变压器和交流电动机

变压器和交流电动机第一节 变压器的构造一、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11-1 所示，T 是它的文字符号。

1．变压器的用途：变压器除可变换电压外，还可变换电流、变换阻抗、改变相位。

2．变压器的种类：按照使用的场合，变压器有电力变压器、整流变压器、调压变压器输入、输出变压器等。

二、变压器的基本构造变压器主要由铁心和线圈两部分构成。

铁心是变压器的磁路通道，是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损耗。

按其构造形式可分为心式和壳式两种，如图11-2(a)、(b)所示。

线圈是变压器的电路部分，是用漆色线、沙包线或丝包线绕成。

其中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)。

第二节 变压器的工作原理一、变压器的工作原理变压器是按电磁感应原理工作的，原线圈接在交流电源上，在铁心中产生交变磁通，从而在原、副线圈产生感应电动势，如图11-3所示。

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、副线圈中交变的磁通可视为相同。

设原线圈匝数为N 1，副线圈匝数为N 2，磁通为Φ ，感应电动势为tN E t N E ∆∆=∆∆=ΦΦ2211 ，由此得2121N N E E =忽略线圈内阻得 K N N U U ==2121图11-1 变压器的符号图11-2 心式和壳式变压器图11-3 变压器空载运行原理图上式中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N 1 < N 2，K < 1，电压上升，称为升压变压器。

如果N 1 > N 2，K >1，电压下降，称为降压变压器。

2．变换交流电流根据能量守恒定律，变压器输出功率与从电网中获得功率相等，即P 1 = P 2，由交流电功率的公式可得U 1I 1 cos ϕ1= U 2I 2 cos ϕ2式中cos ϕ1——原线圈电路的功率因数；cos ϕ2——副线圈电路的功率因数。

ϕ1，ϕ2相差很小，可认为相等，因此得到U 1I 1 = U 2I 2 KN N I I 11221== 可见，变压器工作时原、副线圈的电流跟线圈的匝数成反比。

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。

这是在外观上区别变压器高、低压饶组的方法。

3．变换交流阻抗设变压器初级输入阻抗为|Z 1|，次级负载阻抗为|Z 2|，则111I U Z =将21212211 I N NI U N N U ==，代入，得222211IU N N Z ⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛= 因为222Z I U = 所以 2222211Z K Z N N Z =⎪⎪⎭⎫⎝⎛=可见，次级接上负载|Z 2|时，相当于电源接上阻抗为K 2|Z 2|的负载。

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。

解1：次级电流 Α255110222===Z U I初级电流 Α21102202121==≈=U U N N KΑ12221===K I I输入阻抗 Ω===2201220111I U Z解2：变压比 21102202121==≈=U U N N K【例11-1】有一电压比为220/110 V 的降压变压器，如果次级接上55 Ω 的电阻，求变压器初级的输入阻抗。

输入阻抗Ω=⨯==⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛≈2205542222211Z K Z N N Z解:负载电阻 R 2 = 150 Ω，变压器的输入电阻R 1 = R 0 = 600Ω，则变比应为21506002121==≈=R R N N K 初、次级电流分别为mA66.183.02mA83.0A 1083.0600600112123101=⨯=≈=⨯≈+=+=-I N NI R R E I二、 变压器的外特性和电压变化率1．变压器的外特性变压器外特性就是当变压器的初级电压U 1和负载的功率因数都一定时，次级电压U 2随次级电流I 2变化的关系，如图11-5所示。

由变压器外特性曲线图可见： (1) I 2 = 0时，U 2 = U 2N 。

(2) 当负载为电阻性和电感性时，随着I 2的增大，U 2逐渐下降。

在相同的负载电流情况下，U 2的下降程度与功率因数cos ϕ 有关。

(3) 当负载为电容性负载时，随着功率因数cos ϕ 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cos ϕ。

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U 2N 和有载时次级端电压U 2之差与U 2N 的百分比。

即：%100N22N 2⨯-=∆U U U U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一、变压器的功率变压器的功率消耗等于输入功率P 1 = U 1I 1 cos ϕ1和P 2 = U 2I 2 cos ϕ2输出功率之差，即P L = P 1 – P 2【例11-2】有一信号源的电动势为1V ，内阻为600 Ω，负载电阻为150 Ω。

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11-4所示。

问：变压器变压比，初、次级电流各为多少?图11-4 例11-2图图11-5 变压器外特性曲线变压器功率损耗包括铁损和铜损。

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%10012⨯=P Pη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%。

解：次级负载功率 P 2 = U 2I 2cos ϕ 2 = 220⨯10 = 2200 W初级功率 W 231695.0220021≈==ηP P损耗功率 P L = P 1 – P 2 = 2316 – 2200 = 116W初级电流 Α05.122002316111≈==U P I第四节 常用变压器一、自耦变压器1．自耦变压器的构造和工作原理自耦变压器原、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11-6所示。

原、副线圈电压之比和电流之比的关系为K N N I I U U =≈=211221 自耦变压器在使用时，一定要注意正确接线，否则易于发生触电事故。

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，如图11-7所示。

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、次级都有两个以上绕组的变压器叫多绕组变压器，如图11-8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，【例11-3】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。

图 11-6 自耦变压器符号及原理图图11-7 实验用调压变压器图11-8 多绕组变压器31312121N N U U N N U U ≈≈2．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。

三、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。

可分为电压互感器和电流互感器两种。

1．电压互感器使用时，电压互感器的高压绕组跨接在需要测量的供电线路上，低压绕组则与电压表相连，如图11-9所示。

可见，高压线路的电压U 1等于所测量电压U 2和变压比K 的乘积，即U 1=KU 2使用时应注意：(1) 次级绕组不能短路，防止烧坏次级绕组。

(2) 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。

2．电流互感器使用时，电流互感器的初级绕组与待测电流的负载相串连，次级绕组则与电流表串联成闭和回路，如图11-10所示。

通过负载的电流就等于所测电流和变压比倒数的乘积。

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。

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 出被测电流的大小，如图11-11所示。

四、三相变压器三相变压器就是三个相同的单相变压器的组合，如图11-12 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图11-9 电压互感器图11-10电流互感器图11-11 钳形 电流表图11-12 三相变压器一、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(V A)或千伏安(kV A)。

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) 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Iμ ，变压器次级开路时的初级电流叫磁化电流，Iμ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、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11-13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。

定子绕组是电动机图11-13 三相异步电动机的构造图11-14定子绕组的星形和三角形连接图的电路部分，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11-14(a)是定子绕组的星形连接图；图11-14(b)是定子绕组的三角形连接图。

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。

跟据构造的不同，转子绕组分为绕线式和笼型两种，图11-15 (a)所示为笼型绕组，(b)为铸铝的笼型转子。

图11-15 笼型绕组及转子二、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： i 1=I m sin(ω t )i 2 = I m sin(ω t – 120︒) i 3 = I m sin(ω t + 120︒)其波形如图11-16所示。