建筑电气-第四章 变压器

第四章变压器4.1变压器4.1.1变压器的分类

变压器是根据电磁感应原理制成的一种静止的电气设备，它具有变换电压、变换电流和变换阻抗的功能，因而在工程的各个领域得到广泛的应用。按照用途来分，变压器主要分成以下三大类：

1．电力变压器。用在输配电系统中，用来传输和分配电能。按照相数来分，电力变压器又分为单相变压器和三相变压器。按冷却介质的不同可分为油浸变压器、干式变压器（空气冷却式）和水冷变压器。电力变压器

在电力工业中常采用高压输电低压配电，实现节能并保证用电安全。负载发电厂G～

发电机升压变压器

6.3～10.5kV

高压输电线35～500kV降压变压器区域变电所高压配电线6～10kV

降压变压器低压配电线380/220V工厂(用户)电能传输过程示意图高压配电线

高压输电线

2．特种电源变压器。用来获得工业中特殊要求的电源，如整流变压器、电炉变压器等。

3．专用变压器。它是一类有专门用途的变压器，如电子系统提供电源的电源变压器，实现阻抗匹配的阻抗变换器、脉冲变压器、隔离变压器、自耦变压器和用于电气测量的互感器等。专用变压器4.1.2变压器的工作原理

变压器种类虽繁多，但它们的基本结构，作用原理和分析它们的方法是相同的。变压器一般由闭合铁心和高压、低压绕组等几个主要部分构成。(a)芯式(b)壳式变压器的结构图高压绕组低压绕组高压绕组低压绕组

上图所示的是变压器的原理图，它由一个铁心和绕在铁心柱上的两个绕组组成。其中接电源的绕组叫原绕组（又称初级绕组、一次绕组），匝数为N1，其电压、电流用u1、i1表示；接负载的绕组称为副绕组（又称次级绕组、二次绕组），匝数为N2，其电压、电流用u2、i2表示。

原、副绕组的磁动势共同产生的主磁通用Φ表示，主磁感应电势用e1和e2表示；分别产生的漏磁通用Φσ1和Φσ2表示，漏磁感应电势用eσ1、和

eσ2表示。图中标明的是它们的参考方向。变压器的原理图u1

Φi1e11N1

N2

u2i2e2eσ11eσ2Φσ2Φσ1|Z|变压器的电磁关系可表示如下：1．电压变换对于原绕组和副绕组线圈，根据基尔霍夫电压定律有：如果电源是正弦电源，可以将上面两式写成相量形式变压器的原理图u1

Φi1e11N1

N2

u2i2e2eσ11eσ2Φσ2Φσ1|Z|

其中R1

、R2为绕组的电阻，

X1=ωLσ1，X2=ωLσ2称为绕组的漏磁电抗（简称漏抗）。在理想情况下（忽略线圈电阻和漏抗），变压器称为理想变压器。对于理想变压器，上式简化为假设磁通按正弦规律变化，Φ=Φmsinωt，则线圈两端电源电压u与磁通Φ的关系为可见，此时u也按正弦规律变化，电压的有效值为可得，原绕组和副绕组中的主磁感应电势的有效值为因此，对于理想变压器有如下电压变换关系：其中，k称为变压器的变压比，它表明变压器的电压与绕组匝数成正比。2．电流变换

实际变压器在空载运行时，副绕组中电流i2=0。但是原绕组的电流不为0，此时i1=i0成为空载励磁电流。由空载磁动势i0N1，产生主磁通Φ，建立变压器的空载磁场。当变压器负载运行时，因为电源电压的有效值与空载时相同，所以主磁通Φ也与空载时相同。此时，主磁通由原绕组磁动势和副绕组磁动势共同产生，因此如用相量表示，则有由于变压器的铁心的磁导率很高，所以空载励磁电流很小（I0＜I1N的10%）。忽略空载励磁电流的情况下，由上式可以导出即原副绕组中电流与其匝数成反比，这便是其变流作用。变压器的阻抗折算示意图图U2U1U1I1|Z1||ZL

|I2I1|Zo|Eo|Zo|Eo3．阻抗变换4.1.2变压器的运行特性1．变压器的外特性

外特性是指原边输入电压和副边负载功率因数不变的情况下，副边输出电压U2随负载电流变化的规律，即U2=f（I2）。变压器带负载后，由于内部漏阻抗压降致使副边电压U2与空载电压U20不相等。负载功率因数愈低，U2下降愈大。变压器的外特性cosφ2=0.8（感性）cosφ2=1（阻性）U2I2I2NU20oU22．电压变化率

它反映了从空载到额定负载时，副边输出电压的变化程度。一般总是希望输出电压随负载的变化尽量小。其定义为：

其中，U20是副边的空载电压，U2是副边的输出电压。电压变化率是衡量变压器供电平衡能力和表征运行性能的重要数据之一。在一般电力变压器中由于其电阻和漏抗都很小，电压变化率约为5%左右。

变压器是将一种电压的电能转换成另一种电压电能的电气设备，由于损耗的存在，输出功率小于输入功率。效率是输出功率与输入功率之比，即

P2为变压器的输出功率，P1为输入功率。变压器的功率损耗包括绕组上的铜损ΔPCu与铁心中的铁损ΔPFe两部分。其中铜损ΔPCu=I12R1+I22R2与负载电流的大小有关，叫作可变损耗；铁损包括磁滞损耗ΔPh和涡流损耗ΔPe，称为不变损耗。3．变压器的功耗与效率为防止涡流损失，铁芯一般由一片片导磁材料叠合而成。变压器的损耗包括两部分：铜损(PCU)：绕组导线电阻所致。磁滞损失：磁滞现象引起铁芯发热，造成的损失。涡流损失：交变磁通在铁芯中产生的感应电流（涡流），造成的损失。铁损()：PFE容量SN

输出功率P2

原边输入功率P1

输出功率P2注意：变压器几个功率的关系效率变压器功率因数容量：原边输入功率：输出功率：自耦调压器有单相和三相之分,它们是实验室中常用的一种变压器。所不同的是原、副边共用一个绕组，副绕组是原绕组的一部分。自耦调压器12345110V220V输入输出（a）单相调压器的外形及原理电路UVWuvw（b）三相调压器原理图绕组接触臂手柄4.1.4特殊变压器1．自耦调压器2.电流互感器

电流互感器是利用变压器的变流作用，将大电流变换成小电流的仪器。它的原绕组匝数很少，串入被测电路中；副绕组匝数较多，两端接电流表（表头一般为5A）或继电保护装置的电流线圈。为保证安全，副绕组一端与互感器外壳必须接地。另外，副绕组侧切不可开路，除会产生危险高压外，负载电流I1将使互感器铁心严重发热，导致退磁并烧毁。AI1

I2

N1

N2

～

ZL

AI2

I1

电流互感器的原理电路及符号

钳形电流表是电流互感器的一种变形应用，它可以不必断开电路就可在线测量线路中电流。钳形电流表(b)外形铁心张开把手载流导体二次绕组可动铁心(a)原理图量程旋钮电流表表头3电压互感器：用低量程的电压表测高电压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。使用注意：VR

N1（匝数多）保险丝

N2（匝数少）~u（被测电压）电压表被测电压=电压表读数

N1/N2

电磁铁的形式很多．但基本组成部分相同，一般由励磁线圈、铁心和衔铁三个主要部分组成电磁铁的不同结构4.2电磁铁电磁铁电磁铁

电磁吸力是电磁铁的主要参数之一，计算直流电磁铁的电磁吸力的基本公式是：

电磁铁

式中：

F—电磁吸力，N；

B—磁感应强度，T．

S—磁极端面的截面积，m2。 计算交流电磁铁的最大电磁吸力的基本公式是：

Fm=107Φm/8πS

式中

Fm—最大电磁吸力，N

Φm—交流磁通幅值加在交流线圈上电压U稳定时，交流电磁铁中的磁通幅值Φm≈U/4.44fN不变，交流电磁铁的平均电磁吸力为最大电磁吸力的一半。即

Fev=Fm/2=107Φm/16πS电磁铁励磁线圈中如果通入交流电，就可构成交流电磁铁；如果通入直流电，就可构成直流电磁铁。在交流电磁铁中，铁心是由经过绝缘处理后的多层很薄的硅钢片叠制而成的，而直流电磁铁中铁心是用整块铸钢、软钢或工程纯铁制成的；交、直流电磁铁除上述结构上的不同外，其电磁关系上也有如下不同：

(1)直流电磁铁的励磁电流、磁通、磁感应强度等都是恒定不变的。而在交流电磁铁中却是随时间不断交替变化的。因此交流电磁铁产生的吸力也是交变的，这也就是交流电磁铁工作时有噪声的原因。电磁铁

(2)交流电磁铁中由于电流交变，因而在交变磁通作用下，铁心中产生磁滞损耗．但直流电磁铁中因电流恒定而没有上述损耗。

(3)直流电磁铁线圈中的励磁电流的大小仅决定于线圈端电压和线圈电阻。而与铁心与衔铁之间的气隙无关。但对于交流电磁铁却不同，如果衔铁在吸合过程中被卡住，此时气隙较大，总磁阻较大，从而使励磁电流增大，导致线圈过热而损坏。使用时若发现衔铁被卡住，则应立即切断电源，排除故障，以免损坏线圈。值得注意的是，即使额定电压相同的交、直流电磁铁也绝不能互换使用。若将交流电磁铁接在直流电源上使用时，因线圈中的感抗为零，只有很小的电阻．这时励磁电流要比接在相同电压的交流电源上的电流大许多倍而烧坏线圈。反之，若将直流电磁铁接在交流电源上。则因线圈本身阻抗太大，励磁电流过小而吸力不足，致使衔铁不能正常工怍。电磁铁电磁铁制动原理图电磁铁应用：电磁选矿机电磁起重机电铃门铃电话电磁继电器磁浮列车

上海磁浮列车是中德合作的友好结