電工與電子技術(shù)基礎(chǔ)_第5章變壓器電子教案

1、電工與電子技術(shù)基礎(chǔ)（第電工與電子技術(shù)基礎(chǔ)（第2 2版）版）電子教案電子教案主主 編編 劉蓮青劉蓮青 王連起王連起中等職業(yè)學(xué)校教學(xué)用書（電子技術(shù)專業(yè)）中等職業(yè)學(xué)校教學(xué)用書（電子技術(shù)專業(yè)）第第5章章 變壓器變壓器5.1 變壓器的基本概念變壓器的基本概念5.2 變壓器的工作原理變壓器的工作原理5.3 變壓器的極性變壓器的極性5.4 特殊變壓器特殊變壓器5.4 變壓器實驗變壓器實驗5.1 變壓器的基本概念5.1.1 變壓器的用途5.1.2 變壓器的的基本結(jié)構(gòu)5.1.1 變壓器的用途變壓器是利用電磁感應(yīng)原理制成的一種變換電壓、電流和阻抗的電氣設(shè)備，主要用于升高或降低交流電壓，改變電流或變換電路阻抗。在遠(yuǎn)

2、距離輸電中，當(dāng)傳輸一定功率的電能時，隨著輸電線路電壓的升高，輸電電流將減小，從而使輸電線路的電能損耗也明顯降低。如果保持線路容許的損耗不變，則可以減小導(dǎo)線的截面，在架設(shè)線路中降低成本。因此，電力系統(tǒng)在遠(yuǎn)距離輸電中都采用超高壓輸電線路。當(dāng)前，我國的輸電電壓等級有35、110、220、330、500和750kV等幾種。由于受絕緣的限制和其它因素的影響，發(fā)電廠發(fā)電機的電壓達不到輸電電壓的等級。一般發(fā)電機的額定電壓有10.5、13.8、15.7、18kV等幾種，因此，在輸送電能以前，要用升壓變壓器將電壓升高到輸電電壓。在用戶方面，數(shù)百千伏的高電壓不能直接使用，所以電能經(jīng)高壓輸電線路送到城市和農(nóng)村附近時

3、，需要用降壓變壓器將電壓降低為10kV的高壓配電電壓。用戶的各種電器，其額定電壓是不一樣的，但絕大多數(shù)是220V或380V。因此，還需要將高壓配電電壓再用降壓變壓器降為380/220V用戶電壓。凡是需要使電壓升高或降低的地方，都要用到變壓器，例如行燈的電壓為安全電壓36V或24V。在電子電路中，常需要多種電源電壓，例如收音機電路、電視機電路中的多種電壓，都需要變壓器進行變壓。此外，變壓器在改變電壓的同時也改變了電流和阻抗，在測量技術(shù)中利用變壓器改變電流的原理，用較小的電流表測量較大的電流。在無線電技術(shù)中利用變壓器變換阻抗的原理，變換電路的阻抗以達到阻抗匹配的目的。5.1.2變壓器的基本結(jié)構(gòu)變壓

4、器的基本結(jié)構(gòu)變壓器常見結(jié)構(gòu)有兩種，1. 心式變壓器心式變壓器 繞組在外、鐵心在內(nèi)，繞組包圍著鐵心叫做心式變壓器，如圖1所示；心式變壓器構(gòu)造簡單，硅鋼片用量較少，用銅量較多，繞組的絕緣和安裝比較容易，多用于電壓較高、容量較大的變壓器。2.殼式變壓器殼式變壓器 繞組在內(nèi)、鐵心在外，鐵心包圍著繞組稱為殼式變壓器，如圖2所示。殼式變壓器硅鋼片用量較多，用銅量較少，機械強度較高，多用于容量較小的變壓器。3.三相電力變壓器三相電力變壓器 三相變壓器的一、二側(cè)各有三個線圈，分別套在三個鐵心拄上。一、二次繞組各聯(lián)成星形或三角形。三相變壓器的結(jié)構(gòu)原理如圖示。由圖中可看出就每一相講，相當(dāng)于一個單相變壓器。變壓器工

5、作時，繞組和鐵心都會產(chǎn)生損耗而發(fā)熱。如果這些熱量在變壓器內(nèi)積聚起來，就會使鐵心和繞組的溫度逐漸升高，因此要考慮變壓器的冷卻問題。小容量的變壓器采用空氣自冷卻式。在中、大容量的變壓器中，只依靠空氣自冷法是不夠的，則需要采用專門的冷卻措施。圖示為常見的油浸自冷式三相變壓器。5.2 變壓器的工作原理5.2.1 電壓變換5.2.2 電流變換5.2.3 阻抗變換5.2.1 電壓變換1.單相變壓器電路 一般將接電源的線圈叫做一次線圈或初級線圈；接負(fù)載的線圈稱為二次線圈或次級線圈。如果變壓器一次線圈的電壓大于二次線圈的電壓則稱為降壓變壓器；反之，稱為升壓變壓器。如果將變壓器的一次線圈接到正弦交流電源上，就有

6、正弦交流電流通過線圈。在電流的作用下，鐵心中將產(chǎn)生正弦交變的磁通。由于一、二次線圈是繞在同一鐵心上，所以鐵心中的磁通也要穿過二次線圈。由電磁感應(yīng)定律可知，交變的磁通穿過線圈時將在線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電動勢。在二次線圈中產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢是由于一次線圈中通過交變電流產(chǎn)生，因此，叫做互感電動勢。這種當(dāng)一個線圈中磁通發(fā)生變化在另一個線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電動勢的現(xiàn)象稱為互感現(xiàn)象。變壓器就是利用互感原理制成。在變壓器中，由于鐵心用硅鋼片疊成，所以具有良好的導(dǎo)磁性能，絕大部分的磁通既穿過一次線圈，也穿過二次線圈，這部分磁通叫做主磁通，用表示。另外還有少量的磁通只穿過一次或二次線圈，稱為漏磁通，用L表示。由于漏磁通與主磁

7、通相比很小，為了分析問題簡便故將其忽略。 5.2.1 電壓變換電壓變換穿過一、二次線圈每匝的主磁通都相同，因此，在每一匝線圈內(nèi)產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢都相等。所以每個線圈的總電動勢與線圈的匝數(shù)成正比。設(shè)一次線圈有N1匝，二次線圈有N2匝，則一次線圈中感應(yīng)電動勢的有效值E1與二次線圈中感應(yīng)電動勢的有效值E2的比值，應(yīng)等于一、二次線圈的匝數(shù)之比。即2121NNEE在忽略變壓器各種損耗的情況下，由于一次線圈與電源相接，感應(yīng)電動勢E1應(yīng)等于電源電壓U1；二次線圈與負(fù)載相連，則負(fù)載的端電壓U2就等于E2。所以變壓器的一、二次線圈的電壓之比等于一、二次線圈的匝數(shù)之比。如果N1N2，則U1U2，為降壓變壓器。反之N

8、1N2，U1U2，變壓器為升壓變壓器。k 叫做變壓比，簡稱變比。kNNUU21215.2.2 電流變換電流變換變壓器可以改變交流電的電壓，但不會產(chǎn)生電能。由能量守恒定律可知，若忽略變壓器內(nèi)部的損耗，則二次輸出的功率必然等于一次輸入的功率。根據(jù)功率與電壓、電流的關(guān)系可知，若變壓器傳輸?shù)墓β室欢?，則電壓與電流成反比，變壓器在改變電壓的同時也改變了電流。即kNNUUII1121221說明變壓器一、二次線圈中電流之比等于匝數(shù)反比。根據(jù)這個原理制成電流互感器可以測量大電流。 5.2.3 阻抗變換阻抗變換變壓器除可以變換電壓和變換電流外，還可以改變阻抗。圖示變壓器簡化等效電路中，二次線圈接有負(fù)載阻抗ZL，

9、一次端的等效輸入阻抗可見，將負(fù)載ZL通過變壓器接電源時，相當(dāng)于將阻抗ZL增加到k2 倍。在電子技術(shù)中，經(jīng)常利用變壓器進行阻抗變換，實現(xiàn)阻抗匹配。LiZkIkkUIUZ222111 例例1 某臺三相電力變壓器，其一相繞組的電壓為6kV，二次繞組的電壓為230V。求該變壓器的變比。若一次線圈為1500匝，求二次線圈的匝數(shù)。解解 三想變壓器的每一相相當(dāng)于單相變壓器，其變比為各相一、二次繞組的相電壓之比，即 26230600021PPUUk二次線圈的匝數(shù)5826150012kNN 例例2 一只電阻為8的揚聲器，若將其提高到800才能夠與放大器的輸出端匹配，求要用變比為多大的變壓器才能實現(xiàn)。 解解 由阻

10、抗變換的關(guān)系式可得所以，在放大器與揚聲器之間接入一只變比為10的變壓器即可實現(xiàn)匹配。108800LiRRk5 . 3 變壓器的極性變壓器的極性一臺三相變壓器的一、二側(cè)各有三個線圈，而且各側(cè)線圈還要按星形或三角形聯(lián)結(jié)，在作聯(lián)結(jié)時就必須要搞清楚線圈的首端與末端。在三相變壓器中，一般用A、B、C分別表示一次線圈的首端；用X、Y、Z表示一次線圈的末端。二次線圈的始端與末端分別用a、b、c和x、y、z表示。一個線圈有兩個端頭，哪一個是始端，哪一個為末端，這是變壓器極性問題。在圖中，變壓器一、二次線圈的繞向相同，分別將一側(cè)A、a作為首端，X、x 作為末端。將兩個線圈的對應(yīng)端A與a叫做同極性端或同名端，并標(biāo)

11、以“”或“*”符號，以便于識別。如果兩個線圈的繞向相反，如圖示。這時兩個線圈中感應(yīng)電動勢的方向相反，一次線圈的A端與二次線圈的x端為同名端。由此可見，變壓器一、二次線圈的極性取決于兩個線圈的繞向，繞向確定后，線圈的同名端也就確定了。 對于裝配好的變壓器可以通過實驗的方法確定同名端。實驗的原理電路如圖示。實驗時首先將X與x 端連接起來。在高壓線圈加一個電壓較低的實驗用交流電源。接通電源后，用電壓表分別測量出Aa端之間的電壓UAa和一、二次線圈的電壓UAX 、Uax ，根據(jù)基爾霍夫電壓定律可得.axAXAaUUUUA a為一、二次線圈電壓相量之差，如果UAa的數(shù)值為UAX與Uax有效值之差，說明u

12、AX與uax同相，則A與a為同名端；如果UAa的數(shù)值是UAX與Uax有效值之和，則A與x端為同名端。這樣就確定了變壓器的同名端 。5.4 特殊變壓器5.4.1 自耦變壓器5.4.2 互感器5.4.3 電焊變壓器5.4.1 自耦變壓器自耦變壓器是一種只有一個線圈的變壓器，即一、二次共用一部分線圈。自耦變壓器也有單相和三相變壓器，單相自耦變壓器的原理電路如圖示。自耦變壓器的原理與普通變壓器相同，都是根據(jù)電磁感應(yīng)原理制成的，其一、二次電壓之比仍為匝數(shù)之比，即kNNUU2121k為自耦變壓器的變比。自耦變壓器可以用于連接不同電壓等級的電網(wǎng)，也可以作為普通的升壓或降壓變壓器。由于自耦變壓器比普通的電力變

13、壓器成本低，效率高，因此大型自耦變壓器在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用日益增多。 在實驗室，常用調(diào)壓器來連續(xù)地改變電源電壓，以達到實驗的要求，調(diào)壓器一般也常采用自耦調(diào)壓器。這種調(diào)壓器有單相的，也有三相的。單相自耦調(diào)壓器如圖示。這種調(diào)壓器一般容量比較小，電壓也只有幾百伏。在實際工作中要注意，自耦變壓器不允許作為安全變壓器使用，因為一旦接錯線，將會發(fā)生觸電事故。如圖示，雖然二次側(cè)電壓只有24V，但當(dāng)人觸及二次側(cè)的任一根導(dǎo)線都有危險。5.4.2 互感器互感器是電工測量和自動保護裝置中使用的儀用變壓器?；ジ衅鞯闹饕饔檬鞘箿y量儀表和繼電器與高壓隔離，并將高電壓、大電流變?yōu)榈碗妷骸⑿‰娏?，以保證安全工作和便于測量。根

14、據(jù)互感器的不同用途，可分為電壓互感器和電流互感器。1電壓互感器電壓互感器電壓互感器的作用是將電網(wǎng)或電氣設(shè)備的高電壓降低為低電壓，供給測量儀表和繼電器的電壓線圈，這樣可以利用低電壓儀表間接測量高電壓。電壓互感器的結(jié)構(gòu)與接線如圖示。它是由兩個相互絕緣，繞在同一個鐵心上的線圈組成。當(dāng)一次線圈接電壓U1時，在二次線圈中感應(yīng)出電壓U2，其變壓比2121NNUUku由此可見，利用電壓互感器可以將一次高壓變?yōu)槎蔚碗妷海缓罄秒妷罕頊y量出二次電壓U2 ，再將U2乘以變壓比ku,即可得到被測量的一次電壓。電壓互感器在使用中應(yīng)注意以下幾點：（1）電壓互感器要與電壓表配套使用。因為電壓互感器的一次電壓有多種等級

15、，而二次電壓一般都是100V，在測量不同等級的電壓時，只要配用不同變壓比的電壓互感器即可。（2）電壓互感器在運行中，其二次線圈不允許短路。如果電壓互感器的二次線圈在運行時短路，則二次電路的阻抗就要減小，因此會出現(xiàn)很大的短路電流，使二次線圈因嚴(yán)重發(fā)熱而燒毀。因此，電壓互感器的二次側(cè)要裝設(shè)熔斷器，作為短路保護。（3）運行中電壓互感器的鐵心、外殼和二次線圈要接地。因為一次電壓一般都很高，而二次電壓只有100V，容易造成一、二次線圈之間的絕緣擊穿，使二次或鐵心、外殼帶有高壓，危及工作人員和二次設(shè)備的安全，所以電壓互感器的二次和鐵心一定要接地。（4）二次儀表和儀器的電壓線圈都應(yīng)并聯(lián)接到電壓互感器的二次線

16、圈上。電壓互感器可以制成單相也可以制成三相，圖示為單相電壓互感器的電路圖。電壓互感器在發(fā)電廠和各級變電站的測量、保護中起重要作用。2電流互感器電流互感器電流互感器也叫變流器，其作用是將大電流變?yōu)樾‰娏?，供給測量儀表和繼電器的電流線圈，間接測量出大電流；而且還可以隔離高壓，保證工作人員和儀表、儀器的安全。電流互感器的原理結(jié)構(gòu)和電路接線如圖示。電流互感器特點是一次線圈只有一匝或幾匝，用粗導(dǎo)線繞成；二次線圈的匝數(shù)較多，用較細(xì)的導(dǎo)線繞成。由變壓器工作原理可知，電流互感器一、二次電流之間的關(guān)系為ikNNII1221式中的ki叫做電流互感器的變流比，由此可知若將一次大電流變?yōu)槎涡‰娏?，只要二次線圈的匝數(shù)

17、比一次線圈的匝數(shù)按變流比增多即可。測量出二次小電流后乘以變流比即可得到一次電流的數(shù)值。在使用電流互感器時要注意以下幾點：（1）電流互感器要與電流表配套使用。因為電流互感器的一次電流大小不同，而二次電流一般都是5A，這就要求在測量不同的一次電流時，應(yīng)配用不同的電流互感器。（2）運行中電流互感器的二次線圈嚴(yán)禁開路。因為一次線圈的匝數(shù)比二次線圈的匝數(shù)少得多，這樣當(dāng)二次開路時就會在二次線圈中產(chǎn)生很高的感應(yīng)電壓，危及工作人員和儀表與儀器的安全。（3）為了防止一、二次之間的絕緣擊穿造成危險，二次側(cè)和鐵心要接地。（4）二次儀表和儀器的電流線圈應(yīng)串聯(lián)接到電流互感器的二次線圈上。電路中的電流互感器如圖示電流互感

18、器比電壓互感器的應(yīng)用范圍更廣，它不但可以用在高壓線路的電流測量，而且也常用于低電壓大電流的測量。鉗形電流表就是電流互感器的一種應(yīng)用。它由電流互感器和一只配套的電流表構(gòu)成，如圖示。其特點是電流互感器的二次線圈套在可以開、合的鐵心上，并與電流表相連。測量時，先張開鐵心，將待測電流的導(dǎo)線放入鉗中，然后閉合鐵心，在電流表上直接讀取電流的數(shù)值。這種電流表的優(yōu)點是測量線路電流時，可以不用斷開導(dǎo)線。5.4.3 電焊變壓器工程中常用的交流電焊機，是由變壓器與電抗器串聯(lián)組成，如圖示。 電焊變壓器引弧時（焊條與焊件沒接觸）的電壓U2一般為60100V。電抗器的鐵心有可調(diào)節(jié)的氣隙，轉(zhuǎn)動調(diào)節(jié)手柄，可調(diào)整電抗器的鐵心氣

19、隙，從而改變了電抗器的感抗，使焊接電流可大可小，達到起弧限流的目的。在開始焊接時，焊條與焊件接觸，變壓器二次線圈經(jīng)電抗器短路，電抗器起限制短路電流的作用。隨著焊條的提起，焊條與焊件之間產(chǎn)生電弧進行焊接，焊接時U2約為3040V。當(dāng)焊條與焊件之間距離略有變化時，電弧的長度也相應(yīng)變化，但由于電弧的電阻比電抗器的感抗小得多，因此可以保證電弧質(zhì)量的穩(wěn)定，焊接正常。5.5 變壓器實驗變壓器實驗5.5.1 實驗?zāi)康?.5.2 預(yù)習(xí)要求5.5.3 實驗儀器和設(shè)備5.4.4 實驗內(nèi)容及步驟5.5.1 實驗?zāi)康?.了解單相變壓器的結(jié)構(gòu)，熟悉單相變壓器銘牌數(shù)據(jù)的意義。2.驗證單相變壓器工作原理，匝數(shù)比等于電壓比，

20、電壓比等于電流反比。3.測定變壓器的同名端。5.5.2 預(yù)習(xí)要求1. 熟悉變壓器的結(jié)構(gòu)和用途。線電壓與相電壓，線電流與相電流間的關(guān)系。2. 掌握變壓器電壓比、電流比與匝數(shù)比的關(guān)系。3. 變壓器同名端在實際中的用途及測定方法。5.5.3 實驗儀器和設(shè)備名名 稱稱型號及使用參數(shù)型號及使用參數(shù)數(shù)數(shù) 量量電燈組電燈組16V、10W白熾燈白熾燈2盞盞交流電壓表交流電壓表0450V1個個交流電流表交流電流表050mA01A各各1塊塊電流插座電流插座DICE-DG3個個萬用表萬用表MF-101塊塊5.5.4 實驗內(nèi)容及步驟1測量變壓器的空載電流，空載電壓方法：如圖示變壓器，端加交流電壓220V次級開路 。初級用交流電壓表或萬用表交流250V擋，次級用交流10V擋。將測量數(shù)據(jù)記錄在表1中。 2測量變壓器的同