电工与电子技术基础第5章变压器电子教案资料课件

电工与电子技术基础（第电工与电子技术基础（第2 2版）版）电子教案电子教案主主 编编 刘莲青刘莲青 王连起王连起中等职业学校教学用书（电子技术专业）中等职业学校教学用书（电子技术专业）第第5章章 变压器变压器5.1 变压器的基本概念变压器的基本概念5.2 变压器的工作原理变压器的工作原理5.3 变压器的极性变压器的极性5.4 特殊变压器特殊变压器5.4 变压器实验变压器实验5.1 变压器的基本概念5.1.1 变压器的用途5.1.2 变压器的的基本结构5.1.1 变压器的用途变压器是利用电磁感应原理制成的一种变换电压、电流和阻抗的电气设备，主要用于升高或降低交流电压，改变电流或变换电路阻抗。在远距离输电中，当传输一定功率的电能时，随着输电线路电压的升高，输电电流将减小，从而使输电线路的电能损耗也明显降低。如果保持线路容许的损耗不变，则可以减小导线的截面，在架设线路中降低成本。因此，电力系统在远距离输电中都采用超高压输电线路。当前，我国的输电电压等级有35、110、220、330、500和750kV等几种。由于受绝缘的限制和其它因素的影响，发电厂发电机的电压达不到输电电压的等级。一般发电机的额定电压有10.5、13.8、15.7、18kV等几种，因此，在输送电能以前，要用升压变压器将电压升高到输电电压。在用户方面，数百千伏的高电压不能直接使用，所以电能经高压输电线路送到城市和农村附近时，需要用降压变压器将电压降低为10kV的高压配电电压。用户的各种电器，其额定电压是不一样的，但绝大多数是220V或380V。因此，还需要将高压配电电压再用降压变压器降为380/220V用户电压。凡是需要使电压升高或降低的地方，都要用到变压器，例如行灯的电压为安全电压36V或24V。在电子电路中，常需要多种电源电压，例如收音机电路、电视机电路中的多种电压，都需要变压器进行变压。此外，变压器在改变电压的同时也改变了电流和阻抗，在测量技术中利用变压器改变电流的原理，用较小的电流表测量较大的电流。在无线电技术中利用变压器变换阻抗的原理，变换电路的阻抗以达到阻抗匹配的目的。5.1.2变压器的基本结构变压器的基本结构变压器常见结构有两种，1.心式变压器心式变压器 绕组在外、铁心在内，绕组包围着铁心叫做心式变压器，如图1所示；心式变压器构造简单，硅钢片用量较少，用铜量较多，绕组的绝缘和安装比较容易，多用于电压较高、容量较大的变压器。2.壳式变压器壳式变压器 绕组在内、铁心在外，铁心包围着绕组称为壳式变压器，如图2所示。壳式变压器硅钢片用量较多，用铜量较少，机械强度较高，多用于容量较小的变压器。3.三相电力变压器三相电力变压器 三相变压器的一、二侧各有三个线圈，分别套在三个铁心拄上。一、二次绕组各联成星形或三角形。三相变压器的结构原理如图示。由图中可看出就每一相讲，相当于一个单相变压器。变压器工作时，绕组和铁心都会产生损耗而发热。如果这些热量在变压器内积聚起来，就会使铁心和绕组的温度逐渐升高，因此要考虑变压器的冷却问题。小容量的变压器采用空气自冷却式。在中、大容量的变压器中，只依靠空气自冷法是不够的，则需要采用专门的冷却措施。图示为常见的油浸自冷式三相变压器。5.2 变压器的工作原理5.2.1 电压变换5.2.2 电流变换5.2.3 阻抗变换5.2.1 电压变换1.单相变压器电路 一般将接电源的线圈叫做一次线圈或初级线圈；接负载的线圈称为二次线圈或次级线圈。如果变压器一次线圈的电压大于二次线圈的电压则称为降压变压器；反之，称为升压变压器。如果将变压器的一次线圈接到正弦交流电源上，就有正弦交流电流通过线圈。在电流的作用下，铁心中将产生正弦交变的磁通。由于一、二次线圈是绕在同一铁心上，所以铁心中的磁通也要穿过二次线圈。由电磁感应定律可知，交变的磁通穿过线圈时将在线圈中产生感应电动势。在二次线圈中产生的感应电动势是由于一次线圈中通过交变电流产生，因此，叫做互感电动势。这种当一个线圈中磁通发生变化在另一个线圈中产生感应电动势的现象称为互感现象。变压器就是利用互感原理制成。在变压器中，由于铁心用硅钢片叠成，所以具有良好的导磁性能，绝大部分的磁通既穿过一次线圈，也穿过二次线圈，这部分磁通叫做主磁通，用表示。另外还有少量的磁通只穿过一次或二次线圈，称为漏磁通，用L表示。由于漏磁通与主磁通相比很小，为了分析问题简便故将其忽略。5.2.1 电压变换电压变换穿过一、二次线圈每匝的主磁通都相同，因此，在每一匝线圈内产生的感应电动势都相等。所以每个线圈的总电动势与线圈的匝数成正比。设一次线圈有N1匝，二次线圈有N2匝，则一次线圈中感应电动势的有效值E1与二次线圈中感应电动势的有效值E2的比值，应等于一、二次线圈的匝数之比。即在忽略变压器各种损耗的情况下，由于一次线圈与电源相接，感应电动势E1应等于电源电压U1；二次线圈与负载相连，则负载的端电压U2就等于E2。所以变压器的一、二次线圈的电压之比等于一、二次线圈的匝数之比。如果N1N2，则U1U2，为降压变压器。反之N1N2，U1U2，变压器为升压变压器。k 叫做变压比，简称变比。5.2.2 电流变换电流变换变压器可以改变交流电的电压，但不会产生电能。由能量守恒定律可知，若忽略变压器内部的损耗，则二次输出的功率必然等于一次输入的功率。根据功率与电压、电流的关系可知，若变压器传输的功率一定，则电压与电流成反比，变压器在改变电压的同时也改变了电流。即说明变压器一、二次线圈中电流之比等于匝数反比。根据这个原理制成电流互感器可以测量大电流。5.2.3 阻抗变换阻抗变换变压器除可以变换电压和变换电流外，还可以改变阻抗。图示变压器简化等效电路中，二次线圈接有负载阻抗ZL，一次端的等效输入阻抗可见，将负载ZL通过变压器接电源时，相当于将阻抗ZL增加到k2 倍。在电子技术中，经常利用变压器进行阻抗变换，实现阻抗匹配。例例1 某台三相电力变压器，其一相绕组的电压为6kV，二次绕组的电压为230V。求该变压器的变比。若一次线圈为1500匝，求二次线圈的匝数。解解 三想变压器的每一相相当于单相变压器，其变比为各相一、二次绕组的相电压之比，即 二次线圈的匝数 例例2 一只电阻为8的扬声器，若将其提高到800才能够与放大器的输出端匹配，求要用变比为多大的变压器才能实现。解解 由阻抗变换的关系式可得所以，在放大器与扬声器之间接入一只变比为10的变压器即可实现匹配。5.3 变压器的极性变压器的极性一台三相变压器的一、二侧各有三个线圈，而且各侧线圈还要按星形或三角形联结，在作联结时就必须要搞清楚线圈的首端与末端。在三相变压器中，一般用A、B、C分别表示一次线圈的首端；用X、Y、Z表示一次线圈的末端。二次线圈的始端与末端分别用a、b、c和x、y、z表示。一个线圈有两个端头，哪一个是始端，哪一个为末端，这是变压器极性问题。在图中，变压器一、二次线圈的绕向相同，分别将一侧A、a作为首端，X、x 作为末端。将两个线圈的对应端A与a叫做同极性端或同名端，并标以“”或“*”符号，以便于识别。如果两个线圈的绕向相反，如图示。这时两个线圈中感应电动势的方向相反，一次线圈的A端与二次线圈的x端为同名端。由此可见，变压器一、二次线圈的极性取决于两个线圈的绕向，绕向确定后，线圈的同名端也就确定了。对于装配好的变压器可以通过实验的方法确定同名端。实验的原理电路如图示。实验时首先将X与x 端连接起来。在高压线圈加一个电压较低的实验用交流电源。接通电源后，用电压表分别测量出Aa端之间的电压UAa和一、二次线圈的电压UAX、Uax ，根据基尔霍夫电压定律可得UA a为一、二次线圈电压相量之差，如果UAa的数值为UAX与Uax有效值之差，说明uAX与uax同相，则A与a为同名端；如果UAa的数值是UAX与Uax有效值之和，则A与x端为同名端。这样就确定了变压器的同名端。5.4 特殊变压器5.4.1 自耦变压器5.4.2 互感器5.4.3 电焊变压器5.4.1 自耦变压器自耦变压器是一种只有一个线圈的变压器，即一、二次共用一部分线圈。自耦变压器也有单相和三相变压器，单相自耦变压器的原理电路如图示。自耦变压器的原理与普通变压器相同，都是根据电磁感应原理制成的，其一、二次电压之比仍为匝数之比，即k为自耦变压器的变比。自耦变压器可以用于连接不同电压等级的电网，也可以作为普通的升压或降压变压器。由于自耦变压器比普通的电力变压器成本低，效率高，因此大型自耦变压器在电力系统中的应用日益增多。在实验室，常用调压器来连续地改变电源电压，以达到实验的要求，调压器一般也常采用自耦调压器。这种调压器有单相的，也有三相的。单相自耦调压器如图示。这种调压器一般容量比较小，电压也只有几百伏。在实际工作中要注意，自耦变压器不允许作为安全变压器使用，因为一旦接错线，将会发生触电事故。如图示，虽然二次侧电压只有24V，但当人触及二次侧的任一根导线都有危险。5.4.2 互感器互感器是电工测量和自动保护装置中使用的仪用变压器。互感器的主要作用是使测量仪表和继电器与高压隔离，并将高电压、大电流变为低电压、小电流，以保证安全工作和便于测量。根据互感器的不同用途，可分为电压互感器和电流互感器。1电压互感器电压互感器电压互感器的作用是将电网或电气设备的高电压降低为低电压，供给测量仪表和继电器的电压线圈，这样可以利用低电压仪表间接测量高电压。电压互感器的结构与接线如图示。它是由两个相互绝缘，绕在同一个铁心上的线圈组成。当一次线圈接电压U1时，在二次线圈中感应出电压U2，其变压比由此可见，利用电压互感器可以将一次高压变为二次低电压，然后利用电压表测量出二次电压U2，再将U2乘以变压比ku,即可得到被测量的一次电压。电压互感器在使用中应注意以下几点：（1）电压互感器要与电压表配套使用。因为电压互感器的一次电压有多种等级，而二次电压一般都是100V，在测量不同等级的电压时，只要配用不同变压比的电压互感器即可。（2）电压互感器在运行中，其二次线圈不允许短路。如果电压互感器的二次线圈在运行时短路，则二次电路的阻抗就要减小，因此会出现很大的短路电流，使二次线圈因严重发热而烧毁。因此，电压互感器的二次侧要装设熔断器，作为短路保护。（3）运行中电压互感器的铁心、外壳和二次线圈要接地。因为一次电压一般都很高，而二次电压只有100V，容易造成一、二次线圈之间的绝缘击穿，使二次或铁心、外壳带有高压，危及工作人员和二次设备的安全，所以电压互感器的二次和铁心一定要接地。（4）二次仪表和仪器的电压线圈都应并联接到电压互感器的二次线圈上。电压互感器可以制成单相也可以制成三相，图示为单相电压互感器的电路图。电压互感器在发电厂和各级变电站的测量、保护中起重要作用。2电流互感器电流互感器电流互感器也叫变流器，其作用是将大电流变为小电流，供给测量仪表和继电器的电流线圈，间接测量出大电流；而且还可以隔离高压，保证工作人员和仪表、仪器的安全。电流互感器的原理结构和电路接线如图示。电流互感器特点是一次线圈只有一匝或几匝，用粗导线绕成；二次线圈的匝数较多，用较细的导线绕成。由变压器工作原理可知，电流互感器一、二次电流之间的关系为式中的ki叫做电流互感器的变流比，由此可知若将一次大电流变为二次小电流，只要二次线圈的匝数比一次线圈的匝数按变流比增多即可。测量出二次小电流后乘以变流比即可得到一次电流的数值。在使用电流互感器时要注意以下几点：（1）电流互感器要与电流表配套使用。因为电流互感器的一次电流大小不同，而二次电流一般都是5A，这就要求在测量不同的一次电流时，应配用不同的电流互感器。（2）运行中电流互感器的二次线圈严禁开路。因为一次线圈的匝数比二次线圈的匝数少得多，这样当二次开路时就会在二次线圈中产生很高的感应电压，危及工作人员和仪表与仪器的安全。（3）为了防止一、二次之间的绝缘击穿造成危险，二次侧和铁心要接地。（4）二次仪表和仪器的电流线圈应串联接到电流互感器的二次线圈上。电路中的电流互感器如图示电流互感器比电压互感器的应用范围更广，它不但可以用在高压线路的电流测量，而且也常用于低电压大电流的测量。钳形电流表就是电流互感器的一种应用。它由电流互感器和一只配套的电流表构成，如图示。其特点是电流互感器的二次线圈套在可以开、合的铁心上，并与电流表相连。测量时，先张开铁心，将待测电流的导线放入钳中，然后闭合铁心，在电流表上直接读取电流的数值。这种电流表的优点是测量线路电流时，可以不用断开导线。5.4.3 电焊变压器工程中常用的交流电焊机，是由变压器与电抗器串联组成，如图示。电焊变压器引弧时（焊条与焊件没接触）的电压U2一般为60100V。电抗器的铁心有可调节的气隙，转动调节手柄，可调整电抗器的铁心气隙，从而改变了电抗器的感抗，使焊接电流可大可小，达到起弧限流的目的。在开始焊接时，焊条与焊件接触，变压器二次线圈经电抗器短路，电抗器起限制短路电流的作用。随着焊条的提起，焊条与焊件之间产生电弧进行焊接，焊接时U2约为3040V。当焊条与焊件之间距离略有变化时，电弧的长度也相应变化，但由于电弧的电阻比电抗器的感抗小得多，因此可以保证电弧质量的稳定，焊接正常。5.5 变压器实验变压器实验5.5.1 实验目的5.5.2 预习要求5.5.3 实验仪器和设备5.4.4 实验内容及步骤5.5.1 实验目的1.了解单相变压器的结构，熟悉单相变压器铭牌数据的意义。2.验证单相变压器工作原理，匝数比等于电压比，电压比等于电流反比。3.测定变压器的同名端。5.5.2 预习要求1.熟悉变压器的结构和用途。线电压与相电压，线电流与相电流间的关系。2.掌握变压器电压比、电流比与匝数比的关系。3.变压器同名端在实际中的用途及测定方法。5.5.3 实验仪器和设备名名 称称型号及使用参数型号及使用参数数数 量量电灯组电灯组16V、10W白炽灯白炽灯2盏盏交流电压表交流电压表0450V1个个交流电流表交流电流表050mA01A各各1块块电流插座电流插座DICE-DG3个个万用表万用表MF-101块块5.5.4 实验内容及步骤1测量变压器的空载电流，空载电压方法：如图示变压器，端加交流电压220V次级开路。初级用交流电压表或万用表交流250V挡，次级用交流10V挡。将测量数据记录在表1中。2测量变压器的同名端方法：用万用表250V挡如图示，将相连，测之间电压；将相连，测之间电压。若U24U12 则1、4为同名端；U24U12 则1、6为同名端；U26U12 则1、5为同名端；在图中用*号或 标明同名端。记记 录录计计 算算I1U1U2U3U1/U2U1/U3N1/N2N1/N3UUU同名端同名端异名端异名端同名端同名端异名端异名端mAV结论结论表表1N1=2200 N2=N3=65 3带负载实验将变压器初级串联50毫安电流表接220V电源；次级两线圈正相串联，接1A电流表，负载为16V/10W灯泡并联，如图示。4实验记录测量图示电路，分别按表2中接法记录测量数据。记录电压与电流计算及验证接 法U1U2.3I1I2I2/I1U1/U2U2.3/I2N1/(N2+N3)K1合K1K2合单位VmA表2N1=2200 N2=N3=65 本章小结本章小结 变压器可以将负载阻抗变为k2倍，即 Zi=k2ZL3变压器产生的感应电动势的方向与线圈的绕向有关，变压器线圈在作联接时必须考虑线圈的极性，两个线圈产生相同方向感应电动势时的首端称为同名端。4特殊变压器是指自耦变压器、电流互感器、电压互感器和电焊 变压器等。1变压器是根据电磁感应原理制成的一种静止的电气设备，它在电力系统和电子技术中广泛应用。2变压器与电源相联接的线圈叫一次绕组（初级），与负载相联接的线圈叫二次绕组（次级）。变压器可以变换交流电压、电流和阻抗。变压器一、二次电压之比为线圈的匝数之比，称为变比，变比也等于二次电流与一次电流之比，即