电机与变压器课件

二、电焊变压器一、电焊变压器的结构特点交流弧焊机由于结构简单、成本低廉、制造容易和维护方便而被广泛应用。电焊变压器是交流弧焊机的主要组成部分，它实质上是一台特殊的降压变压器。在焊接中，为了保证焊接质量和电弧的稳定燃烧，对电焊变压器提出如下要求：1)电焊变压器在空载时，应有一定的空载电压，通常Uo=60～75V，以便于起弧。2)在负载时，电压应随负载的增大而急剧下降。通常在额定负载时的输出电压约为30V。3)在短路时，短路电流Isc不应过大，以免损坏电焊变压器。4)为了适应不同的焊接工件和焊条的需要，要求电焊变压器输出的电流能在一定范围内进行调节。UUOUNONIISCIN焊接电流与电弧电压的关系曲线为了满足上述要求，电焊变压器必须具有较大的漏抗，而且可以进行调节。因此，电焊变压器的特点是：铁心的气隙比较大；一次、二次分装在不同的铁心柱上，再用磁分路法、串联可变电抗器法及改变二次绕组的接法等来调节焊接电流。工业上使用的交流弧焊机类型很多，如抽头式、动铁心、动线圈式和综合式等，都是依据上述原理制造的。电焊变压器

二、电焊变压器的特点 （1）二次侧空载电压应为60~75V,以保证容易起弧。同时为了安全，空载电压最高不超过85V。 （2）具有陡降的外特性，即当负载电流增大时，二次侧输出电压应急剧下降，如图3—5所示。通常额定运行时的输出电压U2N为30V左右（即电弧上电压）。 （3）短路电流IK不能太大，以免损坏电焊机，同时也要求变压器有足够的电动稳定性和热稳定性。焊条开始接触工作短路时，产生一个短路电流，引起电弧，然后焊条再拉起产生一个适当长度的电弧间隙。所以，变压器要能经常承受这种短路电流的冲击。电焊变压器

（4）为了适应不同的加工材料、工作大小和焊条，焊接电流应能在一定范围内调节。为了满足以上要求，根据前面分析，影响变压器外特性的主要因素是一次侧、二次侧绕组的漏阻抗ZS1和ZS2以及负载功率因数cosφ2。由于焊接加工是属于电加热性质，故负载功率因数基本上都一样，cosφ2≈1，所以不必考虑。而改变漏抗可以达到调节输出电流的目的。 二、磁分路动铁心式弧焊机其基本结构及工作原理如下：该型交流弧焊机的电焊变压器为磁分路动铁心结构，它的铁心由固定铁心和活动铁心两部分组成。固定铁心为“口”字形，两边的方柱上绕有一次绕组和二次绕组。活动铁心安装在固定铁心中间的螺杆上，当转动铁心调节装置手轮时，螺杆转动，活动铁心就沿着导杆在固定铁心的方口中移动，从而改变固定铁心中的磁通，调节焊接电流。它的一次绕组绕在固定铁心的一边，二次绕组由两部分组成，一部分与一次绕组绕在同一边，另一部分绕在铁心的另一侧。焊接电流的粗调靠变更二次绕组的接线板上连接片的接法来实现的。接法II用焊接电流大的场合，接法I用于焊接电流小的场合。焊接电流的细调节则是通过手轮移动铁心的位置，改变漏抗，从而得到均匀的电流调节。BX1系列交流弧焊机有三种型号：BX1-135的焊接电流调节范围为25～150A，用于薄钢片的焊接；BX1-330电流调节范围为50～450A，BX1-500则为50～680A，可用来焊接不同厚度的低碳钢板。三、动圈式弧焊机动圈式弧焊机的典型产品是BX3系列。它的焊接电流调节是靠改变一次绕组和二次绕组之间的距离（从而改变它们之间的漏抗大小）来实现的。结构如图，一次绕组是固定的，而二次绕组可借助于调节机构在中间铁心柱上上下移动，从而改变了一、二次绕组之间的距离。距离越大，漏抗就越大，输出电压降低，焊接电流变小。第四节整流变压器从20世纪70年代起，由整流电路供电的整流电源逐步取代了直流发电机，成为产生直流电源的主要方法。用来单独给整流电路供电的电源变压器叫做整流变压器，它是整流装置中的重要组成部分。一、整流变压器的作用1)把电网电压变换成整流电路要求的电压。2）在大容量整流电路中，为了得到平稳的直流电压，往往采用多相整流电路（如六相、十二相整流），这就需要用到三相整流变压器，其二次侧接成六相或十二相。3）为了尽可能减少电网与整流装置之间的相互干扰，要求把整流后的直流电路与电网交流电路彼此隔离。三、整流变压器的结构与工作特点1）由于整流变压器的二次绕组所接整流器件只在一个周期的部分时间内轮流导电，所以二次绕组中流过的电流是非正弦电流，含有直流分量。它将使铁心因损耗增加而加热，另外往往二次绕组的视在功率也比一次绕组的要大。2）当整流器件被击穿而发生短路时，变压器将流过很大的短路电流，因此整流变压器的漏抗较大，它输出的直流电压外特性较软，其外形结构较为矮胖，机械强度要求好。3）由于整流变压器二次绕组中可能产生过电压而损坏绝缘层，因此需要加强绝缘处理。第五节小功率电源变压器小功率电源变压器是专门用作某些小功率负载的供电电源之用，按工作频率的不同可分为工频、中频和高频电源变压器。按铁心结构型式的不同可分为E形及口形变压器铁心、C形变压器、R形变压器、O形（环形）变压器。一、按工作频率分类（1）工频电源变压器是指工作在50～

60Hz频率的电源变压器。铁心用0.35mm或0.5mm冷轧硅钢片制成。（2）中频电源变压器是指工作在400～1000Hz频率下的电源变压器。其铁心用0.2mm冷轧硅钢片制成。（3）高频电源变压器的指工作在10～20kHz频率下的电源变压器。它主要用于开关稳压电源的变换器中，它的结构特点：1)一般均用铁氧体磁心，它的电阻率高，故涡流损耗小。2）因为集肤效应使导线中心部分电流密度变小，通常使用多股高频铜导线或薄铜箔绕制绕组。3）高频变压器的工作温度不能超过70℃，否则铁氧体的电磁性能将急剧下降。二、按铁心结构分类（1）E形及口形铁心变压器（2）C形变压器由于冷轧硅钢带的磁感应强度B比较高，加上绝缘等级较高（为B级或H级），故体积小，用铜量省。（3）R形变压器其主要特点是铁心为整体结构，铁心卷绕好以后绑扎紧并浸漆处理成型。由于不切割，因此磁路无空气隙，磁阻小，使变压器的空载损耗小，温升低。另外由于铁心截面为圆形，因而绕组也是圆形，节省了用铜量，体积小，噪音低。常采用卧式结构，特别适合于高密度安装的设备中。（4）O形变压器又称环形变压器，工作在工频电源下的O形变压器其铁心用晶粒取向冷轧硅钢带或合金钢带绕制而成。具有R形变压器的优点，且铁心制作简单，能充分利用铁心的磁性能，漏磁小。随着电子技术的高速发展，高频、脉冲、开关电源及逆变器等大多采用环形铁心结构。第四章三相异步电动机第一节电机概述电机是一种实现电能与机械能相互转换的电磁装置。其运行原理基于电磁感应原理。电机的种类和规格很多，按其电流类型分类，可分为直流电机和交流电机两大类。交流电机可分为交流发电机和交流电动机两大类。目前广泛采用的交流发电机是同步发电机，这是一种由原动机拖动旋转产生交流电能的装置。当前世界各国的电能几乎均由同步发电机产生。交流电动机则是指由交流电源供电将交流电能转变为机械能的装置。交流电动机可分为同步电动机和异步电动机两类。同步电动机是指电动机的转速始终与交流电源的频率同步，不随所拖动的负载变化而变化的电动机，它主要用于功率较大，转速不要求调节的生产机械。异步电动机电动机的转速随负载变化而稍有变化的旋转电机，这是目前使用最多的一类电动机。按供电电源的不同，又可分为三相异步电动机和单相异步电动机两大类。三相异步电动机是由三相交流电源供电，由于其结构简单、价格低廉、坚固耐用、使用维护方便，因此在工、农业及其他各个领域中都获得了广泛应用。据我国及世界上一些发达国家的统计表明，在整个电能消耗中，电动机的耗能约占60﹪～67﹪

，而在电动机的耗能中，三相异步电动机又占首位。单相异步电动机用单相交流电源，功率比较小，主要用家庭、办公场所等只有单相交流电的场所。电机变压器直流电机交流电机控制电机伺服电机、步进电机、直线电机、测速发电机、自整角机、旋转变压器等直流发电机直流电动机同步电机异步电机同步发电机同步电动机异步发电机同步电动机：单相、三相异步电动机第二节三相异步电动机的工作原理一、旋转磁场1.旋转磁场及其产生如图为异步电动机旋转原理示意图。在一个可旋转的马蹄形磁铁中间，放置一只可自由转动的笼形短路线圈，也称笼形转子。当转动马蹄形磁铁时，笼形转子会跟着一起转动。这是因为磁铁转动时，其磁感线（磁通）切割笼型转子的导体，在导体中因电磁感应而产生感应电动势，由于转子本身是短路的，因而导体中就有电流通过，方向如图。该电流又与旋转磁场相互作用，产生转动力矩驱动笼形转子随着旋转磁场的转向而旋转起来，这就是异步电动机的简单工作原理。·····NSFFn1n2旋转磁场转向下面先分析旋转磁场产生的条件，再分析三相异步电动机的工作原理。右图为三相异步电动机定子绕组结构示意图。在定子铁心上冲有均匀分布的铁心槽，在定子空间各相差120°电角度的铁心槽中布置有三相绕组U1U2、V1V2、W1W2，三相绕组接成星形联结。现向定子三相绕组中分别通入三相交流电iU、iV、iW，各相电流将在定子绕组中分别产生相应的磁场。U1V2W1V1W2U2U1U2V1V2W1W2oU1U2V2W1V1W2U1U2V2W1V1W2U1U2V2W1V1W2由此可以得出结论：在三相异步电动机定子铁心中布置结构完全相同、在空间各相差120°电角度的三相定子绕组，分别向三相定子绕组通入三相交流电，则在定子、转子与空气隙中产生一个沿定子内圆旋转的磁场，该磁场称为旋转磁场。2.旋转磁场的旋转方向三相交流电的变化次序（相序）为U相达到最大值→V相达到最大值→W相达到最大值。将U相交流电接U相绕组、V相交流电接V相绕组、W相交流电接W相绕组，则产生的旋转磁场的旋转方向为U相→V相→W相（顺时针旋转），即与三相交流电的变化相序一致。AU1U2V2W1V1W2AU1U2V2W1V1W2结论：任意调换两根电源进线，则旋转磁场反转。U1U2W1W2V1V20to任意调换两根电源进线(电路如图)由此可以得出结论：旋转磁场的旋转方向决定于通入定子绕组中的三相交流电的相序，且与三相交流电源的相序U→V→W的方向一致。只要任意调换电动机两相绕组所接交流电源的相序，旋转磁场即反转。3.旋转磁场的旋转速度旋转磁场的转速可用公式表示为f1—交流电的频率（Hz）；p—电动机的磁极对数；n1—旋转磁场的转速，又称同步转速（r/min）例1

通入三相异步电动机定子绕组中的交流电频率f=50Hz，试分别求电动机磁极对数p=1、p=2、p=3及p=4时旋转磁场的转速n1。解

当p=1上述四个数据很重要,因为目前使用的各类三相异步电动机的转速与上述四种转速密切相关（均小于上述四种转速）。例如Y132S-2型三相异步电动机（p=1

）的额定转速n=2900r/min：布置作业：P118复习思考题1、4二、三相异步电动机的旋转原理1.转子旋转原理三相定子绕组通入三相交流电产生一个同步转速为n1的旋转磁场，该旋转磁场将切割转子导体，在转子导体中产生感应电动势，由于转子导体自成闭合回路，因此该电动势将在转子导体中形成电流，U1V2W1V1W2U2n1FF其电流方向可用右手定则判定。可以相对地把磁感线看成不动，而导体以与旋转磁场相反的方向（逆时针）去切割磁感线，从而可以判定出在该瞬间转子导体中的电流方向如图所示，即电流从转子上半部的导体流出，流入下半部导体中。有电流流过的转子导体将在旋转磁场中受电磁力F的作用，其方向可用左手定则判定。该电磁力F在转子轴上形成电磁转矩，使异步电动机以转速n旋转。归纳出三相异步电动机的旋转原理：转子绕组在旋转磁场的作用下产生感应电流；载有电流的转子导体受电磁力的作用，产生电磁转矩使转子旋转。转子的转向与旋转磁场转向一致。2.转差率由上面的分析可以看出，转子的转速n一定要小于旋转磁场的转速n1，如果转子转速与旋转磁场转速相等，则转子导体就不再切割旋转磁场，转子导体中不再产生感应电动势和电流，电磁力F将为零，转子就将减速。因此异步电动机的“异步”就是指电动机的转速n与旋转磁场的转速之间存在着差异，两者的步调不一致。又由于异步电动机的转子绕组并不直接与电源相接，而是依据电磁感应来产生电动势和电流，获得电磁转矩而旋转，因此又称感应电动机。把异步电动机旋转磁场的转速，即同步转速n1与电动机转速n之差称为转速差，转速差与旋转磁场转速之比称为异步电动机的转差率s。转差率s是异步电动机的一个重要物理量，s的大小与异步电动机运行情况密切有关。3.异步电动机的三种运行状态(1)电动机运行状态（0＜s

＜1）1)当异步电动机在静止状态或刚接上电源，转子转速n=0,对应的转差率s=1。2)如转子转速n=n0，则转差率s=0。3)异步电动机在正常状态下运行时，转差率在0～1之间变化。4)三相异步电动机在额定状态下运行，额定转差率sN约在0.01～0.06。例2

已知Y2-160M-4型三相异步电动机的同步转速n1=1500r/min，额定转差率sN=0.04，试求该电动机的额定转速nN。解由公式得5)当三相异步电动机空载时，由于电动机只需克服空气及摩擦阻力，故转差率很小，约为0.004～0.007。(2)发电机状态（s<0

）转子转速n超过同步转速n1，即n>n1

，则s<0。转子导体与旋转磁场的相对切割方向与电动状态时正好相反，故转子绕组中的电动势及电流和电动状态时相反，电磁转矩T也反向成为阻力矩。机械外力必须克服电磁转矩做功，以保持n>n1

。即电机此时输入机械功率，输出电功率，处于发电状态运行。(3)电磁制动状态（1<s）若异步电动机转子受外力的作用，使转子转向与旋转磁场转向相反，则s>1。此时旋转磁场与在转子导体上产生的电磁制动转矩性质。此状态时一方面定子绕组从电源吸取电功率，另一方面外加力矩克服电磁转矩做功，向电机输入机械功率，它们均变成电机内部的热损耗。第三节三相异步电动机的结构三相异步电动机种类繁多，按其外壳防护方式的不同可分开起型（IP11）、防护型（IP22）（IP23）、封闭型（IP44）（IP54）三大类。由于封闭型结构能防止固体异物、水滴等进入电动机内部，并能防止人与物体触及电动机带电部位与运动部位，因此其运行安全性能良好，因而成为目前使用最广泛的结构型。按电动机转子结构的不同又可分为笼型异步电动机和绕线转子异步电动机。按工作电压可分为高压异步电动机和低压异步电动机。按工作性能分为高起动转矩和高转差率异步电动机。一、定子定子是指电动机静止不动的部分，主要包括定子铁心、定子绕组、机座、端盖、罩壳等。1.定子铁心定子铁心作为电动机磁通的通路，对铁心材料的要求是既有良好的导磁性能，剩磁小，又要尽量降低涡流损耗，一般用0.35～0.5mm厚表面有绝缘层的硅钢片（涂绝缘漆或硅钢片表面具有氧化膜绝缘层）叠压而成。2.定子绕组定子绕组作为电动机的电路部分，通入三相交流电产生旋转磁场。它由嵌放在定子铁心槽中的线圈按一定规则连接成三相定子绕组。小型异步电动机绕组一般采用高强度漆包圆铜线制成，大中型则用漆包扁铜线或玻璃丝包扁铜线绕制。成形绕组则外绝缘层后，再整体嵌放在定子铁心槽内。按布置方式不同可分为单层绕组和双层绕组。第四节三相异步电动机的定子绕组绕组是三相异步电动机的主要组成部分，是产生旋转磁场、实现能量转换的关键部件、也是容易损坏的部位。定子绕组是由许多嵌放在定子铁心槽内的线圈按照一定的规律分布、排列并连接而成的。为满足异步电动机的运行要求，必须保证各相绕组的状态、尺寸及匝数都相同，且在空间的分布就彼此相差120°电角度。一、定子绕组的分类若按槽内层数来分，可分为单层绕组、双层绕组和单双层混合绕组。按每极每相所占槽数来分，可分为整数槽和分数槽绕组；又可分为链式绕组、同心式绕组、交叉式绕组、叠绕组和波绕组等。二、定子绕组的常用术语1.线圈、线圈组、绕组线圈也称为绕组元件，是构成绕组的最基本单元，它是用绝缘导线（圆线或扁线）按一定形状绕制而成的，可由一匝或多匝组成部分；多个线圈连接成一组称为线圈组；由多个线圈或线圈组按照一定的规律连接在一起就形成一相绕组。2.极距τ定子绕组一个磁极所占定子圆周的距离称为极距，一般用定子槽z1数来表示，即式中2p—磁极数3.线圈节距y一个线圈的两个有效边所跨定子圆周的距离称为节距，一般也用定子槽数来表示。如某线圈的一个有效边嵌放在第1槽，而另一个有效边嵌放在第6槽，则其节距y=(6-1)槽=5槽。从绕组产生最大磁通势或电动势的要求出发，节距y应接近极距τ即当y=

τ时，称为整距绕组；当y<τ时，称为短距绕组三相异步电动机定子绕组

（4）机械角度和电角度

1）机械角度

即几何角度，如一个圆周所对应的几何角度为360º，该几何角度就称为机械角度。

2）电角度

计量电和磁变化的角度称为电角度，从电磁方面看，导体每经过一对磁极N、S，其感应电动势变化一个周期，也即相位变化了360º电角度，所以每对磁极对应的是360º电角度。若电动机有p对磁极，则相应的电角度为pX360º。因此，电角度=P×机械角度三相异步电动机定子绕组

（5）每极每相槽数q

在每一个磁极下每相绕组所占有的槽数，称为每极每相槽数。可用下式计算 式中，m为相数。三相异步电动机定子绕组

（6）相带

每相绕组在一对磁极下所连续占有的宽度（用电角度表示）称为相带。在异步电动机中，一般将每相所占有的槽数均匀地分布在每个磁极下，因为每个磁极占有的电角度是180º，对三相绕组而言，每相占有的电角度是60º，所以称为60º相带。而每极每相槽数就是指这60º相带中有q个槽。实际在多对磁极的电动机定子绕组中，每对磁极都占有360º电角度，根据60º相带法，绕组的相带排列顺序应为U1→W2→V1→U2→Wl→V2。三相异步电动机定子绕组

（7）极相组

将一个磁极下属于同一相的线圈按一定方式串联成的线圈组，称为极相组。这个概念很重要，因为在实际制造电动机时，一般把一相绕组分成若干个极相组(线圈组)绕好，再分组嵌线，最后再连接起来成为一相绕组。极相组数=2pm3．三相定子绕组的分布与连接 三相异步电动机定子绕组的作用是产生对称的旋转磁场，因此除了三相电源必须对称外，要求三相交流绕组也必须是对称的，其构成（分布、排列与连接）原则如下：（1）各相绕组在每个磁极下应均匀分布，以达到磁场的对称，因此先将定子槽数按极均分（分极）每极180º电角度，每极下分为三个相带，每个相带60º电角度。三相绕组的分布在每极下按相带顺序U1→W2→V1→U2→W1→V2均匀分布。（2）各相绕组引出线应彼此相隔120º。展开图中每个相邻相带的电流参考方向相反。（3）同相绕组中线圈之间应顺着电流参考方向进行连接。（4）同一相绕组的各有效边在同性磁极下，电流方向应相同；而在异性磁极下，电流方向相反。为节约铜线，节距应尽可能短。（5）各相绕组的电源引出线应彼此相隔120º电角度。三相异步电动机定子绕组

（三）展开图绘制训练1．三相单层绕组的绘制（1）单层链式绕组 三相异步电动机Y-90L-4型定子绕组为单层链式，定子槽数Z1＝24，极数2p＝４，相数m＝3，节距y＝5（即1-6），绘出链式绕组展开图。 绘制步骤如下：三相异步电动机定子绕组

1）分极、分相

每极所占槽数槽 每极每相槽数槽2）标出同一相中线圈两有效边的电流方向

根据“同性磁极下电流方向相同、异性磁极下电流方向相反”的原则标出电流方向。3）确定节距

y＝5（6-1）三相异步电动机定子绕组

4）确定各相绕组电源引出线

各相绕组引出线应彼此相隔120º电角度。由于相邻两槽间相隔的电角度为则120º电角度应相隔120º/30º＝4槽。U相首端U1嵌放在第2槽，V相首端V1嵌放在2+4＝６（槽），W相首端Wl嵌放在6+4＝10（槽）。5）将每个极相组顺电流方向连接起来。6）按电流方向将每相绕组串联起来，接线规则可归纳为“头接头，尾接尾(反串联)”。画好的展开图如图7-3所示。三相异步电动机定子绕组

图7-324槽4极单层链式绕组展开图三相异步电动机定子绕组

（2）同心式绕组

同心式绕组的结构特点是各相绕组均由不同节距的同心线圈（大线圈套在小线圈外面）经适当连接而成，这种绕组的端部较长，常用于两极电动机中，每极每相槽数为q≥4的偶数。

（3）交叉式绕组

交叉式绕组主要用于每极每相槽数q＝3（奇数）的小型三相异步电动机定子绕组中。三相异步电动机定子绕组

（四）绘制圆形接线参考图 在三相异步电动机的实际接线时，为了能清楚看出各线圈组之间的连结方式，常采用一种简化了的圆形接线参考图，简称接线图。画接线图时，不管每极每相有几个槽，也不管一个极相组内有几个线圈，每一个极相组都用一根带箭头的短圆弧线来表示，箭头所指方向表示电流参考方向。三相异步电动机定子绕组

（五）绘制定子绕组概念图用一个小方块代表定子绕组的一个极相组，在每个小方块上面用箭头表示该极相组的电流方向，显极式电机相邻极相组电流方向应相反，顺着电流方向把每相的各极相组连接起来所得到的接线图，即是定子绕组的概念图。可以看出，概念图可以理解为是把圆形接线图拉直后所得到的。第五节三相异步电动机的运行原理与特性一、三相异步电动机的运行原理1.旋转磁场对定子绕组的作用旋转磁场将在不动的定子绕组中产生感应电动势。异步电动机：旋转磁场切割导体e，

U1

E1=4.44K1

f1N1m2.旋转磁场对转子绕组的作用（1）转子感应电动势及电流的频率（2）转子绕组感应电动势E2的大小E2=4.44f2N2=4.44sf1N2

（3）转子的电抗和阻抗（4）转子电流I2（5）转子电路的功率因数cos2转子绕组的感应电流二、三相异步电动机的功率和效率1.功率和效率轴上输出的机械功率P2总小于其从电网输入的电功率P1。例8有一台Y2-160M-4型异步电动机输出功率P2=11kW,额定电压U2=380V，额定电流I1=22.3A，电动机功率因数cosφ1=0.85,试求额定输入功率P1及效率η。解：异步电动机在运行中的功率损耗有：（1）电流在定子绕组中的铜损耗Pcu1及转子绕组中铜损耗Pcu2。（2）交变磁通在电动机定子中产生的磁滞损耗及涡流损耗，通称铁损耗Pfe。（3）机械损耗Pt。电动机在额定负载时的转矩。2.功率和转矩关系额定转矩(N•m)

如某普通机床的主轴电机(Y132M-4型)的额定功率为7.5kw,额定转速为1440r/min,则额定转矩为

一、概述

起动是指电动机通电后转速从零开始逐渐加速到正常运转的过程。

三相异步电动机在起动时，由于转子的机械惯性使转子起动的瞬间转速n＝０、转差率Q＝１，转子绕组产生较大的感应电动势，在转子绕组中产生很大的感应电流，使定子绕组中流过的起动电流也很大，约为额定电流的（4～7）倍。虽然起动电流很大，但因转子绕组的感抗很大，这时转子电路的功率因数很低，所以起动转矩并不大，一般起动转矩约为其额定转矩的0.95～2倍。因此异步电动机起动的主要问题是：起动电流大，而起动转矩并不大。第六节三相异步电动机的起动三相异步电动机的起动与调速

在电力系统中，一方面要求电动机具有足够大的起动转矩，使拖动系统尽快达到正常运行状态；另一方面要求起动电流不要太大，以免电网产生过大电压降，从而影响接在同一电网上其他用电设备的正常运行。此外，还要求起动设备尽量简单、经济、便于操作和维护。因此，对异步电动机的起动提出以下要求：三相异步电动机的起动与调速

（1）应该有足够大的起动转矩。（2）尽可能小的起动电流。（3）起动过程中转速应该平滑地上升。（4）起动方法应该可靠、正确、方便，起动设备简便、经济。（5）起动过程中的功率损耗应尽可能地小。

对于不同类型和不同容量的异步电动机，应采用不同的起动方法。笼型异步电动机的起动分为全压起动和降压起动两种。绕线式异步电动机则采用转子绕组串电阻的方法。二、三相笼型异步电动机的直接起动

三相笼型异步电动机有两种起动方法，即在额定电压下的全压起动（又称直接起动）和经过起动设备减压后的降压起动（也称降压起动）。直接起动是指利用闸刀开关或接触器将电动机直接接到额定电压的电网上来起动电动机。

三相异步电动机的起动与调速

通常认为只需满足下述三个条件中的一条即可：1）容量在7.5kW以下的三相异步电动机一般均可采用直接起动2）直接起动方法的应用主要受电网容量的限制，一般情况下，只要直接起动时的起动电流在电网上引起的电压降不超过额定电压的10％～15％，并使变压器的短时过载不超过最大允许值。3）由独立的动力变压器供电时，允许直接起动的电动机容量不超过变压器的20

％。

三、三相笼型异步电动机的减压起动

减压起动是利用起动设备将电压适当减小后加到电动机的定子绕组上起动，等电动机转速升高到接近稳定转速时，再使电动机定子绕组上的电压恢复至额定值进行正常运行。由于电动机电磁转矩与电源电压平方成正比，所以减压起动时起动转矩将大为降低。为此，减压起动方法仅适用于电动机空载或轻载起动。笼型电动机常见的降压起动方法有四种：丫－△转换减压起动；定子绕组串接电阻减压起动；自耦变压器减压起动和延边三角形减压起动。

1）Y-△转换减压起动

对于正常运行时定子绕组为三角形连接，并有六个出线端子的笼型异步电动机，为了减小起动电流，起动时将定子绕组星形连接，以减低起动电压，起动后再联成三角形。这种起动方法称为Y-△减压起动，其接线图如图8-8所示。起动时将星→三角转换开关的手柄Q2置于起动位，则电动机定子三相绕组的末端U2、V2、W2连成一个公共点，三相电源L1、L2、L3经开关Q1向电动机定子三相绕组的首端UI、Vi、Wl供电，电动机以星形连接起动。加在每相定子绕组上的电压为电源线电压U1的倍，因此起动电流较小。Q1闭合，定子绕组连接成星形，电动机减压起动，当电动机转速接近稳定转速时，再把开关Q2推到运行位，电动机定子三相绕组接成三角形连接，这时加在电动机每相绕组上的电压即为线电压U1，电动机正常运行。

2）定子绕组串电阻减压起动

定子绕组串电阻减压起动是指电动机起动时，把电阻串接在电动机定子绕组与电源之间，通过电阻的分压作用来减低定子绕组上的起动电压，待电动机起动后，再将电阻短接使电动机在额定电压下正常运行，如图8-6所示。这种减压起动控制线路有手动控制、按钮与接触器控制、时间继电器自动控制和手动自动混合控制等四种方式，目前这种减压起动方法在生产实际中的应用正逐步减少。三相异步电动机的起动与调速

L1L2L3Q1FURstM3～FUQ2图8-6串电阻减压起动图8-7自耦变压器减压起动

3）自耦变压器的减压起动

这种减压起动方法是利用自耦变压器来减低加在电动机定子绕组上的起动电压，如图8-7所示。起动时，先合上开关Q1，再将开关Q2投向“起动”位置，这时经过自耦变压器减压后的交流电压加到电动机三相定子绕组上，电动机开始减压起动，待电动机转速升高到一定值后，再把Q2投向“运行”位置，使电动机与自耦变压器脱离，从而在全压下正常运行。 采用自耦变压器减压起动，可以使电源供给电动机的起动电流为直接起动的1/k2倍。由于电压减低为1/k倍，故电动机的起动转矩减为1/k2倍。

用Y-△减压起动时，起动电流为直接采用三角形连接时起动电流的1／3，所以对减低起动电流很有效，但起动转矩也只有用三角形连接直接起动时的1／3，即起动转矩减低很多，故只能用于轻载或空载起动的设备上。此法的最大优点是所需设备较少、价格低，因而获得了较为广泛的采用。由于此法只能用于正常运行时为三角形连接的电动机上，因此我国生产的J02系列、Y系列、Y2系列三相笼型异步电动机，凡功率在4kW及以上者，正常运行时都采用三角形连接。

4）延边三角形减压起动

延边三角形减压起动是指电动机起动时，把定子绕组的一部分接成△，另一部分接成Y，使整个绕组接成延边三角形，如图8-9（a）所示，待电动机起动后，再把定子绕组改接成△全压运行，如图8-9（b）所示。这种起动方法称为延边三角形减压起动。 延边△减压起动是在Y-△减压起动的基础上加以改进而形成的一种起动方式，它把Y和△两种接法结合起来，使电动机每相定子绕组承受的电压小于△连接时的相电压，而大于Y形连接时的相电压，并且每相绕组电压的大小可随电动机绕组抽头（U3、V3、W3）位置的改变而调节，从而克服了Y-△减压起动时起动电压偏低，起动转矩偏小的缺点。

图8-9延边三角形减压起动电动机定子绕组的连接方式(a)延边△连结；

(b)△连结四、绕线转子异步电动机的起动

三相绕线式转子异步电动机与笼型异步电动机的主要区别是转子绕组可通过电刷和集电环与起动变阻器或频敏变阻器串联，以改善电动机的机械性能，从而达到减小起动电流，增大增大起动转矩以及平滑调速的目的。

1.转子绕组串入电阻起动

绕线转子异步电动机转子电路串变阻器起动，其控制原理图如图8-10所示。 起动前将变阻器电阻调到最大位置，使电阻全部接人转子电路，然后合上QS，随着电动机转速逐渐升高，将变阻器的电阻逐级切除，并最后将变阻器电阻全部短接。三相异步电动机的起动与调速

三相异步电动机的起动与调速

2.转子电路串人频敏变阻器起动

频敏变阻器起动的特点是，它起动时的电阻值，能随着转速的上升而自动平滑地减小，使电动机能平稳地起动。频敏变阻器的结构如图8-11（a）所示，起动原理图如图8-11（b）。 频敏变阻器由铁心和绕组两个主要部分组成，一般做成三柱式，每个柱上有一个绕组，实际上是一个特殊的三相铁心电抗器，通常接成星形。频敏变阻器的铁心是用几毫米到几十毫米厚的钢板焊成的。三相异步电动机的起动与调速

绕线转子异步电动机转子电路串频敏变阻器起动的原理图，如图8-11（b）所示。当电动机起动时，电动机转速很低，转子频率f2很大（接近f1），铁心中的损耗很大，即等效电阻R2很大，因此限制了起动电流，增大了起动转矩。随着电动机转速的增加，转子电流频率f2下减（f2＝Qf1），于是R2减小，使电动机逐渐起动。整个起动过程中，由于频敏变阻器的等值阻抗随转子电流频率的减小而减小，从而达到自动变阻的目的，实现了电动机的无级起动。因此，只需要一级频敏变阻器就可以平稳地把电动机起动起来。起动结束后，应将频敏变阻器短接，切除频敏变阻器。三相异步电动机的起动与调速

三相异步电动机的起动与调速

（二）交流电动机的调速原理

所谓调速就是用人为的方法来改变异步电动机机械特性，使它在同一负载下，获得不同的转速，以适应生产的需要。根据三相异步电动机的转速公式 可知，三相异步电动机的调速有以下三种方法：

1）变极调速

改变定子绕组的磁极对数p。

2）变转差率调速

改变电动机的转差率s。

3）变频调速

改变电源频率f1。三相异步电动机的起动与调速

1．变极调速

将三相异步电动机定子绕组展开图简化成如图8-12（a）的形式，此时U相绕组的磁极数为，若改变绕组的连接方法，使一半绕组中的电流方向改变，成为图8-12（b）的形式，则此时U相绕组的磁极数即变为，由此可以得出：当每相定子绕组中有一半绕组内的电流方向改变时，即达到了变极调速的目的。三相异步电动机的起动与调速

图8-12变极调速电动机绕组展开示意图(a)2p=4；

(b)2p=2三相异步电动机的起动与调速

多速电动机定子绕组的接线方法很多，双速电动机常用的接线方法有两种，一种是绕组从单星形（Y）改接成双星形（2Y），如图8-13（a）所示；另一种是绕组从三角形（△）改变成双星形（2Y），如图8-13（b）所示。 这两种连接方法都是使磁极减少一半而使转速增加一倍，但电动机相应的机械特性和允许负载却各不相同，宜采用哪一种连接方法，要根据生产机械的要求来选择。三相异步电动机的起动与调速

三相异步电动机的起动与调速

图8-13双速电动机定子绕组接线(a)Y／2联结；

(b)△/YY联结三相异步电动机的起动与调速

2．改变转差率s调速 图8-14绕线转子异步电动机转子串电阻调速的机械特性 改变转差率s的调速方法有：转子回路串电阻、改变电源电压、电磁转差离合器调速等方法。 （1）转子回路串电阻调速

即改变转子电路的电阻，此法只适用于绕线转子异步电动机。三相异步电动机的起动与调速

如图8-14所示，绕线转子异步电动机转子串电阻后，电动机的同步转速和最大转矩都保持不变，，但临界转差率增大，而临界转差率与转子回路电阻成正比，串入的电阻越大，转差率越大，电动机的转速就越低，机械特性就越软，从而达到调速的目的。 这种调速方法简单，但在转子电路中串入电阻要消耗功率，使电动机的效率减低；且调速范围小，又只用于绕线转子异步电动机上，故一般仅用在运输、起重等断续工作的生产机械上。三相异步电动机的起动与调速

（2）改变电源电压调速

改变电动机的电源电压U1，可改变最大转矩的数值，因为电动机的电磁转矩与电源电压的平方成正比，即，对应不同电源电压的机械特性如图8-15所示。（3）电子转差离合器调速

这种调速方法适用于电磁调速异步电动机。电磁调速异步电动机又称滑差电动机。电磁调速异步电动机是由笼形异步电动机、转差离合器和控制装置三部分组成。三相异步电动机的起动与调速

3．改变电源频率调速 通过改变电源频率来调节电动机转速的方法，称为变频调速。 当改变电源频率f时，异步电动机的同步转速n1与频率f成正比变化，从而转子转速n也随之改变。 变频调速的调速范围较大，其调速范围可达10：1，能实现无级调速，且调速时对负载性质能根据需要加以控制：在Ul／f为常数的情况下，可适用要求恒转矩负载；而在U1＝定值的情况下，可适用要求恒功率的负载。

第五章

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8W～750W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、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，下面仅就这种电动机进行介绍。单相异步电动机的种类：1.单相电阻起动异步电动机—冰箱压缩机2.单相电容起动异步电动机--冰箱压缩机3.单相电容起动运转异步电动--空调压缩机4.单相罩极异步电动机—小家电按其工作原理、结构和转速等分三类：单相异步电动机、单相同步电动机和单相串励电动机第一节单相异步电动机的基本结构和工作原理异步电机主要由固定不动的定子和旋转的转子两部分组成，定、转子之间有气隙.

一、单相异步电动机的结构

在结构上与三相笼形异步电动机类似，转子绕组也为一笼形转子。定子上有一个单相工作绕组和一个启动绕组，为了能产生旋转磁场，在启动绕组中还串联了一个电容器，其结构如图5.1所示。图5.1单相异步电动机结构图1.定子定子由定子铁心、定子绕组、机座、端盖等部分组成，其主要作用是通入交流电，产生旋转磁场。2.转子转子由转子铁心、转子绕组、转轴等组成，其作用是导体切割旋转磁场，产生电磁转矩，拖动机械负载工作。3.单相异步电动机的铭牌1.单相异步电动机的脉动磁场图5.7单相绕组产生的脉动磁场

若单相异步电动机的转子静止不动，则在脉动磁场作用下，转子导体因与磁场之间没有相对运动，而不产生感应电动势和电流，也就不存在电磁力的作用，因此转子仍然静止不动，即单相异步电动机没有起动转矩，不能自行起动。2.两相绕组旋转磁场的产生图9.6两相绕组产生的旋转磁场第二节电容分相单相异步电动机一、电容分相单相异步电动机的工作原理在定子铁心上嵌放着两套绕组，即工作绕组U1U2和起动绕组Z1Z2。图5.2电容分相单相电动机接线图及相量图

为了能产生旋转磁场，利用启动绕组中串联电容实现分相，其接线原理如图5.2（a）所示。只要合理选择参数便能使工作绕组中的电流与启动绕组中的电流相位相差90°，如图5.2（b）所示，分相后两相电波形如图5.3所示。设则

图5.3两相电流波形图

如同分析三相绕组旋转磁场一样，将正交的两相交流电流通入在空间位置上互差90°的两相绕组中，同样能产生旋转磁场，如图5.4所示。

与三相异步电动机相似，只要交换启动绕组或工作绕组两端与电源的连接便可改变旋转磁场的方向。图5.4两相旋转磁场

1.电容（分相）启动单相异步电动机图9.10电容起动单相异步电动机接线及向量图二、电容分相单相异步电动机的分类1.电容运行单相异步电动机图9.11单相电容运转异步电动机接线图3.双值电容单相异步电动机1）接线图

图9.12单相电容启动及运转异步电动机接线图

2）单相双值电容异步电动机工作原理9.3.1单相电阻（分相）启动异步电动机1．接线图2．启动原理图9.8单相电阻启动异步电动机接线及向量图9.3.1单相电阻（分相）启动异步电动机3．单相电阻（分相）启动异步电动机的应用第四节罩极式单相异步电机~~i12定子绕组鼠笼式转子短路环极掌(极靴)

当电流i流过定子绕组时，产生了一部分磁通1

，同时产生的另一部分磁通与短路环作用生成了磁通2

。由于短路环中感应电流的阻碍作用，使得2在相位上滞后1

，从而在电动机定子极掌上形成一个向短路环方向移动的磁场，使转子获得所需的起动转矩。

罩极式单相异步电动机起动转矩较小，转向不能改变，常用于电风扇、吹风机中；电容分相式单相异步电动机的起动转矩大，转向可改变，故常用于洗衣机等电器中。图2-19凸极式集中励磁罩极电动机结构1-凸极式定子铁心2-转子3-罩极4-定子绕组图2-20凸极式分别励磁罩极电动机结构1-凸极式定子铁心2-罩极3-定子绕组4-转子

第五节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、抽头法调速和晶闸管调速。1.串电抗器调速在电动机的电源线路中串联起分压作用的电抗器，通过调速开关选择电抗器绕组的匝数来调节电抗值，从而改变电动机两端的电压，达到调速的目的，如图5.5所示。串电抗器调速，其优点是结构简单，容易调整调速比，但消耗的材料多，调速器体积大。图5.5串电抗器调速接线图

2.抽头法调速

如果将电抗器和电机结合在一起，在电动机定子铁心上嵌入一个中间绕组(或称调速绕组)，通过调速开关改变电动机气隙磁场的大小及椭圆度，可达到调速的目的。根据中间绕组与工作绕组和启动绕组的接线不同，常用的有T形接法和L形接法，如图5.6所示。抽头法调速与串电抗器调速相比较，抽头法调速时用料省，耗电少，但是绕组嵌线和接线比较复杂。（a）T形接法（b）L形接法图5.6抽头法调速接线图3.晶闸管调速利用改变晶闸管的导通角，来实现加在单相异步电动机上的交流电压的大小，从而达到调节电动机转速的目的，这种方法能实现无级调速，缺点是会产生一些电磁干扰。目前常用于吊式风扇的调速上。

直流电动机原理示意图如右图所示。第一节直流电动机的工作原理及可逆性第六章

直流电机

直流发电机与直流电动机在理论上是可逆的。一、直流电动机的工作原理

1．在图中所示位置时

电源正极接A、负极接B，电枢绕组中电流流向abcd，电枢受力朝逆时针方向旋转。

2．电枢转过90时

电源中断，电枢凭惯性旋转。

3．电枢转过180时

电枢中电流流向为dcba，电枢受力朝逆时针方向旋转。

4．反电动势5．电源电压

电枢转动后，其绕组切割励磁磁场磁感线产生与电枢电流方向相反的感应电动势，其值为式中，Ce——电动机电动势常数。

加在电枢绕组上的电压必须用于解决两个部分的需要，即平衡平衡反电动势和克服电枢绕组的电阻电压。其中电枢电流为

当负载增大时，电枢电流增大，电动机功率增大，但转速下降；当负载减小时，情况与上述规律相反。第二节直流电机的构造

（一）定子定子由机座、主磁极、换向磁极、电刷组件组成，如右图所示。定子的横剖平面图如右图所示。1．机座用铸钢或铜板焊成，用作支撑和保护整机结构，同时又是电机磁路的一部分，有良好的导磁性能和机械强度。2．主磁极由铁心和励磁绕组组成。铁心由极身和极靴两部分组成，如下图所示。励磁绕组绕在铁心外面，主磁极的作用是在励磁绕组中通入励磁电流时产生主磁通。第一节

直流电机3．换向磁极换向磁极的作用是为了改善换向性能，减小换向火花。换向磁极与转子间气隙较大，涡流较小，可用整块钢制成。其上的绕组一般与电枢绕组串联，用横截面较大的铜导线绕制。第一节

直流电机4．电刷组件电刷组件由电刷、刷握、刷杆、刷杆座及压紧弹簧组成，如下图所示。电刷内有用细铜丝编织成的刷辫与外电路导通，从而连接电枢、电刷及电路，引入或导出电枢电流。第一节

直流电机（二）电枢电枢又称转子，作用是在励磁磁场作用下，产生感应电动势和电磁转矩，实现电能与机械能之间的转换。其结构如下图所示。第一节

直流电机1．电枢铁心电机磁路的另一部分，为减小涡流由硅钢片叠压而成。在电区外缘有嵌放绕组的铁心槽，整个铁心固定在转动轴上，随轴一起转动。2．电枢绕组由绝缘铜导线或扁铜线在模具上绕制成型后嵌放在转子铁心槽中，伸出铁心槽的端部，均用非磁性丝带扎紧，每个线圈的首尾端，均按一定规律，焊接到换向片上。第一节

直流电机3．换向器由若干个楔形铜片装成一圆柱体，片与片之间用云母绝缘。结构如下图所示。换向片与转轴之间又用塑料绝缘，固定在转轴的一端，按照一定规律与电枢绕组连接。它的作用是变换电枢电流方向并通过电刷将电枢绕组与电路接通。（三）直流电机的其他部分

直流电机的其他部分还有端盖、轴承、转轴、风扇、接线板、接线盒等。（一）并励电机

电机励磁绕组与电枢绕组并联，共用一个直流电源供电，如下图所示。三、直流电机的励磁

为了保证电枢的输出功率，电枢绕组线径粗、匝数少、电阻小，应有足够大的工作电流。（二）串励电机电机的励磁绕组与电枢绕组串联接于同一电源，如图所示。为了减小励磁电压，励磁绕组的线径粗、匝数少、电阻小。第一节

直流电机（三）复励电机

电机主磁极上嵌放两套独立的绕组，一套与电枢绕组并联，另一套与电枢绕组串联，如下图所示。（四）他励电机

以上三种励磁方式的直流电机作发电机时，它们的励磁电流都是由自己发出的，所以通称为自励电机。他励电机的励磁电流由另外的直流电源供给，如图所示。

这类电机设备较复杂，但它的优点是：励磁电流不受电枢电压影响，而只与励磁电源电动势和励磁绕组有关。一、直流电动机的起动

1．并励电动机的串电阻起动与反转 （1）按图11-5并励电动机启动原理图分析电路，按图11-6所示接线，或按实验室提供的设备接线图接线。 （2）直流电动机启动前应将励磁变阻器Rf置于阻值最小位置以保证起动时主磁场最强。将起动器手柄置于零位，使启动变阻器Rst置于阻值最大位置，以限制电动机启动时的启动电流。第六节

直流电动机的起动、调速、反转与制动

（3）合上电源开关Q。缓慢减小启动变阻器Rst阻值，直至启动变阻器阻值为零，直流电动机启动完毕；观察并记下直流电动机的转向。 （4）用转速表正确测量直流电动机的转速。适当调节励磁变阻器Rf的大小，观察电动机转速变化情况，但应注意电动机转速不能过高。 （5）停机时，断开电源开关Q，待电动机完全停车后，分别改变直流电动机励磁绕组和电枢绕组的接法，再启动电动机，观察直流电动机的转向变化并记录于表11-2中。并励电动机转速公式二、直流电动机的调速控制

串励电动机转速公式

下面以改变主磁极磁通

调速为例分析其调速方法及原理。

1．并励电动机的变

调速在励磁支路上串入一阻值连续可调的变阻器RP，如图所示。由可知，RP增大时，减小，转速n

上升；RP减小时，增大，转速n

下降。

2．串励电动机变调速在励磁支路上并入一阻值连续可调的变阻器，如图所示。转速公式应修改为因此，RP增大时，增大，转速n下降；RP减小时，减小，转速n

上升。

（1）可实现无级平滑调速。

3．根据转矩公式T=CTIa

分析，在调速中如保持转矩T

不变，

减小，电枢电流Ia

必然增大。如果调速前已达额定值，则不能用此法调速。它只适用于调高速度以前电枢电流未达额定值的情况。这种调速方法具有如下特点：（2）调节器速后，新的转速仍较稳定。（3）励磁电流小，能量损耗小。（4）这种调速方法的缺点是转速只能调到比加调速变阻器前的转速高。

让直流电动机反转有两种方法：二、直流电动机的反转控制

1．保持电枢电流方向不变，将励磁绕组反接，改变励磁电流方向；

2．保持励磁电流方向不变，将电枢绕组反接，从而改变电枢电流方向。第七章同步电机大型同步电动机60TYK永磁同步电动机微型同步电动机第二节同步电机的基本结构

与直流机、异步电动机一样，同步电动机也是由定子和转子两大部分组成。

1、定子 同步电动机，由于尺寸太大，硅钢片常制成扇形，然后对成圆形。2、转子

由磁极、转轴、阻尼绕组、滑环、电刷等组成，在电刷和滑环通入直流电励磁，产固定磁极。根据容量大小和转速高低转子结构分凸极和隐极两种。

同步电动机的结构转子磁极结构凸极型转子的外形图第一节同步电机的工作原理及用途

一、同步电动机的工作原理

同步电动机的定子三相绕组中