电工技术项目五变压器的认识课件

项目五变压器的认识一、项目分析二、相关知识四、拓展知识小结一、项目分析项目实例内容•本项目介绍了变压器的基本类型、工作原理、基本功能；介绍了变压器绕组的极性，同名端的概念；最后介绍了三相变压器和特殊变压器。知识点1．变压器的分类和基本功能；2．变压器的基本类型和工作原理；3．变压器的铭牌、额定值及运行特性；4．变压器绕组的极性（同名端的概念）及判定方法；5．特殊变压器和三相变压器。能力点1．会用万用表判别变压器的同名端；2．能测量变压器的绝缘电阻和直流电阻；3．知道变压器的故障检修有关方法。二、相关知识

（一）变压器的分类和基本功能•变压器是一种根据电磁感应原理制成的静止的电器设备。•按其用途的不同，变压器可以分为电力变压器和特殊变压器两大类。•各种变压器有不同的用途，但其功能是相同的——变换电压、变换电流、变换阻抗以及改变相位等。•功能相同的原因就在于变压器的主体结构原理基本相同。（二）变压器的基本结构和工作原理1．变压器的基本结构•变压器主要由铁芯和绕在铁芯上的绕组构成。•铁芯是变压器的磁路部分，担负着变压器原、副边的电磁耦合任务。•为了减小铁芯的损耗，铁芯通常用厚度为0.35mm或0.50mm，两面涂有绝缘漆的硅钢片叠装而成（要求高的也有用0.20mm或其他合金材料制成），而为了保证耦合性能，铁芯都做成闭合形状，其线圈绕在铁芯柱上。•绕组是变压器的电路部分，与电源相连的绕组称为原绕组（也叫初级绕组、一次绕组），与负载相连的绕组称为副绕组（也叫次级绕组、二次绕组）。•一般情况下，原、副绕组匝数不同，匝数多的绕组电压较高（称为高压绕组），匝数较少的绕组电压较低（称为低压绕组）。•铁芯、初级绕组和次级绕组相互之间要求有很好的绝缘。•变压器运行时，由于线圈的铜损耗和铁芯的铁损耗要产生热量，为防止变压器因过热损坏，变压器必须采用一定的冷却方式和散热装置。•油浸式电力变压器结构如图5-1所示。图5-1油浸式电力变压器1—铭牌；2—信号式温度计；3—吸湿器；4—油表；5—储油柜；6—安全气道；7—气体继电器；8—高压套管；9—低压套管；10—分接开关；11—油箱；12—放油阀门；13—器身；14—接地板；15—小车2．变压器工作原理•图5-2为变压器工作原理的示意图。•变压器原边（一次绕组）接入交流电源，所有原边的各量均以下标“1”来表示，如电压、电流、电阻和匝数依次为u1、i1、R1和N1；变压器的副边（二次绕组）连接负载，所有副边的各量均以下标“2”来表示，如电压、电流、电阻和匝数依次为u2、i2、R2和N2。

图5-2变压器工作原理图•一次绕组在交流电压u1的作用下，有电流i1流过，由一次绕组磁通势N1

i1产生磁通；二次绕组存在感应电动势e2，接负载后有电流i2流过二次绕组，由二次绕组磁通势N2

i2产生磁通。•一次、二次绕组产生的磁通大部分都是通过铁芯闭合，因此铁芯中的磁通由一次、二次绕组的磁通势共同产生，把这个磁通称作主磁通Φ，主磁通Φ分别在两个绕组中感应出电动势e1和e2；此外，由这两个磁通势分别产生的漏磁通Φ1和Φ2在各自的绕组中分别感应出漏感电动势e1和e2。•设主磁通Φ

=

Φmsint，则

（5-1）（1）变压器的空载运行•变压器的原绕组接交流电压u1，而副绕组开路（i2

=

0）的工作状态称为变压器的空载运行。•将i1记为i0，u2记为u20，并称i0为空载电流。

（5-10）•式中，K称为变压器的变比。•若K>1，即N1>N2，此时变压器起降压作用；若K<1，即N1<N2，此时变压器起升压作用。（2）变压器的负载运行•变压器的原绕组接交流电压u1，而副绕组接入负载ZL的工作状态称为变压器的负载运行，如图5-4所示。•此时，副绕组的电流i2将不再恒等于零。图5-4变压器负载运行

•

和的相位相反，它们的数值关系为

（5-14）•可见，变压器的有载工作的输入、输出电流之比等于原、副变绕组匝数比的反比。•这就是变压器的电流变换作用。（3）变压器的阻抗变换作用•变压器的负载阻抗ZL变化时，变化，也随之变化。•变压器的阻抗变换作用如图5-5所示。图5-5变压器的阻抗变换作用•有

（5-15）•可见，只要选择合适的匝数比就可以将负载变换到所需要的、比较合适的数值，这便是变压器的阻抗变换功能，这种做法通常称为阻抗匹配。（三）变压器的铭牌、额定值及运行特性

1．变压器的铭牌•每台变压器上面都有一块铭牌，上面记载变压器的型号与各种额定数据。•变压器的铭牌如图5-8所示。图5-8变压器的铭牌•变压器的铭牌上一般应有以下内容：型号、额定电压、额定容量、额定电流、额定频率、连接组、空载电流、短路（阻抗）电压、效率、冷却方式与温升限值、重量、使用条件以及分接头和调压方式。2．变压器的额定值•为了正确使用和正常运行变压器，必须了解变压器额定值的意义。（1）额定电压•根据变压器的绝缘强度和允许温升而规定的电压值称为额定电压，单位为V或kV。（2）额定电流•根据变压器绝缘材料允许的温升而规定的原、副边最大允许工作电流，称为变压器原、副边的额定电流，分别用I1N、I2N表示，单位为A。（3）额定容量•变压器的额定容量是指变压器副边的额定视在功率SN。•它反映了变压器传送电功率的能力。•对于单相变压器

SN

=

U2NI2N

（5-16）•对于单相变压器

SN

=

U2NI2N

（5-16）•对于三相变压器 （5-17）（4）额定容量频率fN

•额定容量频率是指电源的工作频率，我国的工业标准频率是50Hz。3．变压器的运行特性•变压器的运行特性主要有外特性、变压器的损耗和效率特性。（1）变压器的外特性•变压器负载运行时，在电源电压恒定（即原边输入电压U1为额定值不变），负载功率因素为常数的条件下，副边端电压随负载电流变化而变化的规律U2

=

f（I2）称为变压器的外特性。•用曲线表示这种变化关系，该曲线就称为变压器的外特性曲线，如图5-9所示。图5-9变压器的外特性曲线（2）变压器的损耗•变压器运行时有两种损耗：铁损耗和铜损耗。•铁损耗PFe是指变压器铁芯在交变磁场中产生的涡流和磁滞损耗，其大小近似与铁芯中磁感应强度的最大值的平方成正比，而与负载的大小无关。•由于变压器运行时，原边电压U1和频率f都不变，所以铁损耗也基本保持不变，故铁损耗又称为不变损耗。•铜损耗PCu是原、副绕组电流流过其绕组时在电阻上产生的损耗之和，当负载发生变化时，铜损耗也将发生变化，故铜损耗又称为可变损耗。•变压器的总损耗

ΣP

=

PFe+PCu

（5-19）（3）变压器的效率•变压器输出功率P2和输入功率P1的比值称为变压器的效率，它可以用下式确定

（5-20）•由于变压器是静止电动机，通常变压器的损耗很小，故变压器的效率很高，如电力变压器的效率大多在95%以上。（四）变压器绕组的极性（同名端）的概念及判定方法

•变压器在使用中有时要把绕组串联以提高电压，并联以提高电流，这时应首先确定变压器绕组间的相对极性，即所谓同名端（或称同极性端）。1．变压器绕组的极性（同名端）的概念•变压器绕组的极性是指绕组在任意瞬时两端产生的感应电动势的极性，它总是从绕组的相对瞬时电位的低电位端（用符号“−”表示）指向高电位端（用符号“+”表示）。•变压器初级、次级绕组中瞬时极性相同的端点称为同名端，用符号“·

”表示，如图5-10所示。•图中，AX表示初级绕组，ax表示次级绕组。•A与a或X与x的瞬时电位相同，它们是同名端。

图5-10变压器绕组极性的表示

•当改变图5-10中的某个线圈的绕向时，同名端也将相应地改变，如图5-11所示。•可见，绕组的同名端与绕组的绕向有关，可以通过绕组的绕向判断绕组的同名端。图5-11变压器绕组极性与绕组绕向的关（1）直流法•图5-12是直流法测定变压器绕组极性实验电路图。•当开关S闭合瞬时，如果毫安表的指针正向偏转，则A和a是同名端；反向偏转时，A与x是同名端。图5-12直流法测定变压器绕组极性（2）交流法•图5-13是交流法测定变压器绕组极性实验电路图。•将两个绕组A−X和a−x的任意两端（图中为X和x）连接在一起，在其中一个绕组（图中为A−X）两端加一个比较低的便于测量的交流电压。图5-13交流法测定变压器绕组极性•用交流电压表分别测量UAa、UAX和Uax，如果UAa

=

|UAX−Uax|，则被相互连接的端点X与x为同名端；如果UAa

=

|UAX+Uax|，则被相互连接的端点X与x为非同名端。•明确了绕组的同名端之后，可以按照规定正确地连接变压器的各个绕组。•只要把两个绕组的异名端（即不是同名端）相连形成“顺向”串联电路，就可以得到高一些的电压；把两个绕组的同名端并联相接，就可以得到大一些的电流。•应该注意的是，只有额定电流相同的绕组才能串联，额定电压相同的绕组才能并联，以避免在绕组或回路中产生巨大的电流，从而毁坏变压器。（五）特殊变压器

1．自耦变压器•如图5-14所示，自耦变压器是单绕组变压器，即二次绕组是一次绕组的一部分，而且一次绕组和二次绕组不但有磁的耦合，还有电的联系。•自耦变压器的工作原理与普通变压器工作原理相同，其电压、电流变换关系依旧为（5-21）

（5-22）•自耦变压器变压比不宜太大，一般为1.5～2.0，而且即使工作人员在低压边操作，也应按自耦变压器原边一样进行高压安全保护。图5-14自耦变压器的可能故障2．互感器•用于测量的变压器叫做互感器。•用通常的电压表和电流表去测量高电压和大电流时，需要扩大测量仪表的测量范围，还要与高电压隔离，此时可以采用互感器。•按用途分，互感器有电压互感器和电流互感器。（1）电压互感器•电压互感器是一种精确地变换电压的降压变压器，根据电压变换原理有

U1

=

KU2

（5-23）式中，K为变压比，K>1。•电压互感器是专门设计用于测量高电压的特殊用途变压器，其初级绕组额定电压很高，对绝缘强度要求高。（2）电流互感器•电流互感器是升压变压器，它将测量的大电流转换为小电流，以便用通常的电流表去测量大电流。•原边电流I1和通过电流表的电流I2的关系为（5-24）•电流互感器是专门设计用于测量大电流的特殊用途变压器，其初级绕组额定电流大，对绝缘强度要求高。四、拓展知识

（一）三相变压器•现代电力系统都是三相制的，因而三相变压器的应用是十分广泛的。•对于三相制电压的升降，可以采用两种方法。•一是用3个容量、变压比等完全相同的单相变压器按三相连接方式连接而成，具体如图5-18所示。图5-18三相组式变压器•图中A、B、C和N为三相电压变换时初级电压输入端及公共端；a、b、c和为次级电压输出端及公共端，这种变压器称为三相组式变压器。•其特点是3个磁路单独分开，互不关联，三相之间只有电的联系而无磁的联系。•变换三相电压的另外一种方法是采用三相芯式变压器，即通常所谓的三相变压器，如图5-19所示。图5-19三相芯式变压器•三相心式变压器有3个铁芯，每一相的初级、次级绕组都绕在同一个铁芯柱上，将三相绕组绕在三根铁芯柱上，三相绕组的结构相同。•三相高压绕组的首端和末端分别用A、B、C和X、Y、Z表示，三相低压绕组的首端和末端分别用a、b、c和x、y、z表示。•和同容量的三相变压器组相比较，三相芯式变压器具有节省材料、重量较轻、价格便宜的优点。•通常，中、小容量的电力变压器，都采用三相芯式变压器，只有大容量的巨型变压器，才选用三相变压器组。•三相变压器原、副边各有3个绕组，它们均可以接成星形（Y形，由中性点引出中线，用“Y0”表示）连接，也可以接成三角形（△）连接。•因此，三相变压器有△/△，△/Y，Y/△，Y/Y4种基本接法，符号中的分子表示高压绕组的接法，分母表示低压绕组的接法。

•当绕组接成Y形时，每相绕组相电压只有线电压的倍，相电流等于线电流。•相电压较低有利