电工基础变压器文档格式.docx
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电能输送到用电区域后，为了适应用电设备的电压要求，还需通过各级变电站（所）利用变压器将电压降低为各类电器所需要的电压值。
在用电方面，多数用电器所需电压是380V、220V或36V，少数电机也采用3kV、6kV等。
3．变压器分类
按其用途不同，有电源变压器、电力变压器，调压变压器，仪用互感器，隔离变压器。
按结构分为双绕组变压器、三绕组变压器、多绕组变压器及自耦变压器。
按铁心结构分为壳式变压器和心式变压器。
按相数分为单相变压器、三相变压器和多相变压器。
变压器的种类虽多，但基本原理和结构是一样的。
4．变压器的基本结构
（1）铁心
图8-1
变压器由套在一个闭合铁心上的两个或多个线圈（绕组）构成，如图8-1所示。
铁心和线圈是变压器的基本组成部分。
铁心构成了电磁感应所需的磁路。
为了减少磁通变化时所引起的涡流损失，变压器的铁心要用厚度为0.35～0.5mm的硅钢片叠成。
片间用绝缘漆隔开。
铁心分为心式和客式两种。
（2）线圈
变压器和电源相连的线圈称为原绕组（或原边,或初级绕组），其匝数为N1，和负载相连的线圈称为副绕组（或副边,或次级绕组），其匝数为N2。
绕组与绕组及绕组与铁心之间都是互相绝缘的。
5．变压器的符号，如图8-2所示。
图8-2
6．理想变压器
原副两绕组的电阻为0，电感无穷大；
没有漏磁；
没有铁心损耗。
二、变压器的工作原理
1.变压器的空载运行
变压器原线圈接上额定的交变电压u1，副线圈开路不接负载，称为空载运行，如图8-3所示。
副边中的电流为零，原边的空载电流为i0
（1）空载电流I0
在外加正弦电压u1的作用下，线圈内有交变电流i0流过。
这时原线圈内的电流，称作变压器的空载电流，又称励磁电流。
它与原线圈匝数N1的乘积i0N1称为励磁磁势。
图8-3空载时的变压器
由于铁心的磁导率远大于空气的磁导率，所以激磁磁势产生的磁通绝大部分集中在铁心里，沿铁心而闭合，该磁通称作主磁通（或工作磁通），用Φ表示，空载电流（励磁电流）的有效值I0一般都很小，约为额定电流的3%～8%。
（2）原副边的感应电动势
主磁通随电流按正弦规律变化，变化的磁通穿过原副边产生
的有效值为
E1≈4.44fN1Φm，
E2≈4.44fN2Φm
由此可得
（3）电压平衡方程、电压比
空载时变压器的原绕组电路是一个含有铁心线圈的交流电路，在工程计算中常忽略原绕组中的阻抗不计。
所以原绕组一侧的电压平衡方程可简化为
u1≈-e1，这说明，在变压器原线圈中，自感电动势和电源电压几乎相等，但相位相反。
由此可得u1的有效值为
U1≈E1=4.44fN1Φm，该式表明：
当电源频率和原线圈匝数一定时，铁心中主磁通的大小基本上由电源电压决定。
当电源电压不变时，变压器铁心中的主磁通基本上是个常数。
由于空载时变压器副线圈是开路的，i2=0，副线圈的端电压为
u2=e2，有效值为U2≈E2=4.44fN2Φm，因此可以得到
式中Ku称为变压器的变压比，简称变比，表明变压器空载时，原、副边端电压之比等于原、副线圈的匝数之比，匝数多的一边电压高，匝数少的一边电压低。
我们把Ku＞1的称为降压变压器；
称Ku＜1的为升压变压器。
实际应用时，变压器的副边输出电压可在小范围内调节，副边留有抽头，可以获得不同数值的输出电压。
2.变压器的负载运行
变压器副边接上负载阻抗Z后，副线圈中通过电流i2，如图8-4所示。
当电源电压U不变时，铁心中主磁通Φ也基本不变。
因此，当变压器带上负载后，
因为I0很小，可以忽略内部能量损耗，把变压器视为理想变压器，即变压器的输入功率全部消耗在负载上，即
U1I1=U2I2，由前面的分析得到：
Ki称为变压器的变流比，表示原、副绕组内的电流大小与线圈匝数成反比。
结合前式还可得出
该式表明，在不考虑变压器本身损耗的情况下（理想状态），变压器原绕组输入的功率等于副绕组输出的功率。
这也说明变压器是一种把电能转换为“高压小电流”或“低压大电流”的电器设备，起着传递能量的作用。
3．变压器的阻抗变换作用
若在变压器副边接一电阻R，如图8-5所示。
那么从原边两端来看，等效电阻为
因为
所以
图8-5变压器的阻抗变换
R′称为折算电阻。
该式表明折算电阻是原电阻R的
（N1/N2）2倍，说明变压器起到了阻抗变换的作用。
当变压器负载一定时，改变变压器原副边的匝数，就可以获得所需要的阻抗。
作业：
8-7-1，8-14
第二节
变压器的效率和几种常用变压器
1．掌握变压器的功率和效率
2．熟悉几种常用变压器
3．熟悉电磁铁的工作原理
变压器的功率和效率
常用变压器的工作原理
一、变压器的损耗和效率
1．输入功率
变压器负载运行时，原线圈的输入功率即有功功率为P1=U1I1cosφ1,其中φ1为原边电压U1与电流I1的相位差。
2．输出功率
副线圈给负载输出的有功功率为P2=U2I2cosφ2，这里cosφ2为负载的功率因数。
3．变压器的损耗
输入的有功功率和输出的有功功率之差，就是变压器的损耗。
变压器的损耗包括铜损和铁损两部分，铜损为绕组的损耗，铁损为铁心中产生的磁滞损耗和涡流损耗。
变压器的功率损耗为
4．额定容量
变压器的额定电压，是指变压器在额定情况下运行时，原线圈应加的电压及原线圈加上额定电压时副边的空载电压。
变压器的额定容量为副边额定电压和副边额定电流乘积S=U2eI2e，额定容量的单位为VA或kVA（伏安或千伏安）。
5．效率
变压器的效率为
η=
×
100%
在接近满载时效率最高。
小型变压器的效率为80%～90%，大型变压器的效率可达98%左右。
二、常用变压器
1．三相变压器
电力工业中，输配电都采用三相制。
变换三相交流电电压，则用三相变压器。
可以设想，把三个单相变压器拼合在一起，便组成了一个三相变压器，各相磁通都经过中间铁心。
（a）三个单相变压器的组合;
（b）由三个单相变压器合成一个三相变压器
图8-6三相变压器
由于三相磁通对称（各相磁通幅值相等，相位互差120°
），所以通过中间铁心的总磁通为零，故中间铁心柱可以取消。
这样，实际制作时，通常把三个铁心柱排列在同一平面，如图8-7所示。
这种三相变压器比三个单相变压器组合效率高，成本低，体积小，因此应用广泛。
原副边可以根据实际需要连接成星形或三角形。
原边与三相电源连接，副边和三相负载连接，构成三相电路。
三相变压器的额定容量为S=3U2eI2e，式中，U2e、I2e分别为副边额定线电压、额定线电流。
图8-7三相变压器
2．自耦变压器
自耦变压器的原边电路与副边电路共用一部分线圈，如图8-8所示。
原、副边之间除了有磁的联系外，还有直接的电的联系。
这是自耦变压器区别于一般变压器的特点。
从图中看出，当原边加上额定电压后，若不考虑电阻的压降和漏感电势，则
式中K为自耦变压器的变压比。
当自耦变压器接上负载，副边有电流i2输出时，有
图8-8
自耦变压器
上式表明，自耦变压器中原、副边电流的大小与线圈匝数成反比，且在相位上相差180°
。
因此，自耦变压器中，原、副边共同部分的电流为
i=i1+i2，考虑到i1与i2相位相反，故I=I2-I1。
当变比K接近1时，由于i1与i2数值相差不大，所以线圈公共部分电流I很小。
因此，这部分线圈可用截面较小的导线，以节省材料。
自耦变压器的优点是：
构简单，节省材料，效率高。
但这些优点只有在变压器变比不大的情况下才有意义。
它的缺点是副线圈和原线圈有电的联系，不能用于变比较大的场合（一般不大于2）。
这是因为当副线圈断开时，高电压就串入低压网络，容易发生事故。
实验室常用的调压器，就是一种副线圈匝数可变的自耦变压器，如图8-9所示。
图8-9
这种调压器端点可以滑动，所以能均匀地调节电压。
该调压器还可以做成三相的，容量一般为几千伏安，电压为几百伏。
使用自耦调压器时，要注意以下几点：
1）原副边不能接错，否则会烧毁变压器。
2）接电源的输入端共三个，用于220V和110V电源，不可将其接错，否则会烧毁变压器。
3）电源接通前，要把手柄转到零位。
接通电源前，逐渐调动受柄，调出所需要的输出电压。
3．互感器
互感器即可测量高电压或大电流，又可保障操作人员的安全。
（1）电压互感器
电压互感器的构造与普通双绕组变压器相同。
它先将被测电网或电气设备的高压降为低
图8-10
电压互感器
压，然后用仪表测出副边的低压U2，把其乘以变压比n，就可以间接测出原边高压值
图8-11
电流互感器
U1，即U1=nU2，其原理如图8-10所示。
实际使用时，
为使与电压互感器配套使用的仪表标准化，不管原边高压多大，通常副边低压额定值均为100V，以便统一使用100V标准的电压表。
为确保安全，使用电压互感器时，必须把铁壳和副边的一端接地，以防绝缘损坏副边出现高压。
（2）电流互感器
电流互感器先将被测的大电流变换成小电流，然后用仪表测出副边电流I2，将其除以变压比n，就可间接测出原边大电流I1，即I1=I2/n。
电流互感器的原边与被测电路串联，副边接电流表。
原边的匝数很少，一般只有一匝或几匝，用粗导线绕成。
副边的匝数较多，用细导线绕成，与电流表串联，它与双绕组变压器工
作原理相同，如图8-11所示。
使用时，为和仪表配套，电流互感器不管原边电流多大，通常副边电流的额定值为1A或5A。
电流互感器正常工作时，不允许副边开路，否则会烧毁设备，危及操作人员安全。
同时必须把铁壳和副边的一端接地。
钳形电流表是将电流互感器和电流表组装成一体的便携式仪表。
副边与电流表组成闭和回路，铁心是可以开合的。
测量时，先张开铁心，套进被测电流的导线，闭合铁心后即可测出电流，使用非常方便，量程为5-100A。
例8-1：
如例图8-7-2所示的电路，线圈部分是理想变压器，已知，试求
解：
将副边电阻折算到原边为，作出折算后原边等效电路，如例图8-7-2（b）所示。
这时
=
按照图中的参考方向
例8-2：
有一台电压为220V/36V的降压变压器，副边接一盏“36V，40W”的灯泡，试求：
（1）若变压器的原边=1100匝，副边应是多少匝？
（2）灯泡点亮后，原、副边的电流各为多少？
解：
（1）由变压比的公式
可以求副边的匝数为
==
•
由有功功率公式，灯泡是纯电阻性负载，cos=1，可求出副边电流为
由变流公式，可求得原边电流为
例8-3：
变压器的副边电压UV，在接有电阻性负载时，测得副边电流A，变压器的输入功率为132W，试求变压器的效率及损耗的功率。
副边负载获得的功率为
则变压器的效率为
变压器手中有损耗的功率为
Δ
三、电磁铁
1．工作原理图8-12
电磁铁的几种结构形式
（a）马蹄式；
（b）拍合式；
（c）螺管式
电磁铁由磁导率很高的软磁材料铁心、衔铁及线圈所组成。
当线圈中通以电流时，铁心中产生磁场，使衔铁受电磁吸力作用，磁路中空气隙随之减小。
当电路断开时，电流为0，磁性消失，衔铁被释放。
2．分类，分为直流电磁铁和交流电磁铁两种。
按结构分为马蹄式、拍合式和螺管式，如图8-12所示。
3．直流电磁铁的衔铁所受吸引力为：
例
如图8-13所示的直流电磁铁,已知线圈匝数为
图8-13
电流互感器
4000匝,铁芯和衔铁的材料均为铸钢,由于存在漏磁,衔铁中的磁通只有铁芯中磁通的90%,如果衔铁处在图示位置时铁芯中的磁感应强度为1.6T,试求线圈中电流和电磁吸力。
解
铁芯中磁感应强度B=1.6T时,磁场强度H1=5300A/m。
铁芯中的磁通
气隙和衔铁中的磁通
不考虑气隙的边缘效应时,气隙和衔铁中的磁感应强度为
衔铁中的磁场强度为Ｈ２＝3500Ａ/m。
气隙中的磁场强度为
线圈的磁势
线圈电流为
电磁铁的吸力
4．交流电磁铁
交流电磁铁由交流电励磁,设气隙中的磁感应强度为
电磁铁吸力为
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