第5章变压器与电动机

1、电工电子技术电工电子技术福建工程学院福建工程学院2013年年陈佳新陈佳新 主编主编周理周理 陈炳煌陈炳煌 卢光宝卢光宝 鄢仁武鄢仁武 编编第第5章章变压器与电动机变压器与电动机5(2)第第5章章 变压器与电动机变压器与电动机5.2 三相异步电动机三相异步电动机 5.3 单相异步电动机单相异步电动机 5.4 三相异步电动机的电气控制三相异步电动机的电气控制5.1 变压器变压器第第5章章变压器与电动机变压器与电动机5(3)5.1 变压器变压器5.1.1 磁性材料的磁性能磁性材料的磁性能 磁性材料（如铁、镍、钴及其合金）的磁导率很高，是制磁性材料（如铁、镍、钴及其合金）的磁导率很高，是制造变压器、电

2、机和各类电器铁心的主要材料，磁性材料具有以造变压器、电机和各类电器铁心的主要材料，磁性材料具有以下特点。下特点。 变压器是一种静止的电能转换装置，它利用电磁感应原理，变压器是一种静止的电能转换装置，它利用电磁感应原理，根据需要可以将一种交流电压和电流等级转换成同频率的另一根据需要可以将一种交流电压和电流等级转换成同频率的另一种电压和电流等级。种电压和电流等级。 电动机能将电能转换为机械能。异步电动机具有结构简单、电动机能将电能转换为机械能。异步电动机具有结构简单、制造方便、价格低廉、运行可靠等一系列优点，能满足各行各制造方便、价格低廉、运行可靠等一系列优点，能满足各行各业大多数生产机械的拖动要

3、求，在各种电动机中应用最广。业大多数生产机械的拖动要求，在各种电动机中应用最广。第第5章章变压器与电动机变压器与电动机5(4)1. 高导磁性高导磁性 磁性材料内部存在的天然磁化区（称为磁畴），在没有外磁性材料内部存在的天然磁化区（称为磁畴），在没有外磁场的作用时，磁畴呈现杂乱无章的排列，磁场相互抵销，对磁场的作用时，磁畴呈现杂乱无章的排列，磁场相互抵销，对外不呈现磁性。在外加磁场时，磁畴在外磁场的作用下，其方外不呈现磁性。在外加磁场时，磁畴在外磁场的作用下，其方向逐渐与外磁场一致，产生远大于外磁场的附加磁场，从而增向逐渐与外磁场一致，产生远大于外磁场的附加磁场，从而增强了原来的磁场。强了原来的

4、磁场。（a）无外磁场）无外磁场 （b）有外磁场）有外磁场第第5章章变压器与电动机变压器与电动机5(5)2. 磁饱和性磁饱和性 当外磁场增大到一定程度时，磁性当外磁场增大到一定程度时，磁性材料中的磁畴已全部排列整齐，这时磁材料中的磁畴已全部排列整齐，这时磁性材料中的磁感应强度趋向于某一定值，性材料中的磁感应强度趋向于某一定值，称此特性为磁饱和性。称此特性为磁饱和性。 磁性材料的磁化特性用磁化曲线（磁性材料的磁化特性用磁化曲线（B-H曲线）来表示。当曲线）来表示。当磁场强度磁场强度H比较小时，磁感应强度比较小时，磁感应强度B与与H近似成比例地增加；近似成比例地增加；当当H增大到一定值后，增大到一定

5、值后，B的增加缓慢下来，最后趋于磁饱和。的增加缓慢下来，最后趋于磁饱和。因此磁性材料的因此磁性材料的B与与H为非线性关系，磁导率为非线性关系，磁导率 不是常数。不是常数。 图中图中B0-H为真空的磁化曲线，为真空的磁化曲线，B0与与H为正比关系。为正比关系。第第5章章变压器与电动机变压器与电动机5(6)3. 磁滞性磁滞性 磁性材料在交变磁场磁性材料在交变磁场中被反复磁化，磁感应强中被反复磁化，磁感应强度度B随磁场强度随磁场强度H变化的关变化的关系为一条闭合曲线，称为系为一条闭合曲线，称为磁滞回线。磁滞回线。 当当H减小到零时，减小到零时，B并未回到零，这种磁感应强度滞后于并未回到零，这种磁感应

6、强度滞后于磁场强度变化的性质称为磁性材料的磁滞性。磁场强度变化的性质称为磁性材料的磁滞性。Br剩磁感应强度（剩磁）剩磁感应强度（剩磁）Hc矫顽磁力矫顽磁力永久磁铁的磁性就是剩磁产生的。永久磁铁的磁性就是剩磁产生的。第第5章章变压器与电动机变压器与电动机5(7) 磁性材料在交变磁化过程中，磁性材料在交变磁化过程中，由于磁滞现象的存在而产生的能量由于磁滞现象的存在而产生的能量损耗，称为磁滞损耗。损耗，称为磁滞损耗。 在交变磁场作用下，在垂直于在交变磁场作用下，在垂直于磁力线方向的铁心截面上还会产生磁力线方向的铁心截面上还会产生旋涡状的电流，称为涡流，如图所旋涡状的电流，称为涡流，如图所示。在铁心内

7、产生的能量损耗称为示。在铁心内产生的能量损耗称为涡流损耗。涡流损耗。 磁性材料的磁滞损耗和涡流损耗统称为铁损耗。为了减磁性材料的磁滞损耗和涡流损耗统称为铁损耗。为了减小铁损耗，通常变压器和交流电机的铁心都采用硅钢片叠片小铁损耗，通常变压器和交流电机的铁心都采用硅钢片叠片而成。而成。第第5章章变压器与电动机变压器与电动机5(8) 磁性材料常分为以下两类。磁性材料常分为以下两类。 （1）软磁材料）软磁材料。软磁材料的磁滞回线较窄，剩磁较小，矫。软磁材料的磁滞回线较窄，剩磁较小，矫顽磁力较小，常用来制造变压器、电机和电器等的铁心。软磁顽磁力较小，常用来制造变压器、电机和电器等的铁心。软磁材料主要有铸

8、铁、硅钢、坡莫合金及铁氧体等。材料主要有铸铁、硅钢、坡莫合金及铁氧体等。 （2）硬磁材料）硬磁材料。硬磁材料的磁滞回线较宽，剩磁较大，矫。硬磁材料的磁滞回线较宽，剩磁较大，矫顽磁力较大，常用来制造永久磁铁。硬磁材料主要有碳钢、镍顽磁力较大，常用来制造永久磁铁。硬磁材料主要有碳钢、镍铝钴合金和钕铁硼合金等。铝钴合金和钕铁硼合金等。第第5章章变压器与电动机变压器与电动机5(9)1.变压器的基本结构变压器的基本结构 变压器的主要组成部分变压器的主要组成部分是铁心和绕组（俗称器身）。是铁心和绕组（俗称器身）。 电力变压器多采用油浸电力变压器多采用油浸式和干式结构，图示为油浸式和干式结构，图示为油浸式电

9、力变压器的结构图。式电力变压器的结构图。 5.1.2 变压器的基本结构及工作原理变压器的基本结构及工作原理第第5章章变压器与电动机变压器与电动机5(10)（1）铁心是变压器的主磁路，又是绕组的支撑骨架。）铁心是变压器的主磁路，又是绕组的支撑骨架。 铁心的基本结构有心式和壳式两种，如图所示。铁心的基本结构有心式和壳式两种，如图所示。（a）心式）心式 （b）壳式）壳式（2）绕组变压器的电路部分，常用绝缘铜线或铝线绕制而成。）绕组变压器的电路部分，常用绝缘铜线或铝线绕制而成。 一般电力变压器都把绕组绕制成圆形的。工作电压高的绕组一般电力变压器都把绕组绕制成圆形的。工作电压高的绕组称为高压绕组，工作电

10、压低的绕组称为低压绕组。在高、低压称为高压绕组，工作电压低的绕组称为低压绕组。在高、低压绕组之间及绕组与铁心之间都加有绝缘。绕组之间及绕组与铁心之间都加有绝缘。第第5章章变压器与电动机变压器与电动机5(11)2. 变压器的额定值变压器的额定值铭牌数据主要包括铭牌数据主要包括（1）额定电压）额定电压U1N和和U2N （V）。对于三相变压器指线电压。对于三相变压器指线电压。（2）额定电流）额定电流I1N和和I2N （A）。对于三相变压器指线电流。对于三相变压器指线电流。（3）额定容量）额定容量SN （kVA）。由于电力变压器的效率很高，忽由于电力变压器的效率很高，忽略压降损耗时有略压降损耗时有对单

11、相变压器对单相变压器 N2N2N1N 1NSUIUI对三相变压器对三相变压器 N2N2N1N 1N33SUIUI第第5章章变压器与电动机变压器与电动机5(12)【例【例5.1.1】 一台三相油浸自冷式变压器，已知一台三相油浸自冷式变压器，已知SN=560kVA，U1N/U2N=10kV/400V，试求一次、二次绕组的额定电流，试求一次、二次绕组的额定电流I1N、I2N各为多少？各为多少？解解3N1N1N560 1032.33A3 10 0003SIU3N2N2N560 10808.29A33400SIU第第5章章变压器与电动机变压器与电动机5(13)3. 变压器的工作原理变压器的工作原理变压器

12、的工作原理图变压器的工作原理图 第第5章章变压器与电动机变压器与电动机5(14)（1）电压变换作用）电压变换作用 变压器是利用电磁感应原理工作。通常接交流电源的称变压器是利用电磁感应原理工作。通常接交流电源的称为一次绕组（俗称原绕组或初级绕组）；接负载的称为二次为一次绕组（俗称原绕组或初级绕组）；接负载的称为二次绕组（俗称副绕组或次级绕组）。绕组（俗称副绕组或次级绕组）。 一次绕组加合适的交流电源电压一次绕组加合适的交流电源电压u1 ，就有交流电流，就有交流电流i1 流流过，产生一次绕组磁通势，铁心中激励起交变的主磁通过，产生一次绕组磁通势，铁心中激励起交变的主磁通 ，同时交链一次、二次绕组。

13、根据电磁感应定律，便在一次、同时交链一次、二次绕组。根据电磁感应定律，便在一次、二次绕组中产生感应电动势二次绕组中产生感应电动势e1和和e2 。二次绕组在。二次绕组在e2的作用下，的作用下，向负载向负载ZL供电，实现了能量传递。供电，实现了能量传递。 另有一小部分磁通经非磁性材料形成闭路，不参与能量另有一小部分磁通经非磁性材料形成闭路，不参与能量传递，为漏磁通传递，为漏磁通 1 、 2 ，产生漏磁电动势产生漏磁电动势e1 、 e2 。第第5章章变压器与电动机变压器与电动机5(15) 变压器中电压、电流、磁通及电动势一般采用电工惯例来变压器中电压、电流、磁通及电动势一般采用电工惯例来规定其正方向

14、规定其正方向 同一条支路中，同一条支路中，u与与i的正方向一致；的正方向一致； 由电流由电流i产生的磁通产生的磁通 ，正方向符合右手螺旋法则；正方向符合右手螺旋法则； 由磁通由磁通 产生的感应电动势产生的感应电动势e，其正方向与产生该磁通的，其正方向与产生该磁通的电流电流i的正方向一致。的正方向一致。 设主磁通设主磁通 ，根据电磁感应定律，则一次绕组，根据电磁感应定律，则一次绕组的感应电动势为的感应电动势为msint111m1m1mdcossin(90 )sin(90 )dettEtt 有效值：有效值： 1m1m1m11m1m224.44222ENf NEf Nf N第第5章章变压器与电动机变

15、压器与电动机5(16)同理，二次绕组感应电动势的有效值为同理，二次绕组感应电动势的有效值为22m2m24.44Ef Nf N 由于一次绕组的漏阻抗压降较小，忽略不计时，可近似由于一次绕组的漏阻抗压降较小，忽略不计时，可近似地认为地认为11UE空载时的二次绕组开路电压空载时的二次绕组开路电压202UE其有效值的关系为其有效值的关系为1112022UENkUEN式中式中k 为匝数比。为匝数比。表明一次、二次绕组的电压之比与一次、二表明一次、二次绕组的电压之比与一次、二次绕组的匝数比次绕组的匝数比k成正比。改变匝数比成正比。改变匝数比k，即可改变输出电压。，即可改变输出电压。 如果如果N1N2，则，

16、则U1U20，为降压变压器；反之，为降压变压器；反之，N1N2，则则U1U20，为升压变压器。，为升压变压器。第第5章章变压器与电动机变压器与电动机5(17)（2）电流变换作用）电流变换作用由于变压器空载电流由于变压器空载电流I0很小，忽略不计，则有很小，忽略不计，则有1 1221 0N IN IN I1 122N IN I 变压器负载运行时，二次绕组流过负载电流变压器负载运行时，二次绕组流过负载电流i2，一次绕，一次绕组电流由空载电流组电流由空载电流i0变为负载时电流变为负载时电流i1，负载时的主磁通，负载时的主磁通 由由一、二次绕组的磁通势共同建立。一、二次绕组的磁通势共同建立。 由由U1

17、E1=4.44fN1 m，当电源，当电源U1 和和f 不变时，产生不变时，产生E1 的的主磁通主磁通 也应基本不变，所以负载时建立主磁通也应基本不变，所以负载时建立主磁通 所需的合所需的合成磁通势与空载时所需的磁通势也应基本不变，即有磁通势成磁通势与空载时所需的磁通势也应基本不变，即有磁通势平衡方程平衡方程第第5章章变压器与电动机变压器与电动机5(18)变压器一次、二次绕组中电流有效值的关系为变压器一次、二次绕组中电流有效值的关系为表明变压器负载运行时，其一次侧与二次侧的电流之比在数表明变压器负载运行时，其一次侧与二次侧的电流之比在数值上近似地与一、二次绕组的匝数成反比。值上近似地与一、二次绕

18、组的匝数成反比。 综合有，变压器的绕组电压高的，其工作电流小；绕组综合有，变压器的绕组电压高的，其工作电流小；绕组电压低的，其工作电流大。电压低的，其工作电流大。【例【例5.1.2】 有一台变压器，已知额定容量有一台变压器，已知额定容量SN=500VA，一次，一次绕组匝数绕组匝数N1=800匝，二次绕组有两个，额定电压为匝，二次绕组有两个，额定电压为U1NU2NU3N=220V110V36V，如图所示。（，如图所示。（1）求二次绕组匝）求二次绕组匝数数N2和和N3；（；（2）如果两个二次绕组分别接阻性负载，绕组）如果两个二次绕组分别接阻性负载，绕组电流电流I2=2A，I3=3A，求一次绕组电流

19、及绕组的功率。，求一次绕组电流及绕组的功率。11221ININk第第5章章变压器与电动机变压器与电动机5(19)解解 （1） 则有则有一次、二次绕组的功率为一次、二次绕组的功率为 P1=U1I1=2201.491=328W P2=U2I2=1102=220WP3=U3I3=363=108W或或 P1P2+ P3=220+108=328W20211110800400220UNNU匝3031136800131220UNNU匝（2）1 1223 3N IN IN I2 23 311400 2 131 31.491A800N IN IIN 第第5章章变压器与电动机变压器与电动机5(20)（3）阻抗变换

20、作）阻抗变换作 变压器和负载阻抗变压器和负载阻抗ZL一起是电源的负载，根据等效变换一起是电源的负载，根据等效变换原则，在保证端口特性不变的情况下，虚线框中的电路可用原则，在保证端口特性不变的情况下，虚线框中的电路可用等效阻抗来代替，则有等效阻抗来代替，则有表明对一次侧来说，相当于在一次侧接一个表明对一次侧来说，相当于在一次侧接一个k2ZL的阻抗。的阻抗。22122LL1221UkUUZkk ZIIIk 第第5章章变压器与电动机变压器与电动机5(21)【例【例5.1.3】已知信号源电压】已知信号源电压US=12V，内阻，内阻R0=600 ，负载电阻，负载电阻RL=8 。（。（1）若将负载直接接在

21、信号源上，如图（）若将负载直接接在信号源上，如图（a）所示，）所示，求负载获得的功率；（求负载获得的功率；（2）在信号源与负载之间接入变压器，）在信号源与负载之间接入变压器，如图（如图（b）所示，为使负载获得最大功率，求变压器的匝数比）所示，为使负载获得最大功率，求变压器的匝数比和负载获得的功率。和负载获得的功率。 （a） （b） （c）第第5章章变压器与电动机变压器与电动机5(22)（2）为使负载电阻获得最大功率，其等效电阻应等于信号源）为使负载电阻获得最大功率，其等效电阻应等于信号源内阻内阻R0，如图（，如图（c）所示，即）所示，即等效电阻获得的功率即为负载电阻获得的功率，有等效电阻获得的

22、功率即为负载电阻获得的功率，有解解 （1）当负载直接接在信号源上时，负载获得的功率）当负载直接接在信号源上时，负载获得的功率223SL0L1283.12 10 W6008UPRRR2LL0Rk RR 则变压器的匝数比则变压器的匝数比0L6008.668RkR223SL0L1260060 10 W600600UPRRR可见，经变压器的阻抗变换，负载电阻获得的功率增加了。可见，经变压器的阻抗变换，负载电阻获得的功率增加了。第第5章章变压器与电动机变压器与电动机5(23)4变压器绕组的极性变压器绕组的极性 绕组连接绕组连接必须按照绕组必须按照绕组的同名端正确的同名端正确连接，一般应连接，一般应使两个

23、绕组在使两个绕组在铁心中产生的铁心中产生的磁通相助。磁通相助。 具有磁耦合的两个线圈，当电流分别从两绕组各自的某具有磁耦合的两个线圈，当电流分别从两绕组各自的某端点同时流入（或流出）时，若两者产生的磁通相助，则这端点同时流入（或流出）时，若两者产生的磁通相助，则这两端点称为同名端，用黑点两端点称为同名端，用黑点“”或星号或星号“*”做标记。做标记。同名端同名端的感应电压极性相同，故同名端也称为同极性端。的感应电压极性相同，故同名端也称为同极性端。感应电压感应电压极性相反的端点称为异名端。极性相反的端点称为异名端。第第5章章变压器与电动机变压器与电动机5(24)5.1.3 变压器的运行特性变压器

24、的运行特性对于负载来讲，变压器的二次侧相当于一个电源。对于负载来讲，变压器的二次侧相当于一个电源。 1变压器的外特性变压器的外特性 变压器一次侧接额定电网，变压器一次侧接额定电网，负载功率因数一定，负载运行时负载功率因数一定，负载运行时二次侧端电压随负载电流变化的二次侧端电压随负载电流变化的关系即外特性，关系即外特性，U2 = f ( I2 )。 从空载到负载运行时二次侧从空载到负载运行时二次侧端电压的变化量用电压变化率端电压的变化量用电压变化率U 表示，即表示，即2N22N%100%UUUU第第5章章变压器与电动机变压器与电动机5(25)2变压器的效率特性变压器的效率特性 变压器的损耗为绕组

25、铜损耗变压器的损耗为绕组铜损耗 pCu 和铁心损耗和铁心损耗 pFe 。铜耗为可变损。铜耗为可变损耗，铁心损耗为不变损耗，耗，铁心损耗为不变损耗， 在纯电阻负载时，在纯电阻负载时，U很小，很小，U2下降得很小；在感性负下降得很小；在感性负载时，载时，U较大，较大，U2的下降大；在容性负载时，二次侧端电的下降大；在容性负载时，二次侧端电压压U2可能比空载时高，即随可能比空载时高，即随I2 的增大而升高。的增大而升高。CuFe212CuFe100%1100%ppPPPpp第第5章章变压器与电动机变压器与电动机5(26)5.1.4 三相变压器三相变压器 三相变压器在对称负载运行时，各相的电压和电流大

26、小三相变压器在对称负载运行时，各相的电压和电流大小相等，相位上彼此相差相等，相位上彼此相差120，因此三相变压器有三相变压，因此三相变压器有三相变压器组和三相心式变压器两种形式。三相绕组的连接主要采用器组和三相心式变压器两种形式。三相绕组的连接主要采用星形和三角形两种方法。星形和三角形两种方法。 三相变压器组三相变压器组三相心式变压器的铁心结构三相心式变压器的铁心结构 第第5章章变压器与电动机变压器与电动机5(27)5.1.5 特殊变压器特殊变压器1自耦变压器自耦变压器自耦降压变压器原理图自耦降压变压器原理图 （a）结构）结构 （b）原理图）原理图 自耦调压器自耦调压器一次、二次绕组共用一个绕

27、组一次、二次绕组共用一个绕组第第5章章变压器与电动机变压器与电动机5(28)2仪用互感器仪用互感器 使用互感器有两个目的：一是使测量回路与被测量回路使用互感器有两个目的：一是使测量回路与被测量回路隔离，从而保证工作人员的安全；二是可以使用普通量程的隔离，从而保证工作人员的安全；二是可以使用普通量程的电压表和电流表测量高电压和大电流。电压表和电流表测量高电压和大电流。（1）电压互感器）电压互感器 电压互感器实质上就是一个降压变电压互感器实质上就是一个降压变压器，一次绕组匝数压器，一次绕组匝数N1多，直接并联到多，直接并联到被测的高压线路上；二次绕组匝数被测的高压线路上；二次绕组匝数N2少，少，接

28、高阻抗的测量仪表（如电压表）。接高阻抗的测量仪表（如电压表）。21211NUUUNk第第5章章变压器与电动机变压器与电动机5(29)（2）电流互感器）电流互感器 电流互感器类似于升压变压器，一次绕组匝数电流互感器类似于升压变压器，一次绕组匝数N1少，一少，一般只有一匝到几匝，串联在被测线路中；般只有一匝到几匝，串联在被测线路中； 二次绕组匝数二次绕组匝数N2多，多，接阻抗很小的仪表（如电流表）。接阻抗很小的仪表（如电流表）。12112NIIkIN钳形电流表钳形电流表第第5章章变压器与电动机变压器与电动机5(30)5.2.1 三相异步电动机的基本结构和工作原理三相异步电动机的基本结构和工作原理1

29、三相异步电动机的基本结构三相异步电动机的基本结构5.2 三相异步电动机三相异步电动机 按转子绕组结构形式，分为笼型和绕线转子两类；按外壳防按转子绕组结构形式，分为笼型和绕线转子两类；按外壳防护形式，分为开启式、防护式、封闭式和全封闭式等；按冷却护形式，分为开启式、防护式、封闭式和全封闭式等；按冷却方式，分为自冷式、自扇冷式、他扇冷式和管道通风式等。方式，分为自冷式、自扇冷式、他扇冷式和管道通风式等。 (a)开启式（开启式（IP11） (b)防护式（防护式（IP22） (c)封闭式（封闭式（IP44）三相笼型异步电动机的外形三相笼型异步电动机的外形第第5章章变压器与电动机变压器与电动机5(31)

30、封闭式三相笼型异步电动机组成图封闭式三相笼型异步电动机组成图第第5章章变压器与电动机变压器与电动机5(32)（a）定子冲片）定子冲片 （b）半闭口槽）半闭口槽定子铁心冲片及槽形定子铁心冲片及槽形第第5章章变压器与电动机变压器与电动机5(33)三相异步电动机接线盒内绕组连接示意图三相异步电动机接线盒内绕组连接示意图第第5章章变压器与电动机变压器与电动机5(34)转子铁心冲片转子铁心冲片(a)铜条转子绕组铜条转子绕组 (b)铜条转子铜条转子 (c)铸铝转子绕组铸铝转子绕组 (d)铸铝转子铸铝转子笼型转子结构笼型转子结构第第5章章变压器与电动机变压器与电动机5(35)绕线型转子和电刷装置绕线型转子和

31、电刷装置绕线型转子与外部变阻器的连接绕线型转子与外部变阻器的连接第第5章章变压器与电动机变压器与电动机5(36)2三相交流电的旋转磁场三相交流电的旋转磁场（1）U形磁铁的旋转磁场形磁铁的旋转磁场（2）定子三相绕组及三相对称电流）定子三相绕组及三相对称电流（a）绕组连接）绕组连接 （b）绕组星形连接）绕组星形连接 （c）三相对称电流波形）三相对称电流波形第第5章章变压器与电动机变压器与电动机5(37)（3）三相两极旋转磁场）三相两极旋转磁场 如果将电流如果将电流iu通入通入U相绕组、相绕组、iv通入通入V相绕组、相绕组、iw通入通入W相相绕组，不同时刻产生的合成磁场的轴线在空间转动，即在电动绕组

32、，不同时刻产生的合成磁场的轴线在空间转动，即在电动机的气隙中产生了旋转磁场。机的气隙中产生了旋转磁场。第第5章章变压器与电动机变压器与电动机5(38)（4）旋转磁场的同步转速）旋转磁场的同步转速 绕组按绕组按U1W2V1U2WlV2排列一个循环，产生排列一个循环，产生一对磁极。如果要增加磁极数，只要在圆周上增加绕组排列循一对磁极。如果要增加磁极数，只要在圆周上增加绕组排列循环即可。环即可。式中，式中，fl为电源频率（为电源频率（Hz）；）；p为磁极对数。为磁极对数。旋转磁场转速（即同步转速）：旋转磁场转速（即同步转速）： （r/min）1160 fnp磁极数与同步转速的关系（磁极数与同步转速的

33、关系（f1=50Hz）磁极数磁极数(2p)24681012n1(r/min)300015001000750600500第第5章章变压器与电动机变压器与电动机5(39)3三相异步电动机的工作原理三相异步电动机的工作原理 异步电动机在运行时，异步电动机在运行时，0nn1，故有，故有0 s 1。异步电。异步电动机带额定负载运行时，一般动机带额定负载运行时，一般n略低于略低于n1，其额定转差率，其额定转差率sN为为0.020.06，这时，这时n=(0.940.98)nl。 定子绕组通入三相电流，电动机内定子绕组通入三相电流，电动机内部产生旋转磁场。转子导体与旋转磁场部产生旋转磁场。转子导体与旋转磁场相

34、对运动，转子导体中产生感应电动势、相对运动，转子导体中产生感应电动势、感应电流（转子绕组闭合），又将产生感应电流（转子绕组闭合），又将产生电磁力、电磁转矩，克服阻力矩后促使电磁力、电磁转矩，克服阻力矩后促使转子转动起来，最终进入稳定运行状态。转子转动起来，最终进入稳定运行状态。转差率：转差率：111nnnsnn第第5章章变压器与电动机变压器与电动机5(40)【例【例5.2.1】 某台三相异步电动机的额定转速某台三相异步电动机的额定转速nN=720r/min，试，试求该机的磁极对数和额定转差率；另一台求该机的磁极对数和额定转差率；另一台4极三相异步电动机极三相异步电动机的额定转差率的额定转差率s

35、N=0.05，试求该机的额定转速。，试求该机的额定转速。 解：解： 因异步电动机额定转速因异步电动机额定转速nN略低于但很接近于对应的同步略低于但很接近于对应的同步转速，因此该机的同步转速转速，因此该机的同步转速n1=750r/min，磁极对数，磁极对数p=4。 额定转差率：额定转差率： 对对4极三相异步电动机，其同步转速极三相异步电动机，其同步转速n1=1500r/min，则额，则额定转速：定转速： nN=n1（1- -s）=1500（1-0.05）=1425r/min1117507200.04750nnnsnn第第5章章变压器与电动机变压器与电动机5(41)4三相异步电动机的额定值三相异步

36、电动机的额定值（1）额定功率）额定功率PN（2）额定转矩）额定转矩式中，式中，PN的单位为的单位为kW；nN的单位为的单位为r/min 。式中，式中， UN额定电压，额定电压， IN额定电流，额定电流， cos N额定功率因数，额定功率因数， N额定效率。额定效率。NNNNN3cosPU I NNN9550PTn第第5章章变压器与电动机变压器与电动机5(42)【例【例5.2.2】 一台一台Y160M2- -2三相异步电动机，已知三相异步电动机，已知PN=15kW，UN=380V，nN=2930r/min，cos N=0.88， N=88.2%，定子绕组，定子绕组接法。试求该机的额定电流、额定相

37、电流和额定转矩。接法。试求该机的额定电流、额定相电流和额定转矩。解解额定电流：额定电流：NNNNN15 00029.4A3cos3380 0.88 0.882PIU 额定相电流：额定相电流：NN29.417A33II额定转矩：额定转矩：NNN159550955048.89N m2930PTn第第5章章变压器与电动机变压器与电动机5(43)5.2.2 三相异步电动机的机械特性三相异步电动机的机械特性1三相异步电动机的电磁转矩三相异步电动机的电磁转矩电磁转矩电磁转矩 Tm2 2cosTC I电磁转矩电磁转矩T的参数表达式的参数表达式221T22220sR UTKRsX （）2固有机械特性固有机械特

38、性 当三相异步电动机的参数一定时，当三相异步电动机的参数一定时， ，另外，还受，另外，还受转子电阻转子电阻R2的影响。的影响。21TUT-s曲线曲线n-T曲线曲线 第第5章章变压器与电动机变压器与电动机5(44)3降低定子端电压的人为机械特性降低定子端电压的人为机械特性 如果在电动机稳定运行时降低如果在电动机稳定运行时降低定子端电压，最大转矩小于负载转定子端电压，最大转矩小于负载转矩时，电动机因带不动负载而停机，矩时，电动机因带不动负载而停机，电动机会烧毁。电动机会烧毁。 如果降低定子端电压后启动，如果降低定子端电压后启动，其启动转矩小于负载转矩时，电动其启动转矩小于负载转矩时，电动机无法启动

39、。机无法启动。（1）最大转矩倍数或过载能力）最大转矩倍数或过载能力maxmNTT（2）启动转矩倍数）启动转矩倍数 ststNTT第第5章章变压器与电动机变压器与电动机5(45)【例【例5.2.3】 一台一台Y132M-4三相异步电动机的额定数据如下：三相异步电动机的额定数据如下：PN=7.5kW，UN=380V，IN=15.4A，nN=1440r/min，接法，接法， st=2.2， m=2.3，负载，负载TL=0.6TN。（。（1）求额定转差率、额定转）求额定转差率、额定转矩、启动转矩及最大转矩；（矩、启动转矩及最大转矩；（2）电源电压下降为）电源电压下降为0.5UN时能否时能否启动？若不能

40、启动，电源电压应大于多少才能启动？（启动？若不能启动，电源电压应大于多少才能启动？（3）在电）在电动机运行时电源电压下降为动机运行时电源电压下降为0.5UN，能否继续运行？若不能运行，能否继续运行？若不能运行，电源电压应大于多少才能继续运行？电源电压应大于多少才能继续运行？解解（1）由）由nN=1440r/min可知，电动机为可知，电动机为4极的，即极的，即p=2，n1=1500r/min，则额定转差率，则额定转差率1NN11500 14400.041500nnsn第第5章章变压器与电动机变压器与电动机5(46)此时无法带此时无法带0.6TN的负载启动。的负载启动。额定转矩额定转矩 NNN7.

41、59550955049.74N m1440PTn启动转矩启动转矩 ststN2.2 49.74109.347N mTT最大转矩最大转矩maxmN2.3 49.74114.31N mTT（2）由）由 ，当，当U1=0.5UN时，得时，得2st1TU2ststNNN0.50.25 2.20.55kUN=0.522UN=198.4V时才能启动。时才能启动。此时电动机运行时电源电压下降，无法继续运行，将停机。此时电动机运行时电源电压下降，无法继续运行，将停机。当最大转矩大于负载转矩时才能继续运行，设当最大转矩大于负载转矩时才能继续运行，设U1=kUN，则有，则有所以所以 0.60.5222.2k （3

42、）由）由 ，当，当U1=0.5UN时，得时，得2max1TU2maxmaxNNN0.50.25 2.30.5750.6TTTTT222maxmaxNNN2.32.30.6Tk TkTk TT所以所以 0.60.5112.3k 即电源电压即电源电压U1kUN=0.511UN=194.2V时才能继续运行。时才能继续运行。第第5章章变压器与电动机变压器与电动机5(48)4绕线转子串电阻的人为机械特性绕线转子串电阻的人为机械特性 绕线转子三相异步电动机，其他绕线转子三相异步电动机，其他条件不变，仅在转子回路串入对称三条件不变，仅在转子回路串入对称三相电阻相电阻Rp，则有，则有 （1）同步转速不变；）同

43、步转速不变； （2）最大转矩）最大转矩Tmax的大小不变，但的大小不变，但临界转差率临界转差率sm与转子回路电阻成正比，与转子回路电阻成正比，（或（或nm 随的增大而减小）；随的增大而减小）； （3）在绕线转子回路串适当的电阻）在绕线转子回路串适当的电阻可增大启动转矩。可增大启动转矩。第第5章章变压器与电动机变压器与电动机5(49)5.2.3 三相异步电动机的启动三相异步电动机的启动1全压启动存在的问题全压启动存在的问题 全压启动就是利用开关或接触器将电动机的定子绕组直接全压启动就是利用开关或接触器将电动机的定子绕组直接接到具有额定电压的电网上，也称为直接启动。优点是操作简接到具有额定电压的电

44、网上，也称为直接启动。优点是操作简便，启动设备简单，但存在问题：便，启动设备简单，但存在问题： （1）全压启动电流很大。）全压启动电流很大。Ist(47)IN。 （2）全压启动转矩不是很大。）全压启动转矩不是很大。 st=1.82.0。如果三相笼型异步电动机满足如果三相笼型异步电动机满足）电动机容量（电动机容量（）电源总容量（电源总容量（kW4kVA43Nst II就可以允许全压启动。就可以允许全压启动。第第5章章变压器与电动机变压器与电动机5(50)对于对于45 kW的电动机根据经验公式的电动机根据经验公式对于对于18.5kW的电动机，根据经验公式的电动机，根据经验公式允许全压启动允许全压启

45、动【例【例5.2.4】 一台一台Y180M4三相笼型异步电动机，已知三相笼型异步电动机，已知PN=18.5kW， ，其电源变压器的容量为，其电源变压器的容量为560kVA，问能，问能否全压启动？另有一台否全压启动？另有一台Y225S4三相笼型异步电动机，已知三相笼型异步电动机，已知PN=37kW，问能否全压启动？，问能否全压启动？解解 stN7IIkVA335608.327444 18.54kW电源总容量（）电动机容量（）kVA335604.537444 374kW电源总容量（）电动机容量（）不允许全压启动不允许全压启动第第5章章变压器与电动机变压器与电动机5(51)3三相笼型异步电动机的降压

46、启动三相笼型异步电动机的降压启动 降压启动不改变电源电压，只采用某种方法使电动机定子降压启动不改变电源电压，只采用某种方法使电动机定子绕组上的电压降低。降压启动的目的是减小启动电流，但同时绕组上的电压降低。降压启动的目的是减小启动电流，但同时使电动机的启动转矩减小（使电动机的启动转矩减小（T U12），故适用于轻负载启动。），故适用于轻负载启动。（1）星）星-三角（三角（Y-）降压启动）降压启动 启动时，定子绕组接成星形启动时，定子绕组接成星形(Y)接法，使相电压降为额定电接法，使相电压降为额定电压的压的1/ ；运行时，定子绕组换接成三角形；运行时，定子绕组换接成三角形()接法，使电动接法，使

47、电动机在额定电压下正常。机在额定电压下正常。3启动电流启动电流 ststY31II启动转矩启动转矩 ststY31TT第第5章章变压器与电动机变压器与电动机5(52)（2）三相笼型异步电动机的自耦变压器降压启动）三相笼型异步电动机的自耦变压器降压启动 利用三相自耦变压器降低加在电动机定子绕组上的电压，利用三相自耦变压器降低加在电动机定子绕组上的电压，以减小启动电流。以减小启动电流。 降压启动时，加在电动机降压启动时，加在电动机定子绕组上的电压为定子绕组上的电压为 （变比（变比k1）NstUUk启动电流启动电流 stst2IIk 启动转矩启动转矩 stst2TTk 第第5章章变压器与电动机变压器

48、与电动机5(53)4三相绕线转子异步电动机的转子串电阻启动三相绕线转子异步电动机的转子串电阻启动 采用三相绕线转子异步电动机的转子串电阻，可限制启动采用三相绕线转子异步电动机的转子串电阻，可限制启动时的转子及定子电流；同时绕线转子串适当的电阻还能增大时的转子及定子电流；同时绕线转子串适当的电阻还能增大启动转矩。启动转矩。（1）若采用全压启动。）若采用全压启动。 由经验公式由经验公式【例【例5.2.5】 某厂的电源容量为某厂的电源容量为560kVA，一皮带运输机采用，一皮带运输机采用Y225M-4三相笼型异步电动机拖动，其三相笼型异步电动机拖动，其PN=45kW，接法，接法， ，带，带0.8TN

49、的负载启动，试问能否采用：的负载启动，试问能否采用：（1）全压启动；（）全压启动；（2）Y-降压启动；（降压启动；（3）73%抽头的自耦抽头的自耦变压器降压启动。变压器降压启动。解解9 . 1/ 7/NstNst TTII，kVA335603.867444 454kW电源总容量（）电动机容量（）不能采用全压启动。不能采用全压启动。 第第5章章变压器与电动机变压器与电动机5(54)（2）若采用）若采用Y-降压启动，则降压启动，则Y接法启动时接法启动时启动转矩不符合要求，不能采用。启动转矩不符合要求，不能采用。 （3）若采用自耦变压器降压启动）若采用自耦变压器降压启动启动电流启动电流 2ststN

50、NN20.7373.734.25TIIIIk 启动转矩启动转矩 2NNN20.731.91.010.8ststTTTTTk 可见用可见用73%抽头的自耦变压器降压启动，启动电流和启动抽头的自耦变压器降压启动，启动电流和启动转矩均符合电网和负载的要求，可以采用。转矩均符合电网和负载的要求，可以采用。 stNstNN72.334.2533IIIII 启动电流启动电流 stNstNN1.90.630.833TTTTT 启动转矩启动转矩第第5章章变压器与电动机变压器与电动机5(55)5.2.4 三相异步电动机的反转三相异步电动机的反转 将接到电动机接线端子的三相电源线将接到电动机接线端子的三相电源线的

51、任意两根线对调，就可改变旋转磁场的的任意两根线对调，就可改变旋转磁场的转向，也就改变了电动机的转向。转向，也就改变了电动机的转向。5.2.5 三相异步电动机的调速三相异步电动机的调速 调节三相异步电动机的转速，可采用改变电源频率调节三相异步电动机的转速，可采用改变电源频率f、改、改变磁极对数变磁极对数p和改变转差率和改变转差率s的方法来实现，其中改变转差率的的方法来实现，其中改变转差率的方法中又分为改变定子电压、转子电阻等。方法中又分为改变定子电压、转子电阻等。根据根据16011fnnssp（）（）第第5章章变压器与电动机变压器与电动机5(56) 1变极调速变极调速 变极调速一般只用于笼型异步

52、电动机，称为多速电动机。变极调速一般只用于笼型异步电动机，称为多速电动机。 变极调速的方法有：变极调速的方法有：在定子铁心槽内嵌放两套不同磁极在定子铁心槽内嵌放两套不同磁极数且完全独立的三相绕组；数且完全独立的三相绕组；单绕组反向变极法，通过改变定单绕组反向变极法，通过改变定子绕组的接法来改变异步电动机的磁极数，故又称为单绕组变子绕组的接法来改变异步电动机的磁极数，故又称为单绕组变极电动机。极电动机。 （1）单绕组反向变极法）单绕组反向变极法 每相绕组分两半，将一个每相绕组分两半，将一个“半相绕组半相绕组”的电流由同向（都的电流由同向（都由首端流进或流出）改为反向（一半绕组的电流由首端流进，由

53、首端流进或流出）改为反向（一半绕组的电流由首端流进，另一半绕组的电流由首端流出），就可将极对数减少一半，转另一半绕组的电流由首端流出），就可将极对数减少一半，转速增加一倍，这就是单绕组反向变极法的变极原理。绕组正规速增加一倍，这就是单绕组反向变极法的变极原理。绕组正规分布时可得到倍极比（分布时可得到倍极比（2/4极、极、4/8极等）的转速。极等）的转速。第第5章章变压器与电动机变压器与电动机5(57)（2）Y/YY接法，低速时为单星形接法，低速时为单星形(Y)，高速时为双星形，高速时为双星形(YY)，适用于恒转矩负载。适用于恒转矩负载。第第5章章变压器与电动机变压器与电动机5(58)（3）/Y

54、Y接法，低速时为三角形接法，低速时为三角形()，高速时为双星形，高速时为双星形(YY)，适用于恒功率负载。适用于恒功率负载。 注意，在改变定子绕组接线的同时，将注意，在改变定子绕组接线的同时，将V、W两相的出两相的出线端进行了对调，以保证变极调速前后电动机的转向不变。线端进行了对调，以保证变极调速前后电动机的转向不变。第第5章章变压器与电动机变压器与电动机5(59)2变频调速变频调速 改变电源频率可平滑地调节异改变电源频率可平滑地调节异步电动机的转速。步电动机的转速。 f1n1n 。 在基频（额定频率）以下进行在基频（额定频率）以下进行调速时，变频电源的输出电压大小调速时，变频电源的输出电压大

55、小与频率成正比例地调节，适用于恒与频率成正比例地调节，适用于恒转矩负载。转矩负载。 当频率很低时，为保持电动机当频率很低时，为保持电动机有足够大的转矩，可以人为地使定有足够大的转矩，可以人为地使定子电压子电压U1提高一些进行补偿。提高一些进行补偿。 当在基频（额定频率）以上进行调速时，保持定子电压当在基频（额定频率）以上进行调速时，保持定子电压不变，适用于恒功率负载。不变，适用于恒功率负载。第第5章章变压器与电动机变压器与电动机5(60)3改变转差率调速改变转差率调速 通过改变转差率实现调节转速的方法较多，主要有改变通过改变转差率实现调节转速的方法较多，主要有改变定子电压调速法、转子串电阻调速

56、法等。定子电压调速法、转子串电阻调速法等。 （1）改变定子电压调速）改变定子电压调速 改变定子电压调速只能在定子端电压改变定子电压调速只能在定子端电压U1UN的范围内进的范围内进行。由降压人为机械特性，稳定运行时，行。由降压人为机械特性，稳定运行时，U1n 。调压调。调压调速应用于通风机型负载。速应用于通风机型负载。 （2）绕线转子异步电动机转子串电阻调速）绕线转子异步电动机转子串电阻调速 对于绕线转子三相异步电动机，由转子串电阻人为机械对于绕线转子三相异步电动机，由转子串电阻人为机械特性，稳定运行时，特性，稳定运行时，Rp n 。这种调速方法适用于带恒转。这种调速方法适用于带恒转矩负载调速，

57、调速电阻可兼作为启动与制动电阻使用，因而矩负载调速，调速电阻可兼作为启动与制动电阻使用，因而在起重机械的拖动系统中得到应用。在起重机械的拖动系统中得到应用。第第5章章变压器与电动机变压器与电动机5(61)5.2.6 三相异步电动机的制动三相异步电动机的制动1能耗制动能耗制动 制动时，制动时，KM1断开后将断开后将KM2闭合，即断开异步电动机闭合，即断开异步电动机的三相交流电源，同时将直流电流通入定子绕组。的三相交流电源，同时将直流电流通入定子绕组。第第5章章变压器与电动机变压器与电动机5(62)2电源反接制动电源反接制动 制动时，制动时，KM1断开后将断开后将KM2闭合，三相交流电源的两闭合，

58、三相交流电源的两相对调后再通入电动机。相对调后再通入电动机。第第5章章变压器与电动机变压器与电动机5(63)3回馈制动（再生发电制动）回馈制动（再生发电制动） 电动状态时，在转向不变的条件下，使转速电动状态时，在转向不变的条件下，使转速n大于同大于同步转速步转速n1，则进入回馈制动（再生发电制动）状态。，则进入回馈制动（再生发电制动）状态。第第5章章变压器与电动机变压器与电动机5(64)5.3.1 分相式异步电动机分相式异步电动机1单相电阻启动异步电动机单相电阻启动异步电动机5.3 单相异步电动机单相异步电动机 启动时主绕组、辅绕组两个支路的阻抗不同，导致两绕启动时主绕组、辅绕组两个支路的阻抗

59、不同，导致两绕组中电流的相位不同，形成两相电流，产生旋转磁场，产生组中电流的相位不同，形成两相电流，产生旋转磁场，产生启动转矩。工作时离心开关启动转矩。工作时离心开关S断开，剩下主绕组进入稳定运断开，剩下主绕组进入稳定运行状态。行状态。第第5章章变压器与电动机变压器与电动机5(65)2单相电容启动异步电动机单相电容启动异步电动机 在辅绕组支路中串联一个电容，增大启动转矩。同样，在辅绕组支路中串联一个电容，增大启动转矩。同样，当电动机转速达到额定转速的当电动机转速达到额定转速的70%80时，离心开关时，离心开关S将将辅绕组从电源上自动断开，靠主绕组单独进入稳定运行状态。辅绕组从电源上自动断开，靠

60、主绕组单独进入稳定运行状态。辅绕组按短时工作状态设计的。辅绕组按短时工作状态设计的。第第5章章变压器与电动机变压器与电动机5(66)3单相电容运转异步电动机单相电容运转异步电动机 辅绕组不仅在启动时起作用，而且在电动机运转时也起辅绕组不仅在启动时起作用，而且在电动机运转时也起作用，长期处于工作状态。电动机的功率因数、效率、过载作用，长期处于工作状态。电动机的功率因数、效率、过载能力等运行性能有较大的改善，运行也比较平稳。能力等运行性能有较大的改善，运行也比较平稳。第第5章章变压器与电动机变压器与电动机5(67)4单相双值电容异步电动机单相双值电容异步电动机 电动机在启动和运转时都得到比较好的性