第二章 變壓器

第二章變壓器和電磁鐵第一節(jié)單相變壓器的結構及工作原理第二節(jié)變壓器的主要數(shù)據(jù)第三節(jié)變壓器的繞組的同極性端及其測定第四節(jié)特殊變壓器簡介第五節(jié)電磁鐵你所知道的變壓器及相關應用。(高壓輸電、低壓配電、阻抗變換、儀表測量、隔離)在輸變電線路、小型直流電源、交流電焊機等場合，均大量使用各種變壓器。圖片：變壓器及其應用。引入課題啟發(fā)討論圖片展示特殊變壓器圖片展示概述：一、變壓器：是一種靜止的電機，它利用電磁感應原理將一種電壓、電流的交流電能轉換成同頻率的另一種電壓、電流的電能。換句話說，變壓器就是實現(xiàn)電能在不同等級之間進行轉換。二、變壓器的功能1、變換電壓2、變換電流3、變換阻抗三、分類1、按用途分類，可分為電力變壓器（主要用在輸配電系統(tǒng)中，又分為升壓變壓器、降壓變壓器、聯(lián)絡變壓器和廠用變壓器）、儀用互感器（電壓互感器和電流互感器）、特種變壓器（如調壓變壓器、試驗變壓器、電爐變壓器、整流變壓器、電焊變壓器等）。2、按繞組數(shù)目分類:可分為雙繞組變壓器,三繞組變壓器、多繞組變壓器和自耦變壓器。3、按鐵心結構分類，有心式變壓器和殼式變壓器。4、按相數(shù)分類，有單相變壓器、三相變壓器和多相變壓器。5、按冷卻介質和冷卻方式分類，可分為油浸式變壓器（包括油浸自冷式、油浸風冷式、油浸強迫油循環(huán)式）、干式變壓器、充氣式變壓器。

6、電力變壓器按容量大小通常分為小型變壓器（容量為10-630kVA）、中型變壓器（容量為800-6300kVA）、大型變壓器（容量為8000-63000kVA）和特大型變壓器（容量在90000kVA及以上）。接前（以電力變壓器為例介紹）

電力變壓器的基本構成部分有：鐵心、繞組、絕緣套管、油箱及其他附件等，其中鐵心和繞組是變壓器的主要部件，稱為器身。下圖是油浸式電力變壓器的結構圖。第一節(jié)單相變壓器結構及工作原理1一信號式溫度計2一吸濕器3一儲油柜4一油表5一安全氣邊6一氣體繼電器7一高壓套管8一低壓套管9一分接開關10一油箱11—鐵心12—線圈13—放油閥門一、單相變壓器的主要結構（一）鐵心：是變壓器的磁路部分，鐵心由鐵心柱和鐵軛兩部分構成。鐵心柱上套繞組，鐵軛將鐵心柱連接起來形成閉合磁路。鐵心材料：為了提高磁路的導磁性能，減少鐵心中的磁滯、渦流損耗，鐵心一般用高磁導率的磁性材料——硅鋼片疊成。硅鋼片有熱軋和冷軋兩種，其厚度為0.35～0.5mm，兩面涂以厚0.02～0.23mm的漆膜，使片與片之間絕緣。鐵心型式：變壓器鐵心的結構有心式、殼式和漸開線式等形式。殼式結構的特點是鐵心包圍繞組的頂面、底面和側面，如左圖所示。心式結構的特點是鐵心柱被繞組包圍，如右圖所示。殼式結構的機械強度較好，但制造復雜盡管它們的用途各異，但它們的基本結構是相同的。它們都由鐵心和套在鐵心上的繞組構成

。圖示（二）繞組：是變壓器的電路部分，它由銅或鋁絕緣導線繞制而成。

一次繞組（原繞組）：輸入電能二次繞組（副繞組）：輸出電能他們通常套裝在同一個心柱上，一次和二次繞組具有不同的匝數(shù)，通過電磁感應作用，一次繞組的電能就可傳遞到二次繞組，且使一、二次繞組具有不同的電壓和電流。其中，兩個繞組中，電壓較高的我們稱為高壓繞組，相應的電壓較低的稱為低壓繞組。從高、低壓繞組的相對位置來看，變壓器的繞組又可分為同心式、交迭式。由于同心式繞組結構簡單，制造方便，所以，國產的均采用這種結構，交迭式主要用于特種變壓器中。（一）變壓器的空載運行：一次測接額定的電壓，二次測開路的工作狀態(tài)二、單相變壓器的工作原理1、電磁關系

1）由于鐵磁材料有飽和現(xiàn)象，所以主磁路的磁阻不是常數(shù)，主磁通與建立它的電流之間呈非線性關系。而漏磁通的磁路大部分是非鐵磁材料組成，所以漏磁路的磁阻基本上是常數(shù)，漏磁通與產生它的電流呈線性關系2）主磁通在原、副繞組中均感應電動勢，當副方接上負載時便有電功率向負載輸出，故主磁通起傳遞能量的作用。而漏磁通僅在原繞組中感應電動勢，不能傳遞能量，僅起壓降作用。因此，在分析變壓器和交流電機時常將主磁通和漏磁通分開處理。主磁通和漏磁通在性質上的不同：假定主磁通按正弦規(guī)律變化，即

Φ=Φmsinωt

根據(jù)根據(jù)電磁感應定律和對正方向規(guī)定，一次繞組中感應電動勢的瞬時值為：2、電壓關系方程式中：一次側回路電壓平衡方程式：式中

Z1=R1+x1σ——原繞組的漏阻抗。對于電力變壓器，空載時原繞組的漏阻抗壓降I0Z1很小，其數(shù)值不超過U1的0.2%，將I0Z1忽略，則上式變成：變壓器空載時的相量圖同理二次繞組中感應電動勢的瞬時值為：在副方，由于電流為零，則副方的感應電動勢等于副方的空載電壓，即：3、變換電壓在變壓器中，原、副繞組的感應電動勢E1和E2之比稱為變壓器的變比，用K表示，即：上式表明：變壓器的變比等于原、副繞組的匝數(shù)比。當變壓器空載運行時，由于U1≈E1，U2≈E2，故可近似地用空載運行時原、副方的電壓比來作為變壓器的變比，即：K〉1降壓變壓器K〈1升壓變壓器例題分析例：單相變壓器，高壓繞組接到35KV的工頻交流電源上時，低壓繞組的開路電壓是6.6KV，鐵心的截面積為1120Cm2,若選取磁感應強度Bm=1.5T,試求該變壓器的電壓比和高、低壓繞組的匝數(shù)。解：變壓器的變壓比為：鐵心中的磁通：高壓繞組的匝數(shù)：低壓繞組的匝數(shù)：課內實訓項目：（單相變壓器的繞組判別與空載運行）AN2N11、高低壓繞組的判別：用萬用表的電阻檔測量變壓器的四個端子，相通的端子間對應一個繞組。其中電阻大的對應高壓繞組，電阻小的對應低壓繞組。2、變壓器的空載運行將高壓繞組串入交流電流表后接入220V電源（如圖），測量空載電流值、高壓側與低壓側的電壓。討論：空載電流與額定電流相比大小如何？電壓之比與匝數(shù)有什么對應關系？（額定電流與匝數(shù)比看面板）二、變壓器的有載運行一次測接額定的電壓，二次測接負載的運行狀態(tài)。（一）磁勢平衡方程式（二）變換電流因為變壓器空載電流IO很小，將其忽略則：（三）變換阻抗例題分析例：一臺電源變壓器，一次側電壓U1=380v，二次側電U2=38v，接有電阻性負載時，二次側電流I2=4A，已知變壓器效率?=0.8，試求一次側、二次側功率、損耗功率PSH及一次側電流。解：二次側功率

一次側功率

損耗功率

一次側電流課題引入：通常變壓器等電氣產品的銘牌數(shù)據(jù)是其長期穩(wěn)定運行的保證值，我們在使用時應該了解起含義；另外雖然變壓器通入交流電，但是在要求變壓器繞組之間聯(lián)接等一些場合要求正確知道變壓器的同名端。應用舉例：供電時多臺變壓器的并聯(lián)運行；三相晶閘管電路主電路與觸發(fā)電路之間的相位配合。實例項目三：某居民生活小區(qū)共有居民300戶，小區(qū)電網(wǎng)進線10KV，選擇合適的供電變壓器。額定值：額定值是制造廠對變壓器在指定工作條件下運行時所規(guī)定的一些量值。額定值通常標注在變壓器的銘牌上。變壓器的額定值主要有：1、額定容量SN額定容量是指額定運行時的視在功率。以VA、kVA或MVA表示。由于變壓器的效率很高，通常一、二次側的額定容量設計成相等。第二節(jié)變壓器的主要數(shù)據(jù)2、額定電壓U1N和U2N

正常運行時規(guī)定加在一次側的端電壓稱為變壓器一次側的額定電壓U1N。二次側的額定電壓U2N

是指變壓器一次側加額定電壓時二次側的空載電壓。額定電壓以V或kV表示。對三相變壓器，額定電壓是指線電壓。3、額定電流I1N和I2N根據(jù)額定容量和額定電壓計算出的線電流，稱為額定電流，以A表示。

對單相變壓器

對三相變壓器4、額定頻率fN加在變壓器一次繞組上的電壓的允許頻率

除額定值外，變壓器的相數(shù)、繞組連接方式及聯(lián)結組別、短路電壓、運行方式和冷卻方式等均標注在銘牌上。額定狀態(tài)是電機的理想工作狀態(tài)，具有優(yōu)良的性能，可長期工作例題分析：一臺三相雙繞組電力變壓器的額定SN=750KＶA，UN1/UN2=6000V/400V，則原邊額定電流IN1=_______,副邊額定電流為IN2=__________。一臺單相變壓器額定電壓為3300Ｖ／220Ｖ，若低壓線圈有100匝，則高壓線圈有______匝，在高、低壓線圈中，每匝電壓為_______伏。

應用實例分析：考慮到居民生活水平的提高，各種家電產品應用廣泛，綜合考慮同時使用率以及今后的發(fā)展，該小區(qū)按照2KVA/戶的用電負荷進行測算，同時為了便于維護，擬使用可移動組合型干式變壓器，型號為ZB-F-630/10，額定容量630KVA，額定電壓10000/380V，均勻分相后給居民供電。第三節(jié)變壓器繞組的同極性端及其測定同名端同名端概念

對繞在同一個鐵心柱上的高、低壓繞組，通電后，鐵心中磁通交變，在兩個繞組中都會產生感應電勢。設在某一瞬時，高壓繞組某一端電位為正，則低壓繞組也必然有一個電位為正的對應端，這兩個對應的同極性端稱為同名端。同名端的判定高、低壓繞組的感應電勢與它們的繞向（或同名端）、端子標號（繞組端子的首、末端的標法）都有關系1、已知繞組繞向時的判斷2、未知繞組繞向時的判斷直流法實驗法交流法課內實訓項目

（單相變壓器直流法測定同名端）：（1）按圖2-9a)接線，E采用干電池，V表采用萬用表的最低直流電壓檔，注意正負極性。（2）分別接通與斷開S，觀察V表的偏轉。（3）將V表改為A表重復步驟（2）。例題分析（補充）三繞組變壓器220V/36V/12V，其副邊獨立供電或繞組串聯(lián)后，可以獲得哪幾種電壓？在工業(yè)生產中，經(jīng)常用到一些特殊變壓器，如三相異步電動機的自耦變壓器降壓起動；電柜中使用“軟接法”測量電壓、電流（電壓互感器、電流互感器）等。而變壓器的等效圖參數(shù)可以幫助判別變壓器的質量與運行性能。實物展示：自耦變壓器、電流互感器、鉗形電流表。引入課題

第四節(jié)特殊變壓器簡介一、自耦變壓器1、定義：自耦變壓器：把普通雙繞組變壓器的高壓繞組和低壓繞組串聯(lián)連接，便構成一臺自耦變壓器，如圖所示。正方向規(guī)定與雙繞組變壓器相同。原理圖如圖C所示，在分析時我們可忽略自耦變壓器的漏磁通和繞組電阻，這樣我們可以得到以下等式：

2、電壓關系：3、主要優(yōu)缺點：

優(yōu)點：由于自耦變壓器的繞組容量小于額定容量，當額定容量相同時，自耦變壓器與雙繞組變壓器相比，其單位容量所消耗的材料少、變壓器的體積小、造價低，而且銅耗和鐵耗也小，因而效率高。這就是自耦變壓器的主要優(yōu)點。

由于自耦變壓器原、副繞組之間有直接電的聯(lián)系，為了防止因高壓邊單相接地故障而引起低壓邊的過電壓，用在電力系統(tǒng)中的三相自耦變壓器中性點必須可靠接地。同樣，由于原、副繞組之間有直接電的聯(lián)系，當高壓邊遭受過電壓時，會引起低壓邊嚴重過電壓，為避免這種危險，需要在原、副邊都裝設避雷器。

缺點：二、儀用互感器

:電壓互感器和電流互感器電壓互感器和電流互感器又稱儀用互感器，是電力系統(tǒng)中使用的測量設備，其工作原理與變壓器基本相同。使用互感器的目的是：1．與小量程的標準化電壓表和電流表配合測量高電壓、大電流；2．使測量回路與被測回路隔離，以保障工作人員和測試設備的安全；3．為各類繼電保護和控制系統(tǒng)提供控制信號。(一）電壓互感器：當忽略漏抗時：

≈

==這樣，被測電壓U1=K?U21．副方不允許短路，否則會產生很大的短路電流，燒壞互感器的繞組；2．鐵心和二次側繞組的一端應可靠接地；3．副方接入的阻抗不得小于規(guī)定值，以減小誤差；4．二次側額定電壓為100V。在使用電壓互感器時應注意：

二、電流互感器：1．在運行過程中絕對不允許副方開路。這是因為電流互感器的原方電流是由被測試的電路決定的，在正常運行時，電流互感器的副方相當于短路，副方電流有強烈的去磁作用，即副方的磁動勢近似與原方的磁動勢大小相等、方向相反，因而產生鐵心中的磁通所需的合成磁動勢和相應的勵磁電流很小。若副方開路，則原方電流全部成為勵磁電流，使鐵心中的磁通增大，鐵心過分飽和，鐵耗急劇增大，引起互感器發(fā)熱。同時因副繞組匝數(shù)很多，將會感應出危險的高電壓，危及操作人員和測量設備的安全；2．副方應可靠接地；3．副方回路阻抗不應超過規(guī)定值，以免增大誤差。4．二次側額定電流設計成5A。電流互感器在使用時應注意：課內實訓項目

（自耦變壓器認識與鉗形電流表用）：按圖接線，自耦變壓器輸入端接220V電源，調節(jié)調壓手柄觀察V表讀數(shù)能否在0～220V變化，在A點跨入鉗形電流表，觀察有無讀數(shù)。（討論）VA220VA電爐第五節(jié)電磁鐵課題引入：在自動化、半自動化控制系統(tǒng)中，常用電磁鐵做成各種繼電器、接觸器、電磁工作臺、電磁閥、牽引電磁鐵、電磁抱閘等，應用非常廣泛。應用舉例：（圖片圖2-21～圖2-27等）一、概述電磁鐵:是利用通電的鐵心線圈來帶動銜鐵動作，從而使其他機械聯(lián)動的一種電器。線圈得電——銜鐵動作——機械聯(lián)動線圈失電——銜鐵復位——機械反向聯(lián)動電磁鐵的分類:直流電磁鐵:線圈中通入直流電交流電磁鐵:線圈中通入交流電幾種電磁鐵示意圖二、直流電磁鐵直流電磁鐵的工作特性:

1.電磁鐵的吸力與氣隙間的關系F=f(δ)作用在銜鐵上的吸力公式為:其中:B0為空氣隙中的磁感應強度

S為鐵心的橫截面特性曲線: