项目五变压器原理分析与检测

1、变压器原理分析与检测项目五项目五项目五 变压器原理分析与检测变压器原理分析与检测 学习任务1）了解变压器的基本结构、性能及应用。2）理解领会变压器的工作原理、连接方式及应用。3）掌握变压器的电路分析、计算及应用。15.1磁路概述图15-1变压器的磁路任务15变压器15.1.1磁路的基本物理量1. 磁感应强度 磁感应强度B是表示磁场内某点的磁场强弱和方向的物理量，它是一个矢量。磁感应强度B与产生磁场的电流(称为励磁电流)之间的方向关系可用右手螺旋定则来确定，其大小可用下面的公式来表示ILFB （15-1）2. 磁通量 在均匀磁场中，磁通量等于磁感应强度B与垂直于磁场方向的面积S的乘积，即 BS

2、（15-2） 3. 磁导率 磁导率也叫导磁系数，磁导率大的介质导磁性能好。磁导率的单位是亨/米(H/m)。实验测得的真空的磁导率4. 磁场强度 磁场强度H表征磁场强弱与产生磁场的电流之间的关系。磁场强度H等于该点磁感应强度B与该处媒质的磁导率的比值，即70410 H/ m为了便于比较，工程上通常采用相对磁导率r0r（15-4）BH （15-5）15.1.2磁性材料的主要特性1. 高导磁性 没有外磁场作用，磁畴排列混乱，对外不显示磁性，如图15-2a所示。在外磁场作用下，随其增强，磁畴逐渐转到与外磁场相同的方向上，如图15-2b、c所示。这样使铁磁材料内的磁感应强度大大增强，所以磁性材料具有高导

3、磁性。图15-2铁磁材料的磁化2.磁饱和性 如图15-3a所示，调节可变电阻R使电流I从零逐渐增大，便可绘出 曲线 ，此曲线称为铁磁材料的起始磁化曲线。由起始磁化曲线可以看出，曲线每点 比值不是常数，即 不是常数。 HBHB图15-3铁磁材料的起始磁化曲线3. 磁滞性 铁磁材料磁化过程中，当励磁电流I增加，使H增加到Hm后，如图15-4a所示a点，B达到Bm，然后减小I，即减小H，B也随之减小。实验示，B没按照起始磁化曲线的规律减小，而是由Bm沿ab曲线段下降，当H减小到零时，B并未减小到零(曲线上的b点)，此时的磁感应强度Br称为剩余磁感应强度，简称剩磁。要消除剩磁，必须改变外磁场H的方向进

4、行反向磁化，消除剩磁所需的反向磁场强度的大小Hc称为矫顽磁力(或称矫顽力)。继续增大反向磁场直到-Hm，B也相应反向增至-Bm(曲线的a点)。再使H返回零(曲线的b点)，并又从零增至Hc(曲线的c点)，再增至Hm，即可得到如图15-4a中的一条对称于原点的闭合曲线abcabca。铁磁材料在反复磁化过程中，磁感应强度B的变化滞后于外磁场强度H的变化。这一现象称为磁滞。所得到的闭合磁化曲线。称为磁滞回线。在不饱和区域内对不同的值反复磁化，便可得到一系列大小不同的磁滞回线，如图15-4（b）所示。将各个不同值所对应的各条磁滞回线的顶点连接起来得到的曲线叫基本磁化曲线。 图15-4磁滞回线（1）软磁性

5、材料剩磁Br 和矫顽力Hc都很小，磁滞回线狭长，与基本磁化曲线十分靠近，如图15-5（a）所示。磁性材料按其磁滞回线形状的不同，可以分为三种基本类型 （2）硬磁性材料剩磁Br和矫顽力Hc都较大，磁滞回线较宽，撤去外磁场后剩磁大，磁性不易消失，如图15-5b所示。图15-5不同材料的磁滞回线（3）矩磁材料磁滞回线的形状接近矩形，具有较大的剩磁Br和较小的矫顽力Hc，如图15-5c所示，称为矩磁材料。1. 全电流定律(安培环路定律)在磁场中，磁场强度矢量沿任一闭合路径的线积分等于该闭合路径所交链电流的代数和，即15.1.3磁路的基本定律IHdl（15-6）2. 磁路欧姆定律INHl（15-7） 以

6、图15-6所示为例，设某铁心线圈的匝数为N ，通过的电流为I，则由公式15-6得到公式15-7中的关系。图15-6磁路的欧姆定律SllBHlUmRm 磁路的截面积mU 总磁压mF 磁路的磁势令 SlRm（15-8）mFRUmm （15-9）所以 上式中 15.2变压器的结构 变压器是根据电磁感应原理制成的一种能将同频率的交流电能进行转换、传输的静止的电磁设备。 变压器基本结构主要包括铁心和绕组两大部分。铁心和绕组统称为器身。为了改善散热条件，使变压器安全可靠运行，电力变压器等大型变压器还设有油箱、储油柜、安全气道等其它附件，如图15-7所示。图15-7三相油浸式电力变压器外形图1. 铁心 （1

7、）铁心的作用 构成了变压器的磁路，同时又是套装绕组的骨架。 （2）铁心的组成 铁心分为铁心柱和铁轭两部分。铁心柱上套绕组，铁轭将铁心柱连接起来形成闭合磁路。 （3）铁心的材料 为了提高导磁性能和减少铁损，变压器的铁心多采用0.27mm或0.15mm厚的冷轧硅钢片叠压而成。（4）按变压器铁心的结构分类1）心式心式结构的特点是铁心柱被绕组包围，如图15-8a所示。结构比较简单，绕组装配及绝缘比较容易，因而电力变压器的铁心主要采用心式结构。 2）壳式壳式结构的特点是铁心包围绕组顶面、底面和侧面，如图15-8b所示。机械强度较好，但制造复杂。图15-8变压器的结构（1）绕组的作用变压器的电路部分（2）

8、绕组的材料常用绝缘铜线或铝线绕制而成，近来还有用铝箔绕制而成的。（3）按高、低压绕组在铁心柱上的排列方式不同，绕组可分为同心式和交叠式两种，如图15-9所示。 2. 绕组图15-9变压器的绕组1铁心柱2铁轭3高压绕组4低压绕组3. 附件 （1）油箱 电力变压器多采用油浸式结构。（2）储油柜油枕储油柜能使油与空气的接触面积减小，从而减少空气中的氧气和水分的侵入。 （3）气体继电器俗称瓦斯继电器气体继电器装在油枕和油箱的连通管中间，当变压器内部故障、油箱漏油，气体继电器动作，发出信号。（4）安全气道防爆管当变压器内部发生故障时，让油气流冲破玻璃板或酚醛纸板，以免造成箱壁爆裂。 （5）分接开关当电网

9、电压波动时，变压器本身能做到小范围的电压调节，以保证负载端电压的稳定。（6）绝缘套管油箱的上方有三个高压绝缘套管和四个低压绝缘套管，套管内装有电极导电体。15.3变压器的工作原理 接交流电源的绕组称作一次绕组，接负载的绕组称作二次绕组。一、二次绕组的匝数分别为N1和N2。电力变压器的一、二次绕组没有电的联系，仅有磁的联系。15.3.1变压器的空载运行 变压器的一次绕组接在额定频率、额定电压的交流电源上，而二次绕组开路，这种运行方式称为变压器的空载运行。单相变压器空载运行工作原理如图15-10所示。1U1EE120U0I2(I )11U2U1u2u02E图15-10单相变压器的空载运行工作原理图

10、1. 电磁关系 10RI1U0I100NIF1E011E2E 当变压器空载时，二次绕组电流为零，无功率输出，一次绕组电流i0的作用只是用来产生磁通，所以电流i0又称为变压器的励磁电流。2） 与 的正方向符合右手螺旋定则。1I3） 正方向与产生该磁通的电流 的正方向一致。IE4） 的正方向与 的正方向相反。2U2E 各电磁量的正方向常用的惯例标注在图15-10中， 具体原则如下： 1）先规定的 参考正方向， 的参考正方向与 的参考正方向成关联参考正方向。1U1U1I 主磁通在一、二次绕组分别产生感应电动势e1与e2dtdNe11dtdNe22（15-10）（15-11）2. 电压变换关系设主磁通

11、m sint由式15-10得1111124.4422mmmmENEfNfN （15-12）同理 mfNE2244. 411111EERIU11144. 4fjEU据KVL忽略原绕组的电阻和漏磁感抗电压降1）一次绕组电压平衡关系上式表明： 1）原边电势的有效值等于电源电压的有效值； 2）当电源电压不变时，主磁通基本保持不变。（15-13）（15-14）（15-15）2）二次绕组电压平衡关系220222EURIE（15-16）220EUKNNfNfNEEUUmm21212120144. 444. 4因此，原、副绕组的电压有效值之比为 式中，K为原、副绕组的匝数比，称为变压器的变比。（15-17）

12、（15-18）空载，所以15.3.2变压器的负载运行1U1E1E2U1I2I1m2EAXaxLZ22E图15-11变压器的负载运行工作原理 当变压器一次侧接到额定电压的交流电源u1上，二次侧接上负载ZL后的运行状态，称为变压器的负载运行。1. 电磁关系11IR11E22IR22E1U1I2I2U11 1FN I22 2FN I01 0FN I01E2E2. 电压变换作用 变压器负载运行时电压变换关系如图15-11所示。一次绕组所满足的电压平衡方程用相量表示为111111111(j)UI REEEI RX11EU所以22222UEI RE副绕组中电压平衡方程用相量表示为 （15-20） （15-

13、19） 副绕组的电阻和漏抗两端的压降忽略不计，所以副绕组的电压平衡关系式可表示为 22EU（15-21）mfNEU11144. 4mfNEU22244. 4 （15-22）（15-23）即因此KNNEEUU212121（15-24）3. 电流变换作用 式(15-15)和式(15-22)比较：当电源电压 不变时，变压器空、负载磁势不变，即有1U112201i Ni Ni N02211NiNi2211ININ 由于i0很小，与负载状态时的i1和i2相比，可以忽略不计。因此 用相量表示为 （15-25） 式15-25中的负号说明，变压器原、副绕组的磁势接近于反相，即变压器带负载后，副绕组的磁动势对原

14、绕组的磁动势有去磁作用。 原、副绕组电流有效值之比为KNNII11221 上式表明变压器的电流变换作用，即原、副绕组电流有效值之比等于原、副绕组匝数的反比。（15-26）图15-12变压器的阻抗变换作用15.3.3变压器的阻抗变换 若把复阻抗为ZL的负载接到变压器的副绕组，如图15-12所示。22LUZI212121LLUKUZK ZIIK则阻抗的大小为LZ 从变压器的原边来看，如图15-12（b）所示，即把变压器和负载一起看作是电源的负载，其等效负载阻抗 可变为（15-27） 式15-27说明，变压器的副边负载，对电源而言，相当于接扩大了K2倍的负载。以实现阻抗匹配。 【例15.1】 有一台

15、电压为220/36V的变压器，二次侧接一盏36V、40W的白炽灯，试求：1）若变压器的一次侧绕组N1=1100匝，二次侧绕组匝数应是多少? 2）白炽灯点亮后，一、二次侧的电流各为多少?解解: 1）由变比的公式2211361100180220UNNU匝匝2）由有功功率公式22240A1.11A36PIU由变比公式21211801.11A0.18A1100NIIN图15-13晶体管收音机输出电路L8R 800R 【例15.2】 如图15-13所示的晶体管收音机输出电路中，晶体管所需的最佳负载电阻 ，变压器副边所接扬声器的阻抗 。试求变压器的匝数比。221L2NRKRN212L800108NRKNR

16、解：解：根据变压器阻抗变换公式即原边的匝数应为副边匝数的6倍。 图15-14变压器的外特性曲线15.4变压器的外特性 外特性曲线如图15-14所示，可由实验测得。2022020% =100%=100%UUUUUU 从空载到满载（副电流达到其额定值时）的输出电压变化量与空载电压的比值称为电压调整率。（15-28） 是表征变压器运行性能的重要指标之一，它的大小反映了供电电压的稳定性。在电力变压器中，电压变化率越小越好，电压调整率在5%左右。%U15.5变压器的损耗和效率1. 变压器的损耗 损耗P有铜耗PCu和铁心损耗PFe两部分。1）铜耗 ：包括基本铜耗和杂散铜耗。 eUFCPPP（15-29）

17、222211IRIRPUC（15-30）22NIIkNP 铜耗也称为可变损耗。额定铜耗近似地等于额定短路损耗 。负载系数 。 2）铁耗：包括基本铁耗和杂散铁耗。 铁耗可近似认为与 或 成正比，且近似地等于变压器的空载损耗P0，因此也把铁损称作不变损耗。由可知，频率一定时，当电源电压U1越高，主磁通最大值m越大，铁耗也越大；电源电压不变时，变压器的主磁通m基本不变，铁耗也基本不变。2mB21U变压器原、副绕组的功率平衡关系为 FecuPPPPPP221（15-31）2. 变压器的效率 变压器的输出功率和输入功率的比值称为变压器的效率，一般用百分数表示为211120220- P100%100%11

18、00%coskNNkNPPPPPPSPP （15-32） 当不变损耗等于可变损耗时，变压器效率为最高。 任何瞬间，同一磁通作用下的两个绕组之间感应电动势的相位关系是绕组的极性。 当两个绕组的某一端瞬时电位相同时，这两个对应端称为同极性端或同名端。反之，称为异极性端或异名端。在电路中，同名端用相同的记号“*”、 “”或“”等标注。绕组的极性的判定可有下面两种情况。15.6变压器绕组的极性1. 已知绕组的绕向 若彼此有互感的两个绕组分别有电流流入，且两电流建立的磁场互相加强，则两电流的流入端(或流出端)称为两绕组的同名端。 如图15-15a所示，i1和i2流入两个绕组，磁场互相加强，则U1、u1(

19、或U2、u2)为同名端；如图15-15b所示，i1和i2流入两个绕组，磁场互相减弱，则U1、u2(或U2、u1)为同名端。图15-15变压器同名端的判定 （1）直流电源和检流计法 具体接线如图15-16所示。 当S闭合的瞬间，若检流计的指针向右偏转，则U1和u1(U2和u2)是同名端，U1和u2(U2和u1)是异名端；若检流计的指针向左偏转，则U1和u2(U2和u1)是同名端，U1和u1(U2和u2)是异名端。2. 绕组的绕向不明图15-16 检流计法判定同名端 （2）交流电源与电压表法 如图15-17所示，一次绕组输入交流电压u1，二次侧有电压u2输出。 用电压表分别测出U1，U2及U3，若

20、满足 ，则1、3为同名端，2、3为异名端；若 ，则1、4为同名端。 312UUU312UUU图15-17 交流法测极性 16.1三相变压器的磁路和电路系统1. 三相变压器磁路系统任务16三相变压器1W2Ww1V2Vv1U2Uu图16-1三相组式变压器特点：三相磁路彼此无关联。（1）组式变压器磁路（2） 心式变压器磁路特点：三相磁路彼此有关联，且耗材少，效率高。1U2U1u2u1V2V1v2v1W2W1w2wuvw图16-2三相心式变压器磁路系统*1U2U1u2u*1U2U1u2u1U2U1u2u)I , I(I/I012连接组别为)(I,II/I66连接组别为 一、二次绕组的电动势同相位。*1

21、u2u1U2U1u2u*1U2U*1U2U1u2u 一、二次绕组的电动势反相位。（1）单相变压器的极性2. 三相变压器的电路系统（2）三相变压器的极性 用来表示三相原、副绕组的连接方式及原、副绕组线电压的相位关系的符号称为连接组（别）。 连接组不仅与绕组的绕向和首末端标志有关，还与绕组的连接方式有关。绕组的连接方法有多种，其中常用的有Y，yn、Y，d，其逗号前字母表示高压绕组的接法，逗号后字母表示低压绕组的接法。图16-3给出了两种连结组的接线情况。 图16-3三相变压器绕组的连接图16-4 三相电力变压器的铭牌 16.2变压器的铭牌1. 变压器的型号及系列 例如：2. 主要额定值 （1）额定

22、电压U1N、U2N （V或kV） U1N：据绝缘强度和容许温升规定的一次绕组的最大正常工作电压值。 U2N：当一次绕组加上额定电压，分接开关位于额定分接头时，二次绕组开路时输出的电压值。 （2）额定电流I1N、I2N（A） I1N和I2N是指变压器在额定容量和允许温升条件下的满载电流值。 （3）额定容量SN（VA或kVA） 额定容量是指在额定状态下运行时，变压器所能输送的最大容量(视在功率)。 （4）额定频率fN（Hz） 额定频率是指变压器在设计工作原理下正常工作允许的交流电源的工作频率。单相变压器 2211NNNNNSUIUI（16-1） 221133NNNNNSUIUI（16-2） 三相变

23、压器 三相变压器一、二次侧线电压的比值，不仅和匝数比有关，而且与接法有关。KNNUUUUPPll21212133KNNUUUUPPll333212121如：Y，yn适用于三相配电变压器，线电压之比Y，d适用于变电站升、降压，线电压之比（16-4） （16-3） 【例16.1】 有一台“Yyn”联结的变压器，已知额定容量为50kVA、额定电压10/0.4kV的变压器。问： 1）变压器的变比及一、二次侧额定电流是多少? 2）是否允许接入一个额定电压为400V、额定功率为45kW、额定功率因数为0.87的三相负载?为什么?31N2N3N1N1N3N2N2N/310 10:1)25400/350 10

24、A2.9A33 1000050 10A72.2A33400UkUSIUSIU解2）3L2N45 10A 74.7A3cos3 400 0.87PIU因为 ，已超载，故不允许将该负载接入。L2N II任务17特殊用途变压器17.1自耦变压器1. 自耦变压器的结构 图17-1所示是实验室中常用的可调式自耦调压器，其工作原理与双绕组变压器相似。其原、副绕组之间不仅有磁的联系，而且有电的联系。 图17-1自耦调压器图17-2自耦变压器工作原理2.电压关系 自耦变压器也是利用电磁感应原理工作的，其工作原理如图17-2所示。3. 电流关系由图17-2可知111m222m4.444.44UEfN UEfN

25、212121UUNNEEk（17-1）12III21III22 221122I(I)SUUISS变压器原、副绕组的电流相位相反，所以（17-2）（17-3） 式17-3说明，自耦变压器的输出功率由两部分组成，电磁功率 。 传导功率。12S2S4. 自耦变压器的主要特点及使用注意事项 主要优点 1）主要尺寸小、节省材料、成本低、重量减轻、便于运输和安装、占地面积小。2）效率较高。1）短路阻抗标幺值较小，因此短路电流较大。2）高压侧产生过电压时，易引起低压绕组绝缘的损坏。主要缺点注意事项1）一、二次侧不能随意对调使用，以防变压器损坏。2）接电源前先将滑动触头调零，使用后也归零。3）使用时必须可靠接

26、地。图17-3电压互感器原理图17.2仪用互感器1. 电压互感器 ukNNUU212121UkUu（17-4）或 1）使用时电压互感器的二次侧不允许短路。 2）二次绕组连同铁心一起，必须可靠接地。 3）电压互感器有一定的额定容量，使用时二次绕组的阻抗不能太小，二次侧不宜接过多的仪表，以免影响互感器的精度等级。电压互感器使用注意事项 2. 电流互感器图17-4电流互感器工作原理图ikNNII122121IkIi或 （17-5） 1）二次绕组绝对不允许开路。 2）为了使用安全，电流互感器的二次绕组必须可靠接地，以防止绝缘击穿后，电力系统的高电压危及二次侧测量回路中的设备及操作人员的安全。电流互感器

27、使用注意事项 3）电流互感器有一定的额定容量，使用时二次绕组的阻抗不能太大，二次侧不宜接过多的仪表，以免影响互感器的精度等级。 为了可在现场不切断电路的情况下测量电流和便于携带使用，把电流表和电流互感器合起来制造成钳形电流表。图17-5为钳形电流表的实物外形和电路原理图。图17-5钳形电流表 为保证电焊的质量和电弧燃烧的稳定性，对电焊变压器有以下几点要求: 1）应具有6075V的空载电压，但电压一般不超过85V。2）应有迅速下降的外特性。3）要能够调节焊接电流的大小。4）短路电流大小应合适。*17.3电焊变压器 为了满足上述要求,电焊变压器应有较大的可调电抗。常用的方法，如图17-6所示。图1

28、7-6电焊变压器的原理接线图1动铁心2焊条3被加工工件实训项目6变压器特性测试1. 实训目的 1）通过空载试验和短路试验确定单相变压器的参数。 2）通过负载试验测定单相变压器的运行特性。2. 实训原理说明1）实训图6-1为测试变压器参数的电路。 2）空载实验一般将低压侧通电进行测量并采用低功率因数瓦特表，电压表应接在电流表外侧。 实训图6-1变压器参数测定电路 3）变压器外特性测试 为了满足三组灯泡负载额定电压为220V的要求，故以变压器的低压36V绕组作为原边，220V 的高压绕组作为副边，即当作一台升压变压器使用。在保持原边电压36V不变时，逐次增加灯泡负载（每只灯为15W），测定U1、U

29、2、I1和I2，即可绘出变压器的外特性， 即负载特性曲线U2f（I2）。3. 实训设备4. 实训内容1）按实训图6-1电路接线。 2）合上电源开关，并调节使输出为36V。令负载开路及逐次增加负载（最多亮5个灯泡），分别记下仪表的读数，记入自拟的数据表格，绘制变压器外特性曲线。 3）将二次侧开路，合上电源，使U1从零逐次升到1.2倍的额定电压，分别记下各次测得的U1、U20和I0数据，记入数据表格，用U1和I0绘制变压器的空载特性曲线。5. 实训注意事项 1）使用调压器时应首先调至零位，然后才可合上电源。 2）由负载实验转到空载实验时，要注意及时变更仪表量程。6. 实训项目评价 按照实训项目1的评价指标进行。 5.1简单描述磁场中几个基本物理量及它们的关系。 5.2如何根据磁滞回线来判别硬磁性材料和软磁性材料? 5.3变压器的铁心是起什么作用的?某铁心变压器接上电源运行正常，有人为减小铁心损耗而抽去铁心，结果一接