变压器和交流电动机

变压器和交流电动机第一页，共六十六页，编辑于2023年，星期日第十一章变压器和交流电动机

教学重点：

1．能利用变压器的电压变换、电流变换和阻抗变换的关系做相应的计算。

2．会正确使用几种变压器。

3．会进行三相异步电动机起动、反转、调速、制动的操作。

1．变压器的工作原理。

2．三相异步电动机的工作原理。

3．三相异步电动机起动、反转、调速和制动的方法。教学难点：

第二页，共六十六页，编辑于2023年，星期日序号内容学时1

第一节变压器的构造12

第二节变压器的工作原理23

第三节变压器的功率和效率14

第四节常用变压器15

第五节变压器的额定值和检验16

实验单相变压器27

第六节三相异步电动机28

第七节三相异步电动机的控制19

第八节单相异步电动机110本章小结211本章总学时14学时分配：第三页，共六十六页，编辑于2023年，星期日第十一章变压器和交流电动机第一节变压器的构造第二节变压器的工作原理第三节变压器的功率和效率第四节常用变压器第五节变压器的额定值和检验第六节三相异步电动机第七节三相异步电动机的控制第八节单相异步电动机本章小结第四页，共六十六页，编辑于2023年，星期日第一节变压器的构造一、变压器的用途和种类二、变压器的基本构造第五页，共六十六页，编辑于2023年，星期日一、变压器的用途和种类

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。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。图

11-1

变压器的符号

第六页，共六十六页，编辑于2023年，星期日二、变压器的基本构造变压器主要由铁心和绕组两部分构成。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。绕组圈是变压器的电路部分，是用漆包线、纱包线或丝包线绕成。其中和电源相连的绕组叫一次绕组，和负载相连的绕组叫二次绕组。图

11-2

心式和壳式变压器

第七页，共六十六页，编辑于2023年，星期日第二节变压器的工作原理一、变压器的工作原理二、变压器的外特性和电压变化率第八页，共六十六页，编辑于2023年，星期日一、变压器的工作原理变压器是按电磁感应原理工作的，一次绕组接在交流电源上，在铁心中产生交变磁通，从而在一次、二次绕组产生感应电动势，如图11-3所示。图

11-3

变压器空载运行原理图

第九页，共六十六页，编辑于2023年，星期日由此得忽略线圈内阻得一次绕组接上交流电压，铁心中产生的交变磁通同时通过一次、二次绕组，一次、二次绕组中交变的磁通可视为相同。设一次绕组匝数为N1，二次绕组匝数为N2，磁通为，感应电动势为

1．变换交流电压第十页，共六十六页，编辑于2023年，星期日

上式中K称为变压比。由此可见：变压器一次绕组、二次绕组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。第十一页，共六十六页，编辑于2023年，星期日式中cos1——一次绕组电路的功率因数；

cos2——二次绕组电路的功率因数。1，2相差很小，可认为相等，因此得到可见，变压器工作时一次、二次绕组的电流跟绕组的匝数成反比。高压绕组通过的电流小，用较细的导线绕制；低压绕组通过的电流大，用较粗的导线绕制。这是在外观上区别变压器高、低压绕组的方法。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P1=P2，由交流电功率的公式可得

U1I1cos1=U2I2cos2

2．变换交流电流

第十二页，共六十六页，编辑于2023年，星期日将代入，得因为所以设变压器一次侧输入阻抗为|Z1|，二次侧负载阻抗为|Z2|，则

可见，二次侧级接上负载|Z2|时，相当于电源接上阻抗为K2|Z2|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。3．变换交流阻抗第十三页，共六十六页，编辑于2023年，星期日一次侧电流输入阻抗

【例11-1】有一电压比为220/110的降压变压器，如果次级接上55

的电阻，求变压器一次侧的输入阻抗。解1：二次侧电流第十四页，共六十六页，编辑于2023年，星期日解2：变压比输入阻抗第十五页，共六十六页，编辑于2023年，星期日

【例11-2】有一信号源的电动势为1V，内阻为600，负载电阻为150。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，一、二次电流各为多少?图11-4例11-2图第十六页，共六十六页，编辑于2023年，星期日

解：负载电阻R2=150，变压器的输入电阻R1=R0=600，则变比应为

一、二次电流分别为第十七页，共六十六页，编辑于2023年，星期日设交流信号源电压U=100V，内阻RO=800Ω，负载RL=8Ω.(1)将负载直接接至信号源，负载获得多大功率？(2)经变压器进行阻抗匹配，求负载获得的最大功率是多少？变压器变比是多少？第十八页，共六十六页，编辑于2023年，星期日二、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一次电压U1和负载的功率因数都一定时，二次电压U2随二次电流I2变化的关系，如图11-5所示。图11-5变压器外特性曲线第十九页，共六十六页，编辑于2023年，星期日

由变压器外特性曲线图可见：

(3)

当负载为电容性负载时，随着功率因数cos

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。

(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cos有关。第二十页，共六十六页，编辑于2023年，星期日2．电压的变化率电压变化率是指变压器空载时二次端电压U2N和有载时二次端电压U2之差与U2N

的百分比。即：电压变化率越小，为负载供电的电压越稳定。第二十一页，共六十六页，编辑于2023年，星期日第三节变压器的功率和效率一、变压器的功率二、变压器的效率第二十二页，共六十六页，编辑于2023年，星期日二、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%。变压器的功率消耗等于输入功率P1=U1I1cos1和P2=U2I2cos2输出功率之差，即

PL

=P1–P2 变压器功率损耗包括铁损和铜损。一、变压器的功率第二十三页，共六十六页，编辑于2023年，星期日

【例11-3】有一变压器一次电压为2200V，次级电压为220V，在接纯电阻性负载时，测得二次电流为10A，变压器的效率为95%。试求它的损耗功率，一次级功率和一次级电流。解：一次级负载功率P2=U2I2cos2=220×10

W=2200W一次级功率PL

=P1–P2=2316–2200

W=116W一次级电流损耗功率第二十四页，共六十六页，编辑于2023年，星期日第四节常用变压器一、自耦变压器二、多绕组变压器三、互感器四、三相变压器第二十五页，共六十六页，编辑于2023年，星期日一、自耦变压器自耦变压器一次、二次绕组有一部分是共用的，它们之间不仅有磁耦合，还有电的关系，如图11-6所示。1．自耦变压器的构造和工作原理

图11-6耦变压器符号及原理图

第二十六页，共六十六页，编辑于2023年，星期日一次、二绕组电压之比和电流之比的关系为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。图

11-7

实验用调压变压器

第二十七页，共六十六页，编辑于2023年，星期日二、多绕组变压器变压器的二次侧有两个以上的绕组或一次、二次绕组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。多绕组变压器一次、二次绕组的电压关系仍符合变压比的关系1．多绕组变压器

图

11-8

多绕组变压器

第二十八页，共六十六页，编辑于2023年，星期日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，串联时应将绕组的异名端相接，并联时应将绕组的同名端相接。只有匝数相同的绕组才能并联。2．多绕组变压器的使用

第二十九页，共六十六页，编辑于2023年，星期日三、互感器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U1等于所测量电压U2和变压比K的乘积，即U1=KU2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。图11-9电压互感器

第三十页，共六十六页，编辑于2023年，星期日使用时应注意：

(1)

二次绕组不能短路，防止烧坏次级绕组。

(2)

铁心和二次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，电流互感器的一次绕组与待测电流的负载相串连，二次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。图11-10电流互感器

第三十一页，共六十六页，编辑于2023年，星期日使用时应注意：

(1)

电流互感器的二次绕组不得开路，否则易造成危险；

(2)

铁心和二次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二次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。图11-11钳形电流表

第三十二页，共六十六页，编辑于2023年，星期日四、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，三相变压器一次和二次线圈可接成星形或三角形。图

11-12

三相变压器

第三十三页，共六十六页，编辑于2023年，星期日第五节变压器的额定值和检验一、变压器的额定值二、变压器的检验第三十四页，共六十六页，编辑于2023年，星期日一、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——指二次侧最大视在功率，单位是伏安(VA)或千伏安(kVA)。额定一次电压——指接到一次绕组电压的规定值。额定二次电压——指变压器空载时，一次侧加上额定电压后，二次侧两端的电压。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。第三十五页，共六十六页，编辑于2023年，星期日(2)

一次、二次绕组必须分清；(3)

防止变压器绕组短路，以免烧毁变压器。(1)

工作温度不能过高；

除此外还应注意：第三十六页，共六十六页，编辑于2023年，星期日二、变压器的检验

(2)

绝缘检查；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；

(3)

各绕组的电压和变压比；

(4)

磁化电流

I

，变压器二次开路时的一次电流叫磁化电流，I

一般为初一次侧额定电流的3%~8%。各项检验都应符合设计标准，否则不宜使用。第三十七页，共六十六页，编辑于2023年，星期日第六节三相异步电动机一、异步电动机的构造二、旋转磁场三、三相异步电动机的工作原理四、三相异步电动机的极数与转速五、异步电动机的铭牌第三十八页，共六十六页，编辑于2023年，星期日一、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。图

11-13

三相异步电动机的构造

第三十九页，共六十六页，编辑于2023年，星期日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定子绕组的星形和三角形联结图

第四十页，共六十六页，编辑于2023年，星期日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

第四十一页，共六十六页，编辑于2023年，星期日二、旋转磁场将对称三相电流通入在空间彼此相差120的作星形联结的三线圈。设三相电流为：i1=Imsin(t)i2=Imsin(t–120)i3=Imsin(t+120)

其波形如图11-16所示。

1．旋转磁场的产生图11-16三相绕组电流的波形图第四十二页，共六十六页，编辑于2023年，星期日根据电流的磁效应，在三相绕组的空间上就会产生旋转磁场，如图11-17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)。图中首端用表示，末端用⊙表示，反之电流由末端流向首端。取

t

=0、90、180、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。

t=0时，磁场方向由右指向左；

t=90时，磁场的方向垂直向上；

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11-7(a)、(b)、(c)、(d)和(e)所示。第四十三页，共六十六页，编辑于2023年，星期日图11-17旋转磁场的产生第四十四页，共六十六页，编辑于2023年，星期日当我们i1使通入V相，i2通过U相时，分析可见，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。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)。第四十五页，共六十六页，编辑于2023年，星期日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=60f式中n0又称为同步转速。磁极对数p=2时，交流电变化一周，旋转磁场转动1/2周，依此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1/p

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第四十六页，共六十六页，编辑于2023年，星期日三、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。图11-18三相异步电动机的工作原理

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，上半部分所受磁力向右，下半部分所受磁场力向左，如图11-18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。第四十七页，共六十六页，编辑于2023年，星期日四、三相异步电动机的极数与转速

也可写成n=(1–s)n0

转差率是异步电动机的一个重要参数。

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。转速差(n0–n)与n之比称为异步电动机的转差率，用s表示第四十八页，共六十六页，编辑于2023年，星期日五、异步电动机的铭牌三相异步电动机型号Y132M—4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××电机厂表11-1三相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，使用时应多加注意，表11-1就是一台三相异步电动机的铭牌。第四十九页，共六十六页，编辑于2023年，星期日第七节三相异步电动机的控制一、三相异步电动机的起动二、三相异步电动机的调速三、三相异步电动机的反转四、三相异步电动机的制动第五十页，共六十六页，编辑于2023年，星期日一、三相异步电动机的起动

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。可分为全压起动和降压起动两种。第五十一页，共六十六页，编辑于2023年，星期日(1)

串电阻降压起动

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。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。2．降压起动

图

11-19

定子绕组串电阻降压起动

第五十二页，共六十六页，编辑于2023年，星期日星形-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。(2)

星形-三角形换接起动图

11-20

星—三角降压起动

第五十三页，共六十六页，编辑于2023年，星期日自耦降压起动，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11-21所示。(3)自耦降压起动图

11-21

自耦变压器降压起动

第五十四页，共六十六页，编辑于2023年，星期日二、三相异步电动机的调速

可知，调速有下面三种方法：1．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。在负载不变的条件下改变异步电动机的转速n叫调速。由转速公式第五十五页，共六十六页，编辑于2023年，星期日三、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，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

第五十六页，共六十六页，编辑于2023年，星期日四、三相异步电动机的制动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。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。第五十七页，共六十六页，编辑于2023年，星期日在断电的同时，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。2．能耗制动图

11-23

电动机的能耗制动

第五十八页，共六十六页，编辑于2023年，星期日第八节单相异步电动机一、单相异步电动机的工作原理二、单相电容式异步电动机第五十九页，共六十六页，编辑于2023年，星期日一、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，所以转子不能自行起动。因此，单相异步电动机转动的关键是产生一个起动转矩。第六十页，共六十六页，编辑于2023年，星期日二、单相电容式异