第六章變壓器

第六章變壓器本章難點變壓器的構(gòu)造變壓器的工作原理旋轉(zhuǎn)磁場變壓器的運行性能變壓器的分類、基本結(jié)構(gòu)、額定值變壓器的工作原理變壓器的外特性及效率三相變壓器特殊變壓器

定義：利用電磁感應原理進行能量轉(zhuǎn)換的一種裝置。

用途 ：1、在電力系統(tǒng)中用來傳輸和分配電能。2、在電子線路中用作電源變壓器，實現(xiàn)阻抗匹配。3、在儀表測量電路中廣泛使用電流、電壓互感器。

分類：1、按相數(shù)分可以分為單相變壓器和三相變壓器。2、按繞組數(shù)分可以分為雙繞組變壓器和三繞組變壓器。圖

6-2殼式變壓器

（a）單相殼式變壓器（b）三相殼式變壓器圖

6-1心式變壓器（a）單相心式變壓器（b）三相心式變壓器變壓器的種類很多，但各種變壓器的工作原理大體上都是一樣的，以單相變壓器為例來研究變壓器的結(jié)構(gòu)及工作原理，然后講三相變壓器、特殊變壓器的特點。一、變壓器的結(jié)構(gòu)主要由鐵心、繞組、絕緣及其他一些元部件構(gòu)成。

鐵心：鐵心都是由厚度為0.35—0.5mm的硅鋼片迭裝而成，硅鋼片上涂有絕緣漆。（美國的部分電力變壓器已采用0.2mm以下的冷軋鋼片。俄羅斯在中高頻電機中采用0.1mm的硅鋼片。

繞組：繞組用導電性能好的漆包圓銅線繞制而成，為絕緣方便，低壓繞組緊靠鐵心，高壓繞組則套在低壓繞組的外邊，兩個繞組之間留有油道，一方面作為繞組間絕緣，另一方面冷卻繞組。二、變壓器的工作原理

（一）空載運行

1、定義：變壓器一次繞組加額定電壓，二次繞組開路的運行方式。如圖所示是變壓器空載運行的原理圖。

圖

6-4變壓器的空載運行

在空載時，當原繞組接通交流電壓u1，就有空載電流i0通過原繞組并在原繞組中產(chǎn)生磁通勢i0N1(N1為原繞組的匝數(shù))。在磁通勢i0N1的作用下產(chǎn)生主磁通Φ，它通過鐵心構(gòu)成閉合回路，它的方向與電流i0的方向符合右螺旋定則。由于主磁通同時與原繞組和副繞組相交鏈，必然在原、副繞組中產(chǎn)生感應電動勢e1和e2。

2、e1、e2與φ的大小相位關系

根據(jù)電磁感應定律可得，設有效值為e1和e2均比主磁通滯后900，它們的最大值為：3、eσ1與Φσ1的關系：如果電流隨時間按正弦規(guī)律變化則：式中稱為原繞組的漏磁感抗。4、電壓平衡方程式：根據(jù)KVL可以列出一、二次測的電壓平衡方程式一次測：故二次測：5、變比：

K稱為變壓器的變比，亦即原、副繞組的匝數(shù)之比?？梢?，當電源電壓一定時，只要改變匝數(shù)比，就可得到不同的輸出電壓。（二）負載運行1、定義：變壓器一次繞組加額定電壓，二次繞組接負載的運行方式。2、負載運行的物理過程：原理如圖所示：

從能量轉(zhuǎn)換的觀點看，副邊有能量輸出，必然使原繞組從電源多吸取負載所需要的能量，通過主磁通傳遞給副繞組。當電源電壓U1

保持不變，要使輸入能量增加，原邊電流必然增大，即從空載時的i0增加到負載時的i1

。由U1≈E1=4.44fN1Φm

可見，當電源電壓U1和頻率f不變時，E1和Φm也都近于常數(shù)。就是說，鐵心中的主磁通的最大值在變壓器空載或負載時基本上是恒定的。因此，有負載時產(chǎn)生主磁通的原、副繞組的合成磁動勢（i1N1+i2N2）應該和空載時產(chǎn)生主磁通的原繞組的磁動勢i0N1

近似相等，即i1N1+i2N2≈i0N1

如用相量表示，則為3、磁勢平衡方程式：這就是變壓器中的磁勢平衡方程式。變壓器的空載電流i0是勵磁用的。由于鐵心的磁導率高，空載電流是很小的。它的有效值在原繞組額定電流的10%以內(nèi),因此i0N1

與i1N1相比，常可忽略。于是原、副繞組的電流關系為上式表明變壓器原、副繞組的電流之比近似等于它們的匝數(shù)比的倒數(shù)，說明變壓器還有變換電流的作用。4、二次測電勢平衡方程式：和變壓器的原邊相似，副繞組中有電流通過時也會產(chǎn)生漏磁通Φσ2，同樣會在副繞組中產(chǎn)生漏磁感應電動勢Eσ2

；另外，副繞組中也有電阻R2

，也會產(chǎn)生電阻壓降I2

R2

，由圖可以得出或式中：E2為副繞組的感應電動勢；U2為負載兩端的電壓；R2為副繞組的電阻；Xσ2為副繞組的漏磁感抗；Eσ2為副繞組的漏磁電動勢；Zσ2為副繞組的復阻抗。5、阻抗變換：

以使負載獲得較大的功率。但是，一般情況下負載阻抗很難達到匹配要求，所以在電子線路中常利用變壓器進行阻抗變換。在電子線路中常常對負載阻抗的大小有要求

表明，變壓器副邊阻抗為∣Z∣時，原邊等效阻抗為K2∣Z∣，只要改變變壓器的變比，就可以使負載與電源進行匹配獲得較高的功率輸出。這種做法通常稱為阻抗匹配。三、變壓器的外特性及效率（一）變壓器的外特性和電壓調(diào)整率交流供電系統(tǒng)中的用電設備通常要通過變壓器接入電源。在變壓器原邊接入額定電壓U1，副邊開路時的開路電壓為U20。變壓器副邊接入負載后，有電流I2輸出，副邊繞組中產(chǎn)生電抗壓降，根據(jù)式（6－13）可知，輸出電壓U2隨輸出電流I2的變化而變化，即U2=f(I2)關系稱為變壓器的外特性，如圖所示。對電阻性和電感性負載而言，電壓U2隨電流I2的增加而下降。外特性的下降程度與負載的功率因數(shù)有關，功率因數(shù)愈低，下降愈劇烈。副邊電壓U2隨I2的變化情況，除了用外特性表示外，還可以用電壓調(diào)整率△Ｕ％來表示。如副邊的空載電壓為U20，當I2增加到額定值I2N時的端電壓為U2，則電壓調(diào)整率△Ｕ％可用下式表示：

電力變壓器的電壓調(diào)整率約為5%左右。

（二）變壓器的損耗與效率變壓器工作時是有損耗的，變壓器的損耗包括鐵損ＰＦe和銅損ＰＣＵ。鐵損又包括渦流損耗和磁滯損耗。鐵損耗的大小主要取決于電源的頻率及鐵心的磁通量，由于變壓器在運行時，電源的頻率及磁通量不變，故鐵損基本不變。銅耗是在變壓器負載運行時，電流在原、副繞組電阻上產(chǎn)生的損耗。變壓器中銅損耗的大小與繞組中通過的電流大小有關。變壓器的效率是指變壓器輸出的有功功率P2與輸入的有功功率P1的比值。用η表示。即由于變壓器的損耗很小，故效率很高。例如電力變壓器滿載時效率在95%以上，大型變壓器效率可達99%。

四、三相變壓器現(xiàn)代工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)通常采用三相交流電，三相變壓器就是用來升高和降低三相交流電壓的設備。

（一）三相變壓器的結(jié)構(gòu)由三個單相變壓器構(gòu)成的三相變壓器稱為三相變壓器組，如圖6－9所示。三相變壓器組的特點是三個磁路單獨分開，互不關聯(lián)。因此三相之間只有電的聯(lián)系而無磁的耦合。稱為不相關磁路系統(tǒng)。圖3－10所示是三相心式變壓器，三相心式變壓器的特點是三相中任何一個鐵心柱中的磁通都經(jīng)過其它兩個鐵心柱形成閉合磁回路，三相之間不僅有電的聯(lián)系而且有磁的關聯(lián)，因此稱為相關磁路系統(tǒng)。和同容量的三相變壓器組相比較，三相心式變壓器的優(yōu)點是，所用材料少、重量輕、價格便宜。一般中、小容量的電力變壓器，都采用三相心式變壓器，以節(jié)省材料。只有大容量的巨型變壓器，為了制造及運輸上的方便和減少電站備用器材的投資，才選用三相變壓器組。

圖6-9三相變壓器組(Y/Y0連接)圖6-10三相心式變壓器(Y/Y0)（二）三相變壓器中原、副邊線電壓與相電壓之間的變換關系如圖6－11所示，其中圖（a）為Y/Yo連接，圖（b）為Y/△連接。圖中說明，不論三相變壓器作何種連接，其原、副邊相電壓的比值仍等于原、副繞組的匝數(shù)比，（變壓器的變比）。

當三相繞組接法不同時，原、副邊線電壓的比值是不同的,即

當作Y/Yo連接時

當作Y/△連接時

當作△/Y連接時五、特殊變壓器（一）自耦變壓器在前面討論的雙繞組變壓器中，每一相的原繞組和副繞組獨立分開，原繞組具有匝數(shù)N1，副繞組具有匝數(shù)N2，原、副繞組之間只有磁的耦合而無電的聯(lián)系。假如在變壓器中只有一個繞組，如圖3所示，在繞組中引出一個抽頭C，使Nab=N1，Ncb=N2,由于感應電動勢正比于匝數(shù)，當鐵心中的磁通交變時，在這兩部分繞組中的感應電動勢應該分別為因此，圖6－12所示的繞組結(jié)構(gòu)形式，也起著變壓器的作用。原繞組感應電動勢與外施電壓相平衡，副繞組感應電動勢加到負載后便可向外供電。所不同的只是Ncb是副繞組，也是原繞組的一部分，這種原邊和副邊具有部分公共繞組的變壓器稱為自耦變壓器。即自耦變壓器的原、副繞組之間不僅有磁的聯(lián)系而且還有電的直接聯(lián)系。自耦變壓器的原理與普通雙繞組變壓器是一樣的，在原、副繞組電壓、電流之間同樣存在如下關系：若將自耦變壓器副繞組的分接頭C做成能沿著徑向裸露的繞組表面自由滑動的電刷觸頭，移動電刷的位置，改變副繞組的匝數(shù)，就能平滑地調(diào)節(jié)輸出電壓。實驗室中常用的調(diào)壓器就是一種可改變副繞組匝數(shù)的自耦變壓器。其外形如圖6－13所示?；ジ衅魇且环N測量用的設備，分電流互感器和電壓互感器兩種。它們的工作原理和變壓器相同。互感器有兩個主要用途：一是將測量或控制回路與高電壓和大電流電網(wǎng)隔離，以保證工作人員的安全；二是用來擴大交流電表的量程。通常，電流互感器的副邊電流為5安或1安，電壓互感器的副邊電壓為100伏。（二）互感器1、電壓互感器圖3－14是電壓互感器的原理圖。電壓互感器的原繞組匝數(shù)較多，與被測電路并聯(lián)，副繞組的匝數(shù)較少，副邊接入的是電壓表（或功率表的電壓線圈），由于它們的阻抗很高，因此電壓互感器正常工作時相當于副邊開路時的變壓器。根據(jù)變壓器的工作原理可知或。適當?shù)剡x擇變比，就能從副邊的電壓表上間接地讀出高壓邊的電壓。如果配以專用的電壓互感器，電壓表的刻度可以按高壓側(cè)的電壓值標出，這樣可以直接從電壓表讀出高壓側(cè)的電壓值。在使用電壓互感器時應該注意：第一，電壓互感器的鐵心及副邊繞組必須可靠接地，以防止高壓繞組的絕緣損壞時，在低壓邊出現(xiàn)高電壓，危及量測人員的安全；第二，副邊繞組不允許短路，否則會產(chǎn)生很大的短路電流。圖6-14電壓互感器2、電流互感器圖是電流互感器的原理圖。電流互感器原邊繞組的匝數(shù)少（只有一、兩匝），導線粗，工作時串接在待測量電流的電路中；電流互感器副邊的圈數(shù)比原邊圈數(shù)多，導線細，與電流表（或其它儀表及繼電器的電流線圈）相連接。根據(jù)變壓器的工作原理可知由式（6－17）可見，利用電流互感器可將大電流變換為小電流。在使用電流互感器時應注意：第一，副繞組絕對不允許開路。因為副繞組開路時，互感器為空載運行，原繞組中被測線路電流I1全部成為激磁電流，使鐵心中的磁通增加許多倍，這一方面使鐵損大大增加，鐵心嚴重發(fā)熱，燒壞互感器；另一方面使副繞組中感應電動勢增高到危險的程度，可能擊穿絕緣，或發(fā)生事故；第二，為使用安全，電流互感器的副繞組必須可靠接地。圖6-15電流互感器

式中K1是電流互感器的變換系數(shù)。在實際工作中，經(jīng)常使用的鉗形電流表，就是把互感器和電流表組裝在一起，如圖6－16所示。電流互感器的鐵心象把鉗子，在測量時可用手柄將鐵心張開，把被測電流的導線套進鉗形鐵心內(nèi)，被測電流的導線就是電流互感器的原繞組（只有一匝），副繞組繞在鐵心上并與電流表接通，這樣就可從電流表中直接讀出被測電流的大小。利用鉗形電流表可以很方便地測量線路中的電流，而不用斷開被測電路。圖6-16鉗形電流表六、變壓器的額定值為了使變壓器能安全連續(xù)地運行，制造廠將它的額定值標明在銘牌上，在使用時必須了解這些數(shù)據(jù)的意義，以便正確地使用變壓器。（一）額定電壓原繞組的額定電壓U1N是變壓器正常運行時加在原繞組的電壓，副繞組的額定電壓U2N是當變壓器的原繞組加額定電壓時副繞組的空載電壓。三相變壓器的額定電壓都是指線電壓。（二）

額定電流變壓器的額定電流是指按規(guī)定工作方式（長時間連續(xù)工作或短時工作或間歇