《電工電子技術(shù)（第2版）》 課件 -孫彤 第3、4章 磁路與變壓器、三相異步電動(dòng)機(jī)

第3章磁路與變壓器【學(xué)習(xí)目標(biāo)】

1）了解磁的基本知識(shí)及磁路歐姆定律；

2）掌握變壓器的工作原理、結(jié)構(gòu)、分類(lèi)及用途；

3）掌握變壓器的空載及短路試驗(yàn)的原理及方法；【能力目標(biāo)】

1)掌握變壓器的使用方法；

2)通過(guò)空載和短路實(shí)驗(yàn)測(cè)定變壓器的變比，計(jì)算變壓器的各項(xiàng)參數(shù)

3.1

磁路的基本知識(shí)

1.磁場(chǎng)及磁場(chǎng)的基本物理量

（1）磁的基本知識(shí)

（2）電流的磁場(chǎng)

（3）磁場(chǎng)對(duì)通電直導(dǎo)體的作用左手定則

將左手伸平，拇指與四指垂直，磁感應(yīng)線(xiàn)穿過(guò)手心，四指指向電流方向，則拇指的指向就是通電導(dǎo)體的受力方向。

（4）感生電動(dòng)勢(shì)的產(chǎn)生及方向

感生電動(dòng)勢(shì)的產(chǎn)生及方向電流能夠產(chǎn)生磁場(chǎng)，一定條件下磁場(chǎng)也能產(chǎn)生電流。變動(dòng)磁場(chǎng)在導(dǎo)體中可產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。直線(xiàn)導(dǎo)體中感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的方向，可用右手定則判斷。

（5）磁場(chǎng)的基本物理量磁場(chǎng)的特性主要用磁感應(yīng)強(qiáng)度、磁通、磁場(chǎng)強(qiáng)度、磁導(dǎo)率四個(gè)物理量來(lái)描述。

2.鐵磁性材料按磁滯性能可把鐵磁性物質(zhì)分為三種類(lèi)型：（１）軟磁材料（２）永磁材料（３）矩磁材料

3.磁路及磁路歐姆定律（1）磁路、磁感應(yīng)線(xiàn)集中通過(guò)的磁通路徑稱(chēng)為磁路。（2）磁路歐姆定律磁路的歐姆定律與電路的歐姆定律相似：

3.2

變壓器變壓器是一種改變電壓高低的靜止電器，它可以把一種電壓的交流電能轉(zhuǎn)換成頻率相同的另一種電壓的交流電能，它還具有變換電流和變換阻抗的多種功能，它是一種常見(jiàn)電氣設(shè)備，在電力系統(tǒng)和電子線(xiàn)路中應(yīng)用廣泛。

1.變壓器的基本結(jié)構(gòu)

(1)鐵心.鐵心是構(gòu)成變壓器的磁路部分，既是磁通閉合路徑，又是繞組的支撐骨架。

(2)繞組繞組構(gòu)成變壓器的電路部分，常用絕緣銅線(xiàn)或鋁線(xiàn)繞制而成。與電源相連的繞組稱(chēng)為一次繞組，接負(fù)載的稱(chēng)為二次繞組。

(3)結(jié)構(gòu)形式根據(jù)變壓器鐵心和繞組的配置情況，變壓器有芯式和殼式兩種形式。

2.變壓器的工作原理及應(yīng)用變壓器是利用電磁感應(yīng)原理工作的，它可以根據(jù)需要將交流電壓升高或降低。在改變電壓的同時(shí)，頻率保持不變。

(1)變壓器的工作原理1）變壓原理

2）變流原理

即

3）阻抗變換原理

(2)變壓器的特性

1）變壓器的外特性2）電壓變化率

(3)變壓器的參數(shù)1）額定電壓和

2）額定電流和

3）額定容量

單相變壓器三相變壓器

2）變壓器的短路試驗(yàn)短路試驗(yàn)是為了測(cè)定短路電壓和短路損耗。(4)變壓器的試驗(yàn)

1）變壓器的空載試驗(yàn)空載試驗(yàn)可以測(cè)定變壓器的變比

3.其他用途變壓器

(1)三相電力變壓器在電力系統(tǒng)中做輸、配電之用時(shí)，應(yīng)用最廣的是芯式變壓器。它是整個(gè)電力系統(tǒng)中容量最大、應(yīng)用最多的電氣設(shè)備。

(2)小功率電源變壓器這是最常見(jiàn)的一種變壓器，也是比較容易損壞和需要修理或更換的變壓器。作為電器維修人員來(lái)講應(yīng)會(huì)對(duì)這類(lèi)小功率變壓器進(jìn)行修理。

(3)自耦變壓器自耦變壓器是一、二次繞組共用同一繞組的變壓器，其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是二次繞組是一次繞組的一部分。

4.儀用互感器儀用互感器分電壓互感器和電流互感器兩大類(lèi)，它們的工作原理與雙繞組變壓器一樣，主要用于測(cè)量較大的交流電壓及交流電流。

（1）電壓互感器電壓互感器的一次側(cè)繞組匝數(shù)很多，并聯(lián)于待測(cè)電路兩端；二次側(cè)繞組匝數(shù)較少，與電壓表及電度表、功率表、繼電器的電壓線(xiàn)圈并聯(lián)，如圖所示。用于將高電壓變換成低電壓。使用時(shí)二次測(cè)繞組不允許短路。

使用時(shí)注意：

①二次側(cè)不能短路，以防產(chǎn)生過(guò)電流；

②鐵心、低壓繞組的一端接地，以防在絕緣損壞時(shí)，在二次側(cè)出現(xiàn)高電壓。（2）電流互感器電流互感器實(shí)質(zhì)上是一臺(tái)二次繞組在短路狀態(tài)下工作的雙繞組變壓器，它的一次繞組由一匝或幾匝截面較大的導(dǎo)線(xiàn)構(gòu)成，將其串接在需要測(cè)量電流值的電路中。由于二次繞組的匝數(shù)較多，截面較小，它與阻抗很小的負(fù)載(電流表、瓦特表等的電流線(xiàn)圈)接成閉路，如圖所示。

使用時(shí)注意：

①二次側(cè)不能開(kāi)路，以防產(chǎn)生高電壓；

②鐵心、低壓繞組的一端接地，以防在絕緣損壞時(shí)，在二次側(cè)出現(xiàn)過(guò)電壓。

5.電焊變壓器電焊變壓器是交流弧焊機(jī)的主要組成部分，用來(lái)將380V的交流電壓，降壓為電焊所需的電壓，為了適應(yīng)電焊的工作需要，它的結(jié)構(gòu)與一般的變壓器又有所不同，它的二次繞組允許短暫的短路，它的外特性下降得很利害，它的二次繞組輸出電流可以在大范圍內(nèi)調(diào)節(jié)以滿(mǎn)足不同規(guī)格焊件的焊接需要。第4章三相異步電動(dòng)機(jī)【學(xué)習(xí)目標(biāo)】

1）掌握三相異步電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)、銘牌數(shù)據(jù)及工作原理；

2）掌握三相異步電動(dòng)機(jī)的起、制動(dòng)及調(diào)速的基本原理和方法；

3）了解單相異步電動(dòng)機(jī)基本原理和特點(diǎn)?！灸芰δ繕?biāo)】

1）熟悉三相籠型異步電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)和額定值；

2）會(huì)檢驗(yàn)三相籠型異步電動(dòng)機(jī)絕緣情況；

3）了解三相籠型異步電動(dòng)機(jī)定子繞組首、末端的判別方法。

4.1

三相異步電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)和銘牌1.三相異步電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)(1)定子（靜止部分）定子主要用來(lái)產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng),它由機(jī)座、定子鐵心、定子繞組等組成。

(2)轉(zhuǎn)子（轉(zhuǎn)動(dòng)部分）電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)部分，用來(lái)產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)力矩，拖動(dòng)生產(chǎn)機(jī)械旋轉(zhuǎn)。主要由轉(zhuǎn)子鐵心和轉(zhuǎn)子繞組組成。

(3)其他部分其他如端蓋、風(fēng)扇、軸承等。2.三相異步電動(dòng)機(jī)的銘牌

三相異步電動(dòng)機(jī)型號(hào)Y132M-4功率7.5kW頻率50Hz電壓380V電流15.4A接法Δ轉(zhuǎn)速1440r/min絕緣等級(jí)B工作方式連續(xù)年月日編號(hào)XX電機(jī)廠(chǎng)

三相異步電動(dòng)機(jī)定子繞組的接線(xiàn)方法

4.2

三相異步電動(dòng)機(jī)的工作原理三相異步電動(dòng)機(jī)是利用定子繞組中的三相交流電源所產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)與轉(zhuǎn)子繞組內(nèi)的感應(yīng)電流相互作用而工作的。

1.旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)

(1)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的產(chǎn)生三相繞組的連接：

兩極旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的產(chǎn)生：(2)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)速為

磁場(chǎng)旋轉(zhuǎn)方向與電流相序一致。若使旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)按反方向旋轉(zhuǎn)，只需把三根電源線(xiàn)的任意兩根對(duì)調(diào)即可。2.異步電動(dòng)機(jī)的工作原理

由于轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速n與旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)同步轉(zhuǎn)速n1同向，且其轉(zhuǎn)速總是稍低于同步轉(zhuǎn)速n1，故稱(chēng)為異步電動(dòng)機(jī)。

轉(zhuǎn)差率：異步電動(dòng)機(jī)同步轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的差值與同步轉(zhuǎn)速之比稱(chēng)為轉(zhuǎn)差率，即：在電動(dòng)機(jī)起動(dòng)瞬間，當(dāng)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到同步轉(zhuǎn)速時(shí)，異步電動(dòng)機(jī)在運(yùn)行狀態(tài)下，轉(zhuǎn)差率的范圍為在額定狀態(tài)下運(yùn)行時(shí)，

4.3

三相異步電動(dòng)機(jī)的特性

1.三相異步電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩特性三相異步電動(dòng)機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩公式

它們之間的關(guān)系可用下圖曲線(xiàn)來(lái)描述。2.異步電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性在電力拖動(dòng)中，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速n與電磁轉(zhuǎn)矩T的關(guān)系：稱(chēng)為機(jī)械特性曲線(xiàn)。

從機(jī)械特性曲線(xiàn)我們可以看出，曲線(xiàn)描繪出三個(gè)重要轉(zhuǎn)矩和兩個(gè)運(yùn)行區(qū)域。

4.4

三相異步電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行

1.三相異步電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)電動(dòng)機(jī)接通電源后，由靜止逐步加速到穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)的過(guò)程稱(chēng)為起動(dòng)。

(1)直接起動(dòng)直接起動(dòng)是利用閘刀開(kāi)關(guān)或接觸器將電動(dòng)機(jī)直接接到額定電壓上的起動(dòng)方式，又叫全壓起動(dòng)。

(2)降壓起動(dòng)

1）星形-三角形（Y-△）降壓起動(dòng)在起動(dòng)時(shí)將定子繞組連接成星形，通電后電動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，當(dāng)轉(zhuǎn)速升高到接近額定轉(zhuǎn)速時(shí)再換接成三角形，這種起動(dòng)方式優(yōu)點(diǎn)是起動(dòng)電流為全壓起動(dòng)時(shí)的1/3。

缺點(diǎn)是起動(dòng)轉(zhuǎn)矩減小為全壓起動(dòng)時(shí)的1/3。

因此，這種方法只適合于正常運(yùn)行定子為三角形連接的三相籠型異步電動(dòng)機(jī)在空載或輕載時(shí)的起動(dòng)，如圖所示。

2）自耦降壓起動(dòng)自耦降壓起動(dòng)是利用三相自耦變壓器將電動(dòng)機(jī)在起動(dòng)過(guò)程中的端電壓降低，以達(dá)到減小起動(dòng)電流的目的，這種起動(dòng)方式適用于容量較大的或正常運(yùn)行時(shí)聯(lián)成星形不能采用星形－三角形降壓起動(dòng)的籠型異步電動(dòng)機(jī)，如圖所示。

3）繞線(xiàn)型異步電動(dòng)機(jī)在轉(zhuǎn)子繞組串入附加電阻或電抗器起動(dòng)，既可以降低起動(dòng)電流，又可以增大起動(dòng)轉(zhuǎn)矩，如圖所示。

2.三相異步電動(dòng)機(jī)的制動(dòng)為了使電動(dòng)機(jī)能夠迅速停車(chē)及對(duì)負(fù)載轉(zhuǎn)矩為位能轉(zhuǎn)矩的負(fù)載能勻速下落，需要對(duì)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行制動(dòng)。這時(shí)的轉(zhuǎn)矩稱(chēng)為制動(dòng)轉(zhuǎn)矩。

(1)能耗制動(dòng)將電動(dòng)機(jī)的定子繞組切斷三相電源后迅速接到直流電源上，同時(shí)串聯(lián)一個(gè)制動(dòng)電阻以限制制動(dòng)電流。這種制動(dòng)方式的特點(diǎn)是制動(dòng)準(zhǔn)確、平穩(wěn)，但需要額外的直流電源。如圖所示。(2)反接制動(dòng)電動(dòng)機(jī)停車(chē)時(shí)將三相電源中的任意兩相對(duì)調(diào)，使電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)方向與原來(lái)方向相反，電磁轉(zhuǎn)矩方向也隨之改變，當(dāng)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速接近為零時(shí)，要及時(shí)斷開(kāi)電源防止電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)。

這種制動(dòng)方式的特點(diǎn)是制動(dòng)迅速，制動(dòng)效果好。但由于反接時(shí)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)與轉(zhuǎn)子間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)加快，因而電流較大。對(duì)于功率較大的電動(dòng)機(jī)制動(dòng)時(shí)必須在定子電路（鼠籠式）或轉(zhuǎn)子電路（繞線(xiàn)式）中接入電阻，用以限制電流，如圖所示。(3)回饋制動(dòng)處于電動(dòng)狀態(tài)運(yùn)行的三相異步電動(dòng)機(jī)，如在某種外加轉(zhuǎn)矩的作用下，轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速反而大于旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)速，于是電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子繞組切割旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的方向?qū)⑴c電動(dòng)狀態(tài)時(shí)相反。使電磁轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)子的運(yùn)動(dòng)方向相反，從而限制轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速，起到了制動(dòng)作用。這種制動(dòng)不但沒(méi)有從電源吸收功率，反而向電網(wǎng)輸出功率，所以稱(chēng)為回饋制動(dòng)。實(shí)際上這時(shí)電動(dòng)機(jī)已經(jīng)由電動(dòng)運(yùn)行轉(zhuǎn)為發(fā)電機(jī)運(yùn)行，所以又稱(chēng)為發(fā)電制動(dòng)。

(2)變頻調(diào)速進(jìn)行變頻調(diào)速，需要一套專(zhuān)用的變頻設(shè)備。將50Hz工頻交流電變換為頻率可調(diào)且電壓與頻率的比值保持不變的三相交流電，供給三相異步電動(dòng)機(jī)。連續(xù)改變電源頻率可以實(shí)現(xiàn)大范圍的無(wú)級(jí)調(diào)速，而且電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性的硬度基本不變，這是一種比較理想的調(diào)速方法，近年來(lái)發(fā)展很快，正得到越來(lái)越多的應(yīng)用。

(1)變極調(diào)速

通過(guò)改變電動(dòng)機(jī)的定子繞組所形成的磁極對(duì)數(shù)p來(lái)調(diào)速。這種方法調(diào)速，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速不能連續(xù)、平滑地進(jìn)行調(diào)節(jié)。是步級(jí)式調(diào)速方法。

3.三相異步電動(dòng)機(jī)的調(diào)速

調(diào)速是指人為地改變電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。調(diào)速方法有：(3)變轉(zhuǎn)差率調(diào)速通過(guò)改變轉(zhuǎn)差率達(dá)到調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的目的，具體調(diào)速方法有改變定子電壓調(diào)速和轉(zhuǎn)子繞組串電阻調(diào)速等。其中，改變定子電壓調(diào)速又稱(chēng)為變壓調(diào)速，適合于籠型異步電動(dòng)機(jī)調(diào)速；轉(zhuǎn)子繞組串電阻調(diào)速又稱(chēng)為變阻調(diào)速，適合于繞線(xiàn)式異步電動(dòng)機(jī)調(diào)速。

由于單相異步電動(dòng)機(jī)繞組通過(guò)單相交變電流，產(chǎn)生的磁通是交變脈動(dòng)磁通，這種磁通不能使轉(zhuǎn)子自行起動(dòng)旋轉(zhuǎn)，但卻可以使原來(lái)旋轉(zhuǎn)的電動(dòng)機(jī)繼續(xù)維持運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)，所以要想使單相異步電動(dòng)機(jī)起動(dòng)，必須采取另外的起動(dòng)措施。

4.5

單相異步電動(dòng)機(jī)單相異步電動(dòng)機(jī)是由單相電源供電的小功率異步電動(dòng)機(jī)。

1.電容分相式異步電動(dòng)機(jī)

如圖所示，電容分相式異步電動(dòng)機(jī)的定子有兩個(gè)繞組：一個(gè)是工作繞組（主繞