電機與變壓器課件

緒論電機的發(fā)展是從十八世紀中期開始，法拉第表演了電流在磁場中產生機械力的實驗，發(fā)現(xiàn)了電動機的工作原理，制造出原始型的電動機。隨后另一個科學家阿果拉發(fā)現(xiàn)了旋轉磁場，法拉第提出了電磁感應定律，1832年，出現(xiàn)了原始型的發(fā)電機。電能最早應用是供給照明和化學工業(yè)的需要，所以最初發(fā)展的電機是直流電機。1845年，電磁鐵代替了永久磁鐵，不久，出現(xiàn)了第一臺自勵發(fā)電機，建立了第一條直流輸電線路。1電機與變壓器1876年，交流電用于照明裝置，隨后出現(xiàn)了原始型的同步發(fā)電機和變壓器。隨著兩相電流能產生旋轉磁場的原理被發(fā)現(xiàn)，1885年，制造出了單相異步交流電動機的模型。1889年，多波洛爾斯基提出了三相制的建議，并設計和制造了第一臺三相變壓器和三相異步電動機，至1897年，建成了第一個三相交流輸電系統(tǒng)。2電機與變壓器交流三相制發(fā)電廠的迅速發(fā)展，使高速運轉的汽輪發(fā)電機代替了以蒸汽機為原動力的的發(fā)電機，產生第二次技術革命，將社會生產力推進了電力時代。隨著科學技術的不斷發(fā)展，電機理論的不斷完善，電機的發(fā)展日新月異，不僅容量大、體積小、運行良好可靠，而且應用范圍也在不斷擴大，并且隨著功率電子學等學科的滲入，電機家族還在不斷增添新的成員。3電機與變壓器電機的分類電機是以適當?shù)挠行Р牧希▽щ姾蛯Т牛嫵赡芑ハ噙M行電磁感應的電路和磁路。以產生電磁轉矩和電磁功率，達到轉換能量形式的目的。靜止電機旋轉電機變壓器直流電機交流電機同步電機異步電機一般分類：電機5電機與變壓器電機是一種能量轉換裝置，變壓器是一種電能傳遞裝置。按功能分：發(fā)電機：將機械能轉換為電能。電動機：將電能轉換為機械能。微型控制電機：在電器機械系統(tǒng)中起調節(jié)、放大和控制信號的作用變壓器：將一種形式的電能轉化為另一種形式的電能。它們共同的特點是：根據(jù)電磁感應定律和電磁力定律進行能量轉換。6電機與變壓器磁與電磁一、磁的基本知識1、磁性能吸引鐵、鎳等金屬或合金的性質。2、磁體具有磁性的物體。3、磁極磁體上磁性最強的部位，有S極和N極，磁極間同性相斥，異性相吸。4、磁力磁極間的相互作用力。5、磁場磁極周圍存在的一種特殊物質。具有力和能的特性。6、磁力線為描述磁場的強弱和方向而引入的假想線。在磁極外部由N指向S，在磁極內部由S指向N。磁力線越密磁場越強，磁力線越疏磁場越弱。7電機與變壓器三、磁場對電流的作用1、通電導體在磁場中會受到力的作用，電磁力的方向符合左手定則。伸開左手，四指并攏，拇指與四指垂直，并且在同一平面里，讓磁感線垂直穿過手心，使四指指向電流方向，這時大拇指所指的方向就是通電導線在磁場中所受磁場力的方向。左手定則9電機與變壓器10電機與變壓器2、我們常使用通電導體在磁場中某點受到的電磁力與導體中電流和導體的有效長度的乘積的比值來表示該點磁場的性質，并稱為該點的磁感強度B。即：B=FILB：均勻磁場的磁感強度（T）F：通電導體受到的電磁力（N）I：導體中的電流強度（A）L：導體在磁場中的有效長度（m）為后面研究問題方便，我們規(guī)定用符號和·分別表示電流或磁力線進入和流出紙面的方向。11電機與變壓器13電機與變壓器14電機與變壓器一、變壓器變壓器是一種靜止的電器，它利用電磁感應原理將一種等級的電壓和電流的交流電能轉換成另一種等級的電壓和電流的交流電能。它的工作原理就是電磁感應和磁勢平衡。下面我們就從變壓器的結構開始，逐步了解和掌握變壓器的工作原理和運行特性。在分析時，我們需要注意分析變壓器電路的電磁物理過程。

變壓器為什么只能變換交流電能的電壓和電流？15電機與變壓器連接發(fā)電機與電網(wǎng)的升壓變壓器連接發(fā)電機的封閉母線

與電網(wǎng)相連的高壓出線端17電機與變壓器三相干式變壓器自耦變壓器18電機與變壓器電源變壓器環(huán)形變壓器控制變壓器19電機與變壓器1）鐵芯

變壓器的主磁路，為了提高導磁性能和減少鐵損，用厚為0.35-0.5mm、表面涂有絕緣漆的硅鋼片疊成。基本結構分為鐵心柱和鐵軛兩部分，有心式和殼式兩種形式。單相心式變壓器單相殼式變壓器21電機與變壓器2）繞組

變壓器的電路，一般用絕緣銅線或鋁線繞制而成。有同心式和交疊式兩種形式。

同心式：高（外）、低（內）壓繞組同心地繞在鐵心柱上，結構簡單，制造方便。

交疊式：高低壓繞組交疊放置，最上和最下為低壓繞組。漏阻抗較小，機械強度好，引線方便，在特殊變壓器上使用較多。3）其他裝置變壓器上還有絕緣套管、油箱、儲油柜、吸濕器、安全氣道、凈油器和氣體繼電器等元器件在工作時起冷卻和保護作用。22電機與變壓器23電機與變壓器∵e1=–?Φ?t

N1

e2=–?Φ?t

N2

且e1=–u1

e2=u2

∴在只討論數(shù)量關系時，就有表明變壓器初、次級繞組的電壓比就等于它們的匝數(shù)比n。這就是變壓器的變壓原理。u1

u2

=

e1

e2

=

N1

N2

=n

n＞1時，是降壓變壓器，n＜1時，是升壓變壓器，n=1時，是隔離變壓器。變比n是變壓器運行的重要參數(shù)。25電機與變壓器例：已知某變壓器的初級電壓為220V，次級電壓為36V，初級的匝數(shù)為2200匝，試求該變壓器的變壓比和次級的匝數(shù)。=

解：N2

N1

u1

u2

u1

u2

≈=n6.1=

2200×36220=

360匝練習：將某單相變壓器接在電壓u1=220V的電源上，已知u2=20V，次級匝數(shù)N2=100匝，則初級的匝數(shù)是多少？26電機與變壓器由于變壓器的初、次級功率相等，所以有：I12ZLX=I22ZL即：ZLX=N1N2（）2ZL=ZLn2也就是說，負載ZL接在變壓器的次級上，從電源中獲取的功率和負載ZLX直接接在電源上所獲取的功率是完全相同的。也就是說，ZLX是ZL在變壓器初級中的交流等效電阻。上式還表明，變壓器初級交流電阻ZLX的大小，不但與變壓器次級的負載ZL的成正比，而且與變壓器的變比n的平方成正比。=nZLZLX29電機與變壓器課后練習：1、要將電壓從220V變換為110V，現(xiàn)使用一個原繞組匝數(shù)為2匝，副繞組匝數(shù)為1匝的變壓器，可不可以實現(xiàn)？2、變壓器可以實現(xiàn)變壓、變流、變換阻抗，變壓器可不可以變換電源頻率？30電機與變壓器4、變壓器的空載運行i1將變壓器一次繞組接交流電源，二次繞組開路，這種運行方式稱為變壓器的空載運行。變壓器各電磁量正方向的規(guī)定：1、在一次繞組內，電流的正方向與電壓的正方向一致。2、磁通正方向與電流方向符合右手螺旋定則。3、感應電勢方向與磁通方向符合右手螺旋定則。4、在二次繞組內，電流的正方向與電勢方向一致。5、在二次繞組端，電壓方向與電流方向一致。L1L2N1N2ZL31電機與變壓器i1L1L2N1N2因為是空載運行，二次繞組開路，所以電流i2=0。ZL=0電流i1是產生磁通Φ的全部原因。此時稱為空載電流i0i0因為i0只用于產生主磁通，所以原繞組是一個純電感電路。i0滯后u1900，電動勢e1與u1反相。e1與e2同相理想變壓器的相量圖I0·Φ·U1·E1··E232電機與變壓器常磁通概念：因為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是常數(shù)、頻率f是電網(wǎng)提供的工頻、匝數(shù)N對于一個已制造好的變壓器來說也是一個常數(shù)，所以我們可以說只要電壓U不變，磁通Φ的大小就不會發(fā)生變化，這就是重要的常磁通概念。33電機與變壓器5、變壓器的負載運行當變壓器二次繞組帶上負載后，此時電路里開始有電流i2L1L2N1N2ZL+?i=i1i0=0i2就一定會通過二次繞組，在鐵芯中也產生一個磁通Φ′可是此時電源電壓u1并沒有改變。變壓器的主磁通Φ就不應該變化。于是勵磁電流i0就會也發(fā)生變化，i0會根據(jù)i2的大小增加一部分電流?i，變成i1=i0+?i,最終維持Φ不變，這就是變壓器的磁勢平衡。34電機與變壓器5、變壓器的外特性因此我們把當電源電壓和負載功率因數(shù)一定時，二次電壓隨負載電流變化的規(guī)律，稱為變壓器的外特性。因為變壓器二次側功率P2是由一次側功率P1決定的，它不會隨變壓器所帶負載的變化而變化?！逷2=i2u2∴當負載變化引起i2變化時，u2就會跟隨i2的變化而變化1.001.035電機與變壓器6、電壓調整率從前面變壓器的外特性可以看出，當負載有波動時，變壓器輸出的二次電壓就會有波動。從我們使用電能來說，當然是希望電壓越穩(wěn)定越好。國家規(guī)定用?u%=u2N－u2u2N×100%=?uu2N×100%來表征電壓調整率，它反映了電網(wǎng)電壓的穩(wěn)定性。電壓的波動就越小，因此我們在使用電氣設備時，如果能盡量提高功率因數(shù)，就有助于電壓的穩(wěn)定。分析變壓器的外特性，當功率因素越接近1，2cosj

我們能采取什么措施來減小電壓波動呢？36電機與變壓器7、變壓器損耗和效率

實際運行中的變壓器不可避免的會因為材料、工藝等問題而產生損耗。變壓器的損耗分為兩種：

⑴鐵損耗。鐵耗是磁通在鐵芯中交變和運行時產生的損耗，與負載沒有任何關系。因為磁通大小一般沒有變動，所以鐵耗又稱為不變損耗或空載損耗，用pFE表示。⑵銅損耗。銅耗是電流在繞組中，與繞組的電阻產生的熱損耗，用pCU表示。pCU=I12r1r2I22+=β2pCUN銅耗的大小取決于負載電流的大小以及繞組中電阻的大小，所以銅耗又稱為可變損耗。β=I2I2N37電機與變壓器將變壓器的這兩種損耗相加，即得變壓器的功率損耗?p?p=pCUpFE+變壓器的效率η，就是變壓器輸出和輸入功率之比，η=P2P1×100%∵P1=P2+?p∴效率的一般計算公式為：×η=?pP2P2+100%時，變壓器效率最高。當pFE=pCU38電機與變壓器

為了使變壓器安全、經濟、合理地運行，在每臺變壓器上都安裝有一塊銘牌，上面標明了變壓器的型號及各種額定數(shù)據(jù)，作為正確使用變壓器的依據(jù)。銘牌中參數(shù)說明如下。8．變壓器的銘牌39電機與變壓器（1）型號40電機與變壓器額定電壓U1N是指變壓器在額定運行情況下，根據(jù)變壓器絕緣等級和允許溫升等條件規(guī)定的一次繞組上的線電壓。額定電壓U2N是指在一次繞組上加額定電壓后，二次繞組空載時的線電壓。（2）額定容量額定容量是指變壓器在額定工作狀態(tài)下，二次繞組的視在功率，其單位為kVA。對于單相變壓器而言，即變壓器二次繞組的額定電壓U2N與額定電流I2N的乘積。三相變壓器的額定容量為（3）額定電壓U1N和U2N41電機與變壓器連接組標號是指三相變壓器一、二次繞組的連接方式。Y指高壓繞組作星形連接，y指低壓繞組作星形連接，D指高壓繞組作三角形連接，d指低壓繞組作三角形連接，N指高壓繞組作星形連接時的中性線，n指低壓繞組作星形連接時的中性線。（4）額定電流I1N和I2N額定電流是指變壓器在額定運行的條件下，一、二次繞組長時間工作允許的線電流。

（5）連接組標號42電機與變壓器2、一臺額定容量為SN=100kVA的單相變壓器，一、二次繞組的額定電壓U1N/U2N=10kV/0.2kV,求額定電流I1N/I2N各是多大？這臺變壓器的輸出端能否接85kW，功率因數(shù)為0.85的感性負載？課后練習1、變壓器的電壓變化率與哪些因數(shù)有關？從運行角度看是大些好還是小些好？43電機與變壓器二、三相變壓器和特殊變壓器三相變壓器廣泛應用于電力系統(tǒng)中，在對稱三相負載下運行時，變壓器的各相電壓、電流大小相等，相角互差120°，三相完全對稱，前面所分析得出的單相變壓器的各種特性可直接用于三相變壓器的任意一相。下面只討論三相變壓器特有的問題。三相變壓器44電機與變壓器三相組式變壓器由三個容量與結構完全相同的單相變壓器組成。特點是每相都有自己獨立的磁路，互不相關，各相的勵磁電流在數(shù)值上完全相等。其優(yōu)點是：對特大容量的變壓器制造容易，備用量小。但其鐵心用料多，占地面積大，只適用于超高壓、特大容量的場合。一、磁路系統(tǒng)1、三相組式變壓器u1u2v1v2w1w245電機與變壓器2、三相心式變壓器三相心式變壓器特點是三相磁路相互關聯(lián)，磁路長度不等，當外加三相對稱電壓時，三相勵磁電流不對稱，但因勵磁電流很小，可忽略對負載運行的影響。其優(yōu)點是：節(jié)省材料，體積小，效率高，維護方便。故目前大、中、小容量的變壓器廣泛采用心式變壓器。46電機與變壓器二、電路系統(tǒng)三相繞組通常采用星形聯(lián)結（記作“Y”或“y”）或三角形聯(lián)結（記作“D”或“d”），繞組的首、末端的標志規(guī)定如下所示。繞組名稱單相變壓器三相變壓器中性點首端末端首端末端高壓繞組U1U2U1、V1、W1U2、V2、W2N低壓繞組u1u2u1、v1、w1u2、v2、w2n1、繞組的端頭標號47電機與變壓器或(a)星形聯(lián)結(b)三角形聯(lián)結2、星形和三角形聯(lián)結法U1U2V1V2W1W2U1U2V1V2W1W2U1U2V1V2W1W2Y形連結時：U線=U相3U線U相U線U相D形連結時：U線=U相48電機與變壓器三、變壓器的繞組極性變壓器的主磁通以及繞組中的感應電動勢都是交變的，并無某一固定極性，這個極性是指某一瞬間的相對極性。即在任一瞬間，一個繞組的某一端為正時，另一個繞組的某一端必然也為正。U1U2u1u2如某一瞬間，U1為正、U2為負+－Φe2+-得，u1為正、u2為負。因此我們稱U1和u1為同極性端或同名端，加“·”或“＊”表示。＊＊1、單相變壓器的極性49電機與變壓器對于單相變壓器來說，極性對變壓器的運行沒有任何影響，但對于要將三個繞組按一定規(guī)律聯(lián)結的三相變壓器來說，極性問題就十分重要了，一旦某相繞組的極性接反，就會燒壞變壓器。取三相心式變壓器中的某一相e1e2繞向和線端標志均相同U1U2＊＊Φ·E1·E2e1e2繞向和線端標志不同v1v2V1V2＊＊ΦW1W2w1w2＊＊Φe1e2(I/I—0)·E1·E2(I/I—6)50電機與變壓器2、單相變壓器的極性判別鑒別既沒有線端標記，又不知繞向的繞組，我們可以使用電壓表或電流表進行測試，根據(jù)測試結果找出兩個繞組的同極性端。下面以電壓表為例介紹測試的原理與方法。由變壓器的原理可知，當變壓器空載時，在忽略原邊繞組的漏電感和內電阻電壓降的條件下，可得U1=-E1，U2=E2AXaxU1e2e1U2由圖可知，A和a，X和x為同極性端＊＊51電機與變壓器若用一根導線連接了同極性端，如X和xAXaxU1e2e1U2＊＊用電壓表測量另一個同極性端A、aV根據(jù)電壓關系有：UAa=e1+e2=U2-U1=U1-U2反過來說，也就是如果電壓表上的測量結果為兩各端電壓之差，則說明此時被導線連接的兩端或被電壓表測量的兩端為同極性端。52電機與變壓器如果導線連接的是異名端a、XAXaxU1e2e1U2＊＊電壓表測量A、xV根據(jù)電壓關系有：UAx=e1-e2=-U1-U2=U1+U2說明電壓表上測量的數(shù)值如果是兩個端電壓之和，則此時導線連接的兩端或電壓表測量的兩端為異名端。53電機與變壓器3、三相變壓器的極性判別判別三相變壓器的繞組極性有以下三個步驟：1）判別每相繞組中原、副繞組的一一對應關系三相變壓器總共六個繞組，首先就是找出結構封閉．出線凌亂的三相變壓器的三相原、副繞組的對應關系。這可以使用萬用表來測量。①用萬用表電阻檔測出每個繞組的首末端R電阻小，為同一個繞組的首末端電阻大，不是同一個繞組的首末端54電機與變壓器②判別高、低壓繞組R找出繞組的首末端后，接下來的工作就是要找出三個高壓繞組和三個低壓繞組。同樣使用萬用表的電阻檔。測得電阻值R1測得電阻值R2比較R1和R2的大小，由于高壓繞組匝數(shù)多，低壓繞組匝數(shù)少，因此電阻大的為高壓繞組55電機與變壓器③找出每相繞組的原、副繞組給某繞組加一個合適的交流電源～交流電源用萬用表的交流電壓檔測量每個繞組的感應電勢，并記錄數(shù)值。VE1E2E3比較三個感應電勢，有最高值的繞組即與加交流電源的繞組為同一相得原、副繞組。56電機與變壓器2）判別每相原、副繞組的同極性端按單相變壓器的極性判別方法即可。3）判別相與相之間繞組的同極性端U1U2V1V2W1W2＊＊＊＊＊＊在某一原繞組上加一個合適的交流電壓110V～用導線任意連接兩相之間的某兩個繞組的端子用電壓表測量另兩個端子之間的電壓UVU＞110V異名端U＜110V同名端57電機與變壓器三相變壓器原、副繞組按不同連接方式的組合，形成不同的聯(lián)結組。最常用的聯(lián)結組有以下四種，即Y，yN、Y,y、Y,d、YN,d。其中YN表示繞組接成星形后，中性點具有引出線，用于三相四線制的輸出線路。4、三相變壓器的聯(lián)結組別下面以Y,y0聯(lián)結組為例說明三相變壓器聯(lián)結組別的步驟：1）根據(jù)三相變壓器繞組聯(lián)結方式（Y或y、D或d）畫高、低壓繞組接線圖（繞組按A、B、C相序自左向右排列）；2）在接線圖上標出相電動勢和線電動勢的假定正方向；58電機與變壓器AXBYCZaxbycz＊＊＊＊＊＊uABuabuAua3）畫出高壓繞組電動勢相量圖，將A、a重合，再畫出低壓繞組的電動勢相量圖（畫相量圖時應注意三相量按順相序畫）；AXBYCZuABaxbycz4）根據(jù)高、低壓繞組線電動勢相位差，確定聯(lián)結組別的標號。uabUAB與uab同相，所以此變壓器聯(lián)結組為Y,y059電機與變壓器練習分析此變壓器為什么聯(lián)結組？AXBYCZaxczbyaxbycz＊＊＊AXBYCZ＊＊＊NYN,d1160電機與變壓器特種變壓器1、電流互感器電流互感器作用是將電路中流過的大電流變換成小電流(額定值為5A或1A)供電給測量儀表和繼電器的電流線圈。原繞組線徑較粗，匝數(shù)為一匝或幾匝，副繞組線徑較細，匝數(shù)很多。N1N2i1i2I1=I2N2N1使用注意：①串聯(lián)②可靠接地③運行時，二次側不允許斷開61電機與變壓器2、電壓互感器電壓互感器作用是將高電壓降為低電壓（一般額定值為100V）供電給測量儀表和繼電器的電壓線圈，使測量、繼電保護回路與高壓線路隔離，保證人員和設備的安全。原繞組匝數(shù)很多，副繞組匝數(shù)較少，F(xiàn)Uu1u2N1N2U1=N1N2U2使用注意：①②③并聯(lián)可靠接地運行時，二次側不允許短路62電機與變壓器3、自耦變壓器自耦變壓器是單繞組變壓器，一、二次繞組共用一個線圈，繞在閉合的鐵心上，二次繞組是一次繞組的一部分,稱為公共繞組?？梢娮择钭儔浩鞯囊弧⒍卫@組之間除了有磁的耦合外，還有電的直接聯(lián)系。AXAX為原繞組，匝數(shù)為N1,N1ax為副繞組，匝數(shù)為N2,axN2工作原理與普通變壓器相同，要注意的是公共繞組中的電流?iu1i1e1e2u2i2?i?i=i1+i2但i1與i2方向相反，故在數(shù)值上?I=I2－I163電機與變壓器AXaxi1i2iN1N2u1u2自耦變壓器的容量SN=U1NI1NU2NI2N==U2N?I+U2NI1N這說明自耦變壓器的容量是由兩部分組成的:U2N?I是電磁容量，這部分容量與普通變壓器二次繞組中的容量是相同的。是傳導容量，這部分容量是通過電路的直接聯(lián)系U2NI1N從一次繞組傳至二次繞組的。這就是自耦變壓器獨有的特點。64電機與變壓器三、三相籠型異步電動機電機和變壓器一樣，也是利用電磁感應原理工作的一種設備。它的主要作用是進行能量的轉換，例如電動機是將電能轉換成機械能，可以帶動其他設備工作。發(fā)電機則是將其他能量轉換成電能，不斷提高我們的生活質量。了解電機的基本結構是我們今后使用或維護電動機的第一步。65電機與變壓器電機有兩大部分：定子和轉子定子是指電機上所有固定不動的部分，主要部件是定子鐵芯和定子繞組。轉子是指電機上旋轉運動的部分，主要部件是轉子鐵芯和轉子繞組。一、三相籠型異步電動機的基本結構66電機與變壓器1、定子鐵芯和定子繞組1）定子鐵心：由導磁性能很好的硅鋼片疊成——導磁部分。2）定子繞組：放在定子鐵心內圓槽內——導電部分。67電機與變壓器2、轉子鐵芯和轉子繞組1)轉子鐵心：由硅鋼片疊成，也是磁路的一部分。2）鼠籠式轉子：轉子鐵心的每個槽內插入一根裸導條，形成一個多相對稱短路繞組。68電機與變壓器二、三相電動機的銘牌69電機與變壓器1、型號70電機與變壓器2、額定值1）額定功率額定功率是電動機在額定運行情況下，其軸上輸出的機械功率。又稱額定容量。2）額定電壓額定電壓是指電動機在額定運行時定子繞組的線電壓，他同定子繞組的接法相對應。3）額定電流額定電流是電動機在額定運行時定子繞組的線電流。如果銘牌上有兩個電流值，則表示定子繞組在兩種不同接法時的線電流。71電機與變壓器4）額定轉速在額定電壓下，輸出額定功率時的轉速稱為額定轉速5）絕緣等級絕緣等級是按電動機繞組所用的絕緣材料在使用時允許的極限溫度來劃分的。6）工作方式工作方式是對電動機按銘牌上等額定功率持續(xù)運行時間的限制，分為“連續(xù)”、“短時”和“斷續(xù)”等。7）功率因數(shù)電動機在額定運行狀態(tài)下，定子電路的功率因數(shù)。異步電動機空載運行時定子電路的功率因數(shù)很低，只有0.2～0.3，隨著負載的增加，功率因數(shù)也增加，在額定負載時一般為0.7～0.9，因此要避免空載運行。72電機與變壓器8)接法中、小容量的低壓異步電動機，通常定子三相繞組的六個出線頭都引出，可根據(jù)額定電壓靈活地接成“Y”形或“D”形。U1V1W1U1V1W1W2U2V2W2U2V2D聯(lián)結Y聯(lián)結73電機與變壓器三相異步電動機是如何轉動起來的？固定不動的轉子繞組和旋轉的定子磁場相切割而感應電動勢。轉子繞組是閉合的，因此感應電動勢在繞組中產生感應電流。感應電流的方向與感應電動勢的方向相同。載流的轉子繞組處在磁場中，必定受到電磁力的作用。兩個電磁力的大小相等、方向相反，因此對電動機轉軸形成了電磁轉矩。于是轉子就順著定子磁場的方向轉動起來。NS模型電機的定子磁極模型電機的轉子繞組eei2FFn0n用右手定則判斷用左手定則判斷三、三相異步電動機的工作原理74電機與變壓器三相異步電動機的三相定子繞組以互隔1200的方式嵌放在定子鐵芯中。當三個繞組分別接入三相交流電后，便可以產生旋轉磁場。實際三相電動機的旋轉磁場是如何產生的呢？ωt0iAXBYCZ規(guī)定：電流為正值時，電流從繞組首端流入，從末端流出；電流為負值時，電流從繞組末端流入，從首端流出。75電機與變壓器AXBYCZωt0iωt=0時電流和磁場情況×A、C兩相電流t=0時為正，因此首端流入、末端流出?！痢罛相電流t=0時為負，末端流入、首端流出。電流入

電流出NSn0相鄰線圈電流流向一致，在氣隙中生成合成磁場。76電機與變壓器ωt0iωt=120°AXBYCZωt=120°時電流和磁場情況×××NSn0可見當電流隨時間變化120°，電動機的磁場在空間的位置也隨之旋轉了120°。觀察電流波形圖及電機示意圖可看出，合成磁場的轉向取決于三相電流的順序，A→B→C正序時氣隙磁場順時針旋轉。77電機與變壓器ωt0iωt=240°AXBYCZωt=240°時電流和磁場情況×××NSn0觀察電流波形圖及電機示意圖可看出，合成磁場的轉向取決于三相電流的順序。78電機與變壓器ωt0iωt=360°AXBYCZ×××NSn0電流隨時間變化一周，電動機的氣隙磁場在空間的位置也順時針旋轉了360°。表明磁場的旋轉速度與電流變化的頻率有關。ωt=360°時電流和磁場情況79電機與變壓器歸納：只要三相異步機的對稱三相定子繞組中通入對稱三相交流電，就會在定子和轉子之間的氣隙中產生一個隨時間變化的旋轉磁場。80電機與變壓器AXBYCZ×××n0三相異步電動機工作原理概括在電動機對稱三相定子繞組中通入對稱三相交流電流產生氣隙旋轉磁場NS轉子導體與磁場相切割，生成感應電動勢、感應電流載流導體受電磁力的作用形成力偶力偶對電機轉軸形成電磁轉矩從而使固定不動的轉子順著旋轉磁場的方向轉動起來。FF若要改變電動機的旋轉方向，只需任調通入定子繞組中兩相電流的相序即可。81電機與變壓器很明顯，電動機上存在兩個轉速，一個是旋轉磁場轉速n0，一個是轉子的轉速n。電動機的轉速n能等于旋轉磁場的轉速n0嗎？如果二者相等，則轉子與旋轉磁場之間產生感應電流成為載流導體→不是載流導體就無法在磁場中就沒有了相對切割→轉子不切割磁場就不能受力→不受力電動機就永遠轉運不起來。n≠n0，異步！82電機與變壓器三相電動機旋轉磁場的轉速與哪些因素有關？1、電流頻率電流隨時間變化一周，電動機的旋轉磁場旋轉了360°。即：磁場轉速n0與電流頻率f成正比。2、磁極對數(shù)磁場轉速隨定子磁極數(shù)的增加而發(fā)生變化。四極電機AA'B'Y'C'Z'XX'BYCZAXBYCZSN二極電機83電機與變壓器四極旋轉磁場轉速的分析AA'B'Y'C'Z'XX'BYCZωt0iωt=0°時××××ωt=120°時AA'B'Y'C'Z'XX'BYCZ××××電流變化120°，旋轉磁場在空間的位置僅轉過了60°；當電流變化360°時，四極電動機的旋轉磁場才能旋轉180°。顯然，四極旋轉磁場的轉速是二極電機1/2。84電機與變壓器綜合分析，可得電動機旋轉磁場的轉速與頻率、極對數(shù)之間的關系為：

r/0min)/(60分轉pfn=即：異步電動機旋轉磁場的轉速與電源頻率成正比，與電機的極對數(shù)成反比。由于電動機轉速n與n0之間存在速度差，因此我們選用一個參數(shù)—轉差率s來表示n與n0的關系。

(1)電動機起動瞬間，電動機轉速n=0，轉差率s=1；(2)電動機轉速最高時，轉速n≈n0，轉差率s≈0；

(3)電動機運行過程中，轉速0<n<n0，轉差率0<s<1；n=60f1p(1－s)85電機與變壓器例解有一臺三相異步電動機，其額定轉速為975r/min。試求工頻情況下電動機的磁極對數(shù)和電動機的額定轉差率。由于電動機的額定轉速接近于旋轉磁場的轉速，所以可以估取同步轉速n0=1000r/min。86電機與變壓器四、電動機的運行特性通過電動機工作原理的學習，我們可以發(fā)現(xiàn)電動機有許多地方和變壓器是相類似的：變壓器一次繞組接入電流，產生交變磁場；電動機定子繞組接入電流，產生旋轉磁場；交變磁場在鐵芯中環(huán)繞，在變壓器二次繞組上產生電磁感應，產生感應電勢和電流；旋轉磁場交鏈轉子繞組；在電動機轉子上產生電磁感應，產生感應電勢和電流；變壓器一次繞組和二次繞組只有磁耦合，沒有電的直接聯(lián)系。電動機定子繞組和轉子繞組只有磁耦合，沒有電的直接聯(lián)系。87電機與變壓器電動機當然也有許多和變壓器不一樣的地方：變壓器是靜止的，沒有旋轉部分；電動機轉子在感應出電流后，是旋轉運動的；變壓器主磁路只在鐵芯中運行；電動機旋轉磁場交鏈轉子鐵芯時，需要經過氣隙；變壓器繞組是集中繞在鐵芯上的；電動機繞組是按一定規(guī)律安放在鐵芯上的若干個槽內；所以根據(jù)變壓器的一些結論，就可以得到電動機的一些運行特性：88電機與變壓器變壓器一次繞組感應電勢E1=4.44fN1Φ電動機定子繞組感應電勢E1=4.44f1N1ΦK1（K1是線圈系數(shù)）變壓器二次繞組感應電勢E2=4.44fN2Φ電動機轉子繞組感應電勢E2=4.44f2N2ΦK2（K2是線圈系數(shù)）

E1、E2的頻率為什么不一樣？電磁感應定律E=Blv中的v是磁場與導體之間的相對運動速度（n0－n）

。因此對于靜止的定子繞組來說，這個相對速度就是磁場的旋轉速度；而對于旋轉的轉子來說，這個相對速度是磁場與轉子之間的速度差。pn060==pf160(n0－0)電動機定子繞組感應電勢E1的頻率=pf260(n0－n)電動機轉子繞組感應電勢E2的頻率==60pn0n0(n0－n)sf189電機與變壓器AXBYCZ轉子感應電勢E2的頻率對電機運行有什么影響呢？在電機定子通入電流，產生旋轉磁場的瞬間SN轉子處于靜止狀態(tài)。此時轉差率s=1,轉子感應電勢f2=f1，E2此時最大，轉子中的感應電流I2也最大。隨轉子轉速的提高。轉差率s下降,E2和I2也隨之下降。另外，電動機功率因素和轉子阻抗也與轉差率有關。轉子在處于靜止的瞬間時，其阻抗最大、功率因素最低。隨轉速的提高，阻抗隨之下降，功率因素開始上升?？偨Y電動機在啟動的瞬間，轉子上有很大的電流，根據(jù)磁勢平衡，則電動機定子上就會有很大的電流，從而可能會燒壞電機定子繞組。90電機與變壓器五、電動機的功率和損耗電動機是一種將電能轉換成機械能的裝置。所以在能量轉換的過程中不可避免的會產生各種損耗。=P13UNINcosjpFE1pCU1pCU2pFE2pmp?電源定子，旋轉磁場轉子，電磁感應電磁功率Pe輸入電功率P1機械功率Pmec輸出機械功率P2轉子旋轉)P1Pe=－(pCU1＋pFE1=PmecPe－PCU2PFE2(轉子鐵耗很小，可忽略不計）=pCU2SPe稱為轉差功率=Pe(1－S)P2=Pmec－p0+p0=p?pm稱為空載損耗，固定不變。P1=η91電機與變壓器=pCU2SPe

說明，從氣隙傳遞到轉子的電磁功率分為兩部分，一小部分變?yōu)檗D子銅損耗，絕大部分轉變?yōu)榭倷C械功率。轉差率越大，轉子銅損耗就越多，電機效率越低。

的兩邊同時除以機械角速度得或電磁轉矩電磁轉矩等于總機械功率除以轉子機械角速度。輸出轉矩92電機與變壓器1.異步電動機的電磁轉矩的幾種表達式五、異步電動機的電磁轉矩和機械轉矩電動機的結構常數(shù)每極下工作主磁通轉子電流轉子電路功率因數(shù)上式中各參數(shù)：每極下工作主磁通遵循主磁通原理。轉子電路的功率因數(shù)和轉子電流均隨轉差率的變化而變化。em1）93電機與變壓器將公式中各量的計算式代入電磁轉矩公式，即可得到電磁轉矩的另一種參數(shù)表達式：

電磁轉矩T正比電源電壓U1的平方，反映了電動機的電磁轉矩在負載不變情況下，其大小取決于電源電壓的高低。但這并不意味電動機的工作電壓越高，電動機實際輸出轉矩就越大。上式說明，只要電機參數(shù)不發(fā)生變化，電磁轉矩電動機輸出機械轉矩的大小，實際上決定于來自于電動機軸上負載阻轉矩的大小。當電磁轉矩T等于負載阻轉矩TL時，電動機就會在某一速度下穩(wěn)定運行；若T>TL，電動機就會加速運行；若T<TL，電動機則要減速運行直至停轉。21U2sR22(202)sXR+=Kf1Tem2）94電機與變壓器異步電動機電磁轉矩特性電磁轉矩有三個重要值，分別為：Tmsm1T0sn=0n=n0根據(jù)公式可得異步機的電磁轉矩特性曲線：最大電磁轉矩對應最大電磁轉矩的臨界轉差率。(1)額定轉矩TN電動機額定電壓下以額定轉速nN運功率單位若為W時，9550改為9.55行，輸出額定機械功率PN時，電機轉軸上對應輸出的機械轉矩為額定電磁轉矩TN。95電機與變壓器最大轉矩反映了電動機帶最大負載的性能，我們把它與額定轉矩的比值稱為電動機的過載能力，即：TMT0s最大電磁轉矩起動電磁轉矩(2)最大轉矩TM起動轉矩反映了異步機帶負載起動時的性能。起動轉矩與額定電磁轉矩之比稱作電動機的起動能力，即：Tst(3)起動轉矩Tst

λm通常在1.6~2.0之間。如果負載轉矩超過了最大轉矩，電動機將停轉。

λst通常在1.4~1.8之間。如果電機的起動轉矩Tst小于電動機軸上的負載阻轉矩TL時，電動機將無法起動。96電機與變壓器異步電動機的機械特性n0T機械特性曲線額定工作點NnNTNTstTM額定轉矩電動機運行在AB段，其電磁轉矩可以隨負載的變化而自動調整，這種能力稱為自適應負載能力。ABC機械特性曲線可分為穩(wěn)定運行區(qū)AB段和非穩(wěn)定運行區(qū)BC段兩部分。電機穩(wěn)定運行時TL=TN。當負載增加時，TL'>TN動力小于阻力電機穩(wěn)定運行狀態(tài)被破壞轉速n下降轉差率s上升轉子電路感應電動勢增加電流I2增大定子電流I1隨之增大電磁轉矩T增大至T′當T′=TL′時電動機轉速重新穩(wěn)定在n'上，此時n′<n。特性曲線的N點向右移。顯然，把轉矩特性曲線旋轉90°后即可得到機械特性曲線。額定轉速最大電磁轉矩起動電磁轉矩分析電機穩(wěn)定運行在TL=TN。當負載減少時，TL″<TN動力大于阻力電機的穩(wěn)定運行狀態(tài)被破壞轉速n上升轉差率s下降轉子電路感應電動勢減小電流I2減小定子電流I1隨之減小電磁轉矩T減小至T″當T″=TL″時電動機轉速重新穩(wěn)定在n″上，此時n″>n。沿特性曲線左移。N′N″97電機與變壓器四.單相異步電動機簡介我們日常生活及辦公場所通常是單相供電，因此很多儀器、各種電動小型工具、家用電器等，都采用單相異步電動機。單相異步機采用鼠籠式轉子結構，一般容量多在0.75KW以下。電容運轉單相機洗衣機電動機電風扇電動機制冷壓縮機

三相異步電動機只所以能夠轉動，是因為它的定子繞組通入對稱三相交流電后產生的旋轉磁場。那么，單相異步電動機通入單相交流電后，產生的是一個什么樣的磁場呢？98電機與變壓器單相異步電動機的定子磁場單相機定子單相機轉子ωt0i在定子繞組中通入單相交流電×××電流正半周，線圈導體中通過的電流始終為正值合成磁場隨時間大小不斷變化，但磁場軸線的位置始終不變。NS電流的負半周，線圈導體中通過的電流方向始終為負×××SN合成磁場隨時間大小不斷變化，但磁場軸線的位置始終不變。顯然，單相異步電動機的定子磁場是一個大小和方向隨時間不斷變化、但磁場軸線位置始終不變的脈動磁場。所以單向異步機的轉子不會自行起動，也就是說單相異步電動機的起動轉矩為零。99電機與變壓器如何使單相異步電動機旋轉起來呢？電容分相法可讓單相異步機轉動電容分相式異步電動機的定子有兩個繞組：一個是工作繞組；另一個是起動繞組，兩個繞組在空間對稱嵌放。起動繞阻與電容C串聯(lián)，使起動繞組電流i2和工作繞組電流i1產生90°的相位差，即：加入起動繞組后，和工作繞組并聯(lián)連接于單相交流電源上?？梢?，單相電動機定子兩繞組的合成磁場也是一個隨時間空間位置不斷變化的旋轉磁場。單相電動機也因之可以自行起動了。AXBYAXBYAXBY100電機與變壓器101電機與變壓器102電機與變壓器直流電機可分為直流發(fā)電機和直流電動機兩大類。將機械能轉化為電能的直流電機是直流發(fā)電機，將電能轉化為機械能的直流電機是直流電動機。直流電機具有良好的調速性能、較大的起動轉矩和過載能力，一般應用于對起動和調速要求較高的場合。另外，結構復雜、成本較高、維護較困難是直流電機的不足之處。五、直流電動機工業(yè)直流電機直流伺服電機外轉子直流電機103電機與變壓器直流電動機結構也分為定子和轉子兩大部分。定子轉子一、直流電機的基本工作原理和結構1、直流電機的主要結構104電機與變壓器定子主要部件有：（1）主磁極主要作用是產生恒定的氣隙磁通，由鐵心和勵磁繞組構成1—機座；2—主磁極鐵芯；3—勵磁繞組（2）換向磁級1—換向極鐵芯；2—換向極繞組主要作用改善換向，減小電火花。105電機與變壓器與換向器配合,完成交直流的互換。數(shù)目與主磁極相同。（3）電刷裝置電刷座與電刷轉子又稱為電樞，其主要部件有既是主磁路的一部分，又可以放置電樞繞組。（1）電樞鐵心106電機與變壓器（2）電樞繞組電樞繞組與換向器聯(lián)結。主要作用產生感應電動勢和電磁轉矩，實現(xiàn)機電能量的轉換。（3）換向器與電刷裝置配合,完成直流與交流的互換107電機與變壓器108電機與變壓器2、直流電動機工作原理

把電刷A、B接到直流電源上，電刷A接正極，電刷B接負極。此時電樞線圈中將有電流流過。

直流電動機是將電能轉變成機械能的旋轉機械。

在磁場作用下，有F=BIL。該電磁力形成電磁轉矩,使電機轉子旋轉。109電機與變壓器110電機與變壓器電樞繞組有兩種連接方式：單疊繞組和單波繞組，下圖以單疊繞組為例。另外一半電樞繞組也構成另外一條支路。不管電樞如何轉動，一條支路中繞組感應的總電勢大小基本不變（微小脈動）。+-111電機與變壓器

單疊繞組的并聯(lián)支路圖說明，轉子旋轉后電樞繞組所有元件被兩個電刷所平分為2條支路，即并聯(lián)支路數(shù)與磁極數(shù)相同。有2a=2p。另外一種連接連接方式，單波繞組的并聯(lián)支路數(shù)則恒等于2，即2a=2。電機的電樞電動勢Ea，電磁轉矩Te則因為連接方式的不同而不同。兩個重要公式如下：Ea=CeΦnTe=CtΦIaCt=9.55CeCe=pN/60a112電機與變壓器二、直流電動機的種類和銘牌直流電動機按產生磁場的方式來進行區(qū)分，分為兩大類：他勵和自勵。

他勵是指通入電動機定子中，產生磁場的電流If與通入電動機轉子，產生轉矩的電流Ia分別由兩個電源提供。他勵的特點是,勵磁電流If的大小與電樞電壓U及負載等參數(shù)無關。若U=Uf，則他勵電動機與并勵電動機性能相同。1、直流電動機的分類113電機與變壓器自勵是指勵磁電流與電樞電流共用一個電源，根據(jù)勵磁繞組與電樞繞組的連接形式，又分為串勵、并勵和復勵三種勵磁方式。串勵是指勵磁繞組與電樞繞組串聯(lián)連接。串勵的特點勵磁線圈匝數(shù)少，線徑較粗，If較大，有If=Ia。串勵電動機有較大的啟動轉矩，但轉速容易發(fā)生波動。適用于要求較大啟動轉矩且允許轉速變化較大的工作場合。114電機與變壓器并勵是指勵磁繞組與電樞繞組并聯(lián)連接。并勵的特點是勵磁電流If較小，線圈匝數(shù)較多，線徑較細，有電源總電流I=If+Ia。中小型直流電動機多為并勵電動機。復勵是勵磁繞組與電樞繞組采用串、并聯(lián)混合連接。主磁極由兩個勵磁繞組組成:一個與電樞繞組串聯(lián)，稱為串勵繞組;另一部分勵磁繞組再與電樞繞組并聯(lián)，其特點是電動機的主磁通由這兩個勵磁繞組共同產生。115電機與變壓器2、直流電機的銘牌型號：國產電機型號一般采用大寫的漢語拼音字母和阿拉伯數(shù)字表示，其格式為：第一部分用大寫的拼音表示產品代號，第二部分用阿拉伯數(shù)字表示設計序號，第三部分用阿拉伯數(shù)字表示機座代號，第四部分用阿拉伯數(shù)字表示電樞鐵芯長度代號。如：Z2—92中的Z表示一般用途直流電機；2表示設計序號，第二次改型設計；9表示機座代號；2表示電樞鐵芯長度代號。116電機與變壓器額定功率PN額定功率PN是指在額定條件下電機的輸出功率。對于電動機，額定功率是指電動機電樞軸上輸出的機械功率；對于發(fā)電機，額定功率是指電刷間輸出的電功率。額定功率的單位為kW。對于電動機，UN是指電樞上的輸入額定電壓；對于發(fā)電機，UN是指電樞輸出的額定電壓。額定功率UN額定功率IN

IN是指電機在額定電壓下，運行于額定功率時對應的電流值。額定功率ηN電動機發(fā)電機117電機與變壓器三、直流電動機的機械特性1、電勢平衡、功率平衡及轉矩平衡方程式在直流電動機中，感應電動勢Ea是由于電樞繞組和磁場之間的相對運動而產生的。是反電動勢，其與電樞所加外電壓相平衡。以并勵電動機為例，方程式有：直流電動機的電動勢平衡方程式為：U＝Ea+IaRa直流電動機的功率平衡方程式為：P1＝P2+?P

Pe＝P2+P0

?P＝Pacu+P0直流電動機的轉矩平衡方程式為：Te＝T2+T0在直流電機中，電磁轉矩為驅動轉矩。電磁轉矩Te克服負載的制動轉矩T2和空載轉矩T0，帶動電動機穩(wěn)定運行。118電機與變壓器

Z2—71型并勵直流電動機，其銘牌數(shù)據(jù)如下：PN=30kW，UN=220V，ηN=0.88,Ra=0.1Ω,nN=3000r/min,If=1.765A,

求額定電流IN、電樞電流Ia、勵磁回路的電阻Rf和反向電動勢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電機與變壓器

一臺并勵直流電動機，電源電壓UN=230V時，電樞電流IN=60A