電工電子技術及應用電工電子技術及應用第3章變壓器與電動機目錄CONTENTS3.1磁路3.3電動機3.4應用實例3.2變壓器本章重點01變壓器的作用02三相異步電動機3.1磁路3.1磁路在電機、變壓器及各種鐵磁元件中常用磁性材料做成一定形狀的鐵心。鐵心的磁導率比周圍空氣或其它物質的磁導率高的多，磁通的絕大部分經過鐵心形成閉合通路，磁通的閉合路徑稱為磁路。直流電機的磁路交流接觸器的磁路_+NSNSIf3.1.1磁路的基本概念1.磁感應強度磁感應強度B:

表示磁場內某點磁場強弱和方向的物理量。磁感應強度B的大小:磁感應強度B的方向:

與電流的方向之間符合右手螺旋定則。磁感應強度B的單位:

特斯拉(T)，1T=1Wb/m2

均勻磁場:

各點磁感應強度大小相等，方向相同的

磁場，也稱勻強磁場。3.1磁路3.1.1磁路的基本概念2.磁通磁通：穿過垂直于B方向的面積S中的磁力線總數。

說明:

如果不是均勻磁場，則取B的平均值。在均勻磁場中=BS或

B=/S

磁感應強度B在數值上可以看成為與磁場方向垂直的單位面積所通過的磁通,故又稱磁通密度。磁通的單位:韋[伯](Wb)1Wb=1V·s3.磁場強度磁場強度H

：是計算磁場時所引用的一個物理量，也是矢量，通過它來確定磁場與電流之間的關系。磁場強度H的單位：安培/米（A/m)3.1磁路3.1.1磁路的基本概念由實驗可測得：真空的磁導率為：4.磁導率磁導率：表示磁場媒質磁性的物理量，衡量物質的導磁能力。它與磁場強度的乘積就等于磁感應強度，即：磁導率的單位：亨/米（H/m）因為它是一個常數，將其它物質的磁導率和它比較是很方便的。3.1磁路3.1.2交流鐵芯線圈電路–+e–+e+–uNi（磁通勢）主磁通：通過鐵心閉合的磁通。漏磁通：經過空氣或其它非導磁媒質閉合的磁通。線圈鐵芯i，鐵心線圈的漏磁電感與i不是線性關系。3.1磁路3.1.2交流鐵芯線圈電路根據KVL:+––+–+eeuNi式中：R是線圈導線的電阻L是漏磁電感

當u是正弦電壓時，其它各電壓、電流、電動勢可視作正弦量，則電壓、電流關系的相量式為：3.1磁路3.1.2交流鐵芯線圈電路設主磁通則有效值由于線圈電阻

R

和感抗X（或漏磁通）較小，其電壓降也較小，與主磁電動勢E相比可忽略，故有式中：Bm是鐵心中磁感應強度的最大值，單位[T]；

S是鐵心截面積，單位[m2]。3.1磁路3.1.3電磁鐵的應用電磁鐵是利用通電的鐵心線圈吸引銜鐵或保持某種機械零件、工件于固定位置的一種電器。當電源斷開時電磁鐵的磁性消失，銜鐵或其它零件即被釋放。電磁鐵銜鐵的動作可使其它機械裝置發生聯動。根據使用電源類型分為：直流電磁鐵：用直流電源勵磁；交流電磁鐵：用交流電源勵磁。3.1磁路3.1磁路3.1.3電磁鐵的應用

電磁鐵由線圈、鐵芯及銜鐵三部分組成，常見的結構如圖所示。鐵芯銜鐵銜鐵

有時是機械零件、工件充當銜鐵FFFF線圈線圈銜鐵鐵芯線圈鐵芯3.1.3電磁鐵的應用電磁鐵在生產中獲得廣泛應用。其主要應用原理是：用電磁鐵銜鐵的動作帶動其他機械裝置運動，產生機械連動，實現控制要求。應用實例

圖示為應用電磁鐵實現制動機床或起重機電動機的基本結構，其中電動機和制動輪同軸。原理如下：M3~抱閘制動輪彈簧電磁鐵3.1磁路3.1.3電磁鐵的應用M3~抱閘制動輪彈簧電磁鐵通電電磁鐵動作拉開彈簧抱閘提起松開制動輪電機轉動斷電電磁鐵釋放彈簧收縮抱閘抱緊抱緊制動輪電機制動啟動過程：制動過程：3.1磁路3.2變壓器3.2.1變壓器的構造及工作原理3.2變壓器

變壓器是一種常見的電氣設備，在電力系統和電子線路中應用廣泛。變電壓：電力系統

變阻抗：電子線路中的阻抗匹配變電流：電流互感器

變壓器的主要功能有：

在能量傳輸過程中，當輸送功率P=UIcos及負載功率因數cos

一定時：電能損耗小節省金屬材料（經濟）UIP=I2RlIS3.2.1變壓器的構造及工作原理3.2變壓器變壓器的分類電壓互感器電流互感器按用途分電力變壓器(輸配電用)儀用變壓器整流變壓器按相數分三相變壓器單相變壓器按制造方式殼式心式變壓器符號3.2.1變壓器的構造及工作原理3.2變壓器(1)空載運行情況電磁關系一次側接交流電源，二次側開路。+–+–+–+–+–1i0(i0N1)1空載時，鐵心中主磁通是由一次繞組磁通勢產生的。3.2.1變壓器的構造及工作原理3.2變壓器電磁關系(2)帶負載運行情況一次側接交流電源，二次側接負載。+–+–+–11i1(i1N1)i1i2(i2N2)

2有載時，鐵心中主磁通是由一次、二次繞組磁通勢共同產生的合成磁通。2i2+–e2+–e2+–u2Z3.2.2變壓器的作用3.2變壓器1.電壓變換有效值:同理：主磁通按正弦規律變化，設為則(1)一次、二次側主磁通感應電動勢3.2.2變壓器的作用3.2變壓器1.電壓變換根據KVL：變壓器一次側等效電路如圖由于電阻

R1和感抗X1(或漏磁通)較小,其兩端的電壓也較小,與主磁電動勢E1比較可忽略不計，則–––+++(2)一次、二次側電壓式中R1為一次側繞組的電阻;X1=L1為一次側繞組的感抗(漏磁感抗，由漏磁產生)。3.2.2變壓器的作用3.2變壓器1.電壓變換（匝比）K為變比對二次側，根據KVL：結論：改變匝數比，就能改變輸出電壓。式中R2為二次繞組的電阻;X2=L2為二次繞組的感抗；為二次繞組的端電壓。變壓器空載時:+–u2+–+–+–i1i2+–e2+–e2式中U20為變壓器空載電壓。故有3.2.2變壓器的作用3.2變壓器2.電流變換有載運行可見，鐵心中主磁通的最大值m在變壓器空載和有載時近似保持不變。即有不論變壓器空載還是有載，一次繞組上的阻抗壓降均可忽略，故有由上式，若U1、f不變，則m基本不變，近于常數。空載：有載：+–|Z|+–+–+–3.2變壓器一般情況下：I0(2~3)%I1N很小可忽略。或結論：一次、二次側電流與匝數成反比。或：1.提供產生m的磁勢2.提供用于補償作用的磁勢磁勢平衡式：空載磁勢有載磁勢3.2.2變壓器的作用2.電流變換3.2變壓器3.2.2變壓器的作用3.阻抗變換由圖可知：

結論：變壓器一次側的等效阻抗模，為二次側所帶負載的阻抗模的K2倍。+–+–+–3.2變壓器3.2.2變壓器的作用(1)

變壓器的匝數比應為：信號源R0RL+–R0+–+–解:【例3-1】交流信號源的電動勢E=100V，內阻R0=800，負載為揚聲器，其等效電阻為RL=8。（1）當RL折算到一次側的等效電阻

時，求變壓器的匝數比和信號源輸出的功率；（2）當將負載直接與信號源聯接時，信號源輸出多大功率？3.2變壓器3.2.2變壓器的作用信號源的輸出功率：電子線路中，常利用阻抗匹配實現最大輸出功率。結論：接入變壓器以后，輸出功率大大提高。原因：滿足了最大功率輸出的條件：（2）將負載直接接到信號源上時，輸出功率為：3.3電動機3.3電動機3.3.1三相異步電動機的構造及工作原理電動機的分類：電動機交流電動機直流電動機三相電動機單相電動機同步電動機異步電動機他勵、并勵電動機串勵、復勵電動機3.3電動機3.3.1三相異步電動機的構造及工作原理定子鐵心：由內周有槽的硅鋼片疊成。A----XB----YC----Z三相繞組機座：鑄鋼或鑄鐵3.3電動機3.3.1三相異步電動機的構造及工作原理轉子:在旋轉磁場作用下，產生感應電動勢或電流。轉子鼠籠轉子鐵心：由外周有槽的硅鋼片疊成。(1)

鼠籠式轉子鐵芯槽內放銅條，端部用短路環形成一體。或鑄鋁形成轉子繞組。(2)

繞線式轉子

同定子繞組一樣，也分為三相，并且接成星形。鼠籠式繞線式3.3電動機3.3.1三相異步電動機的構造及工作原理鼠籠式電動機與繞線式電動機的的比較：鼠籠式：

結構簡單、價格低廉、工作可靠；不能人為改變電動機的機械特性。繞線式：結構復雜、價格較貴、維護工作量大；轉子外加電阻可人為改變電動機的機械特性。3.3電動機3.3.1三相異步電動機的構造及工作原理定子三相繞組通入三相交流電(星形聯接)AXBYCZ1.旋轉磁場的產生o3.3電動機3.3.1三相異步電動機的構造及工作原理規定i:“+”首端流入，尾端流出。i:“–”尾端流入，首端流出。AYCBZX(?)電流出()電流入o3.3電動機tAXYCBZAXYCBZAXYCBZ三相電流合成磁

場的分布情況合成磁場方向向下合成磁場旋轉60°合成磁場旋轉90°600o3.3電動機AAXZBCYAAXZBCY分析可知：三相電流產生的合成磁場是一旋轉的磁場

即：一個電流周期，旋轉磁場在空間轉過360°取決于三相電流的相序2.旋轉磁場的轉向結論：任意調換兩根電源進線，則旋轉磁場反轉。任意調換兩根電源進線(電路如圖)AXCZBY0to3.3電動機3.3.1三相異步電動機的構造及工作原理3.旋轉磁場的極對數P當三相定子繞組按圖示排列時，產生一對磁極的旋轉磁場，即：otAXBYCZAXYCBZ3.3電動機3.3.1三相異步電動機的構造及工作原理若定子每相繞組由兩個線圈串聯

，繞組的始端之間互差60°，將形成兩對磁極的旋轉磁場。C'Y'ABCXYZA'X'B'Z'AXBYC3.3電動機3.3.1三相異步電動機的構造及工作原理極對數旋轉磁場的磁極對數與三相繞組的排列有關C'Y'ABCXYZA'X'B'Z'03.3電動機3.3.1三相異步電動機的構造及工作原理4.旋轉磁場的轉速工頻：

旋轉磁場的轉速取決于磁場的極對數p=1時0toAXYCBZAXYCBZAXYCBZ3.3電動機p=2時03.3電動機旋轉磁場轉速n0與極對數p的關系極對數每個電流周期磁場轉過的空間角度同步轉速旋轉磁場轉速n0與頻率f1和極對數p有關。可見:3.3電動機3.3.1三相異步電動機的構造及工作原理5.轉動原理AXYCBZ定子三相繞組通入三相交流電方向:順時針

切割轉子導體右手定則感應電動勢E20旋轉磁場感應電流I2旋轉磁場左手定則電磁力FF電磁轉矩TnF3.3電動機3.3.1三相異步電動機的構造及工作原理6.轉差率旋轉磁場的同步轉速和電動機轉子轉速之差與旋轉磁場的同步轉速之比稱為轉差率。由前面分析可知，電動機轉子轉動方向與磁場旋轉的方向一致，但轉子轉速n不可能達到與旋轉磁場的轉速相等，即異步電動機如果:無轉子電動勢和轉子電流

轉子與旋轉磁場間沒有相對運動，磁通不切割轉子導條無轉矩因此，轉子轉速與旋轉磁場轉速間必須要有差別。3.3電動機異步電動機運行中:轉子轉速亦可由轉差率求得轉差率s【例3-2】一臺三相異步電動機，其額定轉速n=1450r/min，電源頻率f1=50Hz。試求電動機的極對數和額定負載下的轉差率。解：根據異步電動機轉子轉速與旋轉磁場同步轉速的關系可知：n0=1500r/min,即p=2轉差率為3.3電動機3.3.2三相異步電動機的機械特性三相異步電動機的電磁關系與變壓器類似。變壓器：變化eU1E1=4.44fN1

E2=4.44fN2E1、E2頻率相同，都等于電源頻率。異步電動機每相電路i1u1e1e

1e2e

2i2+－++++－－－－f1f23.3電動機3.3.2三相異步電動機的機械特性旋轉磁場的磁通異步電動機：旋轉磁場切割導體e，

U1

E1=4.44

f1N1每極磁通3.3電動機3.3.2三相異步電動機的機械特性定子導體與旋轉磁場間的相對速度固定，而轉子導體與旋轉磁場間的相對速度隨轉子的轉速不同而變化定子感應電勢頻率f1轉子感應電勢頻率f2

轉子感應電勢頻率f2旋轉磁場切割定子導體和轉子導體的速度不同3.3電動機3.3.2三相異步電動機的機械特性轉子感應電動勢E2E2=4.44f2N2=4.44sf1N2

當轉速n=0(s=1)時，f2最高，且E2最大，有E20=4.44

f1N2轉子靜止時的感應電勢即E2=

sE20

轉子轉動時的感應電勢轉子感抗X2當轉速n=0(s=1)時，f2最高，且X2最大，有X20=2

f1L2即X2=

sX20

3.3電動機3.3.2三相異步電動機的機械特性轉子電路的功率因數cos2轉子繞組的感應電流3.3電動機3.3.2三相異步電動機的機械特性轉子繞組的感應電流轉子電路的功率因數

結論：轉子轉動時，轉子電路中的各量均與轉差率

s有關，即與轉速n有關。I2cos2s1I2,O3.3電動機3.3.2三相異步電動機的機械特性轉子中各載流導體在旋轉磁場的作用下,受到電磁力所形成的轉矩之總和。常數，與電機結構有關旋轉磁場每極磁通轉子電流轉子電路的功率因數3.3電動機3.3.2三相異步電動機的機械特性由此得電磁轉矩公式由前面分析知：3.3電動機3.3.2三相異步電動機的機械特性由公式可知電磁轉矩公式1.T與定子每相繞組電壓成正比。U1T2.當電源電壓U1一定時，T是

s的函數。3.R2

的大小對

T有影響。繞線式異步電動機可外接電阻來改變轉子電阻R2

，從而改變轉距。3.3電動機3.3.2三相異步電動機的機械特性OTS根據轉矩公式得特性曲線：OT13.3電動機3.3.2三相異步電動機的機械特性電動機在額定負載時的轉矩。1.額定轉矩TNOT額定轉矩(N?m)如某普通機床的主軸電機(Y132M-4型)的額定功率為7.5kw,額定轉速為1440r/min,則額定轉矩為3.3電動機3.3.2三相異步電動機的機械特性2.最大轉矩Tmax轉子軸上機械負載轉矩T2不能大于Tmax

，否則將造成堵轉(停車)。電機帶動最大負載的能力。令：求得臨界轉差率OTTmax將sm代入轉矩公式，可得3.3電動機3.3.2三相異步電動機的機械特性當U1

一定時，Tmax為定值過載系數(能力)一般三相異步電動機的過載系數為工作時必須使T2

<Tmax

，否則電機將停轉。電機嚴重過熱而燒壞。(2)sm與R2有關，R2smn。繞線式電機改變轉子附加電阻R′2可實現調速。3.3電動機3.啟動轉矩Tst電動機啟動時的轉矩。啟動時n=0時，s=1(2)Tst與R2有關，適當使

R2Tst。對繞線式電機改變轉子附加電阻

R′2,可使Tst=Tmax

。Tst體現了電動機帶載啟動的能力。若

Tst

>T2電機能起動，否則不能起動。OTTst啟動能力3.3電動機3.3.3單相異步電動機單相異步電動機主要應用于電動工具、洗衣機、電冰箱、空調、電風扇等小功率電器中。單相異步電動機的定子中放置單相繞組,轉子一般用籠型。定子繞組中通入單相交流電后,形成脈動磁場，若不采取措施，將無法獲得所需的起動轉矩。定子定子繞組轉子AA'NS3.3電動機3.3.3單相異步電動機為了獲得所需的起動轉矩，單相異步電動機的定子進行了特殊設計。常用的單相異步電動機有電容分相式異步電動機和罩極式異步電動機。都采用籠型轉子，但定子結構不同。1.電容分相式異步電動機電容分相式異步電動機的定子中放置有兩個繞組，一個是工作繞組A–A'，另一個是起動繞組B–B',兩個繞組在空間相隔90o。起動時，B–B'繞組經電容接電源，兩個繞組的電流相位相差近90o，即可獲得所需的旋轉磁場。3.3電動機3.3.3單相異步電動機iAS?ABB'A~iBM~電容分相式異步電動機設兩相電流為兩相電流正弦波形如圖所示。iBiAO起動繞組工作繞組3.3電動機ABB'A'ABB'A'ABB'A'兩相旋轉磁場450900iBiAO3.3電動機

改變電容C的串聯位置，可使單相異步電動機反轉。

將開關S合在位置1，電容C與B繞組串聯，電流iB較iA超前近90；當將S切換到位置2，電容C與A繞組串聯，電流iA

較iB

超前近90。這樣就改變了旋轉磁場的轉向，從而實現電動機的反轉。

電動機轉子轉動起來后，利用離心力將開關S斷開(S是離心開關)，使起動繞組B–B′斷電。SABB'iAiBA12~實現正反轉的電路M~3.3電動機3.3.3單相異步電動機2.

罩極式單相異步電機~~i12定子繞組鼠籠式轉子短路環極掌(極靴)3.3電動機3.3.3單相異步電動機

當電流i流過定子繞組時，產生了一部分磁通1，同時產生的另一部分磁通與短路環作用生成了磁通2。由于短路環中感應電流的阻礙作用，使得2在相位上滯后1，從而在電動機定子極掌上形成一個向短路環方向移動的磁場，使轉子獲得所需的起動轉矩。

罩極式單相異步電動機起動轉矩較小，轉向不能改變，常用于電風扇、吹風機中；電容分相式單相異步電動機的起動轉矩大，轉向可改變，故常用于洗衣機等電器中。3.3電動機3.3.4直流電動機直流電動機雖然比三相交流異步電動機結構復雜，維修也不便，但由于它的調速性能較好和起動轉矩較大，因此，對調速要求較高的生產機械或者需要較大起動轉矩的生產機械往往采用直流電動機驅動。直流電機的優點：

(1)調速性能好,調速范圍廣,易于平滑調節。

(2)起動、制動轉矩大,易于快速起動、停車。

(3)易于控制。

(1)軋鋼機、電氣機車、中大型龍門刨床、礦山豎井提升機以及起重設備等調速范圍大的大型設備。

(2)用蓄電池做電源的地方，如汽車、拖拉機等應用：3.3電動機3.3.4直流電動機直流電動機的構造極掌極心勵磁繞組機座轉子SN++++N+++++S+++直流電機由定子(磁極)、轉子(電樞)和機座等部分構成。直流電動機的磁極和磁路3.3電動機3.3.4直流電動機1.磁極用來在電機中產生磁場。永磁式:由永久磁鐵做成。勵磁式:磁極上繞線圈，線圈中通過直流電，形成電磁鐵。勵磁:磁極上的線圈通以直流電產生磁通，稱為勵磁。2.轉子(電樞)由鐵心、繞組（線圈）、換向器組成。電樞鐵心：由硅鋼片疊裝而成。電樞繞組：單個繞組元件組成。3.3電動機3.3.4直流電動機直流電從兩電刷之間通入電樞繞組，電樞電流方向如圖所示。由于換向片和電源固定聯接，無論線圈怎樣轉動，總是S極有效邊的電流方向向里，N極有效邊的電流方向向外。電動機電樞繞組通電后中受力(左手定則)按順時針方向旋轉。工作原理3.3電動機3.3.4直流電動機線圈在磁場中旋轉，將在線圈中產生感應電動勢。由右手定則，感應電動勢的方向與電流的方向相反。電樞感應電動勢E與電樞電流或外加電壓方向總是相反，所以稱反電勢。工作原理式中，KE是與電機結構有關的常數，Φ是一個磁極的磁通，n是電樞轉速3.3電動機3.3.4直流電動機直流電動機電樞繞組中的電流(電樞電流Ia)與磁通Φ

相互作用，產生電磁力和電磁轉矩，直流電機的電磁轉矩公式為式中，KT是與電機結構有關的常數。直流電動機起動時，起動電流大，會使換向器產生嚴重的火花，燒壞換向器；而且起動轉矩大，容易造成機械沖擊，使傳動機構遭受損壞。一般采用電樞串電阻起動法或者降壓起動法。需要注意的是：直流電動機在起動和工作時，勵磁電路一定要接通，不能讓它斷開，而且起動時要滿勵磁。否則，磁路中只有很少的剩磁，可能產生事故。3.3電動機3.3.5步進電機特點:

(1)來一個脈沖，轉一個步距角。

(2)控制脈沖頻率，可控制電機轉速。

(3)改變脈沖順序，可改變轉動方向。步進電機是利用電磁鐵的作用原理，將脈沖信號轉換為線位移或角位移的電機。每來一個電脈沖，步進電機轉動一定角度，帶動機械移動一小段距離。區別在于勵磁式步進電機的轉子上有勵磁線圈，反應式步進電機的轉子上沒有勵磁線圈。種類：勵磁式和反應式兩種。3.3電動機3.3.5步進電機

下面以反應式步進電機為例說明步進電機的結構和工作原理。三相反應式步進電動機的原理結構圖如下：

定子內圓周均勻分布著六個磁極，磁極上有勵磁繞組，每兩個相對的繞組組成一相。轉子有四個齒。定子ABCIAIBIC轉子3.3電動機3.3.5步進電機1.三相單三拍CA'BB'C'A3412

A相繞組通電，B、C相不通電。由于在磁場作用下，轉子總是力圖旋轉到磁阻最小的位置，故在這種情況下，轉子必然轉到左圖所示位置：1、3齒與A、A′極對齊。3.3電動機3.3.5步進電機CA'BB'C'A3412

同理，B相通電時，轉子會轉過30角，2、4齒和B、B′

磁極軸線對齊；當C相通電時，轉子再轉過30角，1、3齒和C′、C磁極軸線對齊。1C'342CA'BB'A3.3電動機3.3.5步進電機

這種工作方式下，三個繞組依次通電一次為一個循環周期，一個循環周期包括三個工作脈沖，所以稱為三相單三拍工作方式。

按ABCA……的順序給三相繞組輪流通電，轉子便一步一步轉動起來。每一拍轉過30°(步距角)，每個通電循環周期(3拍)轉過90°(一個齒距角)。2.三相六拍按AABBBCC

CA的順序給三相繞組輪流通電。這種方式可以獲得更精確的控制特性。3.3電動機3.