电机及电器2变压器

1、1第二章第二章 变压器变压器主要内容：主要内容： 本章主要讲述变压器的电磁关系。本章主要讲述变压器的电磁关系。 变压器的应用、工程计算。变压器的应用、工程计算。重点：重点：1、变压器工程计算。、变压器工程计算。2、对变压器电磁关系、电压平衡方程式的理解。、对变压器电磁关系、电压平衡方程式的理解。难点：变压器电磁关系、电压平衡方程式。难点：变压器电磁关系、电压平衡方程式。2变压器简介变压器简介 变压器是一种静止的电机，它将一种电压的电能转换为另变压器是一种静止的电机，它将一种电压的电能转换为另一种电压。一种电压。 变压器分类：变压器分类：按相数的不同按相数的不同 ：单相变压器、三相变压器、多相变

2、压器单相变压器、三相变压器、多相变压器 按绕组数目不同按绕组数目不同 ：双绕组变压器、三绕组变压器、多绕组双绕组变压器、三绕组变压器、多绕组变压器、自耦变变压器、自耦变 压器压器 。按冷却方式不同按冷却方式不同 ：油浸式变压器，充气式变压器、干式变油浸式变压器，充气式变压器、干式变压器。压器。 按用途不同：按用途不同：电力变压器、电力变压器、特种变压器（电炉变压器、整特种变压器（电炉变压器、整流变压器、电焊变压器等）、仪用变压器（电压互感器和流变压器、电焊变压器等）、仪用变压器（电压互感器和电流互感器、小型电子整流变压器）等。电流互感器、小型电子整流变压器）等。3电力变压器电力变压器4电子变压

3、器电子变压器5自耦变压器自耦变压器6互感器互感器7电炉变压器：给高频感应电炉电炉变压器：给高频感应电炉(如炼钢如炼钢 炉炉)供电。供电。8电焊变压器：漏阻抗大，电压降大。电焊变压器：漏阻抗大，电压降大。9整流变压器整流变压器(专用专用)： 给直流电力机车供电。给直流电力机车供电。102.1变压器的结构和工作原理变压器的结构和工作原理2.1.1变压器的结构：由一个变压器的结构：由一个铁心铁心和高、低压两套和高、低压两套绕组绕组组成。组成。 1.铁芯铁芯 是变压器的磁路部分，分叠片式和渐开线式两种。叠片式一是变压器的磁路部分，分叠片式和渐开线式两种。叠片式一般由般由0.35mm/0.5mm冷轧冷轧

4、(也用热轧也用热轧)硅钢片叠成。相邻层按不硅钢片叠成。相邻层按不同方式交错叠放，将接缝错开。偶数层刚好压着奇数层的接同方式交错叠放，将接缝错开。偶数层刚好压着奇数层的接缝，从而减少磁阻，便于磁通流通。缝，从而减少磁阻，便于磁通流通。11 铁心截面形状：小铁心截面形状：小型变压器做成型变压器做成方形方形或者或者矩形矩形；大型变；大型变压器做成压器做成阶梯形阶梯形。容量大则级数多。容量大则级数多。叠片间留有间隙作叠片间留有间隙作为油道为油道(纵向纵向/横向横向)。12 2.绕组（线圈）绕组（线圈） 是变压器的是变压器的电路电路部分。一般用绝缘扁铜线或圆铜线在绕线部分。一般用绝缘扁铜线或圆铜线在绕线

5、模上绕制而成。模上绕制而成。 绕组套装在变压器铁心柱上，低压绕组在绕组套装在变压器铁心柱上，低压绕组在内层，高压绕组套装在低压绕组外层，以便于绝缘。根据内层，高压绕组套装在低压绕组外层，以便于绝缘。根据绕组与铁心的配置方式不同有心式和壳式之分。绕组与铁心的配置方式不同有心式和壳式之分。133.除了电磁部分，还有冷却部分，最常用的是油冷，包括：除了电磁部分，还有冷却部分，最常用的是油冷，包括：油箱油箱/冷却装置冷却装置/绝缘套管绝缘套管/调压和保护装置等部件。调压和保护装置等部件。 油箱内充满变压器油。变压器油是一种矿物油，具有很好的油箱内充满变压器油。变压器油是一种矿物油，具有很好的绝缘性能。

6、变压器油起两个作用：绝缘和散热。绝缘性能。变压器油起两个作用：绝缘和散热。14三、额定值三、额定值(1)额定电压：额定电压：U1N/U2N 单位为单位为V或者或者kV。U1N为正常运行时为正常运行时1次侧应加的电压。次侧应加的电压。U2N为为1次侧加额定电压、次侧加额定电压、2次侧处于空载状态时的电压。次侧处于空载状态时的电压。 三三相变压器中，额定电压指的是线电压。相变压器中，额定电压指的是线电压。 (2)额定容量：额定容量：SN 单位为单位为VA/kVA/MVA 。SN为变压器的视在功率。通常把变为变压器的视在功率。通常把变压器压器1、2次侧的额定容量设计为相同。次侧的额定容量设计为相同。

7、 (3)额定电流：额定电流：I1N/I2N 单位为单位为A/kA。是变压器正常运行时所能承担的电流，在三。是变压器正常运行时所能承担的电流，在三相变压器中均代表线电流。相变压器中均代表线电流。 对单相：对单相：I1N=SN/U1N ，I2N=SN/U2N 15 对于三相变压器：对于三相变压器： (4)额定频率：额定频率：fN 单位为单位为Hz,我国规定，我国规定，fN=50Hz 此外，铭牌上还会给出型号、三相联接组号、连接图、此外，铭牌上还会给出型号、三相联接组号、连接图、阻抗电压阻抗电压Uk 、运行方式、冷却方式、重量等数据。、运行方式、冷却方式、重量等数据。NNNUSI113/NNNUSI

8、223/162.1.2变压器的工作原理变压器的工作原理 原边绕组接交流电压后，原边的空载电流原边绕组接交流电压后，原边的空载电流i0在铁心中产生在铁心中产生一个交变的主磁通一个交变的主磁通，分别，分别在一次绕组和二次绕组（副边、在一次绕组和二次绕组（副边、副绕组、次级绕组）副绕组、次级绕组）中感应电势中感应电势e1和和e2 ： e1=N1d/dt e2=N2d/dt 原边绕组从电源吸取电功率，原边绕组从电源吸取电功率， 借助磁场为媒介，通过电磁借助磁场为媒介，通过电磁 感应，将电功率传递到副边感应，将电功率传递到副边 绕组的负载。绕组的负载。171、变压器的空载运行、变压器的空载运行一、空载运

9、行物理分析：一、空载运行物理分析：1次侧接额定电压次侧接额定电压U1N，2次侧开路，称次侧开路，称为空载运行。为空载运行。 空载时空载时1次侧绕组中的电流次侧绕组中的电流i0为空载电流为空载电流 磁通磁通感生感生e1和和e2 漏磁通漏磁通1只只感生感生e11010/eN ddt 2020/eN ddt 111/eN ddt 18二、变压器空载运行原边副边感生电势二、变压器空载运行原边副边感生电势 0010101010/sin(90 )=-sin90mmmeN ddtNtEt 则则（）10101011024.44222mmmmENfNEfN 其其中中 00sinmt 设设010201010101

10、0()eeuiN Ie 、10014.44mEjfN 写写成成相相量量形形式式： 19同理，对于副边，铰链的磁通相同，因此同理，对于副边，铰链的磁通相同，因此 0020202020/sin(90 )=-sin90mmmeN ddtNtEt （）20202022024.44222mmmmENfNEfN其其中中20024.44mEjfN 写写成成相相量量形形式式： 20101104.44mEfN同同样样可可以以类类似似的的得得出出：101014.44mEjfN 写写成成相相量量的的形形式式：再看原边漏电势：再看原边漏电势：1010=Ej LI 写写成成阻阻抗抗压压降降的的形形式式： 1010sin

11、mt 设设21101.4.44mEjfN 022.4.44mEjfN 10101.4.44mEjfN 各个电势的相量表达式为各个电势的相量表达式为22三、空载运行的基本电压方程三、空载运行的基本电压方程 2020UE 1011101()EIRjXEI Z 110100 12020ueei rue 1010011UEEI r 写写成成相相量量的的形形式式：1000101Ej I XI r 232、变压器的负载运行、变压器的负载运行负载运行是指副边接负载的运行。负载运行是指副边接负载的运行。一、负载运行的物理过程一、负载运行的物理过程瞬态过程：变压器接通负载的瞬间，副边电势使副边有了瞬态过程：变压

12、器接通负载的瞬间，副边电势使副边有了电流和磁势，副边磁势减弱了主磁通的变化，导致原边电电流和磁势，副边磁势减弱了主磁通的变化，导致原边电势变小，破坏了空载时已建立的电压电势平衡关系，迫使势变小，破坏了空载时已建立的电压电势平衡关系，迫使原边电流一直增加。原边电流一直增加。稳态过程：原边电流一直增加，直到原边电流产生的主磁稳态过程：原边电流一直增加，直到原边电流产生的主磁通重新恢复至足够大，变压器又达到新的平衡。通重新恢复至足够大，变压器又达到新的平衡。 负载后，虽然副边有了电流，但铁心主磁通变化量很小。负载后，虽然副边有了电流，但铁心主磁通变化量很小。（为什么？）（为什么？）24二、负载后变压

13、器的二、负载后变压器的磁势平衡磁势平衡负载前，原边空载电流建立空载磁势为负载前，原边空载电流建立空载磁势为负载后，设副边电流为负载后，设副边电流为i2，副边电流磁势，副边电流磁势i2N2。原边电流为。原边电流为i1，原边电流磁势为，原边电流磁势为i1N1。负载前后磁通近似相等，则总磁。负载前后磁通近似相等，则总磁动势近似相等，即动势近似相等，即110NiF 102211NiNiNi120121I NININ 对对应应的的相相量量形形式式：称称为为磁磁势势平平衡衡方方程程式式。表表明明变变压压器器负负载载运运行行时时，由由原原边边和和副副边边共共同同作作用用产产生生的的磁磁势势等等于于产产生生主

14、主磁磁通通所所需需的的激激磁磁磁磁势势。25 上式表明：上式表明： 变压器负载后，原边电流由两个分量构成，一个是励磁电流分变压器负载后，原边电流由两个分量构成，一个是励磁电流分量量 ，一个是负载电流分量，一个是负载电流分量 。210IIIK 0ILIIKIII10201)(120121I NININ 由由得得：21201NIIIN 21LIIK 26 当副方流通电流当副方流通电流 ，原方就会自动流入负载电流分，原方就会自动流入负载电流分量量 ，两者磁势相互抵消，磁路中仍然只有，两者磁势相互抵消，磁路中仍然只有励磁磁势励磁磁势 。因此，副边电流起到。因此，副边电流起到去磁去磁作用，使得主作用，使

15、得主磁通磁通m m 仍然（基本）满足仍然（基本）满足10NI2I)(21KIILmfNU144. 427三、负载后电压电流方程三、负载后电压电流方程 设负载后，原边、副边绕组电势表达式：设负载后，原边、副边绕组电势表达式：电流除了共同产生主磁通以外，也产生漏磁通、漏磁感应电势。电流除了共同产生主磁通以外，也产生漏磁通、漏磁感应电势。 原边、副边电流还在各自绕组中产生电阻压降：原边、副边电流还在各自绕组中产生电阻压降：22222Ej ILj I X 11111Ej ILj I X 1122I rI r 114.44mEjfN 22=4.44mEjfN 28原边电压平衡方程式：原边电压平衡方程式：

16、副边电压平衡方程式：副边电压平衡方程式：副边阻抗压降平衡方程式：副边阻抗压降平衡方程式：11111UEEI r 22222UEEI r 1111111()EIrjXEI Z 2222222()EIrjXEI Z LZIU2229四、变压器负载运行的方程式归纳四、变压器负载运行的方程式归纳五、变压器负载运行的相量图五、变压器负载运行的相量图11111111()UEIrjXEI Z 原原边边电电压压方方程程： 22222222()UEIrjXEI Z 副副边边电电压压方方程程： 211()mmLIIIIIK 电电流流方方程程： 120121I NI NI N 磁磁势势方方程程： LZIU22 30

17、2.2 2.2 变压器的功能及外特性变压器的功能及外特性2.2.1 2.2.1 电压变换电压变换 变压器的变比变压器的变比K K：指变压器：指变压器1 1、2 2次绕组的电压之比，约等次绕组的电压之比，约等于电势之比、绕组匝数之比。于电势之比、绕组匝数之比。 若若K1K1，是降压变压器；若，是降压变压器；若K1K1，是升压变压器；，是升压变压器；20224.44mUEfN 10114.44mUEfN ，12121m2m12KU / UE / E(4.44 N)/(4.44 N)N / Nff 312.2.2 2.2.2 电流变换电流变换 空载（励磁）电流空载（励磁）电流 很小，可以忽略，因此很

18、小，可以忽略，因此 得到变压器的电流关系为得到变压器的电流关系为10221NININI12121122I NI NI NI N 或或212211NIIINK0I 322.2.3 2.2.3 阻抗变换阻抗变换 指同一个阻抗，从变压器的另一边来说，阻抗会变化。指同一个阻抗，从变压器的另一边来说，阻抗会变化。反之亦然。反之亦然。 例如，阻抗例如，阻抗Z Z接在变压器副边，从原边看过去，阻值就接在变压器副边，从原边看过去，阻值就变化了，是等效电阻变化了，是等效电阻Z Z等效等效22122122/UKUUZKK ZIIKI 等等 效效Z等等 效效33例例设信号电压的有效值：设信号电压的有效值：U1= 1

19、0V；信号内阻：；信号内阻：Rs=800 ；负；负载为扬声器，电阻载为扬声器，电阻 RL=8 ，（1）求负载电阻上的功耗；）求负载电阻上的功耗；（2）为了使扬声器获得最大电阻功率，用变压器匹配阻抗，）为了使扬声器获得最大电阻功率，用变压器匹配阻抗，求变压器的变比和负载上得到的功率。求变压器的变比和负载上得到的功率。变压器阻抗变换变压器阻抗变换34解：（1）扬声器功率（2）要想获得最大电阻功率，阻抗必须匹配，则 变换后的负载阻抗变换后的负载阻抗 负载阻抗功率负载阻抗功率变压器阻抗变换变压器阻抗变换222108=1.22mW8008LLSLUPI RRRR 2800,108SSLLRRKRKR 则

20、则22210800=32.5mW800800LSUPI RRRR等等效效等等效效22108=800LRKR 等等 效效352.2.4 变压器的外特性变压器的外特性 指原边电压不变，副边输出电压和输出电流的关系。指原边电压不变，副边输出电压和输出电流的关系。 U2=f（I2） 一般供电系统希望变压器要有硬（的电压）特性，电焊变压器一般供电系统希望变压器要有硬（的电压）特性，电焊变压器除外。除外。 副边绕组的电压变化程度用电压变化率表示副边绕组的电压变化程度用电压变化率表示 由于变压器的漏阻抗很小，由于变压器的漏阻抗很小， 电压变化率一般在电压变化率一般在5%左右。左右。%10020220UUUU

21、362.2.5 变压器的损耗与效率变压器的损耗与效率 变压器也是铁心线圈，有铜耗和铁耗。铁耗只和磁通大小变压器也是铁心线圈，有铜耗和铁耗。铁耗只和磁通大小有关，因此又称为不变损耗；铜耗和电流大小有关，是可有关，因此又称为不变损耗；铜耗和电流大小有关，是可变损耗。变损耗。 当变压器的铜耗等于铁耗（可变损耗等于不变损耗）时，当变压器的铜耗等于铁耗（可变损耗等于不变损耗）时，变压器的效率最大。通常在变压器的效率最大。通常在95%以上以上。此时变压器的负载。此时变压器的负载为额定负载的为额定负载的5075%。2212FeCuPPPPpp372.3 三相变压器及特种变压器三相变压器及特种变压器2.3.1

22、 三相变压器三相变压器 三个单相变压器转变成三相变压器三个单相变压器转变成三相变压器38 三相变压器的优点：节省材料，效率高，可靠性好。三相变压器的优点：节省材料，效率高，可靠性好。 三相变压器的组别：三相变压器的组别：Y/Y0、Y0/、Y/ Y/Y0：适合低压配电，高压：适合低压配电，高压10-35kV，低压，低压400V，容量不，容量不很大，有中性线引出，适合动力、照明负载。容量一般小很大，有中性线引出，适合动力、照明负载。容量一般小于于1800kVA。 Y/ ：适合变电，一般高压在：适合变电，一般高压在35110kV之间之间，高压侧无，高压侧无中性线，变压器是大容量。中性线，变压器是大容

23、量。 Y0/ ：适合变电，电压范围广，一般高压在：适合变电，电压范围广，一般高压在110kV以上，以上，变压器是超大容量。变压器是超大容量。 注意两种接法电压和电流的关系。注意两种接法电压和电流的关系。392.3.2 仪表用互感器电压互感器接线图。电压互感器接线图。电压互感器：被测电压=电压表读数 K通常最大示数为100V，电压表按原边电压刻度。使用注意： 1、副边不能短路，以防产生过流； 2、铁心、低压绕组的一端接地，以防在绝缘损时，在副边出现高压。 3、高压侧装熔断器。40电流互感器接线图电流互感器接线图电流互感器：被测电流=电流表读数 N2/N1副边额定电流为1A或5A。电流表的表盘按原

24、边电流刻度，以便直读。使用注意：1、副边不能开路，以防过大的励磁电流产生绕组高电压、铁心高温；2、铁心、低压绕组的一端接地，以防在绝缘损坏时，在副边出现过压。3、副边不能装熔断器。41钳形表钳形表42钳形漏电流表钳形漏电流表432.3.3 自耦变压器自耦变压器 使用注意事项使用注意事项1、注意线圈的额定电流、注意线圈的额定电流 2、注意高压传入的危险、注意高压传入的危险3、原、副边不能对调使用，因为此时线圈匝数小，磁通增大，、原、副边不能对调使用，因为此时线圈匝数小，磁通增大，电流增加，导致变压器损坏。电流增加，导致变压器损坏。442.3.4 脉冲变压器脉冲变压器传输脉冲信号。1、脉冲变压器的应用 作为间歇振荡器线路的主要元件，在脉冲技术和可控硅触发电路中得到广泛应用。 脉冲变压器采用特殊材料、结构和工艺，能很好的传递脉冲信号，在其副边能够重现输入脉冲波形，且波形畸变很小。2、脉冲变压器工艺要求 高导磁材料做铁心，且铁心环形封闭；