电工电子技术教学

1、第四章 电动机与变压器,目 录,4.1 三相异步电动机控制电路的设计 4.2 电动机的分类 4.3 三相异步电动机 4.4 直流电动机与控制电机 4.5 变压器 4.6 三相异步电动机正反转控制线路的设计过程 4.7 拓展实训,本章要点,熟悉三相异步电动机的结构、工作原理。 掌握电动机的机械特性及应用。 熟悉变压器的结构、工作原理。 掌握变压器的阻抗变换特性。,技能目标,掌握电动机的启动、调速、反转、制动等方法。 了解电动机的选用及控制方法。 掌握变压器的选用、极性判别及简单变压器的制作。,4.1 三相异步电动机控制电路的设计,(1) 掌握三相异步电动机控制电路的设计原则和要求。 (2) 熟悉

2、实现控制的元器件，了解其工作原理。 (3) 能够绘制三相异步电动机电动加自锁或正反转控制电路,1. 设计目的,2. 设计内容,设计一个电动机正反转控制电路，绘制控制线路图。设备有电动机、交流接触器、常开(常闭)按钮、热继电器、熔断器、闸刀开关等。,交流电动机,直流电动机:,他励、并励、串励、复励,电动机类型：,4.2 电动机分类,电动机：电能转换成机械能,发电机：其他形式的能量转换成电能,电机作用：,使用电动机驱动生产机械： （1）简化生产机械的结构 （2）提高生产效率和产品质量 （3）能实现自动控制 （4）实现远距离操纵,优点：,动车机车用,JS、JR系列,风机系列,柴 油 发 电 机,齿轮

3、减速三相异步电动机,4.3 三相异步电动机,一、三相异步电动机的铭牌,1.型号：例如Y132M-4,Y 132M4,机座长度代号： M-中机座；S-短机座， L-长机座。,2.额定功率：PN,电机额定运行时，轴上输出的机械功率。,3.额定电压UN和电动机接法,电机额定运行时，定子绕组应加的线电压。,3kW及以下采用Y接法，4kW及以上采用接法。,例：380/220 Y/指：线电压为380V时采用Y接法；线电压220V时采用接法。,规定电机运行电压不能高于或低于额定值的5,电动机接法: 指定子三相绕组的接法。,Y/ 接法,接线盒,4.额定电流：IN,5.额定频率：fN,加在电动机定子绕组上的允许

4、频率。我国电网的频率规定为50Hz。,6.额定转速：nN,是指电动机在额定电压、额定频率和额定输出功率情况下的转速。,表示:接法时电机线电流为11.2A，相电流为6.48A；Y接法时线、相电流均为6.48A。,电机额定运行时，定子绕组的线电流。,7.绝缘等级,绝缘等级，是按电动机绕组所用的绝缘材料使用时容许的极限温度来分级的。,极限温度，是指电动机绝缘结构中最热点的最高容许温度。,8.工作方式,连续运行、短时工作和断续运行方式。,二、三相异步电动机的选择,1.功率选择,电动机功率(容量)是由生产机械所需功率决定。 如额定功率选得过大，电机在轻载下工作，其运行效率和功率因数都较低，不经济； 额定

5、功率选择得太小，将引起电动机过载，会使电动机温升超过允许值而过早损坏 。,为保证生产顺利进行，并获得良好经济、技术指标，应根据生产机械的需要和工作条件合理地选用电动机的功率、类型和转速。,1）连续工作方式,对于连续工作水泵、风机等生产机械，电机额定功率等于或稍大于生产机械的功率即可。,例如，车床的切削功率为,电动机的功率为,产品目录上选择一台合适的电动机，其额定功率应为,即可,在产品目录上选择 Y160M-4 型电动机，其额定功率 PN=11kW，满足 PNP，额定转速nN=1460r/min。,【解】,2) 短时工作方式,短时工作：闸门启闭、机床尾座、横梁移动和夹紧、刀架快速移动等。 我国规

6、定，短时工作方式的标准持续时间有 10min、30min、60min、90min 四种。,例如，刀架快速移动对电动机所要求的功率为,实际选用电机功率,为过载系数,【解】,Y系列四极笼型电动机的过载系数,于是,选用Y80-1-4型电动机， PN=0.55kWP1，nN=1390r/min。,3) 断续工作方式,周期性重复短时运行的工作方式 。,每周期包括恒定运行时间t1和停歇时间t2。 标准周期时间为10min。t1与T(T=t1+t2)的比值称负载持续率，用百分数来表示。 我国规定标准持续率：15%、25%、40%和60%四种，如不加以说明，则以25%为准。,2.种类和形式的选择,由于生产常用

7、三相交流电，没有特殊要求时，一般应选鼠笼式交流电机。鼠笼式异步电机结构简单、机械特性较硬、价格便宜、运行可靠、使用维护方便；,起重机、卷扬机、轧钢机、锻压机等不能采用笼型电动机的场合，可选用绕线式异步电动机。 常见的有开启式、防护式、封闭式和防爆式等不同结构形式电动机。以保证在不同的环境中能安全可靠地运行。,3.电压和转速选择,我国Y系列三相异步电动机的额定电压380V。100kW以上的大功率电机，常用3000V或6000V额定电压。,采用较多的电机同步转速是：1500r/min,转子,三、三相异步电动机的结构,构成：由机座、铁心和定子绕组组成 。,机座是用铸铁或铸刚制成。 铁心由互相绝缘的硅

8、钢片叠成，内圆周表面冲有槽，用以放置对称三相绕组。 绕组联接成星形或三角形。,作用： 产生旋转磁场。,1、定子。,异步电动机接线的结构示意,返 回,下一页,机座,定子绕组,铭牌数据,出线端子,鼠笼式电机构造简单、价格低廉、工作可靠、使用方便。,构成：由铁心和绕组两部分构成。,铁心也用硅钢片叠成，表面冲有槽，装在转轴上，轴上加机械负载； 绕组分为鼠笼式和绕线式两种。,作用：在旋转磁场作用下，产生感应电动势或电流。,2、转子,鼠笼式转子,转轴,轴承,转子,绕线式转子,铁心,绕组,转轴,直流电机,小直流电机,上一页,返 回,步进电机,交流伺服电机,同步电机,演示实验,4、三相异步电动机的工作原理,（

9、右手定则）,（左手定则）,磁极旋转,导线切割磁力线产生感应电动势。,闭合导线产生电流。,通电导线在磁场中受力。,1. 线圈跟着磁铁转 两者转动方向一致,异步,2. 线圈比磁场转得慢,结论,1）旋转磁场的产生,在定子铁心的三相对称绕组中，通入三相对称交流电流，就产生“旋转磁场”，代替演示实验中的磁铁。,合成磁场 方向：向下,参考方向：绕组始端到末端的方向,同理可得： 其它电流角度下的磁场方向。,二极旋转磁场,可见，定子绕组中通入三相电流，共同产生的合成磁场是随着电流的交变而在空间不断地旋转着，这就是旋转磁场。,2）旋转磁场的转向,当通入定子绕组的三相电流的相序为A-B-C 时，旋转磁场转向与相序

10、一致。,旋转方向,取决于三相电流的相序！,改变电机旋转方向的方法：换接其中两相,3）旋转磁场的极数和转速,此种接法下，绕组始端间相差1200空间角， 合成磁场只一对磁极，则极对数为1。,旋转磁场的极数和三相绕组的安排有关,将每相绕组分成两段，按右下图放入定子槽内，绕组始端间相差600空间角，磁场是两对磁极。,即：P =2,旋转磁场的转速决定于磁场的极数，在一对极的情况下，当电流交变一次时，磁场恰好在空间旋转了一周。,旋转磁场具有两对极时，当电流从t=0到t=60经历了60时，磁场在空间仅旋转了30。比P=1时转速慢了一半，即：,故:旋转磁场的转速n0决定于电流频率f1 和磁场的极对数P，可推出

11、：,电动机转速:,无转距,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,提示：如果,在电动机定子绕组中通入三相对称交流电流后，产生旋转磁场。,旋转磁场的磁力线切割转子导条，导条中就感应出电动势。,在电动势的作用下，闭合的导条中就有电流，该电流与旋转磁场相互作用，使转子导条受到电磁力作用。由电磁力产生电磁转矩，转子就转动起来。,4）电动机的转动原理,电动机的转动原理,电生磁， 磁生电， 电磁力作用， 转子转。,异步电机运行中:,转差率：,5）转子转速和转差率,同步转速：旋转磁场的转速。,由于 n=975r/min，接近于同步转速n0=1000r/min,【例4-

12、3】有一台三相异步电动机，其额定转速n=975r/min。求电动机的极数和额定负载时的转差率。电源频率f1=50Hz。,故：极对数为p=3。额定负载时转差率为：,【解】,答：,【思考题】 什么是三相电源的相序？就三相异步电动机本身而言，有无相序？,5、三相异步电动机的电磁转矩和机械特性,1）转矩公式,由异步电动机转动原理知，电磁转矩T是由转子电流I2与旋转磁场相互作用而产生的。经推导得：,电源电压一定时，T、s 的关系曲线称电动机的转矩特性曲线，如图所示。,2）三个重要转矩,在等速转动时，电动机的电磁转矩T必须与阻转矩TC相平衡，阻转矩主要是机械负载转矩T2，还包括空载损耗转矩(轴承摩擦和风阻

13、转矩)T0。由于T0很小，可略去，有：,（1）额定转矩,可得,在额定电压下，电机以额定转速nN运行，输出额 定功率P2时，电动机转轴 上输出的转矩为:,例如：某普通车床的主轴电动机(Y132M-4型)的额定功率为7.5kW，额定转速为1440r/min，则额定转矩为,（2）最大转矩Tmax,电机带动最大负载的能力。最大转矩Tmax称临界转矩。对应的转差率sm称临界转差率。,如果 电机将带不动负载而停转。俗称“闷车”,求解,三相异步机,（1）Tmax和电压的平方成正比，故对电压波动敏感，用时要注意电压的变化。,（2）工作时，一定令负载转矩 ，否则电机将停转。致使电机严重过热。因为：,过载系数：,

14、（3）起动转矩 Tst:,其中,Tst 电机带载起动的能力。 电机能起动，否则起动不了。,则,【解】, 4kW以上电机常是连接，所以,由nN=1470r/min可知，P=2，n0=1500r/min，,3）机械特性,在实际应用中，电压一定时，转速与电磁转矩的关系。称为电动机的机械特性曲线。,电机电磁转矩可随负载的变化而自动调整的能力-自适应负载能力,自适应负载能力是电机区别于其它机械的重要特点！（如：柴油机负载增加，须人为加大油门带动新的负载。）,电动机的自适应负载能力,直至新的平衡。此过程中， 时， 电源提供的功率自动 增加。,硬特性：负载变化时，转速变化不大，运行特性好。 软特性：负载增加

15、转速下降较快，但起动转矩大，起 动特性好。 ,不同场合应选不同的电机。金属切削选硬特性电机；重载起动则选软特性电动机。,机械特性的软硬,结论：,和电压的关系,R2 的 改变 ： 鼠笼式电动机转子导条的金属材料不同; 绕线式电动机外接电阻不同。,令：,得：,和转子电阻关系,【例4-5】已知Y160L-4 型异步电动机铭牌数据如下：PN=15kW，连接，nN=1460r/min， ,Tmax/TN=2，Tst/TN=1.4，Ist/IN=7.0，f1N=50Hz。试求：极对数 p；额定转差率；额定转矩 TN；最大转矩 Tmax；直接启动转矩Tst；额定电流IN；直接启动电流Ist。,【解】,由“型

16、号”知p=2 ，从而，n0=1500r/min。, 因为,所以,。,【思考题】某三相异步电动机的额定转速为1460r/min，当负载转矩为额定转矩的一半时，电动机的转速约为多少？,【答】 要点如下：,额定转矩下运行时，机械特性近似为直线。,n0=1500r/min, n=1500-1460=40r/min,额定转矩下运行时，额定转矩一半时，转差也近似一半：n=20r/min,故：n=1500-20=1480r/min,中小型鼠笼式电机起动电流为额定电流的4-7 倍。,原因：起动时 ， 转子导条切割磁力线速度很大。,定子电流,转子感应电势,转子电流,1）启动,6、三相异步电动机的运行,B 大电流

17、使电网电压降低,A 频繁起动时造成热量积累,影响：,起动时，虽然转子电流较大，但因转子的功率因数很低，因此起动转矩并不是很大，与额定转矩之比为1.0-2.2。,如果起动转矩过小，就不能满载起动，应设法提高；如果起动转矩过大，会使传动机构受到冲击而损坏，应设法减小。,电机过热,影响其他负载工作,三相异步机的起动方法：,（a） 直接起动,（b） 降压起动,起动时降低定子绕组上的电压，以减小起动电流，鼠笼式电机常用,降压起动方法有Y换接起动和自耦降压起动。,方法简单，但起动电流大，影响电网上其他负载正常工作。20-30千瓦以下的电机一般采用直接起动。能否直接启动经验公式：,Y 起动,设：电机每相阻抗

18、为 Z,（b）,Y 起动应注意的问题：,（a）仅适用于正常接法为的电动机。,Y 起动时，起动电流减小,同时起动转 矩也减小了。,所以降压起动适合于空载或轻载起动的场合,【例4-6】已知Y280S-4型鼠笼式异步电动机额定数据为：PN=75kW，nN=1480r/min，启动能力Tst/TN=1.9，负载转矩为200Nm，电动机由额定容量为320kVA，输出电压为380V的三相电力变压器供电，试问： 电动机能否直接启动？ 电动机能否用Y-降压启动？,【解】, 由式(4-5)得,4,所以不能直接启动。,电动机的额定转矩TN和启动转矩Tst分别为:,如果用Y-换接启动，则启动转矩为:,200,故,可

19、以采用此种启动方式。,【例题】 Y112M-4型三相异步电动机的技术数据如下：4kw,380V,f=50Hz ,接法，1440r/min, cos=0.82,=84.5%, Tst/TN=2.2,Ist/IN=7.0, Tmax/TN=2.2，试求（1）额定转差率sN（2）额定电流IN（3）起动电流Ist（4）额定转矩TN（5）起动转矩Tst（6）最大转矩Tmax（7）额定输入功率P1,【解】(1)由题意知：p=2 ，n0=1500r/min, sN =(1500-1440)/1500=0.04,a.改变电源频率 f1 (变频调速) b.改变磁极对数 p c.改变转差率 s,调速方法：,2）

20、三相异步电动机的调速,有级调速,无级或有级调速,无级调速,上一页,下一页,返 回,上一节,下一节,(a)变频调速,此种调速发展很快，调速性能较好。关键是研制变频电源（常由整流器、逆变器等组成）。,恒转矩调速：低于额定转速时，保持U1/f1近似不变，这时磁通和转矩也近似不变。,恒功率调速：高于额定转速时，保持U1=U1N，这时磁通和转矩都减小。转速增大，转矩减小，功率近似不变。,无级调速,（b）变极调速,(a) p = 2,(b) p = 1,上一页,下一页,返 回,上一节,下一节,改变异步电动机绕组极数实现调速。,（c）变转差率调速,变压调速,UN,上一页,下一页,返 回,上一节,下一节,转子

21、串电阻调速,R2,R2+RC,上一页,下一页,返 回,上一节,下一节,通过改变绕线转子电路的电阻值来改变转差率s，实现无级调速。,方法：电源任意两相互换,正转,反转,3）三相异步电动机的反转,(a)能耗制动：停车时，断开交流电源，接至直流电源上，产生制动转矩。,4)三相异步电动机的制动,(b) 反接制动 停车时，将电机电源的三根线中任意两根对调，使旋转磁场反向旋转，电机转矩方向与电机原来旋转方向相反，从而起制动作用。,为限制电流，制动时在定子或转子中串电阻,注意,措施,简单、效果好但能量消耗大!,直流电动机是将直流电能转换为机械能的电气设备。,4.4 直流电动机与控制电机,直流电动机的启动和调

22、速性能优越。所以在需要较大启动转矩和要求调速性能高的生产机械上仍然获得广泛应用，如电车、电气机车、龙门刨床、轧钢机等。,1、直流电动机的结构及分类,直流电动机由磁极、电枢和换向器等主要部件构成，如图示。,1）直流电动机的结构,定 子（磁 极） 转 子（电 枢） 换向器（整流子）,分为三部分：,直流电动机起动转矩大，调速性能好。 但，结构复杂，维护不便。,定子（磁极）： 极心和极掌。 极心上置励磁绕组 磁极为硅钢片固定于机座上。,转子（电枢）： 硅钢片表面冲槽放绕组。,换向器,换向器（整流子）：直流电机特有。结构如图示。铜片间有云母片绝缘。,直流电动机按励磁方式可分为他励、并励、串励和复励四种，

23、其接线原理如图所示。,2）直流电动机的分类,2、直流电动机的工作原理和机械特性,直流电动机工作原理如图示。,1）直流电动机的工作原理,电枢绕组只有一个线圈，线圈两端分别连在两个换向片上，换向片上压着电刷 A和B。,本质：电磁感应。,电枢电路的电压方程为：,电枢电路的等效电路模型如图示,发电运行：原动机电枢电枢两有效边有感应电动势，方向相反换向器变直流。,2)直流电动机的机械特性,励磁方式有：他励、并励、串励和复励。 常用他励和并励。 他励：励磁绕组和电枢分离； 并励：励磁绕组和电枢并联。,分析并励电动机的特性：起动、反转、调速、机械特性。,U、Rf 不变时，If 及其产生的也不变。故：,即：并

24、励电机的磁通等于常数，其转矩与电枢电流成正比。,式中：,为转速降。负载增加，转速下降。由Ra 引起。 Ra 小，n 不大，硬的机械特性。,并励、串励、复励电动机的机械特性曲线如图所示。其中，并励电动机机械特性较硬。,【例 4-7】有一并励电动机，其额定数据如下：P2=22kW，U=110V,n=1000r/min,=0.84； 并已知Ra=0.04，Rf=27.5。试求： （1）额定电枢电流Ia及额定励磁电流If; （2）损耗功率PaCu及P0； （3）额定转矩T； （4）反电动势E。,【解】,P2是输出(机械)功率，故额定输入功率：,额定电流为：,【解】,额定励磁电流为：,额定电枢电流为：,

25、电枢电路铜损为：,励磁电路铜损为：,总损失功率为：,空载损耗功率为：,额定转矩为：,反电动势为：,3、直流电动机的运行,并励电动机的启动电路如图示。,1）直流电动机的启动,为了限制启动电流，启动时在电枢电路中串联启动电阻Rst 。,电机启动时，若断开，磁通约为零，电磁转矩T太小，电动机将无法启动。由于电枢电流过大，时间一长，将导致电枢绕组烧毁。 若电机运行中突然失磁，电动机带有负载时，将会导致电机停转，电枢电流剧增； 电机空载时失磁，则会使其转速上升到很高，出现“飞车”现象。,特别应该指出：直流电动机启动或工作时，励磁电路不能断开！,【解】,直接启动时启动电流近似为 ：,额定电流为：,【解】,

26、允许启动电流为：,启动电阻为：,2）直流电动机的反转,改变励磁电流或电枢电流的方向，都可改变直流电动机的转向。一般采用后者。,前者优点是控制功率较小，缺点是反向时间长，多用于不频繁正反转的机械。 后者优点是反向时间短，缺点是控制功率较大，多用于频繁正反转的机械。,3）直流电动机的调速,直流电机调速性能独特，无需复杂的调速设备即可实现无级调速。常用改变磁通(调磁)和改变电压(调压)两种方法。,a.改变磁通,因额定运行时磁通已接近饱和，故一般减小，调高转速。改变Rf实现。,如图示，减小，反电动势E减小，Ia增加，T=KTIa增加，阻转矩不变则n升高。,a.改变电压,不变，减小U，Ia减小，T减小，

27、负载转矩不变时，转速n下降。如图示。,因不变，在一定额定电流下调速，电动机输出转矩恒定。故称恒转矩调速。,【解】由T=KTIa 可知，负载转矩和励磁电流不变，电流也不变。,【例4-10】有一他励电动机，已知：U=220V，Ia=53.8A,n=1500r/min,Ra=0.7，今将电枢电压降低一半，而负载转矩不变，问转速降低多少？设励磁电流保持不变。,负载转矩和励磁电流不变，电流也不变。有：,即转速降低到原来的40%。,4.控制电动机,通过控制电机可实现诸如自动操纵、自动驾驶、自动加工、自动调节、自动记录、自动检测等目的。控制电机的类型很多，主要介绍伺服电机和步进电机两种。,1）伺服电机,将电

28、信号转换成轴上的角位移或角速度输出。主要特点：运行时如果控制电压变为零，电动机立即停转。且无自转现象，转速随着转矩的增加而匀速下降。,伺服电机外形和内部结构如图示,(a)交流伺服电机,即两相异步电动机。其定子上装有两个绕组，励磁绕组和控制绕组。它们在空间相隔900。其原理和单相异步电动机电容分相启动的情况相似。,转子分两种：笼型转子和杯形转子。,特点：控制电压大，电动机转得快；控制电压小，电动机转得慢。控制电压反相时，旋转磁场和转子也反转。若运行时控制电压变为零，电动机立即停转。,伺服电机的接线和机械特性曲线如下图示。,由机械特性曲线可见：在一定负载转矩下，控制电压愈高，则转速也愈高；在一定控

29、制电压下，负载增加，转速下降。,直流伺服电机的结构和一般直流电动机一样，只是为了减小转动惯量而做的细长一些。励磁绕组和电枢分别由两个独立电源供电。 采用电枢控制，就是励磁电压U1一定，建立的磁通也一定，通过改变电枢上的控制电压U2实现控制目的。 接线和机械特性曲线如图所示 。,(b)直流伺服电机,由机械特性曲线可见：一定负载转矩下，磁通不变时，升高电枢电压，电动机的转速就升高；反之，转速就下降；当 U2=0时，电动机立即停转。 改变电枢电压的极性可使电动机反转。 与交流伺服电机相比机械特性较硬。,2）步进电机,利用电磁铁的作用原理将电脉冲信号转变为角位移或线位移的电机，广泛应用于数字控制装置中

30、。步进电机外形如图所示。,步进电机外形,(a) 步进电机的分类,永磁式:一般为两相，转矩和体积较小，步进角一般为7.50,反应式:一般为三相，可实现大转矩输出，步进角一般为1.50，但噪声和振动都很大。,混合式：综合了永磁式和反应式的优点，应用最为广泛。它又分为两相和五相：两相步进角一般为1.80，而五相步进角一般为0.720。,(b)步进电机的主要特性,加适当的脉冲信号，就以一定角度(称为步角)转动。转动速度和脉冲频率成正比。,步进电机具有瞬间启动和急速停止特性。 改变脉冲顺序，可方便地改变转动方向。 应用于打印机、绘图仪、机器人等。,4.5 变压器,与电动机一样变压器是利用电磁感应原理进行

31、能量传输的一种电气设备。都是在电和磁的转换中传递、转换能量。电动机以机械能输出，变压器则仍以电能输出，表现为输出的交流电压、电流等级的变化，相对于电动机而言，变压器可称为“静止电器”。,1、变压器的结构、原理、运行,变压器的磁路,变压器的电路,1）变压器的结构,CD形变压器,CD形变压器,各种类型变压器,R形变压器,ED形变压器,常规变压器,稳 压 电 源 用 变 压 器,线路板用变压器,高频磁芯变压器,高压变压器（1千-5万伏）,油浸式变压器,机 床 控 制 变 压 器,照明、整流行灯控制变压器,低电压大电流变压器,电力变压器,三相干式变压器,自耦变压器,调压变压器,单相交流稳压变压器,电源

32、,变压器的分类,按用途分,(a) 铁心,铁心是变压器磁路的主体部分，是变压器线圈的支撑骨架。 为减少铁心的磁滞和涡流损耗，铁心通常由表面涂有漆膜、厚度为0.35mm或0.5mm的硅钢片冲压成一定形状后叠装而成。,低频变压器常用硅钢片作铁心，中频选铁氧体或薄膜合金作铁心，高频用非铁磁材料作铁心或将线圈空绕。,单相变压器结构示意图,相变压器在电路中的符号,(b)线圈,变压器电路的主体部分，担负着输入和输出电能的任务。,与电源相接的一侧称为“一次侧”，相应线圈称一次绕组(原绕组)； 与负载相接的一侧称为“二次侧”，相应线圈称为二次绕组(次绕组)。,通常一、二绕组的匝数不等。 匝数多的电压较高，称为高

33、压绕组； 匝数少的电压较低，称为低压绕组。 为有利于线圈和铁心间的绝缘，通常低压绕组靠近铁心内层，高压绕组则套在低压绕组外面。,2）变压器的工作原理,一、二次绕组互不相连，能量传递靠磁耦合。,(a)空载运行,一次侧接交流电源，二次侧开路。,空载时，铁心中主磁通是由一次绕组磁通势产生的。,(b)带负载运行情况,一次侧接交流电源，二次侧接负载。,有载时，铁心中主磁通是由一次、二次绕组磁通势共同产生的合成磁通。,电压变换（设加正弦交流电压）,有效值:,同 理：,主磁通按正弦规律变化，设为 则,一次、二次侧主磁通感应电动势,根据KVL：,变压器一次侧等效电路如图,R1和X1 较小, 与主磁电动势E1比

34、较可略，则,一次、二次侧电压,R1 一次侧绕组的电阻; X1=L1 一次侧绕组的感抗(漏磁感抗)。,K 为变压比（匝数比）,对二次侧，根据KVL：,结论：改变匝数比，就能改变输出电压。,R2 二次绕组的电阻; X2=L2二次绕组的感抗； 二次绕组的端电压。,变压器空载时:,故有,电流变换,(一次、二次侧电流关系),有载运行,即：m在变压器空载和有载时基本是恒定的。,不论空载还是有载，一次绕组上的阻抗压降均可略。有:,当U1、 f 不变，则 m 基本不变，近于常数。,空载：,有载：,或,结论：一次、二次侧电流与匝数成反比。,或：,1.提供产生m的磁势,可得磁势平衡式：,空载磁势,有载磁势,变压器

35、一、二次绕组电压比等于匝数比，既适用于空载运行，又适用于负载运行，不过负载比空载时误差稍大些。,【例4-11】有一单相变压器，其初、次级线圈的匝数为 N1=160 匝、N2=20 匝，若初级线圈接上220V的交流电压，求： 空载时，次级绕组的电压为多少？ 次级接上RL=5的负载时，初、次级绕组的电流各是多少？,【解】,3) 阻抗变换,由图可知：,结论：变压器一次侧的等效阻抗模，为二次侧所带负载的阻抗模的K 2 倍。,(1)变压器的匝数比应为：,【解】,【例题】如图，信号源电动势 E=120V，内阻 R0=800，负载为扬声器，其等效电阻为RL=8。要求: (1)当RL折算到原边的等效电阻 时，

36、求变压器的匝数比和信号源输出的功率；(2)当将负载直接与信号源联接时,信号源输出多大功率？,信号源的输出功率：,电子线路中，常用阻抗匹配实现最大输出功率。,结论：接入变压器以后，输出功率大大提高。,原因：满足了最大功率输出的条件：,（2）将负载直接接到信号源上时，输出功率为：,3）变压器的运行,(a）外特性,当一次侧电压 U1和负载功率因数 cos2保持不变时，二次侧输出电压 U2和输出电流 I2的关系，U2 = f (I2)。,U20：一次侧加额定电压、二次侧开路时，二次侧的输出电压。,一般供电系统希望要硬特性（随I2的变化，U2 变化不大），电压变化率约在5%左右。,电压变化率：,(b）损

37、耗与效率,变压器的损耗包括两部分：,铜损 (PCu) ：绕组导线电阻的损耗。与负载大小有关。,铁损(PFe )：,变压器的效率为,一般 95% ,负载为额定负载的(5075)%时,最大。,输出功率,输入功率,与铁心内磁感应强度的最大值Bm的平方成正比。,【例4-13】有一带电阻负载的三相变压器，其额定数据如下：SN=100kVA,U1N=6000V, f=50Hz。U2N=U20=400V, 绕组连接成由试验测得: PFe=600W，额定负载时的PCu=2400W。试求： (1)变压器的额定电流；(2)满载和半载时的效率。,【解】,(1)额定电流,(2) 满载和半载时的效率,(c）变压器的并联

38、运行,将两台或两台以上的变压器的一、二次绕组分别接在一、二次侧的公共母线上，共同向负载供电的运行方式，如图所示。并联运行的优点：提高供电的可靠性；提高供电的经济性。,意义：当一台变压器发生故障时，并联运行的其他变压器仍可以继续运行，以保证重要用户的用电。,变压器并联运行理想运行情况：当变压器已经并联起来，但还没有带负荷时，各台变压器之间应没有循环电流。,为此，须满足下面条件： 各变压器的极性相同； 各变压器的变比相等； 各变压器的阻抗电压相等； 各变压器的漏电抗与电阻之比相等。,1)实际变压器,2.变压器的选择和使用,实际变压器的等效电路,实际变压器有漏磁通、漏电感、导线损耗电阻、线圈匝与匝之

39、间的分布电容等。实际等效电路如图示。,2) 额定值,(1) 额定电压U1N、U2N。U1N是指根据变压器的绝缘强度和允许温升而规定在初级线圈上所加电压的有效值。U2N是指初级加上额定电压U1N时，次级线圈两端的电压有效值。 (2) 额定电流I1N、I2N。根据变压器的允许温升而规定的变压器连续工作的初、次级线圈的最大允许工作电流。 (3) 额定容量SN。次级线圈的额定电压与额定电流的乘积，也就是变压器视在功率，常以千伏安(kVA)作其单位。 (4) 额定频率fN。变压器初级所允许接入的电源频率。我国规定为50Hz。,3) 变压器的选用,(1) 额定电压的选择：依据输电线路电压等级和用电设备的额

40、定电压。一般变压器原绕组的额定电压应与线路额定电压相等。 (2) 额定容量的选择：容量选小了，造成变压器经常过载运行，缩短变压器寿命，甚至影响工厂的正常供电。选得过大，变压器得不到充分利用，效率和功率因数低。工厂总负荷乘以系数，一般为0.20.7 。 (3)台数的选择：当总负荷小于1000kVA时，一般选用一台变压器，当总负荷大于1000kVA时，可选用两台技术数据相同的变压器并联运行。,4) 变压器故障分析,(1) 引出线端头断裂 (2) 线圈的匝间短路 (3) 线圈对铁心短路 (4) 铁心噪声过大 (5) 线圈漏电 (6) 线圈过热 (7) 铁心过热 (8) 输出侧电压下降,3、特殊变压器,(1)自耦变压器：初、次级线圈绕组之间既有磁的耦合又有电的联系。 常用于实验室设备的调压、调节灯光亮度。 只有一个绕组，用抽头法实现变压。电路原理图如图所示。,(2) 多绕组变压器：,一个初级线圈绕组，若干个次级线圈绕组的变压器，它可以同时提供若干种不同大小的电压输出，如图所示。,(3)仪用互感器：,专门用在测量仪器和保护设备上的变压器。分电压互感器和电流互感器两种。,(a)电压互感器：,电压互感器实际上是一个损耗低、变压比精确的安全变压器，它将待测的高电压与测量仪器电路隔离，以保证测量及安全。外形如图所