電工基礎(chǔ)——變壓器

1、第八章變壓器第一節(jié) 變壓器的基本知識(shí)學(xué)習(xí)目標(biāo)： 1 了解變壓器的構(gòu)造： 2 熟悉變壓器的工作原理重點(diǎn)： 變壓器的工作原理難點(diǎn)： 變壓器的工作原理一、變壓器的基本知識(shí)1 定義變壓器的是一種常見(jiàn)的電氣設(shè)備， 可用來(lái)把某種數(shù)值的交變電壓變換為同頻率的另一數(shù)值 的交變電壓，也可以改變交流電的數(shù)值及變換阻抗或改變相位。2 變壓器的意義發(fā)電廠欲將 P=3Ulcos $的電功率輸送到用電的區(qū)域，在P、 cos $為一定值時(shí)，若采用的電壓愈高， 則輸電線路中的電流愈小， 因而可以減少輸電線路上的損耗， 節(jié)約導(dǎo)電材料。 所以遠(yuǎn)距離輸電采用高電壓是最為經(jīng)濟(jì)的。目前， 我國(guó)交流輸電的電壓最高已達(dá) 500kV 。這樣

2、高的電壓， 無(wú)論從發(fā)電機(jī)的安全 運(yùn)行方面或是從制造成本方面考慮，都不允許由發(fā)電機(jī)直接生產(chǎn)。發(fā)電機(jī)的輸出電壓一般有 3.15kV 、 6.3kV 、 10.5 kV 、 15.75 kV 等幾種，因此必須用升壓變壓器將電壓升高 才能遠(yuǎn)距離輸送。電能輸送到用電區(qū)域后， 為了適應(yīng)用電設(shè)備的電壓要求， 還需通過(guò)各級(jí)變電站 （所） 利用變壓器將電壓降低為各類電器所需要的電壓值。在用電方面，多數(shù)用電器所需電壓是 380V 、 220V 或 36 V ，少數(shù)電機(jī)也采用 3kV 、 6kV 等。3 變壓器分類 按其用途不同，有電源變壓器、電力變壓器，調(diào)壓變壓器，儀用互感器，隔離變壓器。按結(jié) 構(gòu)分為雙繞組變壓器

3、、 三繞組變壓器、 多繞組變壓器及自耦變壓器。 按鐵心結(jié)構(gòu)分為殼式變 壓器和心式變壓器。 按相數(shù)分為單相變壓器、 三相變壓器和多相變壓器。 變壓器的種類雖多， 但基本原理和結(jié)構(gòu)是一樣的。4 變壓器的基本結(jié)構(gòu)（ 1 ）鐵心圖 8-1變壓器由套在一個(gè)閉合鐵心上的兩個(gè)或多個(gè)線圈（繞組）構(gòu)成，如圖 8-1 所示。鐵心和線 圈是變壓器的基本組成部分。 鐵心構(gòu)成了電磁感應(yīng)所需的磁路。 為了減少磁通變化時(shí)所引起 的渦流損失，變壓器的鐵心要用厚度為 0.350.5mm的硅鋼片疊成。片間用絕緣漆隔開(kāi)。 鐵心分為心式和客式兩種。（ 2 ）線圈變壓器和電源相連的線圈稱為原繞組（或原邊 , 或初級(jí)繞組），其匝數(shù)為 N

4、 1 ，和負(fù)載相 連的線圈稱為副繞組（或副邊 , 或次級(jí)繞組），其匝數(shù)為 N 2 。繞組與繞組及繞組與鐵心 之間都是互相絕緣的。5 變壓器的符號(hào)，如圖 8-2 所示。圖 8-2圖 8-16 理想變壓器原副兩繞組的電阻為 0 ，電感無(wú)窮大；沒(méi)有漏磁；沒(méi)有鐵心損耗。二、變壓器的工作原理1. 變壓器的空載運(yùn)行變壓器原線圈接上額定的交變電壓u 1 ，副線圈開(kāi)路不接負(fù)載， 稱為空載運(yùn)行，如圖 8-3 所示 。副邊中的電流為零，原邊的空載電流為 i 0（ 1 ）空載電流 I 0在外加正弦電壓 u 1 的作用下，線圈內(nèi)有交變電流 i 0 流過(guò)。 這時(shí)原線圈內(nèi)的 電流，稱作變壓器的空載電流，又稱勵(lì)磁電流。它與

5、原線圈匝數(shù) N 1 的乘積 i 0 N 1 稱為 勵(lì)磁磁勢(shì)。圖 8-3 空載時(shí)的變壓器 由于鐵心的磁導(dǎo)率遠(yuǎn)大于空氣的磁導(dǎo)率，所以激磁磁勢(shì)產(chǎn)生的磁通絕大部分集中在鐵心里， 沿鐵心而閉合，該磁通稱作主磁通（或工作磁通），用表示，空載電流（勵(lì)磁電流）的有效值I 0 般都很小，約為額定電流的 3%8%。（ 2 ）原副邊的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì) 主磁通隨電流按正弦規(guī)律變化，變化的磁通穿過(guò)原副邊產(chǎn)生的有效值為E 1 4.44fN 1 m , E 2 4.44fN 2 m由此可得（ 3 ）電壓平衡方程、電壓比空載時(shí)變壓器的原繞組電路是一個(gè)含有鐵心線圈的交流電路，在工程計(jì)算中常忽略原繞組中的阻抗不計(jì)。所以原繞組一側(cè)的電壓

6、平衡方程可簡(jiǎn)化為u 1 - -e 1，這說(shuō)明，在變壓器原線圈中，自感電動(dòng)勢(shì)和電源電壓幾乎相等，但相位相反。由此可得 u 1 的有效值為U 1沁E 1 =4.44fN 1m ,該式表明：當(dāng)電源頻率和原線圈匝數(shù)一定時(shí)，鐵心中主磁通的大小基本上由電源電壓決定。 當(dāng)電源電壓不變時(shí)，變壓器鐵心中的主磁通基本上是個(gè)常 數(shù)。由于空載時(shí)變壓器副線圈是開(kāi)路的， i 2 =0 ，副線圈的端電壓為u 2 =e 2 ,有效值為 U2E2 =4.44fN 2 m ，因此可以得到 式中 Ku 稱為變壓器的變壓比， 簡(jiǎn)稱變比， 表明變壓器空載時(shí)， 原、副邊端電壓之比等于原、副線圈的匝數(shù)之比，匝數(shù)多的一邊電壓高，匝數(shù)少的一邊

7、電壓低。我們把Ku > 1的稱為降壓變壓器；稱Ku v 1的為升壓變壓器。實(shí)際應(yīng)用時(shí)，變壓器的副邊輸出電壓可在小范 圍內(nèi)調(diào)節(jié)，副邊留有抽頭，可以獲得不同數(shù)值的輸出電壓。2. 變壓器的負(fù)載運(yùn)行變壓器副邊接上負(fù)載阻抗 Z 后， 副線圈中通過(guò)電流 i 2， 如圖 8-4 所示。當(dāng)電源電壓 U不變時(shí)， 鐵心中主磁通 也基本不變。因此，當(dāng)變壓器帶上負(fù)載后，因?yàn)?I 0 很小，可以忽略內(nèi)部能量損耗，把變壓器視為理想變壓器，即變壓器的輸入功率 全部消耗在負(fù)載上，即U 1 I 1 =U 2 I 2 ，由前面的分析得到：K i 稱為變壓器的變流比，表示原、副繞組內(nèi)的電流大小與線圈匝數(shù)成反比。結(jié)合前式還可得

8、出該式表明，在不考慮變壓器本身?yè)p耗的情況下（理想狀態(tài)），變壓器原繞組輸入的功率等于副繞組輸出的功率。這也說(shuō)明變壓器是一種把電能轉(zhuǎn)換為“高壓小電流”或 “低壓大電流”的電器設(shè)備，起著傳遞能量的作用。3 .變壓器的阻抗變換作用若在變壓器副邊接一電阻R，如圖8-5所示。那么從原邊兩端來(lái)看，等效電阻為CO®因?yàn)樗詧D8-5變壓器的阻抗變換( N 1 /N 2 ) 2 倍，說(shuō)明變壓器起到了阻抗變換的作用。 當(dāng)變壓器負(fù)載一定時(shí)，改變變 壓器原副邊的匝數(shù)，就可以獲得所需要的阻抗。作業(yè)： 8-7-1 ， 8-14第二節(jié) 變壓器的效率和幾種常用變壓器學(xué)習(xí)目標(biāo)： 1 掌握變壓器的功率和效率2 熟悉幾種常

9、用變壓器3 熟悉電磁鐵的工作原理重點(diǎn)： 變壓器的功率和效率難點(diǎn)： 常用變壓器的工作原理一、變壓器的損耗和效率1 輸入功率變壓器負(fù)載運(yùn)行時(shí)，原線圈的輸入功率即有功功率為P 1 =U 1 I 1 cos 0 1 ,其中0 1為原邊電壓 U 1 與電流 I 1 的相位差。2 輸出功率副線圈給負(fù)載輸出的有功功率為 P 2 =U 2 I 2 cos 0 2 ，這里 cos 0 2 為負(fù)載的功率 因數(shù)。3 變壓器的損耗輸入的有功功率和輸出的有功功率之差， 就是變壓器的損耗。變壓器的損耗包括銅損和鐵 損兩部分，銅損為繞組的損耗，鐵損為鐵心中產(chǎn)生的磁滯損耗和渦流損耗。變壓器的功率損耗為4 額定容量原線圈應(yīng)加的

10、電壓及原線圈加上額變壓器的額定電壓，是指變壓器在額定情況下運(yùn)行時(shí)，定電壓時(shí)副邊的空載電壓。變壓器的額定容量為副邊額定電壓和副邊額定電流乘積S=U 2e I2e，額定容量的單位為 VA或kVA(伏安或千伏安)。5 .效率變壓器的效率為x 100%在接近滿載時(shí)效率最高。小型變壓器的效率為 80%90%，大型變壓器的效率可達(dá) 98%左右。二、常用變壓器1 三相變壓器 電力工業(yè)中，輸配電都采用三相制。變換三相交流電電壓，則用三相變壓器。可以設(shè)想，把三個(gè)單相變壓器拼合在一起，便組成了一個(gè)三相變壓器，各相磁通都經(jīng)過(guò)中間鐵心。(a )三個(gè)單相變壓器的組合；(b )由三個(gè)單相變壓器合成一個(gè)三相變壓器圖8-6三

11、相變壓器由于三相磁通對(duì)稱(各相磁通幅值相等，相位互差120 ° )，所以通過(guò)中間鐵心的總磁通為零，故中間鐵心柱可以取消。這樣，實(shí)際制作時(shí)，通常把三個(gè)鐵心柱排列在同一平面，如 圖8-7所示。這種三相變壓器比三個(gè)單相變壓器組合效率高，成本低，體積小，因此應(yīng)用 廣泛。原副邊可以根據(jù)實(shí)際需要連接成星形或三角形。原邊與三相電源連接，副邊和三相 負(fù)載連接，構(gòu)成三相電路。三相變壓器的額定容量為S = 3 U 2e I 2e ，式中，U 2e、I 2e 分別為副邊額定線電壓、額定線電流。圖8-7三相變壓器2 自耦變壓器自耦變壓器的原邊電路與副邊電路共用一部分線圈，如圖8-8所示。原、副邊之間除了有磁

12、的聯(lián)系外，還有直接的電的聯(lián)系。這是自耦變壓器區(qū)別于一般變壓器的特點(diǎn)。從圖中看出，當(dāng)原邊加上額定電壓后，若不考慮電阻的壓降和漏感電勢(shì)，則式中K為自耦變壓器的變壓比。當(dāng)自耦變壓器接上負(fù)載，副邊有電流i2 輸出時(shí)，有圖8-8 自耦變壓器上式表明，自耦變壓器中原、副邊電流的大小與線圈匝數(shù)成反比，且在相位上相差180 °。因此，自耦變壓器中，原、副邊共同部分的電流為i=i 1 +i 2，考慮到i 1與i 2相位相反，故1=1 2 -I 1。當(dāng)變比K接近1時(shí)，由于i 1 與i 2 數(shù)值相差不大，所以線圈公共部分電流I很小。因此，這部分線圈可用截面較小的導(dǎo)線，以節(jié)省材料。自耦變壓器的優(yōu)點(diǎn)是：構(gòu)簡(jiǎn)單

13、，節(jié)省材料，效率高。但這些優(yōu)點(diǎn)只有在變壓器變比不大的情況下才有意義。它的缺點(diǎn)是副線圈和原線圈有電的聯(lián)系，不能用于變比較大的場(chǎng)合（一般不大于2 ）。這是因?yàn)楫?dāng)副線圈斷開(kāi)時(shí)，高電壓就串入低壓網(wǎng)絡(luò)，容易發(fā)生事故。實(shí)驗(yàn)室常用的調(diào)壓器，就是一種副線圈匝數(shù)可變的自耦變壓器，如圖8-9所示。圖8-9這種調(diào)壓器端點(diǎn)可以滑動(dòng)，所以能均勻地調(diào)節(jié)電壓。該調(diào)壓器還可以做成三相的，容量一般為幾千伏安，電壓為幾百伏。使用自耦調(diào)壓器時(shí)，要注意以下幾點(diǎn)：1 ）原副邊不能接錯(cuò)，否則會(huì)燒毀變壓器。2）接電源的輸入端共三個(gè)，用于220V和110V電源，不可將其接錯(cuò)，否則會(huì)燒毀變壓器。urMMthL93）電源接通前，要把手柄轉(zhuǎn)到零位

14、。接通電源前，逐漸調(diào)動(dòng)受柄，調(diào)出所需要的輸出電壓。3 .互感器互感器即可測(cè)量高電壓或大電流，又可保障操作人員的安全。（1）電壓互感器 電壓互感器的構(gòu)造與普通雙繞組變壓器相同。它先將被測(cè)電網(wǎng)或電氣設(shè)備的高壓降為低圖 8-10電壓互感器壓，然后用儀表測(cè)出副邊的低壓U 2 ，把其乘以變壓比 n ，就可以間接測(cè)出原邊高壓值圖 8-11 電流互感器U 1 ，即 U 1 =nU 2 ，其原理如圖 8-10 所示。實(shí)際使用時(shí)，為使與電壓互感器配套使用的儀表標(biāo)準(zhǔn)化，不管原邊高壓多大，通常副邊低壓額定值均為100V ，以便統(tǒng)一使用 100V 標(biāo)準(zhǔn)的電壓表。為確保安全，使用電壓互感器時(shí)，必須把鐵殼 和副邊的一端接

15、地，以防絕緣損壞副邊出現(xiàn)高壓。（ 2 ）電流互感器電流互感器先將被測(cè)的大電流變換成小電流，然后用儀表測(cè)出副邊電流 I 2 ，將其除以變 壓比 n ，就可間接測(cè)出原邊大電流 I 1 ，即 I 1 =I 2 /n 。電流互感器的原邊與被測(cè)電 路串聯(lián)，副邊接電流表。原邊的匝數(shù)很少，一般只有一匝或幾匝，用粗導(dǎo)線繞成。副邊的匝 數(shù)較多，用細(xì)導(dǎo)線繞成，與電流表串聯(lián)，它與雙繞組變壓器工作原理相同，如圖 8-11 所示。使用時(shí)，為和儀表配套，電流互感器不管原邊電流多大，通 常副邊電流的額定值為 1A 或 5A 。電流互感器正常工作時(shí)， 不允許副邊開(kāi)路， 否則會(huì)燒毀 設(shè)備，危及操作人員安全。同時(shí)必須把鐵殼和副邊

16、的一端接地。鉗形電流表是將電流互感器和電流表組裝成一體的便攜式儀表。副邊與電流表組成閉和回 路，鐵心是可以開(kāi)合的。測(cè)量時(shí)，先張開(kāi)鐵心，套進(jìn)被測(cè)電流的導(dǎo)線，閉合鐵心后即可測(cè)出 電流，使用非常方便，量程為 5-100A 。例 8-1 ： 如例圖 8-7-2 所示的電路，線圈部分是理想變壓器，已知，試求解 ：將副邊電阻折算到原邊為，作出折算后原邊等效電路，如例圖 8-7-2 （ b ）所示。 這時(shí)按照?qǐng)D中的參考方向例8-2 :有一臺(tái)電壓為220V/36V的降壓變壓器，副邊接一盞“ 36V ,40W”的燈泡,試求：（ 1 ）若變壓器的原邊 =1100 匝，副邊應(yīng)是多少匝？（ 2 ）燈泡點(diǎn)亮后，原、副邊

17、的電流各為多少？解:（ 1 ）由變壓比的公式可以求副邊的匝數(shù) 為? 由有功功率公式，燈泡是純電阻性負(fù)載， cos=1 ，可求出副邊電流為由變流公式，可求得原邊電流為例 8-3 :變壓器的副邊電壓 U V ，在接有電阻性負(fù)載時(shí)，測(cè)得副邊電流 A ，變壓器的輸 入功率為 132W ，試求變壓器的效率及損耗的功率。解:副邊負(fù)載獲得的功率為則變壓器的效率為變壓器手中有損耗的功率為、電磁鐵1 .工作原理圖8-12電磁鐵的幾種結(jié)構(gòu)形式（a）馬蹄式；（b）拍合式；（c） 螺管式電磁鐵由磁導(dǎo)率很高的軟磁材料鐵心、銜鐵及線圈所組成。 當(dāng)線圈中通以電流時(shí)， 鐵心中產(chǎn)生磁場(chǎng)，使銜鐵受電磁吸力作用，磁路中空氣隙隨之減小。當(dāng)電路斷開(kāi)時(shí)，電流為0，磁性消失，銜鐵被釋放。2 .分類，分為直流電磁鐵和交流電磁鐵兩種。按結(jié)構(gòu)分為馬蹄式、拍合式和螺管式，如圖8-12所示。3 直流電磁鐵的銜鐵所受吸引力為:例如圖8-13所示的直流電磁鐵，已知線圈匝數(shù)為圖8-13電流互感器4000匝，鐵芯和銜鐵的材料均為鑄鋼，由于存在漏磁，銜鐵中的磁通只有鐵芯中磁通的90%,如果銜鐵處在圖示位置時(shí)鐵芯中的磁感應(yīng)強(qiáng)度為1.6T,試求線圈中電流和電磁吸力。解鐵芯中磁感應(yīng)強(qiáng)度B =1.6T時(shí)，磁場(chǎng)強(qiáng)度 H 1=5300A/m。鐵芯中的磁通1-111- &#