电工基础——变压器

1、第八章变压器第一节 变压器的基本知识学习目标： 1 了解变压器的构造： 2 熟悉变压器的工作原理重点： 变压器的工作原理难点： 变压器的工作原理一、变压器的基本知识1 定义变压器的是一种常见的电气设备， 可用来把某种数值的交变电压变换为同频率的另一数值 的交变电压，也可以改变交流电的数值及变换阻抗或改变相位。2 变压器的意义发电厂欲将 P=3Ulcos $的电功率输送到用电的区域，在P、 cos $为一定值时，若采用的电压愈高， 则输电线路中的电流愈小， 因而可以减少输电线路上的损耗， 节约导电材料。 所以远距离输电采用高电压是最为经济的。目前， 我国交流输电的电压最高已达 500kV 。这样

2、高的电压， 无论从发电机的安全 运行方面或是从制造成本方面考虑，都不允许由发电机直接生产。发电机的输出电压一般有 3.15kV 、 6.3kV 、 10.5 kV 、 15.75 kV 等几种，因此必须用升压变压器将电压升高 才能远距离输送。电能输送到用电区域后， 为了适应用电设备的电压要求， 还需通过各级变电站 （所） 利用变压器将电压降低为各类电器所需要的电压值。在用电方面，多数用电器所需电压是 380V 、 220V 或 36 V ，少数电机也采用 3kV 、 6kV 等。3 变压器分类 按其用途不同，有电源变压器、电力变压器，调压变压器，仪用互感器，隔离变压器。按结 构分为双绕组变压器

3、、 三绕组变压器、 多绕组变压器及自耦变压器。 按铁心结构分为壳式变 压器和心式变压器。 按相数分为单相变压器、 三相变压器和多相变压器。 变压器的种类虽多， 但基本原理和结构是一样的。4 变压器的基本结构（ 1 ）铁心图 8-1变压器由套在一个闭合铁心上的两个或多个线圈（绕组）构成，如图 8-1 所示。铁心和线 圈是变压器的基本组成部分。 铁心构成了电磁感应所需的磁路。 为了减少磁通变化时所引起 的涡流损失，变压器的铁心要用厚度为 0.350.5mm的硅钢片叠成。片间用绝缘漆隔开。 铁心分为心式和客式两种。（ 2 ）线圈变压器和电源相连的线圈称为原绕组（或原边 , 或初级绕组），其匝数为 N

4、 1 ，和负载相 连的线圈称为副绕组（或副边 , 或次级绕组），其匝数为 N 2 。绕组与绕组及绕组与铁心 之间都是互相绝缘的。5 变压器的符号，如图 8-2 所示。图 8-2图 8-16 理想变压器原副两绕组的电阻为 0 ，电感无穷大；没有漏磁；没有铁心损耗。二、变压器的工作原理1. 变压器的空载运行变压器原线圈接上额定的交变电压u 1 ，副线圈开路不接负载， 称为空载运行，如图 8-3 所示 。副边中的电流为零，原边的空载电流为 i 0（ 1 ）空载电流 I 0在外加正弦电压 u 1 的作用下，线圈内有交变电流 i 0 流过。 这时原线圈内的 电流，称作变压器的空载电流，又称励磁电流。它与

5、原线圈匝数 N 1 的乘积 i 0 N 1 称为 励磁磁势。图 8-3 空载时的变压器 由于铁心的磁导率远大于空气的磁导率，所以激磁磁势产生的磁通绝大部分集中在铁心里， 沿铁心而闭合，该磁通称作主磁通（或工作磁通），用表示，空载电流（励磁电流）的有效值I 0 般都很小，约为额定电流的 3%8%。（ 2 ）原副边的感应电动势 主磁通随电流按正弦规律变化，变化的磁通穿过原副边产生的有效值为E 1 4.44fN 1 m , E 2 4.44fN 2 m由此可得（ 3 ）电压平衡方程、电压比空载时变压器的原绕组电路是一个含有铁心线圈的交流电路，在工程计算中常忽略原绕组中的阻抗不计。所以原绕组一侧的电压

6、平衡方程可简化为u 1 - -e 1，这说明，在变压器原线圈中，自感电动势和电源电压几乎相等，但相位相反。由此可得 u 1 的有效值为U 1沁E 1 =4.44fN 1m ,该式表明：当电源频率和原线圈匝数一定时，铁心中主磁通的大小基本上由电源电压决定。 当电源电压不变时，变压器铁心中的主磁通基本上是个常 数。由于空载时变压器副线圈是开路的， i 2 =0 ，副线圈的端电压为u 2 =e 2 ,有效值为 U2E2 =4.44fN 2 m ，因此可以得到 式中 Ku 称为变压器的变压比， 简称变比， 表明变压器空载时， 原、副边端电压之比等于原、副线圈的匝数之比，匝数多的一边电压高，匝数少的一边

7、电压低。我们把Ku > 1的称为降压变压器；称Ku v 1的为升压变压器。实际应用时，变压器的副边输出电压可在小范 围内调节，副边留有抽头，可以获得不同数值的输出电压。2. 变压器的负载运行变压器副边接上负载阻抗 Z 后， 副线圈中通过电流 i 2， 如图 8-4 所示。当电源电压 U不变时， 铁心中主磁通 也基本不变。因此，当变压器带上负载后，因为 I 0 很小，可以忽略内部能量损耗，把变压器视为理想变压器，即变压器的输入功率 全部消耗在负载上，即U 1 I 1 =U 2 I 2 ，由前面的分析得到：K i 称为变压器的变流比，表示原、副绕组内的电流大小与线圈匝数成反比。结合前式还可得

8、出该式表明，在不考虑变压器本身损耗的情况下（理想状态），变压器原绕组输入的功率等于副绕组输出的功率。这也说明变压器是一种把电能转换为“高压小电流”或 “低压大电流”的电器设备，起着传递能量的作用。3 .变压器的阻抗变换作用若在变压器副边接一电阻R，如图8-5所示。那么从原边两端来看，等效电阻为CO®因为所以图8-5变压器的阻抗变换( N 1 /N 2 ) 2 倍，说明变压器起到了阻抗变换的作用。 当变压器负载一定时，改变变 压器原副边的匝数，就可以获得所需要的阻抗。作业： 8-7-1 ， 8-14第二节 变压器的效率和几种常用变压器学习目标： 1 掌握变压器的功率和效率2 熟悉几种常

9、用变压器3 熟悉电磁铁的工作原理重点： 变压器的功率和效率难点： 常用变压器的工作原理一、变压器的损耗和效率1 输入功率变压器负载运行时，原线圈的输入功率即有功功率为P 1 =U 1 I 1 cos 0 1 ,其中0 1为原边电压 U 1 与电流 I 1 的相位差。2 输出功率副线圈给负载输出的有功功率为 P 2 =U 2 I 2 cos 0 2 ，这里 cos 0 2 为负载的功率 因数。3 变压器的损耗输入的有功功率和输出的有功功率之差， 就是变压器的损耗。变压器的损耗包括铜损和铁 损两部分，铜损为绕组的损耗，铁损为铁心中产生的磁滞损耗和涡流损耗。变压器的功率损耗为4 额定容量原线圈应加的

10、电压及原线圈加上额变压器的额定电压，是指变压器在额定情况下运行时，定电压时副边的空载电压。变压器的额定容量为副边额定电压和副边额定电流乘积S=U 2e I2e，额定容量的单位为 VA或kVA(伏安或千伏安)。5 .效率变压器的效率为x 100%在接近满载时效率最高。小型变压器的效率为 80%90%，大型变压器的效率可达 98%左右。二、常用变压器1 三相变压器 电力工业中，输配电都采用三相制。变换三相交流电电压，则用三相变压器。可以设想，把三个单相变压器拼合在一起，便组成了一个三相变压器，各相磁通都经过中间铁心。(a )三个单相变压器的组合；(b )由三个单相变压器合成一个三相变压器图8-6三

11、相变压器由于三相磁通对称(各相磁通幅值相等，相位互差120 ° )，所以通过中间铁心的总磁通为零，故中间铁心柱可以取消。这样，实际制作时，通常把三个铁心柱排列在同一平面，如 图8-7所示。这种三相变压器比三个单相变压器组合效率高，成本低，体积小，因此应用 广泛。原副边可以根据实际需要连接成星形或三角形。原边与三相电源连接，副边和三相 负载连接，构成三相电路。三相变压器的额定容量为S = 3 U 2e I 2e ，式中，U 2e、I 2e 分别为副边额定线电压、额定线电流。图8-7三相变压器2 自耦变压器自耦变压器的原边电路与副边电路共用一部分线圈，如图8-8所示。原、副边之间除了有磁

12、的联系外，还有直接的电的联系。这是自耦变压器区别于一般变压器的特点。从图中看出，当原边加上额定电压后，若不考虑电阻的压降和漏感电势，则式中K为自耦变压器的变压比。当自耦变压器接上负载，副边有电流i2 输出时，有图8-8 自耦变压器上式表明，自耦变压器中原、副边电流的大小与线圈匝数成反比，且在相位上相差180 °。因此，自耦变压器中，原、副边共同部分的电流为i=i 1 +i 2，考虑到i 1与i 2相位相反，故1=1 2 -I 1。当变比K接近1时，由于i 1 与i 2 数值相差不大，所以线圈公共部分电流I很小。因此，这部分线圈可用截面较小的导线，以节省材料。自耦变压器的优点是：构简单

13、，节省材料，效率高。但这些优点只有在变压器变比不大的情况下才有意义。它的缺点是副线圈和原线圈有电的联系，不能用于变比较大的场合（一般不大于2 ）。这是因为当副线圈断开时，高电压就串入低压网络，容易发生事故。实验室常用的调压器，就是一种副线圈匝数可变的自耦变压器，如图8-9所示。图8-9这种调压器端点可以滑动，所以能均匀地调节电压。该调压器还可以做成三相的，容量一般为几千伏安，电压为几百伏。使用自耦调压器时，要注意以下几点：1 ）原副边不能接错，否则会烧毁变压器。2）接电源的输入端共三个，用于220V和110V电源，不可将其接错，否则会烧毁变压器。urMMthL93）电源接通前，要把手柄转到零位

14、。接通电源前，逐渐调动受柄，调出所需要的输出电压。3 .互感器互感器即可测量高电压或大电流，又可保障操作人员的安全。（1）电压互感器 电压互感器的构造与普通双绕组变压器相同。它先将被测电网或电气设备的高压降为低图 8-10电压互感器压，然后用仪表测出副边的低压U 2 ，把其乘以变压比 n ，就可以间接测出原边高压值图 8-11 电流互感器U 1 ，即 U 1 =nU 2 ，其原理如图 8-10 所示。实际使用时，为使与电压互感器配套使用的仪表标准化，不管原边高压多大，通常副边低压额定值均为100V ，以便统一使用 100V 标准的电压表。为确保安全，使用电压互感器时，必须把铁壳 和副边的一端接

15、地，以防绝缘损坏副边出现高压。（ 2 ）电流互感器电流互感器先将被测的大电流变换成小电流，然后用仪表测出副边电流 I 2 ，将其除以变 压比 n ，就可间接测出原边大电流 I 1 ，即 I 1 =I 2 /n 。电流互感器的原边与被测电 路串联，副边接电流表。原边的匝数很少，一般只有一匝或几匝，用粗导线绕成。副边的匝 数较多，用细导线绕成，与电流表串联，它与双绕组变压器工作原理相同，如图 8-11 所示。使用时，为和仪表配套，电流互感器不管原边电流多大，通 常副边电流的额定值为 1A 或 5A 。电流互感器正常工作时， 不允许副边开路， 否则会烧毁 设备，危及操作人员安全。同时必须把铁壳和副边

16、的一端接地。钳形电流表是将电流互感器和电流表组装成一体的便携式仪表。副边与电流表组成闭和回 路，铁心是可以开合的。测量时，先张开铁心，套进被测电流的导线，闭合铁心后即可测出 电流，使用非常方便，量程为 5-100A 。例 8-1 ： 如例图 8-7-2 所示的电路，线圈部分是理想变压器，已知，试求解 ：将副边电阻折算到原边为，作出折算后原边等效电路，如例图 8-7-2 （ b ）所示。 这时按照图中的参考方向例8-2 :有一台电压为220V/36V的降压变压器，副边接一盏“ 36V ,40W”的灯泡,试求：（ 1 ）若变压器的原边 =1100 匝，副边应是多少匝？（ 2 ）灯泡点亮后，原、副边

17、的电流各为多少？解:（ 1 ）由变压比的公式可以求副边的匝数 为? 由有功功率公式，灯泡是纯电阻性负载， cos=1 ，可求出副边电流为由变流公式，可求得原边电流为例 8-3 :变压器的副边电压 U V ，在接有电阻性负载时，测得副边电流 A ，变压器的输 入功率为 132W ，试求变压器的效率及损耗的功率。解:副边负载获得的功率为则变压器的效率为变压器手中有损耗的功率为、电磁铁1 .工作原理图8-12电磁铁的几种结构形式（a）马蹄式；（b）拍合式；（c） 螺管式电磁铁由磁导率很高的软磁材料铁心、衔铁及线圈所组成。 当线圈中通以电流时， 铁心中产生磁场，使衔铁受电磁吸力作用，磁路中空气隙随之减小。当电路断开时，电流为0，磁性消失，衔铁被释放。2 .分类，分为直流电磁铁和交流电磁铁两种。按结构分为马蹄式、拍合式和螺管式，如图8-12所示。3 直流电磁铁的衔铁所受吸引力为:例如图8-13所示的直流电磁铁，已知线圈匝数为图8-13电流互感器4000匝，铁芯和衔铁的材料均为铸钢，由于存在漏磁，衔铁中的磁通只有铁芯中磁通的90%,如果衔铁处在图示位置时铁芯中的磁感应强度为1.6T,试求线圈中电流和电磁吸力。解铁芯中磁感应强度B =1.6T时，磁场强度 H 1=5300A/m。铁芯中的磁通1-111- &#