变压器基本结构和工作原理

1、变压器基本结构和工作原理 5.1 变压器的基本结构5.2 变压器的工作原理5.3 特殊变压器磁路与电路的比较 磁路磁通势F磁通磁阻电路电动势 E电流密度 J 电阻磁感应强度B电流 INI+_EIR 5.1 变压器的基本结构 变压器的基本结构 概述 变压器是一种常见的电气设备，在电力系统和电子线路中应用广泛。变电压：电力系统 变阻抗：电子线路中的阻抗匹配变电流：电流互感器 变压器的主要功能有： 概述 5.1 变压器的基本结构变压器的分类电压互感器 电流互感器 按用途分电力变压器 (输配电用)仪用变压器 整流变压器 按相数分三相变压器 单相变压器 按制造方式壳式心式变压器符号变压器的磁路绕组：一次

2、绕组二次绕组单相变压器+由高导磁硅钢片叠成厚0.35mm 或 0.5mm铁心变压器的电路一次绕组N1二次绕组N2铁心 变压器的基本结构变压器的结构1. 铁心线圈电路 变压器的工作原理2. 变压器的功率及功率损耗3. 变压器的工作原理 变压器的工作原理单相变压器+一次绕组N1二次绕组N2铁心 一次、二次绕组互不相连，能量的传递靠磁耦合。励磁：u i N i eleldd t=Ndl d t=Nd id t=Ll电压与电流关系设: =m sint则: e =Nm cost = Nmsin(t90o) Em= Nm = 2f Nm上一节下一节上一页下一页返 回ielel+u图 交流铁心线圈电路1.

3、铁心线圈电路E = 4.44 f Nm上一页下一页ielel+u图 交流铁心线圈电路U4.44 f Nm=则：当：U 、f 一定时，m 基本不变。功率损耗： P = PCu + PFe铜损铁损= RI2 +( Ph + Pe )磁滞损耗涡流损耗下一节上一页下一页返 回2. 变压器功率损耗 铜损耗使线圈发热， 铁损耗使铁心发热。 减小铁损耗的方法： 使用软磁材料减小 Ph ； 增大铁心的电阻率， 减小涡流及其损耗 ；用很薄的硅钢片叠成铁心， 减小涡流及其损耗 。上一节下一节上一页下一页图 涡流损耗(a) (b) 返 回(1) 空载运行情况电磁关系+1 空载时，铁心中主磁通是由一次绕组磁通势产生的

4、。3. 变压器的工作原理磁路与电路的比较 磁路磁通势F磁通磁阻电路电动势 E电流密度 J 电阻磁感应强度B电流 INI+_EIR(2) 带负载运行情况电磁关系+1i1 有载时，铁心中主磁通是由一次、二次绕组磁通势共同产生的合成磁通。2i2+e2+e2+u2Z 磁通势平衡方程：N1I1 + N2I2 = N1I0 E1 =4.44 f N1mE2 =4.44 f N2m 一次绕组： 二次绕组：上一节下一节上一页下一页返 回(一) 电压变换(一) 电压变换 U1 U2E1E2电压比: = N1N2 E1E2k =U1U2=N1N2= k上一节下一节上一页下一页返 回原边电压为U1 110伏，匝数为

5、N1, 次边电压为U2伏，匝数为N2,若输出电压不变，原边电压为220伏，匝数为多少？ 规定: 当 U1 = U1N 时, U1N U2NU20 = U2N 如铭牌上标注:电压 10 000 / 230V上一节下一节上一页下一页返 回变压器空载时: I2 = 0，I1 = I0 U2 = U20 = E2，U1E1变压器的外特性: 当 U1 = U1N, 2 = cos2 不变时: U2 = f ( I2) U2 I20U2N2=12= 0.8(感性)图 变压器的外特性U =U2NU2U2N100%电压调整率:U = 2 3%上一节下一节上一页下一页返 回 某单相变压器的额定电压为 10 00

6、0/230 V，接在 10 000 V 的交流电源上向一电感性负载供电，电压调整率为 。求变压器的电压比及空载和满载时的二次电压。 解例电压比：U1NU2Nk = 10 000230空载电压：= 230 V满载电压:= 223 VU20 = U2N U2 = U2N (1U ) = 230(10.03) V上一节下一节上一页下一页返 回(二) 电流变换N1i1N2i2U1N E1 = 4.44 f N1mN1i0 U1N4.44 f N1m 磁通势平衡方程：N1I1 + N2I2 = N1I0 忽略I0，则：I1 = N2N1 I2 N1I1 + N2I2 = 0 I1I2 N2N1= 1k=

7、上一节下一节上一页下一页返 回 上例中的变压器，当 |ZL| = 0.966 时，变压器正好满载。求该变压器的电流。 解例 U2|ZL |I2 = 2230.966= 224 A= 5.15 A I2kI1 =上一节下一节上一页下一页返 回(三) 阻抗变换作用U1U2I1I2|ZL| = U1U2I2I1 = N1N2= k|ZL| =U1I1 = kU2I2/ kU2I2= k2= k2 | ZL | 等 效U1I1|ZL|图 变压器的阻抗变换上一节下一节上一页下一页返 回(1) 变压器的匝数比应为：信号源R0RL+R0+解:例: 如图，交流信号源的电动势 E= 120V，内阻 R 0=80

8、0，负载为扬声器，其等效电阻为RL=8。要求: （1）当RL折算到原边的等效电阻 时，求变压器的匝数比和信号源输出的功率；（2）当将负载直接与信号源联接时,信号源输出多大功率？信号源的输出功率：电子线路中，常利用阻抗匹配实现最大输出功率。 结论：接入变压器以后，输出功率大大提高。原因：满足了最大功率输出的条件：（2）将负载直接接到信号源上时，输出功率为：(四) 变压器的功率关系变压器的额定容量：SN = U2NI2N = U1NI1N输入功率：P1 = U1I1cos1输出功率：P2 = U2I2cos2变压器的损耗：P = P1 P2= PCu + PFe铜损耗：PCu = R1I12 +

9、R2I22可变损耗单相变压器：三相变压器：SN = U2NI2N = U1NI1N不变损耗PFe = Ph+Pe铁损耗：P1P2=100%效率: 小型电力变压器: = 80% 90% 大型电力变压器: = 98% 99%上一节下一节上一页下一页返 回答案：A、B、D 一变压器容量为 10 kVA，铁耗为 300 W，满载时的铜耗为 400 W。求该变压器在满载时向功率因数为 0.8 的负载供电时输入和输出的有功功率及效率。 解例忽略电压变化率，则P2 = SN cos2= 101030.8 W= 8 kWP = PCu + PFe= (300 + 400) W kWP1 = P2 + P= (

10、8 + 0.7) kW kWP1P2=100%88.7=100%= 92 %上一节下一节上一页下一页返 回例: 有一带电阻负载的三相变压器，其额定数据如下：SN=100kVA, U1N=6000V, f=50Hz。 U2N= U20=400V , 绕组连接成。由试验测得: PFe =600 W，额定负载时的 PCu =2400W 。 试求 (1) 变压器的额定电流； (2) 满载和半载时的效率。解:(1)额定电流() 满载和半载时的效率 1.当负载变化使得变压器的电流为额定电流的 0.8 倍时，其铁损耗 PFe 和铜损耗 PCu 应为下述几种情况总的哪一种？ (a) PFe 和 PCu 均不变

11、； (b) PFe = 3000.8 W、PCu = 400 0.8 W ；(c) PFe = 3000.8 W、PCu 不变； (d) PFe 不变、PCu 2 W ；(e) PFe不变、PCu = 4000.8 W 。 【答】 因为铁损耗是与负载大小无关的不变损耗，铜损耗是正比于电流平方的可变损耗，因此，当变压器的电流为额定电流的 0.8 倍时， (d) 的答案是正确的。2. 某单相变压器容量为 10 kVA，额定电压为3 300/220 V。如果向 220V、60 W 的白炽灯供电，白炽灯能装多少盏？如果向 220 V、40 W、功率因数为 0.5 的日光灯供电，日光灯能装多少盏？ 【解

12、】解法1：通过电流求解。变压器二次绕组的额定电流为SNU2NI2N = = A = 45.45 A10103 220每只白炽灯的电流为PU cos I = = A = 0.273 A602201 因而可装白炽灯数为I2NI = 16645.450.273每只日光灯的电流为PU cos I = = A = 0.3636 A402200.5 上一题下一题返 回练习题题集下一页因而可装日光灯数为I2NI = 12545.450.3636上一页下一题返 回练习题题集上一题解法2：通过视在功率求解。每只白炽灯的视在功率为Pcos S = = VA = 60 VA601 因而可装白炽灯数为SNS = 16

13、61010360每只日光灯的视在功率为Pcos S = = VA = 80 VA400.5 因而可装日光灯数为SNS = = 1251010380 只要接入负载后总视在功率（或总电流）不超过变压器的容量 SN（或额定电流 I2N）变压器就不会过载。 3. 某 50 kVA、 6 600/220 V 单相变压器，若忽略电压变化率。求：(1)负载是 220 V、40 W、功率因数为 0.5 的 440 盏日光灯时，变压器一、二次绕组的电流是多少？(2)上述负载是否已使变压器满载？若未满载，还能接入多少盏 220 V、40 W、功率因数为 1 的白炽灯？ 【解】 (1) 变压器的电压比为U1NU2N

14、 k = = = 306600220 变压器输出的有功功率，即日光灯消耗的有功功率为 P2 = 44040 W = 17 600 W 忽略电压变化率，则变压器二次绕组电压等于其空载电压 220 V，故二次绕组电流为P2U2 cos2I2 = = A = 160 A17 6002200.5 下一题返 回练习题题集下一页上一题则变压器一次绕组电流为I2kI1 = = A = 5.33 A16030(2) 变压器的二次绕组额定电流为SNU2NI2N = = A = 227.3 A50103 220 由于 I2I2N ，所以变压器未满载。 设接入的白炽灯总功率为 P，只要接入白炽灯后总视在功率（或总电

15、流）不超过变压器的容量 SN（或额定电流 I2N）变压器就不会过载，故(P +P2 ) 2 + Q22 = SN 式中 Q2 为日光灯的无功功率，由于 2 = arccos2 = arccos 0.5 = 60o Q2 = P2 tan2 = 17 600tan 60o var = 30 484 var上一页返 回练习题题集上一题下一题下一页由此可得P =SN2Q22 P2 = 22 032.4 W因而可装白炽灯数为P40 = 55022 032.440= (50 000230 4842 17 600 ) W 上一页下一题返 回练习题题集上一题4. 某收音机的输出变压器，一次绕组的匝数为 23

16、0，二次绕组的匝数为 80，原配接 8 的扬声器，现改用 4 的扬声器，问二次绕组的匝数应改为多少？ 【解】 本题目是为了熟悉变压器的阻抗变换作用。 改用 4 的扬声器后应当保证一次侧的等效电阻仍与用 8 扬声器时相同，故（ ）N1 2N2RL2 =（ ）N1 2N2RL1（ ）N1N2=N1 2N2RL1RL2=（ ）230 2 8084N14.07 N2 = = 562304.07上一题下一题返 回练习题题集一 台 单 相 变 压 器 的 额 定 容 量 SN =180KVA，其 额 定 电 压 为6600/230V，变 压 器 的 铁 损，满 载 时 的 铜 损为，如 果 变 压 器 在

17、 满 载 情 况 下 向 功 率 因 数 为0.8 的 负 载 供 电，这 时 副 绕 组 的 端 电 压 为220V。求：（1）电 压 调 整 率。（2）变 压 器 的 效 率。（3）问 这 台 变 压 器 能 否 允 许 接 入110kW，功 率 因 数 为 0.6 的 感 性 负 载？SNU2NI2N = = A = 783 A180103 230PU cos I2 = = A = 830 A110000 2200.6 不能P2 = U2I2cos = 220P1 = P2 + P + 0.4+2.1) kW kWP1P2=100%137.8140.3=100%= 98 % 使用时，改变

18、滑动端的位置，便可得到不同的输出电压。实验室中用的调压器就是根据此原理制作的。注意：一次、二次侧千万不能对调使用，以防变压器损坏。 特殊变压器1.自耦变压器ABP+图 自耦变压器手柄接线柱返 回U1 220VU20V图3：自耦变压器调压过程250V0250V图 ：自耦变压器调压过程U1U2 220V50V250V0U1U2 220V 110V图 ：自耦变压器调压过程250V0U2图 ：自耦变压器调压过程U1 220V 160V250V0图3：自耦变压器调压过程 14U1U2 220V 220V250V0例题： 在一台容量为15千安伏的自耦变压器中，已知 U1 = 220V，N1 = 500匝。如果要想使输出电压 U2 = 209V，应该在线圈的什么地方抽出线头？满负载时的 I1 和 I2 各等于多少安？解： （1）由公式N2N1U2U1=，可以知道抽头处的圈数应为: U2U1N2 = N1 =220209 500 = 475匝 （2）U1 I1 =所以满负载时的电流是I1 =15 10220= 68.2A I2 = 15 10209= 71.8A16U2 I2 = SN= 15 10 VA二次侧不能短路， 以防产生过流；2. 铁心、低压绕组的 一端接地，以防在 绝缘损坏时，在二次侧出现高压。使用注意事项：电压表被测电压=电压表读数 N1/N22.电压互感器 实现用低量程的电压表测