第2章变压器(13)

第二章 变压器,2.1 变压器的结构和工作原理 2.2 变压器的额定值 2.3 绕组的同名端及绕组的串联和并联 2.4 三相变压器（教学大纲不要求） 2.5 特殊用途的变压器,2.1 变压器的结构和工作原理,变压器是一种常用的静止电气设备，它的基本工作原理利用电磁感应原理，通过一个共同的磁场（磁路），将两个或两个以上的绕组耦合在一起，进行交流电能的转换与传递N1,变压器符号,2.1 变压器的结构和工作原理,变压器的分类: 按照用途分类有：电力变压器、仪用互感器等 按照变换电能的相数分类有：单相变压器和三相（多相）变压器尽管变压器类型多，但是它们的结构和工作原理都是基本相同的本章内容以介绍单相小型变压器为主，同时也介绍一些其它常用变压器的特点及使用方法2.1.1单相变压器的基本结构 单相变压器: 接在单相交流电源上，用来改变单 相交流电压的变压器.,变压器铁芯: 硅钢片叠压而成 变压器绕组: 高强度漆包线绕制而成 其它部件: 油箱、冷却装置、保护装置等铁芯,绕组,2. 构造,壳式变压器,芯式变压器,铁芯,绕组,特 点: 容量很小 应用场合: 局部照明和控制两个绕组中与电源相连的一方称为原绕组，采用下标“1”来表示，如原绕组电压U1、原绕组匝数N1等。

与负载相连的绕组称为副绕组，采用下标“2”来表示2. 构造,2.1.2 变压器的工作原理,一．空载运行状态 ---- 变压器的变电压作用,,01,N1,原绕组,副绕组,,变压器在空载运行状态下，原、副绕组中的电压、电流及磁通势N1i0和主磁通φ、漏磁通φ01之间的电磁关系可用如下方法表示：,1．原绕组的电压平衡方程,磁通势N1i0:原绕组的匝数为N1，产生建立磁场 主磁通:工作磁通φ，它同时与原、副绕组交链，在原、副 绕组中产生感应电动势e1和e2 1．原绕组的电压平衡方程,漏磁通φ01:φ01只与原绕组交链 ，它不传递能量，只是在原绕组中产生很小的感应电动势e01根据KVL，原绕组的电压平衡方程式为: u1 = i0 R1＋（－ e01）＋（ －e1）,忽略I0R1和E01,E1= 4. 44 f N1Φm,U1≈E1= 4. 44 f N1Φm,f：电源的频率，N1：原绕组的匝数，Φm：主磁通的幅值2．副绕组的电压平衡方程,主磁通φ穿过N2绕组，产生感应电动势e2，,同理：E2= 4. 44 f N2Φm,有效值 U20= E2 = 4. 44 f N2Φm,空载状态下 u20= e2,注意: 频率不改变,1．原绕组的电压平衡方程,,,3．变电压作用,U1≈E1= 4. 44 f N1Φm U20= E2= 4. 44 f N2Φm,电压比等于匝数：,当Ku＞1，即N1＞N2 、U1＞U20，是降压变压器。

当Ku＜1，即N1＜N2 、U1＜U20，是升压变压器变压器铭牌上所标注的额定电压是原、副绕组的电压值，是空载运行状态下的电压例如“6000／230V”表明原绕组的额定电压（原绕组应加的电源电压）U1N= 6000V，副绕组的额定电压U2N= 230VU2N是指原绕组加上U1N后，副绕组的空载电压1．原绕组电压平衡方程和磁通势平衡方程,二．负载运行状态 ------- 变压器的变电流作用,,,,,,,S,Z,,,,,,,,,,,,,,01,N1,N2,,i1,,e2,u2,e1,u1,e01,02,i2,,,,,–,+,+,–,–,+,+,–,+,–,e02,+,–,在负载状态下，原绕组中电流由i0变为 i1，,原绕组电压平衡方程变为：,u1 = i1 R1＋（－ e01）＋（ －e1）,且：U1≈E1,,,,,,,S,|Z |,,,,,,,,,,,,,,1,N1,N2,,i1,,e2,u2,e1,u1,e1,2,i2,,,u1 →,i1( i1N1),1→ e1, →e1,i2 (i2N2 ),→  2→ e2,,,变压器的工作原理,,,e2,,,,–,+,+,–,–,+,+,–,+,–,e2,+,–,,,,,,,,,,,,,此式称为变压器的磁通势平衡方程式。

由于空载电流I0比额定电流I1N 小很多，故在满载或接近满载时， I0 可忽略不计，一、二次绕组电流的有效值之比近似与它们的匝数成反比，即,1．原绕组电压平衡方程和磁通势平衡方程,a,,,,,,,S,ZL,,,N1I1= N2 I2,,,,,,,,,,,,,,N1,N2,A,X,x,,•,•,I1,,E2,•,U2,•,E1,•,U1,•,•,I2,,,,结论,产生主磁通 的磁动势,有效值,I0 = I1N (2.  5),变压器接负载时：,+,–,+,–,+,–,+,–,+,–,+,–,+,,,,,,,,2．变压器的变电流作用,,变压器的外特性：保持电源电压U1和负载的功率因数cosφ2不变的条件下，U2随I2的变化关系，即 U2= f（I2） 3．变压器的外特性,在感性负载条件下，,电压调整率,通常 U=3%~5%,三．变压器的变阻抗作用,作用：阻抗匹配，使负载获得最大的功率输出负载阻抗 |ZL|=,原绕组等效负载阻抗 |ZL′|=,,,忽略原副绕组的导线电阻及漏磁电抗等,,[例] 如图所示，交流信号源E=120V，内阻R0=800，负载 RL=8 ，（1）当RL折算到原边的等效电阻RL= R0时，求变压器的匝数比和信号源输出的功率；（2）当将负载直接与信号源联接时，信号源输出多大功率？,[解],（1）R'L =K2RL=R0,•,I2,,,,,,,,,K,,,,,RL,•,U2,,•,U1,•,I1,,R0,E,•,,,+,–,+,–,+,–,（2）,,,,,可利用变压器 进行阻抗匹配,,2.2 变压器的额定值,,,,,,,,,,,,1、额定容量SN 2、额定电压U1N和U2N 3、额定电流I1N和I2N 4、额定频率fN,变压器的额定值主要有：,1. 额定容量SN,指变压器在额定运行状态下，副绕组的视在功率。

SN = U2N ·I2N,若忽略变压器损耗可认为： SN = U1N ·I1N,额定容量表示了变压器传送电功率的能力，其单位是V•A或KV•A 2.2 变压器的额定值,,,,,,,,,,,,,原、副绕组的额定电流是根据变压器所允许的温升而规定的允许通过的最大电流值2. 额定电压 U1N和 U2N,U2N是指原方加U1N时，副方绕组的开路电压U2N应比满载运行时的输出电压U2高出510%3. 额定电流I1N和I2N,4、额定频率fN,我国规定的电力标准频率是50Hz 当变压器的额定频率与交流电源的频率不一致时，一般是不能使用的[例] 一台电源变压器原绕组匝数N1= 660匝，接电源电压U1= 220V两个副绕组的空载电压U20= 36V和U30= 12V求两个副绕组的匝数N2和N3 [解] 该变压器有两个副绕组，其工作原理与双绕组变压器相同[例] 一台电源变压器，接电源电压U1= 220V若两个副绕组均接有纯电阻负载，两个副绕组的电压U2= 36V、U3= 12V且I2 = 1A，I3 = 2A，求原、副绕组的功率及原绕组电流[解],副绕组功率,P2 = U2I2= 36W,P3 = U3I3= 24W,原绕组功率（忽略变压器的损耗）,=60W,原绕组电流,2.3 绕组的同名端及绕组的串联和并联,同名端：绕在同一铁心上的两个绕组，在工作磁通作用下，在任何瞬时感应电动势的极性都相同的两个对应端。

用“● ”标出2.3 绕组的同名端及绕组的串联和并联,对于绕向已知的两个绕组，可以根据右手螺旋法则判别如果电流在铁心中所产生的磁通方向一致，这两端便是同名端A,X,a,x,,i,,i,,1,,2,,,,,,2.3 绕组的同名端及绕组的串联和并联,•,•,,,,,,,,,,,,,A,X,a,x,,i,,i,,1,,2,对于绕向已知的两个绕组，可以根据右手螺旋法则判别如果电流在铁心中所产生的磁通方向一致，这两端便是同名端2.3 绕组的同名端及绕组的串联和并联,,串联：异名端相连原绕组串联能够适应较高的电源电压；副绕组串联能够输出较高的电压例如：若两个原绕组的额定电压均为110V，欲接到220V的电源上，即可采用串联连接并联：同名端相连，并联时可以得到大一些的电流2.3 绕组的同名端及绕组的串联和并联,同名端的实验方法判别： 交流法（实验4.1 变压器）,,②,,,,,,u,＋,－,①,③,④,,,,Ⅱ,Ⅰ,如果U13=U12–U43,交流法,则①与③是同名端或②与④是同名端,如果U13=U12+U43,则①与④ 是同名端或②与③是同名端,,,,,此时为异名端相连，为两绕组的串联此时为同名端相连，为两绕组的并联。

2.5.1 自耦变压器,优点：结构简单，节约缺点：不安全， 需外壳接地,它的工作原理与普通双绕组变压器相同 变压、变流、变阻抗的关系也适用于自耦变压器用 途： 1. 扩大交流电流表的量程; 2. 隔开电流表与被测高压电路，确保人身及仪表的安全2.5.2 电流互感器,,负载,,,,A,,,,,,,,,,,,,,,,,,待测电流I1,I2,电流互感器,,,2.5 特殊用途的变压器,使用注意事项： 第一，副绕组的一端和铁心必须接地，以防止原、副绕组间绝缘损坏时，危及人身及设备安全 第二，副绕组不允许开路，以免造成触电事故和损坏设备其工作原理是依据变压器变电流的原理例： 一台电源变压器, 原方绕组N1=550匝, 接220V的正弦交流电源，副方三个绕组匝数分别为N2=90匝, N3=50匝, N4=30匝若想在副方得到48V电压，如何选择和联接副方绕组，并标出输出端解：设输出端线圈的匝数为N,N=120 匝,连接副方绕组b与d， U2由B和D端输出 注意同名端！,输 出 端,,,,,,,,,,,,,,,,,,,N1,N2,•,•,•,•,N3,N4,90匝,550匝,50匝,30匝,,a,b,c,d,A,B,C,D,,,U2,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,[例] 有一台额定容量50kVA、额定电压3300/220V的变压 器，原方绕组为6000匝，（1）试求副方绕组匝数；（2）试求原方、副方绕组额定电流；（3）当原方保持额定电压不变，副方达到额定电流，输出功率39kW，cos=0.8时，试求副边端电压U2。

[解]（1）,（3） P =U2I2Ncos ,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,[例] 已知交流信号源电压有效值U = 6V，内阻R0 = 100Ω，负载是扬声器，其电阻RL=8Ω1）若将扬声器直接接在信号源的输出端，计算负载的功率 P′;（2）为使负载得到最大的输出功率，需进行阻抗变换所以在信号源与负载之间接入变压器，使RL折算到原绕组的等效电阻RL′= R0 计算满足这一条件的变压器变比Ku及负载得到的功率P 依据最大功率传递定理，负载和内阻相等时，负载可得到了最大输出功率[解]（1）由图a ，电流的有效值,,,,负载功率,（2）由图b，由变阻抗作用的关系式,要使负载得到最大功率，则,,,,,,,掌握 变压器变压、变流、变阻抗的原理和计算方法 掌握 变压器同名端的概念和绕组的正确连接方法 了解 单相变压器的分类、构造和铭牌数据 了解 变压器的外特性和效率 了解 自耦变压器的构造和工作原理第2章内容的基本要求,,,,,2.4 三相变压器（教学大纲不要求）,第2章 变压器,学习目的：了解变。