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第第5章章 变压器与交流电动机变压器与交流电动机5.1磁的基本概念磁的基本概念5.1.1 电磁感应定律电磁感应定律试验表明：当导体回路所包围的面积中的磁通发生变化时,就会在该回路中产生感应电动势,且感应电动势正比于磁通量对时间变化率。这是法拉第电磁感应定律。法拉第电磁感应定律公式表示为：式中：e 感应电动势，单位：伏（V）；N 线圈匝数；磁通量，单位：韦伯（Wb）；t 磁通变化时间，单位：秒（S）；式中负号表明了感应电动势（电流）的方向，总是使得它的磁场去阻碍产生感应电流的磁通的变化。用楞次定律判断感应电流方向的步骤：（1）判断穿过闭合回路的磁通方向及发生什么变化 （增加或减少）；（2）确定感应电流所激发的磁场方向：原磁通增加，就与原磁通方向相反；原磁通减少，就与原磁通 方向相同；（3）用右手螺旋法则由感应电流产生的磁场方向确定感应电流的方向。磁路：主磁通所经过的闭合路径。构成磁路的重磁路：主磁通所经过的闭合路径。构成磁路的重 要材料是铁磁性材料。要材料是铁磁性材料。i5.1.25.1.2磁路概念磁路概念 线圈通入电流后，产线圈通入电流后，产生磁通，分主磁通和漏生磁通，分主磁通和漏磁通。磁通。：主磁通主磁通：漏磁通漏磁通铁心铁心（导磁性能好（导磁性能好 的磁性材料的磁性材料）线圈线圈5.1.3交流铁心线圈右图为交流铁心线圈1 涡流损耗 交变电流激励线圈产生按相应规律变化的磁场，铁芯处于该变化的磁场之中，把铁芯看作闭合导体，根据电磁感应定律，铁芯中会产生感应电动势，并形成一圈圈回旋状的电流，这种电流叫涡流。涡流大小与磁场变化频率、铁芯电阻率等有关。常通过合理设计铁芯，提高铁芯电阻率来减小涡流损耗。v1）化整为零：把整块铁芯变为多片彼此v绝缘的钢片叠成，类似于导线截面积减小，v电阻率增大，从而减小电流。v2）掺杂：给钢片中掺入少量导电性能v较差的硅，变为硅钢片，使其电阻率变大，v可进一步减小涡流。v2.磁滞损耗：v 铁磁性物质在磁场反复变化过程中，磁畴v方向反复变化，磁畴的相互摩擦、碰撞会把v一部分能量转化为热能释放掉，这就产生了v磁滞损耗。以上两种损耗都是铁芯引起的，v把它们合称为铁损。v3.铜损：v线圈一般由铜导线绕制，导线本身电阻也会v消耗一部分电能，这部分能量损失，称为铜损。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 5.2 5.2 理想变压器理想变压器5.2.1 变压器工作原理单相变压器单相变压器 变压器的基本结构和工作原理变压器的基本结构和工作原理铁芯铁芯原边原边绕组绕组副边副边绕组绕组一一.结构：结构：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 原边电流原边电流 i i1 1等等 于励于励 磁电流磁电流 i i1010 产生感应电动势产生感应电动势二二.工作原理工作原理 i i1010 产生磁通产生磁通（交变交变）（方向符合右手定则方向符合右手定则）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为为变比变比一次、二次侧电压比一次、二次侧电压比根据交流磁路的分析根据交流磁路的分析可得：可得：时时一次、二次侧电流比v 理想变压器没有功率损耗，因此，初、次级绕组的有功功率，无功功率都相等。因此视在功率也相同，即：结论：一、二次侧电流之比等于线圈匝数之反比，。结论：一、二次侧电流之比等于线圈匝数之反比，。一次、二次侧阻抗关系一次、二次侧阻抗关系从原边等效：从原边等效：结论：变压器原边的等效负载，为副边所带负载乘以结论：变压器原边的等效负载，为副边所带负载乘以 变比的平方。变比的平方。阻抗变换举例阻抗变换举例RsRL信号源信号源 某变压器初级线圈为100匝，次级绕组40匝。负载为一阻抗为8的扬声器，扬声器若更换为4，请问次级绕组匝数应如何调整？解：据题意，更换前后，从初级看，输入阻抗应相同。由题知初次级匝数比为K1100/40 2.5，现假设更换后，匝数比为K2，则有 5.2.3 几种常用的变压器v1.三相电力变压器 三相电力变压器在结构、磁路、绕组联结连接组别等方面有着自身的特点。如下图所示。高压绕组分别表示：低压绕组分别表示：根据电力网的线电压及一次绕组额定电压的大小，可以将原绕组接成星形或三角形。v三相变压器的一次、二次绕组的常用接法有：2.2.自耦变压器自耦变压器ABP 使用时，改变滑动端的位置，便可得到不同的使用时，改变滑动端的位置，便可得到不同的输出电压。实验室中用的调压器就是根据此原理输出电压。实验室中用的调压器就是根据此原理制作的。制作的。注意：原、副边千万不能对调使用，注意：原、副边千万不能对调使用，以以防变压器损坏。因为防变压器损坏。因为N N变小时，磁通增大，电流会变小时，磁通增大，电流会迅速增加。迅速增加。3.3.电压互感器：用低量程的电压表测高电压电压互感器：用低量程的电压表测高电压1.1.副边不能短路，以副边不能短路，以 防产生过流；防产生过流；2.2.铁心、低压绕组的铁心、低压绕组的 一端接地，以防在一端接地，以防在 绝缘损时，在副边绝缘损时，在副边 出现高压。出现高压。使用注意使用注意：VR N1（匝数多匝数多）保险丝保险丝 N2（匝数少匝数少）u（被测电压被测电压）电压表电压表被测电压被测电压=电压表读数电压表读数 N1/N23 3 电流互感器：用低量程的电流表测大电流电流互感器：用低量程的电流表测大电流（被测电流被测电流）N1（匝数少匝数少）N2（匝数多匝数多）ARi1i2电流表电流表被测电流被测电流=电流表读数电流表读数 N2/N11.1.副边不能开路，以副边不能开路，以防产生高电压；防产生高电压；2.2.铁心、低压绕组的铁心、低压绕组的一端一端 接地，以防在绝接地，以防在绝缘损坏时，在副缘损坏时，在副边出现过压。边出现过压。使用注意事项：使用注意事项：15.2 异步电动机异步电动机1.1.三相异步电动机的结构三相异步电动机的结构 与工作原理与工作原理2.2.三相异步电动机的机械特性三相异步电动机的机械特性3.3.三相异步电动机的使用三相异步电动机的使用4.4.单相异步电动机单相异步电动机交流电动机交流电动机电动机电动机直流电动机直流电动机鼠笼式鼠笼式绕线式绕线式异步机异步机同步机同步机他励、并励、串励、复励他励、并励、串励、复励鼠笼式异步交流电动机授课内容：鼠笼式异步交流电动机授课内容：基本结构、工作原理、基本结构、工作原理、机械特性、控制方法机械特性、控制方法 电动机的分类电动机的分类三相异步机的结构三相异步机的结构YBZXAC转子转子定子定子定子绕组定子绕组（三相）（三相）机座机座转子：在旋转磁场作用下，转子：在旋转磁场作用下，产生感应电动势或产生感应电动势或 电流。电流。三相定子绕组：产生旋转三相定子绕组：产生旋转 磁场。磁场。线绕式线绕式鼠笼式鼠笼式鼠笼转子鼠笼转子 旋转磁场的产生旋转磁场的产生AYCBZ异步机中异步机中,旋转磁场代替了旋转磁极旋转磁场代替了旋转磁极()电流出电流出()电流入电流入XAXYCBZAXBYCZ合成磁场方向合成磁场方向：向下向下XBZAYCAXYCBZAXYCBZ同理分析，可得同理分析，可得其它电流角度下其它电流角度下的磁场方向：的磁场方向：旋转方向旋转方向：取决于三相电流的相序。：取决于三相电流的相序。改变电机的旋转方向：换接其中两相改变电机的旋转方向：换接其中两相旋转磁场的旋转方向旋转磁场的旋转方向旋转磁场的转速大小旋转磁场的转速大小 一个电流周期，旋转磁场在空间转过一个电流周期，旋转磁场在空间转过360360。则。则 同步转速（旋转磁场的速度）为：同步转速（旋转磁场的速度）为：AXYCBZAXYCBZAXYCBZ极对数（极对数（P）的概念的概念AXBYCZ此种接法下，合成磁场只有一对磁极，则极对数为此种接法下，合成磁场只有一对磁极，则极对数为1 1。即即：AXYCBZ三相异步电动机的同步转速三相异步电动机的同步转速极对数极对数每个电流周期每个电流周期磁场转过的空间角度磁场转过的空间角度同步转速同步转速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: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无转距无转距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提示：提示：如果如果 转差率转差率 的概念：的概念：异步电机运行中异步电机运行中:转差率为旋转磁场的同步转速和电动机转速之差。即：转差率为旋转磁场的同步转速和电动机转速之差。即：电动机起动瞬间电动机起动瞬间:（转差率最大转差率最大）例：异步电动机的额定转速例：异步电动机的额定转速n nN N=720r/min=720r/min，电源电源频率为频率为50Hz.50Hz.求：电机是几极？额定转差率是多少？求：电机是几极？额定转差率是多少？解：解：额定转速接近同步转速额定转速接近同步转速n0=750r/min该电机是该电机是8 8极电机极电机2 2 三相电动机的机械特性三相电动机的机械特性根据转矩公式根据转矩公式10n0Tn得特性曲线得特性曲线：三个重要转矩三个重要转矩n0Tn额定转矩额定转矩 ：电机在额定电压下，以额电机在额定电压下，以额定转速定转速 运行，输出额运行，输出额定功率定功率 时，电机转轴时，电机转轴上输出的转矩。上输出的转矩。(1)（牛顿牛顿米米）nN 如果如果 电机将会电机将会因带不动负载而停转。因带不动负载而停转。最大转矩最大转矩 ：(2)电机带动最大负载的能力电机带动最大负载的能力。n0Tn过载系数：过载系数：三相异步机三相异步机 工作时，一定令负载转矩工作时，一定令负载转矩 ，否则否则电机将停转。致使电机将停转。致使注意注意：（1 1）三相异步机的）三相异步机的 和电压的平方成正比，所和电压的平方成正比，所以对电压的波动很敏感，使用时要注意电压的变化。以对电压的波动很敏感，使用时要注意电压的变化。（2）电机严重过热电机严重过热起动转矩起动转矩 ：(3)电机起动时的转矩。电机起动时的转矩。n0Tn其中其中则则体现了电动机带载起动的能力。若体现了电动机带载起动的能力。若 电机能电机能起动，否则将起动不了。起动能力起动，否则将起动不了。起动能力=T Tstst/T/TN N电动机的自适应负载能力电动机的自适应负载能力 电动机的电磁转矩可以随负载的变化而自动调整，电动机的电磁转矩可以随负载的变化而自动调整，这种能力称为自适应负载能力。这种能力称为自适应负载能力。常用特常用特性段性段n0nT 自适应负载能力是自适应负载能力是电动机区别于其它动力机械的重要电动机区别于其它动力机械的重要特点。（如：柴油机当负载增加时，必须由操作者加大特点。（如：柴油机当负载增加时，必须由操作者加大油门，才能带动新的负载。）油门，才能带动新的负载。）直至新的平衡。此过程中，直至新的平衡。此过程中，时，时，电源提供的功率自动电源提供的功率自动增加。增加。1 1）三相异步机铭牌与技术数据）三相异步机铭牌与技术数据（1 1）型号）型号 Y 132M4 磁极数磁极数(极对数极对数 p=2)同步转速同步转速15001500转转/分分转差率转差率5.3.4 5.3.4 三相异步电动机的名牌数据三相异步电动机的名牌数据（2）转速转速:电机轴上的转速电机轴上的转速（n)。如：如：n=1440 转转/分分（3）联接方式联接方式：Y/接法：接法：Y Y 接法接法：接法：接法：AB CZX YA B CZX YABCXYZAZBYXCABCXYZ接线盒接线盒：（4 4）额定电压：定子绕组在指定接法下应加的线电压额定电压：定子绕组在指定接法下应加的线电压.说明：一般规定电动机的运行电压不能高于或低于额说明：一般规定电动机的运行电压不能高于或低于额定值的定值的 5 5。线线电电压压AZBYXC线线电电压压ABCXYZ例：例：380/220 Y/380/220 Y/是指：线电压为是指：线电压为380V380V时采用时采用Y Y接法；接法；当线电压为当线电压为220V220V时采用时采用 接法。接法。（5）额定电流：定子绕组在指定接法下的线电流。额定电流：定子绕组在指定接法下的线电流。如：如：表示三角接法下，电机的线电流为表示三角接法下，电机的线电流为11.2A11.2A，相电流相电流为为6.48A6.48A；星形接法时线、相电流均为星形接法时线、相电流均为6.48A6.48A。（6 6）额定功率：）额定功率：额定功率指电机在额定运行时轴上输出的额定功率指电机在额定运行时轴上输出的功率功率（），不等于从电源吸收的功率（），不等于从电源吸收的功率（）。两者）。两者的关系为：的关系为：其中其中鼠笼电机鼠笼电机=7293例：三相异步电动机例：三相异步电动机，PN=45kw。F=50Hz，nN=2970r/M=91.5，起动能力起动能力=2，求求：s、TN、Tst、Tmax、P1N解：同步转速解：同步转速n0=3000r/MS=0.01电容分相式起动电容分相式起动KDCWSTW:主绕组主绕组ST：启动绕组启动绕组K：离心开关离心开关启动时开关启动时开关K K闭合，使两闭合，使两绕组电流绕组电流 相位差约相位差约为为9090，从而产生旋转磁，从而产生旋转磁场，电机转起来；转动正场，电机转起来；转动正常以后离心开关被甩开，常以后离心开关被甩开，启动绕组被切断。启动绕组被切断。5.3.4单相异步电动机罩极式单相电机罩极式单相电机定子定子磁极磁极转子转子短路短路环环 定子通入电流以后，部分磁定子通入电流以后，部分磁通穿过短路环，并在其中产生通穿过短路环，并在其中产生感应电流。短路环中的电流阻感应电流。短路环中的电流阻碍磁通的变化，致使有短路环碍磁通的变化，致使有短路环部分和没有短路环部分产生的部分和没有短路环部分产生的磁通有了相位差，从而形成旋磁通有了相位差，从而形成旋转磁场，使转子转起来。转磁场，使转子转起来。图中电机的转动方向：瞬时针图中电机的转动方向：瞬时针旋转。因为没有短路环部分的磁通比有短路环部分的旋转。因为没有短路环部分的磁通比有短路环部分的磁通领先。磁通领先。单相异步电动机的功率小，主要制成小型电机。它的应用单相异步电动机的功率小，主要制成小型电机。它的应用非常广泛，如家用电器（洗衣机、电冰箱、电风扇）、电动非常广泛，如家用电器（洗衣机、电冰箱、电风扇）、电动工具（如手电钻）、医用器械、自动化仪表等。工具（如手电钻）、医用器械、自动化仪表等。单相电机的使用单相电机的使用 三相异步电动机的单相运行三相异步电动机的单相运行 三相异步电动机在运行过程中，若其中一相和电三相异步电动机在运行过程中，若其中一相和电源断开，则变成单相运行。此时和单相电机一样，源断开，则变成单相运行。此时和单相电机一样，电机仍会按原来方向运转。但若负载不变，三相供电机仍会按原来方向运转。但若负载不变，三相供电变为单相供电，电流将变大，导致电机过热。使电变为单相供电，电流将变大，导致电机过热。使用中要特别注意这种现象；三相异步电动机若在启用中要特别注意这种现象；三相异步电动机若在启动前有一相断电，和单相电机一样将不能启动。此动前有一相断电，和单相电机一样将不能启动。此时只能听到嗡嗡声，长时间启动不了，也会过热，时只能听到嗡嗡声，长时间启动不了，也会过热，必须赶快排除故障。必须赶快排除故障。