第11章变压器与电动机

1第11章变压器与电动机11.2变压器11.5直流电动机*11.6控制电动机*11.1磁路11.3三相异步电动机11.4单相异步电动机11.7超声波电动机*21.了解磁路的基本概念

2.了解变压器的基本结构、工作原理、额

定值的意义、外特性及绕组的同极性端

3.了解三相异步电动机的基本结构、转动

原理、转矩特性和机械特性4.了解三相异步电动机的启动、调速和铭

牌数据的意义本章要求3

在电机、变压器及各种铁磁元件中常用磁性材料做成一定形状的铁心。铁心的磁导率比周围空气或其它物质的磁导率高的多，磁通的绝大部分经过铁心形成闭合通路，磁通的闭合路径称为磁路+–NIfNSS直流电机的磁路交流接触器的磁路11.1磁路4非磁性物质

非磁性物质分子电流的磁场方向杂乱无章，几乎不受外磁场的影响，互相抵消，不具有磁化特性。非磁性材料的磁导率都是常数0r

1导磁性好，能被磁化,相对磁导率高磁性物质11.1.1磁性材料的磁性能如：空气、纸、木材、铝为非磁性物质r

>>

1铁、镍、钴及其合金等为磁性物质51.高导磁性磁性材料内部存在磁畴，磁畴一般排列无序，故对外无磁性。外加磁场作用于磁性物质时，内部磁畴转到与外加磁场相同方向，材料内部形成附加磁场。随着外磁场增强，附加磁场与外加磁场叠加，磁性材料内部磁感应强度增强，称为磁化。磁性材料能被强烈的磁化，具有很高的导磁性能。磁性材料的磁导率通常都很高，即r1(如坡莫合金，其r可达2105)磁性物质广泛应用于电工设备中，如电机、变压器及各种铁磁元件的线圈中都放有铁心。在这种具有铁心的线圈中通入不太大的励磁电流，便可以产生较大的磁通和磁感应强度11.1.1磁性材料的磁性能62.磁饱和性磁性材料的磁化磁场不随外加磁场的增强而无限增强。当外磁场增大到一定程度时，磁性物质中全部磁畴的磁场方向都转向与外部磁场方向一致，磁化磁场的磁感应强度将趋向某一定值，称为磁饱和。

B-H

磁化曲线的特征：oa段：B与H几乎成正比地增加；

ab段：B的增加缓慢下来；

b点以后：B增加很少，达到饱和。有磁性物质存在时，B与H不成正比，磁性物质的磁导率不是常数，随H而变。OHB,BB和与H的关系•a•b73.磁滞性

磁性材料在交变磁场中反复磁化，其B-H关系曲线是一条回形闭合曲线，称为磁滞回线磁滞回线OHB••••BrHc剩磁感应强度Br(剩磁)：当线圈中电流减小到零(H=0)时，铁心中的磁感应强度矫顽磁力Hc：使B=0所需的H值

磁性物质不同，其磁滞回线和磁化曲线也不同磁性材料中磁感应强度B的变化总是滞后于外磁场变化的性质称为磁滞性8磁性材料分类：（1）软磁材料具有较小的矫顽磁力，磁滞回线较窄。一般用来制造电机、电器及变压器等的铁心。常用的有铸铁、硅钢、坡莫合金即铁氧体等（2）永磁材料具有较大的矫顽磁力，磁滞回线较宽。一般用来制造永久磁铁。常用的有碳钢及铁镍铝钴合金等（3）矩磁材料具有较小的矫顽磁力和较大的剩磁，磁滞回线接近矩形，稳定性良好。在计算机和控制系统中用作记忆元件、开关元件和逻辑元件。常用的有镁锰铁氧体等9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，反之为负是磁场强度矢量沿任意闭合回线(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：1.安培环路定律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=IN11.1.2磁路分析方法102.磁路的欧姆定律磁路的欧姆定律是分析磁路的基本定律

环形线圈如图，其中媒质是均匀的，磁导率为，试计算线圈内部的磁通

解：根据安培环路定律，有设磁路的平均长度为l，则有（1）引例SxHxIN匝11式中：F=NI

为磁通势，由其产生磁通

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（2）磁路的欧姆定律

若某磁路的磁通为，磁通势为F

，磁阻为Rm，则即有：12（3）磁路与电路的比较

磁路磁通势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+_EIR133.交流铁心线圈电路（1）电磁关系–+e–+e+–uNi（磁通势）主磁通：通过铁心闭合的磁通。漏磁通：经过空气或其它非导磁媒质闭合的磁通。线圈铁心i，铁心线圈的漏磁电感与i不是线性关系。14（2）电压电流关系根据KVL:+––+–+eeuNi式中：R是线圈导线的电阻L是漏磁电感

当u是正弦电压时，其它各电压、电流、电动势可视作正弦量，则电压、电流关系的相量式为：设主磁通则有效值

由于线圈电阻

R

和感抗X（或漏磁通）较小，其电压降也较小，与主磁电动势E相比可忽略，故有式中：Bm是铁心中磁感应强度的最大值，单位[T]

S是铁心截面积，单位[m2]16（3）

功率损耗

交流铁心线圈的功率损耗主要有铜损和铁损两种。a.铜损（Pcu）

在交流铁心线圈中,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b.铁损（PFe）

在交流铁心线圈中，处于交变磁通下的铁心内的功率损耗称铁损，用PFe

表示铁损由磁滞和涡流产生+–ui17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与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，引起铁心发热

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心。变压器和电机中使用的硅钢等材料的磁滞损耗较低

设计时应适当选择值以减小铁心饱和程度18涡流损耗（Pe）涡流损耗:由涡流所产生的功率损耗涡流：交变磁通在铁心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铁心线圈交流电路的有功功率为：1911.2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：

在能量传输过程中，当输送功率P=UIcos及负载功率因数cos

一定时：电能损耗小节省金属材料（经济）UIP=I²RlIS20

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

发电厂10.5kV输电线220kV升压仪器36V降压…实验室380/220V降压变电站

10kV降压降压21（单相）变压器结构变压器的磁路绕组：一次绕组二次绕组+–+–由高导磁硅钢片叠成厚0.35mm或0.5mm铁心变压器的电路一次绕组N1二次绕组N2铁心22变压器单相电源变压器三相电力变压器23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24变压器的工作原理

一次、二次绕组互不相连，能量的传递靠磁耦合+–+–一次绕组N1二次绕组N2铁心（1）空载运行情况1.电磁关系一次侧接交流电源二次侧开路+–+–+–+–+–1i0(i0N1)1空载时，铁心中主磁通是由一次绕组磁通势产生的（2）带负载运行情况一次侧接交流电源二次侧接负载+–+–+–11i1(i1N1)i1i2(i2N2)2有载时，铁心中主磁通是由一次、二次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）一次、二次侧主磁通感应电动势28根据KVL：变压器一次侧等效电路如图

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）一次、二次侧电压式中R1为一次侧绕组的电阻

X1=L1为一次侧绕组的感抗（漏磁感抗，由漏磁产生）（匝比）K为变比对二次侧，根据KVL：改变匝数比，就能改变输出电压式中R2为二次绕组的电阻

X2=L2为二次绕组的感抗为二次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(一次、二次侧电流关系)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，一次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.提供用于补偿作用

的磁势磁势平衡式：空载磁势有载磁势324.阻抗变换由图可知：变压器一次侧的等效阻抗模，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：3511.2.2变压器的外特性与参数1.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)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），电压变化率约在5%左右电压变化率：cos2=0.8(感性）U2I2U20I2Ncos2=1O2.损耗和变压器的效率()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

)：变压器的效率为一般95%,负载为额定负载的(50~75)%时，最大输出功率输入功率额定电压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，一次侧电压

U2N，二次侧空载时的电压三相：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、二次侧绕组线电流3.额定值38

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

一次侧输入功率P1

输出功率P2注意：变压器几个功率的关系（单相）效率容量：一次侧输入功率：输出功率：变压器运行时的功率取决于负载的性质3.额定值3911.3三相异步电动机11.3.1结构和原理定子部分：电动机固定不动部分，是磁路的一部分。其主要由机壳、定子铁心、定子绕组和端盖等组成定子绕组转子轴承转轴风扇机壳机座端盖轴承盖转子部分：电动机的转动部分，也是磁路的一部分。其由转子铁心、转子绕组、转轴和风扇等组成1.三相异步电机结构40各种电动机外形41定子结构转子结构422.旋转磁场

异步电动机中,用旋转磁场代替了旋转磁极AYCBZX电流入“”“•”电流出iAiBiCt43AXYCBZNSBiAXBYCZAiCi三相绕组的合成磁场方向：竖直向下wt＝044=180otwXBZ0nAYCA=120otwXYCBZ0n同理分析，可得其它时刻的合成磁场方向=60otwAXYCBZ0nSN45旋转方向：取决于三相电流的相序改变电机旋转方向的方法：换接三相中的任意两相旋转磁场的旋转方向46极对数（p）的概念BiAXBYCZAiCip＝1此时，合成磁场只有一对磁极，则极对数为1AXYCBZNS4.旋转磁场转速

47极对数（p）的改变C'Y'ABCXYZA'X'B'Z'AiBiCi

将每相绕组分成两段，按右下图放入定子槽内。形成的磁场则是两对磁极'X'AAXBY'B'YCZ'C'Z48极对数C'Y'ACXZA'X'B'Z'AiCiBiBYA'XX'ASNZC'Z'CBY'B'YNS49极对数和转速的关系'A0nAZ'XXC'Z'CSN300SN'BY'YBOAZ'C'Z'B'X'Y'AYCXBNNSS50三相异步电动机旋转磁场的转速称为同步转速试问：当电源频率f=50Hz

(工频电）,极对数p

=1，2，3时

n0=?

51电动机转速和旋转磁场同步转速的关系电动机转速n电机转子转动方向与磁场旋转的方向一致，但

n<n0无转距旋转磁场与转子间无相对运动转子导体不切割磁力线，无转子电动势无转子电流试问：若n=n0（同步）会如何？52

转差率（s）

转差率为旋转磁场的同步转速和电动机转速之差（相对值）的百分数。即：异步电动机正常运行时:电动机启动瞬间:n=0,s=1s=1~9%531、等效电路参数11.3.2电磁转矩和机械特性一相转子和定子电路

：主磁通产生的感应电动势

：主磁通产生的感应电动势e1e2、e

1e

2、设：则：定子边：R1i1u1i2R2e1e

1e2e

2+-54同理可得转子边：R1i1u1i2R2e1e

1e2e

2+-f2：转子感应电动势的频率N2：转子线圈匝数其中转子功率因数转子绕组（自身）电阻R1i1u1i2R2e1e

1e2e

2+-转子电路电流56转子电路特点1、f2、X2与E2都与转差率s成正比2、I2随着s的增加而增加

3、cosφ2

随着s的增加而减小

4、转子绕组一般是短接的57电磁转矩T：转子中各载流导体在旋转磁场的作用下,因受到电磁力而形成的转距之总和2、电磁转矩其中：KT:与电机结构有关的常数Φm:每极磁通I2:转子电流:转子电路的功率因数58将参数代入：得到转矩公式：59机械特性根据转矩公式，可得转矩特性曲线T=f（s）10sn0Tn0由公式n=(1-s)n0，可得机械特性曲线n=f（T）60三个重要转矩n0（1）额定转矩TN

电机在额定电压下，以额定转速nN运行，输出额定功率PN时，电机转轴上输出的转矩

TnnN（N•m）61电机可短时过载运行，但不允许超过最大转矩Tmax（2）最大转矩Tmax

电机产生的最大电磁转矩，也指电机短时过载能力n0Tn对转矩公式求导，可得过载系数：例如三相异步电机62注意：

（1）三相异步机的Tmax和电压的平方成正比，所以对电压的波动很敏感，使用时要注意电压的变化

（2）工作时，一定令负载转矩TL<Tmax，否则电机将停转。致使电机严重过热63（3）启动转矩Tst

电机启动瞬间的电磁转矩n0Tn则Tst体现了电动机带载启动的能力，与电源电压平方成正比。若Tst

<TL

,电机能启动，否则将不能启动根据电机转矩公式，起动瞬间n=0(s=1)641、铭牌与技术数据（1）

型号Y132S－2磁极数(极对数p=1)

同步转速？转/分转差率11.3.3三相异步电动机使用（2）转速:电机轴上的转速（n）

如：n=1440转/分65（3）联接方式：Y/接法：Y接法：

接法：ABCZXYABCZXYABCXYZAZBYXCABCXYZ接线盒：66（4）额定电压：定子绕组在指定接法下应加的线电压规定：电动机的运行电压一般不能高于或低于额定

值5％线电压AZBYXC线电压ABCXYZ例：380/220Y/是指线电压为380V时采用Y接法；当线电压为220V时采用接法67（5）额定电流：定子绕组在指定接法下的线电流如：

表示三角接法下，电机的线电流为11.2A，相电流为6.48A；星形接法时线、相电流均为6.48A（6）额定功率：

额定功率指电机在额定运行时轴上输出的功率P2,小于从电源吸收的功率P