第二章 變壓器

第二章變壓器和電磁鐵第一節(jié)單相變壓器的結(jié)構(gòu)及工作原理第二節(jié)變壓器的主要數(shù)據(jù)第三節(jié)變壓器的繞組的同極性端及其測定第四節(jié)特殊變壓器簡介第五節(jié)電磁鐵你所知道的變壓器及相關(guān)應(yīng)用。(高壓輸電、低壓配電、阻抗變換、儀表測量、隔離)在輸變電線路、小型直流電源、交流電焊機(jī)等場合，均大量使用各種變壓器。圖片：變壓器及其應(yīng)用。引入課題啟發(fā)討論圖片展示特殊變壓器圖片展示概述：一、變壓器：是一種靜止的電機(jī)，它利用電磁感應(yīng)原理將一種電壓、電流的交流電能轉(zhuǎn)換成同頻率的另一種電壓、電流的電能。換句話說，變壓器就是實(shí)現(xiàn)電能在不同等級(jí)之間進(jìn)行轉(zhuǎn)換。二、變壓器的功能1、變換電壓2、變換電流3、變換阻抗三、分類1、按用途分類，可分為電力變壓器（主要用在輸配電系統(tǒng)中，又分為升壓變壓器、降壓變壓器、聯(lián)絡(luò)變壓器和廠用變壓器）、儀用互感器（電壓互感器和電流互感器）、特種變壓器（如調(diào)壓變壓器、試驗(yàn)變壓器、電爐變壓器、整流變壓器、電焊變壓器等）。2、按繞組數(shù)目分類:可分為雙繞組變壓器,三繞組變壓器、多繞組變壓器和自耦變壓器。3、按鐵心結(jié)構(gòu)分類，有心式變壓器和殼式變壓器。4、按相數(shù)分類，有單相變壓器、三相變壓器和多相變壓器。5、按冷卻介質(zhì)和冷卻方式分類，可分為油浸式變壓器（包括油浸自冷式、油浸風(fēng)冷式、油浸強(qiáng)迫油循環(huán)式）、干式變壓器、充氣式變壓器。

6、電力變壓器按容量大小通常分為小型變壓器（容量為10-630kVA）、中型變壓器（容量為800-6300kVA）、大型變壓器（容量為8000-63000kVA）和特大型變壓器（容量在90000kVA及以上）。接前（以電力變壓器為例介紹）

電力變壓器的基本構(gòu)成部分有：鐵心、繞組、絕緣套管、油箱及其他附件等，其中鐵心和繞組是變壓器的主要部件，稱為器身。下圖是油浸式電力變壓器的結(jié)構(gòu)圖。第一節(jié)單相變壓器結(jié)構(gòu)及工作原理1一信號(hào)式溫度計(jì)2一吸濕器3一儲(chǔ)油柜4一油表5一安全氣邊6一氣體繼電器7一高壓套管8一低壓套管9一分接開關(guān)10一油箱11—鐵心12—線圈13—放油閥門一、單相變壓器的主要結(jié)構(gòu)（一）鐵心：是變壓器的磁路部分，鐵心由鐵心柱和鐵軛兩部分構(gòu)成。鐵心柱上套繞組，鐵軛將鐵心柱連接起來形成閉合磁路。鐵心材料：為了提高磁路的導(dǎo)磁性能，減少鐵心中的磁滯、渦流損耗，鐵心一般用高磁導(dǎo)率的磁性材料——硅鋼片疊成。硅鋼片有熱軋和冷軋兩種，其厚度為0.35～0.5mm，兩面涂以厚0.02～0.23mm的漆膜，使片與片之間絕緣。鐵心型式：變壓器鐵心的結(jié)構(gòu)有心式、殼式和漸開線式等形式。殼式結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是鐵心包圍繞組的頂面、底面和側(cè)面，如左圖所示。心式結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是鐵心柱被繞組包圍，如右圖所示。殼式結(jié)構(gòu)的機(jī)械強(qiáng)度較好，但制造復(fù)雜盡管它們的用途各異，但它們的基本結(jié)構(gòu)是相同的。它們都由鐵心和套在鐵心上的繞組構(gòu)成

。圖示（二）繞組：是變壓器的電路部分，它由銅或鋁絕緣導(dǎo)線繞制而成。

一次繞組（原繞組）：輸入電能二次繞組（副繞組）：輸出電能他們通常套裝在同一個(gè)心柱上，一次和二次繞組具有不同的匝數(shù)，通過電磁感應(yīng)作用，一次繞組的電能就可傳遞到二次繞組，且使一、二次繞組具有不同的電壓和電流。其中，兩個(gè)繞組中，電壓較高的我們稱為高壓繞組，相應(yīng)的電壓較低的稱為低壓繞組。從高、低壓繞組的相對(duì)位置來看，變壓器的繞組又可分為同心式、交迭式。由于同心式繞組結(jié)構(gòu)簡單，制造方便，所以，國產(chǎn)的均采用這種結(jié)構(gòu)，交迭式主要用于特種變壓器中。（一）變壓器的空載運(yùn)行：一次測接額定的電壓，二次測開路的工作狀態(tài)二、單相變壓器的工作原理1、電磁關(guān)系

1）由于鐵磁材料有飽和現(xiàn)象，所以主磁路的磁阻不是常數(shù)，主磁通與建立它的電流之間呈非線性關(guān)系。而漏磁通的磁路大部分是非鐵磁材料組成，所以漏磁路的磁阻基本上是常數(shù)，漏磁通與產(chǎn)生它的電流呈線性關(guān)系2）主磁通在原、副繞組中均感應(yīng)電動(dòng)勢，當(dāng)副方接上負(fù)載時(shí)便有電功率向負(fù)載輸出，故主磁通起傳遞能量的作用。而漏磁通僅在原繞組中感應(yīng)電動(dòng)勢，不能傳遞能量，僅起壓降作用。因此，在分析變壓器和交流電機(jī)時(shí)常將主磁通和漏磁通分開處理。主磁通和漏磁通在性質(zhì)上的不同：假定主磁通按正弦規(guī)律變化，即

Φ=Φmsinωt

根據(jù)根據(jù)電磁感應(yīng)定律和對(duì)正方向規(guī)定，一次繞組中感應(yīng)電動(dòng)勢的瞬時(shí)值為：2、電壓關(guān)系方程式中：一次側(cè)回路電壓平衡方程式：式中

Z1=R1+x1σ——原繞組的漏阻抗。對(duì)于電力變壓器，空載時(shí)原繞組的漏阻抗壓降I0Z1很小，其數(shù)值不超過U1的0.2%，將I0Z1忽略，則上式變成：變壓器空載時(shí)的相量圖同理二次繞組中感應(yīng)電動(dòng)勢的瞬時(shí)值為：在副方，由于電流為零，則副方的感應(yīng)電動(dòng)勢等于副方的空載電壓，即：3、變換電壓在變壓器中，原、副繞組的感應(yīng)電動(dòng)勢E1和E2之比稱為變壓器的變比，用K表示，即：上式表明：變壓器的變比等于原、副繞組的匝數(shù)比。當(dāng)變壓器空載運(yùn)行時(shí)，由于U1≈E1，U2≈E2，故可近似地用空載運(yùn)行時(shí)原、副方的電壓比來作為變壓器的變比，即：K〉1降壓變壓器K〈1升壓變壓器例題分析例：單相變壓器，高壓繞組接到35KV的工頻交流電源上時(shí)，低壓繞組的開路電壓是6.6KV，鐵心的截面積為1120Cm2,若選取磁感應(yīng)強(qiáng)度Bm=1.5T,試求該變壓器的電壓比和高、低壓繞組的匝數(shù)。解：變壓器的變壓比為：鐵心中的磁通：高壓繞組的匝數(shù)：低壓繞組的匝數(shù)：課內(nèi)實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目：（單相變壓器的繞組判別與空載運(yùn)行）AN2N11、高低壓繞組的判別：用萬用表的電阻檔測量變壓器的四個(gè)端子，相通的端子間對(duì)應(yīng)一個(gè)繞組。其中電阻大的對(duì)應(yīng)高壓繞組，電阻小的對(duì)應(yīng)低壓繞組。2、變壓器的空載運(yùn)行將高壓繞組串入交流電流表后接入220V電源（如圖），測量空載電流值、高壓側(cè)與低壓側(cè)的電壓。討論：空載電流與額定電流相比大小如何？電壓之比與匝數(shù)有什么對(duì)應(yīng)關(guān)系？（額定電流與匝數(shù)比看面板）二、變壓器的有載運(yùn)行一次測接額定的電壓，二次測接負(fù)載的運(yùn)行狀態(tài)。（一）磁勢平衡方程式（二）變換電流因?yàn)樽儔浩骺蛰d電流IO很小，將其忽略則：（三）變換阻抗例題分析例：一臺(tái)電源變壓器，一次側(cè)電壓U1=380v，二次側(cè)電U2=38v，接有電阻性負(fù)載時(shí)，二次側(cè)電流I2=4A，已知變壓器效率?=0.8，試求一次側(cè)、二次側(cè)功率、損耗功率PSH及一次側(cè)電流。解：二次側(cè)功率

一次側(cè)功率

損耗功率

一次側(cè)電流課題引入：通常變壓器等電氣產(chǎn)品的銘牌數(shù)據(jù)是其長期穩(wěn)定運(yùn)行的保證值，我們在使用時(shí)應(yīng)該了解起含義；另外雖然變壓器通入交流電，但是在要求變壓器繞組之間聯(lián)接等一些場合要求正確知道變壓器的同名端。應(yīng)用舉例：供電時(shí)多臺(tái)變壓器的并聯(lián)運(yùn)行；三相晶閘管電路主電路與觸發(fā)電路之間的相位配合。實(shí)例項(xiàng)目三：某居民生活小區(qū)共有居民300戶，小區(qū)電網(wǎng)進(jìn)線10KV，選擇合適的供電變壓器。額定值：額定值是制造廠對(duì)變壓器在指定工作條件下運(yùn)行時(shí)所規(guī)定的一些量值。額定值通常標(biāo)注在變壓器的銘牌上。變壓器的額定值主要有：1、額定容量SN額定容量是指額定運(yùn)行時(shí)的視在功率。以VA、kVA或MVA表示。由于變壓器的效率很高，通常一、二次側(cè)的額定容量設(shè)計(jì)成相等。第二節(jié)變壓器的主要數(shù)據(jù)2、額定電壓U1N和U2N

正常運(yùn)行時(shí)規(guī)定加在一次側(cè)的端電壓稱為變壓器一次側(cè)的額定電壓U1N。二次側(cè)的額定電壓U2N

是指變壓器一次側(cè)加額定電壓時(shí)二次側(cè)的空載電壓。額定電壓以V或kV表示。對(duì)三相變壓器，額定電壓是指線電壓。3、額定電流I1N和I2N根據(jù)額定容量和額定電壓計(jì)算出的線電流，稱為額定電流，以A表示。

對(duì)單相變壓器

對(duì)三相變壓器4、額定頻率fN加在變壓器一次繞組上的電壓的允許頻率

除額定值外，變壓器的相數(shù)、繞組連接方式及聯(lián)結(jié)組別、短路電壓、運(yùn)行方式和冷卻方式等均標(biāo)注在銘牌上。額定狀態(tài)是電機(jī)的理想工作狀態(tài)，具有優(yōu)良的性能，可長期工作例題分析：一臺(tái)三相雙繞組電力變壓器的額定SN=750KＶA，UN1/UN2=6000V/400V，則原邊額定電流IN1=_______,副邊額定電流為IN2=__________。一臺(tái)單相變壓器額定電壓為3300Ｖ／220Ｖ，若低壓線圈有100匝，則高壓線圈有______匝，在高、低壓線圈中，每匝電壓為_______伏。

應(yīng)用實(shí)例分析：考慮到居民生活水平的提高，各種家電產(chǎn)品應(yīng)用廣泛，綜合考慮同時(shí)使用率以及今后的發(fā)展，該小區(qū)按照2KVA/戶的用電負(fù)荷進(jìn)行測算，同時(shí)為了便于維護(hù)，擬使用可移動(dòng)組合型干式變壓器，型號(hào)為ZB-F-630/10，額定容量630KVA，額定電壓10000/380V，均勻分相后給居民供電。第三節(jié)變壓器繞組的同極性端及其測定同名端同名端概念

對(duì)繞在同一個(gè)鐵心柱上的高、低壓繞組，通電后，鐵心中磁通交變，在兩個(gè)繞組中都會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電勢。設(shè)在某一瞬時(shí)，高壓繞組某一端電位為正，則低壓繞組也必然有一個(gè)電位為正的對(duì)應(yīng)端，這兩個(gè)對(duì)應(yīng)的同極性端稱為同名端。同名端的判定高、低壓繞組的感應(yīng)電勢與它們的繞向（或同名端）、端子標(biāo)號(hào)（繞組端子的首、末端的標(biāo)法）都有關(guān)系1、已知繞組繞向時(shí)的判斷2、未知繞組繞向時(shí)的判斷直流法實(shí)驗(yàn)法交流法課內(nèi)實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目

（單相變壓器直流法測定同名端）：（1）按圖2-9a)接線，E采用干電池，V表采用萬用表的最低直流電壓檔，注意正負(fù)極性。（2）分別接通與斷開S，觀察V表的偏轉(zhuǎn)。（3）將V表改為A表重復(fù)步驟（2）。例題分析（補(bǔ)充）三繞組變壓器220V/36V/12V，其副邊獨(dú)立供電或繞組串聯(lián)后，可以獲得哪幾種電壓？在工業(yè)生產(chǎn)中，經(jīng)常用到一些特殊變壓器，如三相異步電動(dòng)機(jī)的自耦變壓器降壓起動(dòng)；電柜中使用“軟接法”測量電壓、電流（電壓互感器、電流互感器）等。而變壓器的等效圖參數(shù)可以幫助判別變壓器的質(zhì)量與運(yùn)行性能。實(shí)物展示：自耦變壓器、電流互感器、鉗形電流表。引入課題

第四節(jié)特殊變壓器簡介一、自耦變壓器1、定義：自耦變壓器：把普通雙繞組變壓器的高壓繞組和低壓繞組串聯(lián)連接，便構(gòu)成一臺(tái)自耦變壓器，如圖所示。正方向規(guī)定與雙繞組變壓器相同。原理圖如圖C所示，在分析時(shí)我們可忽略自耦變壓器的漏磁通和繞組電阻，這樣我們可以得到以下等式：

2、電壓關(guān)系：3、主要優(yōu)缺點(diǎn)：

優(yōu)點(diǎn)：由于自耦變壓器的繞組容量小于額定容量，當(dāng)額定容量相同時(shí)，自耦變壓器與雙繞組變壓器相比，其單位容量所消耗的材料少、變壓器的體積小、造價(jià)低，而且銅耗和鐵耗也小，因而效率高。這就是自耦變壓器的主要優(yōu)點(diǎn)。

由于自耦變壓器原、副繞組之間有直接電的聯(lián)系，為了防止因高壓邊單相接地故障而引起低壓邊的過電壓，用在電力系統(tǒng)中的三相自耦變壓器中性點(diǎn)必須可靠接地。同樣，由于原、副繞組之間有直接電的聯(lián)系，當(dāng)高壓邊遭受過電壓時(shí)，會(huì)引起低壓邊嚴(yán)重過電壓，為避免這種危險(xiǎn)，需要在原、副邊都裝設(shè)避雷器。

缺點(diǎn)：二、儀用互感器

:電壓互感器和電流互感器電壓互感器和電流互感器又稱儀用互感器，是電力系統(tǒng)中使用的測量設(shè)備，其工作原理與變壓器基本相同。使用互感器的目的是：1．與小量程的標(biāo)準(zhǔn)化電壓表和電流表配合測量高電壓、大電流；2．使測量回路與被測回路隔離，以保障工作人員和測試設(shè)備的安全；3．為各類繼電保護(hù)和控制系統(tǒng)提供控制信號(hào)。(一）電壓互感器：當(dāng)忽略漏抗時(shí)：

≈

==這樣，被測電壓U1=K?U21．副方不允許短路，否則會(huì)產(chǎn)生很大的短路電流，燒壞互感器的繞組；2．鐵心和二次側(cè)繞組的一端應(yīng)可靠接地；3．副方接入的阻抗不得小于規(guī)定值，以減小誤差；4．二次側(cè)額定電壓為100V。在使用電壓互感器時(shí)應(yīng)注意：

二、電流互感器：1．在運(yùn)行過程中絕對(duì)不允許副方開路。這是因?yàn)殡娏骰ジ衅鞯脑诫娏魇怯杀粶y試的電路決定的，在正常運(yùn)行時(shí)，電流互感器的副方相當(dāng)于短路，副方電流有強(qiáng)烈的去磁作用，即副方的磁動(dòng)勢近似與原方的磁動(dòng)勢大小相等、方向相反，因而產(chǎn)生鐵心中的磁通所需的合成磁動(dòng)勢和相應(yīng)的勵(lì)磁電流很小。若副方開路，則原方電流全部成為勵(lì)磁電流，使鐵心中的磁通增大，鐵心過分飽和，鐵耗急劇增大，引起互感器發(fā)熱。同時(shí)因副繞組匝數(shù)很多，將會(huì)感應(yīng)出危險(xiǎn)的高電壓，危及操作人員和測量設(shè)備的安全；2．副方應(yīng)可靠接地；3．副方回路阻抗不應(yīng)超過規(guī)定值，以免增大誤差。4．二次側(cè)額定電流設(shè)計(jì)成5A。電流互感器在使用時(shí)應(yīng)注意：課內(nèi)實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目

（自耦變壓器認(rèn)識(shí)與鉗形電流表用）：按圖接線，自耦變壓器輸入端接220V電源，調(diào)節(jié)調(diào)壓手柄觀察V表讀數(shù)能否在0～220V變化，在A點(diǎn)跨入鉗形電流表，觀察有無讀數(shù)。（討論）VA220VA電爐第五節(jié)電磁鐵課題引入：在自動(dòng)化、半自動(dòng)化控制系統(tǒng)中，常用電磁鐵做成各種繼電器、接觸器、電磁工作臺(tái)、電磁閥、牽引電磁鐵、電磁抱閘等，應(yīng)用非常廣泛。應(yīng)用舉例：（圖片圖2-21～圖2-27等）一、概述電磁鐵:是利用通電的鐵心線圈來帶動(dòng)銜鐵動(dòng)作，從而使其他機(jī)械聯(lián)動(dòng)的一種電器。線圈得電——銜鐵動(dòng)作——機(jī)械聯(lián)動(dòng)線圈失電——銜鐵復(fù)位——機(jī)械反向聯(lián)動(dòng)電磁鐵的分類:直流電磁鐵:線圈中通入直流電交流電磁鐵:線圈中通入交流電幾種電磁鐵示意圖二、直流電磁鐵直流電磁鐵的工作特性:

1.電磁鐵的吸力與氣隙間的關(guān)系F=f(δ)作用在銜鐵上的吸力公式為:其中:B0為空氣隙中的磁感應(yīng)強(qiáng)度

S為鐵心的橫截面特性曲線: