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1、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
2、用广泛。,变压器的分类,按用途分,电力变压器(输配电用),仪用变压器,整流变压器,3.1.1 变压器的基本结构,变压器的电路,变压器的磁路,主要功能,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：,变压器的工作原理,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（I20），U2E2，U1E1，此时,
3、k1时，变压器降压；k1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。,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,或,或,结论：一次、二次侧电流与匝数成反比。,3.变阻抗作用,+,+,N1,N2,由图可知
4、：,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k 2 倍。,(1)变压器的匝数比应为：,解:,例3-1 如图，交流信号源的电动势 U=120V，内阻 R 0=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
5、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。,常用变压器,1.自耦变压器,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：,被测电压=电压表读数 N1/N2,2.电压互感器,实现用低量程的电压表测量高电压,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,4.变压器的外特性,（1）概念
6、,在一次绕组电压U1和负载功率因数2=cos2保持不变的情况下，二次绕组电压U2与电流I2之间的关系U2f(I2)称为变压器的外特性。,（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（U2NU2）与空载电压（额定电压）U2N的比值，叫电压变化率。用U%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U%一般为23%。,6.变压器的功率损耗与效率,(1)视在功率,一次绕组：S1 U1
7、I1,二次绕组：S2 U2 I2,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 U2N I2N U1N I1N,(2)有功功率,电源输入变压器的有功功率P1 U1 I1 cos1,变压器向负载输出有功功率P2 U2 I2 cos2,变压器的损耗P P1 P2 PCu+PFe,而PCu R1 I12 R2 I22,PFe 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
8、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,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。,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
9、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。,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
10、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),规定,()电流出,()电流入,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,o,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),3.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：,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。,
11、U1,U2,V1,V2,W1,极对数,旋转磁场的磁极对数与三相绕组的排列有关,4.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,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,U1,U2,V2,W1,V1,W2,定子三相绕组通入三相交流电,感应电动势 E20,电磁力F,3.2.4 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,如果:,因此，转子转速与旋转磁场转速间必须要有
12、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=975 r/min，电源频率 f1=50 Hz。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=1000 r/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
13、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,3.3.1 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,励磁:磁极上的线圈通以直流电产生磁通，称 为励磁。,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。,励磁绕组和电枢绕组分别由两个
14、直流电源供电。,(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。,(4)复励电动机,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,电刷,换向片,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。,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
15、动势的方向与电流的方向相反。,1.电枢感应电动势,E=CE n,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,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=CT Ia,4.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,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,由上分析可知：,当电源电压U
16、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,求得,令：,式中：,n=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:P=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：
17、(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。,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：,A,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
18、子,转子,3.4.1 单三拍,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。,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。,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AB C A 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AAB B B
19、C C 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。,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。,B 相通电，转子2、4齿与B、B 对齐,又转过15。,B、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：AAB B BC C 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
20、统中。,3.4.3 双三拍,按AB BC CA的顺序给三相绕组轮流通电。每拍有两相绕组同时通电。,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：,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
21、=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47 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，
22、但起动电流大，起动转矩小，一般只适用于小容量电动机（7.5 kW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)Ist；其起动转矩也为后者的1/3。,(2)自耦降压起动 对容量较
23、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。4100kW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，
24、就可以限制起动电流，如卷扬机、起重机及转炉等。,一、制动过程 由于电动机转动部分有惯性，所以电动机脱离电源后，还会继续转动一段时间才能停止。为了提高生产率，保障安全，某些生产机械要求电动机能迅速停转，这就需要对电动机进行制动。制动的方法较多，如机械制动、电气制动等。二、制动方法 制动方法有机械制动和电气制动。1.能耗制动 这种制动方法是在电动机脱离三相电源的同时，将定子绕组接入直流电源，从而在电动机中产生一个不旋转的直流磁场。,3.5.2 电动机的制动控制,此时，由于转子的惯性而继续旋转，根据右手定则和左手定则不难确定，转子感应电流和直流磁场相互作用所产生的电磁转矩与转子转动方向相反，称为制动
25、转矩，电动机在制动转矩的作用下就很快停止。由于该制动方法是把电动机的旋转动能转变为电能消耗在转子电阻上，故称能耗制动。能耗制动能量消耗小，制动平稳，无冲击，但需要直流电源，主要应用于要求平稳准确停车的场合。,2.反接制动 在电动机停车时，可将三相电源中的任意两相电源接线对调，此时旋转磁场便反向旋转，转子绕组中的感应电流及电磁转矩方向改变，与转子转动方向相反，因而成为制动转矩。在制动转矩的作用下，电动机的转速很快下降到零。应当注意，当电动机的转速接近于零时，应及时切断电源，以防电动机反转。,反接制动线路简单，制动力大，制动效果好，但由于制动过程中冲击大，制动电流大，不宜在频繁制动的场合下使用。,
26、3.5.3 电动机的调速控制,由公式 可知，改变电动机的转速可有三种方式：即改变电源频率f1、极对数p和转差率S。,一、调速过程,二、调速方法,1.变极调速 改变磁极对数，可有级地改变电动机的转速。增加磁极对数，可以降低电动机的转速，但磁极对数只能成整数倍地变化，因此，该调速方法无法做到平滑调速。变极调速经济、简便，因而在金属切削机床中经常应用。,2.变频调速 交流变频调速在国内外发展非常迅速。由于晶闸管变流技术的日趋成熟和可靠，变频调速在生产实际中应用非常普遍，它打破了直流拖动在调速领域中的统治地位。交流变频调速需要有一套专门的变频设备，所以价格较高。但由于其调速范围大，平滑性好，适应面广，能做到无级调速，因此它的应用将日益广泛。,3.变转差率调速 在绕线式电动机的转子电路中，接入调速变阻器，改变转子回路电阻，即可实现调速。这种调速方法也能平滑地调节电动机的转速，但能耗较大，效率低，目前，主要应用在起重设备中。,
