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1、电机与变压器,1,绪 论,电机的发展是从十八世纪中期开始，法拉第表演了电流在磁场中产生机械力的实验，发现了电动机的工作原理，制造出原始型的电动机。随后另一个科学家阿果拉发现了旋转磁场，法拉第提出了电磁感应定律，1832年，出现了原始型的发电机。 电能最早应用是供给照明和化学工业的需要，所以最初发展的电机是直流电机。1845年，电磁铁代替了永久磁铁，不久，出现了第一台自励发电机，建立了第一条直流输电线路。,电机与变压器,2,1876年，交流电用于照明装置，随后出现了原始型的同步发电机和变压器。随着两相电流能产生旋转磁场的原理被发现，1885年，制造出了单相异步交流电动机的模型。 1889年，多波
2、洛尔斯基提出了三相制的建议，并设计和制造了第一台三相变压器和三相异步电动机，至1897年，建成了第一个三相交流输电系统。,电机与变压器,3,交流三相制发电厂的迅速发展，使高速运转的汽轮发电机代替了以蒸汽机为原动力的的发电机，产生第二次技术革命，将社会生产力推进了电力时代。 随着科学技术的不断发展，电机理论的不断完善，电机的发展日新月异，不仅容量大、体积小、运行良好可靠，而且应用范围也在不断扩大，并且随着功率电子学等学科的渗入，电机家族还在不断增添新的成员。,电机与变压器,4,电机与变压器的课程任务是：掌握变压器和交直流电机的基本结构、工作原理和运行性能，并对电机的运行作初步的分析。,为了学好本
3、门课程，必须做到以下几点：,1、抓主要矛盾，有条件地略去一些次要因素；,2、抓住重点，牢固掌握基本概念、基本原理和主要特性；,3、要有良好的学习方法，运用对比或比较的方法，分析电机的共性和特点，加深对原理和性能的理解；,4、充分预习和复习。,电机与变压器,5,电机的分类,电机是以适当的有效材料（导电和导磁）构成能互相进行电磁感应的电路和磁路。以产生电磁转矩和电磁功率，达到转换能量形式的目的。,静止电机,旋转电机,变压器,直流电机,交流电机,同步电机,异步电机,一般分类：,电机,电机与变压器,6,电机是一种能量转换装置，变压器是一种电能传递装置。,按功能分：,发电机：将机械能转换为电能。,电动机
4、：将电能转换为机械能。,微型控制电机：在电器机械系统中起调节、放大和控制信号的作用,变压器：将一种形式的电能转化为另一种形式的电能。,它们共同的特点是：,根据电磁感应定律和电磁力定律进行能量转换。,电机与变压器,7,磁与电磁,一、磁的基本知识,1、磁性 能吸引铁、镍等金属或合金的性质。,2、磁体 具有磁性的物体。,3、磁极 磁体上磁性最强的部位，有S极和N极，磁极间同性相斥，异性相吸。,4、磁力 磁极间的相互作用力。,5、磁场 磁极周围存在的一种特殊物质。具有力和能的特性。,6、磁力线 为描述磁场的强弱和方向而引入的假想线。在磁极外部由N指向S，在磁极内部由S指向N。磁力线越密磁场越强，磁力线
5、越疏磁场越弱。,电机与变压器,8,二、电流的磁场,1920年，科学家奥斯特发现，在电流周围存在磁场（动电生磁），即电流的磁效应。,电流与其产生磁场的方向可用安培定则来判断，既适用于判断电流产生的磁场方向，也适用于在已知磁场方向时判断电流的方向。,1、直线电流产生的磁场,2、环形电流产生的磁场,电机与变压器,9,三、磁场对电流的作用,1、通电导体在磁场中会受到力的作用，电磁力的方向符合左手定则。,伸开左手，四指并拢，拇指与四指垂直，并且在同一平面里，让磁感线垂直穿过手心，使四指指向电流方向，这时大拇指所指的方向就是通电导线在磁场中所受磁场力的方向。,左手定则,电机与变压器,10,电机与变压器,1
6、1,2、我们常使用通电导体在磁场中某点受到的电磁力与导体中电流和导体的有效长度的乘积的比值来表示该点磁场的性质，并称为该点的磁感强度B。,即：,B：均匀磁场的磁感强度（T）,F：通电导体受到的电磁力（N）,I：导体中的电流强度（A）,L：导体在磁场中的有效长度（m）,电机与变压器,12,3、一匝匝数为N的线圈在磁场中，若与线圈交链的磁通发生变化，则线圈上会感应出电动势e,称为电磁感应, e的正方向与符合右手螺旋定则。,即：,上式的含义是指，电磁感应的电动势与线圈匝数和磁通的变化率成正比。负号是指在感应电动势作用下而在线圈里产生的感应电流所产生的将逆着变化。,1）变压器电动势：线圈与磁场相对静止
7、，只有磁通变化。,电机与变压器,13,电机与变压器,14,电机与变压器,15,一、变压器,变压器是一种静止的电器，它利用电磁感应原理将一种等级的电压和电流的交流电能转换成另一种等级的电压和电流的交流电能。,它的工作原理就是电磁感应和磁势平衡。下面我们就从变压器的结构开始，逐步了解和掌握变压器的工作原理和运行特性。在分析时，我们需要注意分析变压器电路的电磁物理过程。,变压器为什么只能变换交流电能的电压和电流？,电机与变压器,16,1、变压器的分类,按用途分：电力变压器和特种变压器。,按绕组数目分：单绕组（自耦）变压器、双绕组变压器、三绕组变压器和多绕组变压器。,按相数分：单相变压器、三相变压器和
8、多相变压器。,按铁心结构分：心式变压器和壳式变压器。,按调压方式分：无励磁调压变压器和有载调压变压器。,按冷却介质和冷却方式分：干式变压器、油浸式变压器和充气式变压器。,电机与变压器,17,连接发电机与电网的升压变压器,电机与变压器,18,三相干式变压器,自耦变压器,电机与变压器,19,电源变压器,环形变压器,控制变压器,电机与变压器,20,2、变压器基本结构,1、器身：铁芯、绕组、绝缘和出线装置,2、油箱：冷却装置和保护装置,核心装置是闭合铁芯和两个绕组。,在分析变压器时，习惯画法是将两个绕组画在闭合铁芯的两侧。,电源侧称为一次绕组或原绕组,负载侧称为二次绕组或副绕组,电机与变压器,21,1
9、）铁芯,变压器的主磁路，为了提高导磁性能和减少铁损，用厚为0.35-0.5mm、表面涂有绝缘漆的硅钢片叠成。基本结构分为铁心柱和铁轭两部分，有心式和壳式两种形式。,单相心式变压器,单相壳式变压器,电机与变压器,22,2）绕组,变压器的电路，一般用绝缘铜线或铝线绕制而成。有同心式和交叠式两种形式。,同心式：高（外）、低（内）压绕组同心地绕在铁心柱上，结构简单，制造方便。,交叠式：高低压绕组交叠放置，最上和最下为低压绕组。漏阻抗较小，机械强度好，引线方便，在特殊变压器上使用较多。,3）其他装置,变压器上还有绝缘套管、油箱、储油柜、吸湿器、安全气道、净油器和气体继电器等元器件在工作时起冷却和保护作用
10、。,电机与变压器,23,电机与变压器,24,3、变压器的基本工作原理,变压器的主要部件是铁心和套在铁心上的两个绕组。两绕组只有磁的耦合，没有电的联系。在一次绕组中加上交变电压u1，根据右手螺旋定则，产生交链一、二次绕组的交变磁通 ，在两绕组中分别感应电动势e。根据电磁感应定律，当变压器二次侧带负载时，则产生感应电流，在负载上形成二次电压u2 。,结论： 只要(1)磁通有变化量;(2)一、二次绕组的匝数不同，就能达到改变电压的目的。,电机与变压器,25,且,在只讨论数量关系时，就有,表明变压器初、次级绕组的电压比就等于它们的匝数比n。这就是变压器的变压原理。,n1时，是降压变压器， n1时，是升
11、压变压器， n=1时，是隔离变压器。变比n是变压器运行的重要参数。,电机与变压器,26,例： 已知某变压器的初级电压为220V，次级电压为36V，初级的匝数为2200匝，试求该变压器的变压比和次级的匝数。,练习：将某单相变压器接在电压u1=220V的电源上，已知u2=20V，次级匝数N2=100匝，则初级的匝数是多少？,电机与变压器,27,变压器在工作中就像一座桥梁，起了一个能量传递的作用，根据能量守恒定律，在忽略损耗时，变压器的次级输出功率P2应和变压器初级从电网吸收的功率P1相等。,即： P1= P2,I1 U1 = I2 U2,说明变压器工作时，其初、次级的电流与初、次级的电压或匝数成反
12、比。这就是变压器的变流原理。,电机与变压器,28,变压器除了能变换电压、电流的大小外，还能变换交流阻抗。这在电器工作中也有广泛的作用。,例如一个带负载的变压器（虚框）,看作是一个新的负载。,则可得一个简化电路，负载为RLX。,电机与变压器,29,由于变压器的初、次级功率相等，所以有：,也就是说，负载ZL接在变压器的次级上，从电源中获取的功率和负载ZLX直接接在电源上所获取的功率是完全相同的。也就是说， ZLX是ZL在变压器初级中的交流等效电阻。,上式还表明，变压器初级交流电阻ZLX的大小，不但与变压器次级的负载ZL的成正比，而且与变压器的变比n的平方成正比。,电机与变压器,30,课后练习：,1
13、、要将电压从220V变换为110V，现使用一个原绕组匝数为2匝，副绕组匝数为1匝的变压器，可不可以实现？,2、变压器可以实现变压、变流、变换阻抗，变压器可不可以变换电源频率？,电机与变压器,31,4、变压器的空载运行,将变压器一次绕组接交流电源，二次绕组开路，这种运行方式称为变压器的空载运行。,变压器各电磁量正方向的规定：,1、在一次绕组内，电流的正方向与电压的正方向一致。,2、磁通正方向与电流方向符合右手螺旋定则。,3、感应电势方向与磁通方向符合右手螺旋定则。,4、在二次绕组内，电流的正方向与电势方向一致。,5、在二次绕组端，电压方向与电流方向一致。,电机与变压器,32,i1,因为是空载运行
14、，二次绕组开路，所以电流i2=0。,=0,电流i1是产生磁通的全部原因。此时称为空载电流i0,i0,因为i0只用于产生主磁通，所以原绕组是一个纯电感电路。 i0滞后u1900，电动势e1与u1反相。e1与e2同相,理想变压器的相量图,电机与变压器,33,常磁通概念：,因为E1=4.44fN1， E2=4.44fN2,而U1=E1， U2=E2,所以有U1=4.44fN1， U2=4.44fN2,上式中4.44是常数、频率f是电网提供的工频、匝数N对于一个已制造好的变压器来说也是一个常数，所以我们可以说只要电压U不变，磁通的大小就不会发生变化，这就是重要的常磁通概念。,电机与变压器,34,5、变
15、压器的负载运行,当变压器二次绕组带上负载后，此时电路里开始有电流i2,+ i=i1,i0,i2就一定会通过二次绕组，在铁芯中也产生一个磁通可是此时电源电压u1并没有改变。变压器的主磁通就不应该变化。,于是励磁电流i0就会也发生变化，i0会根据i2的大小增加一部分电流i，变成i1= i0+ i,最终维持不变，这就是变压器的磁势平衡。,电机与变压器,35,5、变压器的外特性,因此我们把当电源电压和负载功率因数一定时，二次电压随负载电流变化的规律，称为变压器的外特性。,因为变压器二次侧功率P2是由一次侧功率P1决定的，它不会随变压器所带负载的变化而变化。, P2= i2u2, 当负载变化引起i2变化
16、时，u2就会跟随i2的变化而变化,电机与变压器,36,6、电压调整率,从前面变压器的外特性可以看出，当负载有波动时，变压器输出的二次电压就会有波动。从我们使用电能来说，当然是希望电压越稳定越好。,国家规定用,来表征电压调整率，它反映了电网电压的稳定性。,我们能采取什么措施来减小电压波动呢？,电机与变压器,37,7、变压器损耗和效率,实际运行中的变压器不可避免的会因为材料、工艺等问题而产生损耗。,变压器的损耗分为两种：, 铁损耗。铁耗是磁通在铁芯中交变和运行时产生的损耗，与负载没有任何关系。因为磁通大小一般没有变动，所以铁耗又称为不变损耗或空载损耗，用pFE表示。,铜损耗。铜耗是电流在绕组中，与
17、绕组的电阻产生的热损耗，用pCU表示。,铜耗的大小取决于负载电流的大小以及绕组中电阻的大小，所以铜耗又称为可变损耗。,电机与变压器,38,将变压器的这两种损耗相加，即得变压器的功率损耗p,变压器的效率，就是变压器输出和输入功率之比，,效率的一般计算公式为：,电机与变压器,39,为了使变压器安全、经济、合理地运行，在每台变压器上都安装有一块铭牌，上面标明了变压器的型号及各种额定数据， 作为正确使用变压器的依据。铭牌中参数说明如下。,8变压器的铭牌,电机与变压器,40,（1）型号,电机与变压器,41,额定电压U1N是指变压器在额定运行情况下，根据变压器绝缘等级和允许温升等条件规定的一次绕组上的线电
18、压。额定电压U2N是指在一次绕组上加额定电压后，二次绕组空载时的线电压。,（2）额定容量,额定容量是指变压器在额定工作状态下，二次绕组的视在功率，其单位为kVA。对于单相变压器而言，即变压器二次绕组的额定电压U2N与额定电流I2N的乘积。,三相变压器的额定容量为,（3）额定电压U1N 和U2N,电机与变压器,42,连接组标号是指三相变压器一、二次绕组的连接方式。 Y指高压绕组作星形连接，y指低压绕组作星形连接，D指高压绕组作三角形连接，d指低压绕组作三角形连接，N指高压绕组作星形连接时的中性线，n指低压绕组作星形连接时的中性线。,（4）额定电流I1N和I2N,额定电流是指变压器在额定运行的条件
19、下，一、二次绕组长时间工作允许的线电流。,（5）连接组标号,电机与变压器,43,2、一台额定容量为SN=100kVA的单相变压器，一、二次绕组的额定电压U1N/U2N=10kV/0.2kV,求额定电流I1N/I2N各是多大？这台变压器的输出端能否接85kW，功率因数为0.85的感性负载？,课后练习,1、变压器的电压变化率与哪些因数有关？从运行角度看是大些好还是小些好？,电机与变压器,44,二、三相变压器和特殊变压器,三相变压器广泛应用于电力系统中，在对称三相负载下运行时，变压器的各相电压、电流大小相等，相角互差120，三相完全对称，前面所分析得出的单相变压器的各种特性可直接用于三相变压器的任意
20、一相。下面只讨论三相变压器特有的问题。,三相变压器,电机与变压器,45,三相组式变压器由三个容量与结构完全相同的单相变压器组成。特点是每相都有自己独立的磁路，互不相关，各相的励磁电流在数值上完全相等。其优点是：对特大容量的变压器制造容易，备用量小。但其铁心用料多，占地面积大，只适用于超高压、特大容量的场合。,一、磁路系统,1、三相组式变压器,电机与变压器,46,2、三相心式变压器,三相心式变压器特点是三相磁路相互关联，磁路长度不等，当外加三相对称电压时，三相励磁电流不对称，但因励磁电流很小，可忽略对负载运行的影响。其优点是：节省材料，体积小，效率高，维护方便。故目前大、中、小容量的变压器广泛采
21、用心式变压器。,电机与变压器,47,二、电路系统,三相绕组通常采用星形联结（记作“Y”或“y”）或三角形联结（记作“D”或“d”），绕组的首、末端的标志规定如下所示。,1、绕组的端头标号,电机与变压器,48,或,(a)星形联结,(b)三角形联结,2、星形和三角形联结法,Y形连结时：,D形连结时：,电机与变压器,49,三、变压器的绕组极性,变压器的主磁通以及绕组中的感应电动势都是交变的，并无某一固定极性，这个极性是指某一瞬间的相对极性。即在任一瞬间，一个绕组的某一端为正时，另一个绕组的某一端必然也为正。,如某一瞬间，U1为正、U2为负,+,+,-,得，u1为正、u2为负。因此我们称U1和u1为同
22、极性端或同名端，加“”或“”表示。,1、单相变压器的极性,电机与变压器,50,对于单相变压器来说，极性对变压器的运行没有任何影响，但对于要将三个绕组按一定规律联结的三相变压器来说，极性问题就十分重要了，一旦某相绕组的极性接反，就会烧坏变压器。,取三相心式变压器中的某一相,(I/I 0),(I/I 6),电机与变压器,51,2、单相变压器的极性判别,鉴别既没有线端标记，又不知绕向的绕组，我们可以使用电压表或电流表进行测试，根据测试结果找出两个绕组的同极性端。下面以电压表为例介绍测试的原理与方法。,由变压器的原理可知，当变压器空载时，在忽略原边绕组的漏电感和内电阻电压降的条件下，可得U1=-E1，
23、U2=E2,由图可知，A和a，X和x为同极性端,电机与变压器,52,若用一根导线连接了同极性端，如X和x,用电压表测量另一个同极性端A、a,V,反过来说，也就是如果电压表上的测量结果为两各端电压之差，则说明此时被导线连接的两端或被电压表测量的两端为同极性端。,电机与变压器,53,如果导线连接的是异名端a、X,电压表测量A、x,V,说明电压表上测量的数值如果是两个端电压之和，则此时导线连接的两端或电压表测量的两端为异名端。,电机与变压器,54,3、三相变压器的极性判别,判别三相变压器的绕组极性有以下三个步骤：,1）判别每相绕组中原、副绕组的一一对应关系,三相变压器总共六个绕组，首先就是找出结构封
24、闭出线凌乱的三相变压器的三相原、副绕组的对应关系。这可以使用万用表来测量。, 用万用表电阻档测出每个绕组的首末端,R,电阻小，为同一个绕组的首末端,电阻大，不是同一个绕组的首末端,电机与变压器,55, 判别高、低压绕组,R,找出绕组的首末端后，接下来的工作就是要找出三个高压绕组和三个低压绕组。同样使用万用表的电阻档。,测得电阻值R1,测得电阻值R2,比较R1和R2的大小，由于高压绕组匝数多，低压绕组匝数少，因此电阻大的为高压绕组,电机与变压器,56, 找出每相绕组的原、副绕组,给某绕组加一个合适的交流电源,用万用表的交流电压档测量每个绕组的感应电势，并记录数值。,V,E1,E2,E3,比较三个
25、感应电势，有最高值的绕组即与加交流电源的绕组为同一相得原、副绕组。,电机与变压器,57,2）判别每相原、副绕组的同极性端,按单相变压器的极性判别方法即可。,3）判别相与相之间绕组的同极性端,在某一原绕组上加一个合适的交流电压,110V,用导线任意连接两相之间的某两个绕组的端子,用电压表测量另两个端子之间的电压U,V,U110V 异名端,U110V 同名端,电机与变压器,58,三相变压器原、副绕组按不同连接方式的组合，形成不同的联结组。最常用的联结组有以下四种，即Y，yN、Y,y、Y,d、YN,d。其中YN表示绕组接成星形后，中性点具有引出线，用于三相四线制的输出线路。,4、三相变压器的联结组别
26、,下面以Y,y0联结组为例说明三相变压器联结组别的步骤：,1）根据三相变压器绕组联结方式（Y或y、D或d）画高、低压绕组接线图（绕组按A、B、C相序自左向右排列）； 2）在接线图上标出相电动势和线电动势的假定正方向；,电机与变压器,59,3）画出高压绕组电动势相量图，将A、a重合，再画出低压绕组的电动势相量图（画相量图时应注意三相量按顺相序画）；,4）根据高、低压绕组线电动势相位差，确定联结组别的标号。,UAB与uab同相，所以此变压器联结组为Y,y0,电机与变压器,60,练习,分析此变压器为什么联结组？,YN,d11,电机与变压器,61,特种变压器,1、电流互感器,电流互感器作用是将电路中流
27、过的大电流变换成小电流(额定值为5A或1A)供电给测量仪表和继电器的电流线圈。,原绕组线径较粗，匝数为一匝或几匝，副绕组线径较细，匝数很多。,使用注意：,电机与变压器,62,2、电压互感器,电压互感器作用是将高电压降为低电压（一般额定值为100V）供电给测量仪表和继电器的电压线圈，使测量、继电保护回路与高压线路隔离，保证人员和设备的安全。,原绕组匝数很多，副绕组匝数较少，,使用注意：,电机与变压器,63,3、自耦变压器,自耦变压器是单绕组变压器，一、二次绕组共用一个线圈， 绕在闭合的铁心上，二次绕组是一次绕组的一部分,称为公共绕组。可见自耦变压器的一、二次绕组之间除了有磁的耦合外，还有电的直接
28、联系。,A,X,AX为原绕组，匝数为N1,N1,ax为副绕组，匝数为N2,a,x,N2,工作原理与普通变压器相同，要注意的是公共绕组中的电流i,i=i1+i2,但i1与i2方向相反，故在数值上,I=I2I1,电机与变压器,64,自耦变压器的容量,这说明自耦变压器的容量是由两部分组成的:,这就是自耦变压器独有的特点。,电机与变压器,65,三、三相笼型异步电动机,电机和变压器一样，也是利用电磁感应原理工作的一种设备。它的主要作用是进行能量的转换，例如电动机是将电能转换成机械能，可以带动其他设备工作。发电机则是将其他能量转换成电能，不断提高我们的生活质量。,了解电机的基本结构是我们今后使用或维护电动
29、机的第一步。,电机与变压器,66,电机有两大部分：定子和转子,定子是指电机上所有固定不动的部分，主要部件是定子铁芯和定子绕组。,转子是指电机上旋转运动的部分，主要部件是转子铁芯和转子绕组。,一、三相笼型异步电动机的基本结构,电机与变压器,67,1、定子铁芯和定子绕组,1）定子铁心：由导磁性能很好的硅钢片叠成导磁部分。,2）定子绕组：放在定子铁心内圆槽内导电部分。,电机与变压器,68,2、转子铁芯和转子绕组,1) 转子铁心：由硅钢片叠成，也是磁路的一部分。,2）鼠笼式转子：转子铁心的每个槽内插入一根裸导条，形成一个多相对称短路绕组。,电机与变压器,69,二、三相电动机的铭牌,电机与变压器,70,
30、1、型号,电机与变压器,71,2、额定值,1）额定功率 额定功率是电动机在额定运行情况下，其轴上输出的 机械功率。又称额定容量。 2）额定电压 额定电压是指电动机在额定运行时定子绕组的线电压，他同定子绕组的接法相对应。 3）额定电流 额定电流是电动机在额定运行时定子绕组的线电流。如果铭牌上有两个电流值，则表示定子绕组在两种不同接法时的线电流。,电机与变压器,72,4）额定转速 在额定电压下，输出额定功率时的转速称为额定转速 5）绝缘等级 绝缘等级是按电动机绕组所用的绝缘材料在使用时允许的极限温度来划分的。 6）工作方式 工作方式是对电动机按铭牌上等额定功率持续运行时间的限制，分为“连续”、“短
31、时”和“断续”等。 7）功率因数 电动机在额定运行状态下，定子电路的功率因数。异步电动机空载运行时定子电路的功率因数很低，只有0.20.3，随着负载的增加，功率因数也增加，在额定负载时一般为0.70.9，因此要避免空载运行。,电机与变压器,73,8)接法 中、小容量的低压异步电动机，通常定子三相绕组的六个出线头都引出，可根据额定电压灵活地接成“Y”形或“D”形。,电机与变压器,74,三相异步电动机是如何转动起来的？,固定不动的转子绕组和旋转的定子磁场相切割而感应电动势。,转子绕组是闭合的，因此感应电动势在绕组中产生感应电流。感应电流的方向与感应电动势的方向相同。,载流的转子绕组处在磁场中，必定
32、受到电磁力的作用。,两个电磁力的大小相等、方向相反，因此对电动机转轴形成了电磁转矩。于是转子就顺着定子磁场的方向转动起来。,模型电机的 定子磁极,模型电机的 转子绕组,e,e,i2,n0,用右手定则 判断,用左手定则 判断,三、 三相异步电动机的工作原理,电机与变压器,75,三相异步电动机的三相定子绕组以互隔1200的方式嵌放在定子铁芯中。当三个绕组分别接入三相交流电后，便可以产生旋转磁场。,实际三相电动机的旋转磁场是如何产生的呢？,规定：电流为正值时，电流从绕组首端流入，从末端流出；电流为负值时，电流从绕组末端流入，从首端流出。,电机与变压器,76,t=0时电流和磁场情况,A、C两相电流t=
33、0时为正，因此首端流入、末端流出。,B相电流t=0时为负，末端流入、首端流出。,N,S,相邻线圈电流流向一致，在气隙中生成合成磁场。,电机与变压器,77,t =120,t =120时电流和磁场情况,N,S,n0,可见当电流随时间变化120，电动机的磁场在空间的位置也随之旋转了120。,观察电流波形图及电机示意图可看出，合成磁场的转向取决于三相电流的顺序，ABC正序时气隙磁场顺时针旋转。,电机与变压器,78,t =240,t =240时电流和磁场情况,N,S,n0,观察电流波形图及电机示意图可看出，合成磁场的转向取决于三相电流的顺序。,电机与变压器,79,t =360,N,S,n0,电流随时间变
34、化一周，电动机的气隙磁场在空间的位置也顺时针旋转了360。表明磁场的旋转速度与电流变化的频率有关。,t =360时电流和磁场情况,电机与变压器,80,归纳：,只要三相异步机的对称三相定子绕组中通入对称三相交流电，就会在定子和转子之间的气隙中产生一个随时间变化的旋转磁场。,电机与变压器,81,n0,三相异步电动机工作原理概括,在电动机对称三相定子绕组中通入对称三相交流电流,产生气隙旋转磁场,转子导体与磁场相切割，生成感应电动势、感应电流,载流导体受电磁力的作用形成力偶,力偶对电机转轴形成电磁转矩,从而使固定不动的转子顺着旋转磁场的方向转动起来。,F,F,若要改变电动机的旋转方向，只需任调通入定子
35、绕组中两相电流的相序即可。,电机与变压器,82,很明显，电动机上存在两个转速，一个是旋转磁场转速n0，一个是转子的转速n。,电动机的转速n能等于旋转磁场的转速n0吗？,如果二者相等，则转子与旋转磁场之间,产生感应电流成为载流导体不是载流导体就无法在磁场中,就没有了相对切割转子不切割磁场就不能,受力不受力电动机就永远转运不起来。,nn0，异步！,电机与变压器,83,三相电动机旋转磁场的转速与哪些因素有关？,1、电流频率,电流随时间变化一周，电动机的旋转磁场旋转了360。,即：磁场转速n0与电流频率f成正比。,2、磁极对数,磁场转速随定子磁极数的增加而发生变化。,四极电机,二极电机,电机与变压器,
36、84,四极旋转磁场转速的分析,t =0时,t =120时,电流变化120，旋转磁场在空间的位置仅转过了60；当电流变化360时，四极电动机的旋转磁场才能旋转180。显然，四极旋转磁场的转速是二极电机1/2。,电机与变压器,85,综合分析，可得电动机旋转磁场的转速与频率、极对数之间的关系为：,即：异步电动机旋转磁场的转速与电源频率成正比，与电机的极对数成反比。,由于电动机转速n与n0之间存在速度差，因此我们选用一个参数转差率s来表示n与n0的关系。,(1) 电动机起动瞬间，电动机转速n=0，转差率s =1；,(2) 电动机转速最高时，转速nn0，转差率s 0；,(3) 电动机运行过程中，转速0n
37、n0，转差率0s1；,电机与变压器,86,例,解,有一台三相异步电动机，其额定转速为975r/min。试求工频情况下电动机的磁极对数和电动机的额定转差率。,由于电动机的额定转速接近于旋转磁场的转速，所以,可以估取同步转速n0=1000r/min。,电机与变压器,87,四、电动机的运行特性,通过电动机工作原理的学习，我们可以发现电动机有许多地方和变压器是相类似的：,变压器一次绕组接入电流，产生交变磁场；,电动机定子绕组接入电流，产生旋转磁场；,交变磁场在铁芯中环绕，在变压器二次绕组上产生电磁感应，产生感应电势和电流；,旋转磁场交链转子绕组；在电动机转子上产生电磁感应，产生感应电势和电流；,变压器
38、一次绕组和二次绕组只有磁耦合，没有电的直接联系。,电动机定子绕组和转子绕组只有磁耦合，没有电的直接联系。,电机与变压器,88,电动机当然也有许多和变压器不一样的地方：,变压器是静止的，没有旋转部分；,电动机转子在感应出电流后，是旋转运动的；,变压器主磁路只在铁芯中运行；,电动机旋转磁场交链转子铁芯时，需要经过气隙；,变压器绕组是集中绕在铁芯上的；,电动机绕组是按一定规律安放在铁芯上的若干个槽内；,所以根据变压器的一些结论，就可以得到电动机的一些运行特性：,电机与变压器,89,变压器一次绕组感应电势E1=4.44fN1,电动机定子绕组感应电势E1=4.44f1N1K1 （K1是线圈系数）,变压器
39、二次绕组感应电势E2=4.44fN2,电动机转子绕组感应电势E2=4.44f2N2K2 （K2是线圈系数）,E1、E2的频率为什么不一样？,电磁感应定律E=Blv中的v是磁场与导体之间的相对运动速度（n0n） 。因此对于静止的定子绕组来说，这个相对速度就是磁场的旋转速度；而对于旋转的转子来说，这个相对速度是磁场与转子之间的速度差。,电机与变压器,90,转子感应电势E2的频率对电机运行有什么影响呢？,在电机定子通入电流，产生旋转磁场的瞬间,转子处于静止状态。此时转差率s=1,转子感应电势f2=f1，E2此时最大，转子中的感应电流I2也最大。,随转子转速的提高。转差率s下降,E2和I2也随之下降。
40、,另外，电动机功率因素和转子阻抗也与转差率有关。转子在处于静止的瞬间时，其阻抗最大、功率因素最低。随转速的提高，阻抗随之下降，功率因素开始上升。,总结,电动机在启动的瞬间，转子上有很大的电流，根据磁势平衡，则电动机定子上就会有很大的电流，从而可能会烧坏电机定子绕组。,电机与变压器,91,五、电动机的功率和损耗,电动机是一种将电能转换成机械能的装置。所以在能量转换的过程中不可避免的会产生各种损耗。,电机与变压器,92,的两边同时除以机械角速度 得,或,电磁转矩,电磁转矩等于总机械功率除以转子机械角速度。,输出转矩,电机与变压器,93,1. 异步电动机的电磁转矩的几种表达式,五、异步电动机的电磁转
41、矩和机械转矩,电动机的结构常数,每极下工作主磁通,转子电流,转子电路功率因数,上式中各参数：,每极下工作主磁通 遵循主磁通原理。,转子电路的功率因数 和转子电流均随转差 率的变化而变化。,em,1）,电机与变压器,94,将公式中各量的计算式代入电磁转矩公式，即可得到电磁转矩的另一种参数表达式：,电磁转矩T正比电源电压U1的平方，反映了电动机的电磁转矩在负载不变情况下，其大小取决于电源电压的高低。但这并不意味电动机的工作电压越高，电动机实际输出转矩就越大。,上式说明，只要电机参数不发生变化，电磁转矩,电动机输出机械转矩的大小，实际上决定于来自于电动机轴上负载阻转矩的大小。当电磁转矩T等于负载阻转
42、矩TL时，电动机就会在某一速度下稳定运行；若TTL，电动机就会加速运行；若TTL，电动机则要减速运行直至停转。,2）,电机与变压器,95,异步电动机电磁转矩特性,电磁转矩有三个重要值，分别为：,n=0,n=n0,根据公式,可得异步机的电磁转矩特性曲线：,最大电磁转矩,对应最大电磁转矩的临界转差率。,(1)额定转矩TN,电动机额定电压下以额定转速nN运,功率单位若为W时，9550改为9.55,行，输出额定机械功率 PN时，电机转轴上对应输出的机械转矩为额定电磁转矩TN。,电机与变压器,96,最大转矩反映了电动机带最大负载的性能，我们把它与额定转矩的比值称为电动机的过载能力，即：,最大电磁转矩,起
43、动电磁转矩,(2)最大转矩TM,起动转矩反映了异步机带负载起动时的性能。起动转矩与额定电磁转矩之比称作电动机的起动能力，即：,(3)起动转矩Tst,m通常在1.62.0之间。如果负载转矩超过了最大转矩，电动机将停转。,st通常在1.41.8之间。如果电机的起动转矩Tst小于电动机轴上的负载阻转矩TL时，电动机将无法起动。,电机与变压器,97,异步电动机的机械特性,机械特性曲线,额定工作点,N,Tst,额定转矩,电动机运行在AB段，其电磁转矩可以随负载的变化而自动调整，这种能力称为自适应负载能力。,A,B,C,机械特性曲线可分为稳定运行区AB段和非稳定运行区BC段两部分。,电机稳定运行时 TL=
44、TN。当负载增加时，TLTN动力小于阻力 电机稳定运行状态被破坏转速 n下降转差率s上升转子电路感应电动势增加电流I2增大定子电流I1随之增大电磁转矩T增大至T当T =TL时电动机转速重新稳定在n上，此时nn。特性曲线的N点向右移。,显然，把转矩特性曲线旋转90后即可得到机械特性曲线。,额定转速,最大电磁转矩,起动电磁转矩,分析,电机稳定运行在 TL=TN。当负载减少时，TLn。沿特性曲线左移。,N,N,电机与变压器,98,四. 单相异步电动机简介,我们日常生活及办公场所通常是单相供电，因此很多仪器、各种电动小型工具、家用电器等，都采用单相异步电动机。单相异步机采用鼠笼式转子结构，一般容量多在
45、0.75KW以下。,电容运转单相机,洗衣机电动机,电风扇电动机,制冷压缩机,三相异步电动机只所以能够转动，是因为它的定子绕组通入对称三相交流电后产生的旋转磁场。那么，单相异步电动机通入单相交流电后，产生的是一个什么样的磁场呢？,电机与变压器,99,单相异步电动机的定子磁场,单相机定子,单相机转子,在定子绕组中通入单相交流电,电流正半周，线圈导体中通过的电流始终为正值,合成磁场随时间大小不断变化，但磁场轴线的位置始终不变。,电流的负半周，线圈导体中通过的电流方向始终为负,合成磁场随时间大小不断变化，但磁场轴线的位置始终不变。,显然，单相异步电动机的定子磁场是一个大小和方向随时间不断变化、但磁场轴
46、线位置始终不变的脉动磁场。所以单向异步机的转子不会自行起动，也就是说单相异步电动机的起动转矩为零。,电机与变压器,100,如何使单相异步电动机旋转起来呢？,电容分相法可让单相异步机转动,电容分相式异步电动机的定子有两个绕组：,一个是工作绕组；另一个是起动绕组，两个绕组在,空间对称嵌放。起动绕阻与电容C串联，使起动绕组,电流i2和工作绕组电流i1产生90的相位差，即：,加入起动绕组后，和工作绕组并联连接于单相交流电源上。,可见，单相电动机定子两绕组的合成磁场也是一个随时间空间位置不断变化的旋转磁场。单相电动机也因之可以自行起动了。,电机与变压器,101,电机与变压器,102,电机与变压器,103
47、,直流电机可分为直流发电机和直流电动机两大类。将机械能转化为电能的直流电机是直流发电机，将电能转化为机械能的直流电机是直流电动机。直流电机具有良好的调速性能、较大的起动转矩和过载能力，一般应用于对起动和调速要求较高的场合。另外，结构复杂、成本较高、维护较困难是直流电机的不足之处。,五、 直流电动机,工业直流电机,直流伺服电机,外转子直流电机,电机与变压器,104,直流电动机结构也分为定子和转子两大部分。,定子,转子,一、 直流电机的基本工作原理和结构,1、直流电机的主要结构,电机与变压器,105,定子主要部件有：,（1）主磁极,主要作用是产生恒定的气隙磁通，由铁心和励磁绕组构成,1机座；2主磁
48、极铁芯；3励磁绕组,（2）换向磁级,1换向极铁芯；2换向极绕组,主要作用改善换向，减小电火花。,电机与变压器,106,与换向器配合,完成交直流的互换。数目与主磁极相同。,（3）电刷装置,电刷座与电刷,转子又称为电枢，其主要部件有,既是主磁路的一部分，又可以放置电枢绕组。,（1）电枢铁心,电机与变压器,107,（2）电枢绕组,电枢绕组与换向器联结。主要作用产生感应电动势和电磁转矩，实现机电能量的转换。,（3）换向器,与电刷装置配合,完成直流与交流的互换,电机与变压器,108,电机与变压器,109,2、直流电动机工作原理,把电刷A、B接到直流电源上，电刷A接正极，电刷B接负极。此时电枢线圈中将有电流流过。,直流电动机是将电能转变成机械能的旋转机械。,在磁场作用下，有F=BIL。该电磁力形成电磁转矩,使电机转子旋转。,电机与变压器,110,电机与变压器,111,电枢绕组有两种连接方式：单叠绕组和单波绕组，下图以单叠绕组为例。,另外一半电枢绕组也构成另外一条支路。,不管电枢如何转动，一条支路中绕组感应的总电势大小基本不变（微小脉动）。,电机与变压器,112,单叠绕组的并联支路图说明，转子旋转后电枢绕组所有元件被两个电刷所平分为2 条支路，即并联支路数与磁极数相同。有2a=2p。,另外一种连接连接方式，单波绕组的并联支路数则恒等于2，即2a=2。,电机的