變壓器和交流電動(dòng)機(jī)

1、變壓器和交流電動(dòng)機(jī)第一節(jié) 變壓器的構(gòu)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(diào)壓變壓器輸入、輸出變壓器等。二、變壓器的基本構(gòu)造變壓器主要由鐵心和線圈兩部分構(gòu)成。鐵心是變壓器的磁路通道，是用磁導(dǎo)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(gòu)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(fù)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(yīng)原理工作的，原線圈接在交流電源上，在鐵心中產(chǎn)生交變磁通，從而在原、副線圈產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)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(chǎn)生的交變磁通同時(shí)通過原、副線圈，原、副線圈中交變的磁通可視為相同。設(shè)原線圈匝數(shù)為N1，副線圈匝數(shù)為N2，磁通為F ，感應(yīng)電動(dòng)勢為圖11-3 變壓器空載運(yùn)行原理圖由此得 忽略線圈內(nèi)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(shù)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(jù)能量守恒定律，變壓器輸出功率與從電網(wǎng)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(shù)；cosj2副線圈電路的功率因數(shù)。j1，j2相差很小，可認(rèn)為相等，因此得到U1I1 = U2I2可見，變壓器工作時(shí)原、副線圈的電流跟線圈的匝數(shù)成反比。高壓線圈通過的電流小，用較細(xì)的導(dǎo)線繞制；低壓線圈通過的電流大，用較粗的導(dǎo)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(shè)變壓器初級輸入阻抗為|Z1

4、|，次級負(fù)載阻抗為|Z2|，則將代入，得因?yàn)?所以 可見，次級接上負(fù)載|Z2|時(shí)，相當(dāng)于電源接上阻抗為K2|Z2|的負(fù)載。變壓器的這種阻抗變換特性，在電子線路中常用來實(shí)現(xiàn)阻抗匹配和信號源內(nèi)阻相等，使負(fù)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(dòng)勢為1V，內(nèi)阻為600 W，負(fù)載電阻為150 W。欲使負(fù)載獲得最大功率，必須在信號源和負(fù)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(nèi)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(fù)載電阻 R2 = 150 W，變壓器的輸入電阻R1 = R0 = 600 W，則變比應(yīng)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(dāng)變壓器的初級電壓U1和負(fù)載的功率因數(shù)都一定時(shí)，次級電壓U2隨次級電流I2變化的關(guān)系，如圖11-5所示。由變壓器外特性曲線圖可見：(1) I2 = 0時(shí)，U2 = U2N。(2) 當(dāng)負(fù)載為電阻性和電感性時(shí)，隨著I2的增大，U2逐漸下降。在相同的負(fù)載電流情況下，U2的下降程度與功率因數(shù)cosj 有關(guān)。(3) 當(dāng)負(fù)載為電容性負(fù)載時(shí)，隨著功率因數(shù)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(fù)載兩端并聯(lián)一定容量的電容器，以提高負(fù)載的功率因數(shù)cosj。2電壓的變化率電壓變化率是指變壓器空載時(shí)次級端電壓U2N和有載時(shí)次級端電壓U2之差與U2N的百分比。即： 電壓變化率越小，為負(fù)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(dá)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(fù)載時(shí)，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(fù)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(gòu)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(guān)系，如圖11-6所示。原、副線圈電壓之比和電流之比的關(guān)系為自耦變壓器在使用時(shí)，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(shí)驗(yàn)用調(diào)壓變壓器實(shí)驗(yàn)室中用來連續(xù)改變電源電壓的調(diào)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(gè)以上的繞組或初、次級都有兩個(gè)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(guān)系仍符合變壓比的關(guān)系，2多繞組變壓器的使用多繞組變壓器多使用于電子設(shè)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(shí)應(yīng)將線圈的異名端相接，并聯(lián)時(shí)應(yīng)將線圈的同名端相接。只有匝數(shù)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(shè)備和保護(hù)設(shè)備中使用的變壓器。可分為電壓互感器和電

9、流互感器兩種。1電壓互感器使用時(shí)，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(shí)應(yīng)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(shí)而造成設(shè)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(shí)，電流互感器的初級繞組與待測電流的負(fù)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(fù)載的電流就等于所測電流和變壓比倒數(shù)的乘積。使用時(shí)應(yīng)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(xiǎn)；(2) 鐵心和次級繞組一端均應(yīng)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(gè)電流表接成閉合回路的次級繞組和一個(gè)鐵心構(gòu)成，其鐵心可開、可合。測量時(shí)，把待測電流的一根導(dǎo)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(gè)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(jù)三相電源和負(fù)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(yàn)一、變壓器的額定值變壓器的滿負(fù)荷運(yùn)行情況叫額定運(yùn)行，額定運(yùn)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(shí)，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(gòu)造及使用的材料。使用時(shí)，變壓器應(yīng)在額定條件下運(yùn)行，不能超過其額定值。除此外還應(yīng)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(yàn)變壓器在使用前應(yīng)進(jìn)行檢驗(yàn)，通常其檢驗(yàn)內(nèi)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(shí)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(xiàng)檢驗(yàn)都應(yīng)符合設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，否則不宜使用。第六節(jié) 三相異步電動(dòng)機(jī)一、異步電動(dòng)機(jī)的構(gòu)造圖11-13 三相異步電動(dòng)機(jī)的構(gòu)造圖11-14定子繞組的星形和三角形連接圖電動(dòng)機(jī)由定子和轉(zhuǎn)子兩個(gè)基本部分組成，如圖11-13所示。1定子三相異步電動(dòng)機(jī)的定子由機(jī)座、鐵心和定子繞組組成。定子繞組是電動(dòng)機(jī)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(gè)出線端。即U1-U2、V1-V2、W1-W2接到機(jī)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(zhuǎn)子轉(zhuǎn)子是異步電動(dòng)機(jī)

13、的旋轉(zhuǎn)部分，由轉(zhuǎn)軸、轉(zhuǎn)子鐵心和轉(zhuǎn)子繞組三部分組成，其作用是輸出機(jī)械轉(zhuǎn)矩。跟據(jù)構(gòu)造的不同，轉(zhuǎn)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(zhuǎn)子。圖11-16 三相繞組電流的波形圖圖11-15 籠型繞組及轉(zhuǎn)子二、旋轉(zhuǎn)磁場1旋轉(zhuǎn)磁場的產(chǎn)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(shè)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(jù)電流的磁效應(yīng)，在三相繞組的空間上就會產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場，如圖11-7所示，為方便圖11-1

14、7 旋轉(zhuǎn)磁場的產(chǎn)生分析，規(guī)定電流為正值時(shí)，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(gè)瞬間，依次的標(biāo)出電流的方向，由右手螺旋法則確定磁場的方向。w t = 0°時(shí)，磁場方向由右指向左；w t = 90°時(shí)，磁場的方向垂直向上；w t = 180°、270°和360°時(shí)，磁場的方向分別向右、向下和向左，順時(shí)針旋轉(zhuǎn)一周，分別如圖11-7(a)、(

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

16、動(dòng)周，依次類推當(dāng)旋轉(zhuǎn)磁場具有p對磁極時(shí)，交流電變化一周，旋轉(zhuǎn)磁場轉(zhuǎn)動(dòng)周。因此交流電頻率為f，磁極對數(shù)為p，則旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速為式中n0又稱為同步轉(zhuǎn)速三、三相異步電動(dòng)機(jī)的工作原理旋轉(zhuǎn)磁場以同步轉(zhuǎn)速n0順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，相當(dāng)于磁場不動(dòng)，轉(zhuǎn)子逆時(shí)針切割磁力線，產(chǎn)生感應(yīng)電流，用右手定則判定，轉(zhuǎn)子半部分的感應(yīng)電流流入紙面。有電流的轉(zhuǎn)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(gè)力對轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)軸形成電磁轉(zhuǎn)矩，使轉(zhuǎn)子沿旋轉(zhuǎn)磁場的方向以轉(zhuǎn)速n旋轉(zhuǎn)。 四、三相異步電動(dòng)機(jī)的極數(shù)與轉(zhuǎn)速圖11-18 三相異步電動(dòng)機(jī)的工作原理電動(dòng)機(jī)總是以低于旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)動(dòng)

17、。即n < n0異步電動(dòng)機(jī)的同步轉(zhuǎn)率n0與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速n之差，即n0 n稱為轉(zhuǎn)速差。轉(zhuǎn)速差(n0 n)與n之比稱為異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)差率，用s表示也可寫成 n = (1 s) n0轉(zhuǎn)差率是異步電動(dòng)機(jī)的一個(gè)重要參數(shù)。五、異步電動(dòng)機(jī)的銘牌在電動(dòng)機(jī)的銘牌上標(biāo)有其主要技術(shù)數(shù)據(jù)，使用時(shí)應(yīng)多加注意，表11-1就是一臺三相異步電動(dòng)機(jī)的銘牌。三相異步電動(dòng)機(jī)型號 Y132M4 功率 7.5KW 頻率 50HZ電壓 380V 電流 15.4A 接法 轉(zhuǎn)速 1440r/min 絕緣等級 B 工作方式 連續(xù) 年 月 日 編號 電機(jī)廠 表11-1 三相異步電動(dòng)機(jī)的銘牌第七節(jié) 三相異步電動(dòng)機(jī)的控制一、三相異步電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)三

18、相異步電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)可分為全壓起動(dòng)和降壓起動(dòng)兩種。1全壓起動(dòng)加在定子繞組的起動(dòng)電壓是電動(dòng)機(jī)的額定電壓，這樣的起動(dòng)叫全壓起動(dòng)。全壓起動(dòng)在剛接通電源的瞬間，旋轉(zhuǎn)磁場與轉(zhuǎn)子間的相對轉(zhuǎn)速較大，在轉(zhuǎn)子中產(chǎn)生的感應(yīng)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(dòng)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(shè)備的正常工作。此外，當(dāng)起動(dòng)頻繁時(shí)，過大的起動(dòng)電流會使電動(dòng)機(jī)過熱，影響其使用壽命。只有二、三十千瓦以下的異步電動(dòng)機(jī)采用全壓起動(dòng)。2降壓起動(dòng)在起動(dòng)時(shí)降低加在電動(dòng)機(jī)定子繞組上的電壓，待起動(dòng)結(jié)束時(shí)恢復(fù)到額定值運(yùn)行?；\型電動(dòng)機(jī)的降壓起動(dòng)常用串電阻降壓起動(dòng)、星形-三角形換接起動(dòng)和自

19、耦降壓起動(dòng)等方法。(1) 串電阻降壓起動(dòng)串電阻降壓起動(dòng)，就是電動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)將電阻串聯(lián)在定子繞組與電源之間的起動(dòng)方法，如圖11-19所示。圖11-20 星三角降壓起動(dòng)圖11-19 定子繞組串電阻降壓起動(dòng)(2) 星形-三角形換接起動(dòng)星形-三角形換接起動(dòng)，就是電動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)把定子繞組連成星形，等到轉(zhuǎn)速接近額定值時(shí)再換接成三角形的起動(dòng)方法。圖11-20是一種星三角起動(dòng)器的連接簡圖，起動(dòng)時(shí)，將手柄指向右，定子繞組連成星形降壓起動(dòng)。等電動(dòng)機(jī)接近額定轉(zhuǎn)速時(shí)，將手柄指向左，定子繞組換接成三角形，電動(dòng)機(jī)正常運(yùn)行。(3) 自耦降壓起動(dòng)圖11-21 自耦變壓器降壓起動(dòng)自耦降壓起動(dòng)，是利用三相自耦變壓器將電動(dòng)機(jī)在起動(dòng)過程

20、中的端電壓降低的起動(dòng)方法，如圖11-21所示。二、三相異步電動(dòng)機(jī)的調(diào)速在負(fù)載不變的條件下改變異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速n叫調(diào)速。由轉(zhuǎn)速公式可知，調(diào)速有下面三種方法：1變頻調(diào)速變頻調(diào)速采用晶閘管整流器將交流電轉(zhuǎn)換為直流電，再由逆變器變換為頻率，電壓有效值可調(diào)的三相交流電，為三相異步電動(dòng)機(jī)供電，實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)無級調(diào)速。2變轉(zhuǎn)差率調(diào)速此種調(diào)速方法，只適用于繞線式電動(dòng)機(jī)。通過改變接在轉(zhuǎn)子電路中調(diào)速電阻的大小，就可平滑調(diào)速。3變級調(diào)速設(shè)計(jì)制造的電動(dòng)機(jī)具有不同的磁極對數(shù)，根據(jù)需要改變定子繞組的連接方式，就能改變磁極對數(shù)，使電動(dòng)機(jī)得到不同的轉(zhuǎn)速。三、三相異步電動(dòng)機(jī)的反轉(zhuǎn)異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)向與旋轉(zhuǎn)磁場的方向一致，而旋轉(zhuǎn)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(diào)即可使電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)。圖11-22是電動(dòng)機(jī)正反轉(zhuǎn)控制的原理圖。圖11-22正反轉(zhuǎn)控制原理圖11-23 電動(dòng)機(jī)的能耗制動(dòng)四、三相異步電動(dòng)機(jī)的制動(dòng)為克服慣性，保證電動(dòng)機(jī)在斷電時(shí)迅速停車，需要對電動(dòng)機(jī)進(jìn)行制動(dòng)。異步電動(dòng)機(jī)的制動(dòng)常采用反接制動(dòng)和能耗制動(dòng)。1反轉(zhuǎn)制動(dòng)在電動(dòng)機(jī)停車時(shí)，將三根電線中的任意兩根對調(diào)，產(chǎn)生反轉(zhuǎn)矩，起到制動(dòng)作用。當(dāng)轉(zhuǎn)速接近零時(shí)切斷電源，否則電動(dòng)機(jī)會反轉(zhuǎn)。2能耗制動(dòng)在斷電的同時(shí)，接通直流電源，如圖11-23所示。直流電源產(chǎn)生的磁場是固定的，而轉(zhuǎn)子由于慣性轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生的感應(yīng)電流與直流電磁場相互作用產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩方向，恰好與電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)向相反，

22、起到制動(dòng)的作用。第八節(jié) 單相異步電動(dòng)機(jī)單相異步電動(dòng)機(jī)的構(gòu)造與三相異步電動(dòng)機(jī)相似，也可由定子和籠型轉(zhuǎn)子兩個(gè)基本部分組成。一、單相異步電動(dòng)機(jī)的工作原理單相異步電動(dòng)機(jī)的定子繞組通以單相電流后，電動(dòng)機(jī)內(nèi)就產(chǎn)生一交變磁場，但磁場的方向時(shí)而垂直向上，時(shí)而垂直向下，即單相定子繞組的磁場不是旋轉(zhuǎn)磁場，所以轉(zhuǎn)子不能自行起動(dòng)。因此，單相異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的關(guān)鍵是產(chǎn)生一個(gè)起動(dòng)轉(zhuǎn)矩。二、單相電容式異步電動(dòng)機(jī)圖11-24 單相電容式異步電動(dòng)機(jī)原理圖單相電容式異步電動(dòng)機(jī)在定子上有工作繞組和起動(dòng)繞組兩個(gè)繞組。兩個(gè)繞組在定子鐵心上相差90°的空間角度，起動(dòng)繞組中串聯(lián)一個(gè)電容器，圖11-24所示是單相電容式異步電動(dòng)機(jī)的原理圖。由圖可見，同一電源向兩個(gè)繞組供電，則工作繞組的電流和起動(dòng)繞組的電流就會產(chǎn)生一個(gè)相位差，適當(dāng)選