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1、第三章第三章 变压器与电动机变压器与电动机3.1 变压器的结构与工作原理 3.2 常用变压器 3.3 三相异步电动机 3.4 单相异步电动机 3.5 直流电动机3.1 变压器的结构与工作原理变压器的结构与工作原理3.1.1 变压器的基本结构变压器的基本结构 变压器是利用互感原理工作的电磁装置，它的符号如图3-1所示，T是它的文字符号。 在日常生活和生产中，常常需要各种不同的交流电压。如工厂中常用的三相或单相异步电动机，他们的额定电压是380V或220V；机床照明、低压电器只需要36V以下的电压；而高压输电则需要用200kV以上的电压输电。如果采用许多输出电压不同的发电机来分别供给这些负载，不但
2、不经济、不方便，而且实际上也是不可能的。因此在实际中，输电、配电和用电所需的各种不同的电压都是通过变压器进行变换后获得的。 变压器除了可以变换电压之外，还可以变换电流（如变流器、大电流发生器）、变换阻抗（如电子电路中输入、输出变压器）、改变相位（如改变线圈的连接方法来变换变压器的极性）。由此可见，变压器是输配电、电子线路和电工测量中十分重要的电器设备。图3-1 变压器符号变压器的种类很多，常用的有： 输配电用的电力变压器 电解用的整流变压器 实验用的调压变压器 电子技术中的输入、 输出变压器等。 虽然变压器种类很多，结构上也各有特点，但它们的基本结构和工作原理是类似的。 变压器主要由铁芯和线变
3、压器主要由铁芯和线圈（也叫绕组）两部分组成。圈（也叫绕组）两部分组成。 铁芯是变压器的磁路通道。 线圈是变压器的电路部分。 铁芯是变压器的磁路通道。为了减小涡流和磁滞损耗，铁芯是用磁导率较高而且相互绝缘的硅钢片叠装而成的。在频率为50Hz的变压器中所采用硅钢片的厚度为，但近年来，通信用的变压器也常用铁氧体或其他磁性材料做铁芯。变压器铁芯的构造型式可分为心式和壳式两种，心 式铁芯成“口”字形，线圈包着铁芯；壳式铁芯成“日”字形，铁芯包着线圈。 线圈是由具有良好绝缘的漆包线、纱包线或丝包线绕制而成的。原线圈（初级线圈）原线圈（初级线圈） 和电源相连的线圈；副线圈（次级线圈）副线圈（次级线圈）与负载
4、相连的线圈。 变压器组装时，通常要将电压较低的一个线圈安装在靠近铁芯柱的内层，这是因为低压线圈和铁心间所虚的绝缘比较简单，而电压较高的线圈则安装在外面。 但是，对使用频率较高的变压器，为了较少漏磁通和分布电容，常需要把原、副线圈分为若干部分，分格分层并交叉绕制。绝缘绝缘是变压器制造的主要问题，线圈的区间和层间都要绝缘良好，线圈和铁心以及不同线圈之间更要绝缘良好。为了提高变压器的绝缘性能，在制造时还要进行去潮处理去潮处理（如烘烤、灌蜡、密封等）。变压器工作时，不可避免的存在能量的损耗致使铁心和绕组发热，因此其冷却问题必须考虑。变压器按冷却方式分为自冷式和油冷式变压器按冷却方式分为自冷式和油冷式
5、功率较小的变压器普遍采用自冷式。在自冷式变压器中，热量依靠空气的自然对流和辐射直接散发到周围的空气中去。为了增加散热量，在箱壁上还装有散热管来扩大其散热表面，并促进油的对流作用。 除此之外，为了消除外界电磁波的影响，变压器往往要用铁壳或铝壳罩起来，原、副线圈间也会加一层金属静电屏蔽层，已达到电磁屏蔽的作用。3.1.2 单相变压器工作原理单相变压器工作原理 变压器是按电磁感应电磁感应原理工作的。 如图3-2所示，如果把变压器的原线圈接在交变电源上，在原线圈中就有交变电流流过，交变电流在铁心中产生交变磁通，这个变化的磁通经过闭合磁路同时穿过原线圈和副线圈。 我们知道，交变的磁通将在线圈中产生感应电
6、动势。因此，在变压器原线圈中产生自感电动势的同时，在 副线圈中也产生了互感电动势。这时，如果副线圈接上负载，电能就将通过负载转换成其他形式的能。 1 变换交流电压变换交流电压 当变压器的原线圈接上交流电压后。在原、副线圈中存在交变的磁通，若漏磁通忽略不计，可以认为穿过原、副线圈的交变磁通相同，此时这俩个线圈的毎匝所产生的感应电动势相等。图3-2 变压器工作原理 设原线圈的匝数是N1，副线圈的匝数是N2，穿过它们的磁通是，那么原、副线圈中所产生的感应电动势分别是原边感应电动势 副边感应电动势 由此可得 (3-1-1)(3-1-2)(3-1-3) 在原线圈中，感应电动势E1起着阻碍电流变化的作用，
7、与加在原线圈两端的电压U1的作用相反。原线圈的电阻很小，如果略去不计，则由U1E1；副线圈相当于一个电源，感应电动势2相当于电源的电动势，副线圈的电阻也很小，如果略去不计，副线圈就相当于无内阻的理想电压源。 因而副线圈两端的电压U2等于感应电动势2，即U2 2,得 式中K称为变压比 可见，变压器原、副线圈的端电压之比等于这两个线圈的匝数比。如果N1N2,则U1U2,变压器使电压降低，这种变压器为降压变压器。(3-1-4) 2 变换交流电流变换交流电流 由上面的分析可知，变压器从电网中获取能量并通过电磁感应进行能量转换后，再把电能输送给负载。根据能量守恒定律，在不计变压器内部损耗的情况下，变压器
8、输出的功率和它从电网中获取的功率相等，即P1=P2。根据交流电功率的计算公式得 式中是原线圈电路的功率因数 是副线圈电路的功率因数， 和通常相差很小，在实际计算中可以认为它们相等，因而得到即(3-1-5)(3-1-6) 可见，变压器工作时原、副线圈中的电流与线圈的匝数成反比。变压器的高压线圈匝数多而通过的电流小，可用较细的导线绕制；低压线圈匝数少而通过的电流大，应当较粗的导线绕制。 3 变换交流阻抗变换交流阻抗 在电子线路中，也常用变压器来变换交流阻抗。众所周知无论收音机还是其他电子装置，总希望负载获得更大功率，而负载获得更大功率的条件是负载阻抗等于信号源的内阻，即阻阻抗匹配抗匹配。 实际工作
9、中，负载的阻抗与信号源的内阻往往是不相等的，把负载直接接到信号源上不能获得最大功率。因此，就需要利用变压器来进行阻抗变换，使负载获得最大功率。 设变压器初级输入阻抗（即初级两端所呈现的等效阻抗）为|1|,次级负载阻抗为|2|,则将 带入上式整理后得 (3-1-7) 因为 所以 可见，在次级接上负载阻抗|2|时，就相当于使电源直接连上一个阻抗 （3-1-8） 例例3-1-1 有一电压比为220V/110V的降压变压器，如果在次级接上55的电阻时，求变压器初级的输入阻抗。 解法1 首先求出次级电流 然后根据变压比求出初级电流 所以变压器的输入阻抗为 解法二 先求出变压比 然后根据阻抗变换公式（3-
10、1-8），直接求出变压器的输入阻抗为 例3-1-2 有一信号源的电动势为1V内阻抗为600，负载阻抗为150。预使负载获得最大功率，必须在信号源与负载之间一匹配变压器，使变压器的输入阻抗等于信号源的内阻抗，如图3-3所示，求变压器的变压比，问初、次级电流各为多大？解解 由题意可知， 负载阻抗 变压器的输入阻抗 应用变压器的阻抗变换公式，可求得变压比为 因此，信号源和负载之间接一个变压比为2的变压器即能达到阻抗匹配的目的。 变压器的初级电流为 次级电流为 实际变压器的初次、级绕组的极性是看不见的，因此引入了同名端的概念。同名端是指电压实际极性相同的端子，是一种标记，如图3-3中的“”所以即表示同
11、名端。同名端的判别方法请参阅有关书籍。图3-3 变压器电路 变压器的伏安特性和电压变化规律变压器的伏安特性和电压变化规律 对于负载来说，变压器相当于电源，而作为一个电源就必须考虑它的外特性。电力系统的用电负载是经常发生变化的，负载变化所引起的变压器次级电压的变化程度，既与负载的大小和性质（电阻性、电容性和功率因数的大小）有关，又与变压器的本身性质有关。为了说明负载对变压器次级电压的影响，可以作出变压器外特性曲线如图3-4所示。变压器的伏安特性（外特性）就是当变压器的初级电压U1和负载的功率因数=cos一定时，次级电压U2随次级电流I2变化的曲线关系。 从图中可以看出，当I2=0（即变压器空载）
12、时，U2=U20当负载为电阻性和电感性时，随着负载电流的增大，变压器次级电压逐渐下降。在相同的负载电流下，其电压下降的程度取决于负载的功率因数的大小。负载的功率因数越低，端电压下降越大；当负载为电容性负载时【如cos(-)=0.8】,曲线上升结果相反。图 3-4 因此，为了减小电压的变化，对感性负载而言，可以在其两端并联电容器，以提高负载的功率因数。 变压器有负载时，次级电压变化的程度用电压变化率 U来描述。电压变化率是指变压器空载时的次级端电压 U20和有载时的次级端电压U 2之差与U20的比值，即 (3-1-9) 电压变化率是变压器的主要性能指标之一，在日常应用中电压变化率越小越好，对于电
13、力变压器来讲，一般在5左右。 变压器的功率和效率变压器的功率和效率 变压器功率变压器初级的输入功率为 （3-1-10） 式中，U1 为初级端电压，I1为次级电流，1为初级电压和电流的相位差。 变压器次级的输出功率为(3-1-11) 式中，U2为次级端电压，I2为次级电流， 2为次级电压和电流的相位差 输入功率和输出功率之差是变压器所损耗的功率，即（3-1-12）变压器的功率损耗，包括铁损 PFe （磁滞损耗和涡流损耗）和铜损PCu（线圈导线的损耗），即 (3-1-13) 铁损和铜损可以用试验方法测量或计算求出。一般说来，铜损与初、次级电流有关，铁损与电流频率有关。它们的基本关系是：电流越大，铜
14、损越大；频率越高，铁损越大。 （2）变压器的效率）变压器的效率 类似于机械效率，变压器的效率也就是变压器输出功率与输入功率的百分比，即(3-1-14) 大容量变压器的效率最高可达98 % 99 %,小型电源变压器的效率一般为 70 % 80 %。 例3-1-3 一台单相变压器，原边绕组的额定电压 UiN=3000V,副边开路时U20=230V,当副边接入电阻性负载并达到满载时，副边电流 I2=40A,此时U2=220V。若变压器的效率= 95 % ，求变压器原边的电流 I1、变压器的功率损耗 P、电压变化率U。解 副边输出的电功率为原边输入得电功率为原边电流为功耗损耗为电压变化率3.2 常用变
15、压器常用变压器 变压器的种类很多，除上节介绍的单相变压器外，我们在介绍几种常用的变压器。3.2.1 三相变压器三相变压器 由于现代电力供电系统采用三相四线制或三相三线制，交流电能的产生和输送几乎也都采用三相制，所以三相变压器的应用很广泛。欲把某一数值的三相电压变换为同频率的另一数值的三相电压，可用三台单相变压器连成三相变压器组或一台三相变压器来实现。 图3-5 由三台单相变压器连接成的是三相变压器组图3-5 三相变压器组 根据电力网的线电阻和各个原绕组额定电压的大小，可把三个原绕组接成星形或三角形，同时根据供电需求，它们的副绕组也可接成上述的形式，图中给出的是星形连接。 图3-6是一台三相变压
16、器。它的铁心具有三个铁心柱，在每一个铁心柱上各装有一个原绕组和一个副绕组。图3-6三相变压器 各相高压绕组的起端和末端分别用1、1、1和2、2、2表示；低压绕组的起端和末端分别用1、1、1和2、2、2表示，如果把2、2、2接在一起，1、1、1接在电源上，则原绕组为星形连接。如果在对称三相系统中，加在原绕组上的各个正方向电压（由原绕组的起端指向末端的电压）大小相等，互相有120相位差，那么在正方向电压的作用下，三个原绕组中正方向的磁通（由正方向电流所产生的磁通）也互有120相位差，如图3-7所示图3-7 相位差 虽然铁心中磁通的大小和方向时刻在变化，但由于三个铁心柱中的磁通到达正方向最大值时总是依次相差120（即相差T/3），因此，在三个副绕组中产生的正方向感应电动势也互有120相位差。由此可见，三相变压器的每一铁心柱就相当于一个单相变压器，通过改变三相变压器原副绕组的匝数，便可达到升高或降低三相电压的目的。 三相电力变压器绕组的常用接法有Y/yno和Y/d等几种，在上述写法中，大写字母表示高压绕组的接法，小写字母表示低压绕组的接法，yno表示星形接法并具有中点引出线，d表示三角形接法。
