本章主要介绍了变压器和电动机的结构、工作原理，在学习变压器时，除了要掌握电路的有关知识外，还要了解一些磁路知识。变压器是一种静止电器，它能实现变压、变流、变阻抗及电隔离作用。根据应用场所不同又有各种不同类型。
电动机是把电能转换为机械能的装置，电动机按电源的种类可分为交流电动机和直流电动机，交流电动机又分为异步电动机和同步电动机，其中异步电动机由于结构简单、运行可靠、维护方便和价格便宜，是所有电动机中应用最广泛的一种。
3-1变压器
变压器是利用电磁感应原理制成的，它是传输电能或信号的静止电器，种类很多，应用十分广泛。如在电力系统中把发电机发出的电压升高，以达到远距离传输，到达目的地后再用变压器把电压降低供用户使用；在实验室里用自耦变压器（调压器）改变电源电压；在测量电路中，利用变压器原理制成各种电压互感器和电流互感器以扩大对交流电压和交流电流的测量范围；在功率放大器和负载之间用变压器连接，可以达到阻抗匹配，即负载上获得最大功率，变压器虽然用途及种类各异，但基本工作原理是相同的。
３-１-１变压器的结构
变压器由铁心和绕组两部分组成，如图３-１所示。这是一个简单的双绕组变压器，在一个闭合铁心上套有两组绕组。N１为一次绕组的匝数，一次绕组也称为原绕组或原边。N２为二次绕组的匝数，二次绕组也称为副绕组或副边。通常绕组都用铜或铝制漆包线绕制而成。
铁心是用０-３５～０-５mm的硅钢片叠压而成，为了降低磁阻，一般用交错叠安装的方式，即将每层硅钢片的接缝处错开，图３-２为几种常见的铁心形状。
３-１-２变压器的工作原理
1-空载运行（变压作用）
变压器一次绕组接上交流电压u１，二次绕组开路，这种状态称为空载运行。此时二次绕组电流为I２＝０，电压为开路电压U２０，一次绕组通过电流为I１０（空载电流），如图３-３所示。
根据图３-３中标定的各量参考方向，其电压方程为u１＝r１i１－e１（３-１）由于绕组的电阻r１很小，其电压降r１i１０也很小，可忽略不计，因可见，变压器空载运行时，一、二次绕组上电压的比值等于两者的匝数比。该比值称为变压器的变压比，简称变比，用K表示。
当输入电压U１不变时，改变变压器的变比就可以改变输出电压U２，这就是变压器的变压作用。若N１N２，K１，为升压变压器，反之为降压变压器。
2-负载运行（变流作用）
如果变压器的二次绕组接有负载，称为负载运行。此时在二次绕组电动势e２的作用下，将产生二次绕组电流I２，而一次绕组电流由I１０增加为I１，如图３-４所示。
为什么一次绕组的电流会由I１０增至I１呢？因为二次绕组有电流I２后，二次绕组的磁通势N２I２也要在铁心中产生磁通。此时变压器的铁心中的主磁通是由一、二次绕组的磁通势共同产生的。N２I２的出现将改变铁心中原有的主磁通，但在一次绕组的外加电压（电源电压）不变的情况下，主磁通基本保持不变，故而一次绕组的电流必须由I１０增到I１，以抵消二次绕组电流I２产生的磁通。这样才能保证铁心中原有的主磁通不变。
可是变压器负载运行时，一、二次绕组的磁通势方向相反，即二次绕组电流I２对一次绕组电流I１产生的磁通有去磁作用，因此当I２增加时，铁心中的磁通将减小，于是一次绕组电流I１必然增加以保持主磁通基本不变。所以，无论I２如何变化。I１总能按比例自动调节，以适应负载电流的变化。由于空载电流很小，因此它产生的磁通势N１I１０可忽略不计。
由式（３-１２）可知，当变压器负载运行时，一、二次绕组电流之比近似等于其匝数之比的倒数。改变一、二次绕组的匝数就可以改变一、二次绕组电流的比值，这就是变压器的变流作用。
3-阻抗变换作用
变压器除了能起变压和变流作用外，它还有变换阻抗的作用，以实现阻抗匹配。即负载上能获得最大功率。如图３-５所示，变压器原边接电源u１，副边接负载ZL，对于电源来说，图中点划线内的电路可用另一个等效阻抗ZL来等效代替。所谓等效，就是它们从电源吸收的电流和功率相等，等效阻抗模可由下式计算得匝数不同，实际负载阻抗｜Z１｜折算到原边的等效阻抗｜ZL｜也不同，可以用不同的匝数比把实际负载变换为所需要的比较合适的数值，这种做法通常称为阻抗匹配。在电子电路中经常这样。
【例3-1】如图３-６所示。某交流信号源的输出电压Us＝１２０V，其内阻R０＝８００，负载电阻RL＝８，试求：
（１）若将负载与信号直接连接，负载上获得的功率是多大？
（２）若要负载上获得最大功率，用变压器进行阻抗变换，则变压器的匝数比应该是多少？
阻抗变换后负载获得的功率是多大？
（２）由图３-６（b）所示，加入变压器后实际负载折算到变压器原边的等效负载为RL，根据负载获得最大功率条件，即：RL＝R０（内阻等于负载），则，RL＝R０＝N１可见经变压器的匝数匹配后，负载上获得的功率大了许多。
３-１-３常用变压器及额定值
1-自耦变压器
如果原、副边共用一个绕组，使低压绕组成为高压绕组的一部分，如图３-７（a）所示，就称为自耦变压器。
与普通变压器相比，自耦变压器用料少，重量轻，尺寸小，但由于原、副边绕组之间既有磁的联系又有电的联系，故不能用于要求原、副边电路隔离的场合。同时，使用时应特别注意它的高压和低压侧不能接反。
2-自耦调压器
在实用中为了得到连续可调的交流电压，常将自耦变压器的铁心做成圆形。副边抽头做成滑动的触头，可自由滑动。如图３-８所示，当用手柄转动触头时，就改变了副边匝数，调节了输出电压的大小，这种变压器称为自耦调压器。
3-使用自耦调变压器的注意事项
（１）原、副边不能对调使用，否则可能会烧坏绕组，甚至造成电源短路。
（２）接通电源前，应先将滑动触头调到零位，接通电源后再慢慢转动手柄，将输出电压调至所需值。
4-小功率电源变压器
在各种仪器设备中提供所需电源电压的变压器，一般容量和体积都较小，称为小功率电源变压器，为了满足各部分需要，这种变压器带有多个副边绕组，以获得不同等级的输出电压，如图３-９所示。
这种变压器由于各绕组的主磁通相同，所以其电压电流的计算与普通变压器相同。
5-三相电力变压器
在电力系统中，用来变换三相交流电压，输送电能的变压器称为三相电力变压器，如图３-１０所示，它有三个铁心柱，各绕一相原、副绕组。
由于三相原边绕组所加的电压是对称的，因此副边绕组电压也是对称的，为了散去工作时产生的热量，通常铁心和绕组都浸在装有绝缘油的油箱中，通过油管将热量散发出去，考虑到油的热胀冷缩，故在变压器油箱上安置一个储油柜和油位表，此外还装有一根防爆管，一旦发生故障，产生大量气体时，高压气体将冲破防爆管前端的薄片而释放出来，从而避免发生爆炸。
三相变压器的原、副绕组可以根据需要分别接成星形或三角形，三相电力变压器的常见连接方式有yn（／０星形连接有中线）和d（／星形三角形连接），如图３-１１所示。其中yn连接常用于车间配电变压器，这种接法不仅给用户提供了三相电源，同时还提供了单相电源，通常在动力和照明混合供电的三相四线制系统中，就是采用这种连接方式的变压器供电的。
d连接的变压主要用在变电站（所）做降压或升压用。
6-变压器的定额值
变压器的定额值有以下几种。
（１）额定电压U１N，U２N。原边额定电压U１N是根据绕组的绝缘强度和允许发热所规定的应加在原边绕组上的正常工作电压的有效值；副边额定电压U２N，在电力系统中是指变压器原边施加额定电压时的副边空载的电压有效值。
（２）额定电流I１N，I２N。原、副额定电流I１N和I２N是指变压器在连续运行时，原、副边绕组允许通过的最大电流的有效值。
（３）额定容量SN。它是指变压器副边额定电压和额定电流的乘积，即副边的额定功率额定容量反映了变压器所能传送电功率的能力，但不要把变压器的实际输出功率与额定容量相混淆。如一台变压器额定容量SN＝１０００kW·A，如果负载的功率因数为１，它能输出的最大有功功率为１０００kW；如果负载功率因数为０-７，则它能输出的最大有功功率为P＝１０００×０-７＝７００kW。变压器在实际使用时的输出功率取决于副边负载的大小和性质。
（４）额定频率fN。它是指变压器应接入的电源频率，我国电力系统的标准频率为５０Hz。
7-变压器的外特性
当电源电压U１不变时，随着副绕组电流I２的增加（负载增加）。原、副绕组阻抗上的电压降便增加。这将使副绕组的端电压U２发生变化，当电源电压U１和负载功率因数cosφ２为常数时，U２和I２的变化关系曲线U２＝f（I２）称为变压器的外特性，如图３-１２所示。对电阻性和电感性负载而言，电压U２随着电流I２的增加而下降。
通常希望电压U２的变化率愈小愈好，从空载到额定负载，副绕组电压的变化程度用电压变化率ΔU来表示，即在一般变压器中，由于其电阻和漏磁感抗很小，电压变化率也很小，约５％左右。
8-变压器的功率损耗与效率变压器功率损耗包括铁心中的铁损ΔPFe和绕组中的铜损ΔPCu两部分，铁损的大小与铁心内磁感应强度的最大值Bm有关，与负载大小无关。而铜损则与负载大小有关（正比于电流平方）。
变压器的效率常用下式确定式中P２为变压器输出功率，P１为输入功率。
变压器的功率损耗很小，效率很高，一般在９５％以上。在电力变压器中，当负载为额定负载的５０％～７５％时，效率达到最大值。
【例3-2】有一带有负载的三相电力变压器，其额定数据如下：SN＝１００kV·A，U１N＝６０００V，U２N＝U２０＝４００V，f＝５０Hz，绕组接成yn，由试验测得，ΔPFe＝６００W，额定负载时的ΔPCu＝２４００W。试求：（１）变压器的额定电流；（２）满载和半载时的效率。
3-2三相异步电动机
电动机是能量转换装置，把机械能转化为电能的装置称为发电机，把电能转化为机械能的装置称为电动机。电动机主要用于拖动生产机械之用，电动机按所需电源的种类可分为交流电动机和直流电动机，交流电动机又可分为异步电动机和同步电动机。下面主要介绍三相异步电动机和直流电机的内容。
３-２-１三相异步电动机的结构
三相异步电动机分成两个基本组成部分：定子（固定部分）和转子（转动部分），如图３-１３所示。
三相异步电动机的定子由机座和装在机座内的圆筒形铁心及三相定子绕组构成。机座是用铸铁或铸钢所制成，铁心是由相互绝缘的硅钢片叠成（与变压器铁心一样）。铁心圆筒内表面冲有槽，如图３-１４所示，用来放置三相对称绕组AX，BY，CZ，三相绕组可接成星形或三角形。
三相异步电动机的转子有两种形式，即鼠笼式和绕线式。转子铁心是圆柱状，也用硅钢片叠成，表面冲有槽，以放置导条或绕组，轴上加机械负载。鼠笼式转子做成鼠笼状，就是在转子铁心的槽中置入铜条或铝条（导条），其两端用端环连接，称为短路环，如图３-１５所示。在中小型鼠笼式电动机中，转子的导条多用铸铝制成。
绕线式异步电动机的结构如图３-１６所示，它的转子绕组同定子绕组一样，也是三相，接成星形。每相的始端接在三相滑环上，尾端接在一起，滑环固定在转轴上，同轴一起旋转，环与环，环与轴，都相互绝缘，在环上用弹簧压着碳质电刷，借助于电刷可以改变转子电阻以改变它的起动和调速性能。
３-２-２三相异步电动机的工作原理
三相异步电动机接上电源就会转动，这是什么道理呢？下面来做个演示，如图３-１７所示。装有手柄的蹄形磁铁极间放有一个可以自由转动的鼠笼转子，磁极和转子之间没有机械联系。当摇动磁极时，发现转子跟着磁极一起转动，摇得快，转子也转得快；摇得慢，转子转动的也慢，反摇，转子马上反转。
从这个演示实验中得出两点启示：第一，有一个旋转磁场；第二，转子跟着磁场旋转。
因此，在三相异步电动机中，只要有一个旋转磁场和一个可以自由转动的转子就可以了。
1-旋转磁场的产生
在三相异步电动机定子铁心中放有三相对称绕组，AX，BY，CZ。设将三相绕组成星形，接在三相电源上，绕组中便通入三相对称正弦电流为其波形如图３-１８所示。
设在正半周时，电流从绕组的首端流入，尾端流出。在负半周时，电流从绕组的尾端流入，首端流出。取各个不同的时刻，分析定子绕组中电流产生合成磁场的变化情况，用以判断它是否为旋转磁场。
在t＝０°时，定子绕组中电流方向如图３-１９（a）所示，此时iA＝０，iC为正半周，其电流从首端流入，尾端流出，iB为负半周，电流从尾端流入，首端流出。可由右手定则判断合成磁场的方向。同理可得出t＝６０°（b图）和t＝９０°（c图）时的合成磁场方向，由图发现，当定子绕组中通入三相电流后，它们产生的合成磁场是随电流的变化在空间不断地旋转着。
2-磁场的方向
旋转磁场的转向和三相电流iA，iB，iC的顺序有关，也称相序。以上是按ABC的相序，旋转磁场就按顺时针方向旋转。如将三相电源的任意两相对调位置，可发现此时旋转磁场也反转，因此改变相序可以改变三相异步电动机的转向，如图３-２０所示。
3-旋转磁场的极数
旋转磁场的极数与每相绕组的串联个数有关，以上为每相有一个绕组，能产生一对磁极（p＝１，p为极对数）。当每相有两个绕组串联，则绕组的首端之间的相位差为１２０°／２＝６０°空间角，则产生的旋转磁场具有两对极（p＝２）称４极电动机，如图３-２１和图３-２２所示。
同理，每相有３个绕组串联（p＝３时，６极电动机），绕组首端之间相位差为１２０°／３＝４０°空间角。
4-旋转磁场的转速（同步转速n0）
旋转磁场的转速决定于磁极数。在一对磁极的情况下，当电流从t＝０到t＝６０°时，磁极也旋转了６０°，设电源的频率为f１，即电流每秒钟交变f１次或每分钟交变了６０f１次，则旋转磁场的转速为n０＝６０f１，转速的单位为转／分（r／min），在两对磁极的情况下，当电流从t＝０到t＝６０°经历了６０°时，而磁场在空间仅旋转了３０°，当电流交变一周时，磁场转过半周，比p＝１的情况转速慢了一半，即n０＝６０f１／２，同理，在三对磁极的情况下，n０＝６０f１／３。
由此可知，当旋转磁场有p对磁极时，其旋转磁场的转速为n０＝６０f／p（３-１３）在我国，工频f１＝５０Hz，由式（３-１３）可得出对应于不同极对数p的旋转磁场转速n０，p１２３４５６n０／（r／min）３０００１５００１０００７５０６００５００３-２-３电动机的转动原理三相异步电动机的转动的原理如图３-２３所示。
机的转动原理
当旋转磁场按顺时针方向旋转时，其转子导条将切割磁力线（此时转子由于惯性不能马上随旋转磁场一起旋转），导条中就产生电动势，电动势的方向由右手定则确定，在电动势的作用下，闭合的导条就有电流，这个电流又受旋转磁场作用而产生电磁力F，电磁力F的方向可用左手定则确定。由电磁力产生电磁转矩而使转子转动起来。当旋转磁场反转时，电动机也反转。
３-２-４转差率
