電機(jī)與電氣控制技術(shù) 課件 1-2單相變壓器的認(rèn)識(shí)與使用

任務(wù)二單相變壓器的認(rèn)識(shí)與使用任務(wù)描述依據(jù)電磁感應(yīng)原理，變壓器可以把一種等級(jí)的交流電壓和電流轉(zhuǎn)變?yōu)橥l率的另一種等級(jí)的交流電壓和電流。在使用變壓器之前，要對(duì)電磁感應(yīng)的相關(guān)物理量和定則進(jìn)行充分的了解和掌握，便于進(jìn)行安全生產(chǎn)。本次任務(wù)以單相變壓器的使用為基點(diǎn)，通過(guò)學(xué)習(xí)單相變壓器的基本原理、工作特性等內(nèi)容，讓學(xué)生學(xué)會(huì)對(duì)小型變壓器的變壓、變流和阻抗變換作用進(jìn)行測(cè)試。本任務(wù)要深入了解基本磁路物理量和常用磁路規(guī)律（定則）的概念，并能進(jìn)行基本應(yīng)用；掌握單相變壓器的基本原理，會(huì)判斷單相變壓器的連接組別，了解單相變壓器的運(yùn)行特性。目錄磁路知識(shí)單相變壓器的連接組別單相變壓器的工作原理單相變壓器的運(yùn)行特性基本磁路物理量的認(rèn)知1、磁通在靜電學(xué)中我們用電場(chǎng)線來(lái)形象描述空間的電場(chǎng)分布，類(lèi)似的我們也可以用磁力線來(lái)形容描述空間磁場(chǎng)的分布。通過(guò)與磁場(chǎng)方向垂直的某一面積上的磁力線的總數(shù)，叫做通過(guò)該面積的磁通量，簡(jiǎn)稱磁通，用字母表示。單位名稱是韋伯，簡(jiǎn)稱韋，用符號(hào)Wb表示，它是一個(gè)標(biāo)量。）。主磁通

磁通漏磁通由于鐵芯的導(dǎo)磁性能比空氣要好得多（磁導(dǎo)率大），所以絕大部分磁通將在鐵芯內(nèi)通過(guò),這部分磁通稱為主磁通。圍繞載流線圈、部分鐵芯和鐵芯周?chē)目臻g，還存在少量分散的磁通，這部分磁通稱為漏磁通。基本磁路物理量的認(rèn)知2、磁感應(yīng)強(qiáng)度垂直通過(guò)單位面積的磁力線的多少，叫該點(diǎn)的磁感應(yīng)強(qiáng)度。在均勻磁場(chǎng)中，磁感應(yīng)強(qiáng)度可表示為B=／S，S表示均勻磁場(chǎng)的面積。這個(gè)式子表明，磁感應(yīng)強(qiáng)度B等于單位面積的磁通量，所以有時(shí)磁感應(yīng)強(qiáng)度也叫磁通密度。當(dāng)磁通單位為Wb，面積單位為㎡，磁感應(yīng)強(qiáng)度B的單位是T，稱為特斯拉，簡(jiǎn)稱特。磁感應(yīng)強(qiáng)度是一個(gè)矢量。磁力線上某點(diǎn)的切線方向就是該點(diǎn)磁感應(yīng)強(qiáng)度的方向，也就是這一點(diǎn)磁場(chǎng)方向。所以磁感應(yīng)強(qiáng)度不但表示了某點(diǎn)磁場(chǎng)的強(qiáng)弱，而且還能表示出該點(diǎn)的磁場(chǎng)方向?；敬怕肺锢砹康恼J(rèn)知3、磁阻電阻是反映導(dǎo)體對(duì)電流起阻礙作用大小的一個(gè)物理量，用R來(lái)表示。在磁場(chǎng)中，反映磁路對(duì)磁通的阻力叫磁阻，用Rm來(lái)表示，它由磁路的材料、形狀及尺寸所決定，Rm=L／μS。（L表示導(dǎo)體的長(zhǎng)度，μ是磁導(dǎo)率，S表示導(dǎo)體的截面面積）磁阻的單位是1／H。V）。4、磁導(dǎo)率反映導(dǎo)體導(dǎo)電性能好壞的物理量叫電導(dǎo)率。在磁場(chǎng)中與電導(dǎo)率相對(duì)應(yīng)的是磁導(dǎo)率，它是用來(lái)表示媒介質(zhì)導(dǎo)磁性能好壞的物理量。用字母μ表示，其單位名稱是H／m，簡(jiǎn)稱亨／米。非鐵磁物質(zhì)的磁導(dǎo)率是一個(gè)常數(shù)，而鐵磁物質(zhì)的磁導(dǎo)率不是常數(shù)。由實(shí)驗(yàn)測(cè)得真空中的磁導(dǎo)率μ0=4π×107H／m，為一個(gè)常數(shù)。把任意物質(zhì)的磁導(dǎo)率與真空的磁導(dǎo)率的比值稱作相對(duì)磁導(dǎo)率，用μr表示．即）。基本磁路物理量的認(rèn)知5、磁場(chǎng)強(qiáng)度我們舉一個(gè)例子，假如在一塊磁鐵上吸附一顆小鐵釘，磁鐵相當(dāng)于小鐵釘?shù)耐獯艌?chǎng)，小鐵釘就是磁鐵的一種媒介質(zhì)，對(duì)于磁鐵周?chē)拇艌?chǎng)，我們用磁場(chǎng)強(qiáng)度H來(lái)表示，那么被磁化后的小鐵釘?shù)拇艌?chǎng)(即包括了外磁場(chǎng)又包括了媒介質(zhì)對(duì)外磁場(chǎng)的影響)用磁感應(yīng)強(qiáng)度B表示，也就是說(shuō)磁感應(yīng)強(qiáng)度受磁導(dǎo)率的影響，而磁場(chǎng)強(qiáng)度H與磁導(dǎo)率無(wú)關(guān)。磁場(chǎng)中某點(diǎn)的磁感應(yīng)強(qiáng)度B與媒介質(zhì)磁導(dǎo)率的比值，叫做該點(diǎn)的磁場(chǎng)強(qiáng)度，用H表示，即：H=B／μ，磁場(chǎng)強(qiáng)度的單位名稱為安培／米，簡(jiǎn)稱安／米，用符號(hào)A／m表示。磁場(chǎng)強(qiáng)度是矢量，在均勻媒介質(zhì)中，它的方向和磁感應(yīng)強(qiáng)度的方向一致。V）。6、磁動(dòng)勢(shì)磁場(chǎng)是由電流產(chǎn)生的，但取決于電流與線圈匝數(shù)的乘積NI。我們把這一乘積叫做磁動(dòng)勢(shì)或磁通勢(shì)，簡(jiǎn)稱磁勢(shì)，用F表示，即F=NI，磁勢(shì)是磁路中產(chǎn)生磁通的“推動(dòng)力”。磁勢(shì)的國(guó)際制單位為安(A)。基本磁路定律（定則）的認(rèn)知1、磁路歐姆定律和電路中的歐姆定律一樣，在磁路中，可以用磁路歐姆定律來(lái)表示。以下面a圖所示的等截面無(wú)分支閉合鐵心磁路為例：線圈N匝，電流i，鐵心截面為S，磁路平均長(zhǎng)度為L(zhǎng)，磁導(dǎo)率為μ?？梢缘刃橄旅鎎圖所示的磁路。式中Rm是磁阻，單位為安培匝每韋伯，或匝數(shù)每亨利。F是磁動(dòng)勢(shì)，單位為安培匝。Φ是磁通量，單位為韋伯。即磁路中的磁通等于作用在該磁路上的磁動(dòng)勢(shì)

除以磁路的磁阻，這就是磁路的歐姆定律?；敬怕范桑ǘ▌t）的認(rèn)知2、安培定則也叫右手定則，是表示電流和電流激發(fā)磁場(chǎng)的磁感線方向間關(guān)系的定則。通電直導(dǎo)線中的安培定則（安培定則一）：用右手握住通電直導(dǎo)線，讓大拇指指向電流的方向，那么四指的指向就是磁感線的環(huán)繞方向，如圖所示。

安培定則一

安培定則一通電螺線管中的安培定則（安培定則二）：用右手握住通電螺線管，使四指彎曲的方向與電流方向一致，那么大拇指所指的那一端是通電螺線管的N極，如圖所示?；敬怕范桑ǘ▌t）的認(rèn)知3、左手定則電磁學(xué)中，右手定則判斷的主要是與力無(wú)關(guān)的方向。如果是和力有關(guān)的方向判定則全依靠左手定則。即關(guān)于力的用左手，其他的（一般用于判斷感應(yīng)電流方向）用右手定則。伸開(kāi)左手，使大拇指與其余四指垂直，并且都跟手掌在一個(gè)平面內(nèi)。把左手放入磁場(chǎng)中，讓磁感線垂直穿入手心，手心面向N極(叉進(jìn)點(diǎn)出)，四指指向電流所指方向，則大拇指的方向就是導(dǎo)體受力的方向，如圖所示?；敬怕范桑ǘ▌t）的認(rèn)知4、基爾霍夫定律流入和流出單位面積的磁通量的代數(shù)和為零。以圖示磁路為例，通過(guò)單位面積S的磁通量的代數(shù)和為零?；敬怕范桑ǘ▌t）的認(rèn)知5、法拉第電磁感應(yīng)定律當(dāng)穿過(guò)封閉回路的磁通量發(fā)生變化時(shí)，回路中的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)e的大小和穿過(guò)回路的磁通量變化率等成正比，即

，這就是法拉第電磁感應(yīng)定律。單相變壓器的連接組別

1、單相變壓器的極性

一臺(tái)三相變壓器可以看成由三臺(tái)單相變壓器組成，因此，要研究三相變壓器一次側(cè)、二次側(cè)線電動(dòng)勢(shì)（線電壓）之間的相位關(guān)系，必須首先掌握單相變壓器一次側(cè)、二次側(cè)電動(dòng)勢(shì)（電壓）之間的相位關(guān)系，即單相變壓器的極性。

單相變壓器的主磁通和一、二次繞組的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)都是交變的，沒(méi)有固定的極性，這里提到的極性是指某一瞬間的相對(duì)極性。單相變壓器的一、二次繞組纏繞在同一根鐵芯柱上，并被同一主磁通所交鏈，任何時(shí)刻兩個(gè)繞組的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)都會(huì)在某一端呈現(xiàn)高電位的同時(shí)，在另外一端呈現(xiàn)出低電位。用電路理論的知識(shí)，把一、二次繞組中同時(shí)呈現(xiàn)高電位（低電位）的端點(diǎn)稱為同名端，并在該端點(diǎn)旁加“．”來(lái)表示。反之，稱為異名端。當(dāng)一、二次繞組的首端為同名端時(shí)，它們的電勢(shì)同相位。反之，則反相位。單相變壓器的連接組別

2、單相變壓器的連接組

為了說(shuō)明變壓器的連接方法，首先對(duì)繞組的首端、末端的標(biāo)記作規(guī)定。

以上的標(biāo)志都注明在變壓器的線套管上，它牽涉到變壓器的相序和一次側(cè)、二次側(cè)的相位關(guān)系等，是不允許隨意改變的。單相變壓器的連接組別

變壓器的高壓繞組和低壓繞組都還可以采用星形和三角形接法，而且高、低繞組線電勢(shì)（或線電壓）的相位關(guān)系可以有多種情形。我們按照連接方式與相位關(guān)系，如圖所示，可把變壓器繞組的連接分成不同的組合，稱為繞組的連接組。星形聯(lián)結(jié)

三角形聯(lián)結(jié)單相變壓器的連接組別

一臺(tái)變壓器的連接組一般均采用“時(shí)鐘法”表示。即用時(shí)鐘的長(zhǎng)針代表高壓邊的線電勢(shì)相量，且位于時(shí)鐘的12時(shí)處不動(dòng)；短針代表低壓邊的相應(yīng)的線電勢(shì)相量，它們的相位差除以30°為短針?biāo)傅溺婞c(diǎn)數(shù)。按照慣例，統(tǒng)一規(guī)定一次側(cè)、二次側(cè)繞組感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的方向均從首端指向末端。一旦兩個(gè)繞組的首、末端定義完之后，同名端便唯一由繞組的繞向決定。當(dāng)同名端同時(shí)為原、副邊繞組的首端（末端）時(shí)，

和

同相位，用連接組

表示；否則，

和

相位相差180°，用連接組

表示，如圖所示。單相變壓器的連接組別

從以上的講述中可以看出影響單相組別的因素有：（1）繞組的繞向（決定了同極性端子）。（2）首末端標(biāo)志。當(dāng)首末端為同極性時(shí)，一次側(cè)、二次側(cè)繞組電勢(shì)同相位，否則反相位。

單相變壓器只有兩種連接組。即

和

兩種。單相變壓器的工作原理漯河職業(yè)技術(shù)學(xué)院變壓器是利用電磁感應(yīng)原理傳輸電能或電信號(hào)的器件,它具有變壓、變流和變阻抗的作用。主要由鐵芯和套在鐵芯上的兩個(gè)（或兩個(gè)以上）互相絕緣的繞組組成，繞組之間只有磁的耦合，沒(méi)有電的聯(lián)系。接在額定電壓的交流電源上的繞組稱為原邊繞組（或稱為一次繞組），其匝數(shù)為N1；接負(fù)載的繞組稱為副邊繞組（或稱為二次繞組），其匝數(shù)為N2。當(dāng)原邊繞組外加電壓u1交流電源時(shí)，原邊繞組中流過(guò)交流電流，產(chǎn)生交變磁動(dòng)勢(shì)，使鐵芯中產(chǎn)生交變磁通，并交鏈于原邊、副邊繞組，使原邊和副邊繞組中分別產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)e1和e2。根據(jù)電磁感應(yīng)定律推導(dǎo)得出結(jié)論：從式可知，變壓器的一次、二次繞組感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)之比與電壓之比都等于一次與二次繞組的匝數(shù)之比。在磁動(dòng)勢(shì)一定的條件下，只需改變一次、二次繞組的匝數(shù)之比，就可實(shí)現(xiàn)改變二次繞組輸出電壓的目的。單相變壓器的運(yùn)行特性--空載運(yùn)行特性變壓器空載運(yùn)行是指變壓器的一次繞組接在額定頻率、額定電壓的交流電源上，二次繞組開(kāi)路時(shí)的運(yùn)行狀態(tài)。

原邊繞組兩端加上交流電壓u1時(shí)，便有交變電流i1通過(guò)原邊繞組，此時(shí)i1稱為空載電流，用i0表示。大中型變壓器的空載電流約為原邊額定電流的3%—8%。變壓器空載時(shí)，原邊繞組近似為純電感電路，故i0滯后u190°，此時(shí)原邊繞組的交變磁動(dòng)勢(shì)為i0N1，它產(chǎn)生交變磁通，因?yàn)殍F芯的磁導(dǎo)率比空氣（或油）大得多，絕大部分磁通通過(guò)鐵芯磁路交鏈著原邊、副邊繞組，稱為主磁通或工作磁通，用

來(lái)表示；還有少量磁通穿出鐵芯沿著原邊繞組外側(cè)通過(guò)空氣或油而閉合，這些磁通只與原邊繞組交鏈，稱為漏磁通，用

來(lái)表示，漏磁通一般都很小，可以忽略不計(jì)。單相變壓器的運(yùn)行特性--空載運(yùn)行特性若外加電壓u1按正弦變化，則i0和

都按正弦變化。假設(shè)

推導(dǎo)可得：由于變壓器的空載電流i0很小，原邊繞組的電壓降可以忽略不計(jì)，故原邊繞組的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)近似地與外加電壓相平衡，即

。而副邊繞組是開(kāi)路的，其端電壓

就等于感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)

，即

。

于是有變壓器空載時(shí)，原邊、副邊繞組端電壓之比近似等于電動(dòng)勢(shì)之比，即匝數(shù)之比，這個(gè)比值k稱為變壓比，簡(jiǎn)稱變比。

當(dāng)k>1,則

，是降壓變壓器；若k>1，則

，是升壓變壓器。單相變壓器的運(yùn)行特性--負(fù)載運(yùn)行特性變壓器的負(fù)載運(yùn)行是指原邊繞組加額定電壓，副邊繞組與負(fù)載相連接時(shí)的運(yùn)行狀態(tài)，如圖所示。和空載運(yùn)行相比，負(fù)載運(yùn)行時(shí)副邊繞組上有了電流i2。

因?yàn)樽儔浩髟吚@組的電阻很小，它的電阻電壓降可以忽略不計(jì)。實(shí)際上，即使變壓器滿載，原邊繞組的電壓降也只有額定電壓

的2%左右，所以變壓器負(fù)載運(yùn)行時(shí)，仍可認(rèn)為

。由

可知：該式是反映變壓器基本原理的重要公式。它說(shuō)明，不論是空載還是負(fù)載運(yùn)行，只要加在原邊繞組上的電壓及其頻率f都保持一定，鐵芯中工作磁通的最大值就基本上保持不變，那么根據(jù)磁路歐姆定律，鐵芯磁路中的磁動(dòng)勢(shì)也應(yīng)基本不變。單相變壓器的運(yùn)行特性--負(fù)載運(yùn)行特性空載時(shí)，鐵芯磁路中的磁通是由原邊磁動(dòng)勢(shì)產(chǎn)生的。負(fù)載時(shí)，原邊、副邊繞組都有電流，則此時(shí)鐵芯中的磁通是由原邊和副邊繞組的磁動(dòng)勢(shì)共同產(chǎn)生的。不管空載還是負(fù)載，只要原邊繞組上的電壓及其頻率f都保持一定，鐵芯磁路中的磁動(dòng)勢(shì)也應(yīng)基本不變。故有稱為變壓器負(fù)載運(yùn)行時(shí)的磁動(dòng)勢(shì)平衡方程。

經(jīng)過(guò)推導(dǎo)可得：上式只適用于滿載或重載的運(yùn)行狀態(tài)，而不適用于輕載的運(yùn)行狀態(tài)，該式說(shuō)明，當(dāng)變壓器接近滿載時(shí)，原邊、副邊繞組的電流近似地與繞組匝數(shù)成反比，這表明變壓器有變流作用。單相變壓器的運(yùn)行特性--負(fù)載運(yùn)行特性變壓器除了有變壓、變流的作用之外，還可用來(lái)實(shí)現(xiàn)阻抗的變換。假設(shè)在變壓器的副邊繞組接入阻抗

，那么在原邊看，這個(gè)阻抗值相當(dāng)于多少呢？

變壓器阻抗變換等效電路由圖可知，等效阻抗

=K2

說(shuō)明，變壓器副邊的負(fù)載阻抗值反映到原邊的阻抗值近似為的K2倍，起到了阻抗變換的作用。單相變壓器的運(yùn)行特性--負(fù)載運(yùn)行特性例如，把一個(gè)8Ω的負(fù)載電阻接到k=3的變壓器副邊，折算到原邊就是72Ω?？梢?jiàn)，選用不同的變比，就可把負(fù)載阻抗變換為等效二端網(wǎng)絡(luò)所需要的阻抗值，使負(fù)載獲得最大功率，這種做法稱為阻抗匹配，在廣播設(shè)備中常用到，這類(lèi)變壓器稱為輸出變壓器。單相變壓器的運(yùn)行特性--工作特性變壓器的工作特性是指外特性和效率特性，表征變壓器性能的主要指標(biāo)有電壓變化率和效率。

是指電源電壓和負(fù)載的功率因數(shù)為常數(shù)時(shí)，二次側(cè)電壓隨負(fù)載電流變化的規(guī)律，即

。變壓器負(fù)載運(yùn)行時(shí)，由于變壓器內(nèi)部存在電阻和漏阻抗，故當(dāng)負(fù)載電流（負(fù)載運(yùn)行時(shí)的二次側(cè)電流）流過(guò)時(shí)，變壓器內(nèi)部將產(chǎn)生