电机与电气控制技术 课件 项目3 变压器的应用与维护

项目3

变压器应用与维护任务3.1单相变压器认知与分析学习目标知识目标1.了解单相变压器的结构及种类；2.理解单相变压器的基本工作原理；3.掌握单相变压器的特性。技能目标1.通过空载和短路试验测定变压器的变比和参数；2.通过负载试验测量并获取变压器的运行特性。素养目标1.培养学生自觉遵守安全操作规程，细心操作的工作习惯以及团队合作意识。任务分析

变压器种类繁多，用途各异，电压等级和容量不同，但变压器的基本结构大致相同。最简单的变压器由一个闭合软磁铁芯和两个套有铁芯上又相互绝缘的绕组构成，根据绕组和铁芯的相对位置，变压器有壳式结构和芯式结构两种，如图3-1所示。图3-1单相变压器知识准备

一、认识单相变压器变压器种类繁多，用途各异，电压等级和容量不同，但变压器的基本结构大致相同。最简单的变压器由一个闭合软磁铁芯和两个套有铁芯上又相互绝缘的绕组构成，根据绕组和铁芯的相对位置，变压器有壳式结构和芯式结构两种，如图3-2所示。图3-2单相变压器的结构与符号（a）芯式变压器（b）壳式变压器（c）变压器的符号变压器主要由绕组和铁芯两大部分组成。(1)绕组绕组又称线圈，是变压器的电路部分，分为一次绕组和二次绕组两种。在变压器工作时，与电源连接的绕组称为一次绕组，简称一次；与负载相接的绕组称为二次绕组，简称二次，如图3-3所示。

变压器的组成图3-3变压器的一次绕组和二次绕组(2)铁芯铁芯是变压器的磁路部分，由铁芯柱和铁轭两部分组成。一般采用厚度为0.35–0.5mm，表面涂有绝缘漆的高磁导率电工材料冷轧(或热轧)硅钢片叠成。冲压成型并叠合组装成一个整体。变压器的铁芯中，每片硅钢片为拼接片。变压器铁芯的结构有心式、壳式和渐开线式等形式。

变压器的组成

二、单相变压器的基本工作原理

图3-4是一个简单的单相双绕组变压器工作原理图。在实际电路中，铁芯主要构成变压器的主磁路，两个绕组之间只有磁耦合而没有电联关系。变压器工作原理是在原绕组上加交变电流，然后在磁路中会产生交变的磁通；在副绕组中也会产生交变的磁通，则副受感应而产生电。图5-3

图3-4单相双绕组变压器的工作原理图

三、单相变压器的外特性

变压器在负载运行中，随着负载的增加，负载电流随之增加，一、二次绕组上的压降及漏磁电动势都随之增加，二次绕组的端电压将会降低。当电源电压及负载功率因数一定时，反映副边端电压随副边电流变化而变化的曲线，称为变压器的外特性，如图3-5所示。外特性直观反映了变压器输出电压随负载电流变化的趋势。图3-4单相变压器的外特性

由图3-5可知，对于电容性负载，由于容性负载减小了无功电流分量，所以随的增大而增大。而对于电阻和电感性负载，增大而减小。

四、单相变压器的极性

单相变压器的一、二次绕组在同一个铁芯上，当同时交链的磁通Φ交变时，两个绕组感应出电动势，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，称为同极性端或同名端，通常用符号“.”表示。若两个绕组的绕向已定，同名端是确定的。单相变压器的首端和末端有两种不同的标法。一种是将一、二次绕组的同极性端都标为首端（或末端），如图3-5a所示，这时一、二次绕组电动势与同相位（感应电动势的参考方向均规定从末端指向首端）。另一种标法是把一、二次绕组的异极性端都标为首端（或末端），如图3-5c所示，这时与反相位。图3-5不同标志时一、二次绕组感应电动势之间的相位关系

综上分析，在单相变压器中，一、二次绕组感应电动势的相位关系要么同相位要么反相位，它取决于绕组的绕向和首末端标记。任务实施

修身

强体

博学

感恩准备元器件、工具，如表3-1所示。序号元器材名称型号与规格数量单位备注1交流电流表D321块

2交流电压表D331块

3万用表MF47或DT95021块

4单相功率表D34-31块

5单相变压器220V/55V1台

6单相自耦调压器0-220V1台

7三相可调电阻器D421件

8三相可调电抗器D431件

9示波器123B1台Fluke10连接导线

若干根表3-1元器件和工具清单

一、空载实验

（1）测量单相变压器的变压比①按如图3-6所示连接电路。图3-6变压比测量电路②将单相自耦调压器Ty的手柄置于零位，闭合电源开关S。③调节单相自耦调压器的手柄，使加在单相变压器低压侧的电压分别为额定电压的1100%、75%、50%，依次测量高压侧对应的电压。④根据3次测量结果，分别计算单相变压器的变压比，取三次计算结果的平均值作为该变压器的实际变压比。将测量与计算结果填入表3-2中。表3-2单相变压器的变压比测量与计算结果（2）测量单相变压器的空载参数①按如图3-7所示连接电路。

图3-7空载试验电路②将单相自耦调压器的手柄置于零位，闭合电源开关S。③调节单相自耦调压器的手柄，使其输出电压等于变压器低压侧的额定电压（55V），观察交流电流表、单相功率表的读数，并将测量结果填入表3-3中。④根据测量结果计算励磁阻抗Zm、励磁电阻Rm和励磁电抗Xm，将测量与计算结果填入表3-3中。表3-3单相变压器的空载参数测量与计算结果（2）短路实验①按如图3-8所示连接电路。

图3-8短路试验电路

(3)负载测试按如图3-9所示连接电路。变压器低压线圈接电源，高压线圈经过开关和,接到负载电阻和电抗上。图3-9负载试验电路

序号1234567

序号1234567

任务考评

根据班级人数先分组，然后进行任务实施，实施过程中的考评细节参见表3-7。项目评价指标自评互评自评互评平均分总分工作任务（40分）空载试验接线正确

（5分）

空载试验数据测试正确

（5分）

短路试验接线正确

（5分）

短路试验数据测试正确（5分）

负载试验接线正确

（5分）

负载试验数据测试正确（5分）

通电是否一次成功（10分）

职业素养（15分）工作服整洁、无饰品或硬质件（5分）

正确查阅维修资料和学习材料（5分）

8S素养（5分）

个人思考和总结(5分）按照完成任务的安全、质量、时间和8S要求，提出个人改进性建议（5分）

教师评价(40分）

教师评分

课后习题1.变压器主要由哪两大部分组成?2.单相变压器的基本工作原理是什么?3.在单相变压器中，一、二次绕组感应电动势的相位关系是怎样的？主要取决于什么?任务3.2三相变压器认知与分析任务3.2三相变压器认知与分析学习目标知识目标1.理解三相变压器的基本工作原理；2.掌握三变压器的结构及连接；3.掌握三相变压器的特性。技能目标1.通过测变比、空载和短路试验测定三相变压器的参数；2.通过负载试验测量并获取三相变压器的运行特性。素养目标1.培养学生养成自觉遵守安全及技能操作规程和认真负责、精心操作的工作习惯，以及团队合作意识。任务分析三相变压器是三个相同的单相变压器的组合，如图3-10所示。三相变压器具有高度隔离特性、高度共模干扰抑制能力，常用于供电系统中。

图3-10三相变压器知识准备1.认识三相变压器三相变压器可以由3台同容量的单相变压器一、二次绕组按照一定的顺序连接组成，此类变压器称为三相组式变压器；也可用铁轭把3个铁芯柱连在一起构成，此类变压器称为三相芯式变压器。三相组式变压器是由三台单相变压器组成的，相应的磁路称为组式磁路。其各相磁路相互独立，互不关联，即各相主磁通都有自己独立的磁路。当外加三相对称电压时，三相主磁通对称，三相空载电流也对称。三相组式变压器的磁路结构如图3-11所示。图3-11三相组式变压器的磁路结构三相芯式变压器是将3台单相变压器的铁芯合在一起经演变而成，其演变过程如下：（1）将3台单相变压器各自的一个铁心柱贴合在一起，形成一个整体，如图3-12（a）所示。（2）将中间铁芯柱省去，如图3-12（b）所示。当绕组经过三相交流电时，通过中间的磁通为三相磁通之和。因为三相电压对称，所以合成磁通为零，因此可以将中间的铁芯省去，这样可以节省大量铁芯材料。（3）将三相铁芯柱的中心线排列在同一平面，演变成常见的三相芯式变压器形，如图3-12（c）所示。如此可使变压器结构简单、制造方便，并且可以减小变压器的体积，节省材料。

（a）有中间铁芯柱

（b）无中间铁芯柱

（c）常用型3-12三相芯式变压器的磁路结构

图3-13三相绕组的星形连接

变压器高压绕组的星形连接用Y表示，有中性点引出时用YN表示，低压绕组的星形连接用y表示，有中性点引出时用yn表示。三角形连接三角形连接是指将三相三角形连接的各相首尾相接，构成一个闭合回路，再将三相的首端U1、V1、W1引出箱外。根据首尾连接顺序的不同，三角形连接有顺序和逆序两种接法。顺序三角形连接是指三相绕组按照的顺序连接，如图3-14（a）所示；逆序三角形连接是指三相绕组按照，如图3-14（b）所示。无论采用哪种连接，若有一相绕组接反，都会产生不良后果。（a）顺序三角形连接

（b）逆序三角形连接图3-14三相变压器的三角形连接变压器高压绕组的三角形连接用D表示，低压绕组的三角形连接用d表示。（2）三相变压器的并联运行三相变压器并联运行，就是将两台或多台变压器的一次绕组并联在同一电压的母线上，二次绕组并联在另一电压的母线上，共同对负载供电的运行方式，其接线图如图3-15所示。图3-15变压器并联运行接线图①三相变压器并联运行的原因：A.变电站所供的负载总是在若干年内不断发展、不断增加的，随着负载的不断增加，可以相应地增加变压器的台数，这样做可以减少建站、安装时的一次投资。B.当变电站所供的负载有较大的昼夜或季节波动时，可以根据负载的变动情况，随时调整投入并联运行的变压器台数，以提高变压器的运行效率。C.当某台变压器需要检修(或故障)时，可以将其切换下来，而将备用变压器投入并使之并联运行，以提高供电的可靠性。②变压器并联运行的条件三相变压器并联运行时，各并联的变压器必须满足以下条件，否则不仅会增加变压器的能耗，还可能发生事故。A.各台变压器一、二次侧的额定电压相同，变比相等。B.各台变压器的联结组别相同。C.各台变压器短路阻抗标称值相等，并且短路阻抗角尽量相同。任务实施

修身

强体

博学

感恩三相变压器参数和运行特性测定准备元器件、工具，如表3-8所示。

表3-8元器件和工具清单序号元器材名称型号与规格数量单位备注1交流电流表D321块

2交流电压表D331块

3智能三相功率表D34-31块

4三相心式变压器DJ121件

5三相可调电抗器D421件

6小型测试及开关板D511件

1.测定变比（1）按如图3-16所示连接电路。图3-16三相变压器变比实验接线图（2）将三相交流电源调到输出电压为零的位置。（3）开启控制屏上电源总开关，按下“开”按钮，接通电源。（4）调节外施电压测取高、低线圈的线电压UAB、UBC、UCA、Uab、Ubc、Uca，将测量数据和计算结果填入表3-9中。表3-9测定变比数据记录表高压绕组线电压（V）低压绕组线电压（V）变比（K）

2.空载试验（1）将控制屏左侧三相交流电源的调压旋钮调到输出电压为零的位置，按下“关”按钮，在断电的条件下按如图3-17所示连接电路。变压器低压线圈接电源，高压线圈开路。图3-17三相变压器空载实验接线图

表3-10空载试验数据记录表序号实验数据计算数据

3.短路试验（1）将控制屏左侧三相交流电源的调压旋钮调到输出电压为零的位置，按下“关”按钮，在断电的条件下按如图3-18所示连接电路。图3-18三相变压器短路试验接线图

序号实验数据计算数据

4.纯电阻负载试验（1）将电源电压调至零值，按下“关”按钮，在断电的条件下按如图3-19所示连接电路。图3-19三相变压器负载试验接线图

表3-12