第3章变压器与电动机《电工电子技术》

第3章变压器与电动机3.1变压器3.2三相异步电动机3.3直流电动机3.4步进电动机3.5三相异步电动机的控制学习目标及考核标准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，会分析计算交流铁心线圈电路；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；3.掌握变压器电压、电流和阻抗变换作用；5.了解直流电动机的基本构造和工作原理。6.了解步进电动机的基本工作原理。7.了解三相异步电动机的基本控制方法4.了解三相交流异步电动机的基本构造和转动原理。3.1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线圈组数分双绕组变压器三绕组变压器自耦变压器按冷却方式不同分空气自冷式（干冷式）变压器油浸自冷式变压器油浸风冷式变压器按制造方式壳式心式3.1.1变压器的基本结构绕组：一次绕组二次绕组变压器的电路变压器的磁路由高导磁硅钢片叠成厚0.35mm或0.5mm铁心+–+–一次绕组N1二次绕组N2铁心变电压：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

主要功能一次绕组铁心二次绕组符号电力系统的输配电方式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。具体如下：仪器36V降压…实验室380/220V降压发电厂10.5kV输电线220kV升压变电站10kV降压降压3.1.2变压器的工作原理+–+–N1N2+–+–一次、二次绕组互不相连，能量的传递靠磁耦合。用结构原理图表示的变压器电路+–+–+–+–用图形符号表示的变压器电路二次绕组中其中R、X和Z为电阻、漏电抗和漏阻抗。提出漏阻抗后图变为：+–+–+–+–1.变压作用电压比k（变比或匝比）一、二次绕组的电动势之比忽略Z1和Z2，且当变压器空载运行时（I2＝0），U2＝E2，U1≈E1，此时k>1时，变压器降压；k<1时变压器升压。结论：改变匝数比，就能改变输出电压。10000/230V表示高压绕组为一次绕组，接10000交流电源，低压绕组接230V，230V为空载电压。+–+–+–+–2.变流作用有载时，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。+–|Z|+–+–+–有载运行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。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。即有空载：有载：磁势平衡式：空载磁势有载磁势一般情况下：I0(2~3)%I1N很小可忽略。或或结论：一次、二次侧电流与匝数成反比。3.变阻抗作用+–+–N1N2+–由图可知：结论：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3-1］

如图，交流信号源的电动势U=120V，内阻R0=800，负载为扬声器，其等效电阻为RL=8。要求:（1）若要负载上获得最大功率，用变压器进行阻抗变换，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：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。3.1.3常用变压器1.自耦变压器ABP+–+–二次侧不能短路，以防产生过流；2.铁心、低压绕组的一端接地，以防在绝缘损坏时，在二次侧出现高压。使用注意事项：电压表被测电压=电压表读数N1/N22.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：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）ARi1i24.变压器的外特性（1）概念在一次绕组电压U1和负载功率因数λ2=cosφ2保持不变的情况下，二次绕组电压U2与电流I2之间的关系U2＝f(I2)称为变压器的外特性。cos2=0.8(感性）U2I2U2Ncos2=1Ocos2=0.8(容性）（2）变压器的外特性曲线U2N：一次侧加额定电压、二次侧开路时，二次次侧的输出电压。5.电压调整率（电压变化率）在一次绕组电压为额定值，负载功率因数不变的情况下，变压器从空载到满载（电流等于额定电流），二次绕组电压变化的数值（U2N－U2）与空载电压（额定电压）U2N的比值，叫电压变化率。用ΔU%表示。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ΔU%

一般为2~3%。6.变压器的功率损耗与效率(1)视在功率一次绕组：S1＝U1I1二次绕组：S2＝U2I2铭牌上给出的变压器的容量是二次绕组的额定视在功率。通常一次绕组和二次绕组的视在功率相同。SN＝U2NI2N＝U1NI1N(2)有功功率电源输入变压器的有功功率

P1＝U1I1cosφ1变压器向负载输出有功功率

P2＝U2I2cosφ2变压器的损耗

P＝P1－P2＝PCu+PFe而PCu＝R1I12＋R2I22PFe＝Ph＋Pe随负载变化(电流变化）而变化，也称可变损耗。

当U1和f不变时，主磁通基本不变，PFe亦基本不变，又称不变损耗。(3)变压器的效率小型电力变压器效率可达80%~90%，大型电力变压器效率可达98%~99%。电动机的分类：电机：实现能量转换和信号转换的电磁装置。控制电机：用作信号转换的电机。动力电机：用作能量转换的电机。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、复励电动机发电机：把机械能转换成电能电动机：把电能转换成机械能电机动力电机

异步电动机结构简单、价格便宜、运行可靠、维护方便，应用十分广泛。1.定子3.2三相异步电动机铁心：由内周有槽的硅钢片叠成。U1U2V1V2

W1W2三相绕组机座：铸钢或铸铁3.2.1三相异步电动机的结构电动机由固定不动的定子和可以转动的转子两部分组成。端盖：固定于机座2.转子：由转子铁心、转子绕组和转轴等组成。鼠笼转子铁心：由外周有槽的硅钢片叠成。(1)鼠笼式转子铁芯槽内放铜条，端部用短路环形成一体。或铸铝形成转子绕组。按转子绕组构造不同分为鼠笼式和绕线式两种。(2)绕线式转子同定子绕组一样，也分为三相，并且接成星形。转子作用: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。3.2.2三相异步电动机的工作原理

三相异步电动机定子三相绕组联结成星形或三角形，接至三相电源，三相电流通过三相绕组将会产生在空间旋转的磁场，在其作用下，转子上产生电磁转矩，使转子转动。（一）旋转磁场1.旋转磁场的产生

定子三相绕组通入三相交流电(星形联接)U1U2V1V2W1W2o规定i:“+”首端流入，尾端流出。i:“–”尾端流入，首端流出。AYCBZX(•)电流出()电流入otU1U2V2W1V1W2U1U2V2W1V1W2U1U2V2W1V1W2三相电流合成磁

场的分布情况:合成磁场方向向下合成磁场旋转60°合成磁场旋转90°600oAU1U2W2V1W1V2AU1U2W2V1W1V2分析可知：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°取决于三相电流的相序2.旋转磁场的旋转方向结论：任意调换两根电源进线，则旋转磁场反转。任意调换两根电源进线(电路如图)0toU1U2V1V2W1W23.旋转磁场的极对数P当三相定子绕组按图示排列时，产生一对磁极的旋转磁场，即：otU1U2V2W1V1W2U1U2V1V2W1W2

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。W1'V2'U1V1W1U2V2W2U1'U2'V1'W2'U1U2V1V2W1极对数旋转磁场的磁极对数与三相绕组的排列有关W1'V2'U1V1W1U2V2W2U1'U2'V1'W2'U1V2V1U2W10to4.旋转磁场的转速工频：旋转磁场的转速取决于磁场的极对数p=1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。可见:旋转磁场转速n0与极对数p的关系3.2.3电动机的转动原理U1U2V2W1V1W2定子三相绕组通入三相交流电方向: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旋转磁场左手定则电磁力FF电磁转矩TnF3.2.4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3-3］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,即p=3额定转差率为3.3直流电动机直流电动机虽然比三相交流异步电动机结构复杂，维修也不便，但由于它的调速性能较好和起动转矩较大，因此，对调速要求较高的生产机械或者需要较大起动转矩的生产机械往往采用直流电动机驱动。直流电机的优点：(1)调速性能好,调速范围广,易于平滑调节。(2)起动、制动转矩大,易于快速起动、停车。(3)易于控制。应用:1)轧钢机、电气机车、中大型龙门刨床、矿山竖井提升机以及起重设备等调速范围大的大型设备。2)用蓄电池做电源的地方，如汽车、拖拉机等NS············NS3.3.1直流电动机的结构极掌极心励磁绕组机座转子直流电动机的磁极和磁路直流电机由定子(磁极)、转子(电枢)和机座等部分构成。2.转子(电枢)由铁心、绕组（线圈）、换向器组成。1.磁极永磁式:

由永久磁铁做成。励磁式:

磁极上绕线圈，线圈中通过直流电，形成电磁铁。励磁:

磁极上的线圈通以直流电产生磁通，称为励磁。电枢铁心：由硅钢片叠装而成。电枢绕组：单个绕组元件组成。用来在电机中产生磁场。(1)他励电动机

3.直流电机的分类直流电机按照励磁方式可分为他励电动机、并励电动机、串励电动机和复励电动机。UaUfIaM+_+_If他励励磁绕组和电枢绕组分别由两个直流电源供电。IaUM+_If+_IE并励(2)并励电动机

励磁绕组和电枢绕组并联，由一个直流电源供电。(3)串励电动机

励磁线圈与转子电枢串联接到同一电源上。串励UIa+_IfM(4)复励电动机

复励U+_IMIa励磁线圈与转子电枢的联接有串有并，接在同一电源上。3.3.2直流电机的基本工作原理IU–+SbNacdU–+U–+电刷换向片U–+IFFTn换向器作用：将外部直流电转换成内部的直流电，以保持转矩方向不变。

直流电从两电刷之间通入电枢绕组，电枢电流方向如图所示。由于换向片和电源固定联接，无论线圈怎样转动，总是S极有效边的电流方向向里,N极有效边的电流方向向外。电动机电枢绕组通电后中受力(左手定则)按顺时针方向旋转。U–+EETnSbNdFFacII换向片电刷线圈在磁场中旋转，将在线圈中产生感应电动势。由右手定则，感应电动势的方向与电流的方向相反。CE:

与电机结构有关的常数n:

电动机转速：磁通1.电枢感应电动势

E=CEnU–+EETnSbNdFFacII换向片电刷由图可知，电枢感应电动势E与电枢电流或外加电压方向总是相反，所以称反电动势。式中：U—外加电压Ra

—绕组电阻2.电枢回路电压平衡式–RaIaE+–+UMCT:与电机结构有关的常数

:线圈所处位置的磁通Ia：电枢绕组中的电流3.电磁转矩单位:(韦伯)，Ia

(安)，T(牛顿•米)直流电动机电枢绕组中的电流(电枢电流Ia)与磁通相互作用，产生电磁力和电磁转矩，直流电机的电磁转矩公式为T=CTIa4.转矩平衡关系

电动机的电磁转矩T为驱动转矩,它使电枢转动。在电机运行时，电磁转矩必须和机械负载转矩及空载损耗转矩相平衡，即T2:机械负载转矩T0:空载转矩5.直流电动机的机械特性特点:

励磁绕组与电枢并联由图可求得IfIIaUM+_+_E由上分析可知：当电源电压U和励磁回路的电阻Rf一定时,励磁电流If和磁通不变，即=常数。则T=CT

Ia=CT

Ia

即：并励电动机的磁通=常数，转矩与电枢电流成正比。

由以下公式IfIIaUM+_+_E求得令：式中：n0nNTNn0Tnn=f(T)

特性曲线并励电动机在负载变化时，转速n的变化不大—硬机械特性（自然特性）。改变电枢电压和电枢回路串电阻可得人工特性曲线[例3-4]有一并励电动机，其额定数据如下:P２=22KW,

UN=110V,

nN=1000r/min,

=0.84,并已知

Rf=27.5，Ra=0.04,试求:(1)额定电流I,额定电枢电流Ia及额定励磁电流If

;(2)损耗功率PaCu,及PO

;(3)额定转矩T;(4)反电动势E。解：(1)P2是输出功率，额定输入功率为额定电流额定励磁电流额定电枢电流（2）电枢电路铜损励磁电路铜损总损失功率空载损耗功率（3）额定转矩（4）反电动势3.4步进电动机特点:

(1)来一个脉冲，转一个步距角。

(2)控制脉冲频率，可控制电机转速。

(3)改变脉冲顺序，可改变转动方向。

步进电机是利用电磁铁的作用原理，将脉冲信号转换为线位移或角位移的电机。每来一个电脉冲，步进电机转动一定角度，带动机械移动一小段距离。

区别在于励磁式步进电机的转子上有励磁线圈，反应式步进电机的转子上没有励磁线圈。种类：励磁式和反应式两种。下面以反应式步进电机为例说明步进电机的结构和工作原理。三相反应式步进电动机的原理结构图如下：ABCIAIBIC

定子内圆周均匀分布着六个磁极，磁极上有励磁绕组，每两个相对的绕组组成一相。转子有四个齿。定子转子3.4.1单三拍CA'BB'C'A3412

A相绕组通电，B、C相不通电。由于在磁场作用下，转子总是力图旋转到磁阻最小的位置，故在这种情况下，转子必然转到左图所示位置：1、3齿与A、A′极对齐。CA'BB'C'A3412同理，B相通电时，转子会转过30角，2、4齿和B、B´

磁极轴线对齐；当C相通电时，转子再转过30角，1、3齿和C´、C磁极轴线对齐。1C'342CA'BB'A

这种工作方式下，三个绕组依次通电一次为一个循环周期，一个循环周期包括三个工作脉冲，所以称为三相单三拍工作方式。

按ABCA……的顺序给三相绕组轮流通电，转子便一步一步转动起来。每一拍转过30°(步距角)，每个通电循环周期(3拍)转过90°(一个齿距角)。3.4.2六拍按AABBBCC

CA的顺序给三相绕组轮流通电。这种方式可以获得更精确的控制特性。CA'BB'C'A3412CA'BB'C'A3412

A相通电，转子1、3齿与A、A'对齐。

A、B相同时通电，A、A'磁极拉住1、3齿，B、B'磁极拉住2、4齿，转子转过15，到达左图所示位置。CA'BB'C'A3412

B相通电，转子2、4齿与B、B´对齐,又转过15。3412CA'BB'C'AB、C相同时通电，C'、C

磁极拉住1、3齿，B、B'磁极拉住2、4齿，转子再转过15。三相反应式步进电动机的一个通电循环周期如下：AABBBCC

CA，每个循环周期分为六拍。每拍转子转过15（步距角），一个通电循环周期(6拍)转子转过90(齿距角)。与单三拍相比，六拍驱动方式的步距角更小，更适用于需要精确定位的控制系统中。3.4.3双三拍按ABBCCA的顺序给三相绕组轮流通电。每拍有两相绕组同时通电。AB通电CA'BB'C'A3412BC通电3412CA'BB'C'ACA通电CA'BB'C'A3412与单三拍方式相似，双三拍驱动时每个通电循环周期也分为三拍。每拍转子转过30(步距角)，一个通电循环周期(3拍)转子转过90(齿距角)。

从以上对步进电机三种驱动方式的分析可得步距角计算公式：—步距角Zr

—转子齿数m—每个通电循环周期的拍数实用步进电机的步距角多为3和1.5

。为了获得小步距角，电机的定子、转子都做成多齿的.

步进电动机的应用非常广泛，如各种数控机床、自动绘图仪、机器人等。应用：3.5三相异步电动机的控制3.5.1电动机的起动控制从异步电动机接入电源，转子开始转动到稳定运转的过程，称为起动。在起动开始的瞬间（n=0，s=1），转子和定子绕组中都有很大的起动电流。一、起动控制一般中、小型鼠笼式电动机的定子起动电流（线电流）大约是额定电流的4～7倍。过大的起动电流会造成输电线路的电压降增大，容易对处在同一电网中的其它电器设备的工作造成危害，例如，使照明灯的亮度减弱，使邻近异步电动机的转矩减小等。

为了改善电动机的起动过程，要求电动机在起动时既要把起动电流限制在一定数值内，同时要有足够大的起动转矩，以便缩短起动过程，提高生产率二、起动方法鼠笼式电动机的起动方法有直接起动和降压起动两种。1.直接起动直接起动就是利用闸刀开关将电动机直接接入电网使其在额定电压下起动。方法最简单，设备少，投资小，起动时间短，但起动电流大，起动转矩小，一般只适用于小容量电动机（7.5kW以下）的起动。2.降压起动降压起动的主要目的是为了限制起动电流，但同时也限制了起动转矩，因此，这种方法只适用于轻载或空载情况下起动。(1)Y-△换接起动只适用于正常运转时定子绕组作三角形连接的电动机。起动时，先将定子绕组改接成星形，使加在每相绕组上的电压降低到额定电压的1/3，从而降低了起动电；待电动机转速升高后，再将绕组接成三角形，使其在额定电压下运行。可以证明，星形起动时的起动电流（线电流）仅为三角形直接起动时电流（线电流）的1/3，即IYst=(1/3)I△st；其起动转矩也为后者的1/3。(2)自耦降压起动对容量较大或正常运行时作星形连接的电动机，可应用自耦变压器降压起动。Y-△换接起动优点是起动设备简单，成本低，能量损失小。4~100kW的电动机均设计成380V三角形连接。自耦变压器降压起动的优点是不受电动机绕组接线方法的限制，可按照允许的起动电流和所需的起动转矩选择不同的抽头，常用于起动容量较大的电动机。其缺点是设备费用高，不宜频繁起动。自耦变压器上备有抽头，以便根据所要求的起动转矩来选择不同的电压。可以证明，自耦变压器降压起动电流为直接起动电流的1/K2；其起动转矩也为后者的1/K2。这里，K为变压器的变压比。(3)转子串电阻的降压起动对于绕线式电动机而言，只要在转子电路串入适当的起动电阻，就可以限制起