第十二章变压器及电动机(电工电子)

第12章变压器与电动机电工电子学(下)中国石油大学(华东)信息与控制工程学院电工电子学教学中心张勇Chapter12

变压器与电动机磁路变压器三相异步电动机12.1磁路12.1.1磁路的基本概念12.1.2磁路的基本定律12.1.3铁芯线圈12.1.1磁路的基本概念1.磁通Φ

垂直穿过某一截面积S的磁力线总数。单位：Wb(韦伯)2.磁感应强度B

表示磁场内某点的磁场强弱和方向的物理量，为矢量。单位：特斯拉（T），即韦伯/米²

1T=1Wb/m²

计算公式：B=Φ/S3.磁导率μ：衡量物质导磁能力大小的物理量。（亨/米）

真空中的磁导率()为常数一般材料的磁导率和真空中的磁导率之比，称为这种材料的相对磁导率，则称为磁性材料，则称为非磁性材料非磁性物质：空气、陶瓷、玻璃、橡胶、铜、铝……磁性材料：铁、镍、钴及其合金等根据磁导率的不同，物质可分为：4.磁场强度H：单位：安/米（A/m）注意：磁场强度H与磁感应强度B

的名称很相似，切忌混淆。H是为计算方便而引入的物理量。在任何磁介质中，磁场中某点的磁感应强度B与该点的磁导率μ的比值称为该点的磁场强度H，即：H=B/μ。5、磁路通过磁性材料构成的磁通的闭合路径。＋i－uΦ变压器的磁路E型电磁铁的磁路6、磁性材料的磁性能

高导磁性

磁饱和性＋I－UΦ磁化曲线OH(I)B(Φ)B0B磁性材料的磁化曲线是非线性的，μ=B/H不是常数。磁滞回线OHB••••BrHc

磁滞性＋i－uΦ剩磁感应强度矫顽磁力按磁性物质的磁滞特性，磁性材料分为三种类型：(1)软磁材料HB

具有较小的剩磁感应强度Br和矫顽磁力Hc，磁滞回线较窄。

一般用来制造电机、电器及变压器等的铁芯。常用的有铸铁、硅钢、坡莫合金(即铁氧体)等。

一般用来制造永久磁铁。常用的有碳钢及铁镍铝钴合金等。HB(2)永磁材料

具有较大的剩磁感应强度Br和矫顽磁力Hc

，磁滞回线较宽。(3)矩磁材料HB

在计算机和控制系统中常用作记忆元件、开关元件和逻辑元件。常用的有镁锰铁氧体等。

具有较大的剩磁感应强度Br和较小的矫顽磁力Hc，磁滞回线接近矩形，稳定性良好。12.1.2磁路的基本定律

安培环路定律(全电流定律)：在磁场中沿任何闭合曲线磁场强度矢量的线积分，等于穿过该闭合曲线所围曲面上的电流的代数和。P78公式12.1.2

在无漏磁的理想磁路（磁路的材料和截面积相同，各处的磁场强度相等）中，安培环路定律可写成：磁路长度L线圈匝数NIHL：称为磁压降。NI：称为磁动势(磁通势）一般用F

表示。F=NI单位：A总磁动势

在非均匀磁路（磁路的材料或截面积不同，或磁场强度不等）中，总磁动势等于各段磁压降之和。例：IN对于均匀磁路磁路中的欧姆定律

磁路的欧姆定律：则：INSL注：因磁性材料是非线性的，磁路欧姆定律多用作定性分析，不做定量计算。令：Rm

称为磁阻磁路与电路的比较

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+_EIR12.1.3铁芯线圈励磁电流：在磁路中用来产生磁通的电流励磁电流

直流-------直流磁路

交流-------交流磁路12.1.3.1直流铁芯线圈IU直流磁路的特点:

一定一定磁动势F=IN一定磁通和磁阻成反比（线圈中没有反电动势）（R

为线圈的电阻）直流铁芯线圈的特点：励磁电流I=U/R，I由外加电压U及励磁绕组的电阻R决定，与磁路特性无关。励磁电流I产生的磁通是恒定磁通，不会在线圈和铁芯中产生感应电动势。磁通的大小不仅与线圈的电流I(即磁动势NI)有关，还决定于磁路中的磁阻Rm。功率损耗P=I²R由线圈中的电流和电阻决定。因磁通恒定，在铁芯中不会产生功率损耗。12.1.3.2交流铁芯线圈一.电磁关系–+e–+e+–uNi（磁动势）主磁通：通过铁芯闭合的磁通。漏磁通：经过空气或其它非导磁媒质闭合的磁通。线圈铁芯与i不是线性关系。L是等效漏磁电感楞次定律(电磁感应定律)二.电压电流关系根据KVL:+––+–+eeuNi式中：R是线圈导线的电阻由于线圈电阻

R

和漏磁通较小，可忽略，故有+-uRLL++--eei设主磁通则有效值当电源电压u为正弦量时，Φ和e都为同频率的正弦量相量表达式分析交流磁路的重要公式+––+euNi结论：在电源频率f和线圈匝数N一定时，主磁通的幅值只与外加电源的电压有效值有关，而与铁芯材料及尺寸无关。牢记公式三.功率损耗交流铁芯线圈的功率损耗主要有铜损和铁损两种。1.铜损（Pcu）

在交流铁芯线圈中,线圈电阻R上的功率损耗称铜损，用Pcu表示。Pcu=RI2

式中：R是线圈的电阻；I是线圈中电流的有效值。2.铁损（PFe）

在交流铁芯线圈中，处于交变磁通下的铁芯内的功率损耗称铁损，用PFe

表示。铁损由磁滞和涡流产生。+–ui（1）磁滞损耗（Ph）由磁滞所产生的能量损耗称为磁滞损耗（Ph）。

磁滞损耗的大小：单位体积内的磁滞损耗正比于磁滞回线的面积和磁场交变的频率fOHB

磁滞损耗转化为热能，引起铁芯发热。

减少磁滞损耗的措施：选用磁滞回线狭小的磁性材料制作铁芯。变压器和电机中使用的硅钢等软磁材料的磁滞损耗较低。(2)涡流损耗（Pe）涡流损耗:由涡流所产生的功率损耗。

涡流：交变磁通在铁芯内产生感应电动势和电流，称为涡流。涡流在垂直于磁通的平面内环流。涡流损耗转化为热能，引起铁芯发热。减少涡流损耗措施：

铁芯用彼此绝缘的钢片叠成，把涡流限制在较小的截面内。总结交流铁芯线圈工作时的功率损耗为：12.2变压器

变压器是一种常见的电气设备，在电力系统和电子线路中应用广泛。变电压：电力系统变阻抗：电子线路中的阻抗匹配变电流：电流互感器

变压器的主要功能有：12.2.1变压器概述及基本结构变压器的结构变压器的磁路绕组：一次绕组二次绕组单相变压器+–+–由高导磁硅钢片叠成厚0.35mm或0.5mm铁芯:变压器的电路一次绕组N1二次绕组N2铁芯变压器的分类电压互感器电流互感器按用途分电力变压器(输配电用)仪用变压器整流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12.2.2变压器的工作原理单相变压器+–+–一次绕组N1二次绕组N2铁芯

一次、二次绕组互不相连，能量的传递靠磁耦合。

空载运行情况1.电压变换一次侧接交流电源，二次侧开路。+–+–+–+–1忽略一次绕组的电阻及漏磁通的影响，（匝数比）K为变比结论：改变匝数比，就能改变输出电压。2.电流变换有载运行

可见，铁芯中主磁通的最大值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，一次绕组上的电阻压降和漏磁通均可忽略，故有由上式，若U1、f不变，则m基本不变，近于常数。空载：有载：+–Z2+–+–+–一般情况下：I0(2～10)%I1N很小，可忽略。或结论：一次、二次侧电流与匝数成反比。或：1.提供产生m的磁势2.提供用于抵消作用

的磁势磁势平衡式：空载磁势有载磁势3.阻抗变换由图可知：

结论：变压器一次侧的等效阻抗的模，为二次侧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）当通过变压器将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，常利用阻抗变换实现最大输出功率。本例结论：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：12.2.3变压器的外特性和额定值1.变压器的外特性

当一次侧电压U1和负载功率因数cos2保持不变时，二次侧输出电压U2和输出电流I2的关系U2=f(I2)称为变压器的外特性。U20：一次侧加额定电压、二次侧开路时，二次侧的输出电压。

一般供电系统希望要硬特性（随I2的变化，U2

变化不大），电力变压器的电压调整率约在5%左右。电压调整率：当I2=I2N时cos2=0.8(感性）U2I2U20I2Ncos2=1O2.变压器的损耗与效率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：交变磁通在铁芯中产生的感应电流(涡流)造成的损耗。磁滞损耗：磁滞现象引起铁芯发热，造成的损耗。铁损(PFe)：变压器的效率为额定电压U1N、U2N

变压器二次侧开路（空载）时，一次、二次侧绕组允许的电压值单相：U1N，一次侧允许的电压值

U2N，二次侧允许的电压值三相：U1N、U2N，一次、二次侧的线电压额定电流I1N、I2N

变压器满载运行时，一次、二次侧绕组允许的电流值。单相：一次、二次侧绕组允许的电流值三相：一次、二次侧绕组的线电流3.变压器的额定值

额定容量

SN

指输出的额定视在功率。单相：三相：容量SN

输出功率P2

一次侧输入功率P1

二次侧输出功率P2注意：变压器几个功率的关系（单相）效率容量：一次侧输入功率：

输出功率：变压器运行时的输出功率P2取决于负载的性质

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）端称为同名端。•

•

AXax•

AXax(1)同名端同名端用“•”表示。又称同极性端。+–+++–––同名端和绕组的绕向有关。

4.变压器的同名端及其绕组的接法(选讲)•

联接

2－3

变压器一次侧有两个额定电压为110V的绕组：(2)线圈的接法••1324•

•

1324

联接

1－3，2－4当电源电压为220V时：+–+–电源电压为110V时：主磁通相等问题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）

一次侧有两个相同绕组的电源变压器(220/110V)，使用中应注意的问题：••1324要使220/110两种接法铁芯中的磁通相等，则：+–线圈电流过大问题2：如果在220V情况下两绕组的极性端接错，结果如何？结论：在同名端不明确时，一定要先测定同名端再通电。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••1324’+–方法一：直流法mA表+_AXaxK+-当K闭合时增加。感应电动势的方向，阻止的增加。如果当

K

闭合时，mA表正偏，则A－a

为同极性端;如果当K

闭合时，mA表反偏，则A－x

为同极性端结论：**AXax+_K-+-(3)同极性端的测定方法(选讲)方法二：交流法把两个线圈的任意两端(X-x)连接,然后在AX

上加一小电压u

。测量：

若说明A

与x或

X与a是同极性端若说明A

与a

或X

与x

为同极性端结论：**AXax+_-u12.2.4三相变压器三相组式变压器每相计算按单相变压器计算。U1U2V1V2W1W2u2u1v2v1w2w1U1U2V1V2W1W2u2u1v2v1w2w1n三相变压器连接方式举例Y/Y0Y/△三相变压器原、副绕组相电压之比三相变压器原、副绕组线电压之比，不仅与变压器的变比有关，还与变压器绕组的连接方式有关。Y/Y0Y/△

使用时，改变滑动端的位置，便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。注意：一次、二次侧千万不能对调使用，以防变压器损坏。因为N变小时，磁通增大，电流会迅速增加。1.自耦变压器ABP+–+–12.2.5特殊变压器电流表被测电流=电流表读数N2/N1二次侧不能开路，以防产生高电压；2.铁芯、副绕组的一端接地，以防在绝缘损坏时，在二次侧出现过压。使用注意事项：2.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）ARi1i212.3.1三相异步电动机的结构12.3三相异步电动机12.3.2三相异步电动机的工作原理12.3.3三相异步电动机的电磁转矩与机械特性12.3.4三相异步电动机的使用电动机的分类：三相异步交流电动机授课内容：

基本结构、工作原理、机械特性、使用方法

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、串励、复励12.3.1三相异步电动机的结构封闭式三相异步电动机的结构

1—端盖2—轴承3—机座4—定子绕组5—转子

6—轴承7—端盖8—风扇9—风罩10—接线盒1、定子铁芯：由内周有槽的硅钢片叠成。U1----U2V1----V2

W1----W2三相绕组机座：铸钢或铸铁2、转子鼠笼转子铁芯：由外周有槽的硅钢片叠成。1.鼠笼式转子

铁芯槽内放铜条，端部用短路铜环形成一整体；或采用铸铝形成转子绕组。鼠笼式绕线式转子作用:在旋转磁场作用下，产生感应电动势和感应电流。2.绕线式转子同定子绕组一样，也分为三相，并且接成星形。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；转子串入可变电阻可人为改变电动机的机械特性。12.3.2三相异步电动机的工作原理一、旋转磁场1.旋转磁场的产生三相对称绕组：

——空间互差120度。三相对称电源：

——时间互差120度。1.旋转磁场的产生1.旋转磁场的产生1.旋转磁场的产生1.旋转磁场的产生三相电流产生的合成磁场是一旋转的磁场。取决于三相电流的相序2.旋转磁场的旋转方向任意调换两根电源进线，则旋转磁场反转。3.旋转磁场的磁极对数p旋转磁场的磁极对数与三相绕组的空间排列有关p=1p=24.旋转磁场的转速

旋转磁场的转速取决于磁场的极对数旋转磁场转速n0与极对数p的关系旋转磁场的转速n0也称为同步转速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。可见:二、转子转动原理1.转动原理定子三相绕组通入三相交流电假设方向为顺时针

切割转子导体右手定则感应电动势E20旋转磁场感应电流I2，受到磁场作用左手定则电磁力F电磁转矩Tn2.转差率

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。

由前面分析可知，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，即异步电动机如果:无转子电动势和转子电流

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矩因此，转子转速与旋转磁场转速间必须要有差别。异步电动机运行中:转子转速亦可由转差率求得转差率s

例1：一台三相异步电动机，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。解：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,∴p=3额定转差率为当电动机正常运行时，转子转速为n，旋转磁场的转速为n0，它与转子导体间的切割速度为（n0

-n），由则转子中感应电动势的频率为可得出

一、电磁转矩

即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12.3.3三相异步电动机的电磁转矩与机械特性I2cos2s1(n=0)I2,O转子电流及功率因数与转差率的关系(推导见P100)起动时(s=1,n=0),转子电流最大，根据变压器原理，定子电流也最大。由公式可知★T与定子每相绕组电压成正比。U1T★当电源电压U1一定时，T是

s的函数。★R2

的大小对

T有影响。绕线式异步电动机可外接电阻来改变转子电阻R2

，从而改变转距。电磁转矩公式二、机械特性OTS根据转矩公式可以得到：OT1电动机在额定负载时的转矩。1.额定转矩TN三个主要转矩OT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,则额定转矩为注意单位！2.最大转矩Tm电机带动最大负载的能力。令：求得临界转差率将sm代入转矩公式，可得根据转矩公式OTS1当U1

一定时，Tm为定值一般三相异步电动机的过载系数为工作时必须使机械负载转矩T2

<Tm，否则电机将停转。电机严重过热而烧坏。称为闷车或堵转★sm与R2有关，R2smnm

。绕线式电机改变转子附加电阻R2’可实现调速。过载系数表示电动机的短时允许过载能力3.启动转矩Tst电动机启动时的转矩。启动时n=0时，s=1★Tst与R2有关，适当使R2Tst。对绕线式电机改变转子附加电阻R2’,可使Tst=Tm

。P102图12.3.12OTTst转矩公式Tst体现了电动机带载启动的能力。若

Tst

>负载转矩T2,电机能启动，否则不能启动。OTTst启动系数表示异步电动机的启动能力问:三相异步电动机在满载和空载下启动，其启动电流和启动转矩是否一样？?问:三相异步电动机稳定运行时,当负载转矩增加,为什么定子电流和输入功率会自动增加?当负载转矩大于电动机的Tm时,电动机将会发生什么情况??4.电动机的运行分析

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）。此过程中，n、sI2I1电源提供的功率自动增加。T2’sT2’

>TNT

=T2’nT

T2´达到新的平衡常用特性段TOTN当T2

>TM时T2TO电动机将越过机械特性的b点而沿bc段运行，此时T随n的下降而减小，T的减小又进一步使n下降，使电动机停转。bc段称为不稳定运行区。常用特性段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UTmTstTOsm不变问:三相异步电动机带额定负载运行,如果电源电压降低,电动机转矩、转速及电流有无变化？如何变化？对电动机有何影响？?T2TO转矩不变转速降低电流增大可能堵转(2)R2变化对机械特性的影响TOR2Tstnsm

不同场合应选用不同的电机。如金属切削，选硬特性电机；重载启动则选软特性电机。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，但启动转矩大，启动特性好。TOR212.3.4三相异步电动机的使用1、型号

磁极数(极对数p=2)例如：Y132M－4

用以表明电动机的系列、几何尺寸和极数。机座长度代号机座中心高（mm）三相异步电动机一、铭牌数据

2、接法接线盒定子三相绕组的联接方法。V1W2U1W1U2V2U2U1W2V1V2W1U1V1W1W2U2V2W2U2V2V1W1U1Y联结W1U1V1W2U2V2联结3、电压例如：380/220V、Y/是指线电压为380V时采用Y联结；线电压为220V时采用联结。电动机在额定运行时定子绕组上应加的线电压值。4、电流例如：Y/,6.73/11.64A

表示星形联结下电机的线电流为6.73A；三角形联结下线电流为11.64A。两种接法下相电流均为6.73A。电动机在额定运行时定子绕组的线电流值。鼠笼电机

=72～93％额定功率是指电机在额定运行时轴上输出的机械功率P2，它不等于从电源吸取的电功率P1。5、额定功率、效率6、额定转速nN电机在额定电压、额定负载下运行时的转速。二、三相异步电动机的启动

启动问题：启动电流大，启动转矩小。一般中小型鼠笼式电机启动电流为额定电流的5－7倍;电动机的启动转矩为额定转矩的(1.0－2.2)倍。大电流使电网电压降低，影响邻近负载的工作频繁启动时造成热量积累，使电机过热后果：原因：启动：接通电源后开始转动,转速不断上升,直至稳定。启动时，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

OT1.启动方法(1)直接启动

二、三十千瓦以下的异步电动机一般都采用直接启动。(2)降压启动：星形-三角形(Y－)

换接启动自耦降压启动（主要适用于鼠笼式电动机）(3)转子串电阻启动（仅适用于绕线式电动机）

降压启动★Y－换接启动+－

启动U1U2V1V1W1W2+－正常运行U1U2V1V2W1W2设:电机每相阻抗模为

Y－换接启动时的线电流为直接启动时的1/3◆仅适用于正常运行为三角形联结的电机。◆Y－启动降压启动只适合于空载或轻载启动的场合Y-换接启动应注意的问题正常运行UlU1W2V2W1+＿U2V1UP

启动+＿Ul+＿U1W2V2W1U2V1(2)自耦降压启动L1L3L2FUQQ2下合：接入自耦变压器，降压启动。Q2上合：切除自耦变压器，全压工作。合刀闸开关QQ2

自耦降压启动适合于容量较大的或正常运行时联成Y形不能采用Y－启动的鼠笼式异步电动机。I1若自耦降压变压器的变比为K，则：（推导见P108)正常启动自耦降压启动I2U2U1U1

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三、三相异步电动机的正、反转电源~UVWM3~UVW电源~M3~三种电气调速方法★变频调速(无级调速)★变极调速

(有级调速)★变转差率调速

(无级调速)

又称变转子电路电阻调速见P110图12.3.23四、三相异步电动机的调速五、三相异步电动机的制动制动方法机械制动电气制动能耗制动反接制动能耗制动定子线圈通入直流电流形成固定磁场与旋转的转子作用，产生了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。反接制动

停车时，将接入电