1、电机与变压器,陈文彬,第一章 变压器原理,第一节 变压器的工作原理及分类 变压器是一种常见的静止电气设备，它利用电磁感应原理，将某一数值的交变电压变换为同频率的另一数值的交变电压。 变压器不仅对电力系统中的电能的传输、分配和安全使用有重要意义，而且广泛应用于电气控制、电子技术、测试技术及焊接技术等领域。,一、变压器的基本工作原理 图1-1所示为变压器 的工作原理示意图。 其主要部件是铁心和 绕组。两个互相绝缘 且匝数不同的绕组分 别套装在铁心上，两 绕组间只有磁的耦合 而没有电的联系。,其中接电源u1的绕组称为一次绕组（曾称为原绕组、初级绕组） 用于接负载的绕组称为二次绕组（曾称为副绕组、次级
2、绕组）。 一次绕组加上交流电压u1后，绕组中便有电流i1通过，在铁心中产生与同频率的交变磁通，根据电磁感应原理，将分别在两个绕组中感应出电动势e1和e2 ，,若把负载接在二次绕组上，则在电动势e2的作用下，有电流i2流过负载，实现了电能的传递。 由此可知，一、二次绕组感应电动势的大小（近似于各自的电压及）与绕组匝数成正比，故只要改变一、二次绕组的匝数，就可达到改变电压的目的，这就是变压器的基本工作原理。 二、变压器的分类 变压器种类很多，通常可按其用途、绕组结构、铁心结构、相数、冷却方式等分类,1.按用途分类 （1）电力变压器 用作电能的输送与分配 按其功能不同又可分为升压、降压、配电变压器等
3、。 其容量从几十千伏安到几十万千伏安，电压从几百伏到几百千伏。,(2)特种变压器 在特殊场合使用的变压器 如作为焊接电源的电焊变压器、电炉变压器、整流变压器等,（3）仪用变压器 用于电工测量中，如电流互感器、电压互感器等。,（4）控制变压器 用于小功率电源系统和自动控制系统。如电源变压器、输入、输出变压器、脉冲变压器等。,（5）其他变压器 如试验用的高压变压器；输出电压可调的调压变压器；产生脉冲信号的脉冲变压器；压力传感器中的差动变压器。,2.按绕组构成分类 有双绕组变压器、三绕组变压器、多绕组变压器和自耦变压器等。 3.按铁心结构分类 有叠片式铁心、卷制式铁心和非晶合金铁心。 4.按冷却方式
4、分类 有干式、油浸式自冷、油浸式风冷、强迫油循环、箱式、树脂浇注及充气式变压器等,第二节 单相变压器的构造,一、铁心 1、铁心的作用及材料 铁心构成变压器磁路系统，并作为变压器的机械骨架。铁心由铁心柱和铁轭两部分组成。铁心柱上套装变压器绕组，铁轭起连接铁心柱使磁路闭合的作用。 对铁心的要求是：导磁性能要好，磁滞损耗及涡流损耗要尽量小。,铁心均采用0.35mm以下的硅钢片制作。 目前国产低损耗节能变压器均用冷轧晶粒取向硅钢片，其铁损耗低，且铁心叠装系数高（因硅钢片表面有氧化膜绝缘，不必再涂绝缘漆）。 目前开始采用铁基、铁镍基、钴基等材料来制作变压器的铁心，这类铁心具有体积小，效率高、节能等优点，
5、极有发展前途。,2、铁心的结构 根据铁心的结构不同，变压器可分为心式、壳式和卷制式（C形）变压器。 心式是在两侧的铁心柱上放置绕组，形成绕组包围铁心的形式。壳式是在中间的铁心柱上放置绕组，形成铁心包围绕组的形式。 而卷制式铁心系用0.35mm晶粒取向冷轧硅钢片剪裁成一定宽度的硅钢带后再卷制成环形，将铁心绑扎牢固后切割成两个“U”字形。,其主要优点是重量轻，体积小、空载损耗小、噪声低、生产效率高、质量稳定。 二、绕组 1、绕组的作用及材料 变压器的线圈通常称为绕组，它是变压器中的电路部分，小变压器一般用具有绝缘的漆包线绕制而成，对大容量变压器则用扁铜线或扁铝线绕制。,2、绕组的结构 在变压器中，
6、接到高压电网的绕组称为高压绕组，接到低压电网的绕组称为低压绕组。按相互位置和形状不同，绕组可分为同心式和交叠式两种。 （1）同心式绕组 同心式绕组是将高、低压绕组同心地套装在铁心柱上。小容量单相变压器一般采用这种结构。,同心式绕组按其绕制方法的不同又可分为圆筒式、螺旋式和连续式等多种。 （2）交叠式绕组 又称为饼式绕组，它是将高压绕组和低压绕组分成若干个线饼，沿着铁心柱的高度交替排列。 交叠式绕组的主要优点是漏抗小、机械强度好、引线方便。这种形式的绕组主要使用在低电压、大电流的变压器上，如电炉变压器及电阻电电焊机变压器等。,第三节 单相变压器的运行原理,一、变压器的空载运行 变压器一次绕组接在
7、额定频率和额定电压的电网上，而二次绕组开路，即I2=0的工作方式称为变压器的空载运行。,(1)电压的参考方向 在同一支路中，电压参考方向与电流参考方向一致。 (2)磁通的参考方向 磁通的参考方向与电流参考方向符合右手螺旋定则。 (3)感应电动势的参考方向 由交变磁通产生的感应电动势e ，其参考方向与产生该磁通的电流参考方向一致,u,e,i,按照参考方向列出的电磁感应定律方程为 空载时，在外加交流电压u1作用下，一次绕组中通过的电流称为空载电流i0 ，在电流i0 作用下，铁心中产生交变磁通（称为主磁通）同时穿过一、二次绕组，分别在其中产生感应电动势e1和e2 ，其大小正比于主磁通变化率。,由数学
8、分析可以得出感应电动势e和磁通之间的关系：在相位上， e滞后于 90；在数值上，其有效值为E=4.44fNm 由此可得：E1=4.44fN1m可得： 外加交流电源电压有效值与电动势近似相等；由于二次绕组开路，故端电压与电动势相等。,E2=4.44fN2m,Ku变压器的电压比，也用K表示，它是变压器最重要的参数之一。 由上式可知，变压器一、二次绕组的电压与一、二次绕组的匝数成正比，即变压器有变换电压的作用。,例1 如图1-8所示，低压照明变压器一次绕组的匝数N1=880匝，一次绕组的U1=220V，现要求二次绕组输出电压U2=36V，试求二次绕组的匝数N2及电压比Ku。,二、变压器的负载运行 变
9、压器一次绕组接额定电压，二次绕组与负载相连的运行状态称为变压器的负载运行。此时二次绕组中有电流i2通过，由于该电流是依据电磁感应原理由一次绕组产生的，因此一次绕组中由空载电流i0变为负载电流i1。 由于变压器效率都很高，通常可近似将变压器的输出功率P2和输入功率P1看作相等，即UIUI,Ki变压器的电流比,例2 若例1中的变压器电流流过二次绕组的电流I2=1.7A，试求一次绕组中的电流I1。 解 由式1-7可得,由此得出：变压器的高压绕组匝数多，而通过的电流小，因此所用的导线较细；低压绕组匝数少，通过的电流大，所用的导线较粗。,三、变压器的阻抗变换 变压器不但具有电压变换和电流变换的作用，还具
10、有阻抗的作用。 当变压器二次绕组接上阻抗为Z的负载后，有：,式中,由此可得,可见，接在变压器二次绕组上的负载Z与不经过变压器接在电源上的负载Z相比减小了1/K2倍。 在电子电路中，在音响设备与扬声器之间加接一个变压器（称为输出变压器、线间变压器）来达到阻抗匹配的目的。,例3 某晶体管收音机输出电路的输出阻抗为Z=392，接入的扬声器阻抗为Z=8 ，现加接一个输出变压器使两者实现阻抗匹配，试求该变压器的电压比K；若该变压器一次绕组的匝数N1=560匝，则二次绕组的匝数N2为多少？ 解,作业布置：P21 复习思考题13、14、15,第四节 变压器的运行特性,对负载来说，变压器相当于电源。对于电源，
11、我们最关心的是它的输出电压与输出电流（负载电流）之间的关系，即变压器的外特性。从节能的角度，我们关注的是变压器在电压变换过程中的效率。 一、变压器的外特性及电压变化率 变压器在运行时，其二次绕组的输出电流I2将随负载的变化而不断变化，我们希望输出电流在变化时，输出电压U2尽量保持不变，这个在实际上是很困难的。,变压器加上负载之后，随着负载电流I2的增加， I2在二次绕组内部的阻抗压降也会增加，使二次绕组输出的电压U2随之发生变化。另一方面，由于一次电流I1随I2增加，一次绕组漏阻抗上的压降也增加，一次绕组的电动势E1和二次绕组的电动势E2也会有所下降，这也会影响到二次绕组的输出电压U2 。 当
12、一次电压U1和负载的功率因数cos2一定时，二次电压U2与负载电流I2的关系称为变压器的外特性,一般情况下，变压器的负载大多是感性负载，因而当负载增加时，输出电压U2总是下降的，其下降的程度用电压变化率表示。 二次绕组空载时的电压U2N与额定负载时的电压U2之差与U2N之比的百分值称为变压器的电压变化率。,常用电力变压器从空载到满载的电压变化率U约为35是。,例4 某台供电电力变压器U1N =10000V的高压降压后对负载供电，要求该变压器在额定负载下的输出电压U2=380V，该变压器的电压变化率U =5 ，求该变压器二次绕组的额定电压U2N及变压比K。,由此可知，电力变压器铭牌上的额定电压应
13、是400V,二、变压器的损耗及效率 变压器在传输电能的过程中，不可避免地要产生损耗。单相变压器从电源输入的有功功率P1和向负载输出的有功功率P2 两者之差称为变压器的损耗P，它包括铜损耗PCu和铁损耗PFe两部分，即P= PCu +PFe即 1、铁损耗PFe 变压器的铁损耗包括基本铁损耗和附加铁损耗。 变压器的铁损耗与一次绕组上所加的电源电压有关。,2、铜损耗PCu 变压器的铜损耗也分为基本铜损耗和附加铜损耗。 基本铜损耗是由电流在一次、二次绕组电阻上产生的损耗，附加铜损耗是指由漏磁通产生的集肤效应使电流在导体内分布不均而产生的额外损耗。 3、效率 变压器的输出功率P2与输入功率P1之比,例5
14、 S9-500/10型低损耗三相电力变压器的额定容量为500kVA，设功率因数1，二次电压U2N =400V，铁损耗PFe =0.98kW，额定负载时铜损耗PCu =4.1kW，试求二次额定电流I2N及变压器的效率 。 解：,4、效率特性 当一台变压器一次绕组加上额定电压，而二次绕组开路（空载运行）时测得的变压器空载损耗P0即为变压器的铁损耗。 变压器的铜损耗可以通过短路试验来测定，将变压器的低压侧两端用导线短接（短路），高压侧加上很低的电压，使得高压侧的电流等于额定电流，则通过低压侧的电流也为额定电流。 在短路试验中，使得一次绕组电流等于额定值时的电压称为短路电压，或称为变压器的阻抗电压，用
15、USC表示。对于一般中小型变压器， USC通常为额定电压的10.5 ；,第五节 变压器的极性及判定,一、变压器的极性 电池有正极和负极，在将两个电池进行串联或并联时，必须根据其极性正确连接。 由于变压器的一次、二次绕组均绕制在同一铁心上，都被磁通交链，故当磁通交变时，在两个绕组中感应出的电动势有一定的方向关系。,1,2,3,4,+,+,即当一次绕组的某一端点瞬时电位为正时，二次绕组也必有一电位为正的对应端点。这两个对应的端点就称为同极性端或同名端，通常用符号“”表示。 在使用变压器或其他磁耦合线圈时，经常会遇到两个线圈极性的正确连接问题。 例某变压器的一次绕组由两个匝数相等的绕组组成，若每个绕
16、组额定电压为110V，则当电源电压为220V时，应把两个绕组串联起来；若电源电压为110V时，则应将它们并联起来使用。,当接法正确时，则两个绕组所产生的磁通方向相同，它们在铁心中互相叠加。如果接法错误，则两个绕组所产生的磁通方向相反，它们在铁心中互相抵消，合磁通为零，两个绕组中也没有感应电动势产生，相当于短路状态，会把变压器烧毁。 二、变压器极性的判定 1、分析法 对两个绕向已知的绕组而言，可这样判断：当电流从两个同极性端流入（或流出）时，铁心中所产生的磁通方向相同。,2、实验法 对于一台已经制成的变压器，无法辨认其同名端，此时可用实验的方法进行测定，测定的方法有交流法和直流法两种。 （1）交
17、流法 将一、二次绕组各取一个接线端连接在一起，并在一个绕组（N1 ）上加一个较低的交流电压u12，再用交流电压表分别测量U12、U13、U34各值，如果结果为： U12 = U13 U34，则说明N1、N2绕组为反极性串联，故1和3为同名端口；如果U12 = U13 + U34 ，则1和4为同名端口。,N1,1,2,3,4,N2,V,（2）直流法 用1.5V或3V的直流电源，直流电源接在高压绕组上，而直流毫安表接在低压绕组两端。当开关合上的一瞬间，指针向正方向摆动，则接直流电源正极的端子与接直流毫安表正极的端子为同名端。,1,2,3,4,S,3V,mA,第二章 三相电力变压器,第一节 三相电力
18、变压器的用途 三相电力变压器用在输电配电技术领域。 目前世界各国使用的电能基本上均是由各类发电站发出的三相交流电能。 电能在向户输送过程需用很长的输电线。 根据三相电源公式：,在输送功率P和功率因数cos一定时，输电线路上的电压U越高，线路中的电流I越小，可减少线路上的功率损耗。,电力输送与分配都向高电压、大功率的电力网发展，以便集中输送、统一调度与分配电能。 这就促使输电线路电压由高压（110220kV）向超高压（330 750kV）和特高压（750kV以上）不断升级。 发电机本身由于其结构及所用绝缘材料的限制，必须先通过升压变电站，利用变压器将电压升高。 为了保证用电安全和符合用电设备的电
19、压等级要求，必须通过各级降压变电站，利用降压变压器将电压降低。,根据最近的资料显示，1kW的发电设备需88.5kVA变压器容量与之相配套。 在电力系统中变压器是容量最多最大的电气设备。 输电过程主要是输电线路的损耗和变压器的损耗，它占整个供电容量的5 9，其中变压器损耗约占60。 高效节能变压器的途径：一是采用低损耗的冷轧硅钢片；二是减少铜损耗。 对比SJ1-1000/10与S7-1000/10型变压器 我国从70年代末变压器换代过程： SJ S5 S7 S9 S10,第二节 三相电力变压器的结构,一、三相电力变压器的结构型式 现代的电力系统都采用三相制供电，因而广泛采用三相变压器来实现电压转
20、换。三相变压器可以由三台同容量的单相变压器组成，按需要将一次绕组分别接成星形或三角形联接。 三相变压器的另一种结构型式是把三个单相变压器合成一个铁心柱的结构型式，称为三相心式变压器。,二、三相油浸式电力变压器的结构 在三相电力变压器中，目前使用最广泛的是油浸式电力变压器，其外形如图。 三相电力变压器主要由铁心、绕组、油箱和冷却装置、保护装置等部件组成。,1、铁心 铁心是三相变压器的磁路部分，与单相变压器一样，它也是由0.35mm厚的硅钢片叠压（或卷制）而成。三相电力变压器均采用心式结构。 随着高磁导率、低损耗的冷轧晶粒取向硅钢片在电力变压器被广泛应用，采用45斜切硅钢片进行叠装。,卷制式铁心结
21、构已在500kVA以下容量的三相电力变压器中广泛采用，主要代表型号有S11及S13系列，其优点是体积小、损耗低、噪声小、价格低，已大批量生产。 变压器铁心的最新发展趋势是采用铁基、铁镍基、钴基等非晶带材料代替硅钢。我国已生产SH11系列非晶合金电力变压器，它具有体积小、效益高、节能等优点。,2、绕组 绕组是三相电力变压器的电路部分。一般用绝缘纸包的扁铜线或扁铝线绕制成。 有同心式绕组和交叠式绕组。 新型的绕组结构为箔式绕组，用铝箔或铜箔氧化技术和特殊工艺绕制，使电力变压器的整体性能得到较大提高。,3.油箱和冷却装置 大容量三相电力变压器OSF-PSZ-360000/500已批量生产，为了保证铁
22、心和绕组具有一定的散热和绝缘能为，均将其置于绝缘的变压器油内，为了增加散热面积，一般在油箱四周加装散热装置。 大容量电力变压器采用风吹冷却或强迫油循环冷却装置。 在我国以S9-M系列、S10-M系列、S11-M系列全密封波纹电力变压器为代表，现已开始大量生产。,4、保护装置 （1）气体继电器 在油箱和储油柜之间的连接管中装有气体继电器。 （2）防爆管（安全气道） 它安装在油箱顶部，是一个长的圆形钢筒。目前，国产电力变压器已广泛采用压力释放阀来取代防爆管。 5、铭牌 在每台电力变压器的油箱上都有一块铭牌，标明变压器的型号和参数。,上图是配电站所用的降压变压器的铭牌。这样变压器可以将10kV的高压
23、降为400V的低压，供三相负载使用。 （1）型号 S 9 80 / 10,三相变压器,设计型号,额定电压,额定容量,（2）额定电压U1N和U2N 高压侧电压可在额定值5范围内选择，即105009500V，以低压的额定电压为400V。二次绕组的输出电压随负载电流的增加而降低，为保证输出电压380V，考虑电压变化率为5，故二次绕组的额定电压为400V。,第三章 其他变压器,一、自耦变压器的结构特点及用途 如果把一、二次绕组合二为一，使二次绕组成为成为一次绕组的一部分，这种只有一个绕组的变压器称为自耦变压器。,U1,U2,u2,u1,_,N1,N2,I1,I2,I,B,+,_,+,U1,U2,在高压
24、输电系统中，自耦变压器主要用来连接两个电压等级相近的电力网，作联络变压器之用。实验室常用具有滑动触点的自耦调压器获得可任意调节的交流电压。 此外自耦变压器还常用做异步电动机的起动补偿器，对电动机进行减压起动。 二、电压、电流及容量关系 自耦变压器也是利用电磁感应原理工作的。当给一次绕组U1U2的两端施加交变电压U1时，铁心中产生交变磁通，并分别在一次绕组及二次绕组中产生感应电动势。,自耦变压器的电压比K为,前面已经讲过变压器一、二次绕组中的电流与一、二次绕组的匝数成反比，即,在相位上I1和I2互差180，流经公共绕组中的电流I的大小为I= I2 I1。 当电压比K的数值相差不大，即公共绕组中的
25、电流I很小，因而这部分可用截面较小的导线绕制。,理论分析和实践都可以证明：当一、二次绕组电压之比接近1时，或者说不大于2时，自耦变压器的优点比较显著，实际应用中电压比一般在1.22的范围内。因此在电力系统中，用自耦变压器把110kV、 220kV和330kV的高压电力系统连接成大规模的动力系统。 缺点在于：一、二次绕组的电路直接连在一起，造成高压侧的电气故障会波及低压侧，这是很不安全的。 因此，要求自耦变压器在使用时必须正确接线，且外壳必须接地，并规定安全照明变压器不允许采用自耦变压器结构形式。 自耦变压器不仅用于降压，也可作为升压变压器。,如果把自耦变压器的抽头做成滑动触点，就可构成输出电压
26、可调的自耦变压器。为了使滑动接触可靠，这种自耦变压器的铁心做成圆环形，其上均匀分布绕组，滑动触点由电刷构成，由于其输出电压可调，因此称为自耦调压器。,如实验室中常用的单相调压器，一次绕组输入电压U1=220V，二次绕组输出电压U2=0250V，在使用时要注意：一、二次绕组的公共端U2或u2 接零线，U1端接电源相线，u1端和u2端作为输出。 还必须注意自耦变压器在接电源之前，必须把手柄转到零位，使输出电压为零，以后再慢慢顺时针转动手柄，使输出电压逐步上升。,第二节 仪用互感器,电工仪表中的交流电流表一般可直接用来测量510A以下的电流，交流电压表可直接用于测量450V以下的电压。而在实践中有时
27、往往需测量几百安、几千安的大电流及几万伏的高电压，此时必须加接仪用互感器。 仪用互感器是作为测量用的专用设备，分为电流互感器和电压互感器两种。它们的工作原理与变压器相同。 使用仪用互感器的目的有：一是为了测量人员的安全，使测量回路与高压电网相互隔离；二是扩大测量仪表（电流表及电压表）的测量范围。,一、电流互感器 在电工测量中用来按比例变换交流电流的仪器称为电流互感器。 电流互感器的基本结构及工作原理与单相变压器相似，它也有两个绕组：一次绕组串联在被测量的交流电路中，流过的是被测电流I1，它一般只有一匝或几匝，用粗导线绕制；二次绕组匝数较多，与交流电流表相接。,故 I1=KiI2 Ki称为电流互
28、感器的额定电流比，标注在电流互感器的铭牌上，只要读出接在二次线圈一侧电流表的读数，则一次电路的待测电流就很容易从式中得到。,由变压器工作原理可得：,在实际应用中，与电流互感器配套使用的电流表已换算成一次电流，其标度尺即按电流分度，这样可以直接读数，不必进行换算。例如按5A制造的与额定电流比为600/5电流互感器配套使用的电流表，其标度尺即按600A分度。 注意以下事项： 1）电流互感器的二次绕组绝对不允许开路。 因为二次绕组开路时，电流互感器处于空载运行，此时一次绕组流过的电流（被测电流）全部为励磁电流，使铁心中的磁通急剧增大。,一方面使铁心损耗急剧增加，造成铁心过热，烧损绕组；另一方面将在二
29、次绕组上感应出很高的电压，可能使绝缘击穿，并危及测量人员和设备的安全。因此需检修或拆换电流表、功率表的电流线圈时，必须先将电流互感器的二次绕组短接。 2）电流互感器的铁心及二次绕组一端必须可靠接地。以防止绝缘击穿后电力系统的高压危及工作人员及设备的安全。,例1 有一台三相异步电动机，型号为Y2280S4，额定电压为380V，额定电流为140A，额定功率为75kW,试选择电流互感器的规格，并计算流过电流表的实际电流。,解 为了确保测量的准确性，又考虑电动机允许可能出现的短时过负载等因素，应使被测电流约为满量程的1/23/4，因此选择电流互感器额定电流为_A。,利用互感器原理制造的便携式钳形电流表
30、，它的铁心可以张开，将被测载流导线钳入铁心窗口中，被测导线相当于电流互感器的一次绕组，铁心绕二次绕组与测量仪表相连，可直接读出被测电流的数值。其优点是测量线路电流时不必断开电路，使用方便。,使用注意事项： 1）应使被测导线处于窗口中央，否则会增加测量误差； 2）若不知电流大小，应将量程选择开关置于大量程上； 3）若被测电流过小，可将被测导线在钳口内多绕几圈； 4）若被测电压过高，应戴绝缘手套和使用绝缘垫。,二、电压互感器 在电工测量中用来按比例变换交流电压的仪器称为电压互感器。 电压互感器的基本结构及工作原理与单相变压器相似。它的一次绕组匝数为N1，与待测电路并联；二次绕组匝数为N2，与电压表
31、并联。,其一次电压为U1，二次电压为U2，因此电压互感器实际上是一台降压变压器，其电压比Ku为,通常情况下，Ku标注在电压互感器的铭牌上，只要读出二次电压表的读数，一次电路的电压即可得出。一般二次电压表均采用量程为100V的仪表。只要改变接入的电压互感器的电压比，就可测量高低不同的电压。在实际应用中，与电压互感器配套使用的电压表已换算成一次电压，其标度尺即按一次电压分度。,例如按100V制造的与额定电压比1000/100的电压互感器配套使用的电压表，其标度尺即按10000V分度。 使用电压互感器时必须注意以下事项： 1)电压互感器的二次绕组在使用时绝不允许短路。若发生短路，将产生很大的短路电流
32、，导致电压互感器烧坏。 2)电压互感器的铁心及二次绕组的一端必须可靠接地。保证工作人员及设备的安全。 3)二次绕组不宜接入过多的仪表，以免影响电压互感器的测量精度,例2 用变压比为10000/100电压互感器，变流比为100/5的电流互感器扩大量程，其电流表读数为3.0A，电压表读数为66V,试求被测电路的电流、电压各为多少？,解 电流互感器的负载电流等于电流表的读数乘上电流互感器的电流比,而电压互感器所测电压等于电压表的读数乘上电压互感器的电压比,第三节 电焊变压器,一、电焊变压器的结构特点 交流弧焊机由于结构简单、成本低廉、制造容易和维护方便而被广泛应用。电焊变压器是交流弧焊机的主要组成部
33、分，它实质上是一台特殊的降压变压器。 在焊接中，为了保证焊接质量和电弧的稳定燃烧，对电焊变压器提出如下要求： 1)电焊变压器在空载时，应有一定的空载电压，通常Uo=6075V，以便于起弧。,2)在负载时，电压应随负载的增大而急剧下降。通常在额定负载时的输出电压约为30V。 3)在短路时，短路电流Isc不应过大，以免损坏电焊变压器。 4)为了适应不同的焊接工件和焊条的需要，要求电焊变压器输出的电流能在一定范围内进行调节。,U,UO,UN,O,N,I,ISC,IN,焊接电流与电弧电压的关系曲线,为了满足上述要求，电焊变压器必须具有较大的漏抗，而且可以进行调节。因此，电焊变压器的特点是： 铁心的气隙
34、比较大；一次、二次分装在不同的铁心柱上，再用磁分路法、串联可变电抗器法及改变二次绕组的接法等来调节焊接电流。 工业上使用的交流弧焊机类型很多，如抽头式、动铁心、动线圈式和综合式等，都是依据上述原理制造的。,二、磁分路动铁心式弧焊机 其基本结构及工作原理如下：该型交流弧焊机的电焊变压器为磁分路动铁心结构，它的铁心由固定铁心和活动铁心两部分组成。固定铁心为“口”字形，两边的方柱上绕有一次绕组和二次绕组。,活动铁心安装在固定铁心中间的螺杆上，当转动铁心调节装置手轮时，螺杆转动，活动铁心就沿着导杆在固定铁心的方口中移动，从而改变固定铁心中的磁通，调节焊接电流。 它的一次绕组绕在固定铁心的一边，二次绕组
35、由两部分组成，一部分与一次绕组绕在同一边，另一部分绕在铁心的另一侧。 焊接电流的粗调靠变更二次绕组的接线板上连接片的接法来实现的。 接法II用焊接电流大的场合，接法I用于焊接电流小的场合。,焊接电流的细调节则是通过手轮移动铁心的位置，改变漏抗，从而得到均匀的电流调节。 BX1系列交流弧焊机有三种型号：BX1-135的焊接电流调节范围为25150A，用于薄钢片的焊接；BX1-330电流调节范围为50450A，BX1-500则为50680A，可用来焊接不同厚度的低碳钢板。,三、动圈式弧焊机 动圈式弧焊机的典型产品是BX3系列。它的焊接电流调节是靠改变一次绕组和二次绕组之间的距离（从而改变它们之间的
36、漏抗大小）来实现的。结构如图，一次绕组是固定的，而二次绕组可借助于调节机构在中间铁心柱上上下移动，从而改变了一、二次绕组之间的距离。距离越大，漏抗就越大，输出电压降低，焊接电流变小。,第四节 整流变压器,从20世纪70年代起，由整流电路供电的整流电源逐步取代了直流发电机，成为产生直流电源的主要方法。 用来单独给整流电路供电的电源变压器叫做整流变压器，它是整流装置中的重要组成部分。 一、整流变压器的作用 1)把电网电压变换成整流电路要求的电压。,2）在大容量整流电路中，为了得到平稳的直流电压，往往采用多相整流电路（如六相、十二相整流），这就需要用到三相整流变压器，其二次侧接成六相或十二相。 3）
37、为了尽可能减少电网与整流装置之间的相互干扰，要求把整流后的直流电路与电网交流电路彼此隔离。,三、整流变压器的结构与工作特点 1）由于整流变压器的二次绕组所接整流器件只在一个周期的部分时间内轮流导电，所以二次绕组中流过的电流是非正弦电流，含有直流分量。它将使铁心因损耗增加而加热，另外往往二次绕组的视在功率也比一次绕组的要大。,2）当整流器件被击穿而发生短路时，变压器将流过很大的短路电流，因此整流变压器的漏抗较大，它输出的直流电压外特性较软，其外形结构较为矮胖，机械强度要求好。 3）由于整流变压器二次绕组中可能产生过电压而损坏绝缘层，因此需要加强绝缘处理。,第五节 小功率电源变压器,小功率电源变压
38、器是专门用作某些小功率负载的供电电源之用，按工作频率的不同可分为工频、中频和高频电源变压器。按铁心结构型式的不同可分为E形及口形变压器铁心、C形变压器、R形变压器、O形（环形）变压器。 一、按工作频率分类 （1）工频电源变压器 是指工作在50 60Hz频率的电源变压器。 铁心用0.35 mm或0.5mm冷轧硅钢片制成。,（2）中频电源变压器 是指工作在4001000Hz频率下的电源变压器。其铁心用0.2mm冷轧硅钢片制成。 （3）高频电源变压器 的指工作在1020kHz频率下的电源变压器。它主要用于开关稳压电源的变换器中，它的结构特点： 1)一般均用铁氧体磁心，它的电阻率高，故涡流损耗小。 2
39、）因为集肤效应使导线中心部分电流密度变小，通常使用多股高频铜导线或薄铜箔绕制绕组。,3）高频变压器的工作温度不能超过70，否则铁氧体的电磁性能将急剧下降。,二、按铁心结构分类 （1）E形及口形铁心变压器 （2）C形变压器 由于冷轧硅钢带的磁感应强度B比较高，加上绝缘等级较高（为B级或H级），故体积小，用铜量省。,（3）R形变压器 其主要特点是铁心为整体结构，铁心卷绕好以后绑扎紧并浸漆处理成型。由于不切割，因此磁路无空气隙，磁阻小，使变压器的空载损耗小，温升低。另外由于铁心截面为圆形，因而绕组也是圆形，节省了用铜量，体积小，噪音低。常采用卧式结构，特别适合于高密度安装的设备中。,（4）O形变压器
40、 又称环形变压器，工作在工频电源下的O形变压器其铁心用晶粒取向冷轧硅钢带或合金钢带绕制而成。具有R形变压器的优点，且铁心制作简单，能充分利用铁心的磁性能，漏磁小。 随着电子技术的高速发展，高频、脉冲、开关电源及逆变器等大多采用环形铁心结构。,第四章 三相异步电动机,第一节 电机概述 电机是一种实现电能与机械能相互转换的电磁装置。其运行原理基于电磁感应原理。 电机的种类和规格很多，按其电流类型分类，可分为直流电机和交流电机两大类。 交流电机可分为交流发电机和交流电动机两大类。 目前广泛采用的交流发电机是同步发电机，这是一种由原动机拖动旋转产生交流电能的装置。当前世界各国的电能几乎均由同步发电机产
41、生。,交流电动机则是指由交流电源供电将交流电能转变为机械能的装置。交流电动机可分为同步电动机和异步电动机两类。 同步电动机是指电动机的转速始终与交流电源的频率同步，不随所拖动的负载变化而变化的电动机，它主要用于功率较大，转速不要求调节的生产机械。 异步电动机电动机的转速随负载变化而稍有变化的旋转电机，这是目前使用最多的一类电动机。按供电电源的不同，又可分为三相异步电动机和单相异步电动机两大类。,三相异步电动机是由三相交流电源供电，由于其结构简单、价格低廉、坚固耐用、使用维护方便，因此在工、农业及其他各个领域中都获得了广泛应用。 据我国及世界上一些发达国家的统计表明，在整个电能消耗中，电动机的耗
42、能约占6067 ，而在电动机的耗能中，三相异步电动机又占首位。 单相异步电动机用单相交流电源，功率比较小，主要用家庭、办公场所等只有单相交流电的场所。,电机,变压器,直流电机,交流电机,控制电机,伺服电机、步进电机、直线电机、测速发电机、自整角机、旋转变压器等,直流发电机,直流电动机,同步电机,异步电机,同步发电机,同步电动机,异步发电机,同步电动机：单相、三相异步电动机,第二节 三相异步电动机的工作原理,一、旋转磁场 1.旋转磁场及其产生 如图为异步电动机旋转原理示意图。在一个可旋转的马蹄形磁铁中间，放置一只可自由转动的笼形短路线圈，也称笼形转子。当转动马蹄形磁铁时，笼形转子会跟着一起转动。
43、,这是因为磁铁转动时，其磁感线（磁通）切割笼型转子的导体，在导体中因电磁感应而产生感应电动势，由于转子本身是短路的，因而导体中就有电流通过，方向如图。该电流又与旋转磁场相互作用，产生转动力矩驱动笼形转子随着旋转磁场的转向而旋转起来，这就是异步电动机的简单工作原理。,N,S,F,F,n1,n2,旋转磁场转向,下面先分析旋转磁场产生的条件，再分析三相异步电动机的工作原理。 右图为三相异步电动机定子绕组结构示意图。在定子铁心上冲有均匀分布的铁心槽，在定子空间各相差120电角度的铁心槽中布置有三相绕组U1U2、V1V2、W1W2，三相绕组接成星形联结。 现向定子三相绕组中分别通入三相交流电iU、iV、
44、iW，各相电流将在定子绕组中分别产生相应的磁场。,由此可以得出结论：在三相异步电动机定子铁心中布置结构完全相同、在空间各相差120电角度的三相定子绕组，分别向三相定子绕组通入三相交流电，则在定子、转子与空气隙中产生一个沿定子内圆旋转的磁场，该磁场称为旋转磁场。 2.旋转磁场的旋转方向 三相交流电的变化次序（相序）为U相达到最大值 V相达到最大值 W相达到最大值。将U相交流电接U相绕组、 V相交流电接V相绕组、 W相交流电接W相绕组，则产生的旋转磁场的旋转方向为U相 V相 W相（顺时针旋转），即与三相交流电的变化相序一致。,结论： 任意调换两根 电源进线，则旋转 磁场反转。,任意调换两根电源进线
45、 (电路如图),由此可以得出结论：旋转磁场的旋转方向决定于通入定子绕组中的三相交流电的相序，且与三相交流电源的相序U V W的方向一致。只要任意调换电动机两相绕组所接交流电源的相序，旋转磁场即反转。,3.旋转磁场的旋转速度 旋转磁场的转速可用公式表示为 f1交流电的频率（Hz）； p电动机的磁极对数； n1旋转磁场的转速，又称同步转速（r/min）,例1 通入三相异步电动机定子绕组中的交流电频率f=50Hz，试分别求电动机磁极对数p=1、 p=2、 p=3及p=4时旋转磁场的转速n1。,解 当p=1,上述四个数据很重要,因为目前使用的各类三相异步电动机的转速与上述四种转速密切相关（均小于上述四
46、种转速）。 例如Y132S-2型三相异步电动机（p=1 ）的额定转速n=2900r/min： 布置作业：P118 复习思考题1、4,二、三相异步电动机的旋转原理 1.转子旋转原理 三相定子绕组通入三相交流电产生一个同步转速为n1的旋转磁场，该旋转磁场将切割转子导体，在转子导体中产生感应电动势，由于转子导体自成闭合回路，因此该电动势将在转子导体中形成电流，,n1,F,F,其电流方向可用右手定则判定。可以相对地把磁感线看成不动，而导体以与旋转磁场相反的方向（逆时针）去切割磁感线，从而可以判定出在该瞬间转子导体中的电流方向如图所示，即电流从转子上半部的导体流出，流入下半部导体中。 有电流流过的转子导
47、体将在旋转磁场中受电磁力F的作用，其方向可用左手定则判定。该电磁力F在转子轴上形成电磁转矩，使异步电动机以转速n旋转。 归纳出三相异步电动机的旋转原理：转子绕组在旋转磁场的作用下产生感应电流；载有电流的转子导体受电磁力的作用，产生电磁转矩使转子旋转。转子的转向与旋转磁场转向一致。,2.转差率 由上面的分析可以看出，转子的转速n一定要小于旋转磁场的转速n1，如果转子转速与旋转磁场转速相等，则转子导体就不再切割旋转磁场，转子导体中不再产生感应电动势和电流，电磁力F将为零，转子就将减速。 因此异步电动机的“异步”就是指电动机的转速n与旋转磁场的转速之间存在着差异，两者的步调不一致。 又由于异步电动机
48、的转子绕组并不直接与电源相接，而是依据电磁感应来产生电动势和电流，获得电磁转矩而旋转，因此又称感应电动机。,把异步电动机旋转磁场的转速，即同步转速n1与电动机转速n之差称为转速差，转速差与旋转磁场转速之比称为异步电动机的转差率s。,转差率s是异步电动机的一个重要物理量， s的大小与异步电动机运行情况密切有关。,3.异步电动机的三种运行状态 (1)电动机运行状态（0 s 1） 1)当异步电动机在静止状态或刚接上电源，转子转速n=0, 对应的转差率s=1。 2)如转子转速n=n0，则转差率s=0。 3)异步电动机在正常状态下运行时，转差率在01之间变化。 4)三相异步电动机在额定状态下运行，额定转差率sN约在0.01 0.06。,例2 已知Y2-160M-4型三相异步电动机的同步转速n1=1500r/min，额定转差率sN=0.04，试求该电动机的额定转速nN。 解 由公式得,5)当三相异步电动机空载时，由于电动机只需克服空气及摩擦阻力，故转差率很小，约为0.0040.007。,(2)发电机状态（s n1 ，则s n1 。即电机此时输入机械功率，输出电功率，处于发电状态运行。,(3)电磁制动状态（11。 此时旋转磁场与在转子导体上产生的电磁制动转矩性质。此状态时一方面定子绕组从电源吸取电功率，另一方面外加力矩克服电磁转矩做功，向电机输入机械功率，它们均变成电机内部的热损耗。,
