《电工电子技术基础及应用实践》课件 第5章 变压器与电动机

《电工电子技术》

第五章

变压器与电动机本章内容§1磁路及其分析方法§2变压器§3三相异步电动机的结构、转动原理§4内容小结§1磁路及其分析方法电工设备中常见的磁路及铁心线圈变压器

铁心–+SN电机

铁心绕组绕组绕组绕组

σ§1磁路及其分析方法一、磁场的基本物理量1.磁感应强度B（磁通密度）：表示磁场内某点的磁场强弱及方向的物理量。均匀磁场—磁场内各点的B大小相等，方向相同。方向：与电流之间用右螺旋定则确定。单位：T（特[斯拉]）磁通

对于均匀磁场F=B•S单位：Wb（韦[伯]）2.磁通F等于磁感应强度B与垂直于磁场方向的面积S的乘积。3.磁导率

相对磁导率

r=

/

o铁磁材料广泛应用在变压器、电机、电工仪表等。真空磁导率

0=4

10–7H/m（亨/米）4.磁场强度

H：H=B/

单位：A/m(安/米)§1磁路及其分析方法二、铁磁性材料的磁性能（1）高导磁性铁磁性材料的磁导率很高，具有较高的导磁性。铁磁性材料有无外磁场作用的磁性a)无外磁场作用b)有外磁场作用§1磁路及其分析方法（2）磁饱和性

铁磁性材料的磁饱和性表现在其磁感应强度不会随外磁场（或励磁电流）增强而无限地增强。因为当外磁场（或励磁电流）增大到一定值时，其内部所有的磁畴已基本上均转向与外磁场方向一致的方向。a:磁性材料的磁化曲线b:铁磁材料的磁滞回线二、铁磁性材料的磁性能§1磁路及其分析方法

磁滞性表现在铁磁性材料在交变磁场中反复磁化时，磁感应强度的变化滞后于磁场强度的变化的特性。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。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。二、铁磁性材料的磁性能（3）磁滞性矫顽磁力Hc：若要使B=0，则应使铁磁材料反向磁化，即使磁场强度为（-Hc)。§1磁路及其分析方法按磁性物质的磁性能，铁磁性材料分为三种类型：（1）硬磁材料：

可做永磁铁等（2）软磁材料：

可做电磁铁等

（3）矩磁材料：

可做磁盘等

§1磁路及其分析方法三、磁路的分析方法磁路的欧姆定律是分析磁路的基本定律

以图示磁路为例，根据安培环路定律可得出1.引例§1磁路及其分析方法式中：F=NI

为磁通势，由其产生磁通；

Rm:磁阻，表示磁路对磁通的阻碍作用；

l:磁路的平均长度；

A: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，即有：则§2变压器一、用途及分类为了适应不同的使用目的和工作条件，变压器的类型很多。一般按变压器的用途分类，也可按照结构特点、相数多少、冷却方式等进行分类。按用途分类，变压器可分为：（1）电力变压器：升压变压器、降压变压器、配电变压器等。（2）仪用变压器：电压互感器，电流互感器。（3）特殊变压器：电炉变压器、电焊变压器、整流变压器等。（4）试验用变压器：高压变压器和调压器等。（5）电子设备及控制线路用变压器：输入、输出变压器，脉冲变压器、电源变压器等。变压器可以变换电压、电流和阻抗的功能，应用非常广泛。§2变压器二、基本结构壳式变压器

变压器主要组成部分变压器铁心:

硅钢片叠压而成变压器线圈（绕组）:

原边(一次线圈、高压绕组)

副边(二次线圈、低压绕组)冷却装置心(芯)式变压器线圈铁心铁心线圈§2变压器三、工作原理–+u1e1变压器原理示意图i1

e1

主磁通

1N1e2

e2i2u2–+ZLN2

2原绕组副绕组

2→e2→

1→e

1→变压器符号i1,i2共同产生§2变压器U1U20—–=–—=KN1N2变压器变比E2

=

4.44fN2

m（1）电压变换变压器空载：E1

=

4.44fN1

m–+u1e1i1

e1

N1e2N2u20–+变压器带载工作时U1U2—–≈–—=KN1N2U1U20E1E2

4.44fN1

m

4.44fN2

mN1N2—–=–—=–—–—–—–=–—§2变压器i2u2–+ZLe2

–+u1e1i1

e1

N1e2N2变压器接负载：∵U1≈E1

=

4.44fN1

m

变压器接负载后,副边磁势也产生磁通,主磁通

为合成磁通。

电源电压U1没有变∴变压器接负载后,主磁通

m

不变。N1I1=N2

I2结论有效值i0为空载时一次线圈的电流i0（2）电流变换§2变压器•I2K•U2•U1•I1–++–Z2Z1负载阻抗结论在电子线路和通信工程中，常用变压器来实现阻抗的匹配。（3）阻抗变换§2变压器四、输出特性（外特性）

当一次侧电压U1和负载功率因数cos

2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：cos

2=0.8（滞后）U2I2U20I2Ncos

2=1O电压变化率越小，供电电压稳定性越好。§2变压器五、变压器绕组的极性和其他形式的变压器1.变压器绕组的极性及其测定当电流流入(或流出）两个线圈时，若产生的磁通方向相同，则两个流入(或流出）端称为同极性端（同名端）。或者说，当铁芯中磁通变化（增大或减小）时，在两线圈中产生的感应电动势极性相同的两端为同极性端。AXax**AXax**Z**18§2变压器方法一：交流法把两个线圈的任意两端(X-x)连接,然后在AX上加一低电压uAX

。测量：说明

A与x

或X与a

是同极性端。

说明A与a或X与x

为同极性端。

结论：若若VV+–aAXx方法二：直流法§2变压器2.三相变压器三相低压绕组，可Y接或△接三相高压绕组，可Y接或△接常用方式：Y,yn(Y/YO)、Y,d(Y/△)、YN,d(YO/△)前面表示高压线圈，后面为低压线圈，n或0表示有无中性线。U1U2v1u1V1V2W1W2u2v2w1w2N1N2§2变压器Y,yn联结Y,d联结UVWuvw+-U1+-+-+-UVW+-U1+-+-+-wuv2.三相变压器§2变压器3.其它形式的变压器（1）自耦变压器使用时，改变滑动端的位置，便可得到不同的输出电压。

N2连续可调，U2连续可调。

注意：原、副边千万不能对调使用，以防变压器损坏。因为N变小时，磁通增大，电流会迅速增加；公共绕组部分不能断开；公共端不能接火线。

P§2变压器（被测电流）N1（匝数少）N2（匝数多）ARi1i2电流表被测电流=电流表读数

N2/N1注意：(1)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。3.其它形式的变压器（2）互感仪表——例：电流互感器二次线圈额定电流I2N一般为5A§3三相异步电动机的结构、转动原理一、三相异步电动机的结构机座定子铁心定子绕组接线盒端盖罩壳风扇转子主要部件是由定子和转子两大部分组成。转轴1.定子§3三相异步电动机的结构、转动原理V2V1W2U2U1W12）三相对称的定子绕组：用于产生旋转磁场U1U2V1V2W1W2可以连成星型或三角型与三相电源相连1）铁心：硅钢片叠成机座定子定子绕组（三相）§3三相异步电动机的结构、转动原理2.转子在旋转磁场作用下，产生感应电动势或电流。线绕式：接成星型的三相绕组鼠笼式：绕组短路鼠笼转子V2V1W2U2U1W1转子转轴1）铁心：硅钢片叠成2）绕组：§3三相异步电动机的结构、转动原理二、三相异步电动机的转动原理

定子三相绕组通入三相交流电(星形联接)。1.旋转磁场的产生§3三相异步电动机的结构、转动原理规定i:“+”首端流入，尾端流出。i:“–”尾端流入，首端流出。(•)电流出(

)电流入§3三相异步电动机的结构、转动原理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§3三相异步电动机的结构、转动原理2.旋转磁场的转向结论：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6003.旋转磁场的转速

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：旋转磁场的极数与三相绕组的排列有关§3三相异步电动机的结构、转动原理§3三相异步电动机的结构、转动原理工频：

旋转磁场的转速取决于磁场的极对数p=1时p=2时旋转磁场的转速P对磁极3.旋转磁场的转速§3三相异步电动机的结构、转动原理旋转磁场转速(同步转速)n0与极对数p的关系旋转磁场转速n0与频率f1和极对数p有关。可见:不同磁极对数的旋转磁场转速pn1/(r/min)1300021500310004750560065004.异步转动原理与转差率（1）

转动原理定子三相绕组通入三相交流电

切割转子导体右手定则E20旋转磁场感应电流I2旋转磁场左手定则电磁力F电磁转矩Tn0n方向:顺时针•••转子导体e(i)nFF§3三相异步电动机的结构、转动原理§3三相异步电动机的结构、转动原理

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。4.异步转动原理与转差率（2）

转差率异步电动机运行中: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§3三相异步电动机的结构、转动原理§3三相异步电动机的结构、转动原理三、三相异步电动机的使用1.三相异步电机的机械特性由公式可知电磁转矩公式（1）

与定子每相绕组电压成正比。U1

T

（3）当电源电压U1一定时，T是

s的函数。（2）

R2

的大小对

T有影响。绕线型异步电动机可外接电阻来改变转子电阻R2

，从而改变转距。§3三相异步电动机的结构、转动原理机械特性曲线根据转矩公式可以得出特性曲线：1OTSOT电动机在额定负载时的转矩三个重要转矩(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§3三相异步电动机的结构、转动原理§3三相异步电动机的结构、转动原理2.最大转矩Tmax电机带动最大负载的能力令：求得临界转差率将sm代入转矩公式，可得Tmax§3三相异步电动机的结构、转动原理2.铭牌与技术指标三相异步电动机号Y132M-4功率7.5kW频率50Hz电压380V电流15.4A接法D转速1440r/min绝缘等级E工作方式连续温升80℃防护等级IP44重量55KgXXXX年XX月XX编号XX电机厂铭牌的作用：向使用者简要说明电动机的一些额定数据和使用方法。§3三相异步电动机的结构、转动原理1.型号Y132M-4三相异步电动机机座中心高(mm)磁极数(S短机座;M中机座;L长机座)2.功率PN

额定运行时，轴上输出的机械功率。输入功率效率3.电压UN

额定运行时，定子绕组上应加的线电压。4.电流IN

在UN、PN时，流入定子绕组的线电流。5.转速nN

在UN、PN、IN时，电动机转子的转速。§3三相异步电动机的结构、转动原理6.接法

电动机三相定子绕组的接线方法。接线盒接线盒

接Y接§3三相异步电动机的结构、转动原理7.频率

fN

我国电网频率为50HZ。8.温升及绝缘等级电动机常用绝缘材料分为五个等级。AEBFH最高允许温度/ºC1051201301551809.工作方式连续工作、短时工作、断续周期工作。10.其他可从电工手册中查得功率因数、效率、§3三相异步电动机的结构、转动原理3.三相异步电动机的启动（1）

启动状态启动时n=0

，转子导条切割磁力线速度很大。大电流使电网电压降低

影响其他负载工作频繁启动时造成热量积累电机过热影响启动电流大。Ist=5~7IN

原因启动转矩不大。Tst=0.8~2TN

（Tst过小，不能满载启动）（2）

启动方法2）降压启动Y－

启动自耦变压器启动1）直接启动特点：简单，启动电流大不采取启动措施，直接接在三相电源上。§3三相异步电动机的结构、转动原理3）绕线式异步电动机转子绕组串电阻起动§3三相异步电动机的结构、转动原理Y－

启动运行时，

接AZBYXC

启动时，Y接ABCXYZ设：电机每相阻抗为§3三相异步电动机的结构、转动原理适用：特点：2UTst

因为Y接时：UPUL3=

接时：UPUL=31=

ststYTT设备简单，启动电流下降大，启动转矩下降。正常工作时定子绕组三角形连接的电动机；可以空载或轻载启动的电动机。自耦降压启动启动时利用自耦变压器降低定子电压，工作时将自耦变压器切除。适用于正常工作时定子绕组星型连接的电动机。§3三相异步电动机的结构、转动原理4.三相异步电动机的调速调速：负载不变时，人为的改变电动机的转速。改变P、f1、s

都可以改变电动机的转速。鼠笼式异步电动机：改变P、f1

调速。§3三相异步电动机的结构、转动原理（1）变频调速改变异步电动机供电电源的频率。方法：无级调速：转速n可以连续平滑的调节。变频调速是无级调速。变频电源

可变§3三相异步电动机的结构、转动原理通过改变绕组的接法，改变极对数P调速。变极调速是有级调速

P的变化不连续，电动机的转速不能连续、平滑的调节。这种电动机也称：多速电动机。（2）变极调速（3）转子绕组串电阻调速§3三相异步电动机的结构、转动原理

在绕线式电动机转子绕组中串入可调电阻R

,可改变s和n。可实现小范围无级调速，但能耗大，效率低，广泛应用于起重设备。特点：Tm0R2TemnnT2§3三相异步电动机的结构、转动原理四、电动机的控制电路1.常用低压控制器

（1）按钮接通或切断控制电路。LAY39系列按钮按钮结构图按钮帽复位弹簧动断触点动合触点SBSB动合触点（常开触点）动断触点（常开触点）按钮帽复位弹簧动断触点动合触点按钮帽复位弹簧动断触点动合触点§3三相异步电动机的结构、转动原理线圈KM交流接触器的图形和文字符号辅助触点主触点动合触点动断触点选择接触器主要考虑：主触点额定电压、额定电流；辅助触点种类、数量及触点额定电流；电磁线圈的电源种类，颁率和额定电压。主触点电压、电流≥负载额定电压、电流电流KM

（2）接触器用来频繁地接通或分断带有负载的主电路（如电动机）的自动控制电器。§3三相异步电动机的结构、转动原理

（3）断路器用于低压电路的短路、严重过载及欠电压保护。§3三相异步电动机的结构、转动原理

（4）熔断器当电路发生短路和严重过载时，它的熔体能迅速熔断，从而切断电路，使导线和电气设备不致损坏。FU文字符号和图形符号结构：熔体（俗称保险丝）、熔管、熔座三部分组成。§3三相异步电动机的结构、转动原理

（5）热继电器主要用于电动机的过载保护。热继电器的图形和文字符号动断触点FR热元件§3三相异步电动机的结构、转动原