变压器的运行与应用 案例一：市电如何给24V小灯泡供电？ 我们国家民用统一供电均为220V，那么如何使 额定电压不是220V的电器设备正常工作呢？ 变压器就是改 变交流电压的设备 电机与电气控制—变压器 案例二 电能如何传输的？ 升 压 110 kV、220 kV 变 远距离输电 电能 10 kV 压 330 kV、500kV 器 电机与电气控制—变压器 降 压 变 压 器 10 kV 6 kV 380 V 220 V 负载 概 述 电机与电气控制—变压器 电机与电气控制—变压器 概 述 电力变压器 电机与电气控制—变压器 概 述 电子变压器 干式变压器 电源变压器 电机与电气控制—变压器 概 述 电机与电气控制—变压器 三相变压器 概 述 一、变压器的定义 变压器是一种利用电磁 感应原理工作，将一种电压 等级的交流电能变换成同频 率的另一种电压等级的交流 电能的静止的电机。 电机与电气控制—变压器 概 述 二、变压器的功能 变电压：电力系统 变电流：电流互感器 变阻抗：电子电路中的阻抗匹配 电机与电气控制—变压器 概 述 三、变压器的分类 电力变压器 按用途分 仪用变压器 整流变压器 按相数分 电压互感器 电流互感器 、 按冷却方式： 干式 油浸式 三相变压器 单相变压器 双绕组变压器 自耦变压器、 三绕组变压器、 按结构分 电机与电气控制—变压器 变压器的结构和工作原理 变压器的认识 ★1.单相变压器的结构 ★2.变压器的基本工作原理 ★3.变压器的空载运行 ★4.变压器的负载运行 电机与电气控制—变压器 一、结构 主要部件：铁心和套在铁心上的绕组。 U1 u1 接电源 U2 接负载 u2 特点：两绕组只有磁耦合没电联系。 电机与电气控制—变压器 一、结构 主要部件：铁心和套在铁心上的绕组。 特 点：两绕组只有磁耦合没电联系。 1、铁心 （1）作用： 既是磁路，也是套装绕组的骨架，由铁心 柱（套有绕组）和铁轭（形成闭合磁路） （2）材料： 由0.35～0.5mm厚硅钢片叠成 （3）分类： 心式和壳式，电力变压器主要用心式 电机与电气控制—变压器 一、结构 1、铁心-心式 2、铁心-壳式 电机与电气控制—变压器 一、结构 壳式 电机与电气控制—变压器 心式 一、结构 主要部件：铁心和套在铁心上的绕组。 特点：两绕组只有磁耦合没电联系。 2、绕组 （1）作用：变压器的电路部分 （2）材料：一般用绝缘铜线或铝线（扁线或圆线） 绕制而成，也称线）分类： 一次绕组 二次绕组 电机与电气控制—变压器 高压绕组 低压绕组 一、结构 如下图所示有两组：一个绕组与电源相连，称为一次绕组 （或原绕组），这一侧称为一次侧（或原边）；另一个绕组与负 载相连，称为二次绕组（或副绕组），这一侧称为二次侧（或副 边）。 U1 u1 二次侧接负载 u2 一次侧接电源 U2 电机与电气控制—变压器 二、单相变压器的基本工作原理 主要部件：铁心和绕组。 特点：两绕组只有磁耦合没电联系。 ? U1 1、一次侧绕组通交 流电。 u1 ZL i1 e1 i2 e2 u 2 2、产生交变的磁场。 u1 U2 u2 一次绕组 二次绕组 e1 N1 U 1 ? ? e2 N 2 U 2 电机与电气控制—变压器 3、由电磁感应定律 可知，交变磁通在一 次、二次绕组中都会 产生交变感应电动势。 4、二次绕组向外电 路供电。 二、单相变压器的基本工作原理 只要： 1、磁通有变化量 2、一、二次绕组的匝数不同，就能变电压。 注意 1、变压器只适用于交流电路。 2、它的作用是传递电能，而不能产生电能。 电机与电气控制—变压器 三、 变压器的空载运行 一次绕组加额定电压，二次绕组开路、负载电流为零时 的运行情况，称为变压器的空载运行。 Φ0 i0 i2=0 1、电磁关系分析 i0很小 称为空载电流 u1 Φ 1σ e1 e2 ? E 1 u2 i2=0 ? U 1 e1σ ? I 0 ? ?I ?N F 0 0 1 ? ? 0 ? ? 1? ? E 2 电机与电气控制—变压器 ?R I 0 1 ? E 1? 三、 变压器的空载运行 1、电磁关系分析 主、漏磁通的区别 数量上 主：99%以上， 漏：1%以下； Φ0 i0 i2=0 u2 u1 Φ 1σ e1 e2 e1σ 作用上 主：起传递能量的作用， 漏：起漏抗压降作用。 性质上 Φ0与I0成非线成线性关系； 电机与电气控制—变压器 三、 变压器的空载运行 2、感应电势—主磁通的感应电势 设 ?0 = ?m sinωt，则 有效值： E1m E1 ? 2 2?fN1? m ? 2 ? 4.44 fN1? m d? 0 e1 ? ? N1 dt ? -?N1? m cos?t ? ?N1? m sin(?t ? 900 ) ? 2?fN1? m sin(?t ? 90 ) 0 相量: ? ? ? j 4.44 fN ? E 1 1 m 结论：当主磁通按正弦规律变化时， 所产生的一次主电动势也按正弦规 律变化，相位上滞后主磁通 。 900 ? E1m sin(?t ? 900 ) 电机与电气控制—变压器 三、 变压器的空载运行 2、感应电势—主磁通的感应电势 同理： 有效值： d? 0 e2 ? ? N 2 dt ? 2?fN 2 ? m sin(?t ? 900 ) ? E2 m sin(?t ? 90 ) 0 E2 m E2 ? 2 ? 4.44 fN 2 ? m 相量: ? ? ? j 4.44 fN ? E 2 2 m 电机与电气控制—变压器 三、 变压器的空载运行 3、变比 空载时，I2=0 一、二次绕组电压方程 一次绕组： ? ? ?E ? ?E ? ?I ?R U 1 1 1? 0 1 因此： U1 ? E1 ? ? 二次绕组： U 2 ? E2 因此： U 2 ? E2 电机与电气控制—变压器 三、 变压器的空载运行 3、变比 电压与电动势关系 U1 ? E1 ? 4.44 fN1?m U 2 ? E2 ? 4.44 fN 2?m 变比 U1 E1 N1 ? ? ?k U2 E2 N2 结论： 1、一二次绕组的电压 与绕组的匝数成正比。 2、改变匝数比，就能 改变输出电压。 k 称为变压器的变比。 电机与电气控制—变压器 三、 变压器的空载运行 恒磁通原理 U1 ? E1 ? 4.44 fN1? m ?m E1 U1 ? ? 4.44 fN1 4.44 fN1 可见，影响主磁通 ? m 大小的因素有电源电 压 U1、电源频率 f 和一次侧线 。 对于一台变压器而言 N1和 f 不变,所以 ? m 的 大小取决于电源电压 U1 ，只要 U1保持不变，由空 载到负载，? m基本不变，这叫做恒磁通。 电机与电气控制—变压器 三、 变压器的空载运行 4、空载电流和空载损耗 空载电流 作用与组成 产生主磁通 ? 无功分量Iq ：不消耗功率 ? 补偿变压器的空载损耗 ? 有功分量Id ：消耗功率 即： I0 ? Iq ? Id 性质和大小 空载电流一般只占额定电流的（2～10）％，而 Id10％I0，因此I0≈Iq，所以空载电流I0主要用来建 立主磁通，称作励磁电流。 电机与电气控制—变压器 三、 变压器的空载运行 4、空载电流和空载损耗 空载损耗 变压器空载时没有输出功率，一次绕组从电源 中吸取了少量的电功率p0，都消耗在其内部，称为 空载损耗。 它用来补偿铁心中的铁损耗pFe和极少量的绕 组铜损耗pCu。由于I0和线很小，因而空载 损耗可近似等于铁损耗。 故可认为变压器的空载损耗就是变压器的铁心损耗。 电机与电气控制—变压器 三、 变压器的空载运行 ? ? ? j 4.44 fN ? E 1 1 m U1 ? E1 ? 4.44 fN1? m ?m ? E1 U1 ? 4.44 fN1 4.44 fN1 1、感应电动势E的大小与电源频率f、绕组匝数N及铁心中主磁通 的最大值φm 成正比，在相位上滞后产生它的主磁通90度。而主 磁通的大小由电源电压、电源频率和一次线圈匝数决定，与磁路 所用材料的性质及几何尺寸基本无关。 2、空载电流越小，主要作用是建立主磁通，又称励磁电流。 电机与电气控制—变压器 四、 变压器的负载运行 变压器一次绕组接在额定频率、额定电压的交流电 源上，二次绕组接上负载的运行状态，称为负载运行。 A I?1 ? I 2 ? U 2 a ? U 1 X 电机与电气控制—变压器 ZL x 四、 变压器的负载运行 A I?1 ? E 1 Φ0 ? I 2 ? ? 1? ? ? 2? a ? U 2 ? U 1 X ? E 2 ? E 1σ ? E 2? ZL x ? R1I 1 ? E 1? 1、电磁关系 ? U 1 ? I 1 ? ? 1? ? ?NI ? F 1 1 1 ? ?N I ? F 2 2 2 ? U 2 电机与电气控制—变压器 ? I 2 ? ?NI ? F 0 1 0 ? ? 0 ? ? 2? ? E 1 ? E 2 ? E 2? ? RI 2 2 四、 变压器的负载运行 2、磁势平衡方程 根据恒磁通原理，由空载到负载运行，主磁通 基本不变，因此有磁势平衡方程： 即： 3、变流 ? ?F ? ?F ? F 1 2 0 ? ?N I ? ?N I ? N1 I 1 2 2 1 0 N2 I1 =－ I N1 2 ? ?N I ? ?0 忽略I0，则 N1 I 1 2 2 N2 1 大小关系： I1 I2 = N1 = k 相位关系： I1与 I2 相位相反。 电机与电气控制—变压器 四、 变压器的负载运行 3、变流 大小关系： I1 N2 1 I2 = N1 = k 相位关系： I1与 I2 相位相反。 结论： 1、一二次绕组的电流大小与匝数成反比。 2、改变匝数比，就能改变输出电流。 电机与电气控制—变压器 五、变压器的阻抗变换作用 + ? I 1 ? I 2 Z ? I 1 ? U 1 – 由图可知： ? U 2 – + ? U 1 – + Z? U1 U2 Z? ? Z ? I1 I2 U 1 KU 2 2 U2 2 ? Z ? ? ?K ? K Z 结论： 变压器一次 I2 I1 I2 侧的等效阻抗模， K Z? ? K Z 2 电机与电气控制—变压器 为二次侧所带负载 的阻抗模的K 2 倍。 五、变压器的阻抗变换作用 + ? I 1 ? I 2 Z ? I 1 ? U 1 – 由图可知： ? U 2 – + ? U 1 – + Z? U2 Z ? I2 U 1 KU 2 2 U2 2 ? Z ? ? ?K ?K Z I2 I1 I2 K U1 Z? ? I1 Z? ? K Z 2 变压器的阻抗变换作用常用于电子电 路中，解决电路的阻抗匹配问题。 电机与电气控制—变压器 例 1： 低压照明变压器一次绕组匝数 N1=1210 匝，一次绕组电压 U1=220V，现要求二次绕组输出电压U2=36V，求二次绕组匝数 N2及变比K。 解： U1 ? N1 U2 N2 U2 36 N2 ? N1 ? ?1210? 198 匝 U1 220 N1 1210 K? ? ? 6.1 N 2 198 电机与电气控制—变压器 例 2： 现有三种规格的白炽灯：36V/500W，36V/60W， 220V/60W，另有一台额定容量SN=300V.A、电压为 220V／36 V的变压器，问： （1）上述三种白炽灯中，哪种可以接在该变压器的 二次侧使用？最多能接这种规格的白炽灯几个？ （2）此变压器一次绕组的匝数是825匝，求二次绕 组的匝数是多少？ （3）二次侧灯泡点亮时，变压器一次、二次绕组中 的电流各为多少？ 电机与电气控制—变压器 例 2： 解：（1） 36V/60W， 5个 （ 2） （3）灯泡点亮时，变压器二次绕组电流 P 60 I2 ? 5? ? 5? ? 8.33A U2 36 则一次绕组电流 电机与电气控制—变压器 N2 135 I1 ? I 2 ? 8.33? ? 1.36A N1 825 例 3： 例 ： 设 交 流 信 号 源 电 压 U ? 100 V ， 内 阻 Ro ? 800 Ω ，负载 RL ? 8 Ω 。 （1）将负载直接接至信号源，负载获得多大功率？ （ 2）经变压器进行阻抗匹配，求负载获得的最大功 率是多少？变压器变比是多少？ 分析： 最大功率输出的条件： 电机与电气控制—变压器 ? ? R0 RL 例 3： 例 ： 设 交 流 信 号 源 电 压 U ? 100 V ， 内 阻 Ro ? 800 Ω ，负载 RL ? 8 Ω 。 （1）将负载直接接至信号源，负载获得多大功率？ （ 2）经变压器进行阻抗匹配，求负载获得的最大功 率是多少？变压器变比是多少？ 分析： 最大功率输出的条件： 电机与电气控制—变压器 ? ? R0 RL 例 3： 解：（1）负载直接接信号源时，负载获得功率为： ? U 2 P ? I RL ? ? ?R ?R L ? o ? 100 ? ? RL ? ? ? ? ? 8 ? 0.123W ? ? 800 ? 8 ? ? 2 2 （ 2 ） 最 大 输 出 功 率 时 ， RL 折 算 到 原 绕 组 应 等 于 Ro ? 800 Ω 。负载获得的最大功率为： Pmax ? U ? ?? ? I RL ? R ? R? L ? o 2 ? ? 100 ? ? RL ? ? 800 ? 3.125 W ? ? ?? ? 800 ? 800 ? ? 2 2 变压器变比为： 电机与电气控制—变压器 Ro N1 800 k? ? ? ? 10 N2 RL 8 电机与电气控制—变压器
