變壓器和交流電動機

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1、第十一章,變壓器和交流電動機,第十一章 變壓器和交流電動機,教學重點：,1能利用變壓器的電壓變換、電流變換和阻抗變換的關系做相應的計算。 2會正確使用幾種變壓器。 3會進行三相異步電動機起動、反轉、調速、制動的操作。,1變壓器的工作原理。 2三相異步電動機的工作原理。 3三相異步電動機起動、反轉、調速和制動的方法。,教學難點：,學時分配：,第十一章 變壓器和交流電動機,第一節(jié) 變壓器的構造,第二節(jié) 變壓器的工作原理,第三節(jié) 變壓器的功率和效率,第四節(jié) 常用變壓器,第五節(jié) 變壓器的額定值和檢驗,第六節(jié) 三相異步電動機,第七節(jié) 三相異步電動機的控制,第八節(jié) 單相異步電動機,本章小結,第一節(jié) 變壓器

2、的構造,一、變壓器的用途和種類,二、變壓器的基本構造,一、變壓器的用途和種類,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。,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。,圖 11-1變壓器的符號,二、變壓器的基本構造,變壓器主要由鐵心和繞組兩部分構成。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。,繞組圈是變壓器的電路部分，

3、是用漆包線、紗包線或絲包線繞成。其中和電源相連的繞組叫一次繞組，和負載相連的繞組叫二次繞組。,圖 11-2心式和殼式變壓器,第二節(jié) 變壓器的工作原理,,一、變壓器的工作原理,二、變壓器的外特性和電壓變化率,一、變壓器的工作原理,變壓器是按電磁感應原理工作的，一次繞組接在交流電源上，在鐵心中產(chǎn)生交變磁通，從而在一次、二次繞組產(chǎn)生感應電動勢，如圖 11-3 所示。,圖 11-3變壓器空載運行原理圖,由此得,忽略線圈內阻得,一次繞組接上交流電壓，鐵心中產(chǎn)生的交變磁通同時通過一次、二次繞組，一次、二次繞組中交變的磁通可視為相同。 設一次繞組匝數(shù)為 N1 ，二次繞組匝數(shù)為 N2 ，磁通為 ，感應電動勢為

4、,1變換交流電壓,上式中 K 稱為變壓比。由此可見：變壓器一次繞組、二次繞組的端電壓 之比等于匝數(shù)比。,如果 N1 N2，K 1，電壓下降，稱為降壓變壓器。,式中 cos1 一次繞組電路的功率因數(shù)； cos2 二次繞組電路的功率因數(shù)。,1，2 相差很小，可認為相等，因此得到,可見，變壓器工作時一次、二次繞組的電流跟繞組的匝數(shù)成反比。高壓繞組通過的電流小，用較細的導線繞制；低壓繞組通過的電流大，用較粗的導線繞制。這是在外觀上區(qū)別變壓器高、低壓繞組的方法。,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 cos1=

5、 U2I2 cos2,2變換交流電流,因為,所以,設變壓器一次側輸入阻抗為 |Z1| ，二次側負載阻抗為 |Z2| ，則,可見，二次側級接上負載|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。,3變換交流阻抗,一次側電流,輸入阻抗,【例11-1】有一電壓比為 220/110 的降壓變壓 器，如果次級接上 55 的電阻，求變壓器一次側的輸入阻抗。,解 1：二次側電流,解 2：變壓比,輸入阻抗,,【例11-2】有一信號源的電動勢為 1 V ，內阻為 600 ，負載電阻為 150 。欲使負載獲得最大

6、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，一、二次電流各為多少?,圖 11-4例11-2圖,解：負載電阻 R2 = 150 ，變壓器的輸入電阻 R1 = R0 = 600 ，則變比應為,一、二次電流分別為,設交流信號源電壓U=100V，內阻RO=800，負載RL=8. (1) 將負載直接接至信號源，負載獲得多大功率？ (2) 經(jīng)變壓器進行阻抗匹配，求負載獲得的最大功率是多少？變壓器變比是多少？,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一次電壓 U1 和負載的功率因數(shù)都一定時，二次電

7、壓 U2 隨二次電流 I2 變化的關系，如圖 11-5 所示。,,圖 11-5變壓器外特性曲線,由變壓器外特性曲線圖可見：,(3) 當負載為電容性負載時，隨著功率因數(shù) cos 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(shù) cos。,(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(shù) cos 有關。,2電壓的變化率,電壓變化率是指變壓器空載時二次端電壓 U2N 和有載時二次端電壓 U2 之差與 U2N 的百分比。即：,電壓

8、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,二、變壓器的效率,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% 。,變壓器的功率消耗等于輸入功率 P1 = U1I1 cos1 和 P2 = U2I2 cos2 輸出功率之差，即 PL = P1 P2 變壓器功率損耗包括鐵損和銅損。,一、變壓器的功率,【例11-3】有一變壓器一次電壓為 2 200 V，次級電壓為 220 V，在接純電阻性負載時，測得二次電流為 10 A，變壓器的效率為95%。

9、試求它的損耗功率，一次級功率和一次級電流。,解：一次級負載功率 P2 = U2I2cos2 = 22010 W = 2200 W,一次級功率,PL = P1 P2 = 2316 2200 W= 116 W,一次級電流,損耗功率,第四節(jié) 常用變壓器,一、自耦變壓器,二、多繞組變壓器,三、互感器,四、三相變壓器,一、自耦變壓器,自耦變壓器一次、二次繞組有一部分是共用的，它們之間不僅有磁耦合，還有電的關系，如圖 11-6 所示。,1自耦變壓器的構造和工作原理,,圖 11-6耦變壓器符號及原理圖,一次、二繞組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。

10、,,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 11-7實驗用調壓變壓器,二、多繞組變壓器,變壓器的二次側有兩個以上的繞組或一次、二次繞組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。,多繞組變壓器一次、二次繞組的電壓關系仍符合變壓比的關系,1多繞組變壓器,,圖 11-8多繞組變壓器,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)時應將繞組的異名端相接，并聯(lián)時應將繞組的同名端相接。只有匝數(shù)相同的繞組才能并聯(lián)。,2多繞組變壓器的使用,三、互感器,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

11、線路上，低壓繞組則與電壓表相連，如圖 11-9 所示。,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,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。可分為電壓互感器和電流互感器兩種。,,圖 11-9電壓互感器,使用時應注意：,(1) 二次繞組不能短路，防止燒壞次級繞組。,(2) 鐵心和二次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。,2電流互感器,使用時，電流互感器的一次繞組與待測電流的負載相串連，二次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(shù)的乘積。,,

12、圖 11-10電流互感器,使用時應注意：,(1) 電流互感器的二次繞組不得開路，否則易造成危險；,(2) 鐵心和二次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二次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 11-11鉗形電流表,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(jù)三相電源和負載的不同，三相變壓器一次和二次線圈可接成星形或三角形。,圖 11-12三相變壓器,第五節(jié) 變壓器的額定值

13、和檢驗,一、變壓器的額定值,二、變壓器的檢驗,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值。,額定容量指二次側最大視在功率，單位是伏安(VA)或千伏安(kV A)。,額定一次電壓指接到一次繞組電壓的規(guī)定值。,額定二次電壓指變壓器空載時，一次側加上額定電壓后，二次側兩端的電壓。,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 。,(2) 一次、二次繞組必須分清；,(3) 防止變壓器繞組短路，以免燒毀變壓器。,(1) 工作溫度不能過高；,除此外還應注意：,二、變壓器的檢驗,(2)

14、絕緣檢查；,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；,(3) 各繞組的電壓和變壓比；,(4) 磁化電流 I ，變壓器二次開路時的一次電流叫磁化電流，I 一般為初一次側額定電流的 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,二、旋轉磁場,三、三相異步電動機的工作原理,四、三相異步電動機的極數(shù)與轉速,五、異步電動機的銘牌,一、異步電動機的構造,電動機由定子和轉子兩個基本部分組成，如圖11-13所示。,圖 11-13三相異步電動機的構造,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。

15、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定子繞組的星形和三角形聯(lián)結圖,2轉子,轉子是異步電動機的旋轉部分，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(jù)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 11-15 籠型繞組及轉子,二、旋轉磁場,將對稱三相電流通入在空間彼此相差 120 的作星形聯(lián)結的三線圈。 設三相電流為：,i1=Imsin( t) i2 = Imsin( t

16、 120) i3 = Imsin( t + 120),其波形如圖 11-16 所示。,1旋轉磁場的產(chǎn)生,,圖 11-16 三相繞組電流的波形圖,根據(jù)電流的磁效應，在三相繞組的空間上就會產(chǎn)生旋轉磁場，如圖 11-17 所示，為方便分析，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 表示，末端用 表示，反之電流由末端流向首端。取 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。 t = 0 時，磁場方向由右指向左； t = 90 時，磁場的方向垂直向上； t = 180、270

17、 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)、(b)、(c)、(d)和(e)所示。,,圖 11-17旋轉磁場的產(chǎn)生,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。,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(chǎn)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)。,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(shù)，則 p = 1。磁極對數(shù) p = 1 的旋

18、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,,式中 n0 又稱為同步轉速 。,磁極對數(shù) p = 2 時，交流電變化一周，旋轉磁場轉動 1/2周，依此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 1/p 周。因此交流電頻率為 f ，磁極對數(shù)為 p ，則旋轉磁場的轉速為,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(chǎn)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。,,圖 11-18 三相異步電動機的工作原理,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，

19、上半部分所受磁力向右，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(shù)與轉速,也可寫成 n = (1 s) n0,轉差率是異步電動機的一個重要參數(shù)。,電動機總是以低于旋轉磁場的轉速轉動。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,五、異步電動機的銘牌,三相異步電動機 型號 Y132M 4 功率 7.5 KW 頻率 50 Hz 電壓 380 V

20、 電流 15.4 A 接法 轉速 1440 r/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,在電動機的銘牌上標有其主要技術數(shù)據(jù)，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。,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,二、三相異步電動機的調速,三、三相異步電動機的反轉,四、三相異步電動機的制動,一、三相異步電動機的起動,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

21、速較大，在轉子中產(chǎn)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。,可分為全壓起動和降壓起動兩種。,(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。,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耦降壓起動等方法。,2

22、降壓起動,圖 11-19定子繞組串電阻降壓起動,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。,(2) 星形-三角形換接起動,圖 11-20星三角降壓起動,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中的端電壓降低的起動方法，如圖 11-21 所示。,(3)自耦降壓起動,圖 11-21自耦變壓器降壓起動,二、三相異步電動機的調速,可知，調速有下面三種方法：,1變頻

23、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(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)，使電動機得到不同的轉速。,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,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

24、制的原理圖。,圖 11-22正、反轉控制原理,四、三相異步電動機的制動,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(chǎn)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。,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。,在斷電的同時，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，而轉子由于慣性轉動產(chǎn)生的感應電流與直流電磁場相互作用產(chǎn)生的轉矩方向，恰好與電動機的轉向相反，起到制動的作用。,2能耗制動,圖 11-23電動機的能耗制動,第八節(jié) 單相異步電動機,一、單相異步電動機的工作原理,二、單相

25、電容式異步電動機,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(chǎn)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(chǎn)生一個起動轉矩。,二、單相電容式異步電動機,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。,圖 11-24單相電容式異步電動機原理圖,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(chǎn)生一個相位差，適

26、當選擇電容，使 i1 和 i2 的相位差為 90，即,i1= I1msin( t 90) i2 = I2msin( t),用三相異步電動機的分析方法，相位差為 90 的 i1 和i2 ，流過空間相差 90 的兩個繞組，能產(chǎn)生一個旋轉磁場。在旋轉磁場的作用下，單相異步電動機轉子得到起動轉矩而轉動。,圖 11-25 所示 為i1 和 i2 的波形圖和旋轉磁場圖。,改變電動機定子繞組接線的順序，可以改變旋轉磁場的方向，也就改變了電動機的轉向。,圖 11-25兩相繞組中的電流與旋轉磁場,本章小結,三、常用變壓器有自耦變壓器、多繞組變壓器、互感器和三相變壓器等。,一、變壓器的用途是變換電壓、變換電流、變

27、換阻抗、改變相位，由鐵心和繞組兩部分構成，它是按電磁感應原理工作的。,二、變壓器一次、二次繞組的端電壓之比等于匝數(shù)比，變壓器工作時二次、一次繞組的電流跟繞組的匝數(shù)成反比，即,四、三相異步電動機由定子和轉子兩部分構成當空間彼此相差 120 的三個相同線圈通入對稱三相交流電，就能產(chǎn)生與一個旋轉磁場，與轉子間存在相對運動，在轉子上產(chǎn)生感應電流，是轉子受到電磁轉矩的作用而轉動起來。電動機的轉向與旋轉磁場的方向相同，任意對調兩相電源線，就可改變電動機的轉向。,五、電動機的起動電流為額定電流的 4 7 倍，為避免過大的起動電流造成電網(wǎng)電壓的波動和降低電動機的壽命，大型電動機要采用降壓起動的方法。電動機的調速方法有變頻調速、變轉速率調速和變極調速。常用的制動方法是反接制動和能耗制動。,六、單相電容式異步電動機定子上有空間上相差 90 的工作繞組和起動繞組，起動繞組中串聯(lián)一個電容器，同一電流流過空間相差 90 的兩個繞組，能產(chǎn)生一個旋轉磁場，使單相異步電動機轉子得到起動轉矩而轉動。,