1、1变压器的工作原理变压器的工作原理 及运行性能及运行性能变电压：变电压：电力系统；电源变压器电力系统；电源变压器 变阻抗：变阻抗：电子电路中的阻抗匹配电子电路中的阻抗匹配（如喇叭（如喇叭 的输出变压器）的输出变压器） 变电流：变电流：电流互感器电流互感器 变压器的功能 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 cos 及及负载功率因数负载功率因数cos 一定时：一定时：电能损耗小电能损耗小节省金属材料（经济）节省金属材料（经济）U I P = I RlI S 发电厂发电厂1.05万伏万伏输电线输电线22万伏万伏升压升压变电站变电站1万伏万伏降压降压 变压器应用举例降压
2、降压实验室实验室380 / 220伏伏降压降压仪器仪器36伏伏降压降压 电力变压器、配电变压器、整流变压器、电力变压器、配电变压器、整流变压器、 电焊变压器、船用变压器、电源变压器等。电焊变压器、船用变压器、电源变压器等。 三相变压器、单相变压器。三相变压器、单相变压器。 双绕阻变压器、三绕阻变压器、自耦变压器。双绕阻变压器、三绕阻变压器、自耦变压器。 干式干式变压器变压器、油浸式、油浸式变压器变压器。 心式变压器、壳式变压器。心式变压器、壳式变压器。 变压器的种类5 变压器的种类磁场中穿过某一截面积磁场中穿过某一截面积 A 的磁感线数。的磁感线数。 单位：韦单位：韦伯伯（Wb）。）。 磁场是
3、由电流产生的，磁场用磁感线描述。磁场是由电流产生的，磁场用磁感线描述。 磁性物质的高导磁性磁性物质的高导磁性 被广泛应用于变压器被广泛应用于变压器 和电机中。和电机中。u i主磁通主磁通 漏磁通漏磁通 铁心铁心 励磁绕组励磁绕组 由于铁心的高导磁性，由于铁心的高导磁性， 主磁通主磁通 漏磁通。漏磁通。771、磁感应强度、磁感应强度 BSB 与磁场方向相垂直的单位面积上通过的磁通（磁力线）与磁场方向相垂直的单位面积上通过的磁通（磁力线）2、磁导率、磁导率：表征各种材料导磁能力的物理量：表征各种材料导磁能力的物理量3、磁场强度、磁场强度 H 磁场强度是计算磁场所用的物理量。磁场强度是计算磁场所用的
4、物理量。BH 相相关关概概念念mRF4. 磁场中的欧姆定律磁场中的欧姆定律B的单位：特的单位：特真空中的磁导率为常数真空中的磁导率为常数mH /104700r非磁性材料1r磁性材料1r85. 安培环路定律（全电流定律）：安培环路定律（全电流定律）： IldH 磁场中任何闭合回路磁场强度的线积分磁场中任何闭合回路磁场强度的线积分, ,等于等于通过这个闭合路径内电流的代数和。通过这个闭合路径内电流的代数和。HLNI 均匀无分支磁路中：均匀无分支磁路中：HI1I2I3 电流方向和磁场强度的电流方向和磁场强度的方向符合方向符合右手定则右手定则，电流取，电流取正正；否则否则取取负负。磁路：主磁通所经过的
5、闭合路径。磁路：主磁通所经过的闭合路径。1u2ui1. 1. 磁路磁路 线圈通入电流后，产线圈通入电流后，产生磁通，分主磁通和漏生磁通，分主磁通和漏磁通。磁通。：主磁通主磁通：漏磁通漏磁通铁心铁心（导磁性能好（导磁性能好 的磁性材料）的磁性材料）线圈线圈对于均匀磁路对于均匀磁路(1). 磁路的欧姆定律磁路的欧姆定律有：有： RmmmRINFINSLslRm其中：其中：Rm 称为磁阻称为磁阻m磁导率磁导率Fm 称为磁动势称为磁动势11磁路和电路的比较（一）磁路和电路的比较（一）磁磁路路电电路路INR+_EI磁通磁通磁压降磁压降HL磁动势磁动势INF 电压降电压降U电动势电动势E电流电流IU12欧
6、姆定律欧姆定律mRF 磁阻磁阻SLRm磁感应磁感应强度强度SB 安培环路安培环路定律定律HLNI0磁磁 路路IN欧姆定律欧姆定律电阻电阻电流电流强度强度KVLKCL0IUEREISLR SQI磁路与电路的比较磁路与电路的比较 ( (二二) )电电 路路R+_EI电路方程：电路方程：dtdNRieeuulR)()(一般情况下一般情况下 很小很小,且忽略漏磁通。且忽略漏磁通。RudtdNu 交流电源交流电源 线圈中产生感应电势线圈中产生感应电势(2). (2). 交流磁路的分析交流磁路的分析：主磁通：主磁通：漏磁通：漏磁通uLeei的感应电势的感应电势 和和 产生产生电路方程：电路方程：dtdNR
7、ieeuulR)()(假设假设tmsin则则tfNtNummcos2cos最大值最大值mmfN U2有效值有效值mmfNUU44.42dtdNu uLeei （变压器的磁路）（变压器的磁路） 用硅钢片叠成。用硅钢片叠成。 高压绕组和低压绕组同心地套在铁心上。高压绕组和低压绕组同心地套在铁心上。 油箱、油、油枕、绝缘导管、保护设备等。油箱、油、油枕、绝缘导管、保护设备等。 心式变心式变压器和壳式变压器。压器和壳式变压器。 心式变压器心式变压器 （绕组包围铁心）（绕组包围铁心） 铁心铁心 绕组绕组 壳式变压器壳式变压器 （铁心包围绕组）（铁心包围绕组） 铁心铁心 绕组绕组 单相变压器原理图单相变压
8、器原理图1u1i2u2iLR变压器符变压器符号号2211iuiu铁心铁心原边绕组原边绕组N1 工作过程：工作过程：副边绕组副边绕组N21u2uLR1i2i 变压器额定容量变压器额定容量(KVA)S:三相三相D:单相单相 额定电压额定电压 U U2N2N原边接原边接U U1N1N时，副边绕组的开路电压时，副边绕组的开路电压NNUU21 、 额定电流额定电流 变压器满载运行时，原、副边绕组允许的电流值。变压器满载运行时，原、副边绕组允许的电流值。NNII21 额定容量额定容量 ：额定视在功率：额定视在功率 NSNNNSSS21（理想）（理想）SN = U1NI1N= U2NI2N三相变压器三相变压
9、器单相变压器单相变压器SN= U1NI1N = U2NI2N 线电压线电压线电流线电流 额定频率：额定频率：我国变压器的额定频率为我国变压器的额定频率为50赫兹赫兹容量容量 SN 输出功率输出功率 P2 原边输入功率原边输入功率 P1 输出功率输出功率 P2注意：变压器几个功率的关系注意：变压器几个功率的关系效率效率变压器功变压器功率因数率因数NNNIUS11容量：容量：21PP 原边输入功率：原边输入功率：cos222IUP 输出功率：输出功率： u2 e1 电磁关系电磁关系 e2u1ZL 1 2 i2i1ZL U1I1 I2 U2 E1 E2 一次绕组一次绕组 二次绕组二次绕组 用图形符号
10、表示用图形符号表示 的变压器电路的变压器电路 一、变压器的空载运行一、变压器的空载运行 ： 原边接入额定正弦电源，副边开路。原边接入额定正弦电源，副边开路。接通接通交流电源交流电源1u 原边电流原边电流 i1等等 于励于励 磁电流磁电流 i0 dtdNedtdNe2211 产生感应电动势产生感应电动势1u2e1i1e1N2N i0 产生磁通产生磁通（交变）（交变）= E1Z1I1E1 =j4.44 f N1 m U1 =E1(R1jX1 ) I1 I2 = 0I1 = I010% I1N U2 = U20 = E2U1E1 变压器空载时变压器空载时 U1I1 U2 E1 E2 原边漏阻抗原边漏
11、阻抗 结论：改变匝数比，就能改变输出电压。结论：改变匝数比，就能改变输出电压。KNNEEUU212121K为为变压比变压比0i1u2u2i1e2e原、副边电压关系原、副边电压关系mmNfENfE221144.444.4根据交流磁路的分析可得：根据交流磁路的分析可得：22eu 02i时时 （变电压）（变电压）二、变压器的负载运行二、变压器的负载运行 ：1u2e1i1e1N2NZL2i 副边带负载后对磁路的影响：副边带负载后对磁路的影响：在副边感应电压的作用下，在副边感应电压的作用下，副边线圈中有了电流副边线圈中有了电流 i2 。此此电流在磁路中也会产生磁通，从而影响原边电流电流在磁路中也会产生磁
12、通，从而影响原边电流 i1。但当外加但当外加电压、频率不变时，铁芯中主磁通的最大值在变压器空载或有电压、频率不变时，铁芯中主磁通的最大值在变压器空载或有负载时基本不变负载时基本不变 。带负载后磁动势的平衡关系为：带负载后磁动势的平衡关系为：102211NiNiNi)44. 4(11mNfU 1、负载运行时的物理现象、负载运行时的物理现象U1NE1 = 4.44 f N1m U1N4.44 f N1m N1i1 N2i2 N1i0 N1I1N2I2 = N1I0 磁动势平衡方程：磁动势平衡方程： I1 = I2 N2N1N1I1N2I2 = 0 u2 e1 e2u1ZL 1 2 i2i1由于变压
13、器铁芯材料的导由于变压器铁芯材料的导磁率高、空载励磁电流磁率高、空载励磁电流 i0很小，可忽略很小，可忽略 。即。即KNNII11221(1) i1 与与 i2 反相位反相位 i10 时，时，i2 0，即，即 i2 是去磁的。是去磁的。保持主磁通不变。保持主磁通不变。 (2) i1 与与 i2 的大小关系的大小关系I1I2N2N1= =1kI1 = I2 N2N1 电流变换电流变换 变压器的额定电流标注在铭牌上（变压器的额定电流标注在铭牌上（ I1N / I2N）。）。 结论：原、副边电流与匝数成反比结论：原、副边电流与匝数成反比= E1Z1I1 R1、X1 和和 Z1 一次绕组的电阻、漏电抗
14、和漏阻抗。一次绕组的电阻、漏电抗和漏阻抗。U2 = ZLI2 E1 =j4.44 f N1 m U1 =E1(R1jX1 ) I1 (2). 二次测电压方程二次测电压方程 E2 =j4.44 f N2 m = E2Z2I2 U2 = E2(R2jX2 ) I2 R2、X2 和和 Z2 二次绕组的电阻、漏电抗和漏阻抗。二次绕组的电阻、漏电抗和漏阻抗。 规定规定 U1 = U1N 时时， U20 = U2N 。 如铭牌上标注：如铭牌上标注： 10 000 / 230 V U1N / U2NU2 E2U1E1= N1 N2E1 E2 = k U1U2 若忽略原、副绕若忽略原、副绕组的漏磁阻抗组的漏磁
15、阻抗Z1和和Z2的电压降，则的电压降，则 一般取一般取高压绕组的高压绕组的 电压与低压绕组的电电压与低压绕组的电 压之比，即压之比，即 k1。 一般一般 U2N 比满载时的比满载时的 电压高电压高 5% 10% 。 31LLZKIUKKIKUIUZ22222211 结论：结论： 输入的电压、电流和功率不变，变压器一次侧输入的电压、电流和功率不变，变压器一次侧的等效阻抗模，为二次侧所带负载的阻抗模的的等效阻抗模，为二次侧所带负载的阻抗模的K 2 倍。倍。 1U2U1I2ILZ+1U1ILZ+三、阻抗变换三、阻抗变换LLZKZ222IUZL从原边等效从原边等效11IUZL阻抗变换举例：阻抗变换举例
16、：扬声器上如何得到最大输出功率扬声器上如何得到最大输出功率i1uRsRL信号源信号源设：设：信号电压的有效值信号电压的有效值:U1= 50V;信号内阻：信号内阻：Rs=100 ;负载为扬声器，其等效电阻：负载为扬声器，其等效电阻： RL=8 。求：负载上得到的功率求：负载上得到的功率解：解：（1）将负载直接接到信号源上，得到的输出功）将负载直接接到信号源上，得到的输出功 率为：率为： W)(7 . 181085022LLSRRRUpL1i1u2u2iLR1N2NRs（2）将负载通过变压器接到信号源上。）将负载通过变压器接到信号源上。输出功率为：输出功率为：W25. 698981005022LL
17、SLRRRUp设变比设变比 1:5 . 321NNK9885 . 32LR则：则：结论：由上例可知加入变压器以后，输出功率提高结论：由上例可知加入变压器以后，输出功率提高 了很多。了很多。解解 例例 一只电阻为一只电阻为 8 的扬声器的扬声器 (喇叭喇叭)，需要，需要把电阻提高到把电阻提高到 800 才可以接入半导体收音机的输出端，才可以接入半导体收音机的输出端， 问应该利用电压比为多大的变压器才能实现这一阻抗匹问应该利用电压比为多大的变压器才能实现这一阻抗匹 配。配。 k = = = 10 ReRL8008 U2 = E2Z2I2 当当 U1 = U1N，cos 2 不变时：不变时： U2
18、= f ( I2) U2 I2OU20cos 2 =1cos 2 = 0.8 (感性感性)cos 2 = 0.8 (容性容性) U = U20U2 U20100% 电力变压器：电力变压器： U = 2% 3% 电压调整率电压调整率 I2N U2 （副边输出电压和输出电流的关系。）（副边输出电压和输出电流的关系。）U20：原边加额定电压、副：原边加额定电压、副边开路时的输出电压。边开路时的输出电压。变压器的损耗包括两部分：变压器的损耗包括两部分：铜损铜损 (PCU) ：绕组导线电阻所致。绕组导线电阻所致。磁滞损失：磁滞现象引起铁芯发热，磁滞损失：磁滞现象引起铁芯发热， 造成的损失。造成的损失。涡
19、流损失：交变磁通在铁芯中产生的感涡流损失：交变磁通在铁芯中产生的感 应电流（涡流）应电流（涡流）,造成的损失。造成的损失。铁损铁损( )：PFE为防止涡流损失，铁芯一般由为防止涡流损失，铁芯一般由一片片导磁材料叠合而成。一片片导磁材料叠合而成。1112PPPPPPFECU 损耗损耗变压器的效率：变压器的效率：P2 变压器的变压器的 P1 电力变压器电力变压器 当当 I2 = ( 50% 75% ) I2N 时，时， = max 小型电力变压器小型电力变压器 = 80% 90% 大型电力变压器大型电力变压器 = 98% 99% 额定输出功率额定输出功率P2N = U2NI2Ncos 2 = SN
20、 cos 2 P2N = U2I2Ncos 2 忽略忽略 U 时时!解解 忽略电压调整率，则忽略电压调整率，则 P2 = SNcos 2 = 101030.8 W = 8 kW P = PFePCu = (300400) W = 700 W P1 = P2P = (8 000700) W = 8.7 W 例例 一变压器容量为一变压器容量为 10 kVA，铁损为，铁损为 300 W， 满载时铜损为满载时铜损为 400 W，求该变压器在满载情况下向功率，求该变压器在满载情况下向功率 因数为因数为 0.8 的负载供电时输入和输出的有功功率及效率的负载供电时输入和输出的有功功率及效率。 P1P2 =1
21、00% 8 8.7 = 100% = 92% 例例 某单相变压器的额定电压为某单相变压器的额定电压为 10 000/230 V 接在接在 10 000 V 的交流电源上向一电感性负载供电，电压的交流电源上向一电感性负载供电，电压 调整率为调整率为 0.03，求变压器的电压比、空载和满载时的二，求变压器的电压比、空载和满载时的二 次电压。次电压。 解解 变压器的电压比为变压器的电压比为 空载时的二次电压为空载时的二次电压为 U20 = U2N = 230 V 满载时的二次电压为满载时的二次电压为 U2 = U2N (1 U% ) = 230(1 0.03) = 223 V k = = = 43.
22、5 U1N U2N 10 000 230 例例 在例在例5.3.1 中，中，ZL = 0.966 时正好满载，时正好满载，求该变压器的电流。求该变压器的电流。 解解 变压器的电压比为变压器的电压比为 I2 = = A = 224 A U2 ZL 223 0.966 I1 = = A = 5.15 A I2 k 224 43.5 当电流流入两个线圈（或流出）时，若产生的磁通当电流流入两个线圈（或流出）时，若产生的磁通方向相同，则两个流入端称为同极性端（同名端）。方向相同，则两个流入端称为同极性端（同名端）。1、同极性端（同名端）、同极性端（同名端）AXax*AXax* (a) 绕向相同绕向相同
23、(b) 绕向相反绕向相反 A与与 a是同极性端是同极性端 (同名端同名端) A与与 x是异极性端是异极性端 (异名端异名端) A与与 x 是同极性端是同极性端 (同名端同名端) A与与 a是异极性端是异极性端 (异名端异名端) (a) 绕向相同绕向相同 (b) 绕向相反绕向相反 绕组极性的标注方法绕组极性的标注方法 AXaxAXax110V110V220V (a) 绕组的串联绕组的串联 110V (b) 绕组的并联绕组的并联 2、绕组的正确接法、绕组的正确接法 （串联和并联）（串联和并联） 110V110V异名端连接异名端连接同名端连接同名端连接电器使用时两种电压（电器使用时两种电压（220V
24、/110V）的切换：）的切换：220V： 联结联结 2 3110V： 联结联结 1 3，2 4线圈的接法线圈的接法1324*如果两绕组的极性端接错，结果如何？如果两绕组的极性端接错，结果如何？结论：结论：在极性不明确时，一定要先测定极性再通电。在极性不明确时，一定要先测定极性再通电。答：答：有可能烧毁变压器有可能烧毁变压器两个线圈中的磁通抵消两个线圈中的磁通抵消烧毁烧毁感应电势感应电势0e电流电流 很大很大11Rui 1111eRiu原因：原因：*1324NN1i220U 47 U1 U2u1 u2V1 V2v1 v2W1 W2w1 w2 特点：三相之间只有电的联系，没有磁的联系。特点：三相之
25、间只有电的联系，没有磁的联系。 48U1U2u1u2V1V2v1v2W1W2w1w2 特点：三相之间既有电的联系，又有磁的联系。特点：三相之间既有电的联系，又有磁的联系。 49 联结方式联结方式 高压绕组高压绕组 低压绕组低压绕组 星形有中性线星形有中性线 YN yn 星形无中性线星形无中性线 Y y 三角形三角形 D dGB: Yyn、Yd、YNd、Yy、YNy最常用的三种最常用的三种 手柄手柄 接线柱接线柱 可调式自耦变压器（调压器）可调式自耦变压器（调压器） 手柄手柄 绕组绕组 接触臂接触臂 使用时，改变滑动端的位置，便可得到不同的输使用时，改变滑动端的位置，便可得到不同的输出电压，实验
26、室中用的调压器就是根据此原理制作的。出电压，实验室中用的调压器就是根据此原理制作的。51KNNIIKNNUU112212121注意：原、副边千万不能对调使用，注意：原、副边千万不能对调使用，以防变压器损以防变压器损坏。因为坏。因为N变小时，磁通增大，电流会迅速增加。变小时，磁通增大，电流会迅速增加。ABP1U1ILR1N2N2I2U忽略漏阻抗，则忽略漏阻抗，则 I+ +U2I1E1E2U1 I2 I 降压自耦变压器降压自耦变压器 升压自耦变压器升压自耦变压器 N1N2+ +U1I1E1E2 U2I2用低量程的电流表测大电流）用低量程的电流表测大电流） 短路运行的升压变压器。短路运行的升压变压器
27、。 I1 I2 =N2 N1 = ki （变换系数）（变换系数） 国产互感器：国产互感器： I2N = 5 A (1) 二次绕组禁止开路。二次绕组禁止开路。以防产生高电压；以防产生高电压；(2) 二次绕组与铁心必须接地。二次绕组与铁心必须接地。以防在绝缘损坏时，在副边以防在绝缘损坏时，在副边出现过电压。出现过电压。 Ai2i1N1 N2 1 2 匝匝电流表电流表被测电流被测电流=电流表读数电流表读数 N2/N15556563.3.钳形电流表：特殊的电流互感器，测量时钳形电流表：特殊的电流互感器，测量时通过手柄将钳压开而引入被测导线，该导线通过手柄将钳压开而引入被测导线，该导线为原绕组，副绕组绕
28、在铁芯上并与电流表接通。为原绕组，副绕组绕在铁芯上并与电流表接通。优点优点：随时随地测量线路中的电流。：随时随地测量线路中的电流。用低量程的电压表测高电压）用低量程的电压表测高电压）u1 Vu1u2U1 U2=N1 N2= ku (1) 二次绕组禁止短路，二次绕组禁止短路，以防产生过流；以防产生过流；(2) 二次绕组与铁心必须接地，二次绕组与铁心必须接地，以防在绝缘损坏时，在副以防在绝缘损坏时，在副边出现高压。边出现高压。 空载运行的降压变压器。空载运行的降压变压器。 电压表电压表被测电压被测电压=电压表读数电压表读数 N1/N2 国产互感器：国产互感器： U2N = 100 V 58 S9 型型 10 kV 三相油浸配电变压器三相油浸配电变压器 SZ9 型型 35 kV 三相油浸电力变压器三相油浸电力变压器 大型变压器的内部大型变压器的内部 树脂浇注干式变压器树脂浇注干式变压器 ZQSC 型整流变压器型整流变压器 64
