第9章变压器和电动机

1、电工电子学电工电子学下页下页上页上页19.1 9.1 磁路磁路9.2 9.2 变压器变压器9.3 9.3 异步电动机异步电动机9.4 9.4 直流电动机直流电动机9.5 9.5 控制电动机控制电动机主要内容主要内容电工电子学电工电子学下页下页上页上页2主要内容主要内容9.1.19.1.1 铁磁材料的磁性能铁磁材料的磁性能9.1.29.1.2 简单磁路分析简单磁路分析电工电子学电工电子学下页下页上页上页31. 1. 学习磁路的必要性学习磁路的必要性磁通经过的闭合路径称为磁路。磁通经过的闭合路径称为磁路。磁路主要由高磁导率的磁路主要由高磁导率的铁磁材料铁磁材料和和空气隙空气隙构成。构成。磁路概述磁

2、路概述2. 2. 磁路磁路3. 3. 铁心铁心 用铁磁材料做成一定形状，目的是把用铁磁材料做成一定形状，目的是把磁场聚集磁场聚集在一定的空间范围内，形成磁路，在一定的空间范围内，形成磁路，以便加以控制和利用，这就是以便加以控制和利用，这就是铁心铁心。 铁心的形状，决定磁路形状。铁心的形状，决定磁路形状。 变压器、电动机、以及许多电器和电工仪表都是以电磁感应为工作基变压器、电动机、以及许多电器和电工仪表都是以电磁感应为工作基础的，工作时都会产生础的，工作时都会产生磁场磁场。所以了解磁路的特性是很有必要的。所以了解磁路的特性是很有必要的。N Ni iu u+ +- -电工电子学电工电子学下页下页上

3、页上页49.1.1 铁磁材料的磁性能铁磁材料的磁性能把把B=f(H)B=f(H)称为称为磁化曲线磁化曲线；它具有；它具有磁饱和性磁饱和性。 铁磁材料放入磁场强度为铁磁材料放入磁场强度为H H的磁场内，会被磁化，的磁场内，会被磁化，当磁场强度当磁场强度H H由零逐渐增加时，磁感应强度由零逐渐增加时，磁感应强度B B随之变随之变化的曲线，称为化的曲线，称为磁化曲线磁化曲线。如图。如图1. 1. 磁化曲线和磁滞回线磁化曲线和磁滞回线（1 1）磁化曲线）磁化曲线H HB BH HB BBHBH0 0（2 2）磁导率曲线）磁导率曲线 在磁化曲线上任一点的在磁化曲线上任一点的B B和和H H之比，称为之比

4、，称为磁导率磁导率 。即。即把把 =f(H)=f(H)称为称为磁导率曲线磁导率曲线，铁磁材料的磁导率是，铁磁材料的磁导率是非线性的非线性的。如图。如图 HHl不同的铁磁材料不同的铁磁材料磁化曲线磁化曲线、磁导率磁导率及及磁导率曲线磁导率曲线是不同的；是不同的；l同一铁磁材料，同一铁磁材料，H H不同磁导率是不同的，即不同磁导率是不同的，即磁导率曲线是非线性的磁导率曲线是非线性的；l铁磁材料铁磁材料的磁导率的磁导率远大于远大于非铁磁材料非铁磁材料，两者之比约为，两者之比约为10103 310104 4倍。倍。l真空真空的磁导率为的磁导率为 0 0=4=4 1010-7 -7H/mH/m。注意：注

5、意：BH电工电子学电工电子学下页下页上页上页59.1.1 铁磁材料的磁性能铁磁材料的磁性能 铁磁材料在反复磁化过程中形成的闭铁磁材料在反复磁化过程中形成的闭合曲线，称为合曲线，称为磁滞回线，磁滞回线，如图如图（3 3）磁滞回线）磁滞回线H HB BH HB B0 0B Br r称为剩磁感应强度，简称称为剩磁感应强度，简称剩磁剩磁；H HC C称为称为矫顽力矫顽力；l不同的铁磁材料的不同的铁磁材料的磁滞回线磁滞回线形状是不同的。形状是不同的。l剩磁剩磁B Br r低，矫顽力低，矫顽力H HC C小，小，磁滞回线窄磁滞回线窄，称为，称为软磁材料软磁材料。如纯铁、。如纯铁、硅钢、坡莫合金。用于制造变

6、压器、电机、电器的硅钢、坡莫合金。用于制造变压器、电机、电器的铁心铁心等。等。l剩磁剩磁B Br r高，矫顽力高，矫顽力H HC C大，大，磁滞回线较宽磁滞回线较宽，称为，称为硬磁材料硬磁材料或或永磁永磁材料材料。如炭钢、铝镍钴、稀土等。制造。如炭钢、铝镍钴、稀土等。制造永久磁铁永久磁铁。l剩磁高剩磁高B Br r，矫顽力，矫顽力H HC C小，称为小，称为矩磁材料矩磁材料。用于。用于记忆元件记忆元件。注意：注意：BrBr-H-HC C+H+Hm m-H-Hm m 磁感应强度磁感应强度B B的变化的变化滞后滞后于磁场强度于磁场强度H H的变化，这种的变化，这种现象称为现象称为磁滞现象磁滞现象，

7、即，即铁磁材料具有磁滞性铁磁材料具有磁滞性。软磁材料软磁材料硬磁材料硬磁材料HBHBHB矩磁材料矩磁材料电工电子学电工电子学下页下页上页上页69.1.1 铁磁材料的磁性能铁磁材料的磁性能 磁滞现象使铁磁材料在交变磁化的过程中，产生的损耗称为磁滞现象使铁磁材料在交变磁化的过程中，产生的损耗称为磁滞损耗磁滞损耗。它。它是由物质内是由物质内分子反复取向分子反复取向所产生的功率损耗。软磁材料的磁滞损耗较小。所产生的功率损耗。软磁材料的磁滞损耗较小。2. 2. 磁滞损耗与涡流损耗磁滞损耗与涡流损耗（1 1）磁滞损耗）磁滞损耗（2 2）涡流损耗）涡流损耗 当整块铁心中的磁通发生交变时，铁心中会产生感应电当

8、整块铁心中的磁通发生交变时，铁心中会产生感应电动势，因而在垂直于磁感应线的平面上产生感应电流，它动势，因而在垂直于磁感应线的平面上产生感应电流，它围绕着围绕着磁感应线磁感应线成漩涡状流动，故称为成漩涡状流动，故称为涡流涡流。如图。如图涡流在铁心的电阻上引起功率损耗，称为涡流在铁心的电阻上引起功率损耗，称为涡流损耗涡流损耗。减小涡流损耗的方法是：减小涡流损耗的方法是：铁心用硅钢片叠成铁心用硅钢片叠成，如图。，如图。磁滞损耗磁滞损耗和和涡流损耗涡流损耗合称为铁损（耗）。合称为铁损（耗）。i i电工电子学电工电子学下页下页上页上页79.1.2 简单磁路分析简单磁路分析 如图，在匝数为如图，在匝数为N

9、 N的励磁线圈中通入直流电流的励磁线圈中通入直流电流I I，磁路中就会产生，磁路中就会产生一个恒定磁通一个恒定磁通，这种具有恒定磁通的磁路称为，这种具有恒定磁通的磁路称为直流磁路直流磁路。1. 1. 直流磁路直流磁路全电流定律（安培环路定律）为全电流定律（安培环路定律）为 即即，在闭合曲线上，磁场强度矢量，在闭合曲线上，磁场强度矢量H H沿整个回路沿整个回路l l的线积分，等于穿的线积分，等于穿过该闭合曲线所围面内电流的代数和。电流方向与绕行方向符合右手过该闭合曲线所围面内电流的代数和。电流方向与绕行方向符合右手螺旋定则的电流为正、反之为负。螺旋定则的电流为正、反之为负。HdlIN NI Il

10、 l0 0 0 0HdlH lH lNIH HH H0 0l l在磁路中：在磁路中：为主磁通；为主磁通；为漏磁通；为漏磁通；铁心中磁路长度为铁心中磁路长度为l l ，磁场强度为，磁场强度为H H ；空气隙长度为空气隙长度为l l0 0，空气隙中磁场强度为，空气隙中磁场强度为H H0 0；空气隙和铁心截面积可认为近似相等为空气隙和铁心截面积可认为近似相等为A A；空气隙和铁心的磁感应强度均为空气隙和铁心的磁感应强度均为B B；根据安培环路定律，取一磁场线作为闭合路径及循环方向，则根据安培环路定律，取一磁场线作为闭合路径及循环方向，则A A电工电子学电工电子学下页下页上页上页89.1.2 简单磁路

11、分析简单磁路分析0 0HdlH lH lNI 00BBllNIBHBA00llNIAA000mmNINIllRRAA N NI Il l0 0 H HH H0 0l lA A所以所以即即故故mlRA其中其中000mlRA称为称为铁心铁心的磁阻的磁阻称为称为空气隙空气隙的磁阻的磁阻NINI是产生磁通的磁化力，称为是产生磁通的磁化力，称为磁动势磁动势。则则mNIR 称为称为磁路欧姆定律，磁路欧姆定律，R Rm m称为称为总磁阻。总磁阻。l由于磁阻由于磁阻R Rm m不是常数，磁路欧姆定律只能不是常数，磁路欧姆定律只能定性分析磁路定性分析磁路；l虽然空气隙很小，但虽然空气隙很小，但 0 0NN2 2

12、时，时，U U1 1UU2 2，k1k1，称为，称为降压变压器降压变压器，一次绕级为高压绕组。，一次绕级为高压绕组。 当当N N1 1NN2 2时，时，U U1 1UU2 2，k1kNN2 2N N1 1NTTLstLst时时n n由由0 0开始开始增加增加在在PCPC段段T T随随n n增加增加而增大而增大 C C点后点后T T随随n n增加增加而减小而减小当当T=TT=TL L时电机时电机稳定运行稳定运行起动结束起动结束起动过程会出现起动过程会出现很大的起动电流很大的起动电流，一般：，一般：(4 7)stNII9.3.3 三相异步电动机的使用三相异步电动机的使用1. 1. 三相异步电动机的

13、起动三相异步电动机的起动(1)(1)直接起动直接起动（全压起动）（全压起动）电工电子学电工电子学下页下页上页上页54l 起动电流对电动机本身的影响起动电流对电动机本身的影响 正常情况下起动电流对电动机本身正常情况下起动电流对电动机本身无影响无影响；但频繁起动时；但频繁起动时会使电动机发热。会使电动机发热。l 起动电流对其他设备的影响起动电流对其他设备的影响 由于起动电流较大，引起电网电压下降，造成由于起动电流较大，引起电网电压下降，造成同一电网中同一电网中其他其他用电设备工作不正常。如白炽灯变暗、荧光灯熄灭或闪用电设备工作不正常。如白炽灯变暗、荧光灯熄灭或闪烁、电动机突然堵转。烁、电动机突然堵

14、转。l 直接起动的优点直接起动的优点9.3.3 三相异步电动机的使用三相异步电动机的使用 起动设备简单，投资少，起动过程快，操作简便。适用于起动设备简单，投资少，起动过程快，操作简便。适用于中小型异步电动机。中小型异步电动机。电机电机2 2白炽灯白炽灯荧光灯荧光灯u u电机电机1 1R Rl lR Rl lu u1 1+ +- -+ +- -电工电子学电工电子学下页下页上页上页55起动时起动时降低降低电压，起动后在电压，起动后在额定电压下运行额定电压下运行。（a a）Y-Y- 换接起动换接起动Y Y接法时：接法时：起动时为起动时为Y Y接法，运行时为接法，运行时为 接法接法I ILYLY=I=

15、IPYPYI IP P I IL L Z ZP Pu uL Lu uL LZ ZP P/ 3LLYPYPUIIZ33LLPPUIIZ 接法时：接法时：即：即：13LYLII13Y ststII因为：因为：所以：所以：2LTU13Y ststTT或：或：特点：特点：（2 2）降压起动）降压起动9.3.3 三相异步电动机的使用三相异步电动机的使用+ + +- - -电工电子学电工电子学下页下页上页上页56Y-Y- 换接起动方法接线图换接起动方法接线图Y 接起动接运行起动起动运行运行Y-Y- 起动方法适用范围起动方法适用范围 运行时采用运行时采用 接法。接法。 起动时的负载转矩要小起动时的负载转矩要

16、小于直接起动时，起动转于直接起动时，起动转矩的三分之一。矩的三分之一。13Y ststTT U U1 1U U2 2V V1 1W W1 1V V2 2W W2 29.3.3 三相异步电动机的使用三相异步电动机的使用电工电子学电工电子学下页下页上页上页57工工作作起起动动（b b）自耦变压器降压起动自耦变压器降压起动用起动补偿器用起动补偿器 副边输出电压副边输出电压U U2 2，分别为原边电压分别为原边电压U U1 1的的40%40%、60%60%、80%80%（55%55%、64%64%、73%73%）。）。U U1 1U U2 2即：即：2K stAstTKT21AUKUK K称为称为降压

17、比降压比特点：特点：2K stAstIKI直接起动时直接起动时起动电流起动电流直接起动时直接起动时起动转矩起动转矩降压起动时降压起动时起动电流起动电流降压起动时降压起动时起动转矩起动转矩起动补偿器起动补偿器接线图接线图9.3.3 三相异步电动机的使用三相异步电动机的使用电工电子学电工电子学下页下页上页上页58定 子转 子电 刷滑 环电 阻（3 3）转子串接电阻起动）转子串接电阻起动（三相绕线式异步电动机的起动方法）三相绕线式异步电动机的起动方法）特点：特点： 既可以减小起动电流，又可以既可以减小起动电流，又可以增加起动转矩。增加起动转矩。 起动结束，切除全部电阻，并将电起动结束，切除全部电阻，

18、并将电刷处短路。刷处短路。9.3.3 三相异步电动机的使用三相异步电动机的使用T TT Tm ms scr crs s1 1R R2 2 R R2 2R R2 2R R2 2RR2 2RR2 2 s scr crs scr cr T Tst1st1T Tst2st2T Tst st电工电子学电工电子学下页下页上页上页599.3.3 三相异步电动机的使用三相异步电动机的使用2. 2. 三相异步电动机的反转三相异步电动机的反转方法：方法：把电动机与电源的三根连线中的任意两根对调即可。把电动机与电源的三根连线中的任意两根对调即可。3. 3. 三相异步电动机的调速三相异步电动机的调速因为：因为：11n

19、nsn116 0 fnp所以异步电动机的转速为：所以异步电动机的转速为：1160(1)(1)fns nsp可见：改变可见：改变f f、p p、s s可以达到调速的目的。可以达到调速的目的。电工电子学电工电子学下页下页上页上页60特点：特点：方法简单，需要专用多速电动机，只能实现分级调速。方法简单，需要专用多速电动机，只能实现分级调速。（1 1）改变磁极对数调速）改变磁极对数调速（多速电机）（多速电机）方法：方法：改变定子绕组的串、并联连接方法，使电动机成为改变定子绕组的串、并联连接方法，使电动机成为2 2极、极、4 4极、极、6 6极、极、8 8极电机，实现调速。极电机，实现调速。串联时串联时

20、 p=2p=21160 fnp9.3.3 三相异步电动机的使用三相异步电动机的使用U U1 1U U2 2U U2 2U U1 1N NNNS SS SN NS SU U1 1U U1 1U U1 1U U1 1U U2 2U U2 2U U2 2U U2 2U U2 2U U2 2U U1 1U U1 1并联时并联时 p=1p=1电工电子学电工电子学下页下页上页上页61变频器变频器M3 +50Hz50Hz特点：特点：实现无级调速；起动电流小，起动转矩大，起动能力强。实现无级调速；起动电流小，起动转矩大，起动能力强。9.3.3 三相异步电动机的使用三相异步电动机的使用（2 2）改变电源频率调速

21、）改变电源频率调速（变频器）（变频器）电工电子学电工电子学下页下页上页上页62特点：特点：设备简单、投资少，但能量损耗大，效率低。设备简单、投资少，但能量损耗大，效率低。9.3.3 三相异步电动机的使用三相异步电动机的使用（3 3）改变转差率调速）改变转差率调速（即：即：改变转子电阻）改变转子电阻）T TT Tm ms ss s1 1R R2 2 R R2 2R R2 2R R2 2RR2 2RR2 2 s ss sT TL L电工电子学电工电子学下页下页上页上页63解：解：例：例：已知电机已知电机 技术参数为：技术参数为：P PN N=45kW=45kW，n nN N=1480r/min=1

22、480r/min，U UN N=380V=380V， N N=92.3%=92.3%，coscos =0.88=0.88，I Ist st/I/IN N=7.0=7.0，T Tst st/T/TN N=1.9=1.9，T Tmaxmax/T/TN N=2.2=2.2。求：求：(1)(1)额额定电流定电流I IN N；(2)(2)若负载转矩为若负载转矩为100Nm100Nm，能否采用能否采用Y-Y- 换接起动？换接起动？(3)(3)采用自耦采用自耦变压器降压起动，起动补偿器降压比为变压器降压起动，起动补偿器降压比为0.40.4、0.60.6、0.80.8，若起动时的负载为若起动时的负载为250N

23、m250Nm，应选择降压比为多少？应选择降压比为多少？（1 1）因为因为13cosLLPU I所以所以（2 2）直接起动转矩为：直接起动转矩为：451.91.99550551.71480stNTTNm1551.7183.91003N mN mN m所以能采用所以能采用Y-Y- 起动。起动。（3 3）当当K=0.4K=0.4时时220.40.40.4551.788.272ststTTN m当当K=0.6K=0.6时时220.60.60.6551.7198.612ststTTN m当当K=0.8K=0.8时时220.80.80.8551.7353.088ststTTN m所以，选择所以，选择K=0

24、.8K=0.8应用举例应用举例21PP32451084.2()3cos33800.9230.88NLPIAU电工电子学电工电子学下页下页上页上页649.3.4 单相异步电动机单相异步电动机单相异步电动机概述单相异步电动机概述 采用单相电源的异步电动机称为单相异步电动机，它广泛采用单相电源的异步电动机称为单相异步电动机，它广泛用于电动工具、家用电器、医疗机械和自动控制系统中。用于电动工具、家用电器、医疗机械和自动控制系统中。 大小按正弦规律变化，但方向只大小按正弦规律变化，但方向只有两个固定方向。在脉动磁场作用有两个固定方向。在脉动磁场作用下，转子受到的转矩为零，电动机下，转子受到的转矩为零，电

25、动机不能自行起动不能自行起动。即无起动转矩。即无起动转矩。 单相绕组接通交流电源时，在定子内会产生一个大小随时间按单相绕组接通交流电源时，在定子内会产生一个大小随时间按正弦规律变化，而空间位置不变的正弦规律变化，而空间位置不变的脉动磁场脉动磁场。如图。如图N NN NS SS Si it ti ii i正半周正半周负半周负半周脉动磁场的特点脉动磁场的特点 脉动磁场虽无起动转矩，但当外力使转子延某一方向转动后，会使转子脉动磁场虽无起动转矩，但当外力使转子延某一方向转动后，会使转子受到同方向的转矩而继续转动。即受到同方向的转矩而继续转动。即无起动转矩，但会产生转矩无起动转矩，但会产生转矩。电工电子

26、学电工电子学下页下页上页上页659.3.4 单相异步电动机单相异步电动机1. 1. 电容式电动机电容式电动机 为使单相电动机自行起动，电容式电动机定子中有为使单相电动机自行起动，电容式电动机定子中有一个工作绕组一个工作绕组W，一个起动绕组，一个起动绕组S，接线如图，接线如图+ +W W1 1W W2 2C CS S1 1S S2 2- -U1I2I 绕组绕组WW、S S在空间位置上相差在空间位置上相差9090，起动绕组，起动绕组S S串串联起动电容联起动电容C C，使工作绕组的电流，使工作绕组的电流I I1 1和起动绕组的电和起动绕组的电流流I I2 2相位差近似等于相位差近似等于90 90

27、，这样两绕组电流产生的，这样两绕组电流产生的合成磁场为合成磁场为旋转磁场旋转磁场。工作原理工作原理 电容的作用是将单相电流分成相位差近似为电容的作用是将单相电流分成相位差近似为9090的两相电流，所以的两相电流，所以C C称为称为分相电容分相电容，该电动机称为，该电动机称为电容分相式电容分相式单相异步电动机单相异步电动机转子转子电工电子学电工电子学下页下页上页上页669.3.4 单相异步电动机单相异步电动机电容式单相电动机反转方法电容式单相电动机反转方法+ +S SW W2 22 21 1W W1 1- -Ul电容运转电动机：电容运转电动机：如果如果电动机起动后，起动绕组仍通电运行，这种电动机

28、起动后，起动绕组仍通电运行，这种电动机称为电动机称为电容运转电动机电容运转电动机。 将工作绕组将工作绕组或或起动绕组两个端子对调即可。对于工作起动绕组两个端子对调即可。对于工作绕组绕组和和起动绕组相同的电动机，反转接线如图。起动绕组相同的电动机，反转接线如图。C Cl电容起动电动机：电容起动电动机：如果起动绕组中串联一个离心开关，起动后依如果起动绕组中串联一个离心开关，起动后依靠离心力的作用使开关断开，切断起动绕组，这种电动机称为靠离心力的作用使开关断开，切断起动绕组，这种电动机称为电容起电容起动电动机动电动机。电容式电动机分为：电容式电动机分为：电容运转电动机电容运转电动机和和电容起动电动机

29、电容起动电动机电工电子学电工电子学下页下页上页上页679.3.4 单相异步电动机单相异步电动机解：解：S SW W220V220VM MS S 该电扇由该电扇由电容式电动机电容式电动机拖动，电路中串入具有抽头的拖动，电路中串入具有抽头的电抗器电抗器，当转换开关当转换开关S接不同位置时，电抗器上电压降不同，电动机端电压随接不同位置时，电抗器上电压降不同，电动机端电压随之改变，实现有级调速。之改变，实现有级调速。快快 例题例题9.3.29.3.2：图是一种家用电扇的调速电路，试说明工作原理。图是一种家用电扇的调速电路，试说明工作原理。中中慢慢停停C C电工电子学电工电子学下页下页上页上页689.3

30、.4 单相异步电动机单相异步电动机2. 2. 罩极式电动机罩极式电动机+ +- -U罩极式电动机结构示意图罩极式电动机结构示意图工作原理工作原理 当定子绕组通入交流电流而产生脉当定子绕组通入交流电流而产生脉动磁场时，通过动磁场时，通过短路环短路环部分的磁通部分的磁通滞后滞后于于无短路环部分无短路环部分的磁通，两部分磁通在的磁通，两部分磁通在空间上相差一个角度，故电动机的磁场空间上相差一个角度，故电动机的磁场是一个是一个移动的磁场移动的磁场。凸极式磁极凸极式磁极短路铜环短路铜环定子绕组定子绕组 笼型转子在这个移动磁场的作用下笼型转子在这个移动磁场的作用下就产生就产生电磁转矩而旋转电磁转矩而旋转。

31、旋转方向是由未加短路环部分向有短路环部分方向旋转。旋转方向是由未加短路环部分向有短路环部分方向旋转。 单相电动机适用于单相电源的场合。但它效率低、功率单相电动机适用于单相电源的场合。但它效率低、功率因数和过载能力都较低，容量一般在因数和过载能力都较低，容量一般在1kW 1kW 以下。以下。电工电子学电工电子学下页下页上页上页69主要内容主要内容9.4.19.4.1 直流电动机的工作原理直流电动机的工作原理9.4.29.4.2 直流电动机的励磁方式和特性直流电动机的励磁方式和特性9.4.39.4.3 无刷直流电动机无刷直流电动机电工电子学电工电子学下页下页上页上页70将直流电能转换为机械能的电动

32、机。因其良好的调速性能而在电将直流电能转换为机械能的电动机。因其良好的调速性能而在电力拖动中得到广泛应用。直流电动机按力拖动中得到广泛应用。直流电动机按励磁励磁方式分为永磁、他励方式分为永磁、他励和自励和自励3 3类，其中自励又分为并励、串励和复励类，其中自励又分为并励、串励和复励3 3种。种。电工电子学电工电子学下页下页上页上页71主要内容主要内容9.5.19.5.1 步进电机步进电机9.5.29.5.2 伺服电机伺服电机电工电子学电工电子学下页下页上页上页72控制电机概述控制电机概述l控制电机包括：控制电机包括：步进电动机、伺服电动机、测速发电机、自步进电动机、伺服电动机、测速发电机、自整角机、旋转变压器等整角机、旋转变压器等 随着科学技术的迅猛发展，特别是自动化技术的发展，控制电机的随着科学技术的迅猛发展，特别是自动化技术的发展，控制电机的应应用更为广泛用更为广泛，对控制电动机的性能提出了许多新的，对控制电动机的性能提出了许多新的更高的要求更高的要求。 随着新材料的涌现