第六章变压器

第六章变压器本章难点变压器的构造变压器的工作原理旋转磁场变压器的运行性能变压器的分类、基本结构、额定值变压器的工作原理变压器的外特性及效率三相变压器特殊变压器

定义：利用电磁感应原理进行能量转换的一种装置。

用途 ：1、在电力系统中用来传输和分配电能。2、在电子线路中用作电源变压器，实现阻抗匹配。3、在仪表测量电路中广泛使用电流、电压互感器。

分类：1、按相数分可以分为单相变压器和三相变压器。2、按绕组数分可以分为双绕组变压器和三绕组变压器。图

6-2壳式变压器

（a）单相壳式变压器（b）三相壳式变压器图

6-1心式变压器（a）单相心式变压器（b）三相心式变压器变压器的种类很多，但各种变压器的工作原理大体上都是一样的，以单相变压器为例来研究变压器的结构及工作原理，然后讲三相变压器、特殊变压器的特点。一、变压器的结构主要由铁心、绕组、绝缘及其他一些元部件构成。

铁心：铁心都是由厚度为0.35—0.5mm的硅钢片迭装而成，硅钢片上涂有绝缘漆。（美国的部分电力变压器已采用0.2mm以下的冷轧钢片。俄罗斯在中高频电机中采用0.1mm的硅钢片。

绕组：绕组用导电性能好的漆包圆铜线绕制而成，为绝缘方便，低压绕组紧靠铁心，高压绕组则套在低压绕组的外边，两个绕组之间留有油道，一方面作为绕组间绝缘，另一方面冷却绕组。二、变压器的工作原理

（一）空载运行

1、定义：变压器一次绕组加额定电压，二次绕组开路的运行方式。如图所示是变压器空载运行的原理图。

图

6-4变压器的空载运行

在空载时，当原绕组接通交流电压u1，就有空载电流i0通过原绕组并在原绕组中产生磁通势i0N1(N1为原绕组的匝数)。在磁通势i0N1的作用下产生主磁通Φ，它通过铁心构成闭合回路，它的方向与电流i0的方向符合右螺旋定则。由于主磁通同时与原绕组和副绕组相交链，必然在原、副绕组中产生感应电动势e1和e2。

2、e1、e2与φ的大小相位关系

根据电磁感应定律可得，设有效值为e1和e2均比主磁通滞后900，它们的最大值为：3、eσ1与Φσ1的关系：如果电流随时间按正弦规律变化则：式中称为原绕组的漏磁感抗。4、电压平衡方程式：根据KVL可以列出一、二次测的电压平衡方程式一次测：故二次测：5、变比：

K称为变压器的变比，亦即原、副绕组的匝数之比。可见，当电源电压一定时，只要改变匝数比，就可得到不同的输出电压。（二）负载运行1、定义：变压器一次绕组加额定电压，二次绕组接负载的运行方式。2、负载运行的物理过程：原理如图所示：

从能量转换的观点看，副边有能量输出，必然使原绕组从电源多吸取负载所需要的能量，通过主磁通传递给副绕组。当电源电压U1

保持不变，要使输入能量增加，原边电流必然增大，即从空载时的i0增加到负载时的i1

。由U1≈E1=4.44fN1Φm

可见，当电源电压U1和频率f不变时，E1和Φm也都近于常数。就是说，铁心中的主磁通的最大值在变压器空载或负载时基本上是恒定的。因此，有负载时产生主磁通的原、副绕组的合成磁动势（i1N1+i2N2）应该和空载时产生主磁通的原绕组的磁动势i0N1

近似相等，即i1N1+i2N2≈i0N1

如用相量表示，则为3、磁势平衡方程式：这就是变压器中的磁势平衡方程式。变压器的空载电流i0是励磁用的。由于铁心的磁导率高，空载电流是很小的。它的有效值在原绕组额定电流的10%以内,因此i0N1

与i1N1相比，常可忽略。于是原、副绕组的电流关系为上式表明变压器原、副绕组的电流之比近似等于它们的匝数比的倒数，说明变压器还有变换电流的作用。4、二次测电势平衡方程式：和变压器的原边相似，副绕组中有电流通过时也会产生漏磁通Φσ2，同样会在副绕组中产生漏磁感应电动势Eσ2

；另外，副绕组中也有电阻R2

，也会产生电阻压降I2

R2

，由图可以得出或式中：E2为副绕组的感应电动势；U2为负载两端的电压；R2为副绕组的电阻；Xσ2为副绕组的漏磁感抗；Eσ2为副绕组的漏磁电动势；Zσ2为副绕组的复阻抗。5、阻抗变换：

以使负载获得较大的功率。但是，一般情况下负载阻抗很难达到匹配要求，所以在电子线路中常利用变压器进行阻抗变换。在电子线路中常常对负载阻抗的大小有要求

表明，变压器副边阻抗为∣Z∣时，原边等效阻抗为K2∣Z∣，只要改变变压器的变比，就可以使负载与电源进行匹配获得较高的功率输出。这种做法通常称为阻抗匹配。三、变压器的外特性及效率（一）变压器的外特性和电压调整率交流供电系统中的用电设备通常要通过变压器接入电源。在变压器原边接入额定电压U1，副边开路时的开路电压为U20。变压器副边接入负载后，有电流I2输出，副边绕组中产生电抗压降，根据式（6－13）可知，输出电压U2随输出电流I2的变化而变化，即U2=f(I2)关系称为变压器的外特性，如图所示。对电阻性和电感性负载而言，电压U2随电流I2的增加而下降。外特性的下降程度与负载的功率因数有关，功率因数愈低，下降愈剧烈。副边电压U2随I2的变化情况，除了用外特性表示外，还可以用电压调整率△Ｕ％来表示。如副边的空载电压为U20，当I2增加到额定值I2N时的端电压为U2，则电压调整率△Ｕ％可用下式表示：

电力变压器的电压调整率约为5%左右。

（二）变压器的损耗与效率变压器工作时是有损耗的，变压器的损耗包括铁损ＰＦe和铜损ＰＣＵ。铁损又包括涡流损耗和磁滞损耗。铁损耗的大小主要取决于电源的频率及铁心的磁通量，由于变压器在运行时，电源的频率及磁通量不变，故铁损基本不变。铜耗是在变压器负载运行时，电流在原、副绕组电阻上产生的损耗。变压器中铜损耗的大小与绕组中通过的电流大小有关。变压器的效率是指变压器输出的有功功率P2与输入的有功功率P1的比值。用η表示。即由于变压器的损耗很小，故效率很高。例如电力变压器满载时效率在95%以上，大型变压器效率可达99%。

四、三相变压器现代工农业生产通常采用三相交流电，三相变压器就是用来升高和降低三相交流电压的设备。

（一）三相变压器的结构由三个单相变压器构成的三相变压器称为三相变压器组，如图6－9所示。三相变压器组的特点是三个磁路单独分开，互不关联。因此三相之间只有电的联系而无磁的耦合。称为不相关磁路系统。图3－10所示是三相心式变压器，三相心式变压器的特点是三相中任何一个铁心柱中的磁通都经过其它两个铁心柱形成闭合磁回路，三相之间不仅有电的联系而且有磁的关联，因此称为相关磁路系统。和同容量的三相变压器组相比较，三相心式变压器的优点是，所用材料少、重量轻、价格便宜。一般中、小容量的电力变压器，都采用三相心式变压器，以节省材料。只有大容量的巨型变压器，为了制造及运输上的方便和减少电站备用器材的投资，才选用三相变压器组。

图6-9三相变压器组(Y/Y0连接)图6-10三相心式变压器(Y/Y0)（二）三相变压器中原、副边线电压与相电压之间的变换关系如图6－11所示，其中图（a）为Y/Yo连接，图（b）为Y/△连接。图中说明，不论三相变压器作何种连接，其原、副边相电压的比值仍等于原、副绕组的匝数比，（变压器的变比）。

当三相绕组接法不同时，原、副边线电压的比值是不同的,即

当作Y/Yo连接时

当作Y/△连接时

当作△/Y连接时五、特殊变压器（一）自耦变压器在前面讨论的双绕组变压器中，每一相的原绕组和副绕组独立分开，原绕组具有匝数N1，副绕组具有匝数N2，原、副绕组之间只有磁的耦合而无电的联系。假如在变压器中只有一个绕组，如图3所示，在绕组中引出一个抽头C，使Nab=N1，Ncb=N2,由于感应电动势正比于匝数，当铁心中的磁通交变时，在这两部分绕组中的感应电动势应该分别为因此，图6－12所示的绕组结构形式，也起着变压器的作用。原绕组感应电动势与外施电压相平衡，副绕组感应电动势加到负载后便可向外供电。所不同的只是Ncb是副绕组，也是原绕组的一部分，这种原边和副边具有部分公共绕组的变压器称为自耦变压器。即自耦变压器的原、副绕组之间不仅有磁的联系而且还有电的直接联系。自耦变压器的原理与普通双绕组变压器是一样的，在原、副绕组电压、电流之间同样存在如下关系：若将自耦变压器副绕组的分接头C做成能沿着径向裸露的绕组表面自由滑动的电刷触头，移动电刷的位置，改变副绕组的匝数，就能平滑地调节输出电压。实验室中常用的调压器就是一种可改变副绕组匝数的自耦变压器。其外形如图6－13所示。互感器是一种测量用的设备，分电流互感器和电压互感器两种。它们的工作原理和变压器相同。互感器有两个主要用途：一是将测量或控制回路与高电压和大电流电网隔离，以保证工作人员的安全；二是用来扩大交流电表的量程。通常，电流互感器的副边电流为5安或1安，电压互感器的副边电压为100伏。（二）互感器1、电压互感器图3－14是电压互感器的原理图。电压互感器的原绕组匝数较多，与被测电路并联，副绕组的匝数较少，副边接入的是电压表（或功率表的电压线圈），由于它们的阻抗很高，因此电压互感器正常工作时相当于副边开路时的变压器。根据变压器的工作原理可知或。适当地选择变比，就能从副边的电压表上间接地读出高压边的电压。如果配以专用的电压互感器，电压表的刻度可以按高压侧的电压值标出，这样可以直接从电压表读出高压侧的电压值。在使用电压互感器时应该注意：第一，电压互感器的铁心及副边绕组必须可靠接地，以防止高压绕组的绝缘损坏时，在低压边出现高电压，危及量测人员的安全；第二，副边绕组不允许短路，否则会产生很大的短路电流。图6-14电压互感器2、电流互感器图是电流互感器的原理图。电流互感器原边绕组的匝数少（只有一、两匝），导线粗，工作时串接在待测量电流的电路中；电流互感器副边的圈数比原边圈数多，导线细，与电流表（或其它仪表及继电器的电流线圈）相连接。根据变压器的工作原理可知由式（6－17）可见，利用电流互感器可将大电流变换为小电流。在使用电流互感器时应注意：第一，副绕组绝对不允许开路。因为副绕组开路时，互感器为空载运行，原绕组中被测线路电流I1全部成为激磁电流，使铁心中的磁通增加许多倍，这一方面使铁损大大增加，铁心严重发热，烧坏互感器；另一方面使副绕组中感应电动势增高到危险的程度，可能击穿绝缘，或发生事故；第二，为使用安全，电流互感器的副绕组必须可靠接地。图6-15电流互感器

式中K1是电流互感器的变换系数。在实际工作中，经常使用的钳形电流表，就是把互感器和电流表组装在一起，如图6－16所示。电流互感器的铁心象把钳子，在测量时可用手柄将铁心张开，把被测电流的导线套进钳形铁心内，被测电流的导线就是电流互感器的原绕组（只有一匝），副绕组绕在铁心上并与电流表接通，这样就可从电流表中直接读出被测电流的大小。利用钳形电流表可以很方便地测量线路中的电流，而不用断开被测电路。图6-16钳形电流表六、变压器的额定值为了使变压器能安全连续地运行，制造厂将它的额定值标明在铭牌上，在使用时必须了解这些数据的意义，以便正确地使用变压器。（一）额定电压原绕组的额定电压U1N是变压器正常运行时加在原绕组的电压，副绕组的额定电压U2N是当变压器的原绕组加额定电压时副绕组的空载电压。三相变压器的额定电压都是指线电压。（二）

额定电流变压器的额定电流是指按规定工作方式（长时间连续工作或短时工作或间歇