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电工基础 第十一章 变压器和交流电动机 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。 序号 内 容 学时 1 第一节 变压器的构造 1 2 第二节 变压器的工作原理 2 3 第三节 变压器的功率和效率 1 4 第四节 常用变压器 1 5 第五节 变压器的额定值和检验 1 6 实验 单相变压器 2 7 第六节 三相异步电动机 2 8 第七节 三相异步电动机的控制 1 9 第八节 单相异步电动机 1 10 本章小结与习题 2 11 本章总学时 14 第一节 变压器的构造 图11-1 变压器的符号 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11-2a、b所示。 图11-2 心式和壳式变压器 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N1，副线圈匝数为N2，磁通为F ，感应电动势为 图11-3 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 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。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|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。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11-1】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11-2】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11-4所示。问变压器变压比，初、次级电流各为多少 图11-5 变压器外特性曲线 图11-4 例11-2图 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 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11-5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 一、变压器的功率 变压器的功率消耗等于输入功率P1 U1I1 cosj1和P2 U2I2 cosj2输出功率之差，即 PL P1 – P2 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 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。 解次级负载功率 P2 U2I2cosj2 22010 2200 W 初级功率 损耗功率 PL P1 – P2 2316 – 2200 116W 初级电流 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 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。 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 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11-8 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， 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。 图11-9 电压互感器 图11-10电流互感器 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U1KU2 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。 图11-11 钳形 电流表 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。 图11-12 三相变压器 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 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 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、异步电动机的构造 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 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11-14a是定子绕组的星形连接图； 图11-14b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11-16 三相绕组电流的波形图 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 i1Imsinw t i2 Imsinw t – 120 i3 Imsinw t 120 其波形如图11-16所示。 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11-7所示，为方便 图11-17 旋转磁场的产生 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w 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。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11-7a、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 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。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。 四、三相异步电动机的极数与转速 图11-18 三相异步电动机的工作原理 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 也可写成 n 1 – s n0 转差率是异步电动机的一个重要参数。 五、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。 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 表11-1 三相异步电动机的铭牌 第七节 三相异步电动机的控制 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，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。 二、单相电容式异步电动机 图11-24 单相电容式异步电 动机原理图 单相电容式异步电动机在定子上有工作绕组和起动绕组两个绕组。两个绕组在定子铁心上相差90的空间角度，起动绕组中串联一个电容器， 图11-24所示是单相电容式异步电动机的原理图。 由图可见，同一电源向两个绕组供电，则工作绕组的电 流和起动绕组的电流就会产生一个相位差，适当选择电 容，是i1和i2的相位差为90，即 i1 I1msinw t - 90 i2 I2msinw t 用三相异步电动机的分析方法，相位差为90的i1和i2，流过空间相差90的两个绕组，能产生一个旋转磁场。在旋转磁场的作用，单相异步电动机转子得到起动矩而转动。 图11-25所示i1和i2 的波形图和旋转磁场图。 图11-25 两相绕组中的电流与旋转磁场 改变电动机定子绕组接线的顺序，可以改变旋转磁场的方向，也就改变了电动机的转向。 本 章 小 结 一、变压器的用途是变换电压、变换电流、变换阻抗、改变相位，由铁心和线圈两部分构成，它是按电磁感应原理工作的。 二、变压器原副线圈的端电压之比等于匝数比，变压器工作时原线圈的电流跟线圈的匝数成反比，即 三、常用变压器有自耦变压器、多绕组变压器、互感器和三相变压器等。 四、三相异步电动机由定子和转子两部分构成当空间彼此相差120的三个相同线圈通入对称三相交流电，就能产生与一个旋转磁场，与转子间存在相对运动，在转子上产生感应电流，是转子受到电磁转矩的作用而转动起来。电动机的转向与旋转磁场的方向相同，任意对调两相电源线，就可改变电动机的转向。 五、电动机的起动电流为额定电流的4 7倍，为避免过大的起动电流造成电网电压的波动和降低电动机的寿命，大型电动机要采用降压起动的方法。电动机的调速方法有变频调速、变转速率调速和变极调速。常用的制动方法是反接制动和能耗制动。 六、单相电容式异步电动机定子上有空间上相差90的工作绕组和起动绕组，起动绕组中串联一个电容器，同一电流流过空间相差90的两个绕组，能产生一个旋转磁场，使单相异步电动机转子得到起动转矩而转动。 120