第一节 变压器的基本知识
学习目标： 1 ．了解变压器的构造
： 2 ．熟悉变压器的工作原理
重点： 变压器的工作原理
难点： 变压器的工作原理
一、变压器的基本知识
1 ．定义
变压器的是一种常见的电气设备， 可用来把某种数值的交变电压变换为同频率的另一数值的交变电压，也可以改变交流电的数值及变换阻抗或改变相位。 2 ．变压器的意义
发电厂欲将 P=3UIcos φ的电功率输送到用电的区域，在 P 、 cos φ为一定值时，若采用的电压愈高，则输电线路中的电流愈小，因而可以减少输电线路上的损耗，节约导电材料。 所以远距离输电采用高电压是最为经济的。 目前，我国交流输电的电压最高已达 500kV 。这样高的电压，无论从发电机的安全运行方面或是从制造成本方面考虑，都不允许由发电机直接生产。 发电机的输出电压一般有 3.15kV 、 6.3kV 、 10.5 kV 、 15.75 kV 等几种，因此必须用升压变压器将电压升高才能远距离输送。
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 36 V ，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 N 1 ，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 N 2 。绕组与绕组及绕组与铁心之间都是互相绝缘的。
wifi室内定位5 ．变压器的符号，如图 8-2 所示。
电热丝绕线机
图 8-2
图 8-1
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 u 1 ，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 i 0
（ 1 ）空载电流 I 0
在外加正弦电压 u 1 的作用下，线圈内有交变电流 i 0 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 N 1 的乘积 i 0 N 1 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 I 0 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
E 1 ≈ 4.44fN 1 Φ m ， E 2 ≈ 4.44fN 2 Φ m
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 u 1 ≈ -e 1 ，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 u 1 的有效值为
U 1 ≈ E 1 =4.44fN 1 Φ m ，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， i 2 =0 ，副线圈的端电压为 u 2 =e 2 ，有效值为 U 2 ≈ E 2 =4.44f N 2 Φ m ， 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 i 2 ， 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 I 0 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
U 1 I 1 =U 2 I 2 ，由前面的分析得到：
K i 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。电子仓单交易
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
（ N 1 /N 2 ） 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
学习目标： 1 ．掌握变压器的功率和效率
2 祛斑净．熟悉几种常用变压器
3 ．熟悉电磁铁的工作原理
重点： 变压器的功率和效率
难点： 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 P 1 =U 1 I 1 cos φ 1 , 其中φ 1 为原边电压 U 1 与电流 I 1 的相位差。
2 ．输出功率
副线圈给负载输出的有功功率为 P 2 =U 2 I 2 cos φ 2 ，这里 cos φ 2 为负载的功率因数。
3 闪蒸塔．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=U 2e I 2e ，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 = 3 U 2e I 2e ， 式中， U 2e 、 I 2e 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 i 2 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=i 1 +i 2 ， 考虑到 i 1 与 i 2 相位相反，故 I=I 2 -I 1 。 当变比 K 接近 1 时，由于 i 1 与 i 2 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。
金属防护罩
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
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