中专电工基础教案 第七章 变压器

7.1 变压器的构造 & 

7.2 变压器的工作原理

    一、变压器的构造

    1、变压器的分类

    1）按用途分：电力变压器、专用电源变压器、调压变压器、测量变压器、隔离变压器。

    2）按结构分：双绕组变压器、三绕组变压器、多绕组变压器已经自耦变压器。

    3）按相数分：单相变压器、三相变压器和多相变压器。

    2、变压器的构造

    基本构造：由铁心和绕组构成。

铁心是变压器的磁路通道，是用磁导率较高且相互绝缘的硅钢片制成，以便减少涡流和磁滞损耗。按其构造形式可分为心式和壳式两种，如图1(a)、(b)所示。

图1 心式和壳式变压器

线圈是变压器的电路部分，是用漆色线、沙包线或丝包线绕成。其中和电源相连的线圈叫原线圈(初级绕组)，和负载相连的线圈叫副线圈(次级绕组)。

3、额定值及使用注意事项

1）额定值

①额定容量——变压器二次绕组输出的最大视在功率。其大小为副边额定电流的乘积，一般以千伏安表示。

②原边额定电压——接到变压器一次绕组上的最大正常工作电压。

③二次绕组额定电压——当变压器的一次绕组接上额定电压时，二次绕组接上额定负载时的输出电压。

2）使用注意事项

①分清一次绕组、二次绕组，按额定电压正确安装，防止损坏绝缘或过载。

②防止变压器绕组短路，烧毁变压器。

③工作温度不能过高，电力变压器要有良好的绝缘。

二、变压器的工作原理

变压器是按电磁感应原理工作的，原线圈接在交流电源上，在铁心中产生交变磁通，从而在原、副线圈产生感应电动势，如图2所示。

1、变压器的空载运行和变压比

    如图2所示，设原线圈匝数为N1，端电压为U1；副线圈匝数为N2，端电压为U2。则，原、副线圈（一次、二次绕组）电压之比等于匝数比，即

                                                    （式7－1）

图2 变压器空载运行原理图

n叫做变压器的变压比或变化。

    注意：上式在推导过程中，忽略了变压器原、副线圈的内阻，所以上式为理想变压器的电压变换关系。

    2、变压器的负载运行和变流比

    在图2的副线圈端加上负载|Z2|，流过负载的电流为I2,分析理想变压器原线圈、副线圈的电流关系。

    将变压器视为理想变压器，其内部不消耗功率，输入变压器的功率全部消耗在负载上，即                    

将上式变形带入（式7－1），可得理想变压器电流变换关系

                                                    （式7－2）

    3、变压器得阻抗变换作用

设变压器初级输入阻抗为|Z1|，次级负载阻抗为|Z2|，则

将代入，得

因为                               

所以                          

即                                                            （式7－3）

可见，次级接上负载|Z2|时，相当于电源接上阻抗为n2|Z2|的负载。变压器的这种阻抗变换特性，在电子线路中常用来实现阻抗匹配和信号源内阻相等，使负载上获得最大功率。

    III.例题讲解，巩固练习

    【例题1】,【例题2】略(见教材§7-2例题1,例题2)。

【例题3】有一电压比为220/110 V的降压变压器，如果次级接上55  的电阻，求变压器初级的输入阻抗。

解1：次级电流                     

初级电流                     

输入阻抗                      

解2：变压比               

输入阻抗                        

7.3 变压器的功率和效率 & 

7.4 几种常用变压器

    一、变压器的功率和效率

    1、变压器的功率

实际变压器在工作时，必然存在功率损失。变压器的功率消耗等于原边输入功率和副边输出功率之差，及

    变压器的功率损耗包括铜损和铁损两部分，它们可以通过计算或这使用的方法求出。

①铜损是由于原、副边有电阻，电流在电阻上要消耗一定的功率。

    ②铁损是由于交变的主磁通在铁心中产生的磁滞损耗和涡流损耗。

    2、变压器的效率

变压器的效率为变压器输出功率与输入功率的百分比，即

                        (式7-4)

大容量变压的效率可达98% ~ 99%，小型电源变压器效率约为70% ~ 80%。

二、几种常用变压器

图 3 自耦变压器符号及原理图

1、自耦变压器

自耦变压器原、副线圈共用一部分绕组，它们之间不仅有磁耦合，还有电的关系，如图3所示。

原、副线圈电压之比和电流之比的关系为

注意：

1自耦变压器在使用时，一定要注意正确接线，否则易于发生触电事故。

2接通电压前，要将手柄转到零位。接通电源后，渐渐转动手柄，调节出所需要的电压。

1、小型电源变压器

小型电源变压器广泛应用与电子仪器中。它一般有一至二个一次绕组和几个不同的二次绕组，可以根据实际需要联结组合，以获得不同的输出电压。

指导学生自己分析教材图(7-7)(a)、(b)，指出各有哪几种工作方式，可以获得哪几种输出电压。

2、互感器

互感器是一种专供测量仪表，控制设备和保护设备中高电压或大电流时使用的变压器。可分为电压互感器和电流互感器两种。

1）电压互感器

使用时，电压互感器的高压绕组跨接在需要测量的供电线路上，低压绕组则与电压表相连，如图4所示。

可见，高压线路的电压U1等于所测量电压U2和变压比n的乘积，即U1=nU2

注意：

(1) 次级绕组不能短路，防止烧坏次级绕组。

(2) 铁心和次级绕组一端必须可靠的接地，防止高压绕组绝缘被破坏时而造成设备的破坏和人身伤亡。

图6 钳形电流表

2）电流互感器

使用时，电流互感器的初级绕组与待测电流的负载相串连，次级绕组则与电流表串联成闭和回路，如图5所示。               

通过负载的电流就等于所测电流和变压比倒数的乘积。

注意：

(1) 绝对不能让电流互感器的次级开路，否则易造成危险；

(2) 铁心和次级绕组一端均应可靠接地。

常用的钳形电流表也是一种电流互感器。它是由一个电流表接成闭合回路的次级绕组和一个铁心构成，其铁心可开、可合。测量时，把待测电流的一根导线放入钳口中，电流表上可直接读出被测电流的大小，如图6所示。

3、

图7 三相变压器

三相变压器

三相变压器就是三个相同的单相变压器的组合，如图7所示。三相变压器用于供电系统中。根据三相电源和负载的不同，三相变压器初级和次级线圈可接成星形或三角形。

三相变压器的每一相，就相当于一个的单相变压器。单相变压器的基本公式和分析方法，使用与三相变压器中的任意一相。

4、变压器铭牌数据

在变压器外壳上均有一块铭牌，要安全正确的使用变压器，必须掌握铭牌各个数据的含义。

1型号

用以表明变压器的主要结构、冷却方式、电压和容量等级等等。

如SJL-560/10中：S表示三相，单相变压器用D表示；J表示油浸自冷式冷却方式，风冷式用F表示；L表示装有避雷装置；560表示容量为560kV·A；10表示高压绕组额定电压为10kV。

2额定电压

变压器空载时的电压，三相变压器指线电压。

3额定电流

变压器正常运行时允许通过的最大电流，三相变压器指线电流。

4额定容量

额定容量指变压器的额定输出视在功率S。在单相变压器中S＝U2I2；在三相变压器中，。

5温升

温升是指变压器某些部分与周围环境的温差，变压器所允许的温升由材料的绝缘等级来定。变压器运行时，要注意其温升，确保安全运行。

    III.例题讲解，巩固练习

    【例题1】略（见教材§7－3例题）

    【例题2】有一变压器初级电压为2200 V，次级电压为220 V，在接纯电阻性负载时，测得次级电流为10 A，变压器的效率为95%。 试求它的损耗功率，初级功率和初级电流。

解：次级负载功率            P2 = U2I2cos2 = 22010 = 2200 W

初级功率                        

损耗功率                    PL = P1 – P2 = 2316 – 2200 = 116W

初级电流