单相变压器的认识和使用

任务1.1 单相变压器的认识与使用
一、变压器的结构与分类 1.变压器的应用
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 (如输出变压器)
在能量传输过程中，当输送功率P= 3 UIcos及负载功率因数
cos 一定时
U I
Δp I 2rl 电能损耗小
I→导线截面积S 节省金属材料 (经济)
于是有
变压器除有变压作用和变流作用之外，还可用来实现阻抗的 变换。设在变压器的副边接入阻抗为ZL，由图1-11可知，从原绕 组输入端看进去的输入阻抗值|ZL|为：
4.变压器的工作特性 (1)变压器的外特性 变压器的外特性是指电源电压和负载的功率因数为常数时，二 次侧电压随负载电流变化的规律，即U2＝f(I2)。变压器的外特性曲 线如图1-12所示。
2.电焊变压器 电焊变压器是交流弧焊机的主要组成部分，它是一种双绕组变 压器，在副绕组电路中串联一个可变电抗器。如图1-16所示。
对电焊变压器的要求是：空载时应有足够的引弧电压(约为 60~75V)，以保证电极间产生电弧。有载时，副绕组电压应迅速 下降，当焊条与工件间产生电弧并稳定燃烧时，约有30V的电压 降，短路时(焊条与工件相碰瞬间)，短路电流不能过大，以免损 坏焊机。另外，为了适应不同的焊件和不同规格的焊条，焊接电 流的大小要能够调节。
变压器的运行与维护
【项目内容】
单相变压器的结构、工作原理、运行持性及极性测定； 其他 用途变压器的结构、工作原理；三相变压器的认识及联结组别 的判定； 变压器的使用与维护。
【项目目标】
掌握变压器的作用、基本结构；理解变压器的电压、电流和 阻抗变换原理。 掌握自耦变压器、多绕组变压器、电焊变压器、 仪用互感器等特殊变压器的结构特点；理解其工作原理；了解其 应用范围。掌握三相变压器的结构；理解其工作原理。 会进行小 型变压器的测试、维护与故障检修。
③由于变压器的电压变化率很小，负载时U2的变化可不予考 虑，即认为U2＝U2N。故输出功率为
式中，为负载系数，＝I2/I2N，则
在功率因数一定时，变压器效率与负 载系数之间的关系η＝f(β)称为变压器的效 率特性曲线，如图1-13所示。
为提高变压器的运行效率，设计时使铁损耗相对比较小一些， 一般取βm＝0.5～0.6。
(2)变压器的空载试验 ①断开交流电源，将图1-20中所示的单相变压器的低压线圈a、 x接电源，高压线圈A、X开路。 ②将调压器旋钮向逆时针方向旋转到底，即将其调到输出电 压为零的位置。合上交流电源开关，调节调压器的旋钮，使变压 器空载电压U0＝1.2UN，然后逐次降低电源电压，在1.2～0.2UN的 范围内，测取变压器的U0、I0、P0。 ③测取数据时，U0＝UN点必须测，并在该点附近测的点较密， 共测取数据7~8组。记录于表1.2中。 ④为了计算变压器的变比，在UN以下测取原边电压的同时测 出副边电压数据记录于表1.2中。
(1)铁芯 铁芯采用厚度为0.35～0.5mm，材料表面涂有绝缘漆的热轧
(或冷轧)硅钢片，冲压成型并叠合组装成一个整体的铁芯。 铁芯的基本结构形式有心式和壳式两种，如图1-1所示。
各种变压器的铁芯，先将硅钢片冲压成条形，然后将条形硅 钢片交错地叠合组装成“囗”字形或“曰”字形，如图1-2所示。
铁轭的截面有矩形、外T 形、内T形和多级阶梯形，如图1-3 所示。
Байду номын сангаас
⑤空载试验数据分析 a.计算变压比。由空载试验测变压器的一、二次侧电压的数据， 计算出电压比，然后取其平均值作为变压器的变压比。
b.绘出空载特性曲线U0＝f(I0)，P0＝f(U0)，cos0＝f(U0)。
(3)变压器的短路实验 将变压器的高压线圈接电源，低压线圈直接短路。 ①断开交流电源，将图1-20中所示的单相变压器的高压线圈A、 X接电源，低压线圈a、x直接短路。 ②将调压器旋钮逆时针方向旋转到底，即将其调到输出电压 为零的位置。合上交流电源开关，调节调压器的旋钮，逐渐缓慢 增加输入电压，直到短路电流等于1.1IN为止，在(0.2～1.1)IN 的范 围内，测取变压器的Uk、Ik、Pk。 ③测取数据时，Ik＝IN点必须测，共测取数据6~7组，记录于 表1.3中。试验时记下周围环境温度。
铁芯柱的截面如图1-4所示。
(2)绕组 根据高、低压绕组在铁芯柱上排列的方式不同，变压器的绕
组可分为同心式和交叠式两种，如图1-5和1-6所示。
二、变压器的运行 1.单相变压器的工作原理 单相变压器的工作原理如图1-8所示。 根据电磁感应定律，交变
的主磁通在原、副绕组中分
别感应出电动势e1与e2有
电力工业中常采用高压输电、低压配电(保证用电安全)。
发电厂 6.3～10.5 kV
35～500 kV
6～10 kV
工厂 380 V / 220 V
G
~
发电机
发电厂
输电线
降压变压器
高压配 电线
区域变电所
降压变 压器
低压配 电线
工厂(用户)
电能的输送示意图
2. 变压器的结构
变压器的基本结构主要由铁芯和绕组两部分组成。
设主磁能为：＝msint ，则
e1与e2的有效值分别为： 则 于是有
3.变压器负载运行 变压器的负载运行是指原绕组加额定电压，副绕组与负载相接 通时的运行状态，如图1-10所示。这时副边电路中有了电流i2，它 的大小由副绕组电动势和副边电路的等效阻抗来决定。
磁动势平衡方程式为： 当变压器接近满载时，I0N1的远小于I1N1，即可认为I0N1≈0，
便携式钳形电流表，图1-19是它的外形图和原理图，其副绕 组端接有电流表，铁芯由两块U形元件组成，用手柄能将铁芯张 开与闭合。
测量电流时，不需断开待测电路，只需张开铁芯将待测的载 流导线钳入(即图1-19(a)中的A、B端)，这根导线就成为互感器的 原绕组，于是可从电流表直接读出待测电流值。
【任务实施】 1.任务实施的内容 小型变压器的变压、变流和阻抗变换作用的测试；变压器的
一般中、小电力变压器效率在95%以上，大容量电力变压器 最高效率可达98%~99%以上。
在计算效率时，可采用下列几个假定。 ①以额定电压下的空载损耗P0作为铁损耗PFe，并认为铁损耗 不随负载而变化，即P0＝PFe＝常数。 ②以额定电流时的短路损耗Pk作为额定电流时的铜损耗PCuN， 且认为铜损耗与负载电流的平方成正比，即，
4.任务实施的步骤 (1)小型变压器变换电压、电流和阻抗试验 按照图1-20所示电路接好线路，调节调压器使用单相变压器 空载时的输出为36V，然后分别在变压器的副边接入1只、2只、3 只灯泡，测量单相变压器的输入电压和输出电压、输入电流和输 出电流，将测量数据填入表1.1中。根据表中的数据计算|ZL|、|ZL| 值，分析变压器的阻抗变换作用。
三、其他用途的变压器 1.自耦变压器 普通双绕组变压器原、副绕组之间仅有磁的耦合，并无电的
直接联系。自耦变压器只有一个绕组，如图1-14所示，即原、副 绕组公用一部分绕组，所以自耦变压器原、副绕组之间除有磁的 耦合外，又有电的直接联系。实质上自耦变压器就是利用一个绕 组抽头的方法来实现改变电压的一种变压器。
(2)电压变化率 电压变化率是指变压器一次绕组加上交 流50Hz的额定电压，二次绕组空载电压U20 和带负载后在某一功率因数下二次绕组电压 U2之差与二次绕组额定电压U2N的比值，用 ΔU表示，即
(3)变压器的损耗 变压器输入功率与输出功率之差(P1－P2)是变压器本身消耗的 功率，称为变压器的功率损耗，简称损耗，它包括以下两部分： 铜损耗PCu，也称为可变损耗；铁损耗PFe，又称之为不变损耗。 (4)变压器的效率和效率特性 变压器的效率是指变压器的输出功率与输入功率之比，用百 分数表示，即
④短路试验数据分析
绘出短路特性曲线Uk＝f(Ik)，Pk＝f(Ik)，cosk＝f(Uk)。
5.注意事项 (1)测量时，要正确选择万用表、电压表、电流表的量程。 (2)确认接线正确后，方可通电试验，否则会烧坏变压器。
3.仪用互感器 仪用互感器有两种：电压互感器和电流互感器。 电压互感器的原理图如图1-17所示。电压互感器的主要原理是 根据变压器的变压作用而工作的。 电流互感器的原理图如图1-18所示。电流互感器的主要原理是 根据变压器的变流作用而工作的。
使用互感器时，必须注意：由于电压互感器的副绕组电流很 大，因此绝不允许短路；电流互感器的原绕组匝数很少，而副绕 组匝数较多，这将在副绕组中产生很高的感应电动势，因此电流 互感器的副绕组绝不允许开路。
空载试验和短路试验。 2.任务实施的要求 (1)正确使用测试仪表。 (2)正确测试电压及电流等相关数据并进行数据分析。 3.设备器材 小型变压器(220V/55V) ，1台；交流电流表，1块；交流电压
表，1块；万用表，1块；灯泡(36V/25W)，3只；交流调压器 (0~250V)，1台；电工实验实训台，1套。
自耦变压器的中间出线端，如果做成能沿着整个线圈滑动的 活动触点，如图1-15(b)、(c)所示，这种自耦变压器称为自耦调压 器，其副边电压U2可在0到稍大于U1的范围内变动。图1-15(a)所 示是单相自耦调压器的外形。
自耦变压器的变比不宜过大，通常选择变比k＜3，而且不能 用自耦变压器作为36V以下安全电压的供电电源。
忽略绕组中的漏电抗压降，不考虑绕组中的电阻压降，原、 副绕组的端电压可表示为
若二次绕组开路，这种运行方式称为变压器的空载运行。若 二次绕组接负载，这种运行方式称为变压器的负载运行。其中N1 和N2分别为一次、二次绕组的匝数。
2.变压器的空载运行 变压器空载运行是指变压器的一 次绕组接在额定频率、额定电压的交 流电源上，而二次绕组开路时的运行 状态，如图1-9所示。