第六章变压器

1、第 六 章 变变 压压 器器 本章难点本章难点 变压器的构造 变压器的工作原理 旋转磁场 变压器的运行性能 变压器的分类、基本结构、额定值变压器的分类、基本结构、额定值 变压器的工作原理变压器的工作原理 变压器的外特性及效率变压器的外特性及效率 三相变压器三相变压器 特殊变压器特殊变压器 定义定义 ：利用电磁感应原理进行能量：利用电磁感应原理进行能量 转换的一种装置。转换的一种装置。 用途用途 ： 1 1、在电力系统中用来传输和分配电、在电力系统中用来传输和分配电 能。能。 2 2、在电子线路中用作电源变压器，、在电子线路中用作电源变压器， 实现阻抗匹配。实现阻抗匹配。 3 3、在仪表测量电路

2、中广泛使用电流、在仪表测量电路中广泛使用电流、 电压互感器。电压互感器。 分类分类 ： 1 1、按相数分可以分为单相变压器、按相数分可以分为单相变压器 和三相变压器。和三相变压器。 2 2、按绕组数分可以分为双绕组变、按绕组数分可以分为双绕组变 压器和三绕组变压器。压器和三绕组变压器。 图 6-2 壳式变压器 （a）单相壳式变压器 （b）三相壳式变压器 图 6-1 心式变压器 （a） 单相心式变压器 （b）三相心式变压器 变压器的种类很多，但各种变压器变压器的种类很多，但各种变压器 的工作原理大体上都是一样的，以单相的工作原理大体上都是一样的，以单相 变压器为例来研究变压器的结构及工作变压器为

3、例来研究变压器的结构及工作 原理，然后讲三相变压器、特殊变压器原理，然后讲三相变压器、特殊变压器 的特点。的特点。 主要由主要由、及其他一些元部件及其他一些元部件 构成。构成。 ：铁心都是由厚度为：铁心都是由厚度为0.350.5mm0.350.5mm的硅的硅 钢片迭装而成，硅钢片上涂有绝缘漆。（美国的钢片迭装而成，硅钢片上涂有绝缘漆。（美国的 部分电力变压器已采用部分电力变压器已采用0.2mm0.2mm以下的冷轧钢片。以下的冷轧钢片。 俄罗斯在中高频电机中采用俄罗斯在中高频电机中采用0.1mm0.1mm的硅钢片。的硅钢片。 ：绕组用导电性能好的漆包圆铜线绕制：绕组用导电性能好的漆包圆铜线绕制

4、而成，为绝缘方便，低压绕组紧靠铁心，高压绕而成，为绝缘方便，低压绕组紧靠铁心，高压绕 组则套在低压绕组的外边，两个绕组之间留有油组则套在低压绕组的外边，两个绕组之间留有油 道，一方面作为绕组间绝缘，另一方面冷却绕组。道，一方面作为绕组间绝缘，另一方面冷却绕组。 图图 6-4 变压器的空载运行变压器的空载运行 222 00 22 111 0 2 0 11 1 d(sin)d cos dd 2sin(90 d(sin)d cos dd 2sin(90 ) )sin(90 ) sin(90 ) m m mm m m mm e e t NNNt tt fNtE t NNNt tt t fNtEt si

5、n m t 根据电磁感应定律可得，设根据电磁感应定律可得，设 有效值为有效值为 1 111 2 222 2 4.44 22 2 4.44 22 m mm m mm E EfNfN E EfNfN e e1 1和和e e2 2均比主磁通滞后均比主磁通滞后90900 0，它们的最大值为：，它们的最大值为： 11 22 2 2 mm mm EfN EfN 如果电流随时间按正弦规律变化则：如果电流随时间按正弦规律变化则： 式中式中 称为原绕组的漏磁感抗。称为原绕组的漏磁感抗。 10 111 11 1 0 ddi eNL dtdt N L i . 10 1 ( 67 )E jIX 11 2XfL . 1

6、101 1 . 100 11 . 10 11 . 1 01 () (6 8 ) UE E I R E jI XI R E I R jX E I Z . 11UE . 220UE 1111 20222 4.44 4.44 m m N fUEN EN fN K U （二）负载运行（二）负载运行 1 1、定义：、定义： 变压器一次绕组加额定电压，二次绕组接 负载的运行方式。 2 2、负载运行的物理过程：、负载运行的物理过程： 原理如图所示： 从能量转换的观点看，副边有能量输出，必然使 原绕组从电源多吸取负载所需要的能量，通过主磁通传 递给副绕组。当电源电压 U1 保持不变，要使输入能量 增加，原边电

7、流必然增大，即从空载时的 i0增加到负载 时的 i1 。由U1E1=4.44fN1m 可见，当电源电压U1和 频率 f 不变时，E1和m也都近于常数。就是说，铁心中 的主磁通的最大值在变压器空载或负载时基本上是恒定 的。因此，有负载时产生主磁通的原、副绕组的合成磁 动势（i1N1+i2N2）应该和空载时产生主磁通的原绕组的 磁动势 i0N1 近似相等，即 i1N1+i2N2 i0N1 如用相量表 示，则为. 1 12 20 1 (61 0 )IN IN IN 3 3、磁势平衡方程式：、磁势平衡方程式： 这就是变压器中的磁势平衡方程式。 变压器的空载电流i0是励磁用的。由于铁 心的磁导率高，空载

8、电流是很小的。它的 有效值在原绕组额定电流的10%以内,因此 i0N1 与i1N1相比，常可忽略。于是 . 12 12 (61 1 )IN IN 12 21 1 (61 2 ) I N I N K 2 2 222 . 2222 2 EEUI R . 222 2 . 222 22 . . 2 . 2 22 . 22 22 () UI RE UI Rj I X UIRj I Z X E U . 222 2 (61 3 )U E IZ 22 22 2 2 5 5、阻抗变换：、阻抗变换： 以使负载获得较 大的功率。但是， 一般情况下负载 阻抗很难达到匹 配要求，所以在 电子线路中常利 用变压器进行阻

9、抗变换。 在电子线路中常常对负载阻抗的大小有要求 表明，变压器副边阻抗为Z时，原边 等效阻抗为K2Z，只要改变变压器的变比， 就可以使负载与电源进行匹配获得较高的功 率输出。这种做法通常称为阻抗匹配。 2 12 12 (6 14) UK U ZK Z II K （一）变压器的外特性和电压调整率（一）变压器的外特性和电压调整率 交流供电系统中的用电设备通常要通过变压器接入电源。在变压器原边接入交流供电系统中的用电设备通常要通过变压器接入电源。在变压器原边接入 额定电压额定电压U1，副边开路时的开路电压为，副边开路时的开路电压为U20。变压器副边接入负载后，有电流。变压器副边接入负载后，有电流I2

10、 输出，副边绕组中产生电抗压降，根据式（输出，副边绕组中产生电抗压降，根据式（613）可知，输出电压）可知，输出电压U2随输出电随输出电 流流I2的变化而变化，即的变化而变化，即U2=f(I2)关系称为变压器的外特性，如图所示。对电阻性和关系称为变压器的外特性，如图所示。对电阻性和 电感性负载而言，电压电感性负载而言，电压U2随电流随电流I2的增加而下降。外特性的下降程度与负载的功的增加而下降。外特性的下降程度与负载的功 率因数有关，功率因数愈低，下降愈剧烈。率因数有关，功率因数愈低，下降愈剧烈。 副边电压副边电压U2随随I2的变化情况，除了用外特性表示外，还可以用电压调整率的变化情况，除了用

11、外特性表示外，还可以用电压调整率 来表示。如副边的空载电压为来表示。如副边的空载电压为U20，当，当I2增加到额定值增加到额定值I2N时的端电压为时的端电压为U2， 则电压调整率则电压调整率可用下式表示：可用下式表示： 电力变压器的电压调 整率约为5%左右。 202 00 00 20 100(6 15) U U U U （二）变压器的损耗与效率（二）变压器的损耗与效率 变压器工作时是有损耗的，变压器的损耗包括铁损e和铜损。 铁损又包括涡流损耗和磁滞损耗。铁损耗的大小主要取决于电源的频率及铁心的磁通量， 由于变压器在运行时，电源的频率及磁通量不变，故铁损基本不变。铜耗是在变压器负载运行 时，电流

12、在原、副绕组电阻上产生的损耗。变压器中铜损耗的大小与绕组中通过的电流大小有 关。 变压器的效率是指变压器输出的有功功率P2与输入的有功功率P1的比值。用表示。 即 由于变压器的损耗很小，故效率很高。例如电力变压器满载时效率在95%以上，大型变压 器效率可达99%。 2 00 1 100(6 16) P P 2 0 0 2 100 CuFe P PPP 四、三相变压器四、三相变压器 现代工农业生产通常采用三相交流电，三相变压器就是用来升高和降低三相交流电压的设备。 （一）三相变压器的结构（一）三相变压器的结构 由三个单相变压器构成的三相变压器称为三相变压器组，如图69所示。 三相变压器组的特点是

13、三个磁路单独分开，互不关联。因此三相之间只有电的联系而无磁的耦合。 称为不相关磁路系统。 图310所示是三相心式变压器，三相心式变压器的特点是三相中任何一个铁心柱中的磁通都经 过其它两个铁心柱形成闭合磁回路，三相之间不仅有电的联系而且有磁的关联，因此称为相关磁路系 统。和同容量的三相变压器组相比较，三相心式变压器的优点是，所用材料少、重量轻、价格便宜。 一般中、小容量的电力变压器，都采用三相心式变压器，以节省材料。只有大容量的巨型变压器 ，为了制造及运输上的方便和减少电站备用器材的投资，才选用三相变压器组。 图 6-9 三相变压器组 (Y/Y0连接) 图 6-10 三相心式变压器(Y/Y0)

14、（二）三相变压器中原、副边线电压与相电压之间的变换关系（二）三相变压器中原、副边线电压与相电压之间的变换关系 如图611所示，其中图（a）为Y/Yo连接 ，图（b）为Y/连接。图中说明，不论三相变压器作 何种连接，其原、副边相电压的比值仍等于原、副绕组的匝数比，（变压器的变比）。 当三相绕组接法不同时，原、副边线电压的比值是不同的,即 当作Y/Yo连接时 当作Y/连接时 当作/Y连接时 11 22 P P UN K UN 1 2 L L U K U 1 2 3 L L U K U 1 2 1 3 L L U K U 五、特殊变压器五、特殊变压器 （一）自耦变压器（一）自耦变压器 . 1 . E

15、Eab . 1 U 11 4.44 abm EfNE 22 4.44 cbm EfNE . 2cb EE 111 2022 UEN K UEN 12 21 1IN INK 互感器是一种测量用的设备，分电流互感器和电压互感器两种。它们的工作原理和变压器相同。 互感器有两个主要用途：一是将测量或控制回路与高电压和大电流电网隔离，以保证工作人员的安全； 二是用来扩大交流电表的量程。通常，电流互感器的副边电流为5安或1安，电压互感器的副边电压为 100伏。 （二）互感器（二）互感器 1、电压互感器、电压互感器 图314是电压互感器的原理图。电压互感器的原绕组匝数较多，与被测电路并联，副绕组的匝 数较少

16、，副边接入的是电压表（或功率表的电压线圈），由于它们的阻抗很高，因此电压互感器正常 工作时相当于副边开路时的变压器。 根据变压器的工作原理可知 或 。适当地选择变比，就能从副边的电压 表上间接地读出高压边的电压。如果配以专用的电压互感器，电压表的刻度可以按高压侧的电压值标 出，这样可以直接从电压表读出高压侧的电压值。 在使用电压互感器时应该：，电压互感器的铁 心及副边绕组必须可靠接地，以防止高压绕组的绝缘损坏时 ，在低压边出现高电压，危及量测人员的安全；，副边 绕组不允许短路，否则会产生很大的短路电流。 图6-14 电压互感器 11 22 UN K UN 12 UKU 2、电流互感器、电流互感

17、器 图是电流互感器的原理图。电流互感器原边绕组的匝数少（只有一、两匝），导线粗，工作时串 接在待测量电流的电路中；电流互感器副边的圈数比原边圈数多，导线细，与电流表（或其它仪表及 继电器的电流线圈）相连接。根据变压器的工作原理可知 由式（617）可见，利用电流互感器可将大电流变换为小电流。在使用电流互感器时应注 意：，副绕组绝对不允许开路。因为副绕组开路时，互感器为空载运行，原绕组中被测线路 电流I1全部成为激磁电流，使铁心中的磁通增加许多倍，这一方面使铁损大大增加，铁心严重发 热，烧坏互感器；另一方面使副绕组中感应电动势增高到危险的程度，可能击穿绝缘，或发生事 故；，为使用安全，电流互感器的

18、副绕组必须可靠接地。 图 6-15 电流互感器 式中K1是电流互感器的变换系数。 12 21 12 1 (6-17) i i IN K INK IKI 或 图 6-16 钳形电流表 六、变压器的额定值六、变压器的额定值 为了使变压器能安全连续地运行，制造厂将它的额定值标明在铭牌上，在使用时必须了解这些数 据的意义，以便正确地使用变压器。 （一）额定电压（一）额定电压 原绕组的额定电压U1N是变压器正常运行时加在原绕组的电压，副绕组的额定电压U2N是当变压器 的原绕组加额定电压时副绕组的空载电压。三相变压器的额定电压都是指线电压。 （二）（二） 额定电流额定电流 变压器的额定电流是指按规定工作方式（长时间连续工作或短时工作或间歇工作）正常运行时， 原、副绕组允许通过的最大