第6章 变压器与三相异步电动机课件

1§1交流铁芯线圈§2单相变压器

§4三相异步电动机的结构与转动原理§5三相异步电动机的电磁转矩与机械特性§6三相异步电动机的起动§7三相异步电动机的调速*§3特种变压器第6章变压器与三相异步电动机第6章变压器与三相异步电动机2*§10单相异步电动机§9电动机的铭牌数据§8三相异步电动机的制动第6章变压器与三相异步电动机第6章变压器与三相异步电动机第6章变压器与三相异步电动机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；本章要求：4.了解电磁铁的基本工作原理及其应用知识。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；5.了解三相交流异步电动机的基本构造和转动原理;6.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及调速和制动的方法。7.理解三相交流异步电动机铭牌数据的意义。第6章变压器与三相异步电动机4§1交流铁芯线圈

结构：

电磁关系：

第6章变压器与三相异步电动机第6章变压器与三相异步电动机第6章变压器与三相异步电动机5一、交流铁芯线圈的电-磁关系设：线圈的主磁通为，线圈的主磁感应电动势其有效值为

第6章变压器与三相异步电动机第6章变压器与三相异步电动机第6章变压器与三相异步电动机6电路的KVL方程为:

当忽略线圈内阻及漏磁感应电动势的影响时，有：其有效值为：第6章变压器与三相异步电动机第6章变压器与三相异步电动机第6章变压器与三相异步电动机二、交流铁芯线圈的功率损耗1、铜损：由线圈内阻引起的功率损耗，用表示。2、铁损：铁心中产生的功率损耗，用表示。则线圈的功率损耗为：减小功率损耗的方法：1、采用磁滞回线窄的软磁材料（硅钢）制作铁心2、减小铁心的体积，将铁心做成片状叠成第6章变压器与三相异步电动机7第6章变压器与三相异步电动机第6章变压器与三相异步电动机图中：是：是线圈的内阻是：铁心中与铁损相对应的等效电阻是：漏磁感抗是：与铁心中能量储放相对应的等效感抗8三、交流铁芯线圈的等效电路第6章变压器与三相异步电动机第6章变压器与三相异步电动机第6章变压器与三相异步电动机

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）U

I

P=I²RlI

S§2变压器

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铁心变压器的电路一次绕组N1二次绕组N2铁心变压器的结构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13结构：铁心、原边绕组（一次绕组、初级绕组），付边绕组（二次绕组、次级绕组）。一、变压器的电磁关系

第6章变压器与三相异步电动机第6章变压器与三相异步电动机第6章变压器与三相异步电动机14变压器原边、付边绕组的KVL方程的相量表示式为：式中：和分别为变压器原、付边绕组中的主磁感应电动势。和分别为变压器原、付边绕组中的漏磁感应电动势。

分别为原边线圈与付边线圈的漏磁感抗。和和分别为原边线圈与付边线圈的线圈内阻。第6章变压器与三相异步电动机第6章变压器与三相异步电动机第6章变压器与三相异步电动机二、变压器的电压变换

忽略线圈内阻与漏磁感抗，变压器原、付边线圈的KVL方程为：由于：

则有：

式中：是变压器的变比

第6章变压器与三相异步电动机15第6章变压器与三相异步电动机第6章变压器与三相异步电动机由交流铁心线圈可知，变压器铁心磁通最大值：

三、变压器的电流变换即：在匝数及频率一定时，磁通最大值正比于电源电压。

同时在铁心中有：忽略空载励磁电流的影响，有：第6章变压器与三相异步电动机16磁势平衡关系第6章变压器与三相异步电动机第6章变压器与三相异步电动机17上式表示：1、变压器原边绕组的磁动势与付边绕组的磁动势相位相反即：变压器原边绕组的磁动势是励磁磁动势，而付边绕组的磁动势是去磁磁动势。2、由有效值表示式可以得到变压器原、付边电流与原、付边线圈匝数之间的关系第6章变压器与三相异步电动机第6章变压器与三相异步电动机第6章变压器与三相异步电动机四、变压器的阻抗变换设：变压器付边的负载为，变换后的等效阻抗为，则：

第6章变压器与三相异步电动机18第6章变压器与三相异步电动机第6章变压器与三相异步电动机19，当负载电阻时，计算例：一台单相变压器，已知，信号源电动势，信号源内阻信号源的输出功率。解：将负载电阻由变压器的付边折算到变压器的原边，负载上的电压为：

信号源输出的功率为：

第6章变压器与三相异步电动机第6章变压器与三相异步电动机第6章变压器与三相异步电动机如果不用变压器，直接连接负载负载上的电压：负载上得到的功率：用变压器，连接负载使其R=36Ω负载上得到的功率：第6章变压器与三相异步电动机21五、变压器的外特性变压器的输出特性输出特性：变压器输出电压随输出电流与负载功率因数的关系如图所示，输出电压的变化用电压变化率表示，即：

第6章变压器与三相异步电动机第6章变压器与三相异步电动机第6章变压器与三相异步电动机一、自耦变压器自耦变压器的付边线圈是原边线圈的一部分，由调压手柄调节变压器付边线圈匝数，从而改变变压器的变比。自耦变压器同样满足变压器的三种变换关系。

22§3特种变压器

第6章变压器与三相异步电动机第6章变压器与三相异步电动机第6章变压器与三相异步电动机23二、电流互感器

电流互感器原边联接大容量电气设备，付边联接测量电流表，利用变压器的电流变换作用，可以将电气设备较大的工作电流变换为电流表能够测量的电流数值。

a)原理图b)电路符号第6章变压器与三相异步电动机第6章变压器与三相异步电动机第6章变压器与三相异步电动机24注意：电流互感器的原边电流是大容量电气设备的工作电流，其数值较大，若电流互感器付边线圈发生断路，则：1、原边线圈中数值较大的磁动势将会使铁心中的铁损增大，铁心发热。2、会在付边线圈两端出现数值很高的感应电动势。

所以为了用电安全，在使用电流互感器时，其付边线圈一定要接地。第6章变压器与三相异步电动机第6章变压器与三相异步电动机第6章变压器与三相异步电动机电动机的分类：鼠笼式异步交流电动机授课内容：

基本结构、工作原理、机械特性、控制方法

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、并励电动机串励、复励电动机第6章变压器与三相异步电动机§4三相异步电动机的结构与转动原理第6章变压器与三相异步电动机26定义：将电能转换为机械能的装置分类：1、按照使用的电源分为直流电动机与交流电动机2、直流电动机按照励磁方式分为：他励、并励与串励3、交流电动机按照工作电源分为：三相异步电动机与单相异步电动机4、应用于特殊用途的特种电动机

第6章变压器与三相异步电动机第6章变压器与三相异步电动机27三相异步电动机的结构由定子与转子两大部分构成。1、定子：机座，机座是由铸铁构成定子铁心，铁心由硅钢片叠成定子线圈，三组线圈匝数相同、绕向一致2、转子：转轴，联接机械部件转子铁心，硅钢片叠成转子线圈，按照转子线圈的不同分为：鼠笼式电机：转子铜条、短路环绕线式电机：三组转子线圈、三个滑环与炭刷一、三相异步电动机的结构第6章变压器与三相异步电动机第6章变压器与三相异步电动机第6章变压器与三相异步电动机1.定子铁心：由内周有槽的硅钢片叠成。A----XB----YC----Z三相绕组机座：铸钢或铸铁第6章变压器与三相异步电动机转子:在旋转磁场作用下，产生感应电动势或电流。2.转子鼠笼转子铁心：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。(2)绕线式转子同定子绕组一样，也分为三相，并且接成星形。鼠笼式绕线式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。第6章变压器与三相异步电动机二、电动机转动原理设磁场沿顺时针方向转动：1、由右手定则确定感生电流的方向，如图所示。2、由左手定则确定载流导体的受力方向如图所示。第6章变压器与三相异步电动机第6章变压器与三相异步电动机第6章变压器与三相异步电动机三相异步电动机的转动原理一、旋转磁场

定子三相绕组通入三相交流电(星形联接)AXBYCZ1.旋转磁场的产生oo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

tAXYCBZAXYCBZAXYCBZ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°600动画oAAXZBCYAAXZBCY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。动画任意调换两根电源进线(电路如图)AXCZBY0

to3.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：o

tAXBYCZAXYCBZ

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'AXBYC极对数动画旋转磁场的磁极对数与三相绕组的排列有关C'Y'ABCXYZA'X'B'Z'04.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0

toAXYCBZAXYCBZAXYCBZp=2时0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:二、电动机的转动原理1.转动原理AXYCBZ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TnF三、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,即p=3额定转差率为补充三相异步电动机的电路分析

三相异步电动机的电磁关系与变压器类似。1)变压器原、副绕组是与同一主磁通

相交链，异步电动机中定子和转子绕组与同一旋转磁通

相交链。因此异步电动机中定子和转子绕组相当于变压器的原、副绕组。2）变压器：

变化

eU1

E1=4.44fN1

异步机：

旋转

eU1

E1=4.44fN1

3）变压器：I2

增大

I1增大，以保持

基本不变，以达到传递能量的目的。

补充三相异步电动机的电路分析异步机：当负载增加时，转子电流I2

增大

I1增大，以保持

基本不变，以达到传递能量的目的。

三相异步电动机与变压器的不同之处。1）变压器是静止的。而异步机是旋转的。2）变压器的磁路是无气隙的。而异步机中的定子和转子之间是有不大的气隙。3）变压器中原、副绕组的感应电动势是同频率的。而异步机中转子感应电动势的频率是随转子转速改变的。一、

定子电路1.旋转磁场的磁通

异步电动机：旋转磁场切割导体e，

U1

E1=4.44

f1N1

每极磁通旋转磁场与定子导体间的相对速度为n0，所以2.定子感应电势的频率f1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f异步电动机每相电路i1u1e1e

1e2e

2i2+－++++－－－－f1f2二、转子电路1.转子感应电势频率f2∵定子导体与旋转磁场间的相对速度固定，而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

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2.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E20=4.44

f1N2

转子静止时的感应电势即E2=

sE20

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X20=2

f1L2即X2=

sX20

4.转子电流I25.转子电路的功率因数cos

2转子绕组的感应电流转子绕组的感应电流转子电路的功率因数结论：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。I2cos

2s1I2,O5.1转矩公式

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§5三相异步电动机的电磁转矩与机械特性由此得电磁转矩公式由前面分析知：由公式可知电磁转矩公式1.T与定子每相绕组电压成正比。U1

T

2.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接电阻来改变转子电阻R2

，从而改变转距。5.2机械特性曲线OTS根据转矩公式得特性曲线：OT动画1动画电动机在额定负载时的转矩。1.额定转矩TN三个重要转矩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2.最大转矩Tmax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)。电机带动最大负载的能力。令：求得临界转差率OTTmax将sm代入转矩公式，可得当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。电机严重过热而烧坏。(2)sm与R2有关，R2

sm

n。绕线式电机改变转子附加电阻R´2可实现调速。

3.起动转矩Tst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

R2

Tst

。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。OTTst起动能力4.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U

Tm

Tst

T2TO(2)R2变化对机械特性的影响TOR2

Tst

n

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。

6.1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。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，使电机过热后果：原因：起动：

n=0，s=1,接通电源。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

§6三相异步电动机的起动6.2起动方法(1)直接起动

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）以下介绍降压起动和转子串电阻起动。设：电机每相阻抗为1.降压起动(1)Y－

换接起动

降压起动时的电流为直接起动时的+－

起动U1U2V1V1W1W2

+－正常运行U1U2V1V2W1W2Y－

起动器接线简图L1L3L2FUSU1V1U2V2W1W2W1L3V2U2L2V1W2L1U1△动触点Y动触点静触点Y－

起动器接线简图Y起动L1L3L2FUSU1V1U2V2W1W2W1L3V2U2L2V1W2L1U1

起动UPU1+＿Ul+＿U2V1V2W1W2Y－

起动器接线简图

工作L1L3L2FUSU1V1U2V2W1W2W1L3V2U2L2V1W2L1U1U2

正常运行Ul+＿U1V1V2W1W2(a)仅适用于正常运行为三角形联结的电机。

(b)Y－

起动Y－

换接起动适合于空载或轻载起动的场合Y-

换接起动应注意的问题

正常运行UlU1W2V2W1+＿U2V1UP

起动+＿Ul+＿U1W2V2W1U2V1(2)自耦降压起动L1L3L2FUQ

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。合刀闸开关QQ2

自耦降压起动适合于容量较大的或正常运行时联成Y形不能采用Y－

起动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

2.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

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相异步电动机的正、反转电源~UVWM3~UVW电源~M3~例1:

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%，cos

N=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TST。

2）由nN=1480r/min，可知p=2（四极电动机）

3）解：

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）采用Y-

换接起动时，求起动电流和起动转矩。又当负载转矩为起动转矩的80%和50%时，电动机能否起动？

(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2:在80%额定负载时不能起动在50%额定负载时可以起动(3)矢量控制的发明，提高了交流调速系统的性能，但其控制电路的设计、制造和调试都很麻烦，采用微机控制后，用软件实现矢量控制算法，使硬件电路规范化，从而降低了成本，提高了可靠性，还可实现更复杂的控制技术。§7三相异步电动机的调速各类电力电子器件类型不可控器件代号名称全控器件半控器件电流控器件场控器件功率集成电路D整流二极管（Diode)Th、SCR晶闸管（Thyristor)BJT双极型晶体管（BipolarTransistor)GTO门极关断晶闸管（GateTurn-off)P-MOSFET电力场效应晶体管IGBT绝缘栅双极型晶体管MCT场控晶闸管PIC功率集成电路§7三相异步电动机的调速

f=50Hz逆变器M3~整流器f1、U1可调+–~7.1变频调速方法频率调节范围：0.5~几百赫兹根据可知频率f下调时，转速n降低。而频率f上调时，转速n升高。§7三相异步电动机的调速1.变频调速原理及其机械特性而在电机调速时，通常要考虑的一个重要因素是希望保持

不变。因为如果磁通减弱，没有充分利用电机的铁心，是一种浪费；如果磁通增强，又会使铁心饱和，导致励磁电流过大。(1)频率下调时，使则可保持

不变。由可知若要求电机在不同转速下都达到额定电流频率下调时，因为

不变，所以转矩T也不变，属于恒转矩调速。由可知：转矩T随磁通

变化。1.变频调速原理及其机械特性f（2）频率上调时，因为

变小如果电压U也上调，则电压将超过额定电压，这是不允许的，因此在调速过程中，只能保持U不变，所以这是一种弱磁调速。因为

变小，所以转矩T也变小。若要求电机在不同转速下都达到额定电流，因而功率不变，属于恒功率调速。OTfNf变频调速的优点：具有较硬的机械特性，转速稳定性好，调速范围宽，可实现无级调速。7.2变极调速

(有级调速)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··A2X1X2SNTo7.3变转差率调速

变转差率调速，绕线式电动机转子回路串电阻。其优点是调速方法简单、设备简单投资少，缺点是能耗较大。轻载时调速范围小。这种调速方式广泛应用于各种提升、起重设备中。对泵类也能应用nn'••TLTLs

´s••TsoR2­ÞI

ÞT

Þn

ÞI­ÞT­达到新的平衡TO此调速方法属于恒转矩调速根据在不变,调速时I=IN，R2­ÞI

ÞT

Þn

ÞI­ÞT­达到新的平衡TO此调速方法属于恒转矩调速根据在不变,调速时I=IN，此调速方法属于恒转矩调速8.1

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。§8三相异步电动机的制动8.1

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。§8三相异步电动机的制动nF转子T

n0=08.2

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•RPM3~运转制动•nF转子T

n08.3

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T

n0n>n01.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）三相异步电动机教材表4.8.1中列出了各种电动机的系列代号。§9电动机的铭牌数据异步电动机产品名称代号产品名称异步电动机绕线式异步电动机防爆型异步电动机高起动转矩异步电动机新代号汉字意义老代号Y异异绕异爆异起YRYBYQJ、JOJR、JROJB、JBOJQ、JQO2.接法接线盒定子三相绕组的联接方法。通常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。说明：一般规定，电动机的运行电压不能高于或低于额定值的5%。因为在电动机满载或接近满载情况下运行时，电压过高或过低都会使电动机的电流大于额定值,从而使电动机过热。电动机在额定运行时定子绕组上应加的线电压值。三相异步电动机的额定电压有380V，3000V,

及6000V等多种。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