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1、第第3 3章章 变压器变压器 变压器是一种常见的电气设备，在电力系统和电 子线路中应用广泛。 变电压：电力系统 变阻抗：电子线路中的阻抗匹配 变电流：电流互感器 变压器的主要功能有变压器的主要功能有： 在能量传输过程中，当输送功率P =UI cos 及 负载功率因数cos 一定时： 电能损耗小 节省金属材料（经济） 3.1.13.1.1 概述概述 U I P = I Rl I S 电力工业中常采用高压输电低压配电，实现节能电力工业中常采用高压输电低压配电，实现节能 并保证用电安全。具体如下：并保证用电安全。具体如下： 发电厂 10.5kV 输电线 220kV 升压 仪器 36V 降压 实验室
2、380 / 220V 降压 变电站 10kV 降压降压 变压器的分类变压器的分类 电压互感器电压互感器 电流互感器电流互感器 按用途分按用途分 电力变压器电力变压器 ( (输配电用输配电用) ) 仪用变压器仪用变压器 整流变压器整流变压器 按相数分按相数分 三相变压器三相变压器 单相变压器单相变压器 变压器符号变压器符号 变压器的结构变压器的结构 变压器的磁路 绕组：绕组： 一次绕组一次绕组 二次绕组二次绕组 单相变压器 + + 由高导磁硅钢片叠成 厚0.35mm 或 0.5mm 铁心 变压器的电路变压器的电路 一次 绕组 N1 二次 绕组 N2 铁心 变压器的结构 3.1.23.1.2 变压
3、器的工作原理变压器的工作原理 单相变压器 + + 一次 绕组 N1 二次 绕组 N2 铁心 一次、二次绕组互不相连，能量的传递靠磁耦合一次、二次绕组互不相连，能量的传递靠磁耦合 。 (1) 空载运行情况 1. 1. 电磁关系电磁关系 一次侧接交流电源 ，二次侧开路。 + + + + + 1 i0 ( i0N1) 1 空载时， 铁心中主 磁通是 由一次绕 组磁通势 产生的。 (2) 带负载运行情况 1. 1. 电磁关系电磁关系 一次侧接交流电源 ，二次侧接负载接负载。 + + + 1 1 i1 ( i1N1) i1 i2 ( i2N2) 2 有载时，铁心 中主磁通是 由一次、二次 绕组磁通势共
4、同产生的合成 磁通。 2 i2 + e2+ e2 + u2 Z Z 2. 2. 电压变换电压变换（设加正弦交流电压）（设加正弦交流电压） 有效值: 同 理： 主磁通按正弦规律变化，设为 主磁通按正弦规律变化，设为 则则 (1) (1) 一次、二次侧主磁通感应电动势一次、二次侧主磁通感应电动势 根据KVL： 变压器一次侧等效电路如图 由于电阻 R1 和感抗 X X 1 1 (或漏磁通)较小,其两端的 电压也较小,与主磁电动势 E 1 1 比较可忽略不计，则 + + + (2) (2) 一次、二次侧电压一次、二次侧电压 式中式中 R R 1 1 为为一次侧绕组的电阻绕组的电阻; ; X X 1 1
5、= = L L 1 1 为 为一次侧绕组的感抗绕组的感抗( (漏磁感抗，由漏漏磁感抗，由漏 磁产生磁产生) )。 （匝比）（匝比）K K为为变比变比 对二次侧，对二次侧，根据KVL： 结论：改变匝数比，就能改变输出电压。 式中式中 R R 2 2 为为二次二次绕组的电阻绕组的电阻; ; X X 2 2= = L L 2 2 为 为二次二次绕组的感抗绕组的感抗 ； 为为二次二次绕组的端电压。绕组的端电压。 变压器空载时变压器空载时: : + u u2 2 + + + i i 1 1 i i 2 2 + e e2 2 + e e 2 2 式中式中U U20 20为变压器空载电压。 为变压器空载电压
6、。 故有故有 三相电压的变换三相电压的变换 A BC XYZ a bc zy x 1) 1) 三相变压器的结构三相变压器的结构 高压绕组： A-X B-Y C-ZX、Y 、Z ：尾端 A、B、C ：首端 低压绕组： a-x b-y c-z a、b、c：首端 x、y、z：尾端 2) 2) 三相变压器的联结方式三相变压器的联结方式 联结方式联结方式： 高压绕组接法 低压绕组接法 三相配电变压器 动力供电系统（井下照明） 高压、超高压供电系统高压、超高压供电系统 常用接法常用接法: : （1 1）三相变压器）三相变压器Y/YY/Y 0 0 联结联结 线电压之比：线电压之比： A C B b c a
7、+ + + + （2 2）三相变压器）三相变压器Y Y 0 0 / / 联结联结 线电压之比：线电压之比： A C B a b c + + + 3. 3. 电流变换电流变换 ( (一次、二次侧电流关系一次、二次侧电流关系) ) 有载运行有载运行 可见，铁心中主磁通的最大值可见，铁心中主磁通的最大值m m在变压器空载 在变压器空载 和有载时近似保持不变。即有和有载时近似保持不变。即有 不论变压器空载还是不论变压器空载还是 有载，一次绕组上的阻有载，一次绕组上的阻 抗压降均可忽略，故有抗压降均可忽略，故有 由上式，若由上式，若U U 1 1 、 f f 不变，则不变，则 m m 基本不变，近于常数
8、。 基本不变，近于常数。 空载空载： 有载：有载： + |Z | + + + 一般情况下：I0 (38)%I1N 很小可忽略。 或 结论：一次、二次侧电流与匝数成反比。 或：1 1. .提供产生 提供产生m m的磁势 的磁势 2 2. .提供用于补偿提供用于补偿 作用作用 的磁势的磁势 磁势平衡式：磁势平衡式： 空载磁势有载磁势 4. 4. 阻抗变换阻抗变换 由图可知：由图可知： 结论： 变压器一次侧的等效阻抗模，为二次 侧所带负载的阻抗模的K 2 倍。 + + + (1)(1) 变压器的匝数比应为变压器的匝数比应为： 信号源 R0 RL + R R0 0 + + 解解: : 例例1:1: 如
9、图，交流信号源的电动 势 E= 120V，内阻 R 0=800 ，负载为扬声器，其等效电阻 为RL=8。要求: （1）当 RL折算到原边的等效电阻 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？ 信号源的输出功率：信号源的输出功率： 电子线路中，常利用阻抗匹配实现最大输出功率。电子线路中，常利用阻抗匹配实现最大输出功率。 结论：接入变压器以后，输出功率大大提高。结论：接入变压器以后，输出功率大大提高。 原因：原因：满足了最大功率输出的条件：满足了最大功率输出的条件： （2）将负载直接接到信号源上时）将负载直接接到信号源上时，输出功率输出
10、功率为： 1 1） 变压器的型号变压器的型号 5.5.变压器的铭牌和技术数据变压器的铭牌和技术数据 S J L 1000/10S J L 1000/10 变压器额定容量(KVA) 铝线圈铝线圈 冷却方式冷却方式 J:J:油浸自冷式油浸自冷式 F:F:风冷式风冷式 相数相数 S:三相 D:单相 高压绕组的额定电压高压绕组的额定电压(KV)(KV) 2 2） 额定值额定值 额定电压额定电压 U U1N 1N、 、U U2N 2N 变压器二次侧开路（空载）时，一次、二次侧变压器二次侧开路（空载）时，一次、二次侧 绕组允许的电压值绕组允许的电压值 单相：单相：U U1N 1N ，一次侧电压， ，一次侧
11、电压， U U2N 2N，二次侧空载时的电压 ，二次侧空载时的电压 三相：三相：U U1N 1N、 、U U2N 2N，一次、二次侧的线电压 ，一次、二次侧的线电压 额定电流额定电流 I I1N 1N、 、I I2N 2N 变压器满载运行时，一次、二次侧绕组允许的变压器满载运行时，一次、二次侧绕组允许的 电流值。电流值。 单相：一次、二次侧绕组允许的电流值单相：一次、二次侧绕组允许的电流值 三相：一次、二次侧绕组线电流三相：一次、二次侧绕组线电流 额定容量额定容量 S S N N 传送功率的最大能力传送功率的最大能力 单相：单相： 三相：三相： 容量容量 S S N N 输出功率输出功率 P
12、P 2 2 一次侧输入功率一次侧输入功率 P P 1 1 输出功率输出功率 P P 2 2 注意：变压器几个功率的关系（单相）注意：变压器几个功率的关系（单相） 效率效率 容量： 一次侧输入功率： 输出功率： 变压器运行 时的功率取 决于负载的 性质 2) 2) 额定值额定值 3.1.33.1.3 变压器的外特性与效率变压器的外特性与效率 1. 1. 变压器的外特性变压器的外特性 当一次侧电压当一次侧电压 U U1和负载功率因数和负载功率因数 coscos 2保持不变时， 保持不变时， 二次侧输出电压二次侧输出电压 U U2和输出电流和输出电流 I I2的关系，的关系，U U2 = = f f
13、 ( (I I2)。 U U20 20：一次侧加额定 ：一次侧加额定 电压、二次侧开路时，电压、二次侧开路时， 二次侧的输出电压。二次侧的输出电压。 一般供电系统希望要硬特性（随一般供电系统希望要硬特性（随I I 2 2 的变化，的变化，U U 2 2 变变 化不大），电压变化率约在化不大），电压变化率约在5%5%左右。左右。 电压变化率：电压变化率： coscos 2 =0.8=0.8 ( (感性）感性） U2 I2 U20 I2N coscos 2 =1=1 O 2.2. 变压器的效率变压器的效率( ( ) ) 为减少涡流损耗，铁心一为减少涡流损耗，铁心一 般由导磁钢片叠成。般由导磁钢片叠
14、成。 变压器的损耗包括两部分：变压器的损耗包括两部分： 铜损铜损 ( ( P PCu Cu) ) ： ：绕组导线电阻的损耗。绕组导线电阻的损耗。 涡流损耗：交变磁通在铁心中产生的感涡流损耗：交变磁通在铁心中产生的感 应电流应电流( (涡流涡流) )造成的损耗。造成的损耗。 磁滞损耗：磁滞现象引起铁心发热，造磁滞损耗：磁滞现象引起铁心发热，造 成的损耗。成的损耗。 铁损铁损( ( P PFe Fe ) )： ： 变压器的效率为变压器的效率为 一般一般 9595% 输出功率输出功率 输入功率输入功率 当电流流入当电流流入( (或流出）两个线圈时，若产生的磁通方或流出）两个线圈时，若产生的磁通方 向
15、相同，则两个流入向相同，则两个流入( (或流出）端称为同极性端。或流出）端称为同极性端。 A X a x A X X a x 1. 1. 同极性端同极性端 ( ( 同名端同名端 ) ) 或者说，当铁心中磁通变化时，在两线圈中产生的或者说，当铁心中磁通变化时，在两线圈中产生的 感应电动势极性相同的两端为同极性端。感应电动势极性相同的两端为同极性端。 同极性端用“” 表示。 增加 + + + + 同极性端同极性端 和绕组的绕和绕组的绕 向有关。向有关。 3.1.43.1.4 变压器绕组的极性变压器绕组的极性 变压器符号 注意： 变压器在工作时，铁芯和绕组都会发热，必须采取冷却 措施。小容量变压器采用空气冷却方式，大容量变压器采用 油浸自冷、油浸风冷或强迫油循环风冷等方式，。变压器油 除了冷却作用外，还能增强变压器内部的绝缘性能。 注意： 变压器在工作时，铁芯和绕组都会发 热，必须采取冷却措施。小容量变压器 采用空气冷却方式，大容量变压器采用 油浸自冷、油浸风冷或强迫油循环风冷 等方式，。变压器油除了冷却作用外， 还能增强变压器内部的绝缘性能。 三、常用变压器 变压器的种类很多，下面介绍几种常用 的变压器
