电机与变压器课件

绪论电机的发展是从十八世纪中期开始，法拉第表演了电流在磁场中产生机械力的实验，发现了电动机的工作原理，制造出原始型的电动机。随后另一个科学家阿果拉发现了旋转磁场，法拉第提出了电磁感应定律，1832年，出现了原始型的发电机。电能最早应用是供给照明和化学工业的需要，所以最初发展的电机是直流电机。1845年，电磁铁代替了永久磁铁，不久，出现了第一台自励发电机，建立了第一条直流输电线路。1电机与变压器1876年，交流电用于照明装置，随后出现了原始型的同步发电机和变压器。随着两相电流能产生旋转磁场的原理被发现，1885年，制造出了单相异步交流电动机的模型。1889年，多波洛尔斯基提出了三相制的建议，并设计和制造了第一台三相变压器和三相异步电动机，至1897年，建成了第一个三相交流输电系统。2电机与变压器交流三相制发电厂的迅速发展，使高速运转的汽轮发电机代替了以蒸汽机为原动力的的发电机，产生第二次技术革命，将社会生产力推进了电力时代。随着科学技术的不断发展，电机理论的不断完善，电机的发展日新月异，不仅容量大、体积小、运行良好可靠，而且应用范围也在不断扩大，并且随着功率电子学等学科的渗入，电机家族还在不断增添新的成员。3电机与变压器电机的分类电机是以适当的有效材料（导电和导磁）构成能互相进行电磁感应的电路和磁路。以产生电磁转矩和电磁功率，达到转换能量形式的目的。静止电机旋转电机变压器直流电机交流电机同步电机异步电机一般分类：电机5电机与变压器电机是一种能量转换装置，变压器是一种电能传递装置。按功能分：发电机：将机械能转换为电能。电动机：将电能转换为机械能。微型控制电机：在电器机械系统中起调节、放大和控制信号的作用变压器：将一种形式的电能转化为另一种形式的电能。它们共同的特点是：根据电磁感应定律和电磁力定律进行能量转换。6电机与变压器磁与电磁一、磁的基本知识1、磁性能吸引铁、镍等金属或合金的性质。2、磁体具有磁性的物体。3、磁极磁体上磁性最强的部位，有S极和N极，磁极间同性相斥，异性相吸。4、磁力磁极间的相互作用力。5、磁场磁极周围存在的一种特殊物质。具有力和能的特性。6、磁力线为描述磁场的强弱和方向而引入的假想线。在磁极外部由N指向S，在磁极内部由S指向N。磁力线越密磁场越强，磁力线越疏磁场越弱。7电机与变压器三、磁场对电流的作用1、通电导体在磁场中会受到力的作用，电磁力的方向符合左手定则。伸开左手，四指并拢，拇指与四指垂直，并且在同一平面里，让磁感线垂直穿过手心，使四指指向电流方向，这时大拇指所指的方向就是通电导线在磁场中所受磁场力的方向。左手定则9电机与变压器10电机与变压器2、我们常使用通电导体在磁场中某点受到的电磁力与导体中电流和导体的有效长度的乘积的比值来表示该点磁场的性质，并称为该点的磁感强度B。即：B=FILB：均匀磁场的磁感强度（T）F：通电导体受到的电磁力（N）I：导体中的电流强度（A）L：导体在磁场中的有效长度（m）为后面研究问题方便，我们规定用符号和·分别表示电流或磁力线进入和流出纸面的方向。11电机与变压器13电机与变压器14电机与变压器一、变压器变压器是一种静止的电器，它利用电磁感应原理将一种等级的电压和电流的交流电能转换成另一种等级的电压和电流的交流电能。它的工作原理就是电磁感应和磁势平衡。下面我们就从变压器的结构开始，逐步了解和掌握变压器的工作原理和运行特性。在分析时，我们需要注意分析变压器电路的电磁物理过程。

变压器为什么只能变换交流电能的电压和电流？15电机与变压器连接发电机与电网的升压变压器连接发电机的封闭母线

与电网相连的高压出线端17电机与变压器三相干式变压器自耦变压器18电机与变压器电源变压器环形变压器控制变压器19电机与变压器1）铁芯

变压器的主磁路，为了提高导磁性能和减少铁损，用厚为0.35-0.5mm、表面涂有绝缘漆的硅钢片叠成。基本结构分为铁心柱和铁轭两部分，有心式和壳式两种形式。单相心式变压器单相壳式变压器21电机与变压器2）绕组

变压器的电路，一般用绝缘铜线或铝线绕制而成。有同心式和交叠式两种形式。

同心式：高（外）、低（内）压绕组同心地绕在铁心柱上，结构简单，制造方便。

交叠式：高低压绕组交叠放置，最上和最下为低压绕组。漏阻抗较小，机械强度好，引线方便，在特殊变压器上使用较多。3）其他装置变压器上还有绝缘套管、油箱、储油柜、吸湿器、安全气道、净油器和气体继电器等元器件在工作时起冷却和保护作用。22电机与变压器23电机与变压器∵e1=–∆Φ∆t

N1

e2=–∆Φ∆t

N2

且e1=–u1

e2=u2

∴在只讨论数量关系时，就有表明变压器初、次级绕组的电压比就等于它们的匝数比n。这就是变压器的变压原理。u1

u2

=

e1

e2

=

N1

N2

=n

n＞1时，是降压变压器，n＜1时，是升压变压器，n=1时，是隔离变压器。变比n是变压器运行的重要参数。25电机与变压器例：已知某变压器的初级电压为220V，次级电压为36V，初级的匝数为2200匝，试求该变压器的变压比和次级的匝数。=

解：N2

N1

u1

u2

u1

u2

≈=n6.1=

2200×36220=

360匝练习：将某单相变压器接在电压u1=220V的电源上，已知u2=20V，次级匝数N2=100匝，则初级的匝数是多少？26电机与变压器由于变压器的初、次级功率相等，所以有：I12ZLX=I22ZL即：ZLX=N1N2（）2ZL=ZLn2也就是说，负载ZL接在变压器的次级上，从电源中获取的功率和负载ZLX直接接在电源上所获取的功率是完全相同的。也就是说，ZLX是ZL在变压器初级中的交流等效电阻。上式还表明，变压器初级交流电阻ZLX的大小，不但与变压器次级的负载ZL的成正比，而且与变压器的变比n的平方成正比。=nZLZLX29电机与变压器课后练习：1、要将电压从220V变换为110V，现使用一个原绕组匝数为2匝，副绕组匝数为1匝的变压器，可不可以实现？2、变压器可以实现变压、变流、变换阻抗，变压器可不可以变换电源频率？30电机与变压器4、变压器的空载运行i1将变压器一次绕组接交流电源，二次绕组开路，这种运行方式称为变压器的空载运行。变压器各电磁量正方向的规定：1、在一次绕组内，电流的正方向与电压的正方向一致。2、磁通正方向与电流方向符合右手螺旋定则。3、感应电势方向与磁通方向符合右手螺旋定则。4、在二次绕组内，电流的正方向与电势方向一致。5、在二次绕组端，电压方向与电流方向一致。L1L2N1N2ZL31电机与变压器i1L1L2N1N2因为是空载运行，二次绕组开路，所以电流i2=0。ZL=0电流i1是产生磁通Φ的全部原因。此时称为空载电流i0i0因为i0只用于产生主磁通，所以原绕组是一个纯电感电路。i0滞后u1900，电动势e1与u1反相。e1与e2同相理想变压器的相量图I0·Φ·U1·E1··E232电机与变压器常磁通概念：因为E1=4.44fN1Φ，E2=4.44fN2Φ而U1=E1，U2=E2所以有U1=4.44fN1Φ，U2=4.44fN2Φ上式中4.44是常数、频率f是电网提供的工频、匝数N对于一个已制造好的变压器来说也是一个常数，所以我们可以说只要电压U不变，磁通Φ的大小就不会发生变化，这就是重要的常磁通概念。33电机与变压器5、变压器的负载运行当变压器二次绕组带上负载后，此时电路里开始有电流i2L1L2N1N2ZL+∆i=i1i0=0i2就一定会通过二次绕组，在铁芯中也产生一个磁通Φ′可是此时电源电压u1并没有改变。变压器的主磁通Φ就不应该变化。于是励磁电流i0就会也发生变化，i0会根据i2的大小增加一部分电流∆i，变成i1=i0+∆i,最终维持Φ不变，这就是变压器的磁势平衡。34电机与变压器5、变压器的外特性因此我们把当电源电压和负载功率因数一定时，二次电压随负载电流变化的规律，称为变压器的外特性。因为变压器二次侧功率P2是由一次侧功率P1决定的，它不会随变压器所带负载的变化而变化。∵P2=i2u2∴当负载变化引起i2变化时，u2就会跟随i2的变化而变化1.001.035电机与变压器6、电压调整率从前面变压器的外特性可以看出，当负载有波动时，变压器输出的二次电压就会有波动。从我们使用电能来说，当然是希望电压越稳定越好。国家规定用∆u%=u2N－u2u2N×100%=∆uu2N×100%来表征电压调整率，它反映了电网电压的稳定性。电压的波动就越小，因此我们在使用电气设备时，如果能尽量提高功率因数，就有助于电压的稳定。分析变压器的外特性，当功率因素越接近1，2cosj

我们能采取什么措施来减小电压波动呢？36电机与变压器7、变压器损耗和效率

实际运行中的变压器不可避免的会因为材料、工艺等问题而产生损耗。变压器的损耗分为两种：

⑴铁损耗。铁耗是磁通在铁芯中交变和运行时产生的损耗，与负载没有任何关系。因为磁通大小一般没有变动，所以铁耗又称为不变损耗或空载损耗，用pFE表示。⑵铜损耗。铜耗是电流在绕组中，与绕组的电阻产生的热损耗，用pCU表示。pCU=I12r1r2I22+=β2pCUN铜耗的大小取决于负载电流的大小以及绕组中电阻的大小，所以铜耗又称为可变损耗。β=I2I2N37电机与变压器将变压器的这两种损耗相加，即得变压器的功率损耗∆p∆p=pCUpFE+变压器的效率η，就是变压器输出和输入功率之比，η=P2P1×100%∵P1=P2+∆p∴效率的一般计算公式为：×η=∆pP2P2+100%时，变压器效率最高。当pFE=pCU38电机与变压器

为了使变压器安全、经济、合理地运行，在每台变压器上都安装有一块铭牌，上面标明了变压器的型号及各种额定数据，作为正确使用变压器的依据。铭牌中参数说明如下。8．变压器的铭牌39电机与变压器（1）型号40电机与变压器额定电压U1N是指变压器在额定运行情况下，根据变压器绝缘等级和允许温升等条件规定的一次绕组上的线电压。额定电压U2N是指在一次绕组上加额定电压后，二次绕组空载时的线电压。（2）额定容量额定容量是指变压器在额定工作状态下，二次绕组的视在功率，其单位为kVA。对于单相变压器而言，即变压器二次绕组的额定电压U2N与额定电流I2N的乘积。三相变压器的额定容量为（3）额定电压U1N和U2N41电机与变压器连接组标号是指三相变压器一、二次绕组的连接方式。Y指高压绕组作星形连接，y指低压绕组作星形连接，D指高压绕组作三角形连接，d指低压绕组作三角形连接，N指高压绕组作星形连接时的中性线，n指低压绕组作星形连接时的中性线。（4）额定电流I1N和I2N额定电流是指变压器在额定运行的条件下，一、二次绕组长时间工作允许的线电流。

（5）连接组标号42电机与变压器2、一台额定容量为SN=100kVA的单相变压器，一、二次绕组的额定电压U1N/U2N=10kV/0.2kV,求额定电流I1N/I2N各是多大？这台变压器的输出端能否接85kW，功率因数为0.85的感性负载？课后练习1、变压器的电压变化率与哪些因数有关？从运行角度看是大些好还是小些好？43电机与变压器二、三相变压器和特殊变压器三相变压器广泛应用于电力系统中，在对称三相负载下运行时，变压器的各相电压、电流大小相等，相角互差120°，三相完全对称，前面所分析得出的单相变压器的各种特性可直接用于三相变压器的任意一相。下面只讨论三相变压器特有的问题。三相变压器44电机与变压器三相组式变压器由三个容量与结构完全相同的单相变压器组成。特点是每相都有自己独立的磁路，互不相关，各相的励磁电流在数值上完全相等。其优点是：对特大容量的变压器制造容易，备用量小。但其铁心用料多，占地面积大，只适用于超高压、特大容量的场合。一、磁路系统1、三相组式变压器u1u2v1v2w1w245电机与变压器2、三相心式变压器三相心式变压器特点是三相磁路相互关联，磁路长度不等，当外加三相对称电压时，三相励磁电流不对称，但因励磁电流很小，可忽略对负载运行的影响。其优点是：节省材料，体积小，效率高，维护方便。故目前大、中、小容量的变压器广泛采用心式变压器。46电机与变压器二、电路系统三相绕组通常采用星形联结（记作“Y”或“y”）或三角形联结（记作“D”或“d”），绕组的首、末端的标志规定如下所示。绕组名称单相变压器三相变压器中性点首端末端首端末端高压绕组U1U2U1、V1、W1U2、V2、W2N低压绕组u1u2u1、v1、w1u2、v2、w2n1、绕组的端头标号47电机与变压器或(a)星形联结(b)三角形联结2、星形和三角形联结法U1U2V1V2W1W2U1U2V1V2W1W2U1U2V1V2W1W2Y形连结时：U线=U相3U线U相U线U相D形连结时：U线=U相48电机与变压器三、变压器的绕组极性变压器的主磁通以及绕组中的感应电动势都是交变的，并无某一固定极性，这个极性是指某一瞬间的相对极性。即在任一瞬间，一个绕组的某一端为正时，另一个绕组的某一端必然也为正。U1U2u1u2如某一瞬间，U1为正、U2为负+－Φe2+-得，u1为正、u2为负。因此我们称U1和u1为同极性端或同名端，加“·”或“＊”表示。＊＊1、单相变压器的极性49电机与变压器对于单相变压器来说，极性对变压器的运行没有任何影响，但对于要将三个绕组按一定规律联结的三相变压器来说，极性问题就十分重要了，一旦某相绕组的极性接反，就会烧坏变压器。取三相心式变压器中的某一相e1e2绕向和线端标志均相同U1U2＊＊Φ·E1·E2e1e2绕向和线端标志不同v1v2V1V2＊＊ΦW1W2w1w2＊＊Φe1e2(I/I—0)·E1·E2(I/I—6)50电机与变压器2、单相变压器的极性判别鉴别既没有线端标记，又不知绕向的绕组，我们可以使用电压表或电流表进行测试，根据测试结果找出两个绕组的同极性端。下面以电压表为例介绍测试的原理与方法。由变压器的原理可知，当变压器空载时，在忽略原边绕组的漏电感和内电阻电压降的条件下，可得U1=-E1，U2=E2AXaxU1e2e1U2由图可知，A和a，X和x为同极性端＊＊51电机与变压器若用一根导线连接了同极性端，如X和xAXaxU1e2e1U2＊＊用电压表测量另一个同极性端A、aV根据电压关系有：UAa=e1+e2=U2-U1=U1-U2反过来说，也就是如果电压表上的测量结果为两各端电压之差，则说明此时被导线连接的两端或被电压表测量的两端为同极性端。52电机与变压器如果导线连接的是异名端a、XAXaxU1e2e1U2＊＊电压表测量A、xV根据电压关系有：UAx=e1-e2=-U1-U2=U1+U2说明电压表上测量的数值如果是两个端电压之和，则此时导线连接的两端或电压表测量的两端为异名端。53电机与变压器3、三相变压器的极性判别判别三相变压器的绕组极性有以下三个步骤：1）判别每相绕组中原、副绕组的一一对应关系三相变压器总共六个绕组，首先就是找出结构封闭．出线凌乱的三相变压器的三相原、副绕组的对应关系。这可以使用万用表来测量。①用万用表电阻档测出每个绕组的首末端R电阻小，为同一个绕组的首末端电阻大，不是同一个绕组的首末端54电机与变压器②判别高、低压绕组R找出绕组的首末端后，接下来的工作就是要找出三个高压绕组和三个低压绕组。同样使用万用表的电阻档。测得电阻值R1测得电阻值R2比较R1和R2的大小，由于高压绕组匝数多，低压绕组匝数少，因此电阻大的为高压绕组55电机与变压器③找出每相绕组的原、副绕组给某绕组加一个合适的交流电源～交流电源用万用表的交流电压档测量每个绕组的感应电势，并记录数值。VE1E2E3比较三个感应电势，有最高值的绕组即与加交流电源的绕组为同一相得原、副绕组。56电机与变压器2）判别每相原、副绕组的同极性端按单相变压器的极性判别方法即可。3）判别相与相之间绕组的同极性端U1U2V1V2W1W2＊＊＊＊＊＊在某一原绕组上加一个合适的交流电压110V～用导线任意连接两相之间的某两个绕组的端子用电压表测量另两个端子之间的电压UVU＞110V异名端U＜110V同名端57电机与变压器三相变压器原、副绕组按不同连接方式的组合，形成不同的联结组。最常用的联结组有以下四种，即Y，yN、Y,y、Y,d、YN,d。其中YN表示绕组接成星形后，中性点具有引出线，用于三相四线制的输出线路。4、三相变压器的联结组别下面以Y,y0联结组为例说明三相变压器联结组别的步骤：1）根据三相变压器绕组联结方式（Y或y、D或d）画高、低压绕组接线图（绕组按A、B、C相序自左向右排列）；2）在接线图上标出相电动势和线电动势的假定正方向；58电机与变压器AXBYCZaxbycz＊＊＊＊＊＊uABuabuAua3）画出高压绕组电动势相量图，将A、a重合，再画出低压绕组的电动势相量图（画相量图时应注意三相量按顺相序画）；AXBYCZuABaxbycz4）根据高、低压绕组线电动势相位差，确定联结组别的标号。uabUAB与uab同相，所以此变压器联结组为Y,y059电机与变压器练习分析此变压器为什么联结组？AXBYCZaxczbyaxbycz＊＊＊AXBYCZ＊＊＊NYN,d1160电机与变压器特种变压器1、电流互感器电流互感器作用是将电路中流过的大电流变换成小电流(额定值为5A或1A)供电给测量仪表和继电器的电流线圈。原绕组线径较粗，匝数为一匝或几匝，副绕组线径较细，匝数很多。N1N2i1i2I1=I2N2N1使用注意：①串联②可靠接地③运行时，二次侧不允许断开61电机与变压器2、电压互感器电压互感器作用是将高电压降为低电压（一般额定值为100V）供电给测量仪表和继电器的电压线圈，使测量、继电保护回路与高压线路隔离，保证人员和设备的安全。原绕组匝数很多，副绕组匝数较少，FUu1u2N1N2U1=N1N2U2使用注意：①②③并联可靠接地运行时，二次侧不允许短路62电机与变压器3、自耦变压器自耦变压器是单绕组变压器，一、二次绕组共用一个线圈，绕在闭合的铁心上，二次绕组是一次绕组的一部分,称为公共绕组。可见自耦变压器的一、二次绕组之间除了有磁的耦合外，还有电的直接联系。AXAX为原绕组，匝数为N1,N1ax为副绕组，匝数为N2,axN2工作原理与普通变压器相同，要注意的是公共绕组中的电流∆iu1i1e1e2u2i2∆i∆i=i1+i2但i1与i2方向相反，故在数值上∆I=I2－I163电机与变压器AXaxi1i2iN1N2u1u2自耦变压器的容量SN=U1NI1NU2NI2N==U2N∆I+U2NI1N这说明自耦变压器的容量是由两部分组成的:U2N∆I是电磁容量，这部分容量与普通变压器二次绕组中的容量是相同的。是传导容量，这部分容量是通过电路的直接联系U2NI1N从一次绕组传至二次绕组的。这就是自耦变压器独有的特点。64电机与变压器三、三相笼型异步电动机电机和变压器一样，也是利用电磁感应原理工作的一种设备。它的主要作用是进行能量的转换，例如电动机是将电能转换成机械能，可以带动其他设备工作。发电机则是将其他能量转换成电能，不断提高我们的生活质量。了解电机的基本结构是我们今后使用或维护电动机的第一步。65电机与变压器电机有两大部分：定子和转子定子是指电机上所有固定不动的部分，主要部件是定子铁芯和定子绕组。转子是指电机上旋转运动的部分，主要部件是转子铁芯和转子绕组。一、三相笼型异步电动机的基本结构66电机与变压器1、定子铁芯和定子绕组1）定子铁心：由导磁性能很好的硅钢片叠成——导磁部分。2）定子绕组：放在定子铁心内圆槽内——导电部分。67电机与变压器2、转子铁芯和转子绕组1)转子铁心：由硅钢片叠成，也是磁路的一部分。2）鼠笼式转子：转子铁心的每个槽内插入一根裸导条，形成一个多相对称短路绕组。68电机与变压器二、三相电动机的铭牌69电机与变压器1、型号70电机与变压器2、额定值1）额定功率额定功率是电动机在额定运行情况下，其轴上输出的机械功率。又称额定容量。2）额定电压额定电压是指电动机在额定运行时定子绕组的线电压，他同定子绕组的接法相对应。3）额定电流额定电流是电动机在额定运行时定子绕组的线电流。如果铭牌上有两个电流值，则表示定子绕组在两种不同接法时的线电流。71电机与变压器4）额定转速在额定电压下，输出额定功率时的转速称为额定转速5）绝缘等级绝缘等级是按电动机绕组所用的绝缘材料在使用时允许的极限温度来划分的。6）工作方式工作方式是对电动机按铭牌上等额定功率持续运行时间的限制，分为“连续”、“短时”和“断续”等。7）功率因数电动机在额定运行状态下，定子电路的功率因数。异步电动机空载运行时定子电路的功率因数很低，只有0.2～0.3，随着负载的增加，功率因数也增加，在额定负载时一般为0.7～0.9，因此要避免空载运行。72电机与变压器8)接法中、小容量的低压异步电动机，通常定子三相绕组的六个出线头都引出，可根据额定电压灵活地接成“Y”形或“D”形。U1V1W1U1V1W1W2U2V2W2U2V2D联结Y联结73电机与变压器三相异步电动机是如何转动起来的？固定不动的转子绕组和旋转的定子磁场相切割而感应电动势。转子绕组是闭合的，因此感应电动势在绕组中产生感应电流。感应电流的方向与感应电动势的方向相同。载流的转子绕组处在磁场中，必定受到电磁力的作用。两个电磁力的大小相等、方向相反，因此对电动机转轴形成了电磁转矩。于是转子就顺着定子磁场的方向转动起来。NS模型电机的定子磁极模型电机的转子绕组eei2FFn0n用右手定则判断用左手定则判断三、三相异步电动机的工作原理74电机与变压器三相异步电动机的三相定子绕组以互隔1200的方式嵌放在定子铁芯中。当三个绕组分别接入三相交流电后，便可以产生旋转磁场。实际三相电动机的旋转磁场是如何产生的呢？ωt0iAXBYCZ规定：电流为正值时，电流从绕组首端流入，从末端流出；电流为负值时，电流从绕组末端流入，从首端流出。75电机与变压器AXBYCZωt0iωt=0时电流和磁场情况×A、C两相电流t=0时为正，因此首端流入、末端流出。××B相电流t=0时为负，末端流入、首端流出。电流入

电流出NSn0相邻线圈电流流向一致，在气隙中生成合成磁场。76电机与变压器ωt0iωt=120°AXBYCZωt=120°时电流和磁场情况×××NSn0可见当电流随时间变化120°，电动机的磁场在空间的位置也随之旋转了120°。观察电流波形图及电机示意图可看出，合成磁场的转向取决于三相电流的顺序，A→B→C正序时气隙磁场顺时针旋转。77电机与变压器ωt0iωt=240°AXBYCZωt=240°时电流和磁场情况×××NSn0观察电流波形图及电机示意图可看出，合成磁场的转向取决于三相电流的顺序。78电机与变压器ωt0iωt=360°AXBYCZ×××NSn0电流随时间变化一周，电动机的气隙磁场在空间的位置也顺时针旋转了360°。表明磁场的旋转速度与电流变化的频率有关。ωt=360°时电流和磁场情况79电机与变压器归纳：只要三相异步机的对称三相定子绕组中通入对称三相交流电，就会在定子和转子之间的气隙中产生一个随时间变化的旋转磁场。80电机与变压器AXBYCZ×××n0三相异步电动机工作原理概括在电动机对称三相定子绕组中通入对称三相交流电流产生气隙旋转磁场NS转子导体与磁场相切割，生成感应电动势、感应电流载流导体受电磁力的作用形成力偶力偶对电机转轴形成电磁转矩从而使固定不动的转子顺着旋转磁场的方向转动起来。FF若要改变电动机的旋转方向，只需任调通入定子绕组中两相电流的相序即可。81电机与变压器很明显，电动机上存在两个转速，一个是旋转磁场转速n0，一个是转子的转速n。电动机的转速n能等于旋转磁场的转速n0吗？如果二者相等，则转子与旋转磁场之间产生感应电流成为载流导体→不是载流导体就无法在磁场中就没有了相对切割→转子不切割磁场就不能受力→不受力电动机就永远转运不起来。n≠n0，异步！82电机与变压器三相电动机旋转磁场的转速与哪些因素有关？1、电流频率电流随时间变化一周，电动机的旋转磁场旋转了360°。即：磁场转速n0与电流频率f成正比。2、磁极对数磁场转速随定子磁极数的增加而发生变化。四极电机AA'B'Y'C'Z'XX'BYCZAXBYCZSN二极电机83电机与变压器四极旋转磁场转速的分析AA'B'Y'C'Z'XX'BYCZωt0iωt=0°时××××ωt=120°时AA'B'Y'C'Z'XX'BYCZ××××电流变化120°，旋转磁场在空间的位置仅转过了60°；当电流变化360°时，四极电动机的旋转磁场才能旋转180°。显然，四极旋转磁场的转速是二极电机1/2。84电机与变压器综合分析，可得电动机旋转磁场的转速与频率、极对数之间的关系为：

r/0min)/(60分转pfn=即：异步电动机旋转磁场的转速与电源频率成正比，与电机的极对数成反比。由于电动机转速n与n0之间存在速度差，因此我们选用一个参数—转差率s来表示n与n0的关系。

(1)电动机起动瞬间，电动机转速n=0，转差率s=1；(2)电动机转速最高时，转速n≈n0，转差率s≈0；

(3)电动机运行过程中，转速0<n<n0，转差率0<s<1；n=60f1p(1－s)85电机与变压器例解有一台三相异步电动机，其额定转速为975r/min。试求工频情况下电动机的磁极对数和电动机的额定转差率。由于电动机的额定转速接近于旋转磁场的转速，所以可以估取同步转速n0=1000r/min。86电机与变压器四、电动机的运行特性通过电动机工作原理的学习，我们可以发现电动机有许多地方和变压器是相类似的：变压器一次绕组接入电流，产生交变磁场；电动机定子绕组接入电流，产生旋转磁场；交变磁场在铁芯中环绕，在变压器二次绕组上产生电磁感应，产生感应电势和电流；旋转磁场交链转子绕组；在电动机转子上产生电磁感应，产生感应电势和电流；变压器一次绕组和二次绕组只有磁耦合，没有电的直接联系。电动机定子绕组和转子绕组只有磁耦合，没有电的直接联系。87电机与变压器电动机当然也有许多和变压器不一样的地方：变压器是静止的，没有旋转部分；电动机转子在感应出电流后，是旋转运动的；变压器主磁路只在铁芯中运行；电动机旋转磁场交链转子铁芯时，需要经过气隙；变压器绕组是集中绕在铁芯上的；电动机绕组是按一定规律安放在铁芯上的若干个槽内；所以根据变压器的一些结论，就可以得到电动机的一些运行特性：88电机与变压器变压器一次绕组感应电势E1=4.44fN1Φ电动机定子绕组感应电势E1=4.44f1N1ΦK1（K1是线圈系数）变压器二次绕组感应电势E2=4.44fN2Φ电动机转子绕组感应电势E2=4.44f2N2ΦK2（K2是线圈系数）

E1、E2的频率为什么不一样？电磁感应定律E=Blv中的v是磁场与导体之间的相对运动速度（n0－n）

。因此对于静止的定子绕组来说，这个相对速度就是磁场的旋转速度；而对于旋转的转子来说，这个相对速度是磁场与转子之间的速度差。pn060==pf160(n0－0)电动机定子绕组感应电势E1的频率=pf260(n0－n)电动机转子绕组感应电势E2的频率==60pn0n0(n0－n)sf189电机与变压器AXBYCZ转子感应电势E2的频率对电机运行有什么影响呢？在电机定子通入电流，产生旋转磁场的瞬间SN转子处于静止状态。此时转差率s=1,转子感应电势f2=f1，E2此时最大，转子中的感应电流I2也最大。随转子转速的提高。转差率s下降,E2和I2也随之下降。另外，电动机功率因素和转子阻抗也与转差率有关。转子在处于静止的瞬间时，其阻抗最大、功率因素最低。随转速的提高，阻抗随之下降，功率因素开始上升。总结电动机在启动的瞬间，转子上有很大的电流，根据磁势平衡，则电动机定子上就会有很大的电流，从而可能会烧坏电机定子绕组。90电机与变压器五、电动机的功率和损耗电动机是一种将电能转换成机械能的装置。所以在能量转换的过程中不可避免的会产生各种损耗。=P13UNINcosjpFE1pCU1pCU2pFE2pmp∆电源定子，旋转磁场转子，电磁感应电磁功率Pe输入电功率P1机械功率Pmec输出机械功率P2转子旋转)P1Pe=－(pCU1＋pFE1=PmecPe－PCU2PFE2(转子铁耗很小，可忽略不计）=pCU2SPe称为转差功率=Pe(1－S)P2=Pmec－p0+p0=p∆pm称为空载损耗，固定不变。P1=η91电机与变压器=pCU2SPe

说明，从气隙传递到转子的电磁功率分为两部分，一小部分变为转子铜损耗，绝大部分转变为总机械功率。转差率越大，转子铜损耗就越多，电机效率越低。

的两边同时除以机械角速度得或电磁转矩电磁转矩等于总机械功率除以转子机械角速度。输出转矩92电机与变压器1.异步电动机的电磁转矩的几种表达式五、异步电动机的电磁转矩和机械转矩电动机的结构常数每极下工作主磁通转子电流转子电路功率因数上式中各参数：每极下工作主磁通遵循主磁通原理。转子电路的功率因数和转子电流均随转差率的变化而变化。em1）93电机与变压器将公式中各量的计算式代入电磁转矩公式，即可得到电磁转矩的另一种参数表达式：

电磁转矩T正比电源电压U1的平方，反映了电动机的电磁转矩在负载不变情况下，其大小取决于电源电压的高低。但这并不意味电动机的工作电压越高，电动机实际输出转矩就越大。上式说明，只要电机参数不发生变化，电磁转矩电动机输出机械转矩的大小，实际上决定于来自于电动机轴上负载阻转矩的大小。当电磁转矩T等于负载阻转矩TL时，电动机就会在某一速度下稳定运行；若T>TL，电动机就会加速运行；若T<TL，电动机则要减速运行直至停转。21U2sR22(202)sXR+=Kf1Tem2）94电机与变压器异步电动机电磁转矩特性电磁转矩有三个重要值，分别为：Tmsm1T0sn=0n=n0根据公式可得异步机的电磁转矩特性曲线：最大电磁转矩对应最大电磁转矩的临界转差率。(1)额定转矩TN电动机额定电压下以额定转速nN运功率单位若为W时，9550改为9.55行，输出额定机械功率PN时，电机转轴上对应输出的机械转矩为额定电磁转矩TN。95电机与变压器最大转矩反映了电动机带最大负载的性能，我们把它与额定转矩的比值称为电动机的过载能力，即：TMT0s最大电磁转矩起动电磁转矩(2)最大转矩TM起动转矩反映了异步机带负载起动时的性能。起动转矩与额定电磁转矩之比称作电动机的起动能力，即：Tst(3)起动转矩Tst

λm通常在1.6~2.0之间。如果负载转矩超过了最大转矩，电动机将停转。

λst通常在1.4~1.8之间。如果电机的起动转矩Tst小于电动机轴上的负载阻转矩TL时，电动机将无法起动。96电机与变压器异步电动机的机械特性n0T机械特性曲线额定工作点NnNTNTstTM额定转矩电动机运行在AB段，其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。ABC机械特性曲线可分为稳定运行区AB段和非稳定运行区BC段两部分。电机稳定运行时TL=TN。当负载增加时，TL'>TN动力小于阻力电机稳定运行状态被破坏转速n下降转差率s上升转子电路感应电动势增加电流I2增大定子电流I1随之增大电磁转矩T增大至T′当T′=TL′时电动机转速重新稳定在n'上，此时n′<n。特性曲线的N点向右移。显然，把转矩特性曲线旋转90°后即可得到机械特性曲线。额定转速最大电磁转矩起动电磁转矩分析电机稳定运行在TL=TN。当负载减少时，TL″<TN动力大于阻力电机的稳定运行状态被破坏转速n上升转差率s下降转子电路感应电动势减小电流I2减小定子电流I1随之减小电磁转矩T减小至T″当T″=TL″时电动机转速重新稳定在n″上，此时n″>n。沿特性曲线左移。N′N″97电机与变压器四.单相异步电动机简介我们日常生活及办公场所通常是单相供电，因此很多仪器、各种电动小型工具、家用电器等，都采用单相异步电动机。单相异步机采用鼠笼式转子结构，一般容量多在0.75KW以下。电容运转单相机洗衣机电动机电风扇电动机制冷压缩机

三相异步电动机只所以能够转动，是因为它的定子绕组通入对称三相交流电后产生的旋转磁场。那么，单相异步电动机通入单相交流电后，产生的是一个什么样的磁场呢？98电机与变压器单相异步电动机的定子磁场单相机定子单相机转子ωt0i在定子绕组中通入单相交流电×××电流正半周，线圈导体中通过的电流始终为正值合成磁场随时间大小不断变化，但磁场轴线的位置始终不变。NS电流的负半周，线圈导体中通过的电流方向始终为负×××SN合成磁场随时间大小不断变化，但磁场轴线的位置始终不变。显然，单相异步电动机的定子磁场是一个大小和方向随时间不断变化、但磁场轴线位置始终不变的脉动磁场。所以单向异步机的转子不会自行起动，也就是说单相异步电动机的起动转矩为零。99电机与变压器如何使单相异步电动机旋转起来呢？电容分相法可让单相异步机转动电容分相式异步电动机的定子有两个绕组：一个是工作绕组；另一个是起动绕组，两个绕组在空间对称嵌放。起动绕阻与电容C串联，使起动绕组电流i2和工作绕组电流i1产生90°的相位差，即：加入起动绕组后，和工作绕组并联连接于单相交流电源上。可见，单相电动机定子两绕组的合成磁场也是一个随时间空间位置不断变化的旋转磁场。单相电动机也因之可以自行起动了。AXBYAXBYAXBY100电机与变压器101电机与变压器102电机与变压器直流电机可分为直流发电机和直流电动机两大类。将机械能转化为电能的直流电机是直流发电机，将电能转化为机械能的直流电机是直流电动机。直流电机具有良好的调速性能、较大的起动转矩和过载能力，一般应用于对起动和调速要求较高的场合。另外，结构复杂、成本较高、维护较困难是直流电机的不足之处。五、直流电动机工业直流电机直流伺服电机外转子直流电机103电机与变压器直流电动机结构也分为定子和转子两大部分。定子转子一、直流电机的基本工作原理和结构1、直流电机的主要结构104电机与变压器定子主要部件有：（1）主磁极主要作用是产生恒定的气隙磁通，由铁心和励磁绕组构成1—机座；2—主磁极铁芯；3—励磁绕组（2）换向磁级1—换向极铁芯；2—换向极绕组主要作用改善换向，减小电火花。105电机与变压器与换向器配合,完成交直流的互换。数目与主磁极相同。（3）电刷装置电刷座与电刷转子又称为电枢，其主要部件有既是主磁路的一部分，又可以放置电枢绕组。（1）电枢铁心106电机与变压器（2）电枢绕组电枢绕组与换向器联结。主要作用产生感应电动势和电磁转矩，实现机电能量的转换。（3）换向器与电刷装置配合,完成直流与交流的互换107电机与变压器108电机与变压器2、直流电动机工作原理

把电刷A、B接到直流电源上，电刷A接正极，电刷B接负极。此时电枢线圈中将有电流流过。

直流电动机是将电能转变成机械能的旋转机械。

在磁场作用下，有F=BIL。该电磁力形成电磁转矩,使电机转子旋转。109电机与变压器110电机与变压器电枢绕组有两种连接方式：单叠绕组和单波绕组，下图以单叠绕组为例。另外一半电枢绕组也构成另外一条支路。不管电枢如何转动，一条支路中绕组感应的总电势大小基本不变（微小脉动）。+-111电机与变压器

单叠绕组的并联支路图说明，转子旋转后电枢绕组所有元件被两个电刷所平分为2条支路，即并联支路数与磁极数相同。有2a=2p。另外一种连接连接方式，单波绕组的并联支路数则恒等于2，即2a=2。电机的电枢电动势Ea，电磁转矩Te则因为连接方式的不同而不同。两个重要公式如下：Ea=CeΦnTe=CtΦIaCt=9.55CeCe=pN/60a112电机与变压器二、直流电动机的种类和铭牌直流电动机按产生磁场的方式来进行区分，分为两大类：他励和自励。

他励是指通入电动机定子中，产生磁场的电流If与通入电动机转子，产生转矩的电流Ia分别由两个电源提供。他励的特点是,励磁电流If的大小与电枢电压U及负载等参数无关。若U=Uf，则他励电动机与并励电动机性能相同。1、直流电动机的分类113电机与变压器自励是指励磁电流与电枢电流共用一个电源，根据励磁绕组与电枢绕组的连接形式，又分为串励、并励和复励三种励磁方式。串励是指励磁绕组与电枢绕组串联连接。串励的特点励磁线圈匝数少，线径较粗，If较大，有If=Ia。串励电动机有较大的启动转矩，但转速容易发生波动。适用于要求较大启动转矩且允许转速变化较大的工作场合。114电机与变压器并励是指励磁绕组与电枢绕组并联连接。并励的特点是励磁电流If较小，线圈匝数较多，线径较细，有电源总电流I=If+Ia。中小型直流电动机多为并励电动机。复励是励磁绕组与电枢绕组采用串、并联混合连接。主磁极由两个励磁绕组组成:一个与电枢绕组串联，称为串励绕组;另一部分励磁绕组再与电枢绕组并联，其特点是电动机的主磁通由这两个励磁绕组共同产生。115电机与变压器2、直流电机的铭牌型号：国产电机型号一般采用大写的汉语拼音字母和阿拉伯数字表示，其格式为：第一部分用大写的拼音表示产品代号，第二部分用阿拉伯数字表示设计序号，第三部分用阿拉伯数字表示机座代号，第四部分用阿拉伯数字表示电枢铁芯长度代号。如：Z2—92中的Z表示一般用途直流电机；2表示设计序号，第二次改型设计；9表示机座代号；2表示电枢铁芯长度代号。116电机与变压器额定功率PN额定功率PN是指在额定条件下电机的输出功率。对于电动机，额定功率是指电动机电枢轴上输出的机械功率；对于发电机，额定功率是指电刷间输出的电功率。额定功率的单位为kW。对于电动机，UN是指电枢上的输入额定电压；对于发电机，UN是指电枢输出的额定电压。额定功率UN额定功率IN

IN是指电机在额定电压下，运行于额定功率时对应的电流值。额定功率ηN电动机发电机117电机与变压器三、直流电动机的机械特性1、电势平衡、功率平衡及转矩平衡方程式在直流电动机中，感应电动势Ea是由于电枢绕组和磁场之间的相对运动而产生的。是反电动势，其与电枢所加外电压相平衡。以并励电动机为例，方程式有：直流电动机的电动势平衡方程式为：U＝Ea+IaRa直流电动机的功率平衡方程式为：P1＝P2+∆P

Pe＝P2+P0

∆P＝Pacu+P0直流电动机的转矩平衡方程式为：Te＝T2+T0在直流电机中，电磁转矩为驱动转矩。电磁转矩Te克服负载的制动转矩T2和空载转矩T0，带动电动机稳定运行。118电机与变压器

Z2—71型并励直流电动机，其铭牌数据如下：PN=30kW，UN=220V，ηN=0.88,Ra=0.1Ω,nN=3000r/min,If=1.765A,

求额定电流IN、电枢电流Ia、励磁回路的电阻Rf和反向电动势Ea。Ia=IN－If=155－1.765=153.235AAUPUPINNNNINN15522088.0/1030/3=×===hW6.124765.1220=＝

＝fNfIUREa=UN－IaRa=220－153.235×0.1=204.68V119电机与变压器

一台并励直流电动机，电源电压UN=230V时，电枢电流IN=60A