1、学习情境4 小型变压器的制作与测试第一部分 基础知识第二部分 技能实训学习目标学习目标1.以变压器作为媒介，掌握电磁基本知识。2.会使用铁芯线圈；会判断互感线圈的同名端。3.能正确理解变压器的铭牌数据；会使用变压器。4.能设计、制作小型电源变压器，并能测试其性能。5.能利用仿真软件测试电路。工作任务工作任务设计、制作一个小型电源变压器。规格要求如图4-1所示，输入220 V，输出6 V/0.5 A、12 V/1 A。其中变压器=80%。图4-1 小型变压器原理图第一部分第一部分 基础知识基础知识知识链接一知识链接一 电磁知识电磁知识电流具有磁效应，变化的磁场又能感生出电流，磁与电是分不开的。变
2、压器、电机、电磁铁、电工测量仪表以及其他各种铁磁元件的内部结构都有铁芯和线圈，其目的都是为了当线圈通有较小电流时，能在铁芯内部产生较强的磁场，使线圈上感应出电动势或者对线圈产生电磁力。这是大多数电工设备的基本工作原理。1.磁场的基本物理量磁场的基本物理量1)磁感应强度B磁感应强度是表示磁场强弱及方向的一个物理量。磁场中不同地点的磁感应强度是不同的，为了形象地描绘出磁场中各处磁感应强度及方向，可用该处磁力线的多少和方向来表示。图4-2所示为不同电流情况下的磁力线示意图。磁力线的方向与电流方向满足右手螺旋定则，磁力线上任意点的切线方向就是该点的磁感应强度B的方向。其大小为(4-1)LIFB 在SI
3、制中，B的单位是特斯拉，简称特(T)。图4-2 不同电流情况下的磁力线如果磁场内各点的磁感应强度大小相等，方向相同，这样的磁场称为均匀磁场。由式(4-1)可知F=BIL (4-2)式(4-2)表明，载流导体在磁场中受电磁力作用。电磁力的大小F与磁感应强度B、电流I、垂直于磁场的导体有效长度L成正比。B、F、I三者的方向由左手定则确定。2)磁通 磁感应强度B与垂直于磁场方向的面积S的乘积，称为通过该面积的磁通，即BS (4-3)在SI制中，的单位是韦伯，简称韦(Wb)。磁感应强度在数值上可以看成是与磁场方向相垂直的单位面积所通过的磁通，故又称为磁通密度。3)磁场强度H磁场强度也是用来表示磁场中各
4、点磁力大小和方向的一个物理量。与磁感应强度不同的是，它的大小与磁场中磁介质的性质无关，仅与产生磁场的电流大小和载流导体的形状有关。当载流导体确定时，磁场强度与产生磁场的电流成正比，即 H=KI (4-4)其中：K是与载流导体形状有关的常数；I是磁路中用来产生磁通的电流，称为励磁电流；磁场强度H是计算磁场时所引用的一个物理量。通过它来确定磁场与电流之间的关系。4)磁导率磁导率是用于衡量物质导磁能力的物理量。磁感应强度、磁场强度、磁导率三者之间的关系为BH (4-5)物质按导磁性能的不同分为铁磁物质(铁、钴、镍及其合金)和非铁磁物质(铁磁物质以外的其他物质，如铜、铝、橡胶等各种绝缘材料及空气等)两
5、类。非铁磁物质的磁导率与真空的磁导率相差很小，工程上通常认为二者相同。真空的磁导率(0)为常数。0=4107 (4-6)磁导率0的单位为亨/米(H/m)。铁磁物质的磁导率要比真空的磁导率大很多倍(几百几万倍不等)。当线圈内的媒质不同时，则磁导率不同，同样电流产生的磁感应强度也不同。因此工程上用铁磁物质做成各种形状的磁路，以便使磁通能集中在选定的空间，从而增强磁场。一般材料的磁导率和真空磁导率0之比，称为这种材料的相对磁导率，用r表示。(4-7)非铁磁材料铁磁材料110rrr常用铁磁材料的相对磁导率如表4-1所列。2.铁磁材料的磁性能铁磁材料的磁性能1)高导磁性铁磁物质的磁导率比非铁磁物质的磁导
6、率要高很多，如硅钢的相对磁导率可达7000。在铁磁物质内部存在着许多很小的被称为磁畴的天然磁化区。在没有外磁场的作用时，各个磁畴排列混乱，磁场相互抵消，对外不显示磁性。在外磁场作用下(例如在铁芯线圈中励磁电流所产生磁场的作用下)，其中的磁畴就顺外磁场方向转向，显示出磁性来。随着外磁场的增强(或励磁电流的增大)，磁畴就逐渐转到与外磁场相同的方向上。这样，便产生了一个很强的与外磁场同方向的磁化磁场，从而使铁磁物质内的磁感应强度大大增加，这种现象叫做磁化。因此，通电铁芯线圈的磁场会显著增强，就是铁磁物质被强烈磁化的结果，这一特性被称为铁磁材料的高导磁性。图4-3显示了铁磁材料被外磁场磁化的过程。图4
7、-3 磁畴和铁芯的磁化铁磁材料的磁化过程可以用磁化曲线来描述。磁化曲线是磁感应强度B随外磁场强度H的变化关系，即B=f(H)由于BS，BH，H=KI，有BS=SH=KSI=f(I)(4-8)所以，磁化曲线也是电流与电流产生的磁场之间的关系，即f(I)磁化曲线通常由实验结果绘制而成。图4-4显示的是空芯线圈与铁芯线圈磁化过程的比较。直线1是空芯线圈磁化过程的特性，励磁电流(外磁场)增加时，其磁通(磁场强弱)和励磁电流的增加成正比。曲线2 表示线圈中放入铁芯的情况。由于铁磁材料高导磁性的特点，励磁电流(外磁场)相同时，其磁通(磁场强弱)远远大于空芯线圈的磁通，且磁通的增加不再和励磁电流的增加成正比
8、。图4-4 空芯线圈和铁芯线圈磁化曲线2)磁饱和性由于励磁电流(外磁场)相同时，铁芯线圈的磁通(磁场强弱)远远大于空芯线圈的磁通，因此，实际应用中，电机、变压器、仪器仪表等电气设备均利用铁芯作为电磁转换的磁路结构。图4-5所示为铁芯线圈磁化曲线及磁导率的变化曲线。曲线2为铁芯线圈磁化曲线，其大致可分为三段：oa、ab和b点以后。oa段的特点是随着外加励磁电流的增加，铁磁材料的磁场急剧增加，且励磁电流与磁场之间基本成正比关系，铁磁材料呈现高导磁性。ab段叫做膝部，它的特点是励磁电流继续增加时，铁磁材料磁场有所增加，但增加速率图4-5 铁芯线圈磁化曲线及磁导率的变化曲线下降很多。这是因为铁磁材料的
9、小磁畴数目有限，在oa段绝大多数小磁畴已随着外磁场翻转，进入ab段后，随着励磁电流的增加，能翻转的小磁畴已不多的缘故。到了b点以后，铁磁材料进入饱和段。励磁电流继续增加时，磁场强度增加很少或不再增加。这是铁磁材料非常重要的一个特性，反映铁磁物质由于磁化所产生的磁场不会随着外磁场的增强而无限制地增强。当外磁场增大到一定值时，全部磁畴的磁场方向都转向与外磁场的方向一致，这时磁感应强度即达到饱和值。在实际应用中，许多电气设备的线圈都绕制在铁磁材料上，以便用小的励磁电流(与H有关)产生较大的磁场，达到降低电气设备体积与重量的目的。如变压器、电机与发电机的铁芯都是利用了铁磁材料的高导磁性。显然电气设备应
10、当避免铁磁材料的工作进入饱和区，因为超过饱和点后磁场的稍许增加需要增加极大的电流，这样做是很不经济的。曲线1为铁芯线圈磁导率随外加励磁电流的变化曲线。铁磁材料的磁导率不是一个常数，其最大值出现在磁化曲线的膝部附近，由于f(I)=KSI，磁通的大小受到电流、磁导率及载流导体等因素的共同影响，所以在电气设备工作时，应当注意其工作点不应选得过低。工作点过低，为获得一定的磁通量，磁路的截面必须增加很多，这也是不经济的。通常将工作点选择在磁化曲线膝部或稍高一些。3)磁滞性铁芯线圈通入交流电时，铁芯中的磁畴会随交流电的变化而被反复磁化。由于磁畴本身存在“惯性”，使得在反复磁化的过程中，磁感应强度的变化滞后
11、于磁场强度的变化，这种现象称为铁磁物质的磁滞性。在电流变化一个周期时，磁感应强度B随磁场强度H而变化的关系称为磁滞回线，如图4-6 所示。图4-6 磁滞回线由图4-6可见，当H已减到零值时，B并未回到零值(2点、5点)。意味着当线圈中电流减小到零值(即H=0)时，铁芯在磁化时所获得的磁性还未完全消失。这时铁芯中所保留的磁感应强度称为剩磁感应强度Br(简称剩磁)，永久磁铁的磁性就是由剩磁产生的。如果要使铁芯的剩磁消失，通常需要改变线圈中励磁电流的方向，也就是改变磁场强度H的方向来进行反向磁化。使B=0的H值(3点、6点)称为矫顽力Hc。4)铁损耗铁磁材料在工作中会产生铁损耗。铁损耗包括磁滞损耗与
12、涡流损耗。磁滞损耗是指铁磁材料在反复磁化过程中，外磁场不断克服磁畴的“惯性”需要消耗一定的能量而产生的损耗,是导致铁磁性材料发热的原因之一,对电机、变压器等电气设备的运行不利。因此,常采用磁滞损耗小的铁磁性材料作为铁芯。交变的磁通穿过铁芯导体时，在其内部产生旋涡状的电流，称为涡流。涡流会使铁芯发热并消耗能量，产生涡流损耗。为了减小涡流损耗，在电气设备中常采用涂有绝缘材料的硅钢片叠成铁芯，如图4-7所示，以增加回路电阻，降低涡流损耗。图4-7 涡流图4-8 各种铁磁材料的磁滞回线5)铁磁物质的分类铁磁材料分为三类：软磁材料、硬磁材料、矩磁材料。它们的磁滞回线如图4-8所示。软磁材料：磁导率很大，
13、剩磁和矫顽磁力都很小，易磁化，也易去磁。这类铁磁物质包括电工软铁、硅钢片、铁镍合金(坡莫合金)等。如硅钢片、铸铁多用作电动机和变压器的铁芯，铁镍合金多用于电子设备中的脉冲变压器铁芯，电工软铁主要用于直流磁路。硬磁材料：磁滞回线宽，具有较高剩磁。这类材料一经磁化即能保持较强的恒定磁性，又称为永磁材料。合金钢、铝镍钴合金、稀土合金等属于永磁材料，主要用于扬声器、磁电系仪表及永磁发电机等场合以产生恒定磁场。矩磁材料：弱磁场下，可被磁化并达到磁饱和。撤掉外磁场后，磁性仍然保持为磁饱和，磁滞回线接近矩形，稳定性也良好。在计算机和控制系统中可用作记忆元件、开关元件和逻辑元件。常用的有镁锰铁氧体及1J51型
14、铁镍合金。6)基本磁化曲线铁磁材料磁滞回线的形状与磁场强度的最大值有关，对同一铁磁材料，选择不同的磁场强度Hm进行反复磁化，可得一系列大小不同的磁滞回线，再将各磁滞回线的顶点连接起来，所得的曲线称为基本磁化曲线或平均磁化曲线。由于电气设备使用的铁磁材料多数为软磁材料，磁滞回线很窄，所以实际应用时，所用的磁化曲线都是基本磁化曲线。图4-9给出了几种不同铁磁性物质的磁化曲线。在基本磁化曲线中，已知H值就可查出对应的B值。从曲线上可看出，在相同的磁场强度H，对于硅钢片、铸钢、铸铁这三种材料，硅钢片的B值最大，铸铁的B值最小，说明硅钢片的导磁性能比铸铁要好得多。图4-9 几种常用铁磁材料的基本磁化曲线
15、3.磁路的基本定律磁路的基本定律1)磁路 如图4-10(a)所示，一个没有铁芯的载流线圈所产生的磁通量是弥散在整个空间的；而在图4-10(b)中，同样的线圈绕在闭合的铁芯上时，由于铁芯的磁导率很大(数量级通常在102106以上)，远远高于周围空气的磁导率，这就使绝大多数磁通量集中到铁芯内部，并形成一个闭合通路。这种人为造成的磁通的路径，称为磁路。实质上，磁路就是局限在一定范围内的磁场。为了使较小的励磁电流产生足够大的磁通(或磁感应强度)，在电机、变压器及各种铁磁元件中常用磁性材料做成一定形状的铁芯，这就是电气设备的磁路。图4-10 磁场和磁路2)安培环路定律(全电流定律)安培环路定律又称全电流
16、定律，反映的是电流与其产生的磁场之间的关系：在磁路中，沿任意闭合路径，磁场强度的线积分等于与该闭合路径交链的电流的代数和，即有(4-9)lIlH d通常用到的是安培环路定律的简化形式：当闭合回路上各点的磁场强度相等且其方向与闭合回路的切线方向一致时，则Hl=I=NI(4-10)计算电流代数和时，与闭合回路绕行方向符合右手螺旋定则的电流取正号，反之取负号。称Um=Hl为磁压降；称FNI为磁动势。3)磁路欧姆定律因为Hl=NI，B=H所以(4-11)mRFSlNI定义(4-12)SlRmRm称为磁路的磁阻，是表示磁路对磁通具有阻碍作用的物理量，它与磁路的几何尺寸、磁介质的磁导率有关。因为铁磁材料的
17、磁导率不是常数，它随励磁电流而变，所以铁磁材料的磁阻是非线性的，数值很小，且不能直接用式(4-12)进行定量分析，而只能进行定性分析。空气隙的磁导率很小，而且是常数，因此空气隙中的磁阻是线性的，数值很大。式(4-11)与电路的欧姆定律在形式上相似，所以称为磁路的欧姆定律。它是对磁路进行分析与计算时所要遵循的基本定律。电磁铁在吸合过程中若外加电压不变，则基本不变。电磁铁吸合前由于存在气隙，导致Rm非常大，此时，线圈中的电流会很大。当电磁铁吸合后，铁磁材料的Rm很小，因此线圈中的电流会比较小。使用电磁铁等电磁元件时，如果磁路气隙中有异物卡住，铁芯长时间吸不上，线圈中的电流一直很大，将会导致过热，将
18、线圈烧坏。4)磁路基尔霍夫定律(1)磁路基尔霍夫第一定律。磁路基尔霍夫第一定律确定了磁路交汇处的磁通关系，即在磁路的交汇点有k=0 (4-13)如图4-11所示，在节点A处，1=2+3。(2)磁路基尔霍夫第二定律。磁路基尔霍夫第二定律确定了一个闭合回路的磁动势与磁压降之间的关系，即在磁回路中有NI=Hl (4-14)如图4-11所示，在回路ABCDA中，NI=H1l1+H3l3图4-11 分支磁路知识链接二知识链接二 交流铁芯线圈交流铁芯线圈1.电感线圈电感线圈导线中有电流时，即在其周围即建立磁场。把彼此互相绝缘的导线(漆包线、纱包线或裸导线)一圈靠一圈地绕在绝缘管(绝缘体、铁芯或磁芯)上制成
19、线圈，以增强线圈内部的磁场。这个线圈通常称为电感线圈。电感线圈通过交流电流时，在线圈的内部及其周围产生交变磁场，而磁场的变化又会在线圈上形成感应电动势，此感应电动势相当于一个“新电源”。如果回路闭合，此感应电动势就要产生感应电流，该电流阻碍回路中原电流的变化，因此电感线圈有阻碍交流电路中电流变化的特性。线圈由于自身通过电流而产生感应电动势的这一现象，称为自感现象。通常在拉开闸刀开关或接通闸刀开关的瞬间会发生火花，就是电感线圈产生很高的自感应电动势所造成的。根据法拉第定律，有(4-15)ttNedddd式中：磁场磁通，单位为韦伯(Wb);N线圈匝数，单位为匝;磁链，=N。2.交流铁芯线圈交流铁芯
20、线圈普通单绕组变压器的基本结构包括一个铁芯和两个绕组。在变压器中，所用的电感线圈称为铁芯线圈。对于铁芯线圈，由于磁介质为铁磁材料，其磁导率远远大于非铁磁材料，所以铁芯线圈可以大大增加电感量并提高线圈的品质因数。铁芯线圈的特点是：与形状、匝数相同的空芯线圈相比，其l值非常大，但由于其值不定，因此，l值是不确定的。1)结构一个交流铁芯线圈的基本结构包括线圈和铁芯，如图4-12所示。图4-12 交流铁芯线圈线圈又叫绕组，由普通的导线缠绕而成，缠绕一圈称为一匝，所以线圈都有匝数的概念，一般线圈的匝数都大于1。缠绕线圈的导线也不是裸线，而是包有绝缘层的铜线或铝线，因此，线圈的匝与匝之间是彼此绝缘的。线圈
21、通电后有电流，所以线圈构成了电路的主体，其作用是完成电能的传输或信号的传递。铁芯是交流铁芯线圈的磁路部分，具有汇聚磁通、增强铁芯内部磁场的作用。不同的电工设备其铁芯的形状是不同的。图4-13所示为电机的磁路。当线圈中的电流产生磁通时，磁通分为主磁通()和漏磁通()。主磁通为主要工作磁通，经磁路闭合。漏磁通为泄露磁通，经空气隙闭合。图4-13 电机的磁路2)交流铁芯线圈电路分析(1)电磁关系。铁芯线圈加入交变电压u，将产生交变电流i，因而在线圈中产生交变的磁通，电路如图4-14所示。主磁通和漏磁通在线圈中分别感应电动势e和e。图4-14 交流铁芯线圈电路(2)电路方程的建立。设线圈电阻为R，线圈
22、压降为uR，e和e与磁通的参考方向符合右手螺旋定则，则铁芯线圈电路中电压之间的关系为dtddd)()(NtNRieeuuR由于交流铁芯线圈的电阻值和漏磁通很小，因此忽略其压降和漏磁通产生的感应电动势，可以得到tNudd(4-16)(3)电磁关系式的建立。假设=m sint则uNm cost=2fNm cost最大值Um=2fNm有效值(4-17)mm44.42fNUU式中：N线圈匝数，单位为匝;f电源频率，单位为赫兹(Hz);m铁芯中交变磁通的幅值。式(4-17)为变压器的公式，反映交流电气设备工作时电压、电源频率、线圈匝数、磁场最大值之间的对应关系。在设计包括变压器等交流电气设备时，一般根据
23、给定的电源电压及频率来确定匝数及磁通最大值。使用这些电气设备时，就要在规定的电压和频率下使用。例如，一台设计用于50 Hz，220 V电源的变压器，若加上25 Hz，220 V电源，则磁通增加一倍，这将导致磁路饱和，励磁电流剧增，变压器立即烧毁。因此电气设备降频使用时，电源电压也必须与频率成比例下降。另外，在维持磁通不变的条件下，也不能将其用于400 Hz，1600 V的电源上。此时虽不存在磁路的饱和问题，但是升频使用时耐压和铁耗却变成了主要矛盾。知识链接三知识链接三 关于互感关于互感1.互感互感1)互感现象当一个线圈中的电流发生变化时，在相邻线圈中引起电磁感应的现象称为互感现象。如图4-15
24、所示。产生互感的线圈称为互感线圈或耦合线圈。(1)自感磁链。i1在线圈1中产生的磁通为11，磁链为11，即11=N111i2在线圈2中产生的自感磁链为22，即22=N222 图4-15 互感现象(2)互感磁链。i1在线圈2中产生的磁链为21，即21=N221i2在线圈1中产生的磁链为12，即12=N1122)互感系数互感系数表示线圈中通过单位电流时，在相邻线圈中产生互感应电动势大小的能力，简称互感。定义：M21=21/i1，M21为线圈1与线圈2的互感系数；M12=12/i2，M12线圈2与线圈1的互感系数。对两个相互之间具有互感的线圈来讲，它们互感系数的大小是相同的，即M=M12=M21，其
25、SI单位为亨利(H)。互感的大小不仅与两线圈的匝数、形状及尺寸有关，还与两线圈的相对位置有关。如果使两线圈轴线平行放置，则相距越近，互感便越大，反之则越小，如图4-15(a)所示。两线圈轴线相互垂直时，线圈1产生的磁力线几乎不与线圈2相交链，互感磁链接近零，如图4-15(b)所示。3)耦合系数一对耦合线圈的电流，其产生的磁通只有部分相交链，而彼此不交链的那一部分磁通称为漏磁通。工程上用耦合系数k定量反映两个耦合线圈耦合的紧密程度，其定义为(4-18)21LLMk k的取值范围为0k1，当k=1时称为全耦合；当k值接近1时称为紧耦合；k=0时称为无耦合；k值较小时称为松耦合。利用互感原理工作的电
26、气设备，总是希望耦合系数越接近1越好。线圈1、2同时分别通过电流i1和i2时，线圈1、2的总磁链可以看做是i1和i2单独作用时磁链的叠加。取电流和磁通的参考方向符合右手螺旋法则，电压和电流为关联参考方向，则两个耦合线圈的磁链可表示为1=11+12=L1i1Mi2 (4-19)2=22+21=L2i2Mi1 (4-20)当自感磁链和互感磁链参考方向一致时，线圈的磁链是增强的，M前面取“+”号；当自感磁链和互感磁链参考方向相反时，线圈的磁链是减弱的，M前面取“”号。2.同名端同名端1)同名端一对互感线圈中，一个线圈的电流发生变化时，在本线圈中产生的自感电压与相邻线圈中所产生的互感电压极性相同的端点
27、称为同名端。同名端用一对“”或“*”、“”标记，如图4-16所示。图4-16 同名端2)同名端的测定可以通过实验方法确定耦合线圈的同名端。线圈1的两个接线端子为1、2，线圈2的两个接线端子为3、4。(1)直流法测量。按图4-17所示接线，当S闭合时，若毫安表的指针正偏，则1和3是同名端；毫安表的指针反偏，则1和4是同名端。(2)交流法测量。按图4-18所示接线，用电压表测U12、U13、U34，根据测量结果判定如下：U13=U12U34时，1和3是同名端；U13=U12U34时，1和4是同名端。图4-17 直流法确定同名端图4-18 交流法确定同名端3)同名端的应用两个耦合线圈的同名端确定之后
28、，便可用图4-19所示的电路模型来表示。(1)互感电压。互感电压是通过磁路耦合感应而产生的，互感电压的大小取决于两个耦合线圈的互感系数M。互感电压与产生该电压的电流的参考方向对同名端一致(即相关联)时，互感电压取正，不一致(非关联)时取负。(2)互感线圈的串联。设互感线圈的自感系数分别为L1、L2，互感系数为M。互感线圈串联有两种方式：顺向串联和反向串联。图4-19 互感线圈电路模型图4-20所示变压器的初级线圈为顺向串联，也叫变压器的正接。正接是异名端相连接，变压器工作时，电流从两线圈的同名端流入(或流出)，正接后，线圈等效电感：L=L1+L2+2M，其线圈磁场是增强的。互感线圈的反向串联是
29、同名端相连接，如图4-21所示。电流从一个线圈的同名端流入(或流出)，从另一个线圈的同名端流出(或流入)，其线圈的磁链是减弱的。线圈等效电感：L=L1+L22M。图4-20 变压器的正接图4-21 变压器的反接一个变压器的连接实例如图4-22所示。若线圈、的额定电压均为110 V，则在220 V电压下使用该变压器时，需将两个线圈串联。此时，应将端子2、3相连接。在110 V电压下使用该变压器时，需将两个线圈并联使用，即端子 1、3，2、4分别相连接。如果两绕组的极性端接错，两个线圈中的磁通将相互抵消，此时，线圈中的感应电动势为零，则端电压全部加在线圈电阻上，线圈中流过的电流很大，有可能烧毁变压
30、器。所以，在使用变压器或其他电气设备时，在绕组极性不明确时，一定要先测定极性再通电。图4-22 变压器的正确连接(3)互感线圈的并联。互感线圈的并联也有两种方式：同侧并联和异侧并联。互感线圈的同侧并联是两个同名端连接在同一个节点上，如图4-23所示。其等效电感为(4-21)互感线圈的异侧并联是两个异名端连接在同一节点上，如图4-24所示，其等效电感为(4-22)MLLMLLL221221MLLMLLL221221图4-23 互感线圈的同侧并联图4-24 互感线圈的异侧并联知识链接四知识链接四 变压器变压器变压器是一种静止的电气设备。它利用电磁感应原理，把输入的交流电压升高或降低为同频率的交流输
31、出电压，它具有电压变换、电流变换、阻抗变换和电气隔离的功能，在电力系统和电子线路中应用广泛。1.变压器的基本结构变压器的基本结构 变压器的主要组成部分是铁芯和套在铁芯上的两个或多个绕组(对于电力变压器，由于运行中铜损与铁损使变压器绕组发热温升，还需要油箱、气体断路器、安全气道、温度计等其他附属设备)。变压器的基本结构如图4-25所示。图4-25 变压器结构1)铁芯铁芯是变压器的磁路部分，又是变压器的机械骨架。为了减少磁通变化时所引起的涡流损失，变压器的铁芯要用厚度为 0.35 0.5 mm的硅钢片叠成，片间用绝缘漆隔开。变压器铁芯可分为芯式铁芯和壳式铁芯两种。芯式变压器的原、副绕组套装在铁芯的
32、两个铁芯柱上，如图4-26(a)所示。其结构特点是：绕组包围铁芯。这种形式结构简单，适用于容量大而电压高的电力变压器。壳式变压器的结构如图4-26(b)所示，其结构特点是：铁芯包围绕组。这种结构机械强度好，铁芯容易散热，但外层绕组的用钢量较多，制造工艺复杂。一般小型变压器采用这种结构。图4-26 变压器的铁芯结构小型变压器的铁芯柱常采用“E”字形、“F”字形和“日”字形硅钢片交错地叠装而成，如图4-27所示。这种结构的铁芯夹紧装置简单，经济可靠。图4-27 小型变压器的铁芯形式2)绕组绕组由绝缘铜导线绕制而成，是变压器的电路部分，如图4-28所示。大容量或电力变压器的绕组通常做成圆筒形；小容量
33、变压器的绕组可制成长方形或正方形。绕组的形式有同心式、交叠式等多种，大多数电力变压器均采用同心式绕组。绕组有原、副之分。与电源端相接的绕组称为原绕组(或称原边或初级)，其匝数为N1，与负载相接的绕组称为副绕组(或称副边或次级)，其匝数为N2。原、副绕组所用导线的规格和匝数对变压器的电气性能有很大的影响。绕组与绕组及绕组与铁芯之间都是互相绝缘的。图4-28 变压器的绕组2.变压器的基本工作原理变压器的基本工作原理1)变压器的电压变换变压器原线圈接额定的交变电压u1，副线圈开路不接负载，称为空载运行，如图4-29所示。空载时，副边中的电流为零，原边的电流为i0。(1)空载电流i0。空载运行时，在外
34、加正弦电压u1的作用下，原线圈中的电流称做变压器的空载电流，又称励磁电流。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%。图4-29 变压器的空载运行(2)原副边的感应电动势。设一次绕组的匝数是N1,二次绕组的匝数是N2,穿过它们的磁通是,那么一次、二次绕组中产生的感应电动势分别为e1=4.44fN1me2=4.44fN2m (3)电压平衡方程及电压比。空载时变压器的原绕组电路是一个含有铁芯线圈的交流电路，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u1e1，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
35、值为U1E1=4.44fN1m (4-23)式(4-23)表明：当电源频率和原线圈匝数一定时，铁芯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，变压器铁芯中的主磁通基本上为一常数。由于空载时变压器副线圈是开路的，i2=0，副线圈的端电压u2=e2，有效值为U2E2=4.44fN2m，因此可以得到(4-24)111m1222m24.444.44UEfNNKUEfNNK为变压器的变比，变比通常在变压器的铭牌上注明，譬如以“6000/400 V”的形式表示原、副绕组的额定电压之比，此例表明这台变压器原绕组的额定电压U1N=6000 V，副绕组的额定电压U2N=400 V。所谓副绕组的额定电压
36、是指原绕组加上额定电压时副绕组的空载电压。由于变压器有内阻抗压降，所以副绕组的空载电压一般应较满载时的电压高5%10%。由式(4-24)可知：变压器一次、二次绕组的端电压之比等于这两个绕组的匝数之比。如果N2N1，则U2U1，变压器使电压升高，称为升压变压器；如果N2N1，则U2U1，变压器使电压降低，称为降压变压器。2)变压器的负载运行 变压器原边接交流电源u1，副边接负载阻抗Z，这种运行状态称为负载运行，如图4-30所示。在副边感应电压的作用下，副边线圈中有了电流i2。此电流在磁路中也会产生磁通，从而影响原边电流i1。由U1=E1=4.44fN1m可知，当电源电压U1和频率f不变时，E1和
37、m也都近于常数。就是说，铁芯中主磁通的最大值在变压器空载或有负载时是差不多恒定的。因此有负载时产生主磁通的原、副绕组的合成磁动势i1N1+i2N2应该和空载时产生主磁通的原绕组的磁动势i0N1近似相等，即i1N1+i2N2=i0N1图4-30 变压器的负载运行变压器的空载电流i0是励磁用的，由于铁芯的磁导率高，空载电流很小。它的有效值I0在原绕组额定电流I1N的10%以内，因此I0N1与I1N1相比常可忽略。于是有(4-25)112201i Ni Ni N可见，变压器中的电流虽然由负载的大小确定，但是原、副绕组中电流的比值基本上不变；因为当负载增加时，I2和I2N2随着增大，而I1和I1N1也
38、必须相应增大，以抵偿副绕组电流和磁动势对主磁通的影响，从而维持主磁通的最大值几乎不变。变压器的额定电流I1N和I2N是指变压器长时间连续工作运行时原、副绕组允许通过的最大电流，它们是根据绝缘材料允许的温度确定的。3)变压器的阻抗变换在电子线路中，变压器还有变换阻抗的作用，常利用变压器的阻抗变换功能来达到阻抗匹配的目的。如图4-31所示，变压器原边接电源u1，副边接负载Z，图4-31(a)中虚线框内的部分可以用一个等效的阻抗Z来代替，如图4-31(b)所示。设接在变压器副绕组的负载阻抗Z的模为|Z|，则22|IUZ 根据等效原理，Z反映到原绕组的阻抗模|Z|为(4-26)|/|22222211Z
39、KIUKKIKUIUZ图4-31 变压器的阻抗变换 变压器原边的等效负载为副边负载乘以变比的平方。当变压器负载一定时，改变变压器的变比就可以获得所需要的阻抗。变压器在阻抗变换中的应用可以通过下例说明。例例4-1 已知信号电压的有效值U1=50 V，信号内阻Rs=100，负载为扬声器，其等效电阻RL=8。在扬声器上如何得到最大输出功率？解解：(1)将负载直接接到信号源上，电路如图4-32(a)所示，得到的输出功率为W7.18108502L2LssLRRRUP图4-32 变压器的阻抗变换(2)将负载通过变压器接到信号源上。电路如图4-32(b)所示，通过变压器能实现扬声器阻抗与电源内阻匹配，从而在
40、负载上获得最大功率。变压器的变比应为1:5.38100Ls21RRNNK输出功率为W25.6100100100502L2LssLRRRUP 由此例可见加入变压器以后，输出功率提高了很多。3.变压器的运行特性变压器的运行特性1)变压器的外特性变压器的外特性即副边输出电压与输出电流的关系，即U2=f(I2)(4-27)图4-33为变压器的外特性曲线。该曲线表明，变压器副边电压随负载的增加而下降；对于相同的负载电流，感性负载的功率因数愈低，副边电压下降愈多。图4-33 变压器的外特性图中U20为原边加额定电压、副边开路时副边的输出电压；U2为原边加额定电压、副边加负载时，副边的输出电压，2为副边输出
41、电压U2与副边输出电流I2的相位差。变压器带负载后副边电压下降程度用电压调整率U%表示，即(4-28)%10020220UUUU一般供电系统希望外特性要硬(随I2的变化，U2变化不多)，电力变压器的电压调整率U%约为3%5%。2)变压器的损耗与效率变压器的损耗包括铁损耗和铜损耗。(1)铁损耗(PFe)：包括磁滞损耗和涡流损耗。(2)铜损耗(PGu)：绕组导线电阻所致。绕制变压器需要用大量的铜线，这些铜导线存在着电阻，电流流过时电阻会消耗一定的功率，这部分损耗往往变成热量而消耗，我们称这种损耗为“铜损”。由于变压器存在着铁损与铜损，所以它的输出功率永远小于输入功率，为此我们引入效率这一参数来对此
42、进行描述(4-29)%10012PP输入功率输出功率由于变压器没有转动部分，其效率是较高的，值一般在95%以上，大型变压器的效率可达98%99%。变压器效率随输出功率变化而变化，并有一最大值。4.变压器的铭牌数据变压器的铭牌数据变压器的铭牌主要标示变压器的额定值。额定值是制造厂对变压器正常使用所作的规定。变压器在规定的额定值状态下运行，可以保证长期、可靠的工作，并具有良好的性能。变压器铭牌标注的额定值具体如图4-34所示。图4-34 变压器型号的含义(1)额定容量：是指额定运行时的视在功率，单位用伏安(VA)、千伏安(kVA)或兆伏安(MVA)表示。由于变压器的效率很高，因此原、副边绕组的额定
43、容量几乎相等。(2)额定电压：原边绕组额定电压U1N是指变压器正常工作时规定接入的电压；副边绕组额定电压U2N是指变压器在空载状态下，原边绕组接额定电压时副边绕组的电压值。额定电压由变压器的绝缘强度和允许温升决定，单位用伏(V)、千伏(kV)表示。使用时原边电压不允许超过额定值(一般规定电压额定值允许变化5%)。考虑有载运行时变压器有内阻抗压降，所以副边额定输出电压U2应较负载所需的额定电压高5%10%。(3)额定电流：额定电流是指变压器正常运行时原、副边绕组允许通过的最大电流，由绝缘材料允许的温度所决定。在额定电流下，材料老化比较慢。如果实际的电流大大超过额定值，变压器绝缘迅速老化，变压器的
44、寿命就要大大缩短。(4)额定频率：使用变压器时，交流电源的频率。(5)额定温升：变压器的额定温升是以环境温度+40为参考，允许变压器的最大温升。(6)短路电压：也称阻抗电压，指一侧绕组短路，另一侧绕组达到额定电流时所施加的电压与额定电压的百分比。(7)电压比：指变压器初级电压和次级电压的比值，有空载电压比和负载电压比的区别。(8)绝缘电阻：表示变压器各线圈之间、各线圈与铁芯之间的绝缘性能。绝缘电阻的高低与所使用的绝缘材料的性能、温度高低和潮湿程度有关。5.变压器的应用变压器的应用1)变压器在电力系统中的应用发电厂发电机发出的电能电压常为6.3 kV或10.5 kV。发电厂往往很偏僻，而用电量大
45、的往往是大中城市，两者距离很远。如果直接输送则损耗非常大，是不允许的，故必须根据输电距离的大小，用变压器将电能升压后再输送。一般输电电压为110 kV、220 kV、330 kV、500 kV等几个等级。经过长距离输电将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，以供工厂和家庭使用。在用电方面，多数用电器所需电压是380 V、220 V或 36 V，少数电动机也采用3 kV、6 kV等电压等级。2)变压器在家用电器中的应用电脑、电视机、影碟机、功放机等家用电器中都使用小型变压器，将电压降到所需的数值，如图4-35所示。
46、图中，变压器T将220 V的交流电压变换为7 V的副边电压，再经过桥式整流、滤波、稳压，输出5 V直流电源。3)变压器在测量、检测中的应用在电力系统中，常用变压器将高电压、大电流变为低电压、小电流，以后再用普通的电压表和电流表来测量。图4-35 家用电器电源中的变压器知识链接五知识链接五 几种常用的变压器几种常用的变压器1.三相电力变压器三相电力变压器三相电力变压器广泛应用于电力系统输、配电的三相电压变换。此外，三相整流电路、三相电炉设备也采用三相变压器进行三相电压的变换。三相变压器原理结构如图4-36所示，它有三个铁芯柱，每一相的高、低压绕组同心地套装在一个铁芯柱上构成一相，三相绕组的结构是
47、相同即对称的。高压绕组分别用U1U2、V1V2、W1W2表示。低压绕组分别用u1u2、v1v2、w1w2表示。三相变压器的高压绕组和低压绕组均可以连成星形或三角形，因此三相变压器可能有Y/Y、Y/、/、/Y四种基本接法，符号中的分子表示高压绕组的接法，分母表示低压绕组的接法。目前我国生产的三相电力变压器通常采用Y/Y0，Y/接法。图4-36 三相变压器2.自耦变压器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4-37所示。原、副边之间除了有磁的联系外，还有电的直接联系。这是自耦变压器区别于一般变压器的特点。自耦变压器的优点是结构简单、节省材料、效率高，但这些优点只有在变压器变比
48、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(一般不大于2)的场合。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。自耦变压器常用于调节电炉炉温，启动交流电动机或用于实验和小型仪器。图4-37 自耦变压器3.仪用互感器仪用互感器仪用互感器是专供电工测量和自动保护用的变压器，使用仪用互感器的目的在于保证设备和人身安全，扩大测量仪表的量程。1)电压互感器 电压互感器是用来将高电压变为低电压的特殊变压器。电压互感器的原绕组匝数很多，并联于待测电路两端；副绕组匝数较少，与电压表或电度表、功率表、继电器的电压线圈并联。电压互感器的副边额定电压一般设计为标准值10
49、0 V，以便统一电压表的表头规格。其接线如图4-38所示。图4-38 电压互感器若电压互感器和电压表固定配合使用，则从电压表上可直接读出高压线路的电压值。(1)电压互感器的选择与正确使用。按额定电压选择。电压互感器的额定电压应与所接入的电力系统电压相适应，满足下列条件：1U1UN0.9U1式中：UN为原边绕组所接电力系统电压；U1为原边绕组额定电压。按装置种类选择。根据装设的场所，可以采用室内式(20 kV以下)或室外式(35 kV以上)电压互感器。按构造形式选择。根据具体情况选择构造形式。如：电压在35 kV以上的可选择油浸式普通结构或采用环氧树脂浇注绝缘的干式结构。按准确度等级选择。根据测
50、量仪表和保护装置的形式以及它们的用途，确定电压互感器应在哪一级准确度等级下工作。按接线方式选择。按不同的测量目的选择相应的接线方式。额定容量的选择。满足条件：0.25SNS2SN，其中S2为副边绕组输出容量，SN为额定容量。(2)电压互感器使用时的注意事项。电压互感器的副边绕组不允许短路，以防产生过流。副边绕组串接的阻抗不能太小，以免影响测量精度。电压互感器的铁芯、金属外壳及副边绕组的一端都应可靠接地，否则万一高、低压绕组间的绝缘损坏，低压绕组和测量仪表对地将出现高电压，这对工作是非常危险的。2)电流互感器电流互感器是用来将大电流变为小电流的特殊变压器，原边绕组线径较粗，匝数很少，与被测电路负
