变压器和交流电动机知识

变压器和交流电动机

第一节变压器的构造

一、变压器的用途和种类

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

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。

二、变压器的基本构造

变压器主要由铁心和线圈两部分构成。

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。

图11-2 心式和壳式变压器

线圈是变压器的电路部分，是用漆色线、沙包线或丝包线绕成。其中和电源相连的线

圈叫原线圈(初级绕组)，和负载相连的线圈叫副线圈(次级绕组)。

第二节变压器的工作原理

一、变压器的工作原理

变压器是按电磁感应原理工作的，原线圈接在交流电源上，在铁心中产生交变磁通，从而在原、副线圈产生感应电动势，如图11-3所示。

2

1．变换交流电压

原线圈接上交流电压，铁心中产生的交变磁通同时通过原、副线圈，原、副线圈中交变的磁通可视为相同。

设原线圈匝数为N 1，副线圈匝数为N 2，磁通为Φ ，感应电动势为

t

N E t N E ??=??=

Φ

Φ2211 ， 由此得

2

1

21N N E E =

忽略线圈内阻得

K N N U U ==2

1

21 上式中K 称为变压比。由此可见：变压器原副线圈的端电压之比等于匝数比。

如果N 1 < N 2，K < 1，电压上升，称为升压变压器。 如果N 1 > N 2，K >1，电压下降，称为降压变压器。 2．变换交流电流

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P 1 = P 2，由交流电功率的公式可得

U 1I 1 cos ?1= U 2I 2 cos ?2

式中cos ?1——原线圈电路的功率因数；

cos ?2——副线圈电路的功率因数。

?1，?2相差很小，可认为相等，因此得到

U 1I 1 = U 2I 2

K

N N I I 11221== 可见，变压器工作时原、副线圈的电流跟线圈的匝数成反比。高压线圈通过的电流小，用较细的导线绕制；低压线圈通过的电流大，用较粗的导线绕制。这是在外观上区别变压器高、低压饶组的方法。

3．变换交流阻抗

设变压器初级输入阻抗为|Z 1|，次级负载阻抗为|Z 2|，则

1

1

1I U Z =

将21

212211 I N N I U N N U ==

，代入，得

图11-3 变压器空载运行原理图

3

2

2

2

211I U N N Z ???? ??=

因为

22

2

Z I U = 所以 22

22

211Z K Z N N Z =?

??

? ??=

可见，次级接上负载|Z 2|时，相当于电源接上阻抗为K 2

|Z 2|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。

解1：次级电流 Α255110

222===Z U I 初级电流 Α2110

220

2121==≈=

U U N N K Α12

2

21===

K I I 输入阻抗 Ω===

2201220

111I U Z 解2：变压比 2110

2202121==≈=

U U N N K 输入阻抗

Ω=?==???

? ??≈22055422

22

211Z K Z N N Z

解:

【例11-1】有一电压比为220/110 V 的降压变压器，如果次级接上55 Ω 的电阻，求变压器初级的输入阻抗。

【例11-2】有一信号源的电动势为1V ，内阻为600 Ω，负载电阻为150 Ω。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于信号源的内阻，如图11-4所示。问：变压器变压比，初、次级电流各为多少?

图11-4 例11-2图

图11-5 变压器外特性曲线

4

负载电阻 R 2 = 150 Ω，变压器的输入电阻R 1 = R 0 = 600 Ω，则变比应为

2150

600212

1

==≈=

R R N N K 初、次级电流分别为

m A

66.183.02m A

83.0A 1083.0600

6001

12

123101=?=≈=?≈+=+=

-I N N

I R R E I

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初级电压U 1和负载的功率因数都一定时，次级电压U 2

随次级电流I 2变化的关系，如图11-5所示。

由变压器外特性曲线图可见： (1) I 2 = 0时，U 2 = U 2N 。

(2) 当负载为电阻性和电感性时，随着I 2的增大，U 2逐渐下降。在相同的负载电流情况下，U 2的下降程度与功率因数cos ? 有关。

(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 ?。

2．电压的变化率

电压变化率是指变压器空载时次级端电压U 2N 和有载时次级端电压U 2之差与U 2N 的百分比。即：

%100N

22

N 2?-=

?U U U U 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

变压器的功率消耗等于输入功率P 1 = U 1I 1 cos ?1和P 2 = U 2I 2 cos ?2输出功率之差，即

P L = P 1 – P 2

变压器功率损耗包括铁损和铜损。

二、变压器的效率

变压器的效率为变压器输出功率与输入功率的百分比，即

5

%1001

2

?=

P P η 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%。

解：次级负载功率 P 2 = U 2I 2cos ?2 = 220?10 = 2200 W 初级功率

W 231695

.02200

2

1≈=

=

η

P P 损耗功率 P L = P 1 – P 2 = 2316 – 2200 = 116W 初级电流 Α05.12200

2316111≈==

U P I

第四节 常用变压器

一、自耦变压器

1．自耦变压器的构造和工作原理

自耦变压器原、副线圈共用一部分绕组，它们之间不仅有磁耦合，还有电的关系，如图11-6所示。 原、副线圈电压之比和电流之比的关系为

K N N I I U U =≈=2

1

1221 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

【例11-3】有一变压器初级电压为2200 V ，次级电压为220

V ，在接纯电阻性负载时，测得次级电流为10 A ，变压器的效率为95%。 试求它的损耗功率，初级功率和初级电流。

图 11-6 自耦变压器符号及原理图

图11-7 实验用调压变压器

6

种自耦变压器，如图11-7所示。

二、多绕组变压器

1．多绕组变压器

变压器的次级有两个以上的绕组或初、次级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。

多绕组变压器原、副线圈的电压关系仍符合变压比的关系，

31

312

1

21N N U U N N U U ≈

≈

2．多绕组变压器的使用

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，串联时应将线圈的异名端相接，并联时应将线圈的同名端相接。只有匝数相同的线圈才能并联。

三、互感器

互感器是一种专供测量仪表，控制设备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。

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U 1等于所测量电压U 2和变压比K 的乘积，即U 1=KU 2

使用时应注意：

(1) 次级绕组不能短路，防止烧坏次级绕组。

(2) 铁心和次级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。

图11-8 多绕组变压器

图11-9 电压互感器

图11-10电流互感器