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

t

N E t N E ∆∆=∆∆

=ΦΦ2211 ，

由此得

2

1

21N N E E =

忽略线圈内阻得 K N N U U ==2

121

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 K

N 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

1

11I U Z =

将21

212211 I N N

I U N N U ==，代入，得

2

2

2

211I

U N N Z ⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛= 因为

22

2

Z I U = 所以 2222

211Z 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 Α255110

222===Z U I

初级电流 Α2110

220

2121==≈=U U N N K

Α12

2

21===K I I

输入阻抗 Ω===2201220

111I U Z

解2：变压比 2110

220

2121==≈=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=⨯==⎪⎪⎭

⎫ ⎝⎛≈22055422

22

211Z 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 = 600

Ω，则变比应为

2150

600212

1

==≈=

R R N N K 初、次级电流分别为

mA

66.183.02mA

83.0A 1083.0600

6001

12

123101=⨯=≈=⨯≈+=+=

-I N N

I 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：

%100N

22

N 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