变压器的应用、结构和基本工作原理

4.3 单相变压器的空载运行
4.3.1、空载运行时的物理情况
U1
I0
0
U1
E1
E1
1
U2
U1
I0
F0 I0 N1
(I2 )
u1
E 2
U 20
u2
0
E1 E 2
1
IE01R 1
对E二2 次 侧R2，I2 根 据E2K VLU：2 R2I2 j X 2 I2 U 2
式中 R2 为二次绕组的电阻;
原、副线圈中通过的磁通量始终相同，因 此产生的感应电动势分别是：
e1
d 1
dt
dN10 dt
N1
d 0 dt
e2
d 2
dt
dN20 dt
N2
d 0 dt
e1
d 1
dt
N1
d1 dt
若不考虑原副线圈的内阻有
U1=E1 U2=E2
U1 n1 U 2 n2
E1 n1 E2 n2
e2
N2
d dt
E1 n1 t
ΔΦ E2 n2 Δt
E1 n1 E2 n2
铁芯
原
副
若不考虑原副线圈的内阻有
U1=E1 U2=E2
U1 n1 U 2 n2
∽U1线 圈
n1 n2
线 U2 圈
生活中需要各种电压的交流或直流电
用电器
额定工作电 压
用电器
额定工作电 压
随身听
3V 机床上的照明灯 36V
三者关系： 单相 : SN U1N I1N U2N I2N 三相 : SN 3U1N I1N 3U2N I2N
此外，额定值还有额定频率fN、效率η、温升T等。
4.3 单相变压器的空载运行
4.3.1、空载运行时的物理情况
U1
I0
0
U1
E1
E1
1
U2
U1
I0
F0 I0 N1
(I2 )
u1
变压器的主磁路，为了提高导磁性能和减少铁损，用 0.35mm厚、表面涂有绝缘漆的硅钢片叠成。
二、绕组 变压器的电路，一般用绝缘铜线或铝线绕制而成。
三、油箱 油浸式变压器的器身浸在变压器油的油箱中。油是冷
却介质，又是绝缘介质。油箱侧壁有冷却用的管子（散热 器或冷却器）。 四、绝缘套管
将线圈的高、低压引线引到箱外，是引线对地的绝 缘，担负着固定的作用。
e2
N2
d 0 dt
N 2 m
c ost
N 2 m
sin(t
Байду номын сангаас
90)
2fN2m sin(t 90) E2m sin(t 90)
主磁通与感应电势的关系
０
（a) 波形图
（b) 向量图
磁通与电动势之间的关系图形
结论：
●φ0 为正弦波时，e 也为正弦波 ● e滞后φ0 相位900
电动势有效值、相量表示法
e1
d1
dt
d
(i0 L1 dt
)
L1
di0 dt
设 i0 2I0 sin t 代入上式得（并考虑 X1 L1）：
e1 2I0 X1 sin( t 90)
E1 jL1 I0 jI0 X1
式中：
X1
2f
N12 Rm
=常数，为一次绕组的漏电抗。
二次绕组的漏磁通：由电流
链的磁通，用 表示。
• 有效值
E1 E1m / 2 2fN1m 4.44 fN1m E2 E2m / 2 2fN2m 4.44 fN2m
• 相量
E1 j4.44 fN1 m E2 j4.44 fN2 m
漏磁感应电动势： 因为电流通过绕组产生的磁通链等于电流和该绕组
电感的乘积，即： iL N ，因此变压器原边漏 磁的通漏链电克感表，示为为常：数。1故漏i0感L1应电动，势式可中表L示1如是下原：绕组
i2
产生且仅与二次绕组相交
2
X1 和 X 2 分别称为一次和二次绕组的漏磁电抗，简
称漏抗，漏抗是表征绕组漏磁效应的一个参数,且都
为常值。则一二次绕组的漏磁电动势可表示为：
E1 jX1 I1 E2 jX2 I2
4.3.3 一次、二次侧电压
变压器一次侧等效电路如图
I1 R1
根据KVL：
U1 R1I1 Eσ1 E1
第四章 变压器
变压器是一种静止电机，它通过线圈间的电磁 感应，将一种形式的电信号（或电能）转换成同频 率的另一种形式的电信号（或电能）。
4.1 变压器的应用、结构和基本工作原理
4.1.1、变压器的用途简介
在自动控制系统中常用的变压器有小功率电源变 压器和作为信号传递的信号变压器：脉冲变压器、输 入输出变压器等。
E1 和
E2 。是变压器传
1
——原边绕组漏磁通，仅与原边绕组匝链，通过变 压器油或空气形成闭路，磁阻大，不传递功率
主磁能与漏磁通的区别：
●在性质上——磁路不同，因而磁阻不同。 Φ0——同时交链一、二次绕组，路径为沿铁芯而闭合的磁路，
磁阻较小，具有饱和特性，Φ0 与 I0 呈非线性关系。 Φ1δ——只交链一次绕组，它所经的路径大部分为非磁性物质，
两绕组只有磁耦合没电联系。在一次绕组中加上交变电
压，产生交链一、二次绕组的交变磁通，在两绕组中分
别感应电动势。
U1
i1
u1
e1
d
i2
e1 N1 dt
u1
e2
N2
d dt
e2 u2
ZL
u2 U2
只要一、二次绕组的匝数不同，就能达到改变压 的目的。
1、构造示意图
铁芯
原 ∽U1线
圈
n1 n2
(1)闭合铁芯 (绝缘硅钢片叠合而成)
(2)原线圈(初级线圈)
其匝数用n1表示
副
线 U2 圈
与交变电源相连
(3)副线圈(次级线圈) 其匝数用n2表示 与负载相连
(4)输入电压U1 输出电压U2
变压器的工作原理 铁芯
——互感现象
e
原 ∽U1线
圈
n1 n2
副
线 U2 圈
0
t1
t2 t3
t
t4
变压器通过闭合铁芯，利用互感现象实现了： 电能 → 磁场能 → 电能转化 (U1、I1) (变化的磁场) ( U2、I2)
• 此外，铭牌上还会给出三相联结组以及相数m、阻抗 电压Uk、型号、运行方式、冷却方式和重量等数据。
二、额定值
额定容量 SN ( kVA)
额定电流 I1N和I2N ( A )
指铭牌规定的额定使用条
指在额定容量下，允许长期通
件下所能输出的视在功率。 过的额定电流。在三相变压器中指
的是线电流
额定电压U1N和U2N ( kV ) 指长期运行时所能承受的工作电压 U1N是指加在一次侧的额定电压,U 2 N 是指一次侧加 U1N , 二次的开路电压.对三相变压器指的是线电压
+ ––
U1
E1 E1
R1I1 j X1 I1 E1
– ++
式中 R1 为一次侧绕组的电阻;
X1 =L1 为一次侧绕组的感抗(漏磁感抗，由漏
磁产生)。
由于电阻 R1 和感抗 X1σ (或漏磁通)较小,其两端 的电压也较小,与主磁电动势 E1比较可忽略不计，
则 U1 E1 U1 E1 4.44 f m N1
结论：改变匝数比，就能改变输出电压。
4.7 几种其它常用的变压器
在电力系统中，除大量采用双绕组变压 器以外，还有其他多种特殊用途的变压器， 涉及面广，种类繁多。本节主要简单介绍较 常用的自耦变压器、电压互感器、电流互感 器、电焊变压器的工作原理及特点。
１．单相自耦变压器 （1）特点：铁芯上只有一个线圈，其中有一部分的 线圈为原、副线圈共用． （2）自耦变压器可以降压，也可以升压． （3）调压变压器是一种自耦变压器．
磁阻较大， Φ1δ 与 I0 呈线性关系，不具饱和特性。 ●在作用上——功能不同。主磁通通过互感作用传递功率，
漏磁通不传递功率，仅起漏抗压降的作用。
●在数量上—— Φ0 ＞ 99% 总磁通， Φ1δ ＜1%总磁通
各电磁量参考方向的规定
强调：磁通与产生它的电流之间符合右手螺旋定则；电
动势与感应它的磁通之间符合右手螺旋定则，电流正方向 与电势正方向一致。
E 2
U 20
u2
0
E1 E 2
1
IE01R 1
空原载边运绕行组：电原流边I接0 为额空定载电电压流U1，产的生电空源载，励副磁边磁开势路。 F0 N1I0 → F0 产生主磁通 0 。
磁通分为两部分
0
——主磁通流径闭合铁心，磁阻小，同时匝链了原
边和副边绕组,并感应出电势 递能量的主要媒介
3.1.3 变压器的型号与额定值
一、变压器型号
• 型号——可反映出变压器的结构、额定容量、电压等 级、冷却方式等内容
• 例一：SL7—500/10 低损耗三相油浸自冷双绕组铝 线，额定容量500KVA，高压侧额定电压10KV级电力 变压器
• 例二：SFPL——63000/110 三相强迫油循环风冷双绕 组铝线，额定容量63000KVA，高压侧额定电压110KV 级电力变压器
4.3.2 磁通和感应电动势分析
若 u1 随时间按正弦规律变化，则 φ0 也按正弦规 律变化，设：
主磁通0 m sin t — m为磁通幅值 感应应电动势瞬时值为
e1
N1
d 0 dt
N1 m
c ost
N1 m
sin(t
90)
2fN1m sin(t 90) E1m sin(t 90)
此外，还有储油柜、吸湿器、安全气道、净油器和 气体继电器。
4.2 变压器型号与额定值
一、型号 型号表示一台变压器的结构、额定容量、电压等
级、冷却方式等内容，表示方法为
如OSFPSZ-250000/220表明自耦三相强迫油循环风冷 三绕组铜线有载调压，额定容量250000kVA，高压额定电 压220kV电力变压器。
i1
u+– 1e+–σe+–11
i2 +–ee+–22u+–2
X2 =L2 为二次绕组的感抗；N1
N2
为二次U绕2 组的端电压。
变压器空载时: I2 0 , U2 U20 E2 4.44 f m N2
式中U20为变压器空载电压。
故有
U1 E1 N1 K U20 E2 N2
K为变比（匝比）
1、n2 >n1 U2>U1——升压变压器 2、n2 =n1 U2=U1——等压变压器 3、n2 <n1 U2 <U1——降压变压器
4.1.3、 变压器的结构及类型简介 按用途分：电力变压器（升压变压器、降压变压 器 ）和特种变压器。 按绕组数目分：单绕组（自耦）变压器、双绕组变压器、 三绕组变压器和多绕组变压器。
按相数分：单相变压器、三相变压器和多相变压器。
按铁心结构分：芯式变压器和壳式变压器。
按冷却介质和冷却方式分：干式变压器、油浸式变压器和 充气式变压器。
●铁芯结构——心式、壳式
心式 —— 结构简单 工艺简单应用广泛
图 铁芯结构示意图
壳式 —— 结构复杂， 用在小容量变压器和 电炉变压器
基本结构
一、铁心
扫描仪
12V
防身器
3000V
手机充电 4.2V 4.4V 黑白电视机显像
器
5.3V
管
几万伏
录音机
6V
9V
12V
彩色电视机显像 管
十几万伏
但我们国家民用统一供电均为220V，那么如何使这 些额定电压不是220V的电器设备正常工作的呢？
理想变压器原副线圈的端电压之比等于 这两个线圈的匝数之比
U1 n1 U 2 n2
理想变压器
如果在能量转化的过程中能量损失很小，能够略去 原、副线圈的电阻，以及各种电磁能量损失，这样的变 压器我们称之为理想变压器.这是物理学中又一种理想 化模型。
理想变压器的电压规律
I1
I2
~ 原、副线圈中通过的磁通量始终
相同(无漏磁),因此产生的感应电动势
U1
U2 R
分别是：
n1 n2
d e1 N1 dt
变压器各电磁量参考方向的规定
一次绕组（负载）——按电动机惯例 ——同方向 与 ——符合右手螺旋定则 与 ——同方向
二次绕组（电源）——按发电机惯例 ——与 之间关系用 右手螺旋定则确定
——与 同方向 ——与 同方向
例如正在增加，dФ/dt为正，e1＝－ N1dФ/dt＜0为负， 若外电路能使e1产生电流，其电流方向必与I0正方向相 反，该电流产生磁通Ф0′，与Ф0方向相反，起阻止Ф0 增加的作用，即符合楞次定律
U1 n1
n2 U2
(a)符号 (b)外形 (c)实际电路
自耦变压器的工作原理
手
U1 ≈ E1 = N1 = k
柄
U2 E2 N2
接
线
柱
I1
+
－
I2
－
－
U1 N1 E1 E2 N2 U2 RL
－
++
+
用自耦变压器变相调压
如将单相自耦变压器的输入和输出公共 端焊在中心抽头处，如左图所示。动触点 调到输入、输出公共端的上段或下段，虽 然都能进行调压，但电压相位相反，彼此 相差180º。
在电力系统中用的变压器是作为电能之间的转换， 为电力变压器。
在控制系统中用的变压器的容量小，多为不超过几 千伏安的单相变压器；电力变压器的容量大，为几千伏 安以上。
本章已自动控制系统中用的单相变压器为例介绍变 压器的基本理论。
4.1.2 变压器的基本工作原理
变压器的主要部件是铁心和套在铁心上的两个绕组。
理解：
（1）互感现象：在变压器原、副线圈中由于有交变电 流而发生互相感应的现象，叫做互感现象．
（2）互感现象是变压器工作的基础． 变压器通过闭合铁芯，利用互感现象实现了电能到磁 场能再到电能的转化．
（3）变压器只能工作在交流电路． 如果变压器接入直流电路，在铁芯中不会产生交变的 磁通量，没有互感现象出现，所以变压器仅工作于交 流电路．