第六章 变压器(定稿)

1、第第6 6章章 变变 压压 器器 1第六章第六章 变变 压压 器器 变压器是根据电磁感应原理制成的一种电气设变压器是根据电磁感应原理制成的一种电气设备，备， 它具有变压、它具有变压、 变流和变阻抗和隔离的作用，变流和变阻抗和隔离的作用， 因而在各个工程领域获得广泛应用。因而在各个工程领域获得广泛应用。 本章应了解变压器的基本结构和工作原理，理本章应了解变压器的基本结构和工作原理，理解变压器的额定值，掌握电压、电流和阻抗的变换，解变压器的额定值，掌握电压、电流和阻抗的变换，还要了解变压器的外特性和效率，了解自藕变压器还要了解变压器的外特性和效率，了解自藕变压器和调压器、小功率电源变压器、三相电力

2、变压器以和调压器、小功率电源变压器、三相电力变压器以及仪用互感器的特点。及仪用互感器的特点。第第6 6章章 变变 压压 器器 2第一节第一节 变压器的基本结构和工作原理变压器的基本结构和工作原理变压器的磁路变压器的磁路1u2uLZ1i2i单相变压器单相变压器+由高导磁硅钢片叠成由高导磁硅钢片叠成厚厚0.35mm 或或 0.5mm铁心铁心一次一次绕组绕组N1二次二次绕组绕组N2铁心铁心第第6 6章章 变变 压压 器器 3变压器的结构第第6 6章章 变变 压压 器器 4第第6 6章章 变变 压压 器器 51 铁心铁心 铁心构成变压器的磁路部分。铁心构成变压器的磁路部分。 变压变压器的铁心大多用器的

3、铁心大多用0.350.5 mm厚的硅钢片厚的硅钢片交错叠装而成，交错叠装而成， 叠装之前，叠装之前， 硅钢片上还硅钢片上还需涂一层绝缘漆。需涂一层绝缘漆。 交错叠装即将每层硅交错叠装即将每层硅钢片的接缝错开，钢片的接缝错开， 这样可以减小铁心中这样可以减小铁心中的磁滞和涡流损耗。的磁滞和涡流损耗。 图图6-2为几种常见铁为几种常见铁心的形状。心的形状。 第第6 6章章 变变 压压 器器 6 图6-2 变压器的铁心(a) 口型； （b） EI型； (c) F型； （d） C型(a)(b)(c)(d)第第6 6章章 变变 压压 器器 7 2 绕组绕组 绕组构成变压器的电路部分。绕组构成变压器的电路

4、部分。 绕组通绕组通常用绝缘的铜线或铝线绕制，常用绝缘的铜线或铝线绕制， 其中与电源其中与电源相连的绕组称为原绕组（又称原边或初相连的绕组称为原绕组（又称原边或初级）；级）； 与负载相连的绕组称为副绕组（又与负载相连的绕组称为副绕组（又称二次绕组或次级）。称二次绕组或次级）。 一般小容量变压器的绕组用高强度漆一般小容量变压器的绕组用高强度漆包线绕制而成，包线绕制而成， 大容量变压器可用绝缘扁大容量变压器可用绝缘扁铜线或铝线绕制。铜线或铝线绕制。第第6 6章章 变变 压压 器器 8 按铁心和绕组的组合结构，按铁心和绕组的组合结构， 通常又把通常又把变压器分为心式和壳式两种，变压器分为心式和壳式两

5、种， 如图如图6-3所示。所示。 心式变压器的绕组套在铁心柱上，心式变压器的绕组套在铁心柱上， 结构较结构较简单，简单， 绕组的装配和绝缘都比较方便，绕组的装配和绝缘都比较方便， 且且用铁量少，用铁量少， 因此多用于容量较大的变压器，因此多用于容量较大的变压器， 如电力变压器。如电力变压器。 壳式变压器的铁心把绕组壳式变压器的铁心把绕组包围在中间，包围在中间， 故不要专门的变压器外壳，故不要专门的变压器外壳， 但它的制造工艺复杂，但它的制造工艺复杂， 用铁量较多，用铁量较多， 常用常用于小容量的变压器中，于小容量的变压器中， 如电子线路中的变如电子线路中的变压器多采用壳式结构。压器多采用壳式结

6、构。 第第6 6章章 变变 压压 器器 9图图6-3 变压器的结构形式变压器的结构形式 (a) 心式；心式； (b) 壳式壳式铁心绕组(a)(b)第第6 6章章 变变 压压 器器 101u2uLZ1i2i单相变压器单相变压器+一次一次绕组绕组N1二次二次绕组绕组N2铁心铁心第第6 6章章 变变 压压 器器 111、 空载运行情况空载运行情况一次侧接交流电源，一次侧接交流电源，二次侧开路。二次侧开路。0i02i1u+20u+2e+1e+1e+ 11N2N 1u dd11tNe i0 ( i0N1) tNedd 22 空载时，空载时，铁心中主铁心中主磁通磁通 是是由一次绕由一次绕组磁通势组磁通势产

7、生的。产生的。第第6 6章章 变变 压压 器器 12二二 、 变压器的原理和作变压器的原理和作用用如图如图6-4所示。所示。 各量的方向各量的方向按习惯参考方向选取，按习惯参考方向选取， e1、 e2与与符合右手螺旋法则。符合右手螺旋法则。 其磁动势其磁动势i10N1在铁心中产生在铁心中产生主磁通主磁通， 主磁通主磁通通过闭通过闭合铁心，合铁心， 在原、在原、 副绕组中副绕组中分别感应出电动势分别感应出电动势e1、 e2。 根据电磁感应定律可得根据电磁感应定律可得: N1N2u1e1i10i20u20e2图图6-4变压器的空载运行变压器的空载运行 第第6 6章章 变变 压压 器器 13 根据5

8、.3节中对交流铁心线圈的分析， 由式(5-7) 可知 U1 E1=4.44fN1m U20E2=4.44fN2m dtdNedtdNe2211 (6-1)（6-2） 第第6 6章章 变变 压压 器器 14 式中， f为交流电源的频率， m为主磁通的最大值。 由式（6-2）可得KNNfNfNEEUUmm21212120144. 444. 4（6-3）上式表明，上式表明， 变压器空载运行时，变压器空载运行时， 一、二次绕组上电压的比值等一、二次绕组上电压的比值等于两者的匝数比，于两者的匝数比， 这个比值这个比值K称为变压器的变压比。称为变压器的变压比。 当一、二当一、二次绕组匝数不同时，次绕组匝数

9、不同时， 变压器就可以把某一数值的交流电压变换变压器就可以把某一数值的交流电压变换为同频率的另一数值的电压，为同频率的另一数值的电压， 这就是变压器的电压变换作用。这就是变压器的电压变换作用。 当当K1时时, 变压器为降压变压器；变压器为降压变压器； 当当K1时，时， 为升压变压器。为升压变压器。第第6 6章章 变变 压压 器器 15 例例6-1 已知某变压器铁心截面积已知某变压器铁心截面积S=150 cm2，铁，铁心中心中 磁感应强度的最大值不能超过磁感应强度的最大值不能超过Bm=1.2T，若要用，若要用它把它把6000V工频交流电变换为工频交流电变换为230V的同频率交流电，的同频率交流电

10、，则应配多少匝数的一、二次绕组则应配多少匝数的一、二次绕组? 解：解： 铁心中磁通的最大值铁心中磁通的最大值 m =BmS=1.215010-4=0.018 Wb 一次绕组的匝数应为一次绕组的匝数应为 匝1502018. 05044. 4600044. 411mfUN 二次绕组的匝数应为二次绕组的匝数应为 匝58230/60001502/21112UUNKNN第第6 6章章 变变 压压 器器 162、 带负载运行带负载运行一次侧接交流电源，一次侧接交流电源，二次侧二次侧。1u+1e+1e+ 11N2N 1u dd11tNe tNedd 22 i1 ( i1N1) i1i2 ( i2N2) 有载

11、时，铁心有载时，铁心中主磁通中主磁通 是是由一次、二次由一次、二次绕组磁通势共绕组磁通势共同产生的合成同产生的合成磁通。磁通。 2i2+e2+e 2+u2第第6 6章章 变变 压压 器器 172222ZUIZ 1m11 44 4 Nf.EU m10 Nim2211 NiNi+|Z |2i1u2e1i1e1N2N+2u第第6 6章章 变变 压压 器器 18一般情况下：一般情况下：I0 (23)%I1N 很小可忽略。很小可忽略。2211 NiNi 所所以以或或2211NINI 2211NINI 所所以以KNNII11221 结论：一次、二次侧电流与匝数成反比。结论：一次、二次侧电流与匝数成反比。或

12、：或：221011NiNiNi 22Ni102211NiNiNi 空载磁势空载磁势有载磁势有载磁势第第6 6章章 变变 压压 器器 19例例6-2 已知一变压器已知一变压器N1=800，N2=200，U1=220V,I2=8A,负载为纯电阻，忽略变压器的漏磁和负载为纯电阻，忽略变压器的漏磁和损耗，求变压器的二次电压损耗，求变压器的二次电压U2、一次电流、一次电流I1和输入、和输入、输出功率。输出功率。解：解：WWIUPWWIUPAAKIIVVKUUNNK4408554402220248:5542204200800222111211221输出功率：输入功率：一次电流二次电压：电压比： 由此可见，

13、由此可见， 当变压器的功率当变压器的功率损耗忽略不计时，损耗忽略不计时， 它的输入功率与它的输入功率与输出功率相等，输出功率相等， 符合能量守恒定符合能量守恒定律。律。 第第6 6章章 变变 压压 器器 2022IUZ 11IUZ ZKIUKKIKUIUZ22222211 ZKZ2 结论：结论： 变压器一次侧的等效阻抗模，为二次变压器一次侧的等效阻抗模，为二次侧所带负载的阻抗模的侧所带负载的阻抗模的K 2 倍。倍。 1U2U1I2IZ+1U1IZ +第第6 6章章 变变 压压 器器 21 例例6-4 某交流信号源的电某交流信号源的电动势动势E=120 V， 内阻内阻R0=800 ，负载电阻负载

14、电阻 RL=8 。试求：。试求： （1） 若负载直接接在信号源上若负载直接接在信号源上(如图如图6-7（a）所示）所示)， 信号源输信号源输出的功率为多少？出的功率为多少？ （2） 若要信号源输给负载的功若要信号源输给负载的功率达到最大，用变压器进行阻率达到最大，用变压器进行阻抗变换，则变压器的匝数比应抗变换，则变压器的匝数比应选多少？阻抗变换后信号源的选多少？阻抗变换后信号源的输出功率多大？输出功率多大？RLN2N1ER0ER0RL(a)(b)RLN2N1ER0ER0RL(a)(b)图6-7图6-7第第6 6章章 变变 压压 器器 22 （2） 变压器把负载变压器把负载RL变换为等效电阻变换

15、为等效电阻RL =R0=800 时，时， 输出变压器的匝数比应为输出变压器的匝数比应为10880021LLRRNNK这时信号源的输出功率为这时信号源的输出功率为 WRRRURIPLLSL5 . 4800)800800120()(2202 解：（解：（1） 若负载直接接到信号源上，若负载直接接到信号源上， 信号信号源的输出功率为源的输出功率为WWRRRERIPLLL176.08)8800120()(2202可见，经变压器可见，经变压器“匹配匹配”后，输出功率增大了许多。后，输出功率增大了许多。第第6 6章章 变变 压压 器器 230LRR 第第6 6章章 变变 压压 器器 24第二节第二节 变压

16、器的额定值变压器的额定值一、变压器的额定值主要有一、变压器的额定值主要有第第6 6章章 变变 压压 器器 25N2N2NIUSN2N2N3IUS N2N2NIUS容量：容量： 21PP 一次侧输入功率：一次侧输入功率： cos222IUP 输出功率：输出功率： 变压器运行时变压器运行时的功率取决于的功率取决于负载的大小和负载的大小和性质性质SN是指变压器二次侧额定电压和额定电流的乘积是指变压器二次侧额定电压和额定电流的乘积4、额定频率、额定频率第第6 6章章 变变 压压 器器 26122222)。%100%20220 UUUU)(22IfU 2 U2I2U20I2N2 O一、变压器的外特性一、

17、变压器的外特性第第6 6章章 变变 压压 器器 27三、三、变压器的效率变压器的效率 %100PPPPPP2212FeCu第第6 6章章 变变 压压 器器 28例例6-4 有一台照明变压器，额定容量有一台照明变压器，额定容量SN=100VA，额定电压，额定电压U1N/U2N=220/36V。铁心用硅钢片叠成，截面积。铁心用硅钢片叠成，截面积S=15cm2,磁磁感应强度的饱和值感应强度的饱和值Bm=1.1T,取二次绕组空载电压取二次绕组空载电压U20为为U2N的的1.05倍，试求变压器一、二次绕组匝数倍，试求变压器一、二次绕组匝数N1N2及其额定电流及其额定电流I1N和和I2N。解：一次绕组的匝

18、数为：解：一次绕组的匝数为：AAUSIAAUSIUUNUUNNSfBUNNNNNNNNNNmN78. 236100455. 02201001033605. 122060005. 1260010151 . 15044. 422044. 422112112011411匝二次绕组的匝数二次绕组的匝数为：为：一、二次绕一、二次绕组额定电流组额定电流为：为：第第6 6章章 变变 压压 器器 29KNNIIKNNUU112212121 ABP1u2u1i2iLR1N2N+第第6 6章章 变变 压压 器器 30二、小功率电源变压器二、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，在各种仪器设备

19、中提供所需电源电压的变压器，一般容量和体积都比较小，称为小功率变压器。为了一般容量和体积都比较小，称为小功率变压器。为了满足不同部件的需要，这种变压器常含有多个二次绕满足不同部件的需要，这种变压器常含有多个二次绕组，可从二次侧获得多个不同的电压。组，可从二次侧获得多个不同的电压。各绕组所环链的主磁通都是相各绕组所环链的主磁通都是相同的，故各绕组之间的变压比同的，故各绕组之间的变压比仍等于各匝数之比。仍等于各匝数之比。112323112222112121UNNUUNNUUNNU第第6 6章章 变变 压压 器器 31323232222212121ZUIZUIZUI321,zzz当各二次绕组分别接入

20、负载阻抗当各二次绕组分别接入负载阻抗后，二次侧电流分别为后，二次侧电流分别为与双绕组变压器相似与双绕组变压器相似当电源电压和频率不当电源电压和频率不变时，主磁通保持不变时，主磁通保持不变，故磁通势保持不变，故磁通势保持不变即：变即：231232212221121111023232222212111.INNINNINNINININININI第第6 6章章 变变 压压 器器 32 AXax Aax 同极性端用同极性端用“”表示表示。增加增加+ 第第6 6章章 变变 压压 器器 33联接联接 23 Nf.Um2444220 NN1324 NN1324 联接联接 13， 2 4ii Nf.U44411

21、0m 当电源电压为当电源电压为220V时：时：220u+110u+电源电压为电源电压为110V时：时：第第6 6章章 变变 压压 器器 34axAaAXUUU、测量：测量： 若若 说明说明 A 与与 x 或或 X 与与 a 是是同极性端同极性端.axAXAaUUU axAXAaUUU VaAXxVAXu+第第6 6章章 变变 压压 器器 35Xx电流表电流表+_A a+SAXax+_S2e+第第6 6章章 变变 压压 器器 36ABCXYZabczyx高压绕组：高压绕组：A-X B-Y C-ZX、Y 、Z ：尾端：尾端A、B、C ：首端首端低压绕组：低压绕组：a-x b-y c-za、b、c：首端：首端x、y、z：尾端：尾端2) 三相变压器的联结方式三相变压器的联结方式/000YYYYYYYY、：高压绕组接法高压绕组接法低压绕组接法低压绕组接法:YY0/三相配电变压器三相配电变