第十节 变压器与笼型交流异步电动机  

　

1变压器及其用途

变压器是一种静止的电气设备。它能把某一数值的交变电压变换为频率相同而大小不同的交变电压。

 变压器除了能改变交变电压外，还可以改变交变电流（如电流互感器）、变换阻抗（如电子电路中的输入、输出变压器）以及改变相位（如脉冲变压器）等等。

2变压器变压原理

图2-26所示为一简单变压器的示意图，当变压器的初级绕组接入交变电压u1时，在初级绕组中便有交变电流流过，并产生交变磁通。该磁通的绝大部分都被铁心束缚而同时穿过初、次级绕组，被称为主磁通，它随着电源的频率而变化。在初级绕组产生的交变磁通中，还有很少一部分通过周围空气闭合，称为漏磁通。通常漏磁通很小，为讨论问题方便而把它忽略不计。

当主磁通同时穿过初、次级绕组时，就在两个绕组中分别产生与电源频率相同的感应电动势e₁和e₂ 。设初、次级的匝数分别为N₁和N₂ ，主磁通随时间的变化率为ΔΦ/Δt，则由法拉第电磁感应定律可得初、次级感应电动势的数学表达式为：

 

当忽略初、次级绕组的直流电阻和漏磁通时，感应电压就等于感应电动势，但相位相反，即

当只讨论各量的数量关系时，可以得到

 

变压器初、次级绕组的电压比等于它们的匝数比n。当K_u>1时，N₁>N₂，U₁>U₂，这种变压器称为降压变压器。当K_u<1时，N₁<N₂，U₁<U₂，这种变压器称为升压变压器。

变压器工作时其初、次级电流与初、次级的电压或匝数成反比。

I₁/I₂=U₂/U₁=N₂/N₁=1/K_u（2-81）

3变压器的参数

(1)    变压器的效率它是指变压器输出功率P₂与输入功率P₁之比的百分数，即

 

(2) 额定电压初级的额定电压是指根据变压器所用绝缘材料的绝缘等级而规定的电压值。次级的额定电压是指变压器空载时，初级加上额定电压后次级两端的电压值。

对于三相变压器，额定电压是指线电压。

(3) 额定电流额定电流是指在变压器允许温升的条件下，所规定的满载电流值，单位为安。对于三相变压器，额定电流是指线电流。

(4) 额定容量额定容量是指变压器允许传递的最大功率，一般用视在功率表示。

(5) 温升温升是指变压器在额定运行时允许超出周围环境温度的数值。它取决于变压器所用绝缘材料的等级。

1电动机的用途和分类

 电动机是一种将电能转换成机械能，并输出机械转矩的动力设备。一般电动机可分为直流电动机和交流电动机两大类。交流电动机按所使用的电源相数可分为单相电动机和三相电动机两种；其中三相电动机又分同步和异步式两种；异步式电动机按转子结构还分线绕型和笼型两种。

2笼型异步电动机的基本构造

虽然异步电动机的种类、规格甚多，但在结构上都是由静止部分（定子）、转动部分（转子）以及端盖、轴承、接线盒、风扇等附件组成。

3三相笼型异步电动机的工作原理

图2-27所示为笼型异步电动机工作原理的演示实验图。在装有手柄的马蹄形磁铁的两极间放置一个导电笼型，磁铁与笼型间无机械联系。当转动手柄带动蹄形磁铁旋转时，笼型也会跟着磁铁旋转；若改变磁铁的转向，则笼型的转向也跟随改变。此现象可用图来解释。当磁铁旋转时，磁铁与笼型发生相对运动，笼型导体切割磁力线而在其内部产生感应电动势和感应电流。一旦笼型导体中出现感应电流，就受到电磁力矩的作用。由图可看出，电磁力矩的方向与磁铁的旋转方向相同，所以笼型就会沿着磁铁的旋转方向跟随磁铁旋转。这就是笼型异步电动机的工作原理。

当交流电的频率为f时，具有p对磁极的磁场转速为：

n₁=60f/p                                                 （2-83）

式中n₁ ——旋转磁场的转速，也叫同步转速，r/min；

f——三相交流电源的频率,Hz ；

p——旋转磁场的磁极对数。

由于供国产交流电动机使用的电源频率为50 Hz，因此由式可知，两极旋转磁场的转速是3 000 r/min，四极旋转磁场的转速是1 500 r/min等等。

在负载不变时，当转子转速偏高而接近同步转速时，转子受到的电磁转矩变小，迫使转子减慢转速；当转子转速偏低时，转子受到的电磁转矩变大，又会迫使转子加快转速。最后使转子转速基本稳定在某一转速上。这类电动机的转子转速n总是低于同步转速n1，因而称其为异步电动机。又由于这类电动机的转子电流是由电磁感应产生的，又把其称为感应电动机。

为表示三相异步电动机的转速和同步转速的差值，特引入转差率的概念。转差率就是转速差与同步转速的比值，用s表示，其数学式为：

s=(n₁-n)/n₁(2-84)

转差率通常以百分数表示，即

4三相笼型异步电动机的工作特性

1） 机械特性

电动机的机械特性是指电动机的转速和电磁转矩的关系。图2-28所示为反映二者关系的曲线。图中以横轴表示电动机的电磁转矩，纵轴表示转子的转速。

由图2-28知，当启动转矩大于转轴上的阻力矩时，转子便旋转起来并在电磁转矩作用下逐渐加速。此时电磁转矩也逐渐增大（沿曲线CB段上升）到最大转矩Mm。随后，随着转速的继续上升电磁转矩反而减小（沿曲线BA段逐渐下降）。最后当电磁转矩等于阻力矩时，电动机就以某一转速作等速旋转。

通常异步电动机一经启动，很快就进入机械特性曲线的AB段稳定地运行。电动机在AB段工作时，若负载加重，因阻力矩大于电动机的转矩，会使电动机的转速稍微下降，但与此同时，电磁转矩随转速下降而增大，从而与阻力矩重新保持平衡，使电动机以稍低的转速稳定运转。若负载的阻力矩增大到超过了最大电磁转矩Mm时，则电动机的转速将很快下降，直到停止运转。所以曲线AB段就称为异步电动机的稳定运行区。

由图还可看出，曲线AB段几乎是一条稍微向下倾斜的直线。这说明电动机从空载变到满载时其转速下降很少。这样的机械特性称为硬特性。

2) 额定转矩

电动机在额定负载时的转矩，称为电动机的额定转矩，以Me表示。

M_e≈9 550 P_e/n_e                                                                    （2-86）

式中M_e——电动机的额定转矩，N·m；

P_e ——电动机的额定功率，kW；

n_e ——电动机的额定转速,r/min。

3) 过载能力

电动机过载能力的大小用过载系数表示。过载系数等于电动机的最大转矩与额定转矩的比值，以λ表示，其数学式为：

λ=M_m/M_e                                                                          （2-87）

一般异步电动机的过载系数λ=1.8～2.5。

电动机的转矩除与转速有关外，异步电动机的转矩还与外加电压有关。经分析可知，在电源频率及电动机的结构一定时，转矩的大小与加在定子绕组上的电压的平方成正比，即M∝U₂。

5电动机在运行中的损耗

1) 铜损耗（Δp_cu）

铜损耗是指定子电流I₁和转子电流I₂在各自的绕组电阻r₁、r₂上的功率损耗之和，即

Δp_cu=I²₁r₁+I²₂r₂

由上式可见，铜损耗与负载有关。当电动机负载增加时，即负载转矩变大，电动机转矩不足以平衡，转速就要减慢（以获得较大转矩），转子绕组和旋转磁场相对切割的速度增加，转子感应电动势及感应电流（转子电流I₂）也要增加，削弱气隙磁通。在电源电压一定的情况下，定子电流I₁也要增加，以维持气隙磁通恒定，因此Δp_cu增加。

2) 铁损耗

铁损耗是指电动机运行时在铁心中产生的磁滞与涡流损耗，与铁心中的磁感应强度B_m及电源频率f有关。运行中，B_m和f一般是不变的，所以铁损耗一般也是不变的。

3) 机械损耗

机械损耗是指电动机运行时机械摩擦（轴承）及空气阻力引起的损耗，与电机结构及转速有关，一般也是不变的。

4) 附加损耗

附加损耗是指电动机运行时，定子及转子的齿部以及气隙磁势不完全作正弦分布，因谐波及漏磁而在绕组及铁心中引起的损耗，由电动机的结构决定，也是不变的，且为数甚少。

由于固定损耗部分是不随负载而变的，故电动机长期处于轻载状态下运行，其效率和功率因数（与电阻和阻抗的相对值有关）都低，既浪费设备容量，又浪费电能，因此应杜绝“大马拉小车”的现象。