第8章变压器及电动机

1、 第第8 8章章 变压器与电动机变压器与电动机 变压器与电机是实现机电能量转换的装置，它们都是常变压器与电机是实现机电能量转换的装置，它们都是常用的电气设备。其中，变压器用于将电能与磁能的互换，应用的电气设备。其中，变压器用于将电能与磁能的互换，应用这一特性可提供所需电压，进行信号耦合以及阻抗匹配等；用这一特性可提供所需电压，进行信号耦合以及阻抗匹配等；电动机用于将电能变为机械能，它在家用电器、工农业生产电动机用于将电能变为机械能，它在家用电器、工农业生产等领域得到广泛的应用。因此，本章首先以变压器为研究对等领域得到广泛的应用。因此，本章首先以变压器为研究对象，在介绍变压器基本原理和结构之后，

2、叙述了单相变压器象，在介绍变压器基本原理和结构之后，叙述了单相变压器的运行特性，并简要介绍自耦变压器和仪用互感器的基本原的运行特性，并简要介绍自耦变压器和仪用互感器的基本原理。理。 第8章 变压器与电动机 以此为基础，接着介绍三相异步电动机的工作原理及结构，以此为基础，接着介绍三相异步电动机的工作原理及结构，叙述了旋转磁场的建立问题，着重对异步电动机的电磁特性叙述了旋转磁场的建立问题，着重对异步电动机的电磁特性进行分析，得出了异步电动机的机械特性，为正确使用异步进行分析，得出了异步电动机的机械特性，为正确使用异步电动机打下基础。最后简要介绍直流电动机的基本原理，作电动机打下基础。最后简要介绍直

3、流电动机的基本原理，作为初步了解和选用时参考。为初步了解和选用时参考。 本章重点讨论变压器和异步电动机的工作原理及特性，在本章重点讨论变压器和异步电动机的工作原理及特性，在实际工作中十分有用，应很好掌握。实际工作中十分有用，应很好掌握。本章基本内容的教学课本章基本内容的教学课时，建议不少于时，建议不少于6学时，其中变压器学时，其中变压器2学时，三相异步电动机学时，三相异步电动机4学时。学时。对特殊变压器和直流电动机等内容，各院校可根据对特殊变压器和直流电动机等内容，各院校可根据实际需要选学。实际需要选学。8.1 8.1 变压器变压器 变压器的类型很多，根据不同用途，有输配电用的电力变压器的类型

4、很多，根据不同用途，有输配电用的电力变压器、冶炼用的电炉变压器、电解用的整流变压器、焊接变压器、冶炼用的电炉变压器、电解用的整流变压器、焊接用的电焊变压器、实验用的调压器和测量用的仪用互感器等。用的电焊变压器、实验用的调压器和测量用的仪用互感器等。虽然变压器的种类多，结构上也有差异，但他们的基本原理虽然变压器的种类多，结构上也有差异，但他们的基本原理却是一样的，都是通过磁路来工作。因此，下面简要介绍磁却是一样的，都是通过磁路来工作。因此，下面简要介绍磁路的基本概念。路的基本概念。 变压器和电机都是以磁场为媒介，以电磁感应理论来实现变压器和电机都是以磁场为媒介，以电磁感应理论来实现能量转换。因此

5、，他们都需要有集中磁场的闭合路径，称为能量转换。因此，他们都需要有集中磁场的闭合路径，称为磁路。为了在较小的励磁电流下产生强磁场，那么磁路就应磁路。为了在较小的励磁电流下产生强磁场，那么磁路就应由高导磁性的铁磁材料构成。由高导磁性的铁磁材料构成。 1铁磁材料的磁性能铁磁材料的磁性能 铁磁材料是指铁、钴、镍及其合金（即硅钢片）以及铁铁磁材料是指铁、钴、镍及其合金（即硅钢片）以及铁氧体等，它具有以下主要特性。氧体等，它具有以下主要特性。 (1) 高导磁性高导磁性 在物理学中可知，铁磁材料在外加磁场的作用下会被磁在物理学中可知，铁磁材料在外加磁场的作用下会被磁8.1.1 磁路的基本概念 化。此时，由

6、于铁磁材料内部磁畴转到与外磁场相同的方向，化。此时，由于铁磁材料内部磁畴转到与外磁场相同的方向，故产生的附加磁场将远大于外磁场。铁磁材料的这种高导磁故产生的附加磁场将远大于外磁场。铁磁材料的这种高导磁性，使得它在一定的励磁电流作用下，可得到很高的磁感应性，使得它在一定的励磁电流作用下，可得到很高的磁感应强度，即产生足够强的磁通。因此，它在变压器和电机等许强度，即产生足够强的磁通。因此，它在变压器和电机等许多领域得到了广泛的应用。多领域得到了广泛的应用。 （2）磁饱和性）磁饱和性 磁性材料所产生的磁化磁场不会随着外磁场的增强而无限磁性材料所产生的磁化磁场不会随着外磁场的增强而无限制地增强。在直流

7、励磁时，铁磁材料的磁化特性曲线制地增强。在直流励磁时，铁磁材料的磁化特性曲线B=f（H）如图）如图8.1.1所示。所示。 由图可见，磁化特性曲线为非线性，在由图可见，磁化特性曲线为非线性，在oa段段B随随H的变的变化缓慢；在化缓慢；在ab段段B随随H几乎按正比例变化；在几乎按正比例变化；在bc段段B随随H的的变化又缓慢下来；在变化又缓慢下来；在C点以后，随着点以后，随着H的继续增加，由于铁磁的继续增加，由于铁磁材料全部磁畴都转到了与外磁场方向一致，故材料全部磁畴都转到了与外磁场方向一致，故B达到了最大达到了最大值，这种现象称为磁饱和。当铁磁材料饱和时，其导磁系数值，这种现象称为磁饱和。当铁磁材

8、料饱和时，其导磁系数变小，导磁性能变差。变小，导磁性能变差。 （3) 磁滞性磁滞性 当交流励磁时，磁感应强度当交流励磁时，磁感应强度B的变化总是滞后于磁场强度的变化总是滞后于磁场强度H，这种现象称为磁性材料的磁滞性。此时，磁性材料的磁，这种现象称为磁性材料的磁滞性。此时，磁性材料的磁化曲线如图化曲线如图8.1.2所示，它是一条封闭曲线，称磁滞回线所示，它是一条封闭曲线，称磁滞回线。 8.1.1 铁磁材料的磁化特性曲线铁磁材料的磁化特性曲线 8.1.2 铁磁材料的磁滞回线铁磁材料的磁滞回线 由图由图8.1.2可见，当磁场强度由可见，当磁场强度由Hm减小到减小到0时，时，B并没有回并没有回到零值，

9、此时的到零值，此时的Br称为剩磁感应强度，简称剩磁。称为剩磁感应强度，简称剩磁。 若要去掉剩磁，应使铁磁材料反向磁化，当磁场强度为若要去掉剩磁，应使铁磁材料反向磁化，当磁场强度为-HC时时B才为零。此时的才为零。此时的HC称为矫顽力。由于磁滞现象的存在，称为矫顽力。由于磁滞现象的存在，铁磁材料在交变励磁电流的作用下，在被磁化过程中还会产铁磁材料在交变励磁电流的作用下，在被磁化过程中还会产生磁滞损耗，使铁磁材料发热。磁滞损耗的大小与磁滞回线生磁滞损耗，使铁磁材料发热。磁滞损耗的大小与磁滞回线的面积成正比。的面积成正比。 磁性材料可分为软磁材料和硬磁材料两大类。软磁材料的磁性材料可分为软磁材料和硬

10、磁材料两大类。软磁材料的主要特点是磁导率高，磁滞回线窄，剩磁和矫顽力都较小。主要特点是磁导率高，磁滞回线窄，剩磁和矫顽力都较小。 常用的软磁材料有电工纯铁、硅钢片、铁镍合金、铁常用的软磁材料有电工纯铁、硅钢片、铁镍合金、铁 铝合金、软磁铁氧体、铁钴合金等，适用于制造变压器、交铝合金、软磁铁氧体、铁钴合金等，适用于制造变压器、交 流电机等各种铁心。硬磁材料的主要特点是磁导率低，磁滞流电机等各种铁心。硬磁材料的主要特点是磁导率低，磁滞回线宽，剩磁和矫顽力都较大。常用的永磁材料有铝镍钴、回线宽，剩磁和矫顽力都较大。常用的永磁材料有铝镍钴、稀土钴、铁氧体等，适用于制造永久磁铁等。稀土钴、铁氧体等，适用

11、于制造永久磁铁等。 2基本电磁关系基本电磁关系 磁路通常是由铁心线圈构成的，而铁心线圈是将线圈绕制磁路通常是由铁心线圈构成的，而铁心线圈是将线圈绕制在铁心上做成的。变压器和交流电动机都要用到交流铁心线在铁心上做成的。变压器和交流电动机都要用到交流铁心线圈，该铁心线圈所接的电源是交流电，如图圈，该铁心线圈所接的电源是交流电，如图8.1.3所示。所示。（1）电磁感应定律）电磁感应定律 在图在图8.1.3中，当外加交流电压中，当外加交流电压u时，线圈中便产生交时，线圈中便产生交流励磁电流流励磁电流i。此时，线圈匝数。此时，线圈匝数N与励磁电流与励磁电流i的乘积称为磁的乘积称为磁动势动势F，即，即F=

12、Ni。由此产生两部分磁通，即主磁通和漏磁。由此产生两部分磁通，即主磁通和漏磁通。他们分别产生主磁电动势通。他们分别产生主磁电动势e和漏磁电动势和漏磁电动势e，由，由KVL可可得到铁心线圈的电压平衡方程为得到铁心线圈的电压平衡方程为 式中式中R为线圈电阻，通常很小，一般情况下，为线圈电阻，通常很小，一般情况下，iR和和e都可都可以忽略不计。因此，上式可写成以忽略不计。因此，上式可写成eeiRueeiRueeiRueeiRueueu （8.1.1）主感应电动势与线圈N以及磁通的关系，符合电磁感应定律。即设主磁通 ，并代入式（8.1.2）中可得到由式（由式（8.1.3）可得到主磁通产生的感应电动势有

13、效值为）可得到主磁通产生的感应电动势有效值为因此，外加电压的有效值近似等于电动势的有效值，即因此，外加电压的有效值近似等于电动势的有效值，即dtdNe ）（090sintndtdNem （8.1.3） （8.1.2）mfNEU44. 4 （8.1.4）mm4.4422mENEfN （8.1.5） 上式表明，当线圈匝树数和电源频率一定时，磁路中的主磁通只取决于线圈的外加电压，与磁路的导磁材料和尺寸无关。另外，当外加电压一定时，在产生同样磁通的情况下，磁路的材料不同，线圈中的电流也不同。 （2）功率损耗 交流铁心线圈中的功率损耗有两部分，一部分是铜损PCu ，它是线圈电阻通过电流时发热产生的损耗，

14、 故PCu=I2RCu；另一部分是铁损PFe，它是铁心的磁滞损耗Ph和涡流损耗Pe的总称。则交流铁心线圈总的功率损耗P可表示为 ehcuFecuPPRIPPP2 8.1.3 交流铁心线圈电路（8.1.6） 为了减小损耗，线圈的线径应选择粗些，电阻系数小些；为了减小损耗，线圈的线径应选择粗些，电阻系数小些；为了减小磁滞损耗，应选择软磁性材料做铁心；为了减小涡为了减小磁滞损耗，应选择软磁性材料做铁心；为了减小涡流损耗，交流铁心线圈的铁心应做成叠片状，并且各片之间流损耗，交流铁心线圈的铁心应做成叠片状，并且各片之间要有很好的绝缘。要有很好的绝缘。 变压器实际上是一种特殊的交流铁心线圈，其结构可分变压

15、器实际上是一种特殊的交流铁心线圈，其结构可分为心式和壳式两种，如图为心式和壳式两种，如图8.1.4所示。从结构看，他们都由所示。从结构看，他们都由一次绕组和二次绕组、闭合铁心等几个主要部分组成。一次绕组和二次绕组、闭合铁心等几个主要部分组成。 1. 铁心铁心 变压器铁心的作用是构成磁路。为了减少磁滞损耗和涡流变压器铁心的作用是构成磁路。为了减少磁滞损耗和涡流损耗，铁心通常用厚度为损耗，铁心通常用厚度为0.2mm 0.35mm的硅钢片交的硅钢片交8.1.2 变压器的基本结构变压器的基本结构 8.1.4 变压器的基本结构和符号变压器的基本结构和符号错错叠装而成，而且硅钢片的表面涂有绝缘漆，形成绝缘

16、层。在叠装而成，而且硅钢片的表面涂有绝缘漆，形成绝缘层。在一些小型变压器中，也可采用铁氧体替代硅钢片。一些小型变压器中，也可采用铁氧体替代硅钢片。 壳式变压器的结构特点是铁心包围线圈；心式是线圈包围壳式变压器的结构特点是铁心包围线圈；心式是线圈包围铁心，其结构简单，绕组装配容易，故目前多数变压器均采铁心，其结构简单，绕组装配容易，故目前多数变压器均采用心式结构。用心式结构。 2. 绕组绕组 绕组是用绝缘扁线或圆导线绕成的线圈。小容量变压器绕组是用绝缘扁线或圆导线绕成的线圈。小容量变压器的绕组多用高强度漆包线绕制，大容量变压器的绕组可用绝的绕组多用高强度漆包线绕制，大容量变压器的绕组可用绝缘铜线

17、或铝线绕制。接在电源的绕组称为一次（又称初级）缘铜线或铝线绕制。接在电源的绕组称为一次（又称初级）绕组，接在负载的绕组称为二次（又称次级）绕组。变压器绕组，接在负载的绕组称为二次（又称次级）绕组。变压器绕组可以做成同心式和交叠式两种。其中，同心式绕组的一绕组可以做成同心式和交叠式两种。其中，同心式绕组的一 次和二次绕组同心地套装在铁心柱上。为便于绝缘，一般是次和二次绕组同心地套装在铁心柱上。为便于绝缘，一般是将二次绕组装在里层，一次绕组套在外层。交叠式绕组做成将二次绕组装在里层，一次绕组套在外层。交叠式绕组做成饼式，一次和二次绕组互相交叠放置，主要用于电炉和电焊饼式，一次和二次绕组互相交叠放置

18、，主要用于电炉和电焊变压器，应用范围较小变压器，应用范围较小 。 变压器除了上述基本部件外，还有其他附件，如油箱、变压器除了上述基本部件外，还有其他附件，如油箱、冷却油、绝缘套管、储油柜（油枕）、气体继电器、测温装冷却油、绝缘套管、储油柜（油枕）、气体继电器、测温装置和分接开关等。小型变压器一般采用空气自冷，大、中型置和分接开关等。小型变压器一般采用空气自冷，大、中型变压器采用油冷。一个实际的电源变压器外形，如图变压器采用油冷。一个实际的电源变压器外形，如图8.1.5所示。所示。图图8.1.5 8.1.5 电源变压器电源变压器心 1.空载运行空载运行 图图8.1.6所示为单相变压器空载时的原理

19、图，其中，变所示为单相变压器空载时的原理图，其中，变压器一次绕组接电源，二次绕组不接负载（开路）。这时，压器一次绕组接电源，二次绕组不接负载（开路）。这时，一次绕组产生空载电流一次绕组产生空载电流i10 ，而且一次和二次绕组同时与主磁，而且一次和二次绕组同时与主磁通通交链。根据电磁感应定律可知，主磁通交链。根据电磁感应定律可知，主磁通在一次和二次在一次和二次绕组中分别产生频率相同的感应电动势绕组中分别产生频率相同的感应电动势e1和和e2 ，即，即 8.1.3 变压器的工作原理变压器的工作原理)90sin(cos01111tEtNdtdNemm)90sin(cos02222tEtNdtdNemm

20、 （8.1.7）图图8.1.6 变压器的空载运行变压器的空载运行 式中N1和N2分别为一次绕组的二次绕组的匝数，=2f为电源的角频率，E1m和E2m分别为e1和e2的最大值。 由式（8.1.7）可得到电动势的有效值表达式为mmfNEE11144.42mmfNEE22244.42 (8.1.8) 变压器空载时一次绕组的情况与交流铁心线圈中情况类似。根据式（8.1.5）和式（8.1.8）可得到mfNU1144. 4 (8.1.9) 再看二次绕组，由于I2=0，即I2r2=0，故二次绕组电压u2等于开路电压u20 ，则有 由式(8.1.9)和式(8.1.10)可推导出变压器的电压变换关系为 可见，输

21、入电压和输出电压之比等于感应电动势之比，也是一次绕组和二次绕组的匝数比，故将k定义为变压器的变比。 2. 有载运行 当变压器接上负载ZL后，在二次绕组产生的电流为i2，如图8.1.7所示。这种情况称为变压器的有载运行状态。 mfNEUU2220244. 4kNNEEUU212121 (8.1.10) （8.1.11） 变压器接上负载后，一次绕组和二次绕组的电流分别为i1和i2，它们分别产生磁动势i1N1和i2N2 。根据楞次定律， i2N2产生的磁通是与主磁通m反向的。所以， i1在所建立的磁动势i1N1除了要维持主磁通m基本不变之外，还要抵消磁动势i2N2对主磁通的影响。因此， 作用在铁心上

22、的总磁动势为i1N1 + i2N2两个分量。由于磁路具有恒磁通特性，无论有无负载，只要电源电压有效值U1不变，主磁通m就基本不变，也就是说产生主磁通的磁动势总和不变。因此，有负载时产生主磁通的合成磁动势i1N1 + i2N2等于空载时产生主磁通的磁动势i10N1 ，用相量可表示为ZL图8.1.7 变压器的负载运行1102211NININI （8.1.12） 由于变压器的空载电流由于变压器的空载电流 10I很小，约为一次侧额定电流很小，约为一次侧额定电流 1I的（的（2%10%），故），故 110NI可视为零。则有可视为零。则有 2121INNI（8.1.13）式中的负号说明i1和i2相位相反，

23、即i1N1对i2N2有去磁作用。 变换电流 由式（8.1.13）可得出一次绕组和二次绕组电流有效值之比为 （8.1.14）kNNII11221kNNII11221kNNII1122112211ININk 上式说明一次侧电流与二次侧电流之比与绕组的匝数成反比，上式说明一次侧电流与二次侧电流之比与绕组的匝数成反比，与变压比的倒数成正比。可见，变压器不仅有变换电压的作与变压比的倒数成正比。可见，变压器不仅有变换电压的作用，还有变换电流的作用。用，还有变换电流的作用。 变换阻抗变换阻抗 在电子技术中，总是希望负载能获得最大功率。负载能在电子技术中，总是希望负载能获得最大功率。负载能获得最大功率的条件是

24、负载电阻等于信号源内阻。在实际电获得最大功率的条件是负载电阻等于信号源内阻。在实际电路中，负载阻抗与信号源内阻往往是不相等的，若将负载直路中，负载阻抗与信号源内阻往往是不相等的，若将负载直接接在信号源上就难于能获得最大功率。因此，可由变压器接接在信号源上就难于能获得最大功率。因此，可由变压器进行阻抗变换，从而实现阻抗匹配。进行阻抗变换，从而实现阻抗匹配。 图图8.1.8（a）是接有负载阻抗）是接有负载阻抗Z的变压器电路，图的变压器电路，图8.1.8（b）为）为变压器从一次侧看进来的等效电路，它与图（变压器从一次侧看进来的等效电路，它与图（a）中一次侧的端电）中一次侧的端电压压U1和电流和电流I

25、1分别相同，分别相同，Z/是负载是负载Z等效到一次侧的阻抗。下边讨等效到一次侧的阻抗。下边讨论论Z/和和Z之间的数量关系。由图之间的数量关系。由图8.1.8（b）可知）可知11IUZ 在图（在图（a）中）中 ZkIUkkIkUIUZ2112112211/ （8.1.15） 图8.1.8 变压器阻抗变换的等效电路 可见，经过变压器的变换后，相当于负载的阻抗增加了可见，经过变压器的变换后，相当于负载的阻抗增加了k2倍。因此，在一些电子设备中，为了获得最大的功率输出，倍。因此，在一些电子设备中，为了获得最大的功率输出，可以利用变压器将负载阻抗增大或减小到正好等于电源的内可以利用变压器将负载阻抗增大或

26、减小到正好等于电源的内阻抗，以达到最佳的功率阻抗，以达到最佳的功率“匹配匹配”。 【例【例8.1.1】 收音机的扬声器为收音机的扬声器为8。(1)若将它接在内阻若将它接在内阻RS为为800，电动势，电动势Es为为10V的交流放大器上，求放大器输的交流放大器上，求放大器输送给扬声器的功率。（送给扬声器的功率。（2）若通过）若通过k=10的变压器连接在放的变压器连接在放大器上，再求放大器输送给扬声器的功率。大器上，再求放大器输送给扬声器的功率。 解：解：（1）若将扬声器直接接在放大器上，如图8.1.9（a）所示，此时扬声器的功率为 （2）若将扬声器（R）通过变压器接在放大器上，如图8.1.9（b）

27、所示，则根据图8.1.9（c）的等效电路，扬声器得到的功率为 可见，通过变压器进行阻抗变换以后，扬声器可以得到大得多的功率。22210()8 ()1.2mW8008SSEPRIRRR 22222212210()108 ()31.25mW800 108SSEPk RIk RRk R 图8.1.9 例8.1.1示意图3变压器的外特性变压器的外特性 变压器的外特性是在一次绕组加上电压变压器的外特性是在一次绕组加上电压U1N和二次绕组的负载和二次绕组的负载功率因数功率因数cos2不变时，二次电压不变时，二次电压U2随负载电流随负载电流I2的变化规律，的变化规律，即即U2= f（I2）。变压器相对于负载

28、是一个电源。因此，当）。变压器相对于负载是一个电源。因此，当I2增增大时，在二次绕组中在电阻大时，在二次绕组中在电阻r2及漏电抗及漏电抗x2上的电压降增大，上的电压降增大，U2随随I2的增大略有下降，所以变压器外特性是一条略向下倾斜的特性的增大略有下降，所以变压器外特性是一条略向下倾斜的特性曲线，如图曲线，如图8.1.10所示。所示。%U%U 二次侧电压的变化情况，除了由外特性表示外，还可以用电压调整率U%表示。当I2由0增大到I2N（二次额定电流），若输出端从开路电压U20降到U2，则电压调整率U%为为图8.1.10 变压器的外特性曲线%100%100%20220220UUUUUU（8.1.

29、15） 4.变压器的同名端变压器的同名端 变压器的多个绕组在串联或并联时，必须注意其同名端。变压器的多个绕组在串联或并联时，必须注意其同名端。 在图在图8.1.11（a）中若将电流）中若将电流iab和和icd分别从绕组的分别从绕组的a端和端和c端流入，那么铁心中产生的磁通端流入，那么铁心中产生的磁通ab和和cd是互相增强的，是互相增强的，所以所以a端和端和c端便称为这两个绕组的同名端，另外，不对应的端便称为这两个绕组的同名端，另外，不对应的两端两端a和和d则为异名端。显然，则为异名端。显然，f端与端与h端也是同名端。可以看端也是同名端。可以看出，从所有同名端送入电流时，在同一铁心中产生的磁通都

30、出，从所有同名端送入电流时，在同一铁心中产生的磁通都是互相增强的。在变压器的符号图上，同名端常用小圆点表是互相增强的。在变压器的符号图上，同名端常用小圆点表示，如图示，如图8.1.11（b）所示。）所示。实际上同名端也反映了变压器实际上同名端也反映了变压器各绕组电动势的同相位关系各绕组电动势的同相位关系，所以同名端又称为同极性端。，所以同名端又称为同极性端。 判断同名端的方法是：同一铁心上有两个绕组，每个绕组有判断同名端的方法是：同一铁心上有两个绕组，每个绕组有首端和末端，如两个绕组绕向相同，两个首端则为同名端，如图首端和末端，如两个绕组绕向相同，两个首端则为同名端，如图8.1.12（a）的）

31、的A、a端；同一铁心上有两个绕组，如两个绕组端；同一铁心上有两个绕组，如两个绕组的绕向相反，如图的绕向相反，如图8.1.12（b）所示，一个绕组的首端）所示，一个绕组的首端A与另一与另一绕组的末端绕组的末端x则为同名端。则为同名端。 了解了变压器的同名端以后，便不难进行绕组的串联或并联。了解了变压器的同名端以后，便不难进行绕组的串联或并联。图图8.1.12 同名端的表示同名端的表示图8.1.11多绕组变压器 5.变压器的主要额定参数 (1) 额定容量SN 变压器额定容量是指变压器的额定视在功率SN，单位VA，KVA或MVA。变压器在传递能量过程中，效率很高，可达95%以上，故通常二次绕组按一次

32、绕组的相等容量设计。 (2) 额定电压U1N和U2N U1N是指额定运行情况下，一次绕组接线端点之间所施加的电压；U2N是指一次绕组在外加电压为U1N时，二次绕组输出端的空载电压U20，即U2N=U20。 NSNSNU1NU2（3）额定电流I1N和I2N 根据额定容量和额定电压所计算的电流，称为额定电流，单位A或KA。即（4）额定频率fN 我国规定电力工业的标准频率为50Hz，而欧洲许多国家的市电频率为60Hz，航空器的电源频率一般为400Hz。NNNUSI11NNNUSI221.自耦变压器自耦变压器 自耦变压器一般用于调节输出电压，又称为调压器。从自耦变压器一般用于调节输出电压，又称为调压器

33、。从结构上看，自耦变压器与上述变压器有区别，如图结构上看，自耦变压器与上述变压器有区别，如图8.1.13所所示，其中的二次绕组是一次绕组的一部分。因此，自耦变压示，其中的二次绕组是一次绕组的一部分。因此，自耦变压器两侧绕组不但有磁耦合，也有电气连接，所以没有电气隔器两侧绕组不但有磁耦合，也有电气连接，所以没有电气隔离作用。从原理上来讲，自耦变压器与上述变压器一致，电离作用。从原理上来讲，自耦变压器与上述变压器一致，电压比压比k也等于匝数比。即也等于匝数比。即IINNUUk122121（8.1.16） 8.1.4 特殊变压器 图图8.1.14所示为自耦变压器结构外形和连接图。使用自耦所示为自耦变

34、压器结构外形和连接图。使用自耦变压器时应注意，输入端必须接在交流电源上，输出端应接到负变压器时应注意，输入端必须接在交流电源上，输出端应接到负载上，不能接错，否则有可能将自耦变压器毁坏。载上，不能接错，否则有可能将自耦变压器毁坏。2仪用互感器仪用互感器 仪用互感器是一种测量用的变压器，它有电压互感器和电流仪用互感器是一种测量用的变压器，它有电压互感器和电流互感器两种类型。互感器两种类型。图8.1.14 自耦变压器的结构及连接图图8.1.13 自耦变压器示意图 （1） 电压互感器电压互感器 测量高压线路的电压，如果用电压表直接测量，不仅对工测量高压线路的电压，如果用电压表直接测量，不仅对工作人员

35、很不安全，而且要求仪表的绝缘等级也非常高。故需作人员很不安全，而且要求仪表的绝缘等级也非常高。故需用有一定变比的电压互感器将高电压变为低电压，以方便测用有一定变比的电压互感器将高电压变为低电压，以方便测量。电压互感器一次侧的匝数多，二次侧的匝数少，如图量。电压互感器一次侧的匝数多，二次侧的匝数少，如图8.1.15所示。图中，一次侧接高压电网电压，如所示。图中，一次侧接高压电网电压，如6kV、330kV、500 kV等，二次侧输出电压均为等，二次侧输出电压均为100 V。 为了保证人员安全，使用电压互感器时高压电路与仪表为了保证人员安全，使用电压互感器时高压电路与仪表之间应有良好的绝缘材料隔开；

36、铁心与二次绕组的一端应安之间应有良好的绝缘材料隔开；铁心与二次绕组的一端应安全接地；另外，二次侧电路不能短路。全接地；另外，二次侧电路不能短路。图8.1.15 电压互感器（2） 电流互感器电流互感器 电流互感器是主要用来测量低压线路中的大电流。它的电流互感器是主要用来测量低压线路中的大电流。它的一次绕组匝数少，串联在负载电路中；二次绕组的匝数多，一次绕组匝数少，串联在负载电路中；二次绕组的匝数多，通过电流表短接，电路连接如图通过电流表短接，电路连接如图8.1.16所示。一次侧电流所示。一次侧电流为为1025000A，二次侧电流均为，二次侧电流均为5A。使用时，电流互感。使用时，电流互感器二次侧

37、绕组的地端应良好接地，并且二次侧电路不允许开器二次侧绕组的地端应良好接地，并且二次侧电路不允许开路。路。图8.1.16 电流互感器【练习与思考练习与思考】 8.1.1 如果把一次侧220V的电压变为二次侧的110V的电压，变压器一、二次匝数原来分别为2200匝/1100匝，如果把它改为20匝/10匝，可以这样做吗？为什么？ 8.1.2 有一变压器，一次绕组电压=3000V，二次绕组电压=220V，如果负载是一台220V，15kW的电阻炉，试求变压器一次、二次绕组的电流各为多少？ 8.2 8.2 三相异步电动机三相异步电动机 按照供电形式，电动机分为直流电动机和交流电动机。按照供电形式，电动机分

38、为直流电动机和交流电动机。电动玩具和便携式的电动装置，大多使用直流电动机；家用电动玩具和便携式的电动装置，大多使用直流电动机；家用电器一般使用交流异步电动机；工业生产的驱动装置，通常电器一般使用交流异步电动机；工业生产的驱动装置，通常使用三相异步电动机。由于异步电动机的结构简单、运行可使用三相异步电动机。由于异步电动机的结构简单、运行可靠和维护方便等优点，得到了广泛的应用。靠和维护方便等优点，得到了广泛的应用。8.2.1三相异步电动机的结构三相异步电动机的结构 三相异步电动机由定子和转子组成，如图三相异步电动机由定子和转子组成，如图8.2.1所示。所示。 1定子定子 定子是电动机的固定部分，它

39、主要由定子铁心、定子绕定子是电动机的固定部分，它主要由定子铁心、定子绕组和机座等组成，用于产生旋转磁场。定子铁心通常用组和机座等组成，用于产生旋转磁场。定子铁心通常用0.5 图8.2.1 三相异步电动机的构造 8.2.1三相异步电动机的结构三相异步电动机的结构 mm厚的硅钢片叠压而成，各片间涂有绝缘漆。小型电动机厚的硅钢片叠压而成，各片间涂有绝缘漆。小型电动机为圆形冲片，大中型电动机由扇形冲片拼成，它的内表面有为圆形冲片，大中型电动机由扇形冲片拼成，它的内表面有均匀槽孔，用于嵌放定子绕组。三相定子绕组均匀槽孔，用于嵌放定子绕组。三相定子绕组U1U2，V1V2，W1W2对称地嵌放在铁心中，在空间

40、上分别相差，称为三对称地嵌放在铁心中，在空间上分别相差，称为三相对称绕组。其中相对称绕组。其中U1、V1 、W1称为三相绕组的首端；称为三相绕组的首端；U2、V2 、W2称为三相绕组的末端。这称为三相绕组的末端。这6个端子引出到机座接线个端子引出到机座接线盒的接线柱上，可以让用户根据需要将三相绕组接成盒的接线柱上，可以让用户根据需要将三相绕组接成Y形或形或D（即（即）形，如图）形，如图8.2.2所示。所示。图图8.2.2 三相异步电动机接线柱的联结三相异步电动机接线柱的联结 2转子转子 转子是电动机的旋转部分，它由转子铁心、转子绕组、转子是电动机的旋转部分，它由转子铁心、转子绕组、转轴和风扇等

41、组成，用于驱动外部机构运动。转轴和风扇等组成，用于驱动外部机构运动。 转子铁心是电动机主磁路的一部分，通常用转子铁心是电动机主磁路的一部分，通常用0.5mm硅硅钢片叠压成圆柱体，在外圆周表面冲有槽孔，用于嵌放转子钢片叠压成圆柱体，在外圆周表面冲有槽孔，用于嵌放转子绕组。绕组。 转子绕组分为笼型和（绕）线型两种。笼型的转子外形转子绕组分为笼型和（绕）线型两种。笼型的转子外形像个笼子，因而得名。对于容量为像个笼子，因而得名。对于容量为100kW以上的大型电动以上的大型电动机，笼型转子常用铜条插入转子内，并在铜条两端焊上端环机，笼型转子常用铜条插入转子内，并在铜条两端焊上端环构成，如图构成，如图8.

42、2.3（a）所示。对于中、小型电动机的笼型转）所示。对于中、小型电动机的笼型转子，为了节省铜材料，一般采用铸铝转子，如图子，为了节省铜材料，一般采用铸铝转子，如图8.2.3（b） 所示。图中，突出部分是散热的风叶，它在铸造铝转子的同所示。图中，突出部分是散热的风叶，它在铸造铝转子的同时制成，以简化制造工艺，降低成本。时制成，以简化制造工艺，降低成本。 线型绕组和定子一样，也是在空间安放对称的三相绕组，线型绕组和定子一样，也是在空间安放对称的三相绕组，并接成星形，然后将并接成星形，然后将3个首端接到转轴三个彼此绝缘的铜制个首端接到转轴三个彼此绝缘的铜制滑环上，如图滑环上，如图8.2.4所示。图中

43、，滑环对转子是绝缘的，它所示。图中，滑环对转子是绝缘的，它通过电刷将转子绕组的通过电刷将转子绕组的3个首端引出到机座的接线盒里，以个首端引出到机座的接线盒里，以便在转子回路中串入变阻器，用于改善电动机的起动性能和便在转子回路中串入变阻器，用于改善电动机的起动性能和调速性能。调速性能。图8.2.3 笼型转子结构图8.2.4 线型转子的结构示意图1转子铁心转子铁心 2转子绕组转子绕组 3电刷电刷 4变阻器变阻器 5滑环滑环 6转轴转轴 三相异步电动机由定子的旋转磁场切割转子导体，使转三相异步电动机由定子的旋转磁场切割转子导体，使转子产生电流，再与旋转磁场相互作用，产生电磁转矩而使转子产生电流，再与

44、旋转磁场相互作用，产生电磁转矩而使转子转动。所以，定子产生旋转磁场是转子转动的先决条件。子转动。所以，定子产生旋转磁场是转子转动的先决条件。 1旋转磁场旋转磁场 （1）旋转磁场的产生及转向）旋转磁场的产生及转向 在三相对称定子绕组中，在三相对称定子绕组中， U1U2、V1V2和和W1W2在空在空间上互差间上互差1200。如果将三相绕组联结成星形，并接到对称。如果将三相绕组联结成星形，并接到对称的三相正弦交流电源上，如图的三相正弦交流电源上，如图8.2.5所示。当三相绕组各自所示。当三相绕组各自通入电流，将分别产生交变磁场。这通入电流，将分别产生交变磁场。这3个交变磁场在定子空个交变磁场在定子空

45、8.2.2 三相异步电动机的工作原理三相异步电动机的工作原理 间合成为一个两极磁场。下面取、和的特定时刻加以分析，以间合成为一个两极磁场。下面取、和的特定时刻加以分析，以窥全貌。窥全貌。图8.2.5 定子绕组通入交变电流 当当t=00时，时，iu=0，故，故U1U2绕组中没有电流；绕组中没有电流；iv为负为负值，则电流由末端值，则电流由末端V2流入，从首端流入，从首端V1流出；流出；iw为正值，电流为正值，电流由首端由首端W1流入，从末端流入，从末端W2流出。根据右手螺旋定则，流出。根据右手螺旋定则，V1V2绕组和绕组和W1W2绕组产生各自的磁场，它们在定子空间绕组产生各自的磁场，它们在定子空

46、间中合成的磁场如图中合成的磁场如图8.2.6（a）所示。此时，对于定子铁心来）所示。此时，对于定子铁心来讲，上方相当于讲，上方相当于N磁极，下方相当于磁极，下方相当于S磁极，即合成的磁场形磁极，即合成的磁场形成了两个磁极，也称一对磁极，故磁极对数成了两个磁极，也称一对磁极，故磁极对数p=1。 当当t=600时，时，iw=0，故，故W1W2绕组中没有电流；绕组中没有电流；iv 为负值，则电流由末端为负值，则电流由末端V2流入，从首端流入，从首端V1流出；流出；iu为正值，为正值，电流由首端电流由首端U1流入，从末端流入，从末端U2流出。这时，流出。这时，V1V2绕组和绕组和 U1U2绕组各自的磁

47、场，在定子空间中合成的磁场如图绕组各自的磁场，在定子空间中合成的磁场如图8.2.6（b）所示。由此可见，此时合成的磁场与图）所示。由此可见，此时合成的磁场与图8.2.6（a）比）比较，惟一的区别是磁极轴线在空间上沿着顺时针方向旋转了较，惟一的区别是磁极轴线在空间上沿着顺时针方向旋转了600。 当当t=900时，时，iu为正值，则电流由为正值，则电流由U1端流入，从端流入，从U2端端流出；流出；iv为负值，则电流由为负值，则电流由V2端流入，从端流入，从V1端流出；端流出；iw为负为负值，电流由值，电流由W2端流入，从端流入，从W1端流出。同理，可画出此时空端流出。同理，可画出此时空间中合成的磁

48、场如图间中合成的磁场如图8.2.6（c）所示。它与图）所示。它与图8.2.6（a）比较看出，惟一的区别是此时合成磁场的磁极轴线在空间上比较看出，惟一的区别是此时合成磁场的磁极轴线在空间上沿着顺时针方向旋转了沿着顺时针方向旋转了900。 图图8.2.6 两极旋转磁场示意图两极旋转磁场示意图 依此类推，当定子三相对称绕组通入三相对称的正弦交依此类推，当定子三相对称绕组通入三相对称的正弦交流电流变化一个周期时，合成磁场也在空间相应旋转了一个流电流变化一个周期时，合成磁场也在空间相应旋转了一个周期，即周期，即3600。这个合成磁场如同一对磁极在旋转的磁场一。这个合成磁场如同一对磁极在旋转的磁场一样，它

49、的磁场大小不变，旋转方向从样，它的磁场大小不变，旋转方向从U相转到相转到V相，再转向相，再转向W相，即按照相，即按照UVW的正序方向旋转。随着交流电周期的正序方向旋转。随着交流电周期性地流入定子绕组，则所产生的旋转磁场将一直沿着顺时针性地流入定子绕组，则所产生的旋转磁场将一直沿着顺时针方向不停地旋转。若要改变旋转方向，只要将电动机方向不停地旋转。若要改变旋转方向，只要将电动机U、V、W中任意两根接线交换时，旋转磁场就变为逆序旋转。中任意两根接线交换时，旋转磁场就变为逆序旋转。 （2）旋转磁场的转速）旋转磁场的转速 由图由图8.2.6可见，当三相交流电变化一个周期可见，当三相交流电变化一个周期T

50、时，则磁时，则磁场在空间旋转了一圈因此，电流每秒变化场在空间旋转了一圈因此，电流每秒变化f周期，则旋转磁场周期，则旋转磁场的转速为每秒的转速为每秒f转。若用表示每分钟定子磁场的转速（称为同转。若用表示每分钟定子磁场的转速（称为同步转速），即可得到步转速），即可得到 除此之外，旋转磁场还与磁极对数有关。通过合理设计，除此之外，旋转磁场还与磁极对数有关。通过合理设计，定子的磁极对数可以做成一对、二对、三对或更多对。定子的磁极对数可以做成一对、二对、三对或更多对。 060r/mnf 可以证明，当磁极对数可以证明，当磁极对数p=2时，交流电变化一个周期，时，交流电变化一个周期，合成磁场只旋转合成磁场只

51、旋转1800，其转速为。由此可推广到具有，其转速为。由此可推广到具有p对磁对磁极旋转磁场的转速为极旋转磁场的转速为 2. 转差率转差率 三相电流产生的旋转磁场切割转子铜条或铝条时，即可三相电流产生的旋转磁场切割转子铜条或铝条时，即可使转子上产生感应电势和电流。当转子感应电流与旋转磁场使转子上产生感应电势和电流。当转子感应电流与旋转磁场相互作用（电动原理）时，则可产生电磁转矩使转子转动。相互作用（电动原理）时，则可产生电磁转矩使转子转动。 min/600rpfn （8.2.1） 转子的转动方向与旋转磁场方向相同，但它的转速n应比同步转速 低，以保证转子与旋转磁场有相对运动而产生电磁转矩。转子转速

52、与磁场转速不同步（即不相同），这就是异步电动机名称的由来。 同步转速与转子转速之差 ，用n表示，叫做转速差。转速差与同步转速之比，称为转差率，用s表示。即0n)(0nn 0)1 (nsn（8.2.2） 转差率是异步电动机的一个主要参数。在电动机起动瞬转差率是异步电动机的一个主要参数。在电动机起动瞬间，转差率最大，间，转差率最大， s=1 ；在空载运行时，转子的转速最高，；在空载运行时，转子的转速最高，则转差率最小。通常三相异步电动机在额定负载条件下运行则转差率最小。通常三相异步电动机在额定负载条件下运行时，转子的转速比空载时略低，所以额定转差率时，转子的转速比空载时略低，所以额定转差率sN约为

53、约为1%9%。 【例【例8.2.1】 有一台三相异步电动机，其额定转速为有一台三相异步电动机，其额定转速为975r/min，电源频率为，电源频率为50Hz，磁极对数，磁极对数p=3。试求它的。试求它的转差率。转差率。 解：由式（解：由式（8.2.1）可求出同步转速为）可求出同步转速为 则转差率则转差率s为为1电磁转矩特性电磁转矩特性 电磁转矩是由转子导电条中的电流电磁转矩是由转子导电条中的电流I2与旋转磁场与旋转磁场相互相互作用产生的。因此，电磁转矩作用产生的。因此，电磁转矩T的大小与的大小与I2、 以及转子电以及转子电路的功率因数路的功率因数cos2成正比。而成正比。而I2和和cos2均与转

54、差率均与转差率s、 转子电阻转子电阻R2、电动机起动瞬间的转子感抗、电动机起动瞬间的转子感抗X20以及电源电压以及电源电压U1等有关。可以证明，异步电动机的电磁转矩等有关。可以证明，异步电动机的电磁转矩T可表示为可表示为 min/1000350606010rpfn%5 . 210009751000%10000nnns8.2.3 三相异步电动机的运行特性三相异步电动机的运行特性 式中式中KT为与电动机结构相关的常数。为与电动机结构相关的常数。 由式（由式（8.2.3）可见，电磁转矩与电源电压的平方成正比，）可见，电磁转矩与电源电压的平方成正比，说明电源电压的变化对电磁转矩影响很大。当电源电压和频

55、说明电源电压的变化对电磁转矩影响很大。当电源电压和频率一定，且率一定，且R2和和X20都为常数时，电磁转矩都为常数时，电磁转矩T只随转差率只随转差率s变变化，即化，即T=f（S），它的特性曲线如图），它的特性曲线如图8.2.7所示，称为电磁所示，称为电磁转矩特性曲线。转矩特性曲线。 22022212）（SXRUsRKTT（8.2.3）图8.2.7 电磁转矩特性曲线 上图可分为两个区域。当上图可分为两个区域。当 （即（即 ）时，可）时，可认为认为T与与s成正比，且曲线变化比较明显；当成正比，且曲线变化比较明显；当 （即（即 ）时，可认为）时，可认为T与与s成反比，且曲线变化比较平坦。成反比，且曲

56、线变化比较平坦。在图在图8.2.7中，还可以得到以下几个重要转矩。中，还可以得到以下几个重要转矩。220RsXmss220RsXmss（1）最大转矩）最大转矩Tmax 在曲线上的最大值，称为最大转矩在曲线上的最大值，称为最大转矩Tmax 。当对式。当对式（8.2.3）求导）求导 ，令并时，则可求得出现最大转矩，令并时，则可求得出现最大转矩时的转差率为时的转差率为 将式（将式（8.2.4）代入式（）代入式（8.2.3），可得到最大转矩为），可得到最大转矩为 当负载转矩超过时，电动机被迫停转。此时定子和转子当负载转矩超过时，电动机被迫停转。此时定子和转子电流都将剧增，使电动机的温度迅速升高，很容易

57、导致电动电流都将剧增，使电动机的温度迅速升高，很容易导致电动机的绕组烧毁。为此，引入了过载系数机的绕组烧毁。为此，引入了过载系数 ，它是指电动机最，它是指电动机最大转矩大转矩Tmax与额定与额定转矩转矩TN的比值。即的比值。即202XRSm（8.2.4） 2021max2XUKTT（8.2.5） 一般来说，异步电动机的过载系数约为一般来说，异步电动机的过载系数约为2，特殊用途的异步，特殊用途的异步电动机可选大些。电动机可选大些。（2） 起动转矩起动转矩Tst 电动机在起动瞬间（电动机在起动瞬间（n=0时）的转矩称为起动转矩，用时）的转矩称为起动转矩，用Tst表示。此时将表示。此时将s=1代入式

58、（代入式（8.2.3）得到起动转矩为）得到起动转矩为 由式（8.2.7）可见，与U12和R2有关。U1降低时， Tst将NmTTmax（8.2.6） 22022212XRURKTst（ 8.2.7） 减小；适当增大R2时，Tst将增大。只有当 Tst TN(额定转矩)时，电动机才能起动运行。为此，通常用起动转矩与额定转矩的比值来反映电动机的直接起动能力，用st 表示。 其中 式中，TN为额定转矩，P2N为电动机的额定输出功率（kW）， nN为电动机的额定转速。NststTTNNNnPT9550（ 8.2.8） 笼型异步电动机的直接起动能力低，笼型异步电动机的直接起动能力低， 一般为一般为11.

59、2，起重机用的电动机，要求直接起动能力要高些。而线型异步起重机用的电动机，要求直接起动能力要高些。而线型异步电动机起动时，常在转子绕组中外接电阻来增大起动转矩，电动机起动时，常在转子绕组中外接电阻来增大起动转矩，可改善起动性能。待起动之后，再将外接的起动电阻短接。可改善起动性能。待起动之后，再将外接的起动电阻短接。 2. 机械特性机械特性 在实际工作中，常用异步电动机的机械特性在实际工作中，常用异步电动机的机械特性n=f(T)来分来分析，它是从曲线顺时针旋转析，它是从曲线顺时针旋转900得到的，反映了电动机转速得到的，反映了电动机转速n与电磁转矩与电磁转矩T的函数关系，曲线如图的函数关系，曲线

60、如图8.2.8所示。所示。st图8.2.8 机械特性曲线a 从上图曲线所对应的两个区间来看，当从上图曲线所对应的两个区间来看，当0ss时称为稳时称为稳定运行区间，当定运行区间，当ss1时称为非稳定运行区间。下面简要时称为非稳定运行区间。下面简要分析这两个区间的运行情况。分析这两个区间的运行情况。 (1)稳定运行稳定运行 设负载转矩设负载转矩TL为为TN时，电动机稳定运行在时，电动机稳定运行在0ssm区间，区间，则电磁转矩等于负载转矩则电磁转矩等于负载转矩T=TN，n=nN；若由于某种原因；若由于某种原因使负载转矩使负载转矩TL增大时，最初瞬间增大时，最初瞬间TTL，所以电动机转速开，所以电动机