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第5章 变压器,制作者：,安徽工程大学 邱月友,第5章 变压器,变压器是根据电磁感应原理工作的电器设备。变压器可以用来进行电压、电流和阻抗的变换，所以在电力系统和电子线路中被广泛应用。,5.1 变压器,5.1.1 结构,变压器的基本结构主要是由闭合铁芯和绕组组成的。,其中，1、2为绕组，3为铁心,变压器的铁心大多是采用导磁率较高、磁滞损耗和涡流损耗较小的硅钢片叠制而成的，或是由高导磁系数、低损耗的冷轧硅钢片叠制而成，而硅钢片彼此之间是绝缘的。铁心既是变压器的磁路部分，又作为变压器的机械骨架。,铁心的基本形式有芯式和壳式两种。芯式结构的绕组绕在铁心两边，包围铁心，形成变压器的原边、副边。壳式形式铁心包围绕组，绕组嵌在铁心里。,一、铁心,二、绕组,绕在铁心上的线圈称为绕组，一般是用纱包或漆包铜钱绕制，近来也有用铝箔绕制，其截面有圆形或长方形等。绕组是变压器的电路部分。通常将接电源端的绕组称为初级绕组(初级线圈)或原线圈、一次绕组，接负载端绕组称为次级绕组(次级线圈)或副线圈、二次绕组。为了增加原、副绕组之间的磁耦合，通常原副绕组都绕在同一铁心柱上。,5.1.2 变压器的工作原理,变压器是根据电磁感应原理工作的。,图5.1.1 变压器原理图,图5.1.2 变压器电磁关系图,其中，、是一、二次线圈的匝数，K是变比。,1）若K1，则初级电压高于次级电压，这种变压器叫做降压变压器；,变压器除了具有电压变换作用以外，还进行电流变换和阻抗变换。,2）若K1，则初级电压低于次级电压，这种变压器叫做升压变压器。,Z为变换后的阻抗，Z为变换前的阻抗。,5.1.3 变压器的特性和额定值,变压器的特性主要体现在两个方面：外特性和效率。,1.变压器的外特性,所谓外特性曲线是指当一次侧电压为额定值，负载功率因数一定时，二次侧电压U2和电流I2的变化关系曲线，即。,O,U,20,U,2,I,2,I,2,N,2变压器的效率,变压器的效率,是指变压器的输出功率,与输,之比，通常也用百分数表示。,其中输入功率,除了提供输出功率,外，还,入功率,包括变压器的损耗。和交流铁心线圈一样，变压器的功率损耗包括原、副绕组电阻上的铜损耗，和铁心中的铁损耗。,%,100,1,2,=,P,P,h,%,100,%,100,2,2,1,2,D,+,D,+,=,=,Fe,Cu,P,P,P,P,P,P,h,【例5.1.1】一单相变压器，额定数据如下，满载时铜耗、铁耗。负载为日光灯，每只额定值为220V，50W，满载时。试求：满载时日光灯的数目，变压器的效率；一、二次侧电流、功率；一次侧的；变压器的电压变化率。,【解】为计算灯的数目，需先求出每只灯的额定电流，则每只灯的额定电流为,但每只灯的实际电流应为,满载时变压器二次侧电流就是额定电流，即,设满载时灯的数目为N，则应有,，所以,可取96只。,满载时变压器的输出功率，亦即二次侧的功率,为,变压器输入功率，亦即一次侧的功率为,故变压器的效率为,变压器的变比,所以一次侧电流,为,一次侧的功率因素,为,该变压器的电压变化率为,从上述可见，由于该变压器的损耗（铜耗、铁耗）较大，所以变压器的效率较低，电压变化率较大，这与理想变压器差别较大。,3.变压器的额定值,变压器的额定值归纳如下：,（1）一次绕组额定电压,根抿绝缘强度和允许,温升规定加于一次绕组的最高电压。若施加电压过高，则绝缘材料寿命缩短甚至损坏；过低则不经济，未充分发挥其效益。,（2）二次绕组额定电压,当一次绕组电压为,时，二次绕组的空载电压。对于电子,额定电压,仪器的小型电源变压器，也指满载时二次绕组电压。,（3）一、二次绕组额定电流,一次绕组电压,为额定电压 时，一、二次绕组允许长期通过的,最大电流。若电流过大，则温度过高，会使绝缘受损。,（4）额定容量,又称视在功率，它是衡量变压器,输出功率的能力。对于单相变压器而言,它的单位为伏安(,)或千伏安（,），不同于,输出功率（单位是瓦W）。,（5）额定频率 规定的电源频率，即变压器的设计频率。我国的电力变压器的额定额率是50Hz。,（6）额定温升变压器在额定运行状态下，内部温度允许高出规定的环境温度(通常为40)的度数。所谓,额定远行状态(或满载)，是指变压器原边电压与副边电流为额定值。,5.1.4三相变压器,三相变压器和前面讨论的单相双绕组变压器相比，基本原理相同，只是特点和用途不同。,三相变压器主要用于变换三相电压，常用于输电、配电和整流电路中，它在结构上具有三个铁心柱，每个铁心柱上绕有属于同一相的高压绕组和低压绕组。,高压侧三相绕组一般接成星形（Y）形式，低压侧三相绕组可接成星形（Y）或三角形（）形式。,（a）,（b）,（a）Y/Y0联接；（b）Y/联接,在Y联接方式中，相电压(,)是线电压(,)的，,相电流(,)等于线电流(,)；在联接方式中，,变压器铭牌上标的额定电压、电流均指线电压、线电流。三相变压器的额定容量与额定电压、电流的关系为,相电流是线电流的,，相电压等于线电压。三相,5.2 特殊变压器,5.2.1 自耦变压器,自耦变压器与普通变压器的区别是原、副边共用一个绕组，低压绕组是高压绕组的一部分，因此，一、二次绕组不仅有磁的联系，而且还有电的联系。,自耦变压器,可见，其实自耦变压器的工作原理与普通的单相双绕组变压器相同，所以，前面介绍的电压、电流、阻抗的变换关系都适用于自耦变压器，即,常见的低压自耦变压器有调压器，它是一种输出电压可以调节的变压器。调压器的二次绕组的抽头是能沿线圈自由滑动的触头，通过改变触头可以达到平滑均匀地调节电压的目的。,（a）（b）,（a）外形；（b）电路,5.2.2 仪表用互感器,仪用互感器一般是在电力系统中测量高电压、大电流时使用的一种变压器。,电压互感器,电压互感器是根据变压器的原理制成的，主要是用来测量大的交流电压，因为通常的电压表量程有限，无法测量大电压。,电压互感器是一种降压变压器。,(1)电压互感器所接的负载功率不要超过其额定容量，应留有一定的余量，以免造成变比及输出电压的相位误差过大；,(4)电压互感器的一、二次侧都要接熔断器，以便当电路被短路时起保护作用，使互感器免遭损坏。,使用电压互感器时应注意：,(2)电压互感器的铁心、二次侧绕组及外壳都要接地。这样，万一绝缘损坏，可保人身安全；,(3)电压互感器的副边不允许短路以防铜损过大、线圈过热；,2.电流互感器,电流互感器也是根据变压器的原理制成的，它也是主要用来扩大测量交流电流的量程，因为常用电流表的量程无法用来测量大电流。,通常电流互感器的一次绕组匝数很少，一般只有几匝，甚至只有一匝，串联在被测电路中。而二次绕组的匝数一般较多，它与电流表或其它仪表、继电器的线圈串联连接。,（a)(b),(a)原理电路；（b）符号,测流钳是实际中常用的一种电流互感器。,测量时将钳压开而引入被测导线，压入的导线就是一次绕组，而二次绕组绕在铁心上并与电流表等其他仪表相连。,利用测流钳可以随时随方便地测量线路中的电流，而不必将电流互感器固定在一处或者需要断开电路而将一次绕组串进去。,在使用电流互感器时，应注意以下几点：,（1）电流互感器的一次绕组的额定电流应大于被测电路的电流，额定电压与被测电路的电压相匹配；,（2）电流互感器所接负载的功率应小于其额定功率；,（3）在使用电流互感器时，二次侧不允许开路，以免磁通剧增产生高压，危及人身安全和损坏互感器；,（4）电流互感器二次绕组的一端、铁心及外壳均应接地，以确保安全。,5.2.3 变压器的极性判断,所谓的变压器极性，实际上是指一次绕组和二次绕组的相对极性，即当一个绕组的某端瞬时电位为正时，另一绕组必然也有一个瞬时电位为正的对应端，这两个对应端叫做同极性端或同名端，通常将同名端标以相同的“”或“*”等符号。,例如有一变压器有两个额定电压均为110V的一次绕组1-2和3-4（1、3端为同名端），现在如果接到220V的电源上，应将2和3端连在一起形成串联接在220V电源上，因为1和3端为同名端（当然2、4也为同名端。电流从1和3端流入或流出时，产生的磁通方向相同，两绕组中的感应电动势的极性也相同。如果连接错误，例如2和4端接一起，1、3端接电源，则铁心中两个磁通就相互抵消，感应电动势等于0，接通电源后绕组中会有很大的电流，烧坏变压器。,为了正确联接两个绕组，必须事先判明两个绕组的极性。判断极性，实际中可能会有两种情况：,（1）已知绕组的绕向,如果已知了两个绕组的绕向，则可以假设通过铁心的磁通的参考方向，可根据右手螺旋定则判断出两个绕组的感应电动势的参考方向，便可确定同名端。,（2）未知绕组的绕向,如果绕组的绕向不明，而从外观上无法辨认绕组的绕向，这时就需要采用实验的方法确定绕组的极性。这里介绍两种方法：,1）交流法,采用交流法时，首先要确定绕组的引出端中哪两个端属于同一绕组。然后将两个绕组任意两端串联在一起。,在其中的一个绕组的两端（例如1、2端）加上一个低的交流电压，再用交流电压表分别测量两个绕组的两端电压,、,和串联后的总电压,。如果总电压的数值等于,和,之和的话，则两个绕组的1和3端为同名端。,等于,和,之差的话，则应是,相反，如果总电压,1和4为同名端。,2）直流法,直流法是将一绕组的两端接于一直流电源，而另一绕组的两端接一电流表。,当开关S闭合瞬间电流表指针正向偏转，则1和3为同名端；如果电流表指针反向偏转，则1和4为同名端。,进入第6章,