《电工电子技术》课件-模块四 磁路、变压器及异步电动机

1.磁路基本概念、物理量及分析方法。2.变压器基本知识。3.三相异步电动机基础知识。知识点知识目标：1.掌握磁场的基本物理量，磁性材料及其性能，磁路及其基本定律。2.理解铁心线圈电路中的电磁关系、电压电流关系以及功率与能量问题。

能力目标：1.能够分析变压器工作原理，掌握变压器的额定参数，阻抗变换公式。2.能够掌握异步电动机的基本知识。目标a）三相电力变压器b）单相电源变压器c）单相自耦变压器案例导入图4-1变压器示意图主要内容磁路的基本知识1铁芯线圈2变压器的基本结构和工作原理3变压器的运行特性和额定值4特殊变压器及应用5变压器绕组的同极性端6三相异步电动机74.1磁路的基本知识

主磁通所通过的闭合路径称为磁路，图4-2是几种常见的电工设备的磁路。a)电磁铁的磁路b)变压器的磁路c)直流电机的磁路图4-2几种常见电工设备的磁路4.1.1磁路的基本物理量1.磁感应强度B

磁感应强度B是表示磁场内某点的磁场强弱及方向的物理量。它是一个矢量，其方向与该点磁力线的切线方向一致，与产生该磁场的电流之间的方向关系符合右手螺旋法则。若磁场内各点的磁感应强度大小相等、方向相同，则为均匀磁场。在我国法定计量单位中，磁感应强度的单位是特斯拉（T），简称特，以前在工程上也常用电磁制单位高斯（Gs）,它们的关系是：1T=104Gs。2.磁通Φ

在均匀磁场中，磁感应强度B与垂直于磁场方向的面积S的乘积，称为通过该面积的磁通Φ，即

或

（4-1）3.磁导率µ磁导率µ是表示物质导磁性能的物理量。它的单位是亨／米(H/m)。由实验测出，真空的磁导率H/m。其他任意一种物质的导磁性能用该物质的相对磁导率µr来表示，某物质的相对磁导率µr是其磁导率µ与µo的比值。即4.磁场强度H磁场强度H是进行磁场计算时引用的一个物理量，也是矢量，它与磁感应强度的关系是：

或

4.1.2铁磁性材料的磁性能

铁磁性材料包括铁、钢、镍、钻及其合金以及铁氧体等材料，它们的磁导率很高，µ》1，是制造变压器、电机、电器等各种电工设备的主要材料。1.高导磁性

a）磁化前b)磁化后图4-3铁磁性材料的磁化2．磁饱和性图4-4磁化曲线图4-5铁磁性材料的磁滞回线3.磁滞性a)软磁材料b)硬磁材料图4-6软磁与硬磁材料的磁滞回线知识与小技能测试1.常用铁磁性材料包括哪些？它们有什么特点？

2.软磁材料和硬磁材料各有什么特性？用在什么场合？4.2铁芯线圈4.2.1直流铁心线圈

1.励磁电流,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。

2.励磁电流I产生的磁通是恒定磁通，不会在线圈和铁心中产生感应电动势。

3.直流铁心线圈中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。

4.直流铁心线圈的功率损耗，由线圈中的电流和电阻决定。因磁通恒定，在铁心中不会产生功率损耗。

对有空气隙的铁心磁路，在Fm=NI一定的条件下，当空气隙增大，即Rm增加，磁通减小；反之当空气隙减小；Rm减小，增大。a)直流线圈b)交流线圈图4-9铁心线圈4.2.2交流铁心线圈将交流铁心线圈接交流电源，线圈中通过交流电流，产生交变磁通，并在铁心和线圈中产生感应电动势，如图4-9b）所示。变压器、交流电机以及其他各种交流电磁器件的线圈都是交流铁心线圈，其特点是：1.电磁关系2.功率损耗(1)磁滞损耗(2)涡流损耗

a)涡流损耗b)减小涡流图4-10涡流的产生和减少知识与小技能测试1.什么是涡流？举例说明它有什么用途？有什么危害？

2.涡流是如何产生的？怎么减小涡流？

3.电磁炉没有明火，为什么能做熟饭、烧开水呢？4.3变压器的基本结构和工作原理4.3.1铁心、绕组变压器的一般结构如图4-11所示，它由铁心和绕组两部分组成。a）变压器示意图b）C型铁心c）符号图4-11变压器结构示意图及符号

a）心式b）壳式图4-12变压器的外形4.3.2空载运行图4-13变压器的空载运行4.3.3负载运行变压器的负载运行是指原绕组加额定电压，副绕组与负载接通时的运行状态，如图4-14所示。

图4-14变压器的负载运行4.3.4阻抗变换

图4-15变压器的阻抗变换

在某些电路中，常对负载阻抗的大小有一定的要求，以便使负载获得较大的功率。当负载阻抗难于达到匹配要求时，可以利用变压器进行阻抗变换。图4-15所示的变压器，副边接入的负载电阻为ZL，从变压器原边输入端得到的等效阻抗为

（4-19）【例4-1】

有一台变压器，原边额定电压U1N＝220V，副边电压U2N＝36V，铁心内磁通最大值φm＝10×10－4Wb，电源频率f＝50Hz。（1）求变压器原、副边绕组的匝数。（2）如果副边负载电阻＝30Ω，变压器原、副边电流各是多少安？（励磁电流I10忽略不计）。解：（1）由式（4-11）可知变压器原边绕组的匝数

副边匝数

（匝）（匝）（2）负载电阻＝30Ω，所以副边电流原边电流

（A）

（A）知识与小技能测试1.变压器由哪几部分构成？它是靠什么进行能量传递的？

2.变压器具有什么作用？

3.简述测单相变压器的变比方法。现有单相变压6V/12V，在教师指导下画出测试电路，到实训室测一测它的变比。4.4变压器的运行特性和额定值4.4.1变压器的外特性和电压调整率

在电源电压U1及负载功率因数cos不变的条件下，副边绕组的端电压U2随副边绕组输出电流I2变化的曲线U2＝f（I2）称为变压器的外特性。对电阻性或电感性负载而言，变压器的外特性是一条稍微向下的降低的曲线，如图4-16所示。负载功率因数越低，输出电压U2下降越大。1—纯电阻负载2—感性负载图4-16变压器的外特性曲线4.4.2变压器的额定值变压器的主要额定值有：

1.额定电压

2.额定电流IN

3.额定容量4.4.3变压器的损耗与效率

变压器工作时是有损耗的，变压器的损耗包括绕组电阻产生的铜损Pcu和铁心的铁损Pfe两部分。1．铜损耗2．铁损耗3．变压器的效率

（4-23）知识与小技能测试1.如何测量变压器线圈绕阻的直流电阻和各绕阻之间的绝缘电阻？

2.简述变压器的主要技术参数。4.5特殊变压器及应用4.5.1自耦变压器图4-17单相自耦变压器图4-18单相调压器的外形和等效电路

1.原副绕组不能对调使用，如果把电源接到副绕组上，可能烧坏调压器或使电源短路。一般输入端有三个接线头，如图4-18所示，在接线时一定要注意。如果使用电源电压为220V的单相交流电，接入时应连接1号端和3号端。

2.连接电源时，1号端必须接中性线，因为原、副绕组有电的直接联系。否则，即使滑动触头旋在低电压位置时，当人触及输出端的任一端时，都有触电的危险。因此规定：自耦变压器不允许用作安全变压器，安全变压器一定要用双绕组的。

3.接通电源时，先将滑动触头旋至零位，接通电源后再逐渐转动手柄，将输出电压调到所需的数值。用后，还应将滑动触头再调回到零位。使用自耦变压器时应注意以下几点：4.5.2仪用互感器

根据仪用互感器的用途不同，可分为电压互感器和电流互感器两种。1.电压互感器a)结构b)符号图4-19电压互感器（1）电压互感器的低压侧（二次侧）不允许短路，故在高压侧（一次侧）应接入熔断器进行保护。（2）为防止电压互感器高压绕组绝缘损坏，使低压侧出现高电压，电压互感器的铁心、金属外壳和二次绕组的一端必须可靠接地。使用电压互感器，应注意：a)结构b)符号

图4-20电流互感器2．电流互感器

（1）电流互感器工作时二次侧绕组不允许开路。为此在电流互感器二次电路中不允许装设熔断器，在二次电路中拆装仪表时，必须先将二次侧绕组短路。（2）为了安全，电流互感器的铁心、金属外壳和二次绕组的一端也必须接地。

使用电流互感器，应注意：4.5.3电焊变压器

交流电焊机(交流弧焊机)在生产中应用很广。它主要由电焊变压器串接一个可变电抗器组成，如图4-22所示。图4-22交流电焊机原理图

图4-23电焊变压器的外特性

为了保证焊接质量和电弧燃烧的稳定性，对电焊变压器有以下要求：空载时有约60～70V的电弧点火电压；有载后的副边电压降和输出电流下降很快，具有陡降的外特性，如图4-23所示。知识与小技能测试

自耦变压器为什么能改变电压？它有什么特点？使用时应注意什么？4.6变压器绕组的同极性端

在使用变压器或者其它磁耦合的互感线圈时，要注意线圈的正确连接。例如，一台变压器的原绕组有相同的两个绕组，如图4-24中的1-2端和3-4端。图4-24变压器同极性端标志a)串联b)并联

图4-25变压器绕组的串联与并联

有的变压器具有两个相同的副绕阻，如图4-25所示。如果有同极性端的标志，可以将两个绕组串联起来，以提高输出电压；也可以将两个绕组并联起来，以提高输出电流。串联时要求两绕组的异极性端连接，另外的两个异极性端作输出；并联时要求两个绕组的同极性端相接，然后接负载。如图4-25a)和b)所示，即为变压器副边绕组的串联与并联。知识与小技能测试如何测变压器的极性？4.7三相异步电动机4.7.1三相异步电动机的结构及工作原理

实现电能与机械能相互转换的电工设备总称为电机。电机利用电磁感应原理实现电能与机械能的相互转换。把机械能转换成电能的设备称为发电机，而把电能转换成机械能的设备叫做电动机。1．三相异步电动机的结构

三相异步电动机的两个基本组成部分为定子（固定部分）和转子（旋转部分）。此外还有端盖、风扇等附属部分。b)主要部件拆分图图4-26三相异步电动机的结构（1）定子三相异步电动机的定子由三部分组成。定子铁心、定子绕组、机座（2）转子

三相异步电动机的转子由三部分组成，转子铁心、转子绕组、转轴。2．三相异步电动机的转动原理（1）基本工作原理①定子产生旋转磁场

定子三相对称绕组通入三相对称电流会产生一个旋转的磁场。

定子磁场的转速称为同步转速，大小为：（4-28）

图4-27三相异步电动机旋转原理图

定子磁场的转向由三相电流相序决定：①由超前相往滞后相旋转，即

沿着U1→Ｖ1→Ｗ1方向旋转。图4-27所示瞬间，磁场向下。②转子导体产生感应电流定子磁场顺时针旋转时，转子导体逆时针切割定子磁场，转子导体中将感应电动势，并在闭合的转子绕组内产生感应电流，在图4-27所示瞬间，转子上半周导体中的电流流出纸面，下半周流入纸面。③转子导体受到电磁转矩作用而使转子旋转载有电流的转子导体在定子磁场中将受到电磁力作用，并形成电磁转矩，电磁转矩的方向与定子旋转磁场方向一致，在电磁转矩作用下转子将顺着定子磁场方向旋转起来。（2）转差率s

转差率s——用来表示转子转速n与磁场转速n0相差程度的物理量。即： (4-29)表4-3同步转速与极对数之间对应关系(f1=50HZ)极对数p123456同步转速n1（r/min）300015001000750600500【例4-2】有一台三相异步电动机，其额定转速

n=975r/min，电源频率f=50Hz，求电动机的极数和额定负载时的转差率S。

解：由于电动机的额定转速接近而略小于同步转速，而同步转速对应于不同的极对数有一系列固定的数值。显然，与975r/min最相近的同步转速n0=1000r/min，与此相应的磁极对数p=3。因此，额定负载时的转差率为：4.7.2三相异步电动机铭牌

每台电动机的机座上都装有一块铭牌。铭牌上标注有该电动机的主要性能和技术数据。如：1．型号

为不同用途和不同工作环境的需要，电机制造厂把电动机制成各种系列，每个系列的不同电动机用不同的型号表示。如：2．电压

铭牌上所标的电压值是指电动机在额定运行时定子绕组上应加的线电压值。一般规定电动机的电压不应高于或低于额定值的5%。必须注意：在低于额定电压下运行时，最大转矩Tmax和启动转矩Tst会显著地降低，这对电动机的运行是不利的。3．电流

铭牌上所标的电流值是指电动机在额定运行时定子绕组的最大线电流允许值。当电动机空载时，转子转速接近于旋转磁场的转速，两者之间相对转速很小，所以转子电流近似为零，这时定子电流几乎全为建立旋转磁场的励磁电流。当输出功率增大时，转子电流和定子电流都随着相应增大。铭牌上所标的功率值是指电动机在规定的环境温度下，在额定运行时电极轴上输出的机械功率值。输出功率与输入功率不等，其差值等于电动机本身的损耗功率，包括铜损、铁损及机械损耗等。所谓效率h就是输出功率与输入功率的比值。一般鼠笼式电动机在额定运行时的效率约为72%—93%。4．功率

铭牌上所标的转速是电动机额定运行时的转子转速，单位为转/分。

不同的磁极数对应有不同的转速等级。最常用的是四个级的（n0=1500r/min）。5．转速

绝缘等级是按电动机绕组所用的绝缘材料在使用时容许的极限温度来分级的，如表4-4。所谓极限温度是指电机绝缘结构中最热点的最高容许温度。6．绝缘等级表4-4电动机绝缘等级7．接法图4-28三相异步电动机定子接线方式a)星形联结

b)三角形联结8．三相异步电动机主要系列简介Y系列：一般用途小型笼型转子三相异步电动机。额定电压为380V，功率为5.5～132kW，3kW及以下为Y接，4kW及以上为△接。目前发展成

Y2、Y3系列。

YR系列：一般用途小型绕线转子三相异步电动机。定子为△接，转子为Y接。

YD系列：变极多速三相异步电动机。4.7.3三相异步电动机的控制1．起动控制图4-29最简单的三相电动机控制示意图（1）三相异步电动机直接起动控制

对于小容量电动机的起动，在控制条件要求不高的场合，可以使用胶盖闸刀、铁壳开关等简单控制装置直接起动。如图4-30所示为用刀开关控制的三相异步电动机直接起动电路的原理图。图4-30最简单的三相电动机控制电路

电路的工作原理是：起动：合上电源开关QS→三相异步电动机通电→电动机起动。停止：断开QS→电动机断电停转。图4-31点动控制电路（2）三相异步电动机点动控制电路工作原理是：起动：闭合QS，接通电源→按下动合按钮SB→控制电路通电→接触器线圈KM通电→接触器动合主触点闭合→主电路接通→电动机M通电起动。停止：放开动合按钮SB→控制电路分断→接触器线圈KM断电→接触器动合触点KM分断→主电路分断→电动机M断电停转。（3）三相异步电动机连续运转控制图4-32电动机连续运转控制电路电路

电路工作原理是：起动：闭合QS，接通电源→按下起动按钮SB2→控制电路（3-4）闭合→接触器线圈KM（4-1）通电→接触器动合辅助触点KM（3-4）闭合自锁（SB2释放后KM（4-1）仍然通电）→接触器动合主触点闭合→电动机M通电持续运转。停止：按下动断按钮SB1→控制电路分断→接触器线圈KM（4-1）断电→接触器自锁触点KM（3-4）分断（同时接触器主触点分断）→主电路分断→电动机M停转。带热继电器保护的连续运转控制电路

电路保护原理是：电动机在运行过程中，由于过载或其他原因使线路供电电流超过允许值，热元件因通过大电流而温度升高，烘烤热继电器内的双金属片使其弯曲，将串联在控制电路中的动断触点FR（2-3）分断，接触器线圈断电，释放主触点，切断主电路，电动机停止转动，从而起到过载保护作用。2．正反转控制a）b）c）电路工作原理：

正转控制：闭合QS，接通电源→按下正转起动按钮SB2→控制电路（4-5）闭合→电流通过SB3动断触点（5-6）→接触器KM2动断辅助触点（6-7）→接触器线圈KM1（7-1）通电→同时接触器动合辅助触点KM1（4-5）闭合自锁→接触器KM1动合主触点闭合→电动机M通电正转。

反转控制：按下反转起动按钮SB3→控制电路（4-8）闭合→电流通过SB2动断触点（8-9）→接触器KM1动断辅助触点（9-10）→接触器线圈KM2（10-1）通电→同时接触器动合辅助触点KM2（4-8）闭合自锁→接触器KM2动合主触点闭合→电动机M通电反转。知识与小技能测试1.简述用万用表识别电动机定子绕阻首尾端的方法。

2.说明三相异步电动机型号Y132M-4各部分的含义。

3.画出三相异步电动机点动控制电路图，并简述原理。技能训练技能训练一：单相变压器的空载和短路实验

一、实验目的通过空载和短路实验，测定变压器的变比和参数。

二、实验仪器和设备