项目五变压器原理分析与检测课件

变压器原理分析与检测项目五变压器原理分析与检测项目五项目五

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。项目五

变压器原理分析与检测学习任务1）了解变压器的15.1磁路概述图15-1变压器的磁路任务15变压器15.1磁路概述图15-1变压器的磁路任务15变压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（15-1）15.1.1磁路的基本物理量1.磁感应强度2.磁通量在均匀磁场中，磁通量Φ等于磁感应强度B与垂直于磁场方向的面积S的乘积，即

（15-2）

3.磁导率磁导率μ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2.磁通量（15-2）3.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μ的比值，即为了便于比较，工程上通常采用相对磁导率（15-4）（15-5）4.磁场强度为了便于比较，工程上通常采用相对磁导率（15-15.1.2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磁性。15.1.2磁性材料的主要特性1.高导磁性图15-2铁磁材料的磁化图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。2.磁饱和性图15-3铁磁材料的起始磁化曲线图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)。3.磁滞性铁磁材料磁化过程中，当励磁电流I增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abc’a’b’ca。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。继续增大反向磁场直到-Hm，B也相应反向增至-Bm(曲线的a图15-4磁滞回线图15-4磁滞回线（1）软磁性材料剩磁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。（1）软磁性材料磁性材料按其磁滞回线形状的不同，可以分为三种图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。图15-5不同材料的磁滞回线（3）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（15-6）1.全电流定律(安培环路定律)15.1.3磁路的基本定律2.磁路欧姆定律（15-7）以图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2.磁路欧姆定律（15-7）以图15-6所示为例，Rm—磁路的截面积—总磁压—磁路的磁势令（15-8）（15-9）所以上式中Rm—磁路的截面积—总磁压—磁路的磁势令（15-15.2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。15.2变压器的结构变压器是根据电磁感应原图15-7三相油浸式电力变压器外形图图15-7三相油浸式电力变压器外形图1.铁心（1）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。1.铁心（2）铁心的组成（3）（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。（4）按变压器铁心的结构分类图15-8变压器的结构图15-8变压器的结构（1）绕组的作用变压器的电路部分（2）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（1）绕组的作用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—低压绕组图15-9变压器的绕组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。3.附件（1）油箱（2）储油柜—油枕（3）气体继电器—俗（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。（4）安全气道—防爆管（5）分接开关（6）绝缘套管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。15.3变压器的工作原理15.3.1变压器的空载运行图15-10单相变压器的空载运行工作原理图图15-10单相变压器的空载运行工作原理图1.电磁关系当变压器空载时，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。1.电磁关系当变压器空载时，二次绕组电流2）与的正方向符合右手螺旋定则。3）正方向与产生该磁通的电流的正方向一致。4）的正方向与的正方向相反。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。2）与的正方向符合右手螺旋定则。3）主磁通Φ在一、二次绕组分别产生感应电动势e1与e2（15-10）（15-11）2.电压变换关系设主磁通由式15-10得（15-12）主磁通Φ在一、二次绕组分别产生感应电动势e1与e2（1同理据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）同理据KVL忽略原绕组的电阻和漏磁感抗电压降1）一次绕组电2）二次绕组电压平衡关系（15-16）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）（15-18）空载，所以2）二次绕组电压平衡关系（15-16）因此，原、副绕组的电压15.3.2变压器的负载运行图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。15.3.2变压器的负载运行图15-11变压器的负载运行1.电磁关系1.电磁关系2.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副绕组中电压平衡方程用相量表示为（15-20）（15-19）2.电压变换作用副绕组中电压平衡方程用相量表示为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

（15-21）

（15-22）（15-23）即因此（15-24）副绕组的电阻和漏抗两端的压降忽略不计，所以副绕组的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）3.电流变换作用式(15-15)和式(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绕组的磁动势有去磁作用。原、副绕组电流有效值之比为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）式15-25中的负号说明，变压器原、副绕组的磁势接图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。图15-12变压器的阻抗变换作用15.3.3变压器的阻抗则阻抗的大小为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。则阻抗的大小为从变压器的原边来看，如图15-1【例15.1】有一台电压为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:1）由变比的公式【例15.1】有一台电压为220/36V的变2）由有功功率公式由变比公式2）由有功功率公式由变比公式图15-13晶体管收音机输出电路【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。图15-13晶体管收音机输出电路【例15.2】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。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。图15-14变压器的外特性曲线15.4变压器的外特性从空载到满载（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。从空载到满载（副电流达到其额定值时）的输出电压变化15.5变压器的损耗和效率1.变压器的损耗损耗ΔP有铜耗ΔPCu和铁心损耗ΔPFe两部分。1）铜耗：包括基本铜耗和杂散铜耗。

（15-29）

（15-30）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。15.5变压器的损耗和效率1.变压器的损耗1）铜耗：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Φm越大，铁耗也越大；电源电压不变时，变压器的主磁通Φm基本不变，铁耗也基本不变。变压器原、副绕组的功率平衡关系为（15-31）2）铁耗：包括基本铁耗和杂散铁耗。变压器原、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（15-32）当不变损耗等于可变损耗时，变压器效率为最高。2.变压器的效率（15-32）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变压器绕组的极性任何瞬间，同一磁通作用下的两个绕组之间感应电动势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(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。1.已知绕组的绕向图15-15变压器同名端的判定图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（1）直流电源和检流计法2.绕组的绕向不明图15-16检流计法判定同名端图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，若满足，则1、3为同名端，2、3为异名端；若，则1、4为同名端。（2）交流电源与电压表法用电压表分图15-17交流法测极性图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（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。图16-2三相心式变压器磁路系统（2）心式变压器磁路特点：三相磁路彼此有关联，且耗材少，效**一、二次绕组的电动势同相位。******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**一、二次绕组的电动势同相位。******（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。（2）三相变压器的极性用来表示三相原、副绕组图16-3三相变压器绕组的连接图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：1.变压器的型号及系列2.主要额定值（1）额定电压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。2.主要额定值（1）额定电压U1N、U2N（V或（3）额定容量SN（V·A或kV·A）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（16-1）

（16-2）

三相变压器（3）额定容量SN（V·A或kV·A）（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。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）三相变压器一、二次侧线电压的比值，不仅和匝数比【例16.1】有一台“Yyn”联结的变压器，已知额定容量为50kV·A、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?【例16.1】有一台“Yyn”联结的变压器2）因为，已超载，故不允许将该负载接入。2）因为，已超载，故不允许将该负任务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。任务17特殊用途变压器17.1自耦变压器1.自耦变压器图17-1自耦调压器图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（17-1）自耦变压器也是利用电磁感应原理工作的，其工作变压器原、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。4.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。变压器原、副绕组的电流相位相反，所以（17-2）（17-3）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）使用时必须可靠接地。2）效率较高。1）短路阻抗标幺值较小，因此短路电流较大。2）图17-3电压互感器原理图17.2仪用互感器1.电压互感器（17-4）或图17-3电压互感器原理图17.2仪用互感器1.电压互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1）使用时电压互感器的二次侧不允许短路。2.电流互感器图17-4电流互感器工作原理图或（17-5）2.电流互感器图17-4电流互感器工作原理图或（17-1）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。1）二次绕组绝对不允许开路。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钳形电流表为了可在现场不切断电路的情况下测量电流和便于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60~75V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电焊变压器为保证电焊的质量和电弧燃烧的稳定性，对电焊变为了满足上述要求,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17-6电焊变压器的原理接线图1—动铁心2—焊条3—被加工工件为了满足上述要求,电焊变压器应有较大的可调电实训项目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。实训项目6变压器特性测试1.实训目的1）通过空载实训图6-1变压器参数测定电路实训图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、U2、I1和I2，即可绘出变压器的外特性，即负载特性曲线U2＝f（I2）。3）变压器外特性测试3.实训设备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。4.实训内容1）按实训图6-1电路接线。25.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.实训注意事项1）使用调压器时应首先调至零5.1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，结果一接上电源，绕组就烧毁，为什么?思考与练习五

?5.1简单描述磁场中几个基本物理量及它们的5.4变压器一次绕组若接在交流电源上，二次侧会有稳定的交流电压吗?为什么?如将变压器接到与它的额定电压相同的直流电源上，会怎么样?5.5一台380/220V的单相变压器，如不慎将380V加在低压绕组上，可行吗?会产生什么现象?5.6一台变压器的额定频率为50Hz，能否将其用

于频率为25Hz的交流电路中?为什么?

?5.4变压器一次绕组若接在交流电源上，二次侧5.7一台220/110V的单相变压器，k=N1/N2，N1=2000匝，N2=1000匝，如果为节约成本，将一、二次绕组匝数减为20匝和10匝行吗?为什么?5.8变压器负载增大(I2增大)，为什么一次电流I1也随之增大，这时变压器的铁损和铜损是否也增大?5.9变压器空载运行时,一次绕组加交流额定电压，这时一次绕组的电阻R很小，为什么空载电流I0却不大?

?5.7一台220/110V的单相变压器，k=5.11一台220/35V的变压器，已知一次绕组匝数N1=1100匝，试求二次绕组的匝数?若在二次侧接一盏35V、100W的白炽灯(忽略空载电流和漏阻抗压降)，问一次电流为多少?5.10一台变压器，一次绕组匝数为25匝，接在10kV高压输电线上，二次绕组开路电压为500V。试求变压器的电压比和二次绕组的匝数。

?5.11一台220/35V的变压器，已知一5.12某收音机输出变压器的一次绕组匝数N1=500匝，N2=30匝，接有阻抗为15扬声器（匹配），现要改接成4扬声器，问二次绕组匝数为多少才能匹配?5.13三相心式变压器与三相组式变压器相比，具有哪些优点?在测取三相心式变压器的空载电流时，为何中间一相的电流小于其他两相的电流?

?5.12某收音机输出变压器的一次绕组匝数5.14三相变压器一次绕组每相匝数N1=2080匝，二次绕组每相匝数N2=80匝。若一次绕组端所加线电压U1=6000V，试求：“Y，y”、“Y，d”两种联结法时二次绕组端的线电压和相电压。5.15有一台“Y，yn”联结的变压器，其额定容量为50kV·A，额定电压为10/0.4kV。问是否允许接入一台额定电压为400V、额定容量功率为45kW、额定功率因数为0.87的三相负载?为什么?

?5.14三相变压器一次绕组每相匝数N1=25.17使用电压互感器和电流互感器，接线时应注意哪些问题?为什么?5.18为了保证电焊的质量和电弧燃烧的稳定性，对电焊变压器有哪些具体要求?5.16自耦变压器的功率是如何传递的?为什么它的设计容量比额定容量小?

?5.17使用电压互感器和电流互感器，接线时应谢谢，再见！谢谢，再见！变压器原理分析与检测项目五变压器原理分析与检测项目五项目五

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。项目五

变压器原理分析与检测学习任务1）了解变压器的15.1磁路概述图15-1变压器的磁路任务15变压器15.1磁路概述图15-1变压器的磁路任务15变压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（15-1）15.1.1磁路的基本物理量1.磁感应强度2.磁通量在均匀磁场中，磁通量Φ等于磁感应强度B与垂直于磁场方向的面积S的乘积，即

（15-2）

3.磁导率磁导率μ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2.磁通量（15-2）3.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μ的比值，即为了便于比较，工程上通常采用相对磁导率（15-4）（15-5）4.磁场强度为了便于比较，工程上通常采用相对磁导率（15-15.1.2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磁性。15.1.2磁性材料的主要特性1.高导磁性图15-2铁磁材料的磁化图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。2.磁饱和性图15-3铁磁材料的起始磁化曲线图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)。3.磁滞性铁磁材料磁化过程中，当励磁电流I增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abc’a’b’ca。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。继续增大反向磁场直到-Hm，B也相应反向增至-Bm(曲线的a图15-4磁滞回线图15-4磁滞回线（1）软磁性材料剩磁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。（1）软磁性材料磁性材料按其磁滞回线形状的不同，可以分为三种图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。图15-5不同材料的磁滞回线（3）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（15-6）1.全电流定律(安培环路定律)15.1.3磁路的基本定律2.磁路欧姆定律（15-7）以图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2.磁路欧姆定律（15-7）以图15-6所示为例，Rm—磁路的截面积—总磁压—磁路的磁势令（15-8）（15-9）所以上式中Rm—磁路的截面积—总磁压—磁路的磁势令（15-15.2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。15.2变压器的结构变压器是根据电磁感应原图15-7三相油浸式电力变压器外形图图15-7三相油浸式电力变压器外形图1.铁心（1）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。1.铁心（2）铁心的组成（3）（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。（4）按变压器铁心的结构分类图15-8变压器的结构图15-8变压器的结构（1）绕组的作用变压器的电路部分（2）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（1）绕组的作用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—低压绕组图15-9变压器的绕组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。3.附件（1）油箱（2）储油柜—油枕（3）气体继电器—俗（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。（4）安全气道—防爆管（5）分接开关（6）绝缘套管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。15.3变压器的工作原理15.3.1变压器的空载运行图15-10单相变压器的空载运行工作原理图图15-10单相变压器的空载运行工作原理图1.电磁关系当变压器空载时，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。1.电磁关系当变压器空载时，二次绕组电流2）与的正方向符合右手螺旋定则。3）正方向与产生该磁通的电流的正方向一致。4）的正方向与的正方向相反。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。2）与的正方向符合右手螺旋定则。3）主磁通Φ在一、二次绕组分别产生感应电动势e1与e2（15-10）（15-11）2.电压变换关系设主磁通由式15-10得（15-12）主磁通Φ在一、二次绕组分别产生感应电动势e1与e2（1同理据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）同理据KVL忽略原绕组的电阻和漏磁感抗电压降1）一次绕组电2）二次绕组电压平衡关系（15-16）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）（15-18）空载，所以2）二次绕组电压平衡关系（15-16）因此，原、副绕组的电压15.3.2变压器的负载运行图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。15.3.2变压器的负载运行图15-11变压器的负载运行1.电磁关系1.电磁关系2.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副绕组中电压平衡方程用相量表示为（15-20）（15-19）2.电压变换作用副绕组中电压平衡方程用相量表示为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

（15-21）

（15-22）（15-23）即因此（15-24）副绕组的电阻和漏抗两端的压降忽略不计，所以副绕组的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）3.电流变换作用式(15-15)和式(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绕组的磁动势有去磁作用。原、副绕组电流有效值之比为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）式15-25中的负号说明，变压器原、副绕组的磁势接图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。图15-12变压器的阻抗变换作用15.3.3变压器的阻抗则阻抗的大小为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。则阻抗的大小为从变压器的原边来看，如图15-1【例15.1】有一台电压为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:1）由变比的公式【例15.1】有一台电压为220/36V的变2）由有功功率公式由变比公式2）由有功功率公式由变比公式图15-13晶体管收音机输出电路【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。图15-13晶体管收音机输出电路【例15.2】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。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。图15-14变压器的外特性曲线15.4变压器的外特性从空载到满载（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。从空载到满载（副电流达到其额定值时）的输出电压变化15.5变压器的损耗和效率1.变压器的损耗损耗ΔP有铜耗ΔPCu和铁心损耗ΔPFe两部分。1）铜耗：包括基本铜耗和杂散铜耗。

（15-29）

（15-30）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。15.5变压器的损耗和效率1.变压器的损耗1）铜耗：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Φm越大，铁耗也越大；电源电压不变时，变压器的主磁通Φm基本不变，铁耗也基本不变。变压器原、副绕组的功率平衡关系为（15-31）2）铁耗：包括基本铁耗和杂散铁耗。变压器原、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（15-32）当不变损耗等于可变损耗时，变压器效率为最高。2.变压器的效率（15-32）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变压器绕组的极性任何瞬间，同一磁通作用下的两个绕组之间感应电动势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(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。1.已知绕组的绕向图15-15变压器同名端的判定图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（1）直流电源和检流计法2.绕组的绕向不明图15-16检流计法判定同名端图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，若满足，则1、3为同名端，2、3为异名端；若，则1、4为同名端。（2）交流电源与电压表法用电压表分图15-17交流法测极性图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（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。图16-2三相心式变压器磁路系统（2）心式变压器磁路特点：三相磁路彼此有关联，且耗材少，效**一、二次绕组的电动势同相位。******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**一、二次绕组的电动势同相位。******（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。（2）三相变压器的极性用来表示三相原、副绕组图16-3三相变压器绕组的连接图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：1.变压器的型号及系列2.主要额定值（1）额定电压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。2.主要额定值（1）额定电压U1N、U2N（V或（3）额定容量SN（V·A或kV·A）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（16-1）

（16-2）

三相变压器（3）额定容量SN（V·A或kV·A）（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。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）三相变压器一、二次侧线电压的比值，不仅和匝数比【例16.1】有一台“Yyn”联结的变压器，已知额定容量为50kV·A、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?【例16.1】有一台“Yyn”联结的变压器2）因为，已超载，故不允许将该负载接入。2）因为，已超载，故不允许将该负任务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。任务17特殊用途变压器17.1自耦变压器1.自耦变压器图17-1自耦调压器图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（17-1）自耦变压器也是利用电磁感应原理工作的，其工作变压器原、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。4.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。变压器原、副绕组的电流相位相反，所以（17-2）（17-3）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）使用时必须可靠接地。2）效率较高。1）短路阻抗标幺值较小，因此短路电流较大。2）图17-3电压互感器原理图17.2仪用互感器1.电压互感器（17-4）或图17-3电压互感器原理图17.2仪用互感器1.电压互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1）使用时电压互感器的二次侧不允许短路。2.电流互感器图17-4电流互感器工作原理图或（17-5）2.电流互感器图17-4电流互感器工作原理图或（17-1）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。1）二次绕组绝对不允许开路。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钳形电流表为了可在现场不切