第三章变压器和电动机资料

1、第三章 变压器和电动机 第一节 变压器的构造和工作原理一、变压器的用途与分类（一）、变压器的用途 变压器是一种根据电磁感应原理,可以改变交流电压和交流电流大小的电气设备。它的主要用途是变换电压，故称之为变压器。变压器的用途十分广泛，在电力系统中，它是一种重要的设备，利用升压变压器可以升高电压，减小电流，从而减少电力传输中的损耗，满足远距离、大功率输电的要求；用降压变压器可将高压降低到低压用电器的电压，以供安全使用。（二）、变压器的分类 由于变压器的用途十分广泛，其型式、品种、规格也就十分繁多，常用的变压器分类如下。1.按用途分类：一般可分为电力变压器和非电力变压器两大类。电力变压器主要用于电能

2、传输和电能形式变换，主要指高压升、降压变压器和工业用大电流变压器等。非电力变压器主要用于电磁测量和电信号处理上，如互感器、音频变压器、中频变压器和高频变压器等。2.按铁芯结构形式分类：可分为芯式变压器和壳式变压器等。3.按相数分类：可分为单相变压器、三相变压器和多相变压器等。4.按冷却方式分类：常用的主要有油浸自冷式变压器和空气自冷干式变压器。5.特殊类变压器常用的有：电焊变压器（电焊机）、电炉变压器、自耦变压器、自耦调压器、电压互感器和电流互感器等。二、变压器的结构和铭牌 (一)、变压器的结构变压器主要是由铁芯和绕组组成。铁芯是变压器的磁路部分，是用低损耗、高磁导率的软磁材料制成。电力变压器

3、的铁芯是用彼此绝缘的薄硅钢片叠装而成，其构成形式上可分为心式铁芯和壳式铁芯，如图3-1所示。绕组（或称线圈）是变压器的电路部分，是用绝缘铜线或铝线绕制而成的，与电源相连接的绕组称为原绕组（或称初级绕组、一次绕组），而与负载相连接的绕组称为副绕组（或称次级绕组、二次绕组），见图3-2。图3-1 变压器铁芯和线圈图3-2 变压器原理此外，电力变压器的还有必要的附属结构，如绝缘构件、冷却装置和保护装置等。(二)、变压器的铭牌变压器在规定的使用环境和运行条件下的主要技术参数称为额定值，一般都标注在变压器铭牌上，故亦称为铭牌值.主要有：1.额定容量SN 变压器的额定容量是用额定视在功率来表示。变压器的额

4、定视在功率是额定输出电压与额定输出电流的乘积，以伏安(VA)或千伏安( kVA) 表示。2.额定电压UN1 及UN2 变压器空载时，原绕组应加的电压值UN1和副绕组应产生的电压值UN2 ，以伏(V)或 千伏(kV)表示。对三相变压器的额定电压均指线电压。3.额定电流IN1 及IN2 根据额定容量和原、副绕组额定电压计算出的相应线电流，以安（A）表示。对单相变压器 (3-1)对三相变压器 (3-2)4.额定频率N 我国规定工频N为50Hz。此外，铭牌上还标注有变压器的相数、效率、温升、连接方式及组别、冷却方式和运行方式等。三、变压器的工作原理 变压器是按电磁感应原理工作的，如果把变压器的一次绕组

5、接在交流电源上，则在变压器一次绕组中产生自感电动势的同时在二次绕组中也产生了互感电动势。这时如果在二次绕组上接上负载，那么电能将通过负载转换成其它形式的能，如图3-2所示。在一般情况下，变压器的损耗和漏磁通都是很小的，因此下面假设变压器铁芯损耗、导线的铜损耗和漏磁通均可忽略不计,以理想状态来讨论其工作原理。 （一）、电压变换原理 设一次绕组的匝数是N1，二次绕组的匝数是N2，穿过它们的磁通是，那么一次、二次绕组中产生的感应电动势分别是 （3-3）由此可得 （3-4）空载时，U1=E1，U2=E2，所以 =K (3-5)式中K称为变比。 由式（3-5）可知，变压器一次、二次绕组的端电压之比等于这

6、两个绕组的匝数之比。如果N2N1，则U2U1，变压器使电压升高，这种变压器称为升压变压器；如果N2N1，则U2U1，变压器使电压降低，这种变压器称为降压变压器。 （二）、电流变换原理 当忽略变压器的损耗时，一次侧、二次侧的额定容量相等，即一次侧、二次侧的视在功率相等，对于单相变压器有 SN = U1 I1 = U2 I2 (3-6)因而 = (3-7) 可见，变压器工作时，一次、二次绕组中的电流与绕组的匝数成反比。一般变压器的高压绕组匝数多而通过的电流小，可用较细的导线绕制；低压绕组匝数少而通过的电流大，应用较粗的导线绕制。 （三）、阻抗变换原理 变压器不但可以变换电压和电流，而且在电子电路中

7、常用来变换信号源或负载的阻抗。当信号源与负载的阻抗匹配时，可使负载获得最大的功率。在图3-2中，一次绕组和二次绕组负载的阻抗分别为 (3-8)结合式（3-5）和式（3-7），一次绕组阻抗与二次绕组阻抗的的关系为 (3-9)上式说明，当变压器二次侧接入负载阻抗Z2时，相当于在一次侧接入K 2Z2的等效阻抗。【例3-1】有一台工业用单相控制变压器，其额定值为：容量100VA，输入电压220V，输出电压36V，原线圈匝数是818匝，试求原线圈和副线圈的额定电流, 副线圈的理论匝数。解：由式（3-1）和式（3-5）分别可得： 原线圈额定电流 =副线圈额定电流 =副线圈理论匝数 匝由于实际变压器存在线圈

8、电阻、漏磁通等一些电磁损耗，按理论计算的副线圈匝数，在实际上感应的电压达不到额定值。因此，副线圈的实际匝数要比理论匝数多，在设计和生产时，要根据变压器的容量和铁芯构成情况设计，并经测试调整后确定。变压器容量越大，铁芯构成越好，转换效率就越高，实际匝数就越接近理论匝数。【思考题】1.变压器原、副绕组的能量是通过电路，还是通过磁路联系在一起？2.变压器副绕组的电压升高了,电流为什么却下降了?第二节 几种常用的变压器变压器的种类很多,我们介绍几种常用的变压器. 一、自耦变压器自耦变压器的示意图如图3-3所示,这种变压器的特点是铁芯上只绕有一个线圈。如果把整个线圈作原线圈，副线圈只取线圈的一部分，就可

9、以降低电压，如图3-3(a)所示；如果把线圈的一部分作原线圈，整个线圈作副线圈, 就可以升高电压,如图3-3(b)所示。调压变压器就是一种自耦变压器，它的构造如图3-4所示。线圈AC全部绕在一个圆环形的铁芯上，输入电压U1加在AB两点之间，AB占线圈的大部分，转动滑动触头P的位置就可以调节输出电压U2 。 输出电压U2 可从零值开始调节，连续可调；可以小于U1，也可大于U1，使用起来十分方便，是常用的调压设备。图3-4 调压器原理图3-3 自耦变压器原理 二、小型电源变压器小型电源变压器一般是单相变压器，分为工业用控制变压器和电子仪器及家用电器电源变压器两大类。 1.工业用控制变压器 是一种小

10、型单相干式变压器, 容量:25VA500VA，可作为电气设备控制电路中的继电器、信号灯、指示灯和安全照明的电源。如图3-5所示，其输入电压可以接380V，也可接220V；输出电压设计有一系列不同数值的标准电压值：6.3V，12V，24V，36V，110V和127V，供选择使用。BK系列单相控制变压器就属这类变压器。图3-5 小型电源变压器 2.电子仪器及家用电器电源变压器 也是一种小型单相干式变压器,容量多根据用电负载的大小设计。输入电压多为220V，输出电压常用的数值有3V，6V，9V，12V等，也可根据具体用电电压要求设计。 三、互感器交流电压表和电流表都有一定的量度范围,不能直接测量高电

11、压和大电流，用变压器把高电压变成低电压,或者把大电流变成小电流,这个问题就可以解决了，这种变压器叫做互感器。互感器分电压互感器和电流互感器两种。1.电压互感器 用来把高电压变成低电压，它的原线圈并联在高压电路中，副线圈上接入交流电压表, 如图3-6所示。根据电压表测得的电压U2和铭牌上注明的变压比(U1/U2)，可以算出高压电路中的电压。为了工作安全，电压互感器的铁壳和副线圈应该接地。2.电流互感器 用来把大电流变成小电流，它的原线圈串联在被测电路中， 现在常用的电流互感器的原线圈多为一匝，即用被测电路的绝缘导线直接从电流互感器中穿过，又称为穿心式电流互感器，使用起来很方便。副线圈上接入交流电

12、流表, 如图3-7所示。根据电流表测得的电流I2和铭牌上注明的变流比(I1/I2)，可以算出被测电路中的电流。如果被测电路是高压电路，为了工作安全，同样要把电流互感器的外壳和副线圈接地。图3-7 电流互感器图3-6 电压互感器 四、三相变压器由于现代电力供电系统高压输电采用三相三线制，社区低压配电采用三相四线制，所以三相电力变压器广泛应用于电力系统输、配电中。三相变压器原理结构如图3-8所示，它有三个铁芯柱，每一相的高低压绕组同心地套装在一个铁芯柱上构成一相,三相绕组的结构是相同的,即对称的。图3-8 三相变压器三相变压器的三相高压绕组的首端和末端分别用大写字母U1、V1、W2和U2、V2、W

13、2表示；三相低压绕组的首端和末端分别用小写字母u1、v1、w2和u2、v2、w2表示。三相变压器的高压绕组和低压绕组均可以连成星形或三角形,星形接法用符号“Y” 表示；三角形接法用符号“” 表示；若星形接法中性点引出中线时,用符号“Y0”表示。因此,三相变压器可能有Y/Y、Y/、/Y、/四种基本接法，符号中的分子表示高压绕组的接法,分母表示低压绕组的接法。当绕组接成星形时,每相绕组的相电流等于线电流，相电压只有线电压的1/倍，相电压较低有利于降低绕组绝缘强度的要求。因此，三相变压器的高压绕组多采用“Y”接法； 由于社区低压配电要用三相四线制供电，所以社区低压配电变压器的低压绕组是用“Y0”接法

14、。 图3-9为低压配电变压器的Y/Y0接法示意图。三相变压器绕组的接法通常标明在它的铭牌上。图3-9 三相变压器的Y/Yo接法社区常见的低压配电变压器的标准额定输入高压是10000V，标准额定输出低压是400V, 相电压是400V/=231V；对应的负载额定线电压380V，相电压380V/=220V。变压器额定电压与相应用电器额定电压的差值是为变压器阻抗和线路阻抗所占电压降而设计的，习惯上我们还是用380V和220V来描述三相四线制供电。【思考题】1.自耦调压器有何优缺点？2.采用互感器的目的是什么？3.社区中所用低压配电变压器是用什么样的连接方式？第三节 三相异步电动机电动机的作用是将电能转

15、换为机械能。现代生活和生产的动力广泛应用电动机。电动机可分为交流电动机和直流电动机两大类。交流电动机又分为异步电动机(或称感应电动机)和同步电动机。在工农业生产上主要用的是交流电动机，特别是三相异步电动机，使用十分广泛。本节主要讨论三相异步电动机。一、三相异步电动机的基本结构三相异步电动机使用三相电源,它具有结构简单、价格便宜、运行可靠以及维护方便等优点。 三相异步电动机的基本结构主要由两部分组成：静止的定子和旋转的转子。定子与转子之间，留有相对运动所必需的空隙。图3-10所示的是三相鼠笼式异步电动机的外形和内部结构。 图3-10 三相鼠笼式异步电动机的结构1.定子 由定子铁芯、定子绕组、机座

16、及端盖等组成。在铸铁制成的机座内，装有用较薄的硅钢片叠压而成的圆筒形铁芯，铁芯的内圆周上冲有均匀分布的槽，用来安放三相对称绕组U1U2、V1V2、W1W2。绕组与绕组和绕组与铁芯之间均具有良好的绝缘。根据电动机额定电压及三相电源电压的具体情况，三相绕组可以接成星形或三角形。 2.转子 由转子铁芯、转子绕组和转轴组成。铁芯是圆形硅钢片叠成。圆形硅钢片的外圆冲有凹槽，用以放置转子绕组，其中心冲有圆孔，可以使圆形硅钢片叠压在转轴上，图3-11（a）所示为转子外形。转子绕组用铜条放在槽内，两端再用两个铜环焊接而成，若不看铁芯，这些铜条及铜环就如图3-11(b)所示，样子很像一个鼠笼，所以这种电动机通常

17、又称为鼠笼式电动机。对于中、小功率的电动机,一般都采用铸铝来代替铜条及铜环。图3-11 鼠笼式转子二、三相异步电动机的工作原理三相异步电动机是利用旋转磁场工作的，其工作原理可通过以下演示实验来直观地了解。图3-12 鼠笼转子转动原理演示图3-13 鼠笼转子产生感生电流和受力转动原理演示实验如图3-12所示，一个装有手柄的蹄形磁铁以轴座O1为支撑自由转动；在蹄形磁铁两磁极之间有一个鼠笼转子，鼠笼转子以轴座O2为支撑自由转动；轴座O1和轴座O2在同一条轴线上。蹄形磁铁和鼠笼转子之间没有摩擦力和机械连动关系，二者均可各自独立自由转动或保持静止。当摇动手柄使蹄形磁铁顺时针方向旋转时，磁场的磁感线就切割

18、鼠笼转子上的铜条，相当于转子铜条逆时针方向切割磁感线，闭合的铜条中就会产生感生电流，其方向可用右手定则判定，如图3-13所示。由于感生电流处在蹄形磁铁的磁场中，因此铜条要受到磁场力F的作用而使转子转动, 磁场力F的方向可根据左手定则判定，从判定的结果可知转子转动方向与蹄形磁铁旋转方向一致。手柄摇得快，转子转得也快；手柄摇得慢，转子转得也慢。同理，让蹄形磁铁逆时针方向旋转时，转子也随之按逆时针方向旋转。在上述演示过程中，是由蹄形磁铁旋转产生的旋转磁场使鼠笼转子转动的，而在实际的异步电动机中,并没有永久磁铁旋转，其旋转磁场是如何产生的呢? 以下讨论三相异步电动机定子绕组产生旋转磁场的具体过程。1.

19、旋转磁场的产生 设将定子三相绕组联成如图3-14(a)所示的星形接法，三相绕组的首端U1、V1、W1分别与三相交流电的相线A、B、C相连接，三相绕组中通过的三相对称交流电流如图3-14(b)所示。为了讨论方便,选定交流电在正半周时，电流从绕组的首端流入，从末端流出；反之，在负半周时，电流流向相反。图3-15是定子绕组在三相交流电不同相位时合成旋转磁场的示意图。图3-14 通过定子绕组的三相对称电流图3-15 三相电流产生的旋转磁场（p=1）当t=0时，A相电流为零；B相电流为负值，电流由V2端流进，V1端流出；C相电流为正，电流从W1端流进，W2端流出，根据右手螺旋法则，可以判定出此时定子三相

20、绕组电流产生的合成磁场方向，如图3-15(a)所示。当t=90o时，此时A相电流为正，电流由U1端流入，U2端流出； B相为负，电流由V2端流进，V1端流出；C相为负，电流从W2端流入，W1端流出，这一时刻合成磁场的方向如图3-15(b)所示，磁场方向已顺时针方向在空间转过了90o。同理，可分别得出t=180o、t=270o和t=360o时定子三相绕组电流产生的合成磁场方向，分别如图3-15(c)、(d)、(a)所示, t=36Oo时与t=0o时的合成磁场方向相同。由此可见，电流变化一个周期，合成磁场在空间也旋转了一周。电流继续变化，磁场也不断地旋转。从上述分析可知,三相电流通过定子绕组所产生

21、的合成磁场,是随电流的交变而在空间旋转的磁场。这种旋转磁场与蹄形磁铁在空间旋转所起的作用是相同的。2.旋转磁场的转速 磁场的旋转速度又称同步转速，它与三相电流的频率和磁极对数p有关。图3-15所示的定子绕组，它在任一时刻合成的磁场只有一对磁极(磁极对数p=1)，即只有两个磁极，对只有一对磁极的旋转磁场而言,三相电流变化一周,合成磁场也随之旋转一周，如果是50Hz的交流电，旋转磁场的同步转速就是50转/秒或3000转/分，在工程技术中，常用转/分（r/min）来表示转速。如果定子绕组合成的磁场有两对磁极(磁极对数p=2)，即有四个磁极，可以证明，电流变化一个周期，合成磁场在空间旋转180o，由此

22、可以推广得出：p对磁极旋转磁场每分钟的同步转速为 (3-10)工频50Hz时，对应于不同磁极对数p，其旋转磁场的同步转速见表3-1。表3-1 三相异步电动机旋转磁场的同步转速(50Hz)p123456no(r/min)300015001000750600500当磁极对数一定时，如果改变交流电的频率，则可改变旋转磁场的同步转速，这就是变频调速的基本原理。必须指出，转子的转动方向虽然与旋转磁场的转动方向相同，但转子转速n不可能达到旋转磁场的同步转速no ，因为如果两者相等,则转子与旋转磁场之间就不存在相对运动，因而转子导体就不能切割磁感线，转子上也就不再产生感生电流及电磁转矩，可见，鼠笼转子的转速

23、与旋转磁场的同步转速之间必须存在差值而不能同步，这也正是异步电动机名称的由来。在电动机通电的瞬间，定子旋转磁场的转速可以同时达到同步转速，但是，转子却是静止的，两者之间的转速差最大，此时转子产生的感生电流也最大，电路输入给电动机的电流也是最大，往往可以达到电动机额定电流的几倍到十几倍，对电动机和电网的冲击比较大。因此，对较大功率的电动机，不能直接加额定电压起动，需要采用降压起动的方式减小起动电流，待转子的转速接近额定转速时，再改换为额定电压正常运行；或采用连续调压的方式从低压开始起动，随转子的转速增大而逐渐把电压调到额定电压。如果要改变当前旋转磁场的旋转方向，只要任意对调二根相线与定子绕组的连

24、接，便可改变定子三相绕组中三相交流电的相序，实现反向转动，请读者自己分析。三、 三相异步电动机的铭牌每台电动机的机壳上都有一块铭牌,上面标明该电动机的规格、性能及使用条件,它是我们正确使用电动机的依据。这里对铭牌上主要的技术参数介绍如下。1.型号 为了适应不同用途和工作环境需要，三相异步电动机制成不同系列和型号，不同型号的电动机的机座长度、中心高度、转速等技术参数不相同，使用或选购时应注意型号或根据需要查阅相应产品目录和技术手册。2.功率 电动机在铭牌规定的运行条件下，正常工作时的输出功率(kW)。3.电压 电动机定子绕组的额定线电压(V)。 4.电流 电动机在额定工作状况下运行时流入定子绕组

25、的线电流(A)。5.转速 电动机在额定工作状况下运行时转子每分钟的转数(r/min)。 6.接法 电动机的接线盒有六个接线端子，如图3-16所示，标有U1和U2；V1和V2；W1和W2，分别是定子内三相绕组的首末端。如果铭牌上标明是“Y”接法，接线端子应按图6-16(a)的接法连接；如果铭牌上标明是“”接法，接线端子应按图6-16(b)的接法连接；需要改变转子当前的转向时，只要把电动机的三根电源线中的任意两根对调一下,就能改变电动机的转向。 图3-16 三相异步电动机的星形连接和三角形连接【思考题】1.为什么三相异步电动机转子的转速达不到旋转磁场的同步转速？ 2.三相异步电动机在运行时有一根相线断脱，能否继续运行? 若在起动前断一相线,它是否能起动?本章小结1.变压器由闭合铁芯和绕组构成,变压器具有变压、变流、变阻的作用,即=K = 2.自耦变压器只有一个绕组,具有结构简单、材料省、效率高、使用方便等优点,但原、副绕组存在电的联系。3.小型电源变压器作为工业控制电路、电子仪器和家用电器的电源，使用十分广泛。4.电压互感器是将高电压变为低电压的降压变压器， 根据电压表测得的电压U2和铭牌上注明的变压比(U1/U2)，可以算出高压电路中