變壓器和交流電動機

1、變壓器和交流電動機第一節(jié) 變壓器的構造圖11-1 變壓器的符號一、變壓器的用途和種類變壓器是利用互感原理工作的電磁裝置，它的符號如圖11-1所示，T是它的文字符號。1變壓器的用途：變壓器除可變換電壓外，還可變換電流、變換阻抗、改變相位。2變壓器的種類：按照使用的場合，變壓器有電力變壓器、整流變壓器、調壓變壓器輸入、輸出變壓器等。二、變壓器的基本構造變壓器主要由鐵心和線圈兩部分構成。鐵心是變壓器的磁路通道，是用磁導率較高且相互絕緣的硅鋼片制成，以便減少渦流和磁滯損耗。按其構造形式可分為心式和殼式兩種，如圖11-2(a)、(b)所示。圖11-2 心式和殼式變壓器線圈是變壓器的電路部分，是用漆色線、

2、沙包線或絲包線繞成。其中和電源相連的線圈叫原線圈(初級繞組)，和負載相連的線圈叫副線圈(次級繞組)。第二節(jié) 變壓器的工作原理一、變壓器的工作原理變壓器是按電磁感應原理工作的，原線圈接在交流電源上，在鐵心中產生交變磁通，從而在原、副線圈產生感應電動勢，如圖11-3所示。1變換交流電壓原線圈接上交流電壓，鐵心中產生的交變磁通同時通過原、副線圈，原、副線圈中交變的磁通可視為相同。設原線圈匝數為N1，副線圈匝數為N2，磁通為F ，感應電動勢為圖11-3 變壓器空載運行原理圖由此得 忽略線圈內阻得上式中K稱為變壓比。由此可見：變壓器原副線圈的端電壓之比等于匝數比。如果N1 < N2，K <

3、1，電壓上升，稱為升壓變壓器。如果N1 > N2，K >1，電壓下降，稱為降壓變壓器。2變換交流電流根據能量守恒定律，變壓器輸出功率與從電網中獲得功率相等，即P1 = P2，由交流電功率的公式可得U1I1 cosj1= U2I2 cosj2式中cosj1原線圈電路的功率因數；cosj2副線圈電路的功率因數。j1，j2相差很小，可認為相等，因此得到U1I1 = U2I2可見，變壓器工作時原、副線圈的電流跟線圈的匝數成反比。高壓線圈通過的電流小，用較細的導線繞制；低壓線圈通過的電流大，用較粗的導線繞制。這是在外觀上區(qū)別變壓器高、低壓饒組的方法。3變換交流阻抗設變壓器初級輸入阻抗為|Z1

4、|，次級負載阻抗為|Z2|，則將代入，得因為 所以 可見，次級接上負載|Z2|時，相當于電源接上阻抗為K2|Z2|的負載。變壓器的這種阻抗變換特性，在電子線路中常用來實現(xiàn)阻抗匹配和信號源內阻相等，使負載上獲得最大功率?！纠?1-1】有一電壓比為220/110 V的降壓變壓器，如果次級接上55 W 的電阻，求變壓器初級的輸入阻抗。解1：次級電流 初級電流 輸入阻抗 解2：變壓比 輸入阻抗 【例11-2】有一信號源的電動勢為1V，內阻為600 W，負載電阻為150 W。欲使負載獲得最大功率，必須在信號源和負載之間接一匹配變壓器，使變壓器的輸入電阻等于信號源的內阻，如圖11-4所示。問：變壓器變壓比

5、，初、次級電流各為多少?圖11-5 變壓器外特性曲線圖11-4 例11-2圖解:負載電阻 R2 = 150 W，變壓器的輸入電阻R1 = R0 = 600 W，則變比應為初、次級電流分別為二、 變壓器的外特性和電壓變化率1變壓器的外特性變壓器外特性就是當變壓器的初級電壓U1和負載的功率因數都一定時，次級電壓U2隨次級電流I2變化的關系，如圖11-5所示。由變壓器外特性曲線圖可見：(1) I2 = 0時，U2 = U2N。(2) 當負載為電阻性和電感性時，隨著I2的增大，U2逐漸下降。在相同的負載電流情況下，U2的下降程度與功率因數cosj 有關。(3) 當負載為電容性負載時，隨著功率因數cos

6、j 的降低，曲線上升。所以，在供電系統(tǒng)中，常常在電感性負載兩端并聯(lián)一定容量的電容器，以提高負載的功率因數cosj。2電壓的變化率電壓變化率是指變壓器空載時次級端電壓U2N和有載時次級端電壓U2之差與U2N的百分比。即： 電壓變化率越小，為負載供電的電壓越穩(wěn)定。第三節(jié) 變壓器的功率和效率一、變壓器的功率變壓器的功率消耗等于輸入功率P1 = U1I1 cosj1和P2 = U2I2 cosj2輸出功率之差，即PL = P1 P2變壓器功率損耗包括鐵損和銅損。二、變壓器的效率變壓器的效率為變壓器輸出功率與輸入功率的百分比，即大容量變壓的效率可達98% 99%，小型電源變壓器效率約為70% 80%?！?/p>

7、例11-3】有一變壓器初級電壓為2200 V，次級電壓為220 V，在接純電阻性負載時，測得次級電流為10 A，變壓器的效率為95%。 試求它的損耗功率，初級功率和初級電流。解：次級負載功率 P2 = U2I2cosj2 = 22010 = 2200 W初級功率 損耗功率 PL = P1 P2 = 2316 2200 = 116W初級電流 第四節(jié) 常用變壓器一、自耦變壓器1自耦變壓器的構造和工作原理自耦變壓器原、副線圈共用一部分繞組，它們之間不僅有磁耦合，還有電的關系，如圖11-6所示。原、副線圈電壓之比和電流之比的關系為自耦變壓器在使用時，一定要注意正確接線，否則易于發(fā)生觸電事故。圖 11-

8、6 自耦變壓器符號及原理圖圖11-7 實驗用調壓變壓器實驗室中用來連續(xù)改變電源電壓的調壓變壓器，就是一種自耦變壓器，如圖11-7所示。圖11-8 多繞組變壓器二、多繞組變壓器1多繞組變壓器變壓器的次級有兩個以上的繞組或初、次級都有兩個以上繞組的變壓器叫多繞組變壓器，如圖11-8所示。多繞組變壓器原、副線圈的電壓關系仍符合變壓比的關系，2多繞組變壓器的使用多繞組變壓器多使用于電子設備中，輸出多種電壓。多繞組可串聯(lián)或并聯(lián)使用，串聯(lián)時應將線圈的異名端相接，并聯(lián)時應將線圈的同名端相接。只有匝數相同的線圈才能并聯(lián)。三、互感器互感器是一種專供測量儀表，控制設備和保護設備中使用的變壓器?？煞譃殡妷夯ジ衅骱碗?/p>

9、流互感器兩種。1電壓互感器使用時，電壓互感器的高壓繞組跨接在需要測量的供電線路上，低壓繞組則與電壓表相連，如圖11-9所示。圖11-9 電壓互感器圖11-10電流互感器可見，高壓線路的電壓U1等于所測量電壓U2和變壓比K的乘積，即U1=KU2使用時應注意：(1) 次級繞組不能短路，防止燒壞次級繞組。(2) 鐵心和次級繞組一端必須可靠的接地，防止高壓繞組絕緣被破壞時而造成設備的破壞和人身傷亡。圖11-11 鉗形電流表2電流互感器使用時，電流互感器的初級繞組與待測電流的負載相串連，次級繞組則與電流表串聯(lián)成閉和回路，如圖11-10所示。 通過負載的電流就等于所測電流和變壓比倒數的乘積。使用時應注意：

10、(1) 絕對不能讓電流互感器的次級開路，否則易造成危險；(2) 鐵心和次級繞組一端均應可靠接地。常用的鉗形電流表也是一種電流互感器。它是由一個電流表接成閉合回路的次級繞組和一個鐵心構成，其鐵心可開、可合。測量時，把待測電流的一根導線放入鉗口中，電流表上可直接讀出被測電流的大小，如圖11-11所示。圖11-12 三相變壓器四、三相變壓器三相變壓器就是三個相同的單相變壓器的組合，如圖11-12所示。三相變壓器用于供電系統(tǒng)中。根據三相電源和負載的不同，三相變壓器初級和次級線圈可接成星形或三角形。第五節(jié) 變壓器的額定值和檢驗一、變壓器的額定值變壓器的滿負荷運行情況叫額定運行，額定運行條件叫變壓器的額定

11、值。額定容量指次級最大視在功率，單位是伏安(VA)或千伏安(kVA)。額定初級電壓指接到初級線圈電壓的規(guī)定值。 額定次級電壓指變壓器空載時，初級加上額定電壓后，次級兩端的電壓。額定電流指規(guī)定的滿載電流值。變壓器的額定值取決于變壓器的構造及使用的材料。使用時，變壓器應在額定條件下運行，不能超過其額定值。除此外還應注意：(1) 工作溫度不能過高；(2) 初、次級繞組必須分清；(3) 防止變壓器繞組短路，以免燒毀變壓器。二、變壓器的檢驗變壓器在使用前應進行檢驗，通常其檢驗內容有：(1) 區(qū)分繞組、測量各繞組的直流電阻；(2) 絕緣檢查；(3) 各繞組的電壓和變壓比；(4) 磁化電流Im ，變壓器次級

12、開路時的初級電流叫磁化電流，Im 一般為初級額定電流的3% 8%。各項檢驗都應符合設計標準，否則不宜使用。第六節(jié) 三相異步電動機一、異步電動機的構造圖11-13 三相異步電動機的構造圖11-14定子繞組的星形和三角形連接圖電動機由定子和轉子兩個基本部分組成，如圖11-13所示。1定子三相異步電動機的定子由機座、鐵心和定子繞組組成。定子繞組是電動機的電路部分，由三相對稱繞組組成，按一定規(guī)則連接，有六個出線端。即U1-U2、V1-V2、W1-W2接到機座的接線盒中，定子繞組接成星形或三角形。圖11-14(a)是定子繞組的星形連接圖；圖11-14(b)是定子繞組的三角形連接圖。2轉子轉子是異步電動機

13、的旋轉部分，由轉軸、轉子鐵心和轉子繞組三部分組成，其作用是輸出機械轉矩。跟據構造的不同，轉子繞組分為繞線式和籠型兩種，圖11-15 (a)所示為籠型繞組，(b)為鑄鋁的籠型轉子。圖11-16 三相繞組電流的波形圖圖11-15 籠型繞組及轉子二、旋轉磁場1旋轉磁場的產生將對稱三相電流通入在空間彼此相差120°的作星形連接的三線圈。設三相電流為： i1=Imsin(w t)i2 = Imsin(w t 120°)i3 = Imsin(w t + 120°)其波形如圖11-16所示。根據電流的磁效應，在三相繞組的空間上就會產生旋轉磁場，如圖11-7所示，為方便圖11-1

14、7 旋轉磁場的產生分析，規(guī)定電流為正值時，電流從線圈的首端(即U1、V1和W1)流向末端(即U2、V2和W2)。圖中首端用 Ä 表示，末端用 表示，反之電流由末端流向首端。取w t = 0°、90°、180°、270°和360°五個瞬間，依次的標出電流的方向，由右手螺旋法則確定磁場的方向。w t = 0°時，磁場方向由右指向左；w t = 90°時，磁場的方向垂直向上；w t = 180°、270°和360°時，磁場的方向分別向右、向下和向左，順時針旋轉一周，分別如圖11-7(a)、(

15、b)、(c)、(d)和(e)所示。由圖可見，當空間彼此相差120°的三個相同線圈通入對稱三相交流電，就能產生與電流有相同角速度的旋轉磁場(即交流電變化一周，旋轉磁場在空間也旋轉一周)。當我們i1使通入V相，i2通過U相時，分析可見，旋轉磁場逆時針旋轉。因此，只要把接到三相繞組上的兩根電源線任意對調，即改變電源的相序，就可實現(xiàn)旋轉磁場的反轉。2旋轉磁場的轉速上述旋轉磁場具有一對磁極，若用p表示磁極對數，則p = 1。磁極對數p = 1的旋轉磁場，其轉速與正弦電流同步。若交流電的頻率為f，則旋轉磁場的轉速n0 = 60 f (r/min)當磁極對數p = 2時，交流電變化一周，旋轉磁場轉

16、動周，依次類推當旋轉磁場具有p對磁極時，交流電變化一周，旋轉磁場轉動周。因此交流電頻率為f，磁極對數為p，則旋轉磁場的轉速為式中n0又稱為同步轉速三、三相異步電動機的工作原理旋轉磁場以同步轉速n0順時針旋轉，相當于磁場不動，轉子逆時針切割磁力線，產生感應電流，用右手定則判定，轉子半部分的感應電流流入紙面。有電流的轉子在磁場中受到電磁力的作用，用左手定則判定，上半部分所受磁場力向右，下半部分所受磁場力向左，如圖11-18所示。這兩個力對轉子轉軸形成電磁轉矩，使轉子沿旋轉磁場的方向以轉速n旋轉。 四、三相異步電動機的極數與轉速圖11-18 三相異步電動機的工作原理電動機總是以低于旋轉磁場的轉速轉動

17、。即n < n0異步電動機的同步轉率n0與轉子轉速n之差，即n0 n稱為轉速差。轉速差(n0 n)與n之比稱為異步電動機的轉差率，用s表示也可寫成 n = (1 s) n0轉差率是異步電動機的一個重要參數。五、異步電動機的銘牌在電動機的銘牌上標有其主要技術數據，使用時應多加注意，表11-1就是一臺三相異步電動機的銘牌。三相異步電動機型號 Y132M4 功率 7.5KW 頻率 50HZ電壓 380V 電流 15.4A 接法 轉速 1440r/min 絕緣等級 B 工作方式 連續(xù) 年 月 日 編號 電機廠 表11-1 三相異步電動機的銘牌第七節(jié) 三相異步電動機的控制一、三相異步電動機的起動三

18、相異步電動機的起動可分為全壓起動和降壓起動兩種。1全壓起動加在定子繞組的起動電壓是電動機的額定電壓，這樣的起動叫全壓起動。全壓起動在剛接通電源的瞬間，旋轉磁場與轉子間的相對轉速較大，在轉子中產生的感應電流和變壓器的原理一樣，定子電流必然很大，一般為額定電流的4 7倍。過大的起動電流會在線路上造成較大的電壓降，影響供電線路上其他設備的正常工作。此外，當起動頻繁時，過大的起動電流會使電動機過熱，影響其使用壽命。只有二、三十千瓦以下的異步電動機采用全壓起動。2降壓起動在起動時降低加在電動機定子繞組上的電壓，待起動結束時恢復到額定值運行?；\型電動機的降壓起動常用串電阻降壓起動、星形-三角形換接起動和自

19、耦降壓起動等方法。(1) 串電阻降壓起動串電阻降壓起動，就是電動機起動時將電阻串聯(lián)在定子繞組與電源之間的起動方法，如圖11-19所示。圖11-20 星三角降壓起動圖11-19 定子繞組串電阻降壓起動(2) 星形-三角形換接起動星形-三角形換接起動，就是電動機起動時把定子繞組連成星形，等到轉速接近額定值時再換接成三角形的起動方法。圖11-20是一種星三角起動器的連接簡圖，起動時，將手柄指向右，定子繞組連成星形降壓起動。等電動機接近額定轉速時，將手柄指向左，定子繞組換接成三角形，電動機正常運行。(3) 自耦降壓起動圖11-21 自耦變壓器降壓起動自耦降壓起動，是利用三相自耦變壓器將電動機在起動過程

20、中的端電壓降低的起動方法，如圖11-21所示。二、三相異步電動機的調速在負載不變的條件下改變異步電動機的轉速n叫調速。由轉速公式可知，調速有下面三種方法：1變頻調速變頻調速采用晶閘管整流器將交流電轉換為直流電，再由逆變器變換為頻率，電壓有效值可調的三相交流電，為三相異步電動機供電，實現(xiàn)電動機無級調速。2變轉差率調速此種調速方法，只適用于繞線式電動機。通過改變接在轉子電路中調速電阻的大小，就可平滑調速。3變級調速設計制造的電動機具有不同的磁極對數，根據需要改變定子繞組的連接方式，就能改變磁極對數，使電動機得到不同的轉速。三、三相異步電動機的反轉異步電動機的轉向與旋轉磁場的方向一致，而旋轉磁場的方

21、向取決于三相電源的相序。所以，只要將三根相線中任意兩根對調即可使電動機反轉。圖11-22是電動機正反轉控制的原理圖。圖11-22正反轉控制原理圖11-23 電動機的能耗制動四、三相異步電動機的制動為克服慣性，保證電動機在斷電時迅速停車，需要對電動機進行制動。異步電動機的制動常采用反接制動和能耗制動。1反轉制動在電動機停車時，將三根電線中的任意兩根對調，產生反轉矩，起到制動作用。當轉速接近零時切斷電源，否則電動機會反轉。2能耗制動在斷電的同時，接通直流電源，如圖11-23所示。直流電源產生的磁場是固定的，而轉子由于慣性轉動產生的感應電流與直流電磁場相互作用產生的轉矩方向，恰好與電動機的轉向相反，

22、起到制動的作用。第八節(jié) 單相異步電動機單相異步電動機的構造與三相異步電動機相似，也可由定子和籠型轉子兩個基本部分組成。一、單相異步電動機的工作原理單相異步電動機的定子繞組通以單相電流后，電動機內就產生一交變磁場，但磁場的方向時而垂直向上，時而垂直向下，即單相定子繞組的磁場不是旋轉磁場，所以轉子不能自行起動。因此，單相異步電動機轉動的關鍵是產生一個起動轉矩。二、單相電容式異步電動機圖11-24 單相電容式異步電動機原理圖單相電容式異步電動機在定子上有工作繞組和起動繞組兩個繞組。兩個繞組在定子鐵心上相差90°的空間角度，起動繞組中串聯(lián)一個電容器，圖11-24所示是單相電容式異步電動機的原理圖。由圖可見，同一電源向兩個繞組供電，則工作繞組的電流和起動繞組的電流就會產生一個相位差，適當選