《電工電子技術(shù)基礎(chǔ)》課件-第6章

6.1磁路的分析方法6.2變壓器6.3三相異步電動機習(xí)題6.1磁路的分析方法變壓器和電動機都是利用電磁感應(yīng)定律工作的，借助于磁場這個媒質(zhì)，可實現(xiàn)電能與電能或是電能與機械能的轉(zhuǎn)換。為簡化起見，工程中常用磁路來描述和分析磁場及電磁關(guān)系。除了天然磁體產(chǎn)生的磁場外，實際應(yīng)用中更多的是利用電流來產(chǎn)生磁場，該電流被稱為勵磁電流。為了用較小的電流產(chǎn)生足夠強的磁場，通常在電工設(shè)備中采用以鐵磁材料做成一定形狀的鐵芯(有時鐵芯中會有氣隙)。鐵芯的高導(dǎo)磁性可以使絕大部分磁通經(jīng)過鐵芯而閉合，這種人為的磁通路徑稱為主磁路(簡稱磁路)，用Φ表示主磁通的大小;也有少量磁通不經(jīng)過鐵芯而閉合，成為漏磁通，用fσ表示。圖6.1.1和圖6.1.2是兩種典型情況:封閉鐵芯組成的磁路和有氣隙的磁路。

圖6.1.1封閉鐵芯組成的磁路

圖6.1.2有氣隙的磁路在圖6.1.1所示的磁路中，假定鐵芯截面積為[WTBX]S，平均長度為l，有N匝線圈，忽略漏磁通，則由物理上的相關(guān)公式可得出：或式中:B代表磁感應(yīng)強度;H代表磁場強度;μ為磁導(dǎo)率；F=NI是磁通勢，代表通電線圈產(chǎn)生磁場的能力;Rm為磁阻，代表磁路對磁通的阻礙作用。

6.1.1)式(6.1.1)與電路的歐姆定律在形式上相同，稱為磁路的歐姆定律。磁路和電路有許多相似之處，但磁路的分析和計算較電路困難。例如:

(1)在處理電路時，一般不涉及電場問題，而在處理磁路時離不開磁場的概念。

(2)一般電路中可以不考慮漏電現(xiàn)象，但在磁路中要考慮漏磁通。

(3)磁路的歐姆定律通常不能進行定量計算(μ不是常數(shù))，相當于非線性電阻;而電路中更多討論的是線性電阻。如果磁通Φ已知，則，然后由鐵芯材料的磁化曲線B=f(H)，找出鐵芯中的磁場強度H，則F=NI=Hl可得。對圖6.1.2所示的有氣隙的磁路，如果磁通Φ已知，則認為鐵芯和氣隙的截面積均為S，鐵芯的平均長度為l，氣隙的長度為δ，則B也相同。由鐵芯材料的磁化曲線B=f(H)，找出鐵芯中的磁場強度H;而氣隙的磁場強度，然后得NI=Hl+H0δ。

【例6.1.1】圖6.1.1所示的鐵芯線圈為100匝，鐵芯中的磁感應(yīng)強度B=0.9T，磁路的平均長度為10cm。試求:(1)鐵芯材料為鑄鐵時的勵磁電流;(2)鐵芯材料為硅鋼片時的勵磁電流。

解當B=0.9T時，查出兩種材料的H值，再計算I。

(1)H1=9000A/m，

(2)H2=260A/m

所用鐵芯材料不同，要得到同樣的B值，則F或I相差很大。鐵芯材料的μ越高，可以在勵磁電流不變的情況下，減少線圈的匝數(shù)，從而減少用銅量。如果在上面(1)、(2)兩種情況下，線圈中都流過0.26A的電流，則鐵芯中的H都是260A/m，查磁化曲線可得：B1=0.05T,

B2=0.9T

兩者相差17倍，磁通也相差17倍。如果得到相同的磁通，那么鐵芯的截面積就增加17倍。因此，采用磁導(dǎo)率高的材料，可減少鐵芯的截面積，從而減少用鐵量。

【例6.1.2】圖6.1.2所示的磁路中，其B值為0.9T，用硅鋼片作為材料，鐵芯長度為9.8cm，氣隙長為0.2cm。設(shè)N為100，求I值。

解當B=0.9T時，其H=260A/m。空氣隙中的H0為可見，在磁路中有氣隙時，由于其磁導(dǎo)率低，磁通勢差不多都用在空氣隙上面，從而大大增加了I值。如果可能的話，磁路應(yīng)全部通過鐵芯(變壓器);如果磁路中必須有氣隙(電動機)，則也應(yīng)減少氣隙的長度。6.2變壓器

變壓器是一種常用的電氣設(shè)備，在電力系統(tǒng)和電子技術(shù)中應(yīng)用廣泛。在輸電方面，當輸送有功功率P=UIcosj及負載功率因數(shù)cosj一定時，提高電壓U，可減少線路電流I。這樣可以減少輸電線的截面積，同時還可以減少線路的功率損耗。而當用電時，為保證用電安全和設(shè)備電壓要求，則往往要利用變壓器降低電壓。在電子技術(shù)中，除電源變壓器外，變壓器還用來耦合電路，傳遞信號，實現(xiàn)阻抗匹配。6.2.1變壓器的工作原理變壓器的結(jié)構(gòu)如圖6.2.1所示，它由閉合鐵芯和高、低壓繞組等幾個主要部件構(gòu)成。圖6.2.2所示為變壓器的原理圖，與電源相連的稱為原繞組(或稱初級繞組，一次繞組)，與負載相連的稱為副繞組(或稱為次級繞組，二級繞組)，其匝數(shù)分別為N1和N2。圖6.2.1變壓器的結(jié)構(gòu)

圖6.2.1變壓器的結(jié)構(gòu)原繞組上接有交流電壓u1時，則有電流i1產(chǎn)生。原繞組的磁通勢N1i1在鐵芯中產(chǎn)生主磁通Φ，從而在原、副繞組中產(chǎn)生感應(yīng)電動勢e1和e2。如果副繞組是閉合的，則N2i2也會在鐵芯中產(chǎn)生磁通。鐵芯的Φ是由N1i1+N2i2產(chǎn)生的。此外，原、副繞組的磁通勢還分別產(chǎn)生漏磁通Φσ1和Φσ2，從而產(chǎn)生漏磁電動勢eσ1和eσ2。下面討論變壓器的電壓變換、電流變換及阻抗變換。

1.電壓變換

對原繞組電路列寫KVL方程，即(6.2.1)

通常認為漏磁通不經(jīng)過鐵芯而閉合，是線性電感;而主磁通經(jīng)過鐵芯，是非線性電感，只能用電磁感應(yīng)定律來表示。在正弦電壓作用時，可寫成相量關(guān)系式:式中R1和X1=ωLσ1代表原繞組的電阻和漏感抗。(6.2.2)與主磁通產(chǎn)生的E1相比，可以忽略原繞組的電阻和漏抗壓降。于是如果Φ=Φmsinωt，則根據(jù)電磁感應(yīng)定律:

(6.2.3)

于是(6.2.4)同理，對副繞組電路也可列寫電路方程:(6.2.5)如用相量形式表示，則為式中R2和X2=ωLσ2為副繞組的電阻和漏感抗，為副繞組的端電壓。同理，e2的有效值為E2=4.44fN2Φm

(6.2.6)(6.2.7)當變壓器空載時,I2=0

E2=U20

式中，U20是空載時副繞組的端電壓。由式(6.2.4)和式(6.2.7)可見，原、副繞組的電壓之比為式中，K為變壓器的變比，即原、副繞組的匝數(shù)比。變比在變壓器的銘牌上有標注，它表示原、副繞組的額定電壓之比，其中副繞組的額定電壓是原繞組上加額定電壓時副繞組的空載電壓，它較負載的額定電壓高5%～10%。(6.2.8)

2.電流變換

由U1≈E1=4.44fN1Φm可知，當電源電壓U1和頻率f不變時，E1和Φm也近似不變。所以，負載時產(chǎn)生主磁通的原、副繞組的合成磁通勢(N1i1+N2i2)應(yīng)該與空載時的原繞組的磁通勢N1i0相差無幾，即N1i1+N2i2≈N1i0其相量關(guān)系式為(6.2.9)

空載電流I0基本上是勵磁電流，由于變壓器的主磁路中無氣隙，因此I0很小。I0一般在原繞組額定電流I1N的10%之內(nèi)。只要I1遠大于I0，可忽略I0。式(6.2.9)可寫成其原、副繞組電流有效值的關(guān)系為(6.2.10)(6.2.11)上式表示，原、副繞組的電流之比近似等于其匝數(shù)比的倒數(shù)。式(6.2.10)表示，原、副繞組電流反相，副繞組的磁通勢對原繞組的磁通勢實為去磁作用。當負載增大時，為維持主磁通最大值保持不變，I1(N1I1)也隨之增大，原、副繞組的電流比值幾乎不變。

I1N和I2N是指按規(guī)定工作方式運行時，原、副繞組允許通過的最大電流。它根據(jù)絕緣材料的允許溫度確定。變壓器的額定容量用視在功率表示，通常設(shè)計時讓原、副繞組的額定容量相等，即SN=U1NI1N=U2NI2N

3.阻抗變換

借助于電壓和電流變換，可實現(xiàn)阻抗變換。圖6.2.3(a)所示電路中，負載阻抗模|Z|接于變壓器的副邊，將圖中的虛線框部分用一個阻抗模|Z′|來等效，要保證電路的電壓、電流和功率不變，如圖6.2.3(b)所示。

圖6.2.3負載阻抗的等效變換由式(6.2.8)和式(6.2.11)可得出通過不同的匝數(shù)比，把負載阻抗變成合適的數(shù)值，從而實現(xiàn)阻抗匹配。(6.2.12)

【例6.2.1】在圖6.2.4所示變壓器的原邊上接交流信號源，其電動勢E=100V，內(nèi)阻R0=100Ω，負載電阻RL=4Ω。(1)當RL折算到原邊的等效電阻時，求變壓器的匝數(shù)比和信號源輸出功率;(2)如負載直接與信號源連接，則信號源輸出多大功率？

圖6.2.4例6.2.1圖

解

(1)變壓器的匝數(shù)比應(yīng)為

信號源輸出功率為

(2)當負載直接接在信號源上時，6.2.2變壓器的運行特性

對于負載而言，變壓器就是一個有內(nèi)阻抗的實際電壓源。當電源電壓U1不變時，隨著副邊電流的變化，副邊電壓U2也隨之變化。當電源電壓U1和負載的功率因數(shù)cosj2一定時，U2=f(I2)稱為外特性曲線，如圖6.2.5所示。對電阻性和感性負載而言，電壓U2隨I2的增加而下降。通常用電壓變化率ΔU來表示當變壓器從空載到額定負載時電壓U2的相對變化率，即式中U20為空載時的副邊電壓。一般變壓器中，其電阻和漏抗壓降都較小，ΔU不超過5%。(6.2.13)變壓器變換交流時，其損耗包括鐵芯的鐵損ΔPFe和繞組上的銅耗ΔPCu。前者與鐵芯內(nèi)磁感應(yīng)強度的最大值Bm有關(guān)，與負載大小無關(guān);而后者則與負載電流的平方成正比。變壓器的效率常用下式確定:式中，P2為輸出功率，P1為輸入功率。變壓器的功率損耗很小，效率高，可達95%以上。(6.2.14)

圖6.2.5變壓器的外特性曲線

【例6.2.2】有一電阻負載的單相變壓器，其額定數(shù)據(jù)如下:SN=1kV·A，U1N=220V，U2N=115V，fN=50Hz，由試驗測得:ΔPFe=40W，額定負載時ΔPCu=60W。求:(1)變壓器的額定電流;(2)滿載和半載時的效率。解(1)額定容量時的額定電流為：

(2)滿載和半載時的效率分別為:

6.2.3特殊變壓器下面介紹兩種特殊變壓器:自耦變壓器和電流互感器。

1.自耦變壓器在圖6.2.6所示的自耦變壓器中，其副繞組是原繞組的一部分。這種變壓器的原、副繞組除了磁的聯(lián)系外，還有電的直接聯(lián)系。該變壓器的電壓、電流關(guān)系與普通變壓器無差別，當變比K<2時，它可以減少尺寸和節(jié)省材料，且可提高變壓器的效率。

2.電流互感器電流互感器根據(jù)變壓器的原理制作而成，主要用來擴大交流電表的量程。同時，它將測量儀表與高壓電路隔開，以保證人身與設(shè)備的安全。電流互感器的接線圖及其符號如圖6.2.7所示。它的原繞組匝數(shù)很少且與被測電路串聯(lián)，而副繞組的匝數(shù)較多，直接接電流表或其他電流線圈。根據(jù)變壓器的電流關(guān)系，有

(6.2.15)式中，Ki為電流互感器的變換系數(shù)，是一般變壓器的K的倒數(shù)。

圖6.2.7電流互感器的接線圖及其符號通常所接電流表或其他電流線圈的額定值均是5A，更換電流互感器就可以測量不同電流，而電流表可直接標出被測電流值。由于電流互感器副繞組上的負載阻抗很小，因此折合到原繞組側(cè)的阻抗也很小，對被測電流的影響也很小。所以，不允許將副繞組開路，否則就會破壞它的正常工作，還會產(chǎn)生危險。為安全起見，電流互感器的鐵芯和副繞組的一端應(yīng)該接地。練習(xí)與思考

6.2.1如果變壓器的一次繞組的匝數(shù)減少1/3，而原邊仍加額定電壓，試問勵磁電流有何變化？

6.2.2有一臺220V/110V的變壓器，N1=2000匝，N2=1000匝，現(xiàn)將匝數(shù)減少為200匝和100匝，是否也可以？

6.2.3有一臺220V/110V的變壓器，(1)如果低壓側(cè)加110V電壓，高壓側(cè)可帶220V的負載嗎？(2)如果將低壓側(cè)接在220V電源上，高壓側(cè)會輸出440V嗎？(3)如果低壓側(cè)接在110V直流電源上，高壓側(cè)也會輸出220V嗎？

6.2.4某變壓器的額定頻率為50Hz，(1)如果用60Hz的交流電路，能否帶額定負載？(2)能否在25Hz的交流電路中帶少量負載？

6.3三相異步電動機電動機的作用是將電能轉(zhuǎn)換為機械能?，F(xiàn)代生產(chǎn)機械廣泛應(yīng)用電動機來拖動，既有簡單的單機拖動，又有相對復(fù)雜的多電機拖動系統(tǒng)，如常用的橋式起重機中就有三臺電動機。生產(chǎn)機械由電動機拖動有許多優(yōu)點:簡化生產(chǎn)機械的結(jié)構(gòu);提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量;能實現(xiàn)自動控制和遠距離操作;減輕繁重的體力勞動。本節(jié)介紹異步電動機，它廣泛用于驅(qū)動各種金屬切削機床、起重機、鍛壓機、傳送帶、鑄造機械等。6.3.1三相異步電動機的構(gòu)造

三相異步電動機分為兩個基本部分:固定不動的定子和旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子。圖6.3.1是三相異步電動機的構(gòu)造圖。圖6.3.1三相異步電動機的構(gòu)造定子由機座、圓筒鐵芯以及三相定子繞組組成。機座由鑄鐵或鑄鋼制作而成。鐵芯是由互相絕緣的硅鋼片疊成的。鐵芯的內(nèi)圓周上沖有槽，用以放置三相對稱繞組U1U2、V1V2、W1W2，三相繞組可以星形連接或三角形連接。三相異步電動機的轉(zhuǎn)子可分為籠型和繞線型兩種?；\型的轉(zhuǎn)子繞組做成鼠籠狀(如圖6.3.2所示)，或在槽中澆鑄鋁液，鑄成鼠籠(如圖6.3.3所示)，這種結(jié)構(gòu)在中小型籠式電動機中得到廣泛應(yīng)用。

圖6.3.2籠型轉(zhuǎn)子

圖6.3.3鑄鋁的鼠籠式轉(zhuǎn)子繞線型異步電動機的構(gòu)造如圖6.3.4所示，它的轉(zhuǎn)子繞組同定子繞組相同，為三相星形連接。每相的始端接在三個銅制的滑環(huán)上，滑環(huán)固定在轉(zhuǎn)軸上。借助于彈簧的壓力，碳質(zhì)電刷被壓在環(huán)上從而將轉(zhuǎn)子繞組引出。兩種電機在轉(zhuǎn)子上的構(gòu)造不同，但它們的工作原理是相同的。

圖6.3.4繞線型異步電動機的構(gòu)造6.3.2三相異步電動機的工作原理圖6.3.5就是三相異步電動機轉(zhuǎn)動原理的演示。轉(zhuǎn)動磁極時，發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)子跟著磁極一起轉(zhuǎn)動。搖得快，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)得也快;反搖，轉(zhuǎn)子馬上反轉(zhuǎn)。由此可得出結(jié)論:在旋轉(zhuǎn)磁場的作用下，轉(zhuǎn)子會跟隨磁場轉(zhuǎn)動。

圖6.3.5異步電動機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動的演示在圖6.3.6所示的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動原理圖中，N、S表示兩極旋轉(zhuǎn)磁場的磁極，轉(zhuǎn)子中只表示出兩個導(dǎo)條。當旋轉(zhuǎn)磁場順時針旋轉(zhuǎn)時，其磁力線切割轉(zhuǎn)子導(dǎo)條，導(dǎo)條中感應(yīng)出電動勢。電動勢的方向由右手定則確定。

圖6.3.6轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動的原理圖在電動勢作用下，閉合的導(dǎo)條中就有電流，從而轉(zhuǎn)子導(dǎo)條受到電磁力F的作用，電磁力的方向由左手定則來確定。電磁力產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，可使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動起來。在圖6.3.6中可見，轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動方向與旋轉(zhuǎn)磁場相同，當旋轉(zhuǎn)磁場反轉(zhuǎn)時，轉(zhuǎn)子也反轉(zhuǎn)。下面再分析旋轉(zhuǎn)磁場的產(chǎn)生。三相異步電動機的定子鐵芯中有U1U2、V1V2和W1W2三相繞組，三相繞組星形連接，接入在三相電源上，如圖6.3.7(a)所示，繞組中就有三相對稱電流，即

i1=Imsinωt

i2=Imsin(ωt-120°)

i3=Imsin(ωt+120°)其波形如圖6.3.7(b)所示。當電流大于零時，電流的實際方向與參考方向一致;否則相反。

圖6.3.7三相定子繞組中的三相對稱電流如果認為每相為一個集中繞組，則三個繞組均勻分布在定子圓周上。當ωt=0時，i1=0，i2<0,i3>0，用右螺旋關(guān)系畫出此時的磁場，如圖6.3.8(a)所示，磁場的軸線方向自上而下。圖6.3.8(b)表示ωt=60°時定子電流及產(chǎn)生的磁場，此時磁場在空間轉(zhuǎn)過60°。同理可得ωt=90°時的三相電流的磁場，它比ωt=60°的磁場在空間又轉(zhuǎn)過30°，如圖6.3.8(c)所示。由此可見，當定子繞組中通入三相電流后，它們共同產(chǎn)生的磁場是隨電流在時間上的交變且在空間不斷地旋轉(zhuǎn)，這就是旋轉(zhuǎn)磁場。

圖6.3.8三相電流產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場從圖6.3.8中還可以發(fā)現(xiàn)，三相電流的相序是U-V-W，而磁場的旋轉(zhuǎn)方向與該順序一致，即磁場的轉(zhuǎn)向與通入繞組的三相電流相序有關(guān)。如果將三相電源連接的三根導(dǎo)線中的任意兩根的一端對調(diào)位置，如電動機三相繞組的V相和W相對調(diào)，則旋轉(zhuǎn)磁場就反轉(zhuǎn)，如圖6.3.9所示。

圖6.3.9旋轉(zhuǎn)磁場的反轉(zhuǎn)三相異步電動機的極數(shù)就是旋轉(zhuǎn)磁場的極數(shù)，而旋轉(zhuǎn)磁場的極數(shù)和三相繞組的安排有關(guān)。如果將每相看成兩個集中繞組串聯(lián)(如U相分成和兩個集中繞組)，則每個繞組的首、尾端相距90°空間角，而繞組的始端之間相差60°空間角。按每相外層再內(nèi)層分布，則產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場具有兩對極，即p=2。

圖6.3.9旋轉(zhuǎn)磁場的反轉(zhuǎn)三相異步電動機的轉(zhuǎn)速與旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速有關(guān)，而旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速取決于定子電流頻率f1與磁場的極對數(shù)p。在一對極情況下，電流交變一周，旋轉(zhuǎn)磁場在空間旋轉(zhuǎn)一圈，則每分鐘內(nèi)電流交變60f1次，旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速為n0=60f1。轉(zhuǎn)速的單位為轉(zhuǎn)/分(r/min)。在二對極情況下，電流交變一次，磁場僅旋轉(zhuǎn)了半轉(zhuǎn)，此時旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速。依此類推，當旋轉(zhuǎn)磁場具有p對極時，磁場的轉(zhuǎn)速為(6.3.1)對于某異步電動機而言，f1和p通常一定，所以磁場轉(zhuǎn)速n0是個常數(shù)。

那么電動機轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速n又是多少呢？n<n0，如果兩者相同，則轉(zhuǎn)子與旋轉(zhuǎn)磁場之間相對靜止，就不會有感應(yīng)電動勢、感應(yīng)電流以及電磁轉(zhuǎn)矩，轉(zhuǎn)子就不能繼續(xù)以n0的速度轉(zhuǎn)動。所以，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速與磁場轉(zhuǎn)速之間有差別，所謂異步電動機由此而來。而旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速n0則稱為同步轉(zhuǎn)速。通常用轉(zhuǎn)差率s表示n0與n之間的相對差值，即(6.3.2)轉(zhuǎn)差率是異步電動機運行的一個重要物理量。轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速愈接近于磁場轉(zhuǎn)速，則兩者相對差值就越小。額定轉(zhuǎn)速的轉(zhuǎn)差率為1％～9％。在啟動瞬間，n=0，則s=1，轉(zhuǎn)差率最大。上式也可以改寫為

n=(1-s)n0

(6.3.3)

【例6.3.1】一臺三相異步電動機，其額定轉(zhuǎn)速nN=975r/min。試求電動機的極對數(shù)和額定負載時的轉(zhuǎn)差率。設(shè)電源頻率f1=50Hz。

解由于額定轉(zhuǎn)速接近且略小于同步轉(zhuǎn)速，在50Hz下的n0為3000r/min、1500r/min、1000r/min等,所以此時n0=1000r/min，對應(yīng)的極數(shù)p=3，額定轉(zhuǎn)差率為6.3.3三相異步電動機的機械特性

電磁轉(zhuǎn)矩T(簡稱轉(zhuǎn)矩)是三相異步電動機最重要的物理量之一，而機械特性是它的主要特性，分析電動機運行時都要用到它。

1.轉(zhuǎn)矩公式異步電動機的轉(zhuǎn)矩是由旋轉(zhuǎn)磁場的每極磁通Φ與轉(zhuǎn)子電流I2相互作用而產(chǎn)生的。由于轉(zhuǎn)子電路是感性的，其電磁轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)子電流的有功分量有關(guān)，由此得出

T=KTΦI2cosj2(6.3.4)其中:KT是一常數(shù)，與電動機的結(jié)構(gòu)有關(guān)；cosj2為轉(zhuǎn)子每相的功率因數(shù)。將轉(zhuǎn)子電路的相關(guān)公式代入上式，即得出轉(zhuǎn)矩的另一表達式：(6.3.4)式中：K也是一常數(shù);U1為定子相電壓；R2和X20為轉(zhuǎn)子每相電路中的電阻和s=1時的漏抗。轉(zhuǎn)矩T受定子相電壓影響很大，同時與轉(zhuǎn)子電路參數(shù)以及轉(zhuǎn)差率s有關(guān)。

2.機械特性曲線在一定的電源電壓U1和轉(zhuǎn)子電路參數(shù)R2和X20之下，轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)差率的關(guān)系曲線T=f(s)或轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)矩的關(guān)系曲線n=f(T)，稱為電動機的機械特性曲線?？捎墒?6.3.5)得出如圖6.3.10(a)所示的T=f(s)曲線，由此可得到n=f(T)的曲線，如圖6.3.10(b)所示。在機械特性曲線上，要重點討論三個轉(zhuǎn)矩，即額定轉(zhuǎn)矩、最大轉(zhuǎn)矩和啟動轉(zhuǎn)矩。

圖6.3.10三相異步電動機的T=f(s)和n=f(T)曲線

1)額定轉(zhuǎn)矩TN

在等速轉(zhuǎn)動時，電動機的轉(zhuǎn)矩T必須與阻轉(zhuǎn)矩TC相平衡，即T=TC

阻轉(zhuǎn)矩主要是機械負載轉(zhuǎn)矩T2，此外還有空載損耗T0。由于T0很小，常可忽略不計，故上式可寫為T=T2+T0≈T2(6.3.6)并得出(6.3.7)式中，P2是電動機軸上輸出的機械功率。轉(zhuǎn)矩單位是?！っ?N·m)；功率單位是kW；轉(zhuǎn)速為轉(zhuǎn)每分(r/min)。如果P2的單位是瓦，則上式系數(shù)是9.55。額定轉(zhuǎn)矩是電動機在額定負載時的轉(zhuǎn)矩，可由電動機銘牌上的額定功率(輸出功率)和額定轉(zhuǎn)速求得。某電動機的額定功率為260kW，額定轉(zhuǎn)速是722r/min，則額定轉(zhuǎn)矩為

2)最大轉(zhuǎn)矩Tmax

從特性曲線上看，轉(zhuǎn)矩有一個最大值，稱為最大轉(zhuǎn)矩Tmax或臨界轉(zhuǎn)矩。對應(yīng)的sm稱為臨界轉(zhuǎn)差率，可由求得，即(6.3.8)(6.3.9)

由上兩式可見，Tmax與和X20有關(guān)，與R2無關(guān);而sm與R2和X20均有關(guān)。這為繞線型異步電動機的應(yīng)用提供了理論上的依據(jù)。上述關(guān)系式見圖6.3.11和圖6.3.12。

圖6.3.11不同U1下的n=f(T)曲線(R2、X20不變)

圖6.3.12不同轉(zhuǎn)子電阻R2下的n=f(T)曲線(U1和X20不變)當負載轉(zhuǎn)矩超過最大轉(zhuǎn)矩時，電動機就帶不動負載了，發(fā)生所謂悶車現(xiàn)象，最終停下來。電機停止后，電動機電流上升為額定值的六七倍，電動機嚴重過熱，將導(dǎo)致?lián)p壞。電動機容許短時超過額定轉(zhuǎn)矩，因此可用過載系數(shù)衡量電動機的過載能力，即

(6.3.10)

一般三相異步電動機的過載系數(shù)為1.8～2.2。在選用電動機時，TN和Tmax都是重要依據(jù)。

3)啟動轉(zhuǎn)矩Tst

電動機啟動(n=0，s=1)時的轉(zhuǎn)矩為啟動轉(zhuǎn)矩，將s=1代入式(6.3.5)可得

(6.3.11)

由上式可見，Tst與及R2、X20有關(guān)。當減小U1時，啟動轉(zhuǎn)矩減??；當轉(zhuǎn)子電阻適當增大時，Tst會增大(但是啟動時轉(zhuǎn)子電流會減小)。當R2=X20時，Tst=Tmax取得最大值。

3.電動機的穩(wěn)定工作點

對于圖6.3.13所示的機械特性曲線，可以分為兩段:ab段和bc段。在ab段內(nèi)，隨著電磁轉(zhuǎn)矩的增大，轉(zhuǎn)速出現(xiàn)下降。但總體而言，ab段比較平坦，由于電磁轉(zhuǎn)矩的增大導(dǎo)致的轉(zhuǎn)速下降并不明顯。這種特性稱為硬的機械特性。如果負載是轉(zhuǎn)矩不隨轉(zhuǎn)速變化的恒轉(zhuǎn)矩負載，則轉(zhuǎn)矩的機械特性(是一條與縱軸平行的直線)與ab段的交點是穩(wěn)定工作點。圖6.3.13電壓對電動機機械特性的影響及穩(wěn)定工作點有時負載的機械特性也會與電動機的機械特性bc段相交，但該點不是穩(wěn)定工作點。若原先相當于d點，現(xiàn)電源電壓下降，電機機械特性由1變成2，但是轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速不能躍變，電機工作點由d點水平跳到e，Te<Td，負載轉(zhuǎn)矩不變。所以電機開始減速，但在b′c′段，轉(zhuǎn)速的下降會引起電磁轉(zhuǎn)矩的進一步減小，從而引起轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速進一步減小，直到電機停下為止，發(fā)生悶車事故。如果電機帶恒負載轉(zhuǎn)矩，則穩(wěn)定工作曲線在n0~n0(1-sm)。6.3.4三相異步電動機的運行特性

1.啟動性能和啟動方法啟動就是讓電動機由靜止到正常轉(zhuǎn)動的過程。先分析啟動時(n=0，s=1)的啟動電流和啟動轉(zhuǎn)矩。剛啟動時，電動機轉(zhuǎn)子對磁場的相對轉(zhuǎn)速很大，在轉(zhuǎn)子繞組中產(chǎn)生大的電動勢和電流，類似于變壓器的原理，此時定子電流也很大。中小型籠型異步電動機的定子啟動線電流Ist是額定值的5～7倍。如果電動機不頻繁啟動，則對電動機本身影響不大，由于啟動時間短(小型電動機只有1～3s)，且隨著轉(zhuǎn)速上升，電流將很快減小。但如果頻繁啟動，則電動機就可能過熱，需防止。例如，在切削加工時，一般用離合器將主軸與電動機軸脫開，而不將電動機停機。電動機的啟動電流對線路有影響。在啟動時，大的啟動電流會在線路上產(chǎn)生較大的電壓降落，而使負載端的電壓降低，影響鄰近的負載工作。隨著電壓的降低，將引起相鄰電動機的轉(zhuǎn)速下降，電流增大，甚至出現(xiàn)悶車現(xiàn)象。啟動轉(zhuǎn)矩Tst一般為TN的1.0～2.2倍，問題不大。如果Tst過小，則應(yīng)設(shè)法提高;如果Tst過大，則會使傳動機構(gòu)受到?jīng)_擊而損壞。綜上所述，異步電動機啟動時的主要缺點是啟動電流較大，為減小啟動電流(有時也為提高或減小啟動轉(zhuǎn)矩)，必須采用適當?shù)膯臃椒??；\型異步電動機有兩種啟動方法：直接啟動和降壓啟動。直接啟動就是利用閘刀開關(guān)或接觸器將電動機直接接到具有額定電壓的電源上。該方法簡單，但缺點也很明顯。

一臺電動機能否直接啟動，有相應(yīng)的規(guī)定。例如:用電單位如有獨立變壓器，當電動機啟動頻繁時，電動機容量應(yīng)小于變壓器容量的20％；如果電動機不經(jīng)常啟動，則它的容量應(yīng)小于變壓器容量的30％。如果沒有獨立變壓器(與照明共用)，則由直接啟動而產(chǎn)生的壓降要小于5％。

30kW以下的電動機，一般都采用直接啟動。如果不符合以上要求，就必須采用降壓啟動，減小電動機定子繞組上的相電壓，以減小啟動電流。最簡單的方法是星形—三角形(Y—△)換接啟動。電動機工作時其定子繞組是三角形連接，那么啟動時把它連成星形，等到轉(zhuǎn)速接近額定值時再換成三角形。這樣，啟動時每相繞組上的電壓降為正常工作電壓的。圖6.3.14是定子繞組的兩種連接法，Z為啟動時每相從定子看進去的等效阻抗。當定子繞組連成星形，即降壓啟動時,當定子繞組接成三角形，即直接啟動時,比較以上兩式，可得:即降壓啟動時的電流為直接啟動時的1/3。

圖6.3.14星形和三角形連接電路的啟動電流由于轉(zhuǎn)矩和電壓的平方成正比，因此啟動轉(zhuǎn)矩也減小到直接啟動的1/3。故該方法只適用于空載或輕載啟動。至于繞線型電動機的啟動，只要在轉(zhuǎn)子電路接入適當?shù)膯与娮鑂st(見圖6.3.15)，就可達到減小啟動電流的目的，同時也可提高(或降低)啟動轉(zhuǎn)矩。它常用于啟動轉(zhuǎn)矩較大的生產(chǎn)機械上，如卷揚機、起重機及轉(zhuǎn)爐等。隨著轉(zhuǎn)速的上升，啟動電阻將被逐段切除。

圖6.3.15繞線型電動機啟動時的接線圖

【例6.3.2】有一Y22M－4三相異步電動機，其額定數(shù)據(jù)如下表所示:試求:(1)額定電流;(2)額定轉(zhuǎn)差率，額定轉(zhuǎn)矩，啟動轉(zhuǎn)矩。

解

(1)4~100kW的電動機通常都是380V，△連接，則這時P2N/η=P1N(輸入功率)，而三相異步電動機為對稱三相電路，所以。

(2)由nN=1480r/min可知，n0=1500r/min，所以

(3)

【例6.3.3】上題中，(1)如果負載轉(zhuǎn)矩為1.2TN，試問在U=0.8UN的情況下，電動機能否啟動?(2)如果采用Y-△換接啟動，求啟動電流和啟動轉(zhuǎn)矩，當負載轉(zhuǎn)矩為0.6TN時，電動機能否啟動?解

(1)當U=0.8UN時，Tst=0.82×1.9TN=1.22TN>1.2TN，所以能啟動。

(2)

Ist△=7IN=7×84.2A=589.2A

當負載為60%TN時，，故可以啟動。

2.三相異步電動機的調(diào)速

所謂調(diào)速，是指在負載不變的情況下，人為改變電機的轉(zhuǎn)速，從而滿足生產(chǎn)過程的要求。采用電氣調(diào)速可以簡化機械變速裝置。由異步電動機的公式可見，改變電動機的轉(zhuǎn)速有三種方法，即變頻f、變極對數(shù)p和變轉(zhuǎn)差率s。前二者用于籠型電動機，而后者是繞線型電動機的調(diào)速方法。變頻調(diào)速具有調(diào)速范圍大，平滑性好等優(yōu)點，是現(xiàn)代交流調(diào)速的主流。簡單地說，變頻調(diào)速就是通過改變電源頻率f1，從而改變同步轉(zhuǎn)速，由此來改變電動機的轉(zhuǎn)速。改變極對數(shù)同樣可改變旋轉(zhuǎn)磁場的n0，從而改變電動機的轉(zhuǎn)速。圖6.3.16所示為定子繞組的兩種接法。把A繞組分成兩半:A1X1和A2X2，圖6.3.16(a)是兩個線圈串聯(lián)，得到p=2;圖6.3.16(b)是兩線圈反并聯(lián)，得到p=1。

圖6.3.16改變極對數(shù)p的調(diào)速方法變極調(diào)速用得最多的是雙速電機，它在機床上用得較多，如鏜床、磨床、銑床上都有，是一種有級調(diào)速。所謂變轉(zhuǎn)差率調(diào)速，就是在轉(zhuǎn)子電路中接入一個調(diào)速電阻，通過改變電阻的大小來改變電機的機械特性，從而改變電動機的轉(zhuǎn)速。這種方式的缺點是能量損耗大，被廣泛應(yīng)用于短時工作的設(shè)備中(如起重機)。

3.三相異步電動機的制動

因為電動機的轉(zhuǎn)動部分有慣性，所以，為提高生產(chǎn)機械的生產(chǎn)率及安全起見，要求電動機能夠迅速停車和反轉(zhuǎn)。這就需要對電動機制動。在制動時，電機的電磁轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動方向相反;而在電動機狀態(tài)時，電磁轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)動方向相同。異步電動機的制動常用以下幾種方法:能耗制動、反接制動和發(fā)電反饋制動。能耗制動就是切斷交流電源后，立即接通直流電源(見圖6.3.17)，使直流電流通入定子繞組，直流電流將產(chǎn)生恒定磁場，以阻礙轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動。制動轉(zhuǎn)矩的大小與直流電流的大小有關(guān)，一般取電動機額定電流的0.5~1倍。這種制動是消耗轉(zhuǎn)子的動能并將其轉(zhuǎn)換為電能來制動的，因此稱為能耗制動。這種制動能耗少，制動平穩(wěn)，在機床中應(yīng)用廣泛。

圖6.3.17能耗制動反接制動時，可將接到電源的三根導(dǎo)線中的任意兩根對換，使旋轉(zhuǎn)磁場反轉(zhuǎn)，如圖6.3.18所示。這時電磁轉(zhuǎn)矩隨之改變方向，與轉(zhuǎn)子的運動方向相反，成為制動轉(zhuǎn)矩，當轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速接近零時，要及時切斷電源，否則電動機將會反轉(zhuǎn)。由于旋轉(zhuǎn)磁場與轉(zhuǎn)子的相對轉(zhuǎn)速(n0+n很大,電流甚至超過了啟動電流，因而對于大功率的電動機進行制動時，必須在定子電路(籠型)或轉(zhuǎn)子電路(繞線型)中串入電阻。這種制動方式簡單，效果較好，但能量消耗大。

圖6.3.18反接制動當起重機下放重物時，重物拖動下的轉(zhuǎn)子速度越來越快。當n>n0時，電動機便進入發(fā)電機運行，將重物的位能轉(zhuǎn)換為電能反饋到電網(wǎng)中，稱為發(fā)電反饋制動，如圖6.3.19所示。

圖6.3.19發(fā)電反饋制動6.3.5三相異步電動機的使用

1.異步電動機的型號要正確使用電動機，則必須看懂銘牌?，F(xiàn)以Y100L12為例，來說明銘牌上各個數(shù)據(jù)的意義。

Y系列小型籠型全封閉自冷式三相異步電動機，既可用于金屬切削機床、通用機械、礦山機械等，也可用于拖動壓縮機、傳送帶、磨床、錘擊機、粉碎機和小型起重機等。而YR表示繞線型異步電動機。

2.接法這里指定子三相繞組的接法。一般籠型電動機有六根引出線，標有U1、V1、W1、U2、V2、W2，其中U1、U2，V1、V2，W1、W2分別為三相繞組的兩端。如果U1、V1、W1分別為三相繞組的首端，則另外三個為末端。通常在三相異步電動機中，3kW以下者連接成星形，而4kW以上者連接成三角形。

3.電壓銘牌上的電壓值為電動機額定運行時定子繞組上應(yīng)加的線電壓。一般電動機的電壓不應(yīng)高于或低于額定值的5%。電壓高于額定值時，磁通將增大，這時電流也增大，繞組過熱，而且鐵損也增大。電壓低于額定值時，將引起轉(zhuǎn)速下降，電流增大。在滿載或接近滿載時，電機就會過載。三相異步電動機的額定電壓有380V，3000V，6000V等。

4.電流銘牌上所標的電流值是電動機額定運行時的定子繞組的線電流值。當電動機空載時，定子電流幾乎是勵磁電流。由于電動機主磁路中有氣隙，因而此電流較變壓器空載時所占額定電流的百分數(shù)要大。隨著輸出功率的增大，轉(zhuǎn)子電流和定子電流的有功分量也隨之增大。

5.功率與效率

銘牌上所標的功率是電動機額定運行時輸出的機械功率值。它小于輸入功率，兩者的差值等于電動機的銅損、鐵損及機械損耗。而效率η就是輸出功率與輸入功率的比值。

,通常電動機額定運行時的效率約為72%~93%，且在額定功率的75%左右時效率最高。

6.功率因數(shù)定子相電壓超前定子相電流j角(感性負載)，cosj就是電動機的功率因數(shù)。三相異步電動機的功率因數(shù)在空載時只有0.2~0.3，在額定負載時約為0.7~0.9，所以要避免電動機長期輕載。電動機的電流、效率、功率因數(shù)隨輸出功率的變化曲線如圖6.3.20所示。

圖6.3.20三相異步電動機的工作特性曲線

7.轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)速指電動機定子上加額定頻率和額定電壓時，軸上輸出額定功率時電動機的轉(zhuǎn)速。

8.絕緣等級與極限溫度

各種絕緣材料耐溫的能力不一樣，按照不同的耐熱能力，絕緣材料可分為一定等級。所謂極限溫度，是指電機絕緣結(jié)構(gòu)中最熱點的最高容許溫度。技術(shù)數(shù)據(jù)見表6.3.1。

表6.3.1絕緣等級及極限溫度

練習(xí)與思考

6.3.1三相異步電動機在正常運行時，如果轉(zhuǎn)子突然被卡住而不能轉(zhuǎn)動，試問這時電動機的電流有何改變？對電動機有何影響？

6.3.2三相異步電動機的額定轉(zhuǎn)速為1460r/min。當負載轉(zhuǎn)矩為額定轉(zhuǎn)矩的一半時，電動機的轉(zhuǎn)速約為多少？

6.3.3繞線型電動機采用轉(zhuǎn)子串電阻啟動時，是否所串電阻愈大，啟動轉(zhuǎn)矩愈大？

6.3.4反接制動和發(fā)電反饋制動在T=f(s)曲線的哪一段上？

6.3.5

Y-△換接啟動的條件是什么？采用該啟動方式的啟動電流與啟動轉(zhuǎn)矩變?yōu)橹苯訂訒r的幾分之一？

6.3.6有一三相異步電動機，Y連接時，Ul=380V，Il=6.1A；△連接時，Ul=220V，Il=10.5A。你能解釋為什么電壓高時，電流卻低？電壓低時，電流卻大？本章小結(jié)本章簡單介紹了磁路的基本分析方法、變壓器的工作原理，著重介紹了三相異步電動機的結(jié)構(gòu)、工作原理、機械特性、運行特性和使用