第四章变压器和电动机

第15章变压器和电动机15.1磁路分析基础15.2变压器

15.3异步电动机*15.4三相同步电动机*15.5直流电动机

*15.6控制电机本章要求：2.了解变压器的基本结构、工作原理、运行特性和绕组的同极性端，理解变压器额定值的意义,掌握变压器电压、电流和阻抗变换作用；1.理解磁场的基本物理量的意义，了解磁性材料的基本知识及磁路的基本定律，3.了解三相交流异步电动机的基本构造和转动原理。4.理解三相交流异步电动机的机械特性，掌握起动和反转的基本方法,了解调速和制动的方法。5.理解三相交流异步电动机铭牌数据的意义。15.1磁路分析基础

电工技术中变压器、电动机是最常用的电工设备，它们都是以电磁感应作为工作基础的能量变换装置。

本章首先介绍磁路分析基础，然后学习变压器的工作原理和基本特性。在电动机部分主要学习异步电动机，并介绍同步电动机、直流电动机和常用的控制电机。由铁心线圈构成的使磁通集中通过的闭合路径--磁路。15.1.1铁磁材料的特点铁磁性材料主要特点：高导磁性、磁饱和性、磁滞性。第15章变压器和电动机1.高导磁性磁导率μ：表征各种材料导磁能力的物理量（亨/米）*

真空中的磁导率(μ0

)为常数*一般材料的磁导率μ和真空中的磁导率比，称为这种材料的相对磁导率μr称为磁性材料称为非磁性材料

铁磁性材料的相对磁导率μr值很高，可达几百到几万。利用优质铁磁材料的铁心线圈可以让励磁电流小，磁通和磁感应强度足够大。

2.磁饱和性磁场强度H与磁场方向垂直的单位面积所通过的磁通,故又称磁通密度。磁感应强度B在均匀磁场中=BS或B=/SB的单位：特斯拉（Tesla）1Tesla=104高斯的单位：韦伯介质中某点的磁感应强度B与介质磁导率之比。H：安培/米（A/m)单位：B：特斯拉μ：亨/米BB0oHB

磁导率μ≈μ0=4π×10－7亨/米为常数。磁感应强度（B）与磁场强度（H）成线性关系，非磁性材料B0=μ0H，

放入磁场强度为H的磁场内，会受到强烈的磁化，开始时B与H近于成正比增加，随着H的增加，B的增加缓慢下来，最后趋于磁饱和。磁性材料3.磁滞性当铁心线圈中通交流时，铁心受到磁化，B随H增加的而增加。当磁化电流减小使H为0时，B的变化滞后于H，有剩磁Br。磁滞回线OHB••••BrHc

消除剩磁，须加反向磁场强度Hc，称为矫顽磁力。这种磁感应强度B滞后于磁场强度H变化的性质--铁磁性材料的磁滞性。Hc不同的铁磁性材料，其磁滞回线的面积不同，形状也不同。铁磁材料按磁性能分为三类

其回线呈细长条形，B

r小，H

c也小，磁导率高，易磁化也易退磁，用作交流电器的铁心。如硅钢片、坡莫合金、铸钢、铸铁、软磁铁氧体；1）软磁材料

回线呈。矩形形状的铁磁材料，B

r大，但H

c小，稳定性良好可以在计算机和控制系统中用作记忆元件。

回线呈阔叶形状，Br较大，H

c也较大，常在扬声器、传感器、微电机及仪表中使用，是人造永久磁铁的主要材料，如钨钢、钴钢等；2）硬磁性材料3）矩磁性材料15.1.2磁路欧姆定律安培环路定律（全电流定律）I1HI2

任意选定一个闭合回线的围绕方向，凡是电流方向与闭合回线围绕方向之间符合右螺旋定则的电流作为正、反之为负。

式中：是磁场强度矢量沿任意闭合线(常取磁通作为闭合回线)的线积分；I

是穿过闭合回线所围面积的电流的代数和。安培环路定律电流正负的规定：I1HI2安培环路定律将电流与磁场强度联系起来。

在均匀磁场中

Hl=IN

环形线圈如图，其中媒质是均匀的，线圈内部各点的磁场强度。SxHxIN匝取磁通作为闭合回线，以其方向作为回线的围绕方向，则有：例解：式中：N

线圈匝数；

lx=2x是半径为x的圆周长；

Hx半径x处的磁场强度；

NI为线圈匝数与电流的乘积。令线圈匝数与电流的乘积NI---为磁动势，字母F表示F=NI磁动势的单位是安[培]Rm称为磁阻，表示磁路对磁通的阻碍作用。l为磁路的平均长度；S为磁路的截面积，μ为磁导率。磁路的欧姆定律。

磁路与电路的比较磁路磁动势F磁通磁阻电路电动势E电流密度J电阻磁感应强度B电流INI+_EIR

磁路分析的特点(1)在处理电路时不涉及电场问题，在处理磁路时离不开磁场的概念；(2)在处理电路时一般可以不考虑漏电流，在处理磁路时一般都要考虑漏磁通；(3)磁路欧姆定律和电路欧姆定律只是在形式上相似。由于不是常数，其Rm也不是常数。磁路欧姆定律不能直接用来计算，只能用于定性分析；(4)在电路中，当E=0时，I=0；但在磁路中，由于有剩磁，当F=0时，不为零。若磁动势F=NI不变，则磁路中空气隙愈大，磁通Φ就愈小；反之，如线圈的匝数N一定，要保持磁通Φ不变，则空气隙愈大，所需的励磁电流I也愈大。带有空气隙的磁路如图所示磁路的总磁阻为各段磁阻之和。μ2IS2l2μ1

S1l1δS0≈S1

对空气隙这段磁路，其δ虽小，但因μ0很小，故Rm很大，整个磁路的磁阻大大增加IU15.1.3简单磁路分析

将线圈绕制在铁心构成铁心线圈，铁心线圈分为两类：直流铁心线圈和交流铁心线圈，它的磁路也就称为直流磁路和交流磁路。1.直流磁路

铁心线圈中通入直流电流，在铁心及空气中产生磁通Φ和漏磁通Φσ

ΦσΦ主磁通工程中：直流电机、直流电磁铁及其他各种直流电磁器件的线圈都是直流铁心线圈漏磁通直流铁心线圈的特点：（1）励磁电流I由外加电压及励磁绕组的电阻R决定，与磁路特性无关。IUΦσΦ主磁通恒定磁通，不会在线圈和铁心中产生感应电动势（2）励磁电流I产生的磁通不仅与线圈的电流I（即磁动势NI）有关，还决定于磁路中磁阻Rm（3）直流铁心线圈中磁通Φ的大小漏磁通iuuReeσ

ΔP=I2R，由线圈中的电流和电阻决定。因磁通恒定，在铁心中不会产生损耗。（4）直流铁心线圈的功率损耗（铜损）2.交流磁路交流铁心线圈中通入交流电流，产生交变磁通，在铁心和线圈中产生感应电动势.Φ主磁通Φσ漏磁通（1）电磁关系

交流铁心线圈的磁动势iN产生交变磁通，即通过铁心闭合的主磁通Φ和通过空气的闭合漏磁通Φσ

其参考方向根据磁通的方向，由右手螺旋定则决定。

两个磁通又在线圈中产生两个感应电动势。主磁电动势e和漏磁电动势eσiuuReeσΦ主磁通Φσ漏磁通漏电感为常数，

基尔霍夫电压定律，交流铁心线圈的电压平衡式iuuReeσΦ主磁通Φσ漏磁通

线圈电阻上的电压降uR和漏磁电动势eσ都很小，忽略不计。

设磁通Φ=Φmsinωt，线圈两端电源电压u与磁通Φ的关系为u也按正弦规律变化

电压的有效值为

U--单位伏（V），F--单位赫（Hz），Φm--单位韦伯（Wb）对有空气隙的铁心磁路，U、f和N一定时，当空气隙增大，Rm增加，励磁电流增大（磁动势IN增大）；反之当空气隙减小，Rm减小，励磁电流减小（磁动势IN减小）。1）交流磁路中，当线圈两端外加电压有效值恒定时，铁心磁路中磁通的最大值恒定。2）交流磁路的磁动势（励磁电流）会随磁阻的变化而变化。结论：（2）功率损耗2）铁损ΔPFe1）线圈的铜损ΔPCu=I2R。R是线圈的电阻；I是线圈中电流的有效值铁心在交变磁通作用下铁损由磁滞和涡流产生的磁滞损耗和涡流损耗。①磁滞损耗（Ph）OHB由铁磁材料的磁滞现象造成的

与材料的磁滞回线所包围的面积以及励磁电流的频率成正比。为了减小磁滞损耗，应尽量采用软磁性材料，如硅钢等。磁滞损耗转化为热能，引起铁心发热。②涡流损耗△Pe。

涡流：交变磁通在铁心内产生感应电动势和电流，涡流在垂直于磁通的平面内环流。涡流损耗转化为热能，引起铁心发热。减少涡流损耗措施：提高铁心的电阻率。铁心用彼此绝缘的钢片叠成，把涡流限制在较小的截面内。交流铁心线圈的有功功率为：15.2.1变压器的分类

根据电磁感应原理制成的一种电气设备，它具有变换电压、变换电流和变换阻抗的功能，按照用途分，变压器主要分成三大类：1．电力变压器

15.2变压器

用在输配电系统中，传输和分配电能。

电力变压器又有单相变压器和三相变压器。三相变压器

电力工业中常采用高压输电低压配电，实现节能并保证用电安全。

2．特种电源变压器

用来获得工业中特殊要求的电源，如整流变压器、电炉变压器等。3.专用变压器有专门用途的变压器。电源变压器自耦变压器

环形变压器隔离变压器按相数分三相变压器

单相变压器按制造方式壳式心式变压器符号

+-i1u1i2u2ZLΦ铁心由高导磁硅钢片叠成厚0.35mm或0.5mm铁心变压器的磁路绕组：原边绕组副边绕组原边绕组N1副边绕组N2变压器的电路

变压器的结构15.2.2变压器的工作原理它由闭合铁心和高压、低压绕组等几个主要部分构成。变压器的工作原理

原、副边绕组互不相连，能量的传递靠磁耦合。+-i1u1i2u2ZLΦ铁心一次绕组N1二次绕组N2单相变压器(1)空载运行情况1.电磁关系原边接交流电源，副边开路。+–+–+–+–+–1i0(i0N1)

1空载时，铁心中主磁通是由原边绕组磁通势产生的。(2)带负载运行情况1.电磁关系原边接交流电源，副边接负载。+–+–+–11i1(i1N1)i1i2(i2N2)

2有载时，铁心中主磁通是由原边、副边绕组磁通势共同产生的合成磁通。2i2+–e2+–e2+–u2Z2.电压变换（设加正弦交流电压）有效值:同理：主磁通按正弦规律变化，设为则(1)原边、副边主磁通感应电动势根据KVL：变压器原边的等效电路如图

由于电阻R1和感抗X1(或漏磁通)较小,其两端的电压也较小,与主磁电动势E1比较可忽略不计，则–––+++(2)原、副边电压式中R1为原边绕组的电阻;

X1=L1为原边绕组的感抗(漏磁感抗，由漏磁产生)。（匝比）K为变比对副边，根据KVL：结论：改变匝数比，就能改变输出电压。式中R2为副边绕组的电阻;

X2=L2为副边绕组的感抗；

为副边绕组的端电压。变压器空载时:+–u2+–+–+–i1i2+–e2+–e2式中U20为变压器空载电压。故有3.电流变换(原边、副边电流关系)有载运行

可见，铁心中主磁通的最大值m在变压器空载和有载时近似保持不变。即有

不论变压器空载还是有载，原边绕组上的阻抗压降均可忽略，故有由上式，若U1、f不变，则m基本不变，近于常数。空载：有载：+–|Z|+–+–+–一般情况下：I0(2~3)%I1N很小可忽略。或结论：原、副边电流与匝数成反比。或：1.提供产生m的磁势2.提供用于补偿i2N2

作用

的磁势磁势平衡式：空载磁势有载磁势4.阻抗变换+–+–+–由图可知：

结论：变压器原边的等效阻抗模，为副边所带负载的阻抗模的K2倍。(1)

变压器的匝数比应为：信号源R0RL+–R0+–+–解:例1:

如图，交流信号源的电动势E=120V，内阻R0=800，负载为扬声器，其等效电阻为RL=8。要求:（1）当RL折算到原边的等效电阻时，求变压器的匝数比和信号源输出的功率；（2）当将负载直接与信号源联接时,信号源输出多大功率？信号源的输出功率：电子线路中，常利用阻抗匹配实现最大输出功率。

结论：接入变压器以后，输出功率大大提高。原因：满足了最大功率输出的条件：（2）将负载直接接到信号源上时，输出功率为：三相电压的变换ABCXYZabczyx1)三相变压器的结构高压绕组：A-XB-YC-ZX、Y、Z：尾端A、B、C：首端低压绕组：a-xb-yc-za、b、c：首端x、y、z：尾端2)三相变压器的联结方式联结方式：高压绕组接法低压绕组接法三相配电变压器动力供电系统（井下照明）高压、超高压供电系统常用接法:（1）三相变压器Y/Y0联结线电压之比：ACBbca+–+–+–+–（2）三相变压器Y0/联结线电压之比：ACBabc+–+–+–15.2.3变压器的运行特性

当原边电压U1和负载功率因数cos2保持不变时，副边输出电压U2和输出电流I2的关系，U2=f(I2)。U2I2U20I2Ncos2=1Ocos2=0.8(感性）

U20：原边加额定电压、副边开路时，副边的输出电压。负载功率因数愈低，U2下降愈大。1.变压器的外特性一般供电系统希望要硬特性（随I2的变化，U2变化不大）。软特性硬特性2.电压调整率（电压变化率）它反映了从空载到额定负载时，副边输出电压的变化程度。是衡量变压器供电平衡能力和运行性能的重要数据之一U20是副边的空载电压，U2是副边的输出电压。

在一般电力变压器中由于其电阻和漏抗都很小，电压变化率约为5%左右。3.变压器的效率()为减少涡流损耗，铁心一般由导磁钢片叠成。变压器的损耗包括两部分：铜损(PCu)：绕组导线电阻的损耗。涡流损耗：交变磁通在铁心中产生的感

应电流(涡流)造成的损耗。磁滞损耗：磁滞现象引起铁心发热，造

成的损耗。

铁损(PFe)：变压器的效率为输出功率输入功率

它与主磁通Φm2或U12成正比，它与负载大小和性能无关，电源电压U1不变时，Φm基本不变，故ΔPFe也基本不变,称为不变损耗。铜损ΔPCu=I12R1+I22R2与负载电流的大小有关，叫作可变损耗其中：铁损包括磁滞损耗ΔPh和涡流损耗ΔPe变压器的效率曲线η=f（P2）

ηP2oηmax通常小型变压器的效率约为60%~90%，大型电力变压器的效率可达97%以上。在设计时统常使最大效率出现在50%~75%额定负载左右。有一带电阻负载的三相变压器，其额定数据如下：SN=100kVA,U1N=6000V,f=50Hz。U2N=U20=400V,绕组连接成／０。由试验测得:

PFe

=600W，额定负载时的

PCu

=2400W。试求(1)变压器的额定电流；(2)满载和半载时的效率。解:(1)定电流例(２)满载和半载时的效率15.2.4变压器的使用

1．变压器的铭牌数据铝线电力变压器产品标准：额定容量：1000千伏安型号：SL7—1000/10千伏安额定电压高压：10000伏低压：400

/

230伏额定电流高压：57.7安低压：1442安相数：3

频率：50赫使用条件：户外式线圈温升：65oC油面温升：65oC阻抗电压：4.5%冷却方式：油浸自冷式接线连接图相量图高压低压高压低压连接组标号分接头电压开关位置Y/Y-12Ⅰ10500Ⅱ10000Ⅲ9500abcABCABCX1X2X3Y1Y2Y3Z1Z2Z3axbcyzn1）变压器的型号

冷却方式J:油浸自冷式(不标)F:油浸风冷式相数S:三相D:单相S

L71000/10

设计序号

铝线圈（铜线不标）变压器额定容量(KVA)高压绕组的额定电压(KV)2）额定电压

U1N、U2N

变压器副边开路（空载）时，原、副边绕组允许的电压值单相：U1N，原边电压，

U2N，副边空载时的电压三相：U1N、U2N，原、副边的线电压

3）额定电流

I1N、I2N

变压器满载运行时，原、副边绕组允许的电流值。单相：原、副边绕组允许的电流值三相：原、副边绕组线电流

4）额定容量

SN

传送功率的最大能力。单相：三相：容量SN

输出功率P2

原边输入功率P1

输出功率P2注意：变压器几个功率的关系（单相）效率容量：原边输入功率：输出功率：变压器运行时的功率取决于负载的性质

有三相配电变压器，其连接组别号Y／Y0，额定电压为10000/400V，现向额定电压U2=380V,

功率P2=60kW,cosφ2=0.82的负载供电。求原、副绕组的电流，并选择变压器的容量。例解:

变压器供给负载的电流

变压器是星形连接，绕组相电流IP2等于线电流Il2，副绕组电流也是111.2A。变压器的变比绕组的电流IP1（等于线电流Il1）为变压器的容量SN应≥S2=P2/cosφ2=60/0.82=73.17kVA，选变压器容量为100kVA

2.变压器绕组的极性及其测定1)同极性端

(同名端)

当电流流入(或流出）两个线圈时，若产生的磁通方向相同，则两个流入(或流出）端称为同极性端。

或者说，当铁心中磁通变化时，在两线圈中产生的感应电动势极性相同的两端为同极性端。

同极性端用“•”表示。

同极性端和绕组的绕向有关。AXax••AXax••增加–++–+–+–2)线圈的接法当两个线圈需要串联时，必须将两线圈的异极性端相联

变压器原边有两个额定电压为110V的绕组当电源电压为220V时：••1324+–电源电压为110V时：••1324+–问题1：在110V

情况下，如果只用一个绕组N），行不行？答：不行（两绕组必须并接）两种接法铁心中的磁通相等，则：若将两绕组并接，对每个绕组有i110=i220，不会因电流过大而使变压器过热。••1324+–••1324’+–问题2：如果两绕组的极性端接错，结果如何？答：有可能烧毁变压器两个线圈中的磁通抵消原因：电流很大烧毁变压器感应电势结论：在同极性端不明确时，一定要先测定同极性端再通电。

3）同极性端的测定方法方法一：交流法把两个线圈的任意两端(X-x)连接,然后在AX上加一低电压uAX。aAXx+–测量：UAX、

UAa、UaxVV若

说明A与a或X与x为同极性。

结论：

若

说明A与x

或X与a

是同极性端.方法二：直流法Xx电流表+_Aa+–S••AXax+_S+–

设S闭合时增加。感应电动势的方向，阻止的增加。

如果当S闭合时，电流表正偏，则A-a为同极性端;结论：

如果当S闭合时，电流表反偏，则A-x为同极性端。15.2.5专用变压器1.自耦变压器原、副边共用一个绕组，副绕组是原绕组的一部分。ABP+–+–12345注意：使用时，改变滑动端的位置，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制作的。③因为原、副绕组有电的直接联系，联接电源时，“1”端必须接中线。①原、副绕组不能对调使用，如把电源接到副绕组，可能烧坏调压器或使电源短路。②接通电源前，先将滑动头旋到零位，通电后再将输出电压调到所需值。用毕应将滑动头回到零位。ABP+–+–123452.电压互感器实现用低量程的电压表测量高电压VR

N1（匝数多）保险丝

N2（匝数少）~u（被测电压）电压表被测电压=电压表读数N1/N2使用注意事项：2）铁心、低压绕组的一端接地，以防在绝缘损坏时，在副边出现高压。1）副边不能短路，以防产生过流；3.电流互感器实现用低量程的电流表测量大电流（被测电流）N1（匝数少）N2（匝数多）ARi1i2电流表被测电流=电流表读数N2/N11.二次侧不能开路，以防产生高电压；2.铁心、低压绕组的一端接地，以防在绝缘损坏时，在二次侧出现过压。使用注意事项：15.2.6电磁铁当电源断开时电磁铁的磁性消失，衔铁或其它零件即被释放。电磁铁衔铁的动作可使其它机械装置发生联动。

电磁铁是利用通电的铁心线圈吸引衔铁或保持某种机械零件、工件于固定位置的一种电器。根据使用电源类型分直流电磁铁：用直流电源励磁；交流电磁铁：用交流电源励磁。2.基本结构

电磁铁由线圈、铁心及衔铁三部分组成，常见的结构如图所示。铁心衔铁衔铁

有时是机械零件、工件充当衔铁FFFF线圈线圈衔铁铁心线圈铁心应用实例

图示为应用电磁铁实现制动机床或起重机电动机的基本结构，其中电动机和制动轮同轴。原理如下：M3~抱闸制动轮弹簧电磁铁通电电磁铁动作拉开弹簧抱闸提起松开制动轮电机转动断电电磁铁释放弹簧收缩抱闸抱紧抱紧制动轮电机制动启动过程：制动过程：15.3异步电动机

电机是根据电磁原理完成电能与机械能相互转换的旋转机械设备。把机械能转换为电能的设备称为发电机，将电能转换为机械能的设备为电动机。电动机交流电动机直流电动机三相电动机单相电动机同步电动机异步电动机他励、并励电动机串励、复励电动机异步电动机分为鼠笼式和绕线式15.3.1三相异步电动机的基本结构和工作原理1．基本构造外形

转子绕组转子铁心定子绕组定子铁心机座1）定子铁心：由内周有槽的硅钢片叠成。三相绕组：U1----U2V1----V2W1----W2机座：铸钢或铸铁V1W2U1W1U2V2U2U1W2V1V2W1U1V1W1W2U2V2W1U1V1W2U2V2三相绕组的连接三相电动机的出线盒2）转子鼠笼式绕线式(1)鼠笼式转子

铁芯槽内放铜条，端部用短路环形成一体。或铸铝形成转子绕组。铁心：由外周有槽的硅钢片叠成。

(2)绕线式转子同定子绕组一样，也分为三相，并且接成星形。转子:在旋转磁场作用下，产生感应电动势或电流。、

鼠笼式电动机与绕线式电动机的的比较：鼠笼式：

结构简单、价格低廉、工作可靠；不能人为改变电动机的机械特性。绕线式：结构复杂、价格较贵、维护工作量大；转子外加电阻可人为改变电动机的机械特性。

2．工作原理磁铁闭合线圈n0e产生感应电动势i方向由右手定则确定f磁场力的方向n线圈转动的方向方向由左手定则确定1）三相异步电动机旋转磁场的产生

定子三相绕组通入三相交流电(星形联接)oU1U2V1V2W1W2oU1V2W1V1W2U2规定

i:“+”→

首端流入，尾端流出。

i:“–”→

尾端流入，首端流出。()电流入(•)电流出U1U2V2W1V1W2U1U2V2W1V1W2

三相电流合成磁

场的分布情况o合成磁场方向向下600合成磁场旋转60°结论：三相电流产生的合成磁场是一旋转的磁场即：一个电流周期，旋转磁场在空间转过360°2)旋转磁场的旋转方向取决于三相电流的相序

任意调换两根电源进线(电路如图)结论：任意调换两根电源进线，则旋转磁场反。U1U2V1V2W1W2o3)旋转磁场的极对数pU1U2V1V2W1W2U1U2V2W1V1W2o当三相定子绕组按图示排列时，产生一对磁极的旋转磁场，

若定子每相绕组由两个线圈串联

，绕组的始端之间互差60°，将形成两对磁极的旋转磁场。C'Y'ABCXYZA'X'B'Z'AXBYCC'Y'ABCXYZA'X'B'Z'极对数p=2旋转磁场的磁极对数与三相绕组的排列有关4)旋转磁场的转速(同步转速)p=1时

一个电流周期，旋转磁场在空间转过360°,旋转磁场的速度为：

旋转磁场的转速取决于磁场的极对数若电流频率为f1，则一对极旋转磁场每分钟的转速工频：p=2时旋转磁场转速n0与极对数p的关系极对数每个电流周期磁场转过的空间角度同步转速旋转磁场转速n0与频率f1和极对数p有关。1)电动机的转动原理定子三相绕组通入三相交流电旋转磁场AXYCBZFF方向:顺时针

切割转子导体右手定则感应电动势E20感应电流I2旋转磁场左手定则电磁力F电磁转矩Tn3.异步转子转动原理与转差率2)转差率电动机转子转动方向与磁场旋转的方向一致，但转子转速n不可能达到与旋转磁场的转速相等，即异步电动机n<n0如果:n=n0

转子与旋转磁场间没有相对运动，磁通不切割转子导条无转子电动势和转子电流无转矩转子转速与旋转磁场转速间必须要有差别。

旋转磁场的同步转速和电动机转子转速之差与旋转磁场的同步转速之比称为转差率。转差率s转子转速异步电动机运行中一台三相异步电动机，其额定转速n=975r/min，电源频率f1=50Hz。试求电动机的极对数和额定负载下的转差率。例根据异步电动机转子转速与旋转磁场同步转速的关系可知：n0=1000r/min,即p=3解：额定转差率为三相异步电动机的电磁关系异步电动机每相电路i1u1e1e

1e2e

2i2+－++++－－－－f1f21)旋转磁场的磁通异步电动机旋转磁场切割导体e

U1E1=4.44

f1N1每极磁通2)定子感应电势的频率f1旋转磁场与定子导体间的相对速度为n0，所以感应电势的频率与磁场和导体间的相对速度有关f1=电源频率f1定子电路2.转子电路1)转子感应电势频率f2异步电动机每相电路i1u1e1e

1e2e

2i2+－++++－－－－f1f2∵定子导体与旋转磁场间的相对速度固定，转子导体与旋转磁场间的相对速度随转子的转速不同而变化。定子感应电势频率f1转子感应电势频率f2旋转磁场切割定子导体和转子导体的速度不同

转子感应电势频率f22)转子感应电动势E2E2=4.44f2N2=4.44sf1N2

当转速n=0(s=1)时，f2最高，且E2最大，有异步电动机每相电路i1u1e1e

1e2e

2i2+－++++－－－－f1f2E20=4.44

f1N2转子静止时的感应电势转子转动时的感应电势3）转子感抗X2当转速n=0(s=1)时，f2最高，且X2最大，有即X2=sX20

X20=2f1L2即E2=sE204）转子电流I2转子绕组的感应电流5）转子电路的功率因数cos2转子绕组的感应电流转子电路的功率因数I2cos2s1I2,O

结论：转子转动时，转子电路中的各量均与转差率s有关，即与转速

n有关。15.3.2三相异步电动机的电磁转矩与机械特性1．电磁转矩

转子中各载流导体在旋转磁场的作用下,受到电磁力所形成的转矩之总和。常数，与电机结构有关旋转磁场每极磁通转子电流转子电路的功率因数

由分析知：得电磁转矩公式由公式可知1.T与定子每相绕组电压成正比。U1T2.当电源电压U1一定时，T是s的函数。3.R2

的大小对T有影响。绕线式异步电动机可外电阻来改变转子电阻R2，从而改变转距。.

2.机械特性曲线根据转矩公式OTS1OT三个重要转矩电动机在额定负载时的转矩。1)额定转矩TNOT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

转子轴上机械负载转矩T2不能大于Tmax，否则将造成堵转(停车)。电机的最大负载的能力。令：求得临界转差率OT将sm代入转矩公式，可得Tmax2)最大转矩Tmax电机严重过热而烧坏。当U1一定时，Tmax为定值过载系数(能力)一般三相异步电动机的过载系数为工作时必须使T2

<Tmax，否则电机将停转。(2)

sm与R2有关，R2smn↓。绕线式电机改变转子附加电阻R´2可实现调速。OT电动机起动时的转矩。起动时n=0时，s=1(2)Tst与R2有关，适当使

R2Tst。对绕线式电机改变转子附加电阻

R´2,可使Tst=Tmax

。

Tst体现了电动机带载起动的能力。

若

Tst

>T2电机能起动，否则不能起动。Tst起动能力3)起动转矩TstTO常用特性段T2T2sT2>TT=T2n

T

T´2达到新的平衡4)电动机的运行分析

n、sE2,I2

I1电源提供的功率自动增加。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。自适应负载能力是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，必须由操作者加大油门，才能带动新的负载）5)U1和R2变化对机械特性的影响(1)U1变化对机械特性的影响UTmTOTstT2(2)R2变化对机械特性的影响TOTstR2Tstn硬特性：负载变化时，转速变化不大，运行特性好。软特性：负载增加时，转速下降较快，但起动转矩大，起动特性好。

不同场合选用不同的电机。如金属切削，选硬特性电机；重载起动则选软特性电机。15.3.3三相异步电动机的使用1.铭牌数据年月日编号××××电机厂三相异步电动机型号Y132S-4功率5.5kW防护等级IP44电压380V电流11.6A功率因数0.84接法

Δ转速1440r/min绝缘等级B磁极数(极对数p=2)例如：Y132M－4

机座长度代号机座中心高（mm）三相异步电动机1）型号

表明电动机的系列、几何尺寸和极数。异步电动机产品名称代号及其汉字意义见表产品名称新代号新代号的汉字意义老代号异步电动机Y、Y-L异J、JO绕线式异步电动机YR异绕JR、JRO防爆型异步电动机YB异爆JB、JBS高起动转矩异步电动机YQ异起JQ、JGQ起重冶金用异步电动机YZ异重JZ起重冶金绕线式异步电动机YZR异重绕JZRY、Y-L系列新产品。Y系列定子绕组是铜线，Y-L系列定子绕组是铝。其体积小、效率高、过载能力强。电动机在额定运行时定子绕组上应加的线电压值，又称额定电压UN，单位是伏（V）。一般异步电动机的额定电压有380V、3000V、6000V等。2）电压

电动机定子绕组在额定运行时所应采取的联接方式。有星形（Y）连接和三角形（△）两种。通常Y系列异步电动机3kW以下，连接成Y形；4kW以上，连接成△形。3）接法

电动机在额定运行时定子绕组的线电压流，又称额定电流IN，单位是安（A）。4）电流一般鼠笼式电动机额定运行时效率约为72%～93%。5）功率与效率效率---额定功率与输入电功率P1N之比，即电动机在额定运行情况下，轴上输出的机械功率P2称为额定功率PN。6）功率因数cosφ电动机是感性负载，三相异步电动机的功率因数较低，在额定负载时约为0.7～0.9在轻载和空载时更低,空载时只有0.2～0.3必须正确选择电动机的容量,防止出现“大马拉小车”的现象。电动机额定运行时的转速n

N，它略低于同步转速。7）转速

电动机绕组所用的绝缘材料按使用时的最高容许温度划分的不同等级

8）绝缘等级绝缘等级YAEBFHC极限温度℃90105120130155180＞180

又称定额，分为连续运行、短时运行和断续运行三种，分别用代号S1、S2、S3表示。9）工作方式

例如IP44为防护大于1mm固体异物和防溅水的电动机。10）防护等级电动机外壳的防护等级。

其代号由表征字母“IP”及附加在后的两个表征数字组成。第一位数字（0～6）表示第一种防护，即防止人体触及或接近壳内带电部分和触及壳内转动部件，以及防止固体异物进入电机；第二位数字（0～8）表示第二种防护，即防止由于电机进水而引起有害影响。这两位数字越大，防护能力越强。已知Y225M-2型三相异步电动机的有关技术数据如下：PN=45kW，f=50Hz，n

N=2970r/min，ηN=91.5%，起动能力为2.0，过载系数λ=2.2，求该电动机的额定转差率、额定转矩、起动转矩、最大转矩和额定输入电功率。例解：由型号Y225M-2知该电动机是两极的同步转速为n

1=3000r/min额定转差率额定转矩起动转矩最大转矩额定输入电功率2.三相异步电动机的使用（1）起动1）起动性能

起动问题：起动电流大，起动转矩小。

一般中小型鼠笼式电机起动电流为额定电流的5~7倍;电动机的起动转矩为额定转矩的(1.0~2.2)倍。n=0，s=1,接通电源。产生的原因起动时，n=0，转子导体切割磁力线速度很大，转子感应电势转子电流定子电流

大电流使电网电压降低，影响邻近负载的工作频繁起动时造成热量积累，使电机过热造成的后果：2）起动方法①直接起动（全压起动）

二、三十千瓦以下的异步电动机一般都采用直接起动。②降压起动：星形-三角形(Y－)换接起动自耦降压起动（适用于鼠笼式电动机）③转子串电阻起动（适用于绕线式电动机）介绍降压起动和转子串电阻起动。降压起动(a)Y－换接起动仅适用于正常运行为三角形联结的电机。+－

起动U1U2V1V1W1W2+－正常运行U1U2V1V2W1W2设：电机每相阻抗为三角形联结时：星形联结时：降压起动时的电流为直接起动时的1/3Y－起动器接线简图L1L3L2FUSU1V1U2V2W1W2W1L3V2U2L2V1W2L1U1△动触点Y动触点静触点L1L3L2FUSU1V1U2V2W1W2W1L3V2U2L2V1W2L1U1

起动UPU1+＿Ul+＿U2V1V2W1W2L1L3L2FUSU1V1U2V2W1W2W1L3V2U2L2V1W2L1U1U2正常运行Ul+＿U1V1V2W1W2Y－起动Y－换接起动适合于空载或轻载起动的场合正常运行UlU1W2V2W1+＿U2V1UP

起动+＿Ul+＿U1W2V2W1U2V1(b)自耦降压起动L1L3L2FUQ合刀闸开关Q

Q2下合：接入自耦变压器，降压起动。

Q2上合：切除自耦变压器，全压工作。自耦降压起动适合于容量较大的或正常运行时联成Y形的鼠笼式异步电动机。RRR滑环电刷定子转子起动时将适当的R串入转子电路中，起动后将R短路。起动电阻

绕线式电动机转子电路串电阻起动•

若R2选得适当，转子电路串电阻起动既可以降低起动电流，又可以增加起动转矩。常用于要求起动转矩较大的生产机械上。R2­ÞTst

­TO转子电路串电阻起动的特点三相异步电动机的正、反转

方法：任意调换电源的两根进线，电动机反转。

电动机正转电动机反转电源~UVWM3~UVW电源~M3~

1)解:

一台Y225M-4型的三相异步电动机，定子绕组△型联结，其额定数据为：P2N=45kW,nN=1480r/min，UN=380V，N=92.3%，cosN=0.88，Ist/IN=7.0,Tst/TN=1.9，Tmax/TN=2.2，求：1)额定电流IN?2)额定转差率sN?3)额定转矩

TN、最大转矩Tmax、和起动转矩TN。例

2）由nN=1480r/min，可知p=2（四极电动机）3）

在上例中(1)如果负载转矩为510.2N•m,试问在U=UN和U´=0.9UN两种情况下电动机能否起动？（2）Ist/IN=7.0，采用Y-换接起动时，求起动电流和起动转矩。（3）又当负载转矩为起动转矩的80%和50%时，电动机能否起动？解：(1)在U=UN时

Tst=551.8N•m>510.2N.m

不能起动

(2)Ist=7IN=784.2=589.4A

在U´=0.9UN时能起动例（3）在80%额定负载时不能起动在50%额定负载时可以起动

上例中的电动机采用自耦变压器降压起动，设起动时加到电动机上的电压为额定电压的64%，求这时的线路起动电流Ist´´和电动机的起动转矩Tst´。解：设电动机的起动电压为U'，电动机的起动电流为Ist

依据变压器的一次、二次侧电压电流关系，可求得线路起动电流Ist´´。例

采用自耦降压法起动时，若加到电动机上的电压与额定电压之比为x，则线路起动电流Ist"为电动机的起动转距Tst´为结论：（2）三相异步电动机的调速三种电气调速方法1）变频调速(无级调速)f=50Hz逆变器M3~整流器f1、U1可调+–~变频调速方法恒转距调速（f1<f1N）恒功率调速（f1>f1N）频率调节范围：0.5~几百赫兹2）变极调速(有级调速)

变频调速方法可实现无级平滑调速,调速性能优异，因而正获得越来越广泛的应用。A1X1A2X2iiP=2··A1A2X1X2··NNSSA1X1A2X2ii••P=1

采用变极调速方法的电动机称作双速电机，由于调速时其转速呈跳跃性变化，因而只用在对调速性能要求不高的场合，如铣床、镗床、磨床等机床上。A1··A2X1X2SN3）变转差率调速

(无级调速)Tonn'••TLTso变转差率调速是绕线式电动机特有的一种调速方法。其优点是调速平滑、设备简单投资少，缺点是能耗较大。这种调速方式广泛应用于各种提升、起重设备中。（3）三相异步电动机的制动1）能耗制动制动方法机械制动电气制动能耗制动反接制动发电反馈制动

在断开三相电源的同时，给电动机其中两相绕组通入直流电流，直流电流形成的固定磁场与旋转的转子作用，产生与转子旋转方向相反的转距（制动转距），使转子迅速停止转动。nF转子Tn0=0M3~+-运转制动•RP2）反接制动

停车时，将接入电动机的三相电源线中的任意两相对调，使电动机定子产生一个与转子转动方向相反的旋转磁场，从而获得所需的制动转矩，使转子迅速停止转动。

M3~运转制动•nF转子Tn03）发电反馈制动

当电动机转子的转速大于旋转磁场的转速时，旋转磁场产生的电磁转距作用方向发生变化，由驱动转距变为制动转距。电动机进入制动状态，同时将外力作用于转子的能量转换成电能回送给电网。nF转子Tn0n>n03.三相异步电动机的选择选择一台异步电动机通常从以下几个方面进行（1）种类和结构型式的选择①种类的选择：

通常生产场所用的都是三相交流电，如果仅要求机械特性较硬而无特殊调速要求的一般生产机械应尽可能采用笼型电动机。

对起动转矩和调速有特殊要求时才采用绕线型电动机。②结构型式的选择：能运行在不同环境条件下的各种类型的异步电动机。防爆式：整个电动机密闭，骨架能够承受巨大的压力。可将电机内部的火花、绕组电路短路，打火等完全与外界隔绝。用在一些高粉尘、有爆炸气体燃烧气体环境的场合。开启式：在构造上无特殊防护装置，用于干燥无尘的场所，散热效果良好封闭式：具有全封闭式的外壳，既防水的滴溅又防粉尘等杂物，散热条件不如开启式。③电气性能的选择：普通起动转矩电动机：用于一般机械负载的起动，起动系数从0.7～1.3（从15kW～150kW）。一般情况下，起动电流不超过额定电流的6.4倍，用在一般的生产机械、驱动风扇、离心泵等。高起动转矩电动机：这种电动机用于起动条件非常差的场合，如水泵、活塞式压缩机等。要求电动机的起动转矩是负载额定转矩的二倍，起动电流同样不超过额定电流的6.4倍。一般情况下，通常采用具有良好起动转矩特性的双鼠笼结构电动机。密闭式：外壳严密封闭，具有很好的防水性能（如潜水泵电机）。这种电动机的散热条件较差，多采用外部冷却的方式。高转差率电动机：运行速度通常为同步速度的85%～90%。适用加快大惯性负载的起动过程（像离心干燥机、大飞轮）。这种电动机的鼠笼条的电阻值较大，在间歇工作状态下工作。随着负载的增加，速度下降较大的电动机也特别适合挤压和冲孔机械。

容量的选择，选择太大，容量没得到充分利用，既增加投资，也增加运行费用。如选得过小，电动机的温升过高，影响寿命，严重时，可能还会烧毁电动机。（2）功率的选择①对于连续运行的电动机，所选功率应等于或略大于生产机械的功率。2.对于短时工作