第十一章变压器和交流电动机

1、常熟市滨江职业技术学校电工基础电子教案第十一章 变压器和交流电动机第一节 变压器的构造重点难点：了解变压器的基本构造。一、 变压器的用途和种类变压器是利用互感原理工作的电磁装置，它的符号如图所示，T是它的文字符号。 1 变压器的用途：变换电压：常用变压器变换电流：变流器、大电流发生器变换阻抗：电子线路中输入输出变压器改变相位：改变线圈地联结方式达到2 变压器的种类：电力变压器：输配电整流变压器：电解调压变压器输入：实验输出变压器：电子技术中二、 变压器的基本构造组成：变压器主要由铁心和线圈两部分构成。铁心： 铁心是变压器的磁路通道。 材料：用磁导率较高且相互绝缘的硅钢片制成，以便减少涡流和磁滞

2、损耗。 分类：按其构造形式可分为心式和壳式两种（如图所示）线圈： 线圈是变压器的电路部分。用漆色线、沙包线或丝包线绕成。和电源相连的线圈叫原线圈(初级绕组)，和负载相连的线圈叫副线圈(次级绕组)。三、 小结四、 作业：试述变压器的基本构造。第二节 变压器的工作原理重点难点：了解变压器的工作原理、额定值及外特性。 掌握变压器的电压变换、电流变换和阻抗变换的关系。一、 变压器的工作原理变压器利用电磁感应原理工作。原线圈通入交流电电流的磁效应产生交变磁通原、副线圈产生感应电动势工作流程：二、 变压器的作用：1 变换交流电压：原线圈接上交流电压，铁心中产生的交变磁通同时通过原、副线圈，原、副线圈中交变

3、的磁通可视为相同。设原线圈匝数为N1，副线圈匝数为N2，磁通为F ，感应电动势为 变压器空载运行原理图由此得 忽略线圈内阻得上式中K称为变压比。由此可见：变压器原副线圈的端电压之比等于匝数比。如果N1 < N2，K < 1，电压上升，称为升压变压器。如果N1 > N2，K >1，电压下降，称为降压变压器。N1N2N3+U1+U2+U3例：如图，已知N1：N2：N3=5：1：2，当U2=20V求U1、U2。解：U1/U2=N1/N2 得 U1=(N1/N2)×U2=100VU1/U3=N1/N3 得 U3=(N3/N1)×U1=40V2变换交流电流根据

4、能量守恒定律，变压器输出功率与从电网中获得功率相等，即P1 = P2，由交流电功率的公式可得U1I1 cosj1= U2I2 cosj2式中cosj1原线圈电路的功率因数；cosj2副线圈电路的功率因数。j1，j2相差很小，可认为相等，因此得到U1I1 = U2I2可见，变压器工作时原、副线圈的电流跟线圈的匝数成反比。在外观上区别变压器高、低压饶组的方法。高压线圈通过的电流小，用较细的导线绕制；低压线圈通过的电流大，用较粗的导线绕制。3变换交流阻抗设变压器初级输入阻抗为|Z1|，次级负载阻抗为|Z2|，则将代入，得因为 所以 可见，次级接上负载|Z2|时，相当于电源接上阻抗为K2|Z2|的负载

5、。变压器的这种阻抗变换特性，在电子线路中常用来实现阻抗匹配和信号源内阻相等，使负载上获得最大功率。例 有一电压比为220/110 V的降压变压器，如果次级接上55 W 的电阻，求变压器初级的输入阻抗。解1：次级电流 初级电流 输入阻抗 解2：变压比 输入阻抗 例 有一信号源的电动势为1V，内阻为600 W，负载电阻为150 W。欲使负载获得最大功率，必须在信号源和负载之间接一匹配变压器，使变压器的输入电阻等于信号源的内阻，如图所示。问：变压器变压比，初、次级电流各为多少? 解:负载电阻 R2 = 150 W，变压器的输入电阻R1 = R0 = 600 W，则变比应为初、次级电流分别为三、 压器

6、的外特性和电压变化率1变压器的外特性变变压器外特性就是当变压器的初级电压U1和负载的功率因数都一定时，次级电压U2随次级电流I2变化的关系，如图所示。由变压器外特性曲线图可见：(1) I2 = 0时，U2 = U2N。(2) 当负载为电阻性和电感性时，随着I2的增大，U2逐渐下降。在相同的负载电流情况下，U2的下降程度与功率因数cosj 有关。(3) 当负载为电容性负载时，随着功率因数cosj 的降低，曲线上升。所以，在供电系统中，常常在电感性负载两端并联一定容量的电容器，以提高负载的功率因数cosj。2电压的变化率电压变化率是指变压器空载时次级端电压U2N和有载时次级端电压U2之差与U2N的

7、百分比。即： 电压变化率越小，为负载供电的电压越稳定。第三节 变压器的功率和效率重点难点：了解变压器的损耗和效率。一、 变压器的功率1 初级输入功率：P1=U1I1cos1 1：初级电压电流的相位差。2 次级输出功率：P2=U2I2cos2 2：次级电压电流的相位差。理想情况：P1=P2 若有两个次级线圈则：P1=P2+P33 变压器的损耗功率：p初级输入功率与次级输出功率之差为变压器的损耗功率。（p=P1-P2）变压器的损耗功率p包括铁损PFE合铜损PCU。（p=PFe+PCU） 铜损：PCu=I12R1+I22R2 铁损：涡流损耗、磁滞损耗。由实验得：电流越大，铜损越大；IPCU 频率越高

8、，铁损越大。fPFe二、变压器的效率变压器的效率为变压器输出功率与输入功率的百分比，即大容量变压的效率可达98% 99%，小型电源变压器效率约为70% 80%。例 有一变压器初级电压为2200 V，次级电压为220 V，在接纯电阻性负载时，测得次级电流为10 A，变压器的效率为95%。 试求它的损耗功率，初级功率和初级电流。解：次级负载功率 P2 = U2I2cosj2 = 22010 = 2200 W初级功率 损耗功率 p = P1 P2 = 2316 2200 = 116W初级电流 第四节 常用变压器重点难点：了解几种常用变压器的结构特点、作用和使用时的注意事项。一、自耦变压器1自耦变压器

9、的构造和工作原理自耦变压器符号及原理图自耦变压器原、副线圈共用一部分绕组，它们之间不仅有磁耦合，还有电的关系，如图所示。原、副线圈电压之比和电流之比的关系为公共线圈上的电流：ICB=I2-I1=(1-)I22.自耦变压器的优点缺点：优点：用铜量少，重量轻，体积小，铜损小，效率高。缺点：不能用于安全变压器，初次极线圈不仅有磁的联系还有电的直接联系。3 用注意事项：初次极不可接反火线底线不能倒接调压时应从零开始4 应用：实验用的调压变压器实验用调压变压器实验室中用来连续改变电源电压的调压变压器，就是一种自耦变压器多绕组变压器二、多绕组变压器1多绕组变压器变压器的次级有两个以上的绕组或初、次级都有两

10、个以上绕组的变压器叫多绕组变压器，如图所示。多绕组变压器原、副线圈的电压关系仍符合变压比的关系，即：U1：U2：U3=N1：N2：N3初次级绕组的功率关系：P1=(P2+P3)/ =(P2+P3)/P1初级电流： I1=P1/U1cos1理想时初次级线圈电流的关系： N1I1=N2I2+N3I32多绕组变压器的使用多绕组变压器多使用于电子设备中，输出多种电压。多绕组可串联或并联使用，串联时应将线圈的异名端相接，并联时应将线圈的同名端相接。只有匝数相同的线圈才能并联。N1N2N3+U1+U2+U3I1I3I2例：证明下列结论是否成立。U1:U2=N1:N2；U2:U3=N2:N3I1:I2=N2

11、:N1；I1:I3=N3:N1N1I1=N2I2+N3I3U1I1=U2I2+U3I3三、互感器1 互感器：互感器是一种专供测量仪表，控制设备和保护设备中使用的变压器。2 分类：可分为电压互感器和电流互感器两种。3 作用：把高电压和大电流变换为低电压和小电流进行测量。电压互感器电压互感器特点： 电压互感器为降压变压器。匝数多的为高压绕组供电线路 匝数少的为低压绕组电压表高压线路的电压U1等于所测量电压U2和变压比K的乘积，即U1=KU2使用时应注意： 次级绕组不能短路，防止烧坏次级绕组。 铁心和次级绕组一端必须可靠的接地，防止高压绕组绝缘被破坏时而造成设备的破坏和人身伤亡。 只可测量较高的交流

12、电压的值。电流互感器图电流互感器特点：电流互感器为升压变压器：匝数少、导线粗的为初级绕组待测线路 匝数多、导线细的为次级绕组电流表通过负载的电流就等于所测电流和变压比倒数的乘积。I1=I2使用时应注意：(1) 绝对不能让电流互感器的次级开路，否则易造成危险；(2) 铁心和次级绕组一端均应可靠接地。(3) 只能测量大的交流电流。常用的钳形电流表也是一种电流互感器。它是由一个电流表接成闭合回路的次级绕组和一个铁心构成，其铁心可开、可合。测量时，把待测电流的一根导线放入钳口中，电流表上可直接读钳形电流表出被测电流的大小，如图所示。四、三相变压器图11-12 三相变压器三相变压器就是三个相同的单相变压

13、器的组合，如图所示。三相变压器用于供电系统中。根据三相电源和负载的不同，三相变压器初级和次级线圈可接成星形或三角形。第五节 变压器的额定值和检验一、变压器的额定值变压器的满负荷运行情况叫额定运行，额定运行条件叫变压器的额定值。额定容量指次级最大视在功率，单位是伏安(VA)或千伏安(kVA)。额定初级电压指接到初级线圈电压的规定值。 额定次级电压指变压器空载时，初级加上额定电压后，次级两端的电压。额定电流指规定的满载电流值。变压器的额定值取决于变压器的构造及使用的材料。使用时，变压器应在额定条件下运行，不能超过其额定值。除此外还应注意：(1) 工作温度不能过高；(2) 初、次级绕组必须分清；(3

14、) 防止变压器绕组短路，以免烧毁变压器。二、变压器的检验变压器在使用前应进行检验，通常其检验内容有：(1) 区分绕组、测量各绕组的直流电阻；(2) 绝缘检查；(3) 各绕组的电压和变压比；(4) 磁化电流Im ，变压器次级开路时的初级电流叫磁化电流，Im 一般为初级额定电流的3% 8%。各项检验都应符合设计标准，否则不宜使用。第六节 三相异步电动机一、 电动机的概念分类1 电动机：利用电磁感应原理把电能转换为机械能，输出机械转矩的原动机。2 分类：根据电流类型：交流电动机：单相 或 同步 三相 异步直流电动机 转子结构不同：鼠笼式和绕线式。二、 异步电动机的构造图定子绕组的星形和三角形连接图图

15、三相异步电动机的构造电动机由定子和转子两个基本部分组成，如图所示。1定子三相异步电动机的定子由机座、铁心和定子绕组组成。 机座：材料：铸铁或铸钢 作用：固定铁心和定子绕组，表面带有散热筋，增加了散热面积，提高散热效果。 定子铁心：电动机的磁路部分。材料：导磁性能较好的表面具有绝缘层的硅钢片叠加而成。作用：嵌放定子绕组，内部产生交变磁通。 定子绕组：定子绕组是电动机的电路部分，由三相对称绕组组成，按一定规则连接，有六个出线端。即U1-U2、V1-V2、W1-W2接到机座的接线盒中，定子绕组接成星形或三角形。图 (a)是定子绕组的星形连接图；图 (b)是定子绕组的三角形连接图。材料：高强度漆包圆铜

16、线或铝线绕制而成。作用：通入交流电产生交变磁通。2转子转子是异步电动机的旋转部分，由转轴、转子铁心和转子绕组三部分组成，其作用是输出机械转矩。 (a)所示为笼型绕组，(b)为铸铝的笼型转子。图11-16 三相绕组电流的波形图图笼型绕组及转子 转子铁心：电机的磁路部分。材料：0.5mm厚的硅钢片叠加而成作用：嵌放转子绕组 转子绕组：电机的电路部分。材料：漆包圆铜线或铝线绕制而成作用：产生感应电流，产生电磁转矩。 转轴 ：材料：中碳钢或合金钢作用：支撑转子和传递转矩。3气隙：气隙的大小对异步电动机的性能影响很大，为了降低电机的励磁电流和提高功率因数，气隙应做得尽可能小些，但气隙过小会导致运行不可靠

17、，装配也比较困难。气隙一般为0.22mm（异步电动机）。三、旋转磁场1旋转磁场的产生将对称三相电流通入在空间彼此相差120°的作星形连接的三线圈。设三相电流为： i1=Imsin(w t)i2 = Imsin(w t 120°)i3 = Imsin(w t + 120°)旋转磁场的产生根据电流的磁效应，在三相绕组的空间上就会产生旋转磁场，如图所示，为方便分析，规定电流为正值时，电流从线圈的首端(即U1、V1和W1)流向末端(即U2、V2和W2)。图中首端用 Ä 表示，末端用 表示，反之电流由末端流向首端。取w t = 0°、90°、1

18、80°、270°和360°五个瞬间，依次的标出电流的方向，由右手螺旋法则确定磁场的方向。w t = 0°时，磁场方向由右指向左；w t = 90°时，磁场的方向垂直向上；w t = 180°、270°和360°时，磁场的方向分别向右、向下和向左，顺时针旋转一周，分别如图 (a)、(b)、(c)、(d)和(e)所示。由图可见，当空间彼此相差120°的三个相同线圈通入对称三相交流电，就能产生与电流有相同角速度的旋转磁场(即交流电变化一周，旋转磁场在空间也旋转一周)。当我们i1使通入V相，i2通过U相时，分析可

19、见，旋转磁场逆时针旋转。因此，只要把接到三相绕组上的两根电源线任意对调，即改变电源的相序，就可实现旋转磁场的反转。2旋转磁场的转速上述旋转磁场具有一对磁极，若用p表示磁极对数，则p = 1。磁极对数p = 1的旋转磁场，其转速与正弦电流同步。若交流电的频率为f，则旋转磁场的转速 n0 = 60 f (r/min)当磁极对数p = 2时，交流电变化一周，旋转磁场转动周，依次类推当旋转磁场具有p对磁极时，交流电变化一周，旋转磁场转动周。因此交流电频率为f，磁极对数为p，则旋转磁场的转速为式中n0又称为同步转速，单位：转每分（r/min）； p为正整数。当f=50Hz时，则有：p1234n03000

20、三相异步电动机的工作原理三相异步电动机的工作原理旋转磁场以同步转速n0顺时针旋转，相当于磁场不动，转子逆时针切割磁力线，产生感应电流，用右手定则判定，转子半部分的感应电流流入纸面。有电流的转子在磁场中受到电磁力的作用，用左手定则判定，上半部分所受磁场力向右，下半部分所受磁场力向左，如图所示。这两个力对转子转轴形成电磁转矩，使转子沿旋转磁场的方向以转速n旋转。 五、三相异步电动机的极数与转速三项异步电动机：电动机总是以低于旋转磁场的转速转动。即n < n0异步电动机的同步转率n0与转子转速n之差，即n0 n称为转速差。转差率：转速差(n0 n)与n之比称为异步电动

21、机的转差率，用s表示 n = (1 s) n0注：式中0<s<1转差率是异步电动机的一个重要参数。例：某三相异步电动机在额定状态下运行，转速是1430r/min，电源频率是50Hz，求：磁场转速n0、磁极对数p，额定转差率s。解：已知：n=1430r/min f=50Hz求：n0、p、sn0=1500(观察法) =4.7%p=2六、异步电机的三种运行状态1 电动机运行状态：0<n<n00<s<12 发电机运行状态：n>n0s<03 电磁制动状态：-<n<01<s<七、异步电动机的铭牌在电动机的铭牌上标有其主要技术数据，使用

22、时应多加注意，表11-1就是一台三相异步电动机的铭牌。表11-1 三相异步电动机的铭牌三相异步电动机型号 Y132M4 功率 7.5KW 频率 50HZ电压 380V 电流 15.4A 接法 转速 1440r/min 绝缘等级 B 工作方式 连续 年 月 日 编号 电机厂 1型号：表示电机名称、规格、防护型及转子类型等所采用的产品代号。J：交流异步电动机Y：异步电动机O：封闭式（没有O是防护式）S：双鼠笼式C：深槽式转子D：多速Y 132 M 2 - 4产品代号，表示异步电动机机座中心高度132mm磁极数（4极p=2）铁心长度代号，表2号铁心长度机座类型，中号机座例： 2 额定值额定电压UN：

23、电动机在额定工作状态下运行时，定子绕组上规定使用的线电压。单位：V或KV额定电流IN：电动机在额定工作状态下运行时，电源输出电动机的线电流。额定功率PN：电动机在额定工作状态下运行时，轴上输出的机械功率。 三相异步电动机，其额定功率为：PN=UNINNcosN（输出功率） 理想状态下：N=100%PN=UNIN cosN cosN：额定功率因数 cosN=PN/SN额定转速nN：电动机在额定工作状态下运行时的转速。额定频率fN：电动机在额定工作状态下运行时输入电动机交流电的频率。接法：电动机在额定电压下运行时定子三相绕组的联结方式。 例：380/220V Y/接法 说明：电源线电压为380V时

24、接成Y形 绕组承受的 电源线电压为220V时接成形 电压相等D1 D2 D3D4 D5 D6D4 D5 D6D4 D5 D6D1 D2 D3D1 D2 D3Y形形 定子绕组共有六个出线端，首端D1、D2、D3，尾端D4、D5、D6。防护等级：电动机外壳的防护形式绝缘等级与温升： 绝缘等级：电动机所用绝缘材料的耐热等级。 温升：电动机发热时允许升高的温度。工作方式：指运行持续的时间 连续运行、短时运行、断续运行第七节 三相异步电动机的控制重点难点：会进行三相异步电动机起动、反转、调速、制动的操作。三相异步电动机起动、反转、调速和制动的方法。一、三相异步电动机的起动三相异步电动机的起动可分为全压起

25、动和降压起动两种。1全压起动加在定子绕组的起动电压是电动机的额定电压，这样的起动叫全压起动。全压起动在刚接通电源的瞬间，旋转磁场与转子间的相对转速较大，在转子中产生的感应电流和变压器的原理一样，定子电流必然很大，一般为额定电流的4 7倍。过大的起动电流会在线路上造成较大的电压降，影响供电线路上其他设备的正常工作。此外，当起动频繁时，过大的起动电流会使电动机过热，影响其使用寿命。只有二、三十千瓦以下的异步电动机采用全压起动。2降压起动在起动时降低加在电动机定子绕组上的电压，待起动结束时恢复到额定值运行。笼型电动机的降压起动常用串电阻降压起动、星形-三角形换接起动和自耦降压起动等方法。(1) 串电

26、阻降压起动串电阻降压起动，就是电动机起动时将电阻串联在定子绕组与电源之间的起动方法，如图11-19所示。图11-20 星三角降压起动图11-19 定子绕组串电阻降压起动(2) 星形-三角形换接起动星形-三角形换接起动，就是电动机起动时把定子绕组连成星形，等到转速接近额定值时再换接成三角形的起动方法。图11-20是一种星三角起动器的连接简图，起动时，将手柄指向右，定子绕组连成星形降压起动。等电动机接近额定转速时，将手柄指向左，定子绕组换接成三角形，电动机正常运行。(3) 自耦降压起动图11-21 自耦变压器降压起动自耦降压起动，是利用三相自耦变压器将电动机在起动过程中的端电压降低的起动方法，如图

27、11-21所示。二、三相异步电动机的调速在负载不变的条件下改变异步电动机的转速n叫调速。由转速公式可知，调速有下面三种方法：1变频调速变频调速采用晶闸管整流器将交流电转换为直流电，再由逆变器变换为频率，电压有效值可调的三相交流电，为三相异步电动机供电，实现电动机无级调速。2变转差率调速此种调速方法，只适用于绕线式电动机。通过改变接在转子电路中调速电阻的大小，就可平滑调速。3变级调速设计制造的电动机具有不同的磁极对数，根据需要改变定子绕组的连接方式，就能改变磁极对数，使电动机得到不同的转速。三、三相异步电动机的反转异步电动机的转向与旋转磁场的方向一致，而旋转磁场的方向取决于三相电源的相序。所以，

28、只要将三根相线中任意两根对调即可使电动机反转。图11-22是电动机正反转控制的原理图。图11-22正反转控制原理图11-23 电动机的能耗制动四、三相异步电动机的制动为克服惯性，保证电动机在断电时迅速停车，需要对电动机进行制动。异步电动机的制动常采用反接制动和能耗制动。1反转制动在电动机停车时，将三根电线中的任意两根对调，产生反转矩，起到制动作用。当转速接近零时切断电源，否则电动机会反转。2能耗制动在断电的同时，接通直流电源，如图11-23所示。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，起到制动的作用。第八节 单相异步电动机单相异步电动机的构造与三相异步电动机相似，也可由定子和笼型转子两个基本部分组成。一、单相异步电动机的工作原理单相异步电动机的定子绕组通以单相电流后，电动机内就产生一交变磁场，但磁场的方向时而垂直向上，时而垂直向下，即单相定子绕组的磁场不是旋转磁场，所以转子不能