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1、单相变压器的认识与使用单相变压器的认识与使用一、一、变压器的结构与分类变压器的结构与分类变电压：电力系统变电压：电力系统 变阻抗：电子电路中的阻抗匹配变阻抗：电子电路中的阻抗匹配 ( (如输出变压器如输出变压器) ) 变电流：电流互感器变电流：电流互感器 1.变压器的应用变压器的应用任务任务1.1 单相变压器的认识与使用单相变压器的认识与使用节省金属材料节省金属材料 ( (经济经济) )电能损耗小电能损耗小I导线截面积导线截面积S电力工业中常采用电力工业中常采用高压输电、低压配电高压输电、低压配电(保证用电安全保证用电安全)。 在能量传输过程中，当输送功率在能量传输过程中，当输送功率P= UI
2、cos 及负载功率因及负载功率因数数cos 一定时一定时 电能的输送示意图电能的输送示意图G发电机发电机输电线输电线降压变压器降压变压器高压配高压配电电 线线降压变降压变压压 器器低压配低压配电电 线线发电厂发电厂区域变电所区域变电所工厂工厂(用户用户)发电厂发电厂工厂工厂6.310.5 kV35500 kV610 kV380 V / 220 V2. 变压器的结构变压器的结构 变压器的基本结构主要由铁芯和绕组两部分组成。变压器的基本结构主要由铁芯和绕组两部分组成。(1)铁芯铁芯 铁芯采用厚度为铁芯采用厚度为0.350.5mm，材料表面涂有绝缘漆的热轧，材料表面涂有绝缘漆的热轧(或冷轧或冷轧)硅
3、钢片，冲压成型并叠合组装成一个整体的铁芯。硅钢片，冲压成型并叠合组装成一个整体的铁芯。 铁芯的基本结构形式有心式和壳式两种，如图铁芯的基本结构形式有心式和壳式两种，如图1-1所示。所示。 各种变压器的铁芯，先将硅钢片冲压成条形，然后将条形硅各种变压器的铁芯，先将硅钢片冲压成条形，然后将条形硅钢片交错地叠合组装成钢片交错地叠合组装成“囗囗”字形或字形或“曰曰”字形，如图字形，如图1-2所示。所示。 铁轭的截面有矩形、外铁轭的截面有矩形、外T 形、内形、内T形和多级阶梯形，如图形和多级阶梯形，如图1-3所示。所示。 铁芯柱的截面如图铁芯柱的截面如图1-4所示。所示。 (2)绕组绕组 根据高、低压绕
4、组在铁芯柱上排列的方式不同，变压器的绕根据高、低压绕组在铁芯柱上排列的方式不同，变压器的绕组可分为同心式和交叠式两种，如图组可分为同心式和交叠式两种，如图1-5和和1-6所示。所示。 二、变压器的运行二、变压器的运行 1.单相变压器的工作原理单相变压器的工作原理 单相变压器的工作原理如图单相变压器的工作原理如图1-8所示。所示。 根据电磁感应定律，交变根据电磁感应定律，交变的主磁通的主磁通 在原、副绕组中分在原、副绕组中分别感应出电动势别感应出电动势e1与与e2有有 忽略绕组中的漏电抗压降，不考虑绕组中的电阻压降，原、忽略绕组中的漏电抗压降，不考虑绕组中的电阻压降，原、副绕组的端电压可表示为副
5、绕组的端电压可表示为 若二次绕组开路，这种运行方式称为变压器的空载运行。若若二次绕组开路，这种运行方式称为变压器的空载运行。若二次绕组接负载，这种运行方式称为变压器的负载运行。其中二次绕组接负载，这种运行方式称为变压器的负载运行。其中N1和和N2分别为一次、二次绕组的匝数。分别为一次、二次绕组的匝数。 2.变压器的空载运行变压器的空载运行 变压器空载运行是指变压器的一变压器空载运行是指变压器的一次绕组接在额定频率、额定电压的交次绕组接在额定频率、额定电压的交流电源上，而二次绕组开路时的运行流电源上，而二次绕组开路时的运行状态，如图状态，如图1-9所示。所示。设设主磁能主磁能为：为： msin
6、t ，则，则e1与与e2的有效值分别为：的有效值分别为： 则则于是有于是有 3.变压器负载运行变压器负载运行 变压器的负载运行是指原绕组加额定电压，副绕组与负载相接变压器的负载运行是指原绕组加额定电压，副绕组与负载相接通时的运行状态，如图通时的运行状态，如图1-10所示。这时副边电路中有了电流所示。这时副边电路中有了电流i2，它，它的大小由副绕组电动势和副边电路的等效阻抗来决定。的大小由副绕组电动势和副边电路的等效阻抗来决定。 磁动势平衡方程式为：磁动势平衡方程式为： 当变压器接近满载时，当变压器接近满载时，I0N1的远小于的远小于I1N1，即可认为，即可认为I0N10，于是有于是有 变压器除
7、有变压作用和变流作用之外，还可用来实现阻抗的变压器除有变压作用和变流作用之外，还可用来实现阻抗的变换。设在变压器的副边接入阻抗为变换。设在变压器的副边接入阻抗为ZL，由图，由图1-11可知，从原绕可知，从原绕组输入端看进去的输入阻抗值组输入端看进去的输入阻抗值|Z L|为：为： 4.变压器的工作特性变压器的工作特性 (1)变压器的外特性变压器的外特性 变压器的外特性是指电源电压和负载的功率因数为常数时，二变压器的外特性是指电源电压和负载的功率因数为常数时，二次侧电压随负载电流变化的规律，即次侧电压随负载电流变化的规律，即U2f(I2)。变压器的外特性曲。变压器的外特性曲线如图线如图1-12所示
8、。所示。 (2)电压变化率电压变化率 电压变化率是指变压器一次绕组加上交电压变化率是指变压器一次绕组加上交流流50Hz的额定电压，二次绕组空载电压的额定电压，二次绕组空载电压U20和带负载后在某一功率因数下二次绕组电压和带负载后在某一功率因数下二次绕组电压U2之差与二次绕组额定电压之差与二次绕组额定电压U2N的比值，用的比值，用U表示，即表示，即 (3)变压器的损耗变压器的损耗 变压器输入功率与输出功率之差变压器输入功率与输出功率之差(P1P2)是变压器本身消耗的是变压器本身消耗的功率，称为变压器的功率损耗，简称损耗，它包括以下两部分：功率，称为变压器的功率损耗，简称损耗，它包括以下两部分：
9、铜损耗铜损耗PCu，也称为可变损耗；铁损耗，也称为可变损耗；铁损耗PFe，又称之为不变损耗。，又称之为不变损耗。 (4)变压器的效率和效率特性变压器的效率和效率特性 变压器的效率是指变压器的输出功率与输入功率之比，用百变压器的效率是指变压器的输出功率与输入功率之比，用百分数表示，即分数表示，即 一般中、小电力变压器效率在一般中、小电力变压器效率在95%以上，大容量电力变压器以上，大容量电力变压器最高效率可达最高效率可达98%99%以上。以上。 在计算效率时，可采用下列几个假定。在计算效率时，可采用下列几个假定。 以额定电压下的空载损耗以额定电压下的空载损耗P0作为铁损耗作为铁损耗PFe，并认为
10、铁损耗，并认为铁损耗不随负载而变化，即不随负载而变化，即P0PFe常数。常数。 以额定电流时的短路损耗以额定电流时的短路损耗Pk作为额定电流时的铜损耗作为额定电流时的铜损耗PCuN，且认为铜损耗与负载电流的平方成正比，即，且认为铜损耗与负载电流的平方成正比，即， 由于变压器的电压变化率很小，负载时由于变压器的电压变化率很小，负载时U2的变化可不予考的变化可不予考虑，即认为虑，即认为U2U2N。故输出功率为。故输出功率为 式中，式中， 为负载系数，为负载系数， I2/I2N，则，则 在功率因数一定时，变压器效率与负在功率因数一定时，变压器效率与负载系数之间的关系载系数之间的关系f()称为变压器的
11、效称为变压器的效率特性曲线，如图率特性曲线，如图1-13所示。所示。 为提高变压器的运行效率，设计时使铁损耗相对比较小一些，为提高变压器的运行效率，设计时使铁损耗相对比较小一些，一般取一般取m0.50.6。 三、其他用途的变压器三、其他用途的变压器 1.自耦变压器自耦变压器 普通双绕组变压器原、副绕组之间仅有磁的耦合，并无电的直接联系。自耦变压器只有一个绕组，如图1-14所示，即原、副绕组公用一部分绕组，所以自耦变压器原、副绕组之间除有磁的耦合外，又有电的直接联系。实质上自耦变压器就是利用一个绕组抽头的方法来实现改变电压的一种变压器。 自耦变压器的中间出线端，如果做成能沿着整个线圈滑动的自耦变
12、压器的中间出线端，如果做成能沿着整个线圈滑动的活动触点，如图活动触点，如图1-15(b)、(c)所示，这种自耦变压器称为自耦调压所示，这种自耦变压器称为自耦调压器，其副边电压器，其副边电压U2可在可在0到稍大于到稍大于U1的范围内变动。图的范围内变动。图1-15(a)所所示是单相自耦调压器的外形。示是单相自耦调压器的外形。 自耦变压器的变比不宜过大，通常选择变比自耦变压器的变比不宜过大，通常选择变比k3，而且不能，而且不能用自耦变压器作为用自耦变压器作为36V以下安全电压的供电电源。以下安全电压的供电电源。 2.电焊变压器电焊变压器 电焊变压器是交流弧焊机的主要组成部分，它是一种双绕组变压器，
13、在副绕组电路中串联一个可变电抗器。如图1-16所示。 对电焊变压器的要求是：空载时应有足够的引弧电压(约为6075V)，以保证电极间产生电弧。有载时，副绕组电压应迅速下降，当焊条与工件间产生电弧并稳定燃烧时，约有30V的电压降，短路时(焊条与工件相碰瞬间)，短路电流不能过大，以免损坏焊机。另外，为了适应不同的焊件和不同规格的焊条，焊接电流的大小要能够调节。 3.仪用互感器仪用互感器 仪用互感器有两种：电压互感器和电流互感器。 电压互感器的原理图如图1-17所示。电压互感器的主要原理是根据变压器的变压作用而工作的。 电流互感器的原理图如图1-18所示。电流互感器的主要原理是根据变压器的变流作用而
14、工作的。 使用互感器时，必须注意：由于电压互感器的副绕组电流很大，因此绝不允许短路；电流互感器的原绕组匝数很少，而副绕组匝数较多，这将在副绕组中产生很高的感应电动势，因此电流互感器的副绕组绝不允许开路。 便携式钳形电流表，图1-19是它的外形图和原理图，其副绕组端接有电流表，铁芯由两块U形元件组成，用手柄能将铁芯张开与闭合。 测量电流时，不需断开待测电路，只需张开铁芯将待测的载流导线钳入(即图1-19(a)中的A、B端)，这根导线就成为互感器的原绕组，于是可从电流表直接读出待测电流值。 【任务实施】【任务实施】 1.任务实施的内容任务实施的内容 小型变压器的变压、变流和阻抗变换作用的测试；变压
15、器的空载试验和短路试验。 2.任务实施的要求任务实施的要求 (1)正确使用测试仪表。 (2)正确测试电压及电流等相关数据并进行数据分析。 3.设备器材设备器材 小型变压器(220V/55V) ，1台；交流电流表，1块；交流电压表，1块；万用表，1块；灯泡(36V/25W)，3只；交流调压器(0250V)，1台；电工实验实训台，1套。 4.任务实施的步骤任务实施的步骤 (1)小型变压器变换电压、电流和阻抗试验小型变压器变换电压、电流和阻抗试验 按照图1-20所示电路接好线路，调节调压器使用单相变压器空载时的输出为36V，然后分别在变压器的副边接入1只、2只、3只灯泡，测量单相变压器的输入电压和输
16、出电压、输入电流和输出电流，将测量数据填入表1.1中。根据表中的数据计算|ZL|、|ZL|值，分析变压器的阻抗变换作用。 (2)变压器的空载试验变压器的空载试验 断开交流电源，将图1-20中所示的单相变压器的低压线圈a、x接电源，高压线圈A、X开路。 将调压器旋钮向逆时针方向旋转到底，即将其调到输出电压为零的位置。合上交流电源开关，调节调压器的旋钮，使变压器空载电压U01.2UN，然后逐次降低电源电压，在1.20.2UN的范围内，测取变压器的U0、I0、P0。 测取数据时，U0UN点必须测，并在该点附近测的点较密，共测取数据78组。记录于表1.2中。 为了计算变压器的变比，在UN以下测取原边电
17、压的同时测出副边电压数据记录于表1.2中。 空载试验数据分析 a.计算变压比。由空载试验测变压器的一、二次侧电压的数据，计算出电压比，然后取其平均值作为变压器的变压比。 b.绘出空载特性曲线U0f(I0)，P0f(U0)，cos0f(U0)。 (3)变压器的短路实验变压器的短路实验 将变压器的高压线圈接电源，低压线圈直接短路。 断开交流电源，将图1-20中所示的单相变压器的高压线圈A、X接电源，低压线圈a、x直接短路。 将调压器旋钮逆时针方向旋转到底，即将其调到输出电压为零的位置。合上交流电源开关，调节调压器的旋钮，逐渐缓慢增加输入电压，直到短路电流等于1.1IN为止，在(0.21.1)IN 的范围内，测取变压器的Uk、Ik、Pk。 测取数据时，IkIN点必须测，共测取数据67组，记录于表1.3中。试验时记下周围环境温度。 短路试验数据分析 绘出短路特性曲线Ukf(Ik)，Pkf(Ik)，coskf(Uk)。 5.注意事项注意事项 (1)测量时，要正确选择万用表、电压表、电流表的量程。 (2)确认接线正确后，方可通电试验，否则会烧坏变压器。 结束结束
