第七章变压器

项目六、变压器
1 变压器的构造
2 变压器的工作原理
一、变压器的构造
1、变压器的分类
1）按用途分：电力变压器、专用电源变压器、调压变压器、测量变压器、隔离变压器。

2）按结构分：双绕组变压器、三绕组变压器、多绕组变压器已经自耦变压器。

3）按相数分：单相变压器、三相变压器和多相变压器。

2、变压器的构造
基本构造：由铁心和绕组构成。

铁心是变压器的磁路通道，是用磁导率较高且相互绝缘的硅钢片制成，以便减少涡流和磁滞损耗。

按其构造形式可分为心式和壳式两种，如图1(a)、(b)所示。

图1 心式和壳式变压器
线圈是变压器的电路部分，是用漆色线、沙包线或丝包线绕成。

其中和电源相连的线圈叫原线圈(初级绕组)，和负载相连的线圈叫副线圈(次级绕组)。

3、额定值及使用注意事项
1）额定值
①额定容量——变压器二次绕组输出的最大视在功率。

其大小为副边额定电流的乘积，一般以千伏安表示。

②原边额定电压——接到变压器一次绕组上的最大正常工作电压。

③二次绕组额定电压——当变压器的一次绕组接上额定电压时，二次绕组接上额定负载时的输出电压。

2）使用注意事项
①分清一次绕组、二次绕组，按额定电压正确安装，防止损坏绝缘或过载。

②防止变压器绕组短路，烧毁变压器。

③工作温度不能过高，电力变压器要有良好的绝缘。

二、变压器的工作原理
变压器是按电磁感应原理工作的，原线圈接在交流电源上，在铁心中产生交变磁通，从而在原、副线圈产生感应电动势，如图2所示。

1、变压器的空载运行和变压比
如图2所示，设原线圈匝数为N 1，端电压为U 1；副线圈匝数为N 2，端电压
为U 2。

则，原、副线圈（一次、二次绕组）电压之比等于匝数比，即
n N N U U ==2
1
21 （1）
n 叫做变压器的变压比或变化。

注意：上式在推导过程中，忽略了变
压器原、副线圈的内阻，所以上式为理想变压器的电压变换关系。

2、变压器的负载运行和变流比
在图2的副线圈端加上负载|Z 2|，流过负载的电流为I 2,分析理想变压器原线
圈、副线圈的电流关系。

将变压器视为理想变压器，其内部不消耗功率，输入变压器的功率全部消耗
在负载上，即
2211I U I U =
将上式变形带入（式7－1），可得理想变压器电流变换关系
n
N N U U I I 1
121221=== （2）
3、变压器得阻抗变换作用
设变压器初级输入阻抗为|Z 1|，次级负载阻抗为|Z 2|，则
1
1
1I U Z =
图2 变压器空载运行原理图
将21
212211 I N N I U N N U ==
，代入，得 2
2
2
211I
U N N Z ⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛= 因为 22
2Z I U =
所以 2222
21
1Z n Z N N
Z =⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛=
即
22
1n Z Z =
（3）
可见，次级接上负载|Z 2|时，相当于电源接上阻抗为n 2|Z 2|的负载。

变压器的这种阻抗变换特性，在电子线路中常用来实现阻抗匹配和信号源内阻相等，使负载上获得最大功率。

III.例题讲解，巩固练习
【例题1】有一电压比为220/110 V 的降压变压器，如果次级接上55 Ω 的电阻，求变压器初级的输入阻抗。

解1：次级电流 Α255
1102
22===Z U I
初级电流 Α2110
220
2121==≈=
U U N N n Α12
2
21===
n I I 输入阻抗 Ω===
2201
220
111I U Z 解2：变压比 2110
2202121==≈=
U U N N n 输入阻抗
Ω=⨯==⎪⎪⎭
⎫ ⎝⎛≈2205542222
2
1
1Z n Z N
N Z
3 变压器的功率和效率
4 几种常用变压器
一、变压器的功率和效率
1、变压器的功率
实际变压器在工作时，必然存在功率损失。

变压器的功率消耗等于原边输入功率1111cos ϕI U P =和副边输出功率2222cos ϕI U P =之差，及
21P P P -=∆
变压器的功率损耗包括铜损和铁损两部分，它们可以通过计算或这使用的方
法求出。

①铜损是由于原、副边有电阻，电流在电阻上要消耗一定的功率。

②铁损是由于交变的主磁通在铁心中产生的磁滞损耗和涡流损耗。

2、变压器的效率
变压器的效率为变压器输出功率与输入功率的百分比，即
%1001
2
⨯=
P P η (4)
大容量变压的效率可达98% ~ 99%，小型电源变压器效率约为70% ~ 80%。

二、几种常用变压器 1、自耦变压器
自耦变压器原、副线圈共用一部分绕组，它们之间不仅有磁耦合，还有电的关系，如图3所示。

原、副线圈电压之比和电流之比的关系为
n N N I I U U =≈=2
1
1221 注意：
① 自耦变压器在使用时，一定要注意正确接线，否则易于发生触电事故。

② 接通电压前，要将手柄转到零位。

接通电源后，渐渐转动手柄，调节出
所需要的电压。

1、 小型电源变压器
图 3 自耦变压器符号及原理
小型电源变压器广泛应用与电子仪器中。

它一般有一至二个一次绕组和几个不同的二次绕组，可以根据实际需要联结组合，以获得不同的输出电压。

指导学生自己分析教材图(7)(a)、(b)，指出各有哪几种工作方式，可以获得哪几种输出电压。

2、 互感器
互感器是一种专供测量仪表，控制设备和保护设备中高电压或大电流时使用的变压器。

可分为电压互感器和电流互感器两种。

1）电压互感器
使用时，电压互感器的高压绕组跨接在需要测量的供电线路上，低压绕组则与电压表相连，如图4所示。

可见，高压线路的电压U 1等于所测量电压U 2和变压比n 的乘积，即U 1=nU 2 注意：
(1) 次级绕组不能短路，防止烧坏次级绕组。

(2) 铁心和次级绕组一端必须可靠的接地，防止高压绕组绝缘被破坏时而造成设备的破坏和人身伤亡。

2）电流互感器
使用时，电流互感器的初级绕组与待测电流的负载相串
连，次级绕组则与电流表串联成闭和回路，如图5所示。

通过负载的电流就等于所测电流和变压比倒数的乘积。

注意：
(1) 绝对不能让电流互感器的次级开路，否则易造成危险；
(2) 铁心和次级绕组一端均应可靠接地。

常用的钳形电流表也是一种电流互感器。

它是由一个电流表接成闭合回路的
图4 电压互感器
图5 电流互感器
图6 钳形电流表
次级绕组和一个铁心构成，其铁心可开、可合。

测量时，把待测电流的一根导线放入钳口中，电流表上可直接读出被测电流的大小，如图6所示。

3、 三相变压器
三相变压器就是三个相同的单相变压器的组合，如图7所示。

三相变压器用于供电系统中。

根据三相电源和负载的不同，三相变压器初级和次级线圈可接成星形或三角形。

三相变压器的每一相，就相当于一个独立的单相
变压器。

单相变压器的基本公式和分析方法，使用与三相变压器中的任意一相。

4、 变压器铭牌数据
在变压器外壳上均有一块铭牌，要安全正确的使用变压器，必须掌握铭牌各个数据的含义。

① 型号
用以表明变压器的主要结构、冷却方式、电压和容量等级等等。

如SJL-560/10中：S 表示三相，单相变压器用D 表示；J 表示油浸自冷式冷却方式，风冷式用F 表示；L 表示装有避雷装置；560表示容量为560kV·A ；10表示高压绕组额定电压为10kV 。

② 额定电压
变压器空载时的电压，三相变压器指线电压。

③ 额定电流
变压器正常运行时允许通过的最大电流，三相变压器指线电流。

④ 额定容量
额定容量指变压器的额定输出视在功率S 。

在单相变压器中S ＝U 2I 2；在三相变压器中，223I U S 。

⑤ 温升
温升是指变压器某些部分与周围环境的温差，变压器所允许的温升由材料的绝缘等级来定。

变压器运行时，要注意其温升，确保安全运行。

III.例题讲解，巩固练习
图7 三相变压器
【例题1】有一变压器初级电压为2200 V ，次级电压为220 V ，在接纯电阻
性负载时，测得次级电流为10 A ，变压器的效率为95%。

试求它的损耗功率，初级功率和初级电流。

解：次级负载功率 P 2 = U 2I 2cos ϕ2 = 220⨯10 = 2200 W 初级功率 W 231695
.02200
2
1≈=
=
η
P P 损耗功率 P L = P 1 – P 2 = 2316 – 2200 = 116W 初级电流 Α05.12200
2316111≈==U P I。