二节步进电动机 一、概述步进电动机是将电脉冲信号转换成角位移或直线位移的控制电机，在自动控制系统中作执行元件。给步进电动机输入一个电脉冲信号时，它就转过一定的角度或移动一定的距离。由于其输出的角位移或直线位移可以不是连续的，因此称为步进电动机。步进电动机的精度高、惯性小，不会因电压波动、负载变化、温度变化等原因而改变输出量与输入量之间的

42、固定关系，其控制性能很好。步进电动机广泛用于数控机床、计算机外围设备等控制系统中。步进电动机的种类很多，按运动方式可分旋转型和直线型。旋转型又可分反应式、永磁式和永磁感应式等。反应式步进电动机的转子上没有绕组，依靠变化的磁阻生成磁阻转矩工作。永磁式步进电动机的转子上有磁极，依靠电磁转矩工作。反应式步进电动机是目前应用最为广泛的步进电动机。二、反应式步进电动机 1反应式步进电动机是利用磁阻转矩使转子转动的。1.三相单三拍控制 2.三相六拍控制第三节伺服电动机 一、概述伺服电动机的作用是将输入的电压信号（即控制电压）转换成轴上的角位移或角速度输出，在自动控制系统中常作为执行元件，所以伺服电动机又称

43、为执行电动机，其最大特点是：有控制电压时转子立即旋转，无控制电压时转子立即停转。转轴转向和转速是由控制电压的方向和大小决定的。伺服电动机分为交流和直流两大类。自动控制系统对伺服电动机的基本要求有：1.较宽的调速范围2.线性的机械特性和调节特性3.快速响应性4.无自转现象 即控制电压消失，伺服电动机立即停转。伺服电动机主要用于复印机、打印机、机械手、机器人、数控机床等上。二 、交流伺服电动机 1交流伺服电动机又称两相伺服电动机，外形及工作原理如图所示。二、交流伺服电动机 为了使两相伺服电动机对控制电压的变化能快速响应，要求它有尽量小的转动惯量和尽量大的堵转转矩，并能在控制电压消失后，电动机立即停

44、转。两相伺服电动机的转子通常有两种形式，一种是笼式转子，其转子细而长，而且绕组由高电阻率的材料制成。转子结构的另一种是空心杯转子，它由非磁性材料制成杯形，可看成是导条数很多的笼式转子，其杯壁很薄，因而其电阻值较大。转子在内外定子之间的气隙中旋转，因空气隙较大而需要较大的励磁电流。空心杯形转子的转动惯量较小，响应迅速。二、交流伺服电动机 3可采用下列三种方法来控制交流伺服电动机的转速高低及旋转方向。（1）幅值控制 保持控制电压与励磁电压间的相位差不变，仅改变控制电压的幅值。（2）相位控制 保持控制电压的幅值不变，仅改变控制电压与励磁电压间的相位差。 （3）幅-相控制 同时改变控制电压的幅值和相位

45、。交流伺服电动机的输出功率一般在100W以下。电源频率为50Hz时，其电压有36V, 100V, 220V, 380V数种。当频率为400Hz时，电压有20V，36V，115V多种。交流伺服电动机运行平稳，噪音小，但控制特性为非线性并且因转子电阻大而使损耗大，效率低。与同容量直流伺服电动机相比体积大，质量大，所以只适用于0.5W100W的小功率自动控制系统中。三、直流伺服电动机 按直流伺服电动机结构原理不同分传统型直流伺服电动机和低惯量直流伺服电动机。1.传统型直流伺服电动机传统型直流伺服电动机实质是容量较小的普通直流电动机，有他励式和永磁式两种，其结构与普通直流电动机的结构基本相同。2.低惯

46、量直流伺服电动机低惯量直流伺服电动机的转子由非磁性材料制成空心杯形圆筒，转子较轻而使转动惯量小，响应快速。转子在由软磁材料制成的内、外定子之间旋转，气隙较大。直流伺服电动机目前己使用较少。 第四节直线电动机 一、概述直线电动机与普通旋转电动机都是实现能量转换的机械，普通旋转电动机将电能转换成旋转运动的机械能，直线电动机将电能转换成直线运动的机械能。直线电动机应用于要求直线运动的某些场合时，可以简化中间传动机构，使运动系统的响应速度、稳定性、精度得以提高。直线电动机在工业、交通运输等行业中的应用日益广泛。直线电动机可以由直流、同步、异步、步进等旋转电动机演变而成，由异步电动机演变而成的直线异步电

47、动机使用最多。这里，我们只就直线异步电动机的结构和工作原理做一些简单的介绍。 二、直线异步电动机的工作原理 1直线异步电动机有平板形、管形等结构型式。平板形直线异步电动机可以看做将普通笼型转子三相异步电动机沿径向剖开后展平而成，如图4-24所示。对应于旋转电动机定子的一边嵌有三相绕组，称为初级；对应于旋转电动机转子的一边称为次级或滑子。实际平板形直线异步电动机初级长度和滑子长度并不相等，通常是滑子较长。二、直线异步电动机的工作原理 2向直线异步电动机初级三相绕组中通入三相交流电后，也将产生一个气隙磁场，沿直线方向呈正弦分布且 将按U、V、W的相序直线移动。由于该磁场是平移的，因此称为行波磁场，

48、该行波磁场在移动时将切割次级导体，在导体中产生感应电动势和电流，该电流与行波磁场相互作用，产生电磁力使次级沿行波磁场移动的方向作直线运动，且次级移动的速度小于行波磁场移动的速度。直线异步电动机的运动方向与通入初级三相绕组的三相交流电的相序有关。任意改变两相绕组与交流电源的接线顺序，即可改变直线异步电动机的运动方向。二、 直线异步电动机的结构 直线异步电动机主要有扁平型和管型两种，使用较多的是扁平型。 直线异步电动机为了能连续运动，必须使初级和次级长度不相等，故有短初级和短次级之分。一般均釆用短初级结构。第五节测速发电机一、概述测速发电机在自动控制系统中作检测元件，可以将电动机轴上的机械转速转换

49、为电压信号输出。输出电压的大小反映机械转速的高低，输出电压的极性反映电动机的旋转方向。测速发电机有交、直流两种形式。自动控制系统要求测速发电机的输出电压必须精确、迅速且与转速成正比。 二、直流测速发电机 11直流测速发电机的结构及工作原理直流测速发电机是一种用来测量转速的小型直流发电机，在自动控制系统中作反馈元件，外型如图4-29。结构上与普通小微型直流发电机相同，通常是两极电机，分为他励式和永磁式两种。 二、直流测速发电机 2直流测速发电机的工作原理是在永久磁铁产生的恒定磁场中，电枢以转速n旋转，电枢导体切割恒定磁通 ，而在其中产生感应电动势E。电动势E的极性决定于测速发电机的转向，电动势E

50、的大小与转速成正比，即 E =Ce n可见直流测速发电机的输出电压与转速成正比。因此只要测出直流测速发电机的输出电压，就可测得被测机械的转速。2. 直流测速发电机的应用直流测速发电机具有输出电压斜率大，没有剩余电压及相对误差，在自动控制系统中应用较广，可测量转速或作反馈元件自动调节转速。三、交流测速发电机 1交流测速发电机可分交流同步测速发电机和交流异步测速发电机，目前较多使用交流异步测速发电机。交流异步测速发电机分笼型和空心杯型两种。目前广泛使用空心杯转子异步测速发电机。其结构与空心杯转子交流伺服电动机相似，定子分为内、外定子。内定子上嵌有输出绕组，外定子上嵌有励磁绕组并使两绕组在空间位置上

51、有相差90电角度。内外定子的相对位置是可以调节的，可通过转动内定子的位置来调节剩余电压，使剩余电压为最小值。 三、交流测速发电机 2异步测速发电机的工作原理可以由图4-31来说明。图中f是励磁绕组，接在频率f恒定，电压Uf恒定的单相交流电源上，O是输出绕组，接高内阻输出仪器上，由于转子电阻较大，为分析方便起见，忽略转子漏抗的影响，认为感应电流与感应电动势同相位。三、交流测速发电机 3通过分析可知，当转子不动时，即测速发电机的转速为零时，输出绕组O的输出电压也为零。当转子以某一转速n旋转时，在输出绕组O中感应出频率为f的交变电势E。且E与n成正比。这样异步测速发电机就能将转速信号变换成电压信号，

52、实现了测速的目的。空心杯转子异步测速发电机由于其结构简单，工作可靠，应用较广泛。第六节 同步电动机同步电动机是其转速n与旋转磁场转速n1之间保持同步，即两者转速相等。同步电动机按使用交流电源不同分三相同步电动机和单相同步电动机。三相同步电动机输出功率都比较大，主要用于不需调速的通风机、水泵、空气压缩机上。单相同步电动机输出功率都很小，用于驱动恒转速的小功率负载，如医疗器械、摄像机、复印机、家用电器等方面，习惯上称为微型同步电动机。一、同步电动机的工作原理三相同步电动机的定子和三相异步电动机的定子结构是相同的，在定子铁心槽内嵌有三相交流绕组，转子也称磁极，有凸极和隐极两种结构。同步电动机通常用凸

53、极式，在转子铁心上绕有励磁绕组，通过电刷和滑环引入直流电，如图4-33所示。在同步电动机的三相定子绕组内通入三相交流电，即产生旋转磁场，当励磁绕组加上励磁电流时，转子产生磁极，在定子旋转磁场的带动下与旋转磁场同步旋转。二、 微型同步电动机 1 微型同步电动机按工作原理可分永磁式、反应式、磁滞式三种。1.永磁式微型同步电动机永磁式微型同步电动机的转子由永久磁钢构成磁极，形成转子磁场。当定子绕组加上交流电源，产生旋转磁场后，即带动转子同步旋转。为了能产生起动转矩，可在转子边缘装笼型导条，如图4-35。 永磁式微型同步电动机常用在日用电器中的电动定时程控器中。二、 微型同步电动机 22.反应式微型同

54、步电动机反应式微型同步电动机又称磁阻式同步电动机，它的转子本身不具磁性，是利用转子对定子磁场的反应不同而产生转矩的电动机。其转子结构如图4-36所示。反应式微型同步电动机结构简单、运行可靠，但功率均较小，用于自动记彔装置、复印机、摄像机设备中。第四章 学习指导 一、基本要求 1.了解特殊电机的含义、主要分类及用途。 2.了解直流电动机的工作原理、结构及应用。 3.理解步进电动机的用途、分类和反应式步进电动机的工作原理。 4.理解伺服电动机的用途、分类和交流及直流伺服电动机的工作原理与应用。 5.了解直线电动机的工作原理、结构及应用。 6.了解测速发电机的概念，直流和交流测速发电机的结构、工作原

55、理及应用。 7.了解同步电动机的工作原理、应用。了解微型同步电动机的结构特点及应用。 二、思考题与习题选解 4-3 1. C 2. F 3. A 4. B 5. E 4-4 B 4-5 A B D 4-7 1. B 2. C 4-21 4-22 4-23 4-24 B 4-25 B 4-26 A 4-27 B 4-28 D 4-29 B 第五章常用低压电器内容提要本章首先介绍低压电器的基本知识，随后按各类常用低压电器的功能分类介绍了刀开关、熔断器、接触器、各类主令电器、继电器、断路器的分类法构、动作原理及主要用途。第一节概述一、电器的分类(1)按工作电压等级可分为高压电器和低压电器。 高压电器

56、用于交流电压1200 V、直流电压1500 V及以上电路中的电器。低压电器用于交流电压1 200 V、直流电压1 500 V以下电路中的电器。(2)按用途可分为配电电器和控制电器。配电电器 主要用在供配电系统中实现对电能的输送、分配和保护。控制电器 主要用在生产设备自动控制系统中对设备进行控制、检测和保护。例如接触器、控制继电器、主令电器、起动器、电磁阀等。(3)按触点动力来源分为手动电器和自动电器。二、电器的用途低压电器广泛应用于工厂供配电系统和生产设备自动控制系统。在工厂机电设备自动控制领域，低压电器是构成设备自动化的主要控制器件和保护器件。第二节刀开关和组合开关 1刀开关是一种配电电器，

57、通常用于将用电设备与电源隔离，有时也可用于不频繁接通和断开小电流配电电路或直接控制小容量电动机的起动和停止。在电力设备自动控制系统中，使用最为广泛的有开启式负荷开关 、封闭式负荷开关和组合开关。一、开启式负荷开关开启式负荷开关也称为胶壳刀开关，是一种结构简单，应用广泛的手动电器，主要用做电源隔离开关和小容量电动机不频繁起动与停止的控制电器 。隔离开关是指将电路与电源隔开，以保证检修人员检修时人身安全的开关。第二节刀开关和组合开关 21.外形结构与组成由手柄、熔体、静触点、动触点、瓷低座、胶盖组成。常用的有二极和三极刀开关。第二节刀开关和组合开关 3二、封闭式负荷开关1.外形结构组成封闭式负荷开

58、关结构：主要由钢板外壳、动触点(触刀)、静触点(夹座)、储能操作机构、熔断器及灭弧机构等组成。2.操作机构特点触点闭合断开速度快；具有机械连锁装置。第二节刀开关和组合开关 4三、组合开关组合开关是刀开关的另一种结构形式，在设备自动控制系统中一般用做电源引入开关或电路功能切换开关，也可直接用于控制小容量交流电动机的不频繁操作。1.组合开关的组成组合开关由动触点、静触点、方形转轴、手柄、定位机构和外壳等组成2.组合开关的选用(1)用于一般照明、电热电路时，其额定电流应大于或等于被控电路的负载电流总和(2)当用做设备电源引入开关时，其额定电流稍大于或等于被控电路的负载电流总和(3)当用于直接控制电动

59、机时，其额定电流一般可取电动机额定电流的23倍第三节熔断器 1熔断器广泛用于低压供配电系统和控制系统中。当电路发生短路或严重过载时，熔断器自动熔断，从而切断电路，起到保护作用。熔断器结构简单，体积小巧，工作可靠，是电气设备重要的保护元件之一。第三节熔断器 2二、熔断器的保护特性及主要参数熔断器一般不宜用作过载保护，主要用作短路保护(除照明电路外) 。熔断器的主要数据有：1额定电压2额定电流3熔体的额定电流4极限分断能力第三节熔断器 3三、常用熔断器简介1.半封闭插入式熔断器也称为瓷插式熔断器。它由瓷质底座和瓷盖两部分构成，熔体安装在位于瓷盖上的动触点接线螺钉上。熔体通常用铅锡合金或铅锑合金等制

60、成。有时也用铜丝作为熔体2.螺旋式熔断器 它由瓷质底座、瓷帽、瓷套和熔体组成。螺旋式熔断器具有较好的抗振性能，灭弧效果与断流能力均优于瓷插式熔断器，被广泛用于机床电气控制设备中第三节熔断器 53.有填料封闭管式熔断器在熔管内充满石英砂，使电弧很快熄灭。主要用于供电线路及配电设备中。它的价格较贵4.快速熔断器 主要用于半导体元件及整流装置的短路保护中。一般熔体用银片制作，价格较贵第四节 接触器接触器是一种用途最为广泛的开关电器。它利用电磁、气动或液动原理，通过控制电路来实现主电路的通断。接触器具有通断电流能力强，动作迅速，操作安全，能频繁操作和远距离控制优点，但不能切断短路电流，因此接触器通常需