电工电子技术赵景波-第3章

了解理想变压器的定义、电路符号和基本结构；了解变比的定义。了解和掌握阻抗变换的意义，会进行阻抗变换计算。理解三相异步电动机工作原理，了解其结构特点、转矩特性、机械特性和额定值。掌握三相异步电动机的启动、正反转方法。本章学习要求第3章变压器和异步电动机•3.1变压器的结构和工作原理•3.2变压器绕组的极性•3.3三相异步电动机的结构和转动原理•3.4三相异步电动机的转矩和机械特性•3.5三相异步电动机的启动、调速和制动•3.6三相异步电动机的铭牌和选择原则•3.7电动机的分类本章大纲变压器功能：变电压：电力系统变阻抗：电子电路中的阻抗匹配（如喇叭的输出变压器）变电流：电流互感器变压器的结构和工作原理3.1单相变压器1u2uLR1i2iΦ铁芯原边绕组副边绕组铁心：变压器的磁路。高、低压绕组.原边（一次绕组）：接电源的绕组副边（二次绕组）：接负载的绕组1u1i2u2iLRΦ变压器符号：变压器的主要结构3.1.1工作过程u2Φi1N1u1i2N2参考方向的确定：原边是电源的负载；副边是负载的电源；1u2uLR1i2iΦN1N2e1e2原、副边的e与符合右螺旋法则；变压器的工作原理3.1.2空载运行：原边接入电源，副边开路。接上交流电源1u原边电流i1等于励磁电流i10产生感应电动势1u1i2e1eΦ1N2Ni10产生磁通（交变）e,方向符合右螺旋法则dtdNe11dtdNe22注意变压器的空载运行和变压比1.结论：改变匝数比，就能改变输出电压。K为变比10i1u20u2i1e2e根据交流铁心线圈的电磁关系分析可得：KNNEE2121mΦNfE1144.4=U1mΦNfE2244.4=U2有载运行：副边接入负载。E1U1E2U2忽略线圈电阻和漏磁通的影响所以，电压比为KNNUU2121•当变压器接上负载后，副绕组中的电流为i2，原绕组上的电流将变为i1，原、副绕组的电阻、铁心的磁滞损耗、涡流损耗都会损耗一定的能量，但该能量通常都远小于负载消耗的电能，可以忽略。这样，可以认为变压器输入功率等于负载消耗的功率，即变压器带负载工作时，原、副边的电流有效值与它们的电压或匝数成反比。变压器在变换了电压的同时，电流也跟着变换。变压器的负载运行时的变流比2.1122UIUI1222111IUNIUNK1i1u2u2iLZ1N2N22IUZL=u1i1LZLZLZK222222211KZKIUKIKUIUZLL====变压器的阻抗变换作用3.变压器满载运行时，原、副边绕组允许的电流值。NNNNNIUIUS2211==（理想）变压器副边开路（空载）时，原、副边绕组允许的电压值。1）额定电压U1N/U2N2）额定电流I1N/I2N3）额定容量SN变压器输出的额定视在功率。电力变压器的铭牌数据3.1.35）额定频率fN电源的工作频率。50HzP1u2u1i2iLR1N2N1122UNNU使用时，改变滑动端的位置，便可得到不同的输出电压。N2连续可调，U2连续可调。注意原、副边千万不能对调使用。公共绕组部分不能断开。公共端不能接火线。几种常见的特殊变压器3.1.4自耦变压器1.小型电源变压器2.小型电源变压器广泛地应用于工业生产中，如在机床电路中输入220V的交流电，通过电源变压器可以得到36V的安全电压，12V或6V的指示灯电压等。电压互感器3.电压互感器是用来测量高压电网的一种专用变压器，它能把高电压变成低电压进行测量，它的构造与双绕组变压器相同。在使用时，原绕组并联在高压电源上，副绕组接低压电压表。（被测电流）N1（匝数少）N2（匝数多）ARi1i2电流表被测电流=电流表读数N2/N11）副边不能开路，以防产生高电压；使用注意事项：用低量程的电流表测大电流2）铁心、低压绕组的一端接地，以防在绝缘损坏时，在副边出现过压。电流互感器4.1）.同极性端(同名端)当电流流入(或流出）两个线圈时，若产生的磁通方向相同，则两个流入(或流出）端称为同极性端（同名端）。或者说，当铁芯中磁通变化（增大或减小）时，在两线圈中产生的感应电动势极性相同的两端为同极性端。AXax**AXax**1u2e1iΦ1eZ2i**3.2变压器绕组的极性联结2－3，顺串1324**串联顺串：两异名端相连，相当于两匝数相加；反串：两同名端相连，相当于两匝数相减；联结1－3，反串并联同名端两两相连。1-3连，2-4连2）.变压器绕组的连接三相异步电动机接上电源就会转动，这是为什么呢？从图示演示得出两点启示：第一、有一个旋转的磁场；第二、转子跟着磁场转动。异步电动机转子转动的原理与上述演示相似。那么在三相异步电动机中，磁场从何而来，又是怎么旋转呢？下面就来逐步讨论这个问题。3.3三相异步电动机的结构和转动原理3.3.1三相异步电动机的基本结构三相异步电动机由静止的定子和转动的转子两大部分组成。三相异步电动机的定子是由机座、定子铁心和三相绕组等组成。机座通常由铸铁或铸钢制成，机座内装有很薄且表面绝缘的硅钢片叠制而成的筒形铁心，铁心内圆上冲有均匀分布的平行槽口。（a）定子的硅钢片（b）未装绕组的定子（c）装有三相绕组的定子三相异步电动机的定子绕组由三相对称绕组组成，按一定空间角度依次嵌放在定子槽内，接成星形或三角形，并与铁心绝缘。，，（a）星形连接（b）三角形连接在旋转磁场作用下，产生感应电动势或电流。线绕式：接成星型的三相绕组鼠笼式：绕组短路鼠笼转子V2V1W2U2U1W1转子转子：转轴、转子铁心、转子绕组转轴1）铁心：硅钢片叠成2）绕组：1.旋转磁场的产生及方向BiAXBYCZAiCiiAImiBiCCZAXYBNSt=0tIimAsin)120sin(otIimB)120sin(otIimC3.3.2三相异步电动机的旋转磁场60CZAXYBn0t=60t=120n0ZCAXBYt=180NSn0ZCAXBY同理可得其他时刻旋转磁场的方向。iAImiBiC结论：1）旋转磁场的转向旋转磁场的方向取决于三相电流的相序。（当电流的相序为A-B-C时，旋转磁场的方向沿绕组的首端A-B-C的方向，与电流相序一致。）任意调换电源线中的两相，旋转磁场与原方向相反。旋转磁场的转速通常称为：电动机的同步转速min)/r(pf60n0=p—旋转磁场的极对数对电动机来讲，f和p通常是一定的，此时n0为常数f—电源电流的频率极对数每电流周期，磁场转过角度同步转速(f=50HZ)p=13603000r/minp=21801500r/minp=31201000r/min2.旋转磁场的转速p=1电流在时间上变化一周磁场在空间上变化一周f：电流的频率旋转磁场的转速：n0=60f（r/min）p=2电流在时间上变化一周磁场在空间上变化半周旋转磁场的转速：n0=60f/2（r/min）SN0nFn三相定子绕组接入三相电源，产生旋转磁场；旋转磁场切割转子导体，在转子导体中产生感应电动势，短路的转子导体产生感应电流；载流导体（转子导体）在磁场中受力，转子旋转。3.3.3三相异步电动机的转动原理电动机转速和旋转磁场同步转速的关系电动机转速n电机转子转动方向与磁场旋转的方向一致，但异步电动机0nn无转矩转子与旋转磁场间没有相对运动无转子电动势（转子导体不切割磁力线）无转子电流如果0nn旋转磁场转速:n0转差率的概念：转差率为旋转磁场的同步转速和电动机转速之差。电动机起动瞬间:1,0==sn（转差率最大）电动机额定负载运行时:S=0.01~0.0900nnnS3.4三相异步电动机的转矩与机械特性电动机的作用是把电能转换为机械能，它输送给生产机械的是电磁转矩T（简称转矩）和转速。因此，在选用电动机时，总是要求电动机的转矩与转速的关系（称为机械特性）符合机械负载的要求。因此，了解电动机的转矩的大小受哪些因素影响，如何计算，对更好地使用电动机意义深远。电磁转矩是三相异步电动机的重要物理量，机械特性则反映了一台电动机的运行性能。转矩表达式：2222212SXRUSRKTT3.4.1电磁转矩式中KT为与电动机结构相关的常数，U1为定子绕组的相电压，s是转差率，R2是转子电路每相的电阻，X20是电动机启动时转子尚未转起来时的转子感抗。电磁转矩与相电压U1的平方成正比，所以电源电压的波动将对电动机的电磁转矩产生很大的影响。当电源电压U1和f1一定且R2、X20都是常数时，电磁转矩T只随转差率s变化。T与s之间的关系可用转矩特性T=f（s）表示，其特性如曲线如下所示。n0TnNTnN1）.电动机等速运行的条件T=TC电磁转矩=阻力转矩阻力转矩：主要是电动机轴上的机械负载转矩T2和电动机的空载损耗转矩（主要是机械损耗转矩）T0TC=T2+T0T2忽略T0，电动机等速运行的条件：T=T23.4.2机械特性T=T2匀速运行减速运行加速运行TT2TT2电动机的运行状态：2）.三个重要转矩1）额定转矩TNn0TnP2——输出的机械功率nPnPPTT23222955060/210NNNnPT29550N·m2）最大转矩Tm电动机能够产生的最大转矩。一般允许电动机的负载转矩在较短的时间内超过其额定转矩，但是不能超过最大转矩。因此，最大转矩也表示电动机允许短时过载的能力，用过载系数λm表示为NTTm=λm一般三相异步电动机的过载系数为1.8~2.2。3）启动转矩Tst电动机在启动瞬间的转矩Tstn=0n0Tn22022212XRURKTst启动系数通常为0.8~2NTTSt=λS3）.电动机运行状态分析1）不稳定运行区（b、c段）TnbcT2ee'T2'T2启动时TstT2电机加速转速沿机械特性曲线上升上升到e'点T=T2'电机进入稳定区运行。若负载变化使T2增加T2T2T不能突变TT2电机减速转速沿机械特性曲线下降很快达到n=0发生闷车Tnab2）稳定运行区（a、b段）T2n假设：电动机稳定运行在e点。T=T2若负载变化使T2减小T2'T2T不能突变TT2'电机加速T2'n'ee'转速沿机械特性曲线上升上升到e'点T=T2'电机达到新的稳定状态，转速为n'—n'n若负载变化使T2增加T2T2T不能突变TT2电机减速转速沿机械特性曲线下降下降到e点T=T2电机达到新的稳定状态，转速为n—nnenT2TnbcT2ee'T2'T2电动机的稳定运行区比较平坦，转速变化不大。电动机只能在稳定区运行，不能稳定运行在不稳定区。n0=1500r/min的电动机能否稳定运行在750r/min?不能！电机在750r/min进入不稳定区。启动状态启动时n=0，转子导条切割磁力线速度很大。大电流使电网电压降低影响其他负载工作频繁启动时造成热量积累电机过热影响启动电流大。Ist=5~7IN原因启动转矩不大。Tst=0.8~2TN3.5三相异步电动机的启动、调速和制动适用：二三十千瓦以下的异步电动机。2）降压起动。Y－起动自耦降压起动1）全压启动特点：简单，起动电流大3.5.1三相异步电动机的启动星三角降压启动自耦变压器降压启动3.5.2三相异步电动机的调速负载不变改变电动机的转速或者负载变化保持电动机速度不变的方法称为异步电动机的调速。电动机调速用的最多的是变频调速，其基本原理是：采用整流电路将交流电转换为直流电，再由逆变器将直流电变换为频率、电压可调的三相交流电。变极调速是改变定子绕组的连接方式及改变磁极对数，使电动机获得不同的转速。3.5.3三相异步电动机的制动电动机在断电时要保证克服惯性迅速停机，需要对其进行制动。制动的方法主要有反接制动和能耗制动两种。反接制动是指在电动机停机时，将其三相电源线中的两根对调，产生相反的转据，起到制动作用。当转速接近于零时，要切断电源，以防反转。能耗制动是在断电的同时，接通直流电源。直流电源产生的磁场是固定的，而转子由于惯性转动产生的感应电流与直流电磁场相互作用产生的转矩方向恰好与电动机的转向相反，起到制