第二章 变压器

第二章变压器和电磁铁第一节单相变压器的结构及工作原理第二节变压器的主要数据第三节变压器的绕组的同极性端及其测定第四节特殊变压器简介第五节电磁铁你所知道的变压器及相关应用。(高压输电、低压配电、阻抗变换、仪表测量、隔离)在输变电线路、小型直流电源、交流电焊机等场合，均大量使用各种变压器。图片：变压器及其应用。引入课题启发讨论图片展示特殊变压器图片展示概述：一、变压器：是一种静止的电机，它利用电磁感应原理将一种电压、电流的交流电能转换成同频率的另一种电压、电流的电能。换句话说，变压器就是实现电能在不同等级之间进行转换。二、变压器的功能1、变换电压2、变换电流3、变换阻抗三、分类1、按用途分类，可分为电力变压器（主要用在输配电系统中，又分为升压变压器、降压变压器、联络变压器和厂用变压器）、仪用互感器（电压互感器和电流互感器）、特种变压器（如调压变压器、试验变压器、电炉变压器、整流变压器、电焊变压器等）。2、按绕组数目分类:可分为双绕组变压器,三绕组变压器、多绕组变压器和自耦变压器。3、按铁心结构分类，有心式变压器和壳式变压器。4、按相数分类，有单相变压器、三相变压器和多相变压器。5、按冷却介质和冷却方式分类，可分为油浸式变压器（包括油浸自冷式、油浸风冷式、油浸强迫油循环式）、干式变压器、充气式变压器。

6、电力变压器按容量大小通常分为小型变压器（容量为10-630kVA）、中型变压器（容量为800-6300kVA）、大型变压器（容量为8000-63000kVA）和特大型变压器（容量在90000kVA及以上）。接前（以电力变压器为例介绍）

电力变压器的基本构成部分有：铁心、绕组、绝缘套管、油箱及其他附件等，其中铁心和绕组是变压器的主要部件，称为器身。下图是油浸式电力变压器的结构图。第一节单相变压器结构及工作原理1一信号式温度计2一吸湿器3一储油柜4一油表5一安全气边6一气体继电器7一高压套管8一低压套管9一分接开关10一油箱11—铁心12—线圈13—放油阀门一、单相变压器的主要结构（一）铁心：是变压器的磁路部分，铁心由铁心柱和铁轭两部分构成。铁心柱上套绕组，铁轭将铁心柱连接起来形成闭合磁路。铁心材料：为了提高磁路的导磁性能，减少铁心中的磁滞、涡流损耗，铁心一般用高磁导率的磁性材料——硅钢片叠成。硅钢片有热轧和冷轧两种，其厚度为0.35～0.5mm，两面涂以厚0.02～0.23mm的漆膜，使片与片之间绝缘。铁心型式：变压器铁心的结构有心式、壳式和渐开线式等形式。壳式结构的特点是铁心包围绕组的顶面、底面和侧面，如左图所示。心式结构的特点是铁心柱被绕组包围，如右图所示。壳式结构的机械强度较好，但制造复杂尽管它们的用途各异，但它们的基本结构是相同的。它们都由铁心和套在铁心上的绕组构成

。图示（二）绕组：是变压器的电路部分，它由铜或铝绝缘导线绕制而成。

一次绕组（原绕组）：输入电能二次绕组（副绕组）：输出电能他们通常套装在同一个心柱上，一次和二次绕组具有不同的匝数，通过电磁感应作用，一次绕组的电能就可传递到二次绕组，且使一、二次绕组具有不同的电压和电流。其中，两个绕组中，电压较高的我们称为高压绕组，相应的电压较低的称为低压绕组。从高、低压绕组的相对位置来看，变压器的绕组又可分为同心式、交迭式。由于同心式绕组结构简单，制造方便，所以，国产的均采用这种结构，交迭式主要用于特种变压器中。（一）变压器的空载运行：一次测接额定的电压，二次测开路的工作状态二、单相变压器的工作原理1、电磁关系

1）由于铁磁材料有饱和现象，所以主磁路的磁阻不是常数，主磁通与建立它的电流之间呈非线性关系。而漏磁通的磁路大部分是非铁磁材料组成，所以漏磁路的磁阻基本上是常数，漏磁通与产生它的电流呈线性关系2）主磁通在原、副绕组中均感应电动势，当副方接上负载时便有电功率向负载输出，故主磁通起传递能量的作用。而漏磁通仅在原绕组中感应电动势，不能传递能量，仅起压降作用。因此，在分析变压器和交流电机时常将主磁通和漏磁通分开处理。主磁通和漏磁通在性质上的不同：假定主磁通按正弦规律变化，即

Φ=Φmsinωt

根据根据电磁感应定律和对正方向规定，一次绕组中感应电动势的瞬时值为：2、电压关系方程式中：一次侧回路电压平衡方程式：式中

Z1=R1+x1σ——原绕组的漏阻抗。对于电力变压器，空载时原绕组的漏阻抗压降I0Z1很小，其数值不超过U1的0.2%，将I0Z1忽略，则上式变成：变压器空载时的相量图同理二次绕组中感应电动势的瞬时值为：在副方，由于电流为零，则副方的感应电动势等于副方的空载电压，即：3、变换电压在变压器中，原、副绕组的感应电动势E1和E2之比称为变压器的变比，用K表示，即：上式表明：变压器的变比等于原、副绕组的匝数比。当变压器空载运行时，由于U1≈E1，U2≈E2，故可近似地用空载运行时原、副方的电压比来作为变压器的变比，即：K〉1降压变压器K〈1升压变压器例题分析例：单相变压器，高压绕组接到35KV的工频交流电源上时，低压绕组的开路电压是6.6KV，铁心的截面积为1120Cm2,若选取磁感应强度Bm=1.5T,试求该变压器的电压比和高、低压绕组的匝数。解：变压器的变压比为：铁心中的磁通：高压绕组的匝数：低压绕组的匝数：课内实训项目：（单相变压器的绕组判别与空载运行）AN2N11、高低压绕组的判别：用万用表的电阻档测量变压器的四个端子，相通的端子间对应一个绕组。其中电阻大的对应高压绕组，电阻小的对应低压绕组。2、变压器的空载运行将高压绕组串入交流电流表后接入220V电源（如图），测量空载电流值、高压侧与低压侧的电压。讨论：空载电流与额定电流相比大小如何？电压之比与匝数有什么对应关系？（额定电流与匝数比看面板）二、变压器的有载运行一次测接额定的电压，二次测接负载的运行状态。（一）磁势平衡方程式（二）变换电流因为变压器空载电流IO很小，将其忽略则：（三）变换阻抗例题分析例：一台电源变压器，一次侧电压U1=380v，二次侧电U2=38v，接有电阻性负载时，二次侧电流I2=4A，已知变压器效率ױ=0.8，试求一次侧、二次侧功率、损耗功率PSH及一次侧电流。解：二次侧功率

一次侧功率

损耗功率

一次侧电流课题引入：通常变压器等电气产品的铭牌数据是其长期稳定运行的保证值，我们在使用时应该了解起含义；另外虽然变压器通入交流电，但是在要求变压器绕组之间联接等一些场合要求正确知道变压器的同名端。应用举例：供电时多台变压器的并联运行；三相晶闸管电路主电路与触发电路之间的相位配合。实例项目三：某居民生活小区共有居民300户，小区电网进线10KV，选择合适的供电变压器。额定值：额定值是制造厂对变压器在指定工作条件下运行时所规定的一些量值。额定值通常标注在变压器的铭牌上。变压器的额定值主要有：1、额定容量SN额定容量是指额定运行时的视在功率。以VA、kVA或MVA表示。由于变压器的效率很高，通常一、二次侧的额定容量设计成相等。第二节变压器的主要数据2、额定电压U1N和U2N

正常运行时规定加在一次侧的端电压称为变压器一次侧的额定电压U1N。二次侧的额定电压U2N

是指变压器一次侧加额定电压时二次侧的空载电压。额定电压以V或kV表示。对三相变压器，额定电压是指线电压。3、额定电流I1N和I2N根据额定容量和额定电压计算出的线电流，称为额定电流，以A表示。

对单相变压器

对三相变压器4、额定频率fN加在变压器一次绕组上的电压的允许频率

除额定值外，变压器的相数、绕组连接方式及联结组别、短路电压、运行方式和冷却方式等均标注在铭牌上。额定状态是电机的理想工作状态，具有优良的性能，可长期工作例题分析：一台三相双绕组电力变压器的额定SN=750KＶA，UN1/UN2=6000V/400V，则原边额定电流IN1=_______,副边额定电流为IN2=__________。一台单相变压器额定电压为3300Ｖ／220Ｖ，若低压线圈有100匝，则高压线圈有______匝，在高、低压线圈中，每匝电压为_______伏。

应用实例分析：考虑到居民生活水平的提高，各种家电产品应用广泛，综合考虑同时使用率以及今后的发展，该小区按照2KVA/户的用电负荷进行测算，同时为了便于维护，拟使用可移动组合型干式变压器，型号为ZB-F-630/10，额定容量630KVA，额定电压10000/380V，均匀分相后给居民供电。第三节变压器绕组的同极性端及其测定同名端同名端概念

对绕在同一个铁心柱上的高、低压绕组，通电后，铁心中磁通交变，在两个绕组中都会产生感应电势。设在某一瞬时，高压绕组某一端电位为正，则低压绕组也必然有一个电位为正的对应端，这两个对应的同极性端称为同名端。同名端的判定高、低压绕组的感应电势与它们的绕向（或同名端）、端子标号（绕组端子的首、末端的标法）都有关系1、已知绕组绕向时的判断2、未知绕组绕向时的判断直流法实验法交流法课内实训项目

（单相变压器直流法测定同名端）：（1）按图2-9a)接线，E采用干电池，V表采用万用表的最低直流电压档，注意正负极性。（2）分别接通与断开S，观察V表的偏转。（3）将V表改为A表重复步骤（2）。例题分析（补充）三绕组变压器220V/36V/12V，其副边独立供电或绕组串联后，可以获得哪几种电压？在工业生产中，经常用到一些特殊变压器，如三相异步电动机的自耦变压器降压起动；电柜中使用“软接法”测量电压、电流（电压互感器、电流互感器）等。而变压器的等效图参数可以帮助判别变压器的质量与运行性能。实物展示：自耦变压器、电流互感器、钳形电流表。引入课题

第四节特殊变压器简介一、自耦变压器1、定义：自耦变压器：把普通双绕组变压器的高压绕组和低压绕组串联连接，便构成一台自耦变压器，如图所示。正方向规定与双绕组变压器相同。原理图如图C所示，在分析时我们可忽略自耦变压器的漏磁通和绕组电阻，这样我们可以得到以下等式：

2、电压关系：3、主要优缺点：

优点：由于自耦变压器的绕组容量小于额定容量，当额定容量相同时，自耦变压器与双绕组变压器相比，其单位容量所消耗的材料少、变压器的体积小、造价低，而且铜耗和铁耗也小，因而效率高。这就是自耦变压器的主要优点。

由于自耦变压器原、副绕组之间有直接电的联系，为了防止因高压边单相接地故障而引起低压边的过电压，用在电力系统中的三相自耦变压器中性点必须可靠接地。同样，由于原、副绕组之间有直接电的联系，当高压边遭受过电压时，会引起低压边严重过电压，为避免这种危险，需要在原、副边都装设避雷器。

缺点：二、仪用互感器

:电压互感器和电流互感器电压互感器和电流互感器又称仪用互感器，是电力系统中使用的测量设备，其工作原理与变压器基本相同。使用互感器的目的是：1．与小量程的标准化电压表和电流表配合测量高电压、大电流；2．使测量回路与被测回路隔离，以保障工作人员和测试设备的安全；3．为各类继电保护和控制系统提供控制信号。(一）电压互感器：当忽略漏抗时：

≈

==这样，被测电压U1=KɥU21．副方不允许短路，否则会产生很大的短路电流，烧坏互感器的绕组；2．铁心和二次侧绕组的一端应可靠接地；3．副方接入的阻抗不得小于规定值，以减小误差；4．二次侧额定电压为100V。在使用电压互感器时应注意：

二、电流互感器：1．在运行过程中绝对不允许副方开路。这是因为电流互感器的原方电流是由被测试的电路决定的，在正常运行时，电流互感器的副方相当于短路，副方电流有强烈的去磁作用，即副方的磁动势近似与原方的磁动势大小相等、方向相反，因而产生铁心中的磁通所需的合成磁动势和相应的励磁电流很小。若副方开路，则原方电流全部成为励磁电流，使铁心中的磁通增大，铁心过分饱和，铁耗急剧增大，引起互感器发热。同时因副绕组匝数很多，将会感应出危险的高电压，危及操作人员和测量设备的安全；2．副方应可靠接地；3．副方回路阻抗不应超过规定值，以免增大误差。4．二次侧额定电流设计成5A。电流互感器在使用时应注意：课内实训项目

（自耦变压器认识与钳形电流表用）：按图接线，自耦变压器输入端接220V电源，调节调压手柄观察V表读数能否在0～220V变化，在A点跨入钳形电流表，观察有无读数。（讨论）VA220VA电炉第五节电磁铁课题引入：在自动化、半自动化控制系统中，常用电磁铁做成各种继电器、接触器、电磁工作台、电磁阀、牵引电磁铁、电磁抱闸等，应用非常广泛。应用举例：（图片图2-21～图2-27等）一、概述电磁铁:是利用通电的铁心线圈来带动衔铁动作，从而使其他机械联动的一种电器。线圈得电——衔铁动作——机械联动线圈失电——衔铁复位——机械反向联动电磁铁的分类:直流电磁铁:线圈中通入直流电交流电磁铁:线圈中通入交流电几种电磁铁示意图二、直流电磁铁直流电磁铁的工作特性:

1.电磁铁的吸力与气隙间的关系F=f(δ)作用在衔铁上的吸力公式为:其中:B0为空气隙中的磁感应强度

S为铁心的横截面特性曲线: