变压器和交流电动机.ppt

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1、第十一章,变压器和交流电动机,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：,学时分配：,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,第一节 变压器的构造,

2、一、变压器的用途和种类,二、变压器的基本构造,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,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

3、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,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,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,

4、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，电压下降，称为降压变压器。,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 U1I1 cos1=U2I2 cos2,2变换交流电流,因为,所以

5、,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,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,解 2：变压比,输入阻抗,【例11-2】有一信号源的电动势为 1 V，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

6、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,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,设交流信号源电压U=100V，内阻RO=800，负载RL=8.(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？,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

7、曲线,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。,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,二、变

8、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=U1I1 cos1 和 P2=U2I2 cos2 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,【例11-3】有一变压器一次电压为 2 200 V，次级电压为 220 V，在接纯电阻性负载时，测得二次电流为 10 A，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=22010 W=2200 W,一次级功率,PL=P1 P2

9、=2316 2200 W=116 W,一次级电流,损耗功率,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,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,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,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、

10、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,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,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

11、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,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,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

12、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,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,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(k

13、V A)。,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。,(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：,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

14、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,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,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,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,2转子,

15、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,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,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

16、，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。,图 11-17旋转磁场的产生,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

17、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)。,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,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

18、数为 p，则旋转磁场的转速为,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。,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

19、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,五、异步电动机的铭牌,三相异步电动机 型号 Y132M 4 功率 7.5 KW 频率 50 Hz 电压 380 V 电流 15.4 A 接法 转速 1440 r/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、

20、三相异步电动机的制动,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。,(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

21、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,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,自耦降压起动，是利用三相自耦变压器将电动机在

22、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,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,三、三相异步电

23、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,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。,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

24、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,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,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-

25、24 所示是单相电容式异步电动机的原理图。,图 11-24单相电容式异步电动机原理图,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，使 i1 和 i2 的相位差为 90，即,i1=I1msin(t 90)i2=I2msin(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。在旋转磁场的作用下，单相异步电动机转子得到起动转矩而转动。,图 11-25 所示 为i1 和 i2 的波形图和旋转磁场图。,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。

26、,图 11-25两相绕组中的电流与旋转磁场,本章小结,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。,一、变压器的用途是变换电压、变换电流、变换阻抗、改变相位，由铁心和绕组两部分构成，它是按电磁感应原理工作的。,二、变压器一次、二次绕组的端电压之比等于匝数比，变压器工作时二次、一次绕组的电流跟绕组的匝数成反比，即,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。,