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项目三 变压器的应用与设计. 一．教学目标 终极目标：能够使用变压器与设计、制作小型电源变压器。 促成目标： 1 、能正确理解变压器的铭牌数据； 2 、能根据要求列出变压器的主要参数； 3 、能掌握小型电源变压器的铁芯结构、绕组 结构及绝缘材料的使用； 4 、能知道变压器的简单制作工序； 5 、能根据要求掌握小型电源变压器的分析计 算方法。. 二．工作任务. 1 、根据电路的要求，确定变压器的主要参数并根据参数能正确选用变压器； 2 、设计、制作一个小型电源变压器。.
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项目三变压器的应用与设计 一．教学目标 终极目标：能够使用变压器与设计、制作小型电源变压器。 促成目标：1、能正确理解变压器的铭牌数据； 2、能根据要求列出变压器的主要参数； 3、能掌握小型电源变压器的铁芯结构、绕组 结构及绝缘材料的使用； 4、能知道变压器的简单制作工序； 5、能根据要求掌握小型电源变压器的分析计 算方法。
二．工作任务 1、根据电路的要求，确定变压器的主要参数并根据参数能正确选用变压器； 2、设计、制作一个小型电源变压器。
模块1变压器的应用 一．教学目标 终极目标：能够根据要求正确使用变压器。 促成目标：1．能正确理解变压器的铭牌数据； 2．能根据要求列出变压器的主要参数； 3．能掌握变压器的基本结构； 4. 能掌握变压器的基本工作原理； 5. 能掌握变压器的运行特性。
二．工作任务 变压器的主要作用是实现电压变换、电流变换和阻抗变换。 1、电压变换(降压变压器)：如图3-1，通过变压器可把网电压变为所需的低电压。 图3-1
2、电流变换：如图3-2，通过电流互感器可把大电流变为小电流，方便测量。2、电流变换：如图3-2，通过电流互感器可把大电流变为小电流，方便测量。 图3-2
3、阻抗变换：如图3-3，通过变压器能实现扬声器阻抗与电源内阻匹配，获得最大功率。3、阻抗变换：如图3-3，通过变压器能实现扬声器阻抗与电源内阻匹配，获得最大功率。 图3-3
其工作任务是： （1）读懂电路中标明的是哪类变压器，在电路中起什么作用？ （2）根据电路的要求，确定变压器的主要参数并根据参数能正确选用变压器； （3）理解变压器为什么能实现电压变换、电流变换和阻抗变换，掌握变压器是怎么实现电压变换、电流变换和阻抗变换的。
三.相关实践知识:1、变压器的认识 变压器是根据电磁感应原理制成的一种静止的电气设备，是将某一种电压、电流、相数的电能转变成另一种电压、电流、相数的电能。它具有电压变换、电流变换、阻抗变换 和电气隔离的功能，在工程的各个领域获得广泛的应用。 1.1变压器的基本结构：由铁芯与绕组两部分构成。（如图3-4所示）
1.2变压器的用途： （1）变换交流电压：电力系统传输电能的升压变压器、降压变压器、配电变压器等电力变压器及各类电气设备电源变压器； （2）变换交流电流：电流互感器及大电流发生器； （3）变换阻抗：电子线路中的输入输出变压器。 （4）电气隔离：隔离变压器
2、变压器的种类 （1）按用途分：电力变压器、电源变压器、整流变压器（整流电路用）、电炉变压器（给电炉供电，二次側电压较低，电能→热能）、电焊变压器（给电焊机供电）、矿用变压器（干式防爆）、仪用变压器（用在测量设备中）、船用变压器、电子变压器（用在电子线路中）、电流互感器、电压互感器等； （2）按相数分：单相变压器、三相变压器； （3）按频率分：高频变压器（开关电源）、中频变压器（中频加热、淬火）、工频变压器； （4）按冷却介质分：油浸变压器、干式变压器（空气自冷）、水冷变压器； （5）按铁心形式分：心式变压器、壳式变压器； （6）按绕组数分：双绕组变压器、自耦变压器、三绕组变压器、多绕组变压器。
3、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，变压器的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，并且有良好的性能。变压器的铭牌标注的额定值主要包括以下几方面： （1）额定容量：是变压器在额定状态下的输出能力的保证值，单位用伏安(VA)、千伏安(kVA)或兆伏安(MVA)表示，额定容量是视在功率, 是指变压器副边额定电压和额定电流的乘积. 它不是变压器运行时允许输出的最大有功功率, 后者和负载的功率因数有关. 所以输出功率在数值上比额定容量小.由于变压器有很高运行效率，通常原、副绕组的额定容量设计值相等。
（2）额定电压：是指变压器空载时端电压的保证值，根据变压器的绝缘强度和允许温升而规定的电压值，单位用伏(V)、千伏(kV)表示。三相变压器原边和副边的额定电压系指线电压。原边额定电压U1是指原边绕组上应加的电源电压(或输入电压),副边额定输出电压U2通常是指原边加U1时副边绕组的开路电压. 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%. 对于负载是固定的电源变压器, 副边额定电压U2有时是指负载下的输出电压.
（3） 额定电流：额定电流是指变压器按规定的工作时间(长时连续工作或短时工作或间歇断续工作)运行时原副边绕组允许通过的最大电流, 是根据绝缘材料允许的温度定下来的. 由于铜耗, 电流会发热. 电流越大,发热越厉害, 温度就越高. 在额定电流下, 材料老化比较慢. 但如果实际的电流大大超过额定值, 变压器发热就很厉害, 绝缘迅速老化, 变压器的寿命就要大大缩短.
（4）额定频率 ：使用变压器时, 还要注意它对电源频率的要求. 因为在设计变压器时, 是根据给定的电源电压等级及频率来确定匝数及磁通最大值的. 如果乱用频率, 就有可能变压器损坏. 例如一台设计用50Hz, 220V电源的变压器, 若用25Hz, 220V电源, 则磁通将要增加一倍, 由于磁路饱和, 激磁电流剧增,变压器马上烧毁. 所以在降频使用时, 电源电压必须与频率成正比下降。 另外, 在维持磁通不变的条件下, 也不能用到400Hz, 1600V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. 因为铁耗与频率成1.5-2次方的关系. 频率增大时, 铁耗增加很多. 由于这个原因, 一般对于铁心采用0.35mm厚的热轧硅钢片的变压器, 50Hz时的磁通密度可达0.9-1T, 而400Hz时的磁通密度只能取到0.4T. 此外变压器用的绝缘材料的耐压等级是一定的, 低压变压器允许的工作电压不超过300-500V. 所以在升频使用时, 电源电压不能与频率成正比的增加, 而只能适当地增加.
（5）额定温升：变压器的额定温升是以环境温度+40ºC作参考，规定在运行中允许变压器的温度超出参考环境的最大温升。（5）额定温升：变压器的额定温升是以环境温度+40ºC作参考，规定在运行中允许变压器的温度超出参考环境的最大温升。 （6）空载电流：变压器空载运行时激磁电流占额定电流的百分数。 （7）空载损耗：是指变压器在空载运行时的有功功率损失，单位以瓦(W)或千瓦(kW)表示。 （8）短路电压：也称阻抗电压，系指一侧绕组短路，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。 （9）短路损耗：一侧绕组短路，另一侧绕组施以电压使两侧绕组都达到额定电流时的有功损耗，单位以瓦(W)或千瓦(kW)表示。 （10）连接组别：表示原、副绕组的连接方式及线电压之间的相位差，以时钟表示。
思考题1：为什么变压器输入电压不能超过额定电压？思考题1：为什么变压器输入电压不能超过额定电压？ • 思考题2：远距离输电为什么必须采用高压输电？
四．相关理论知识 1、磁路及磁路的四个基本物理量 电生磁，磁又可以生电。电与磁是密切联系的；同样，磁路 与电路是互相关联的，实际电路中有大量电感元件的线圈中有铁 心。线圈通电后铁心就构成磁路，磁路又影响电路。因此电工技 术不仅有电路问题，同时也有磁路问题。如电磁铁、变压器、电 动机等电工设备，它们都是依靠电磁相互作用原理工作的（如图 3-5所示）。 在磁体的周围空间有磁场的存在，磁场的可以用磁感应强度B、磁通Φ、磁导率μ、磁场强度H等几个物理量来描述。
（1）磁感应强度B 磁感应强度B是表示磁场内某点磁场强弱及 方向的物理量。 B的大小等于通过垂直于磁 场方向单位面积的磁力线数目，B的方向用右 手螺旋定则确定。单位是特斯拉(T)。如果磁 场内所有点磁感应强度B大小相等，方向相 同，这样的磁场称为均匀磁场。
（2）磁通Φ 均匀磁场中磁通Φ等于磁感应强度B与垂 直于磁场方向的面积S的乘积，单位是韦伯 (Wb)。即：Φ=B×S ，磁通Φ反映了磁场 某一范围内磁力线的多少。
（3）磁导率μ • 磁导率μ表示物质的导磁性能，单位是亨/米(H/m)。真空的磁导率 • 非铁磁物质的磁导率与真空极为接近，铁磁物质的磁导率远大于真空的磁导率。 • 相对磁导率μr：物质磁导率与真空磁导率的比值。非铁磁物质μr近似为1，铁磁物质的μr远大于1。
（4）磁场强度H • 磁场强度只与产生磁场的电流以及这些电流分布有关，而与磁介质的磁导率无关，单位是安／米（A／m）。是为了简化计算而引入的辅助物理量。即H = B/μ（或B = μ×H）。
2、磁性材料的三大磁性能 （1）高导磁性：磁导率可达100~10000 H/m，由铁磁材料组成的磁路磁阻很小，在线圈中通入较小的电流即可获得较大的磁通。 （2）磁饱和性：B不会随H的增强而无限增强，H增大到一定值时，B不能继续增强（如图3-6a）。 （3）磁滞性：铁心线圈中通过交变电流时，H的大小和方向都会改变，铁心在交变磁场中反复磁化，在反复磁化的过程中，B的变化总是滞后于H的变化（如图3-6b）。
铁磁材料的类型： (1)软磁材料：磁导率高，磁滞特性不明显，矫顽力和剩磁都小，磁滞回线较窄，磁滞损耗小（常用做磁头、磁心等）。 (2)永磁材料：剩磁和矫顽力均较大，磁滞性明显，磁滞回线较宽（常用做永久磁铁）。 (3)矩磁材料：只要受较小的外磁场作用就能磁化到饱和，当外磁场去掉，磁性仍保持，磁滞回线几乎成矩形（可用做记忆元件）。
3、磁路的两个基本定律 3.1安培环路定律（全电流定律） （1）磁场中任何闭合回路磁场强度H 的线积分,等于通过这个闭合路径内电 流的代数和。 即：∮Hdl = ∑I = I1+I2+I3 （如图所示） 上式左侧为磁场强度矢量沿闭合回线的线积分；右侧是穿 过由闭合回线所围面积的电流的代数和。电流的符号规定 为：电流方向和磁场强度的方向符合右手定则的，电流取 正；否则取负。
（2）在无分支的均匀磁路（磁路的材料和截面积相同，各（2）在无分支的均匀磁路（磁路的材料和截面积相同，各 处的磁场强度相等）中，安培环路定律可写成： NI = HL（如图3-7b所示），式中其中N 为线圈的匝数，I 为通过线圈的电流， NI称为磁动势，一般用 F 表示；H为 磁路中心处的磁场强度，L为磁路长度，HL称为磁压降。
（3）在非均匀磁路（磁路的材料或截面积不同，或磁场强度不等）中，总磁动势等于各段磁压降之和。即：∑NI = ∑HL或NI =Hµlµ+H0l0（如图3-7c所示）
3.2磁路的欧姆定律 • 对于均匀磁路：F = NI = HL = BL/µ = ФL/Sµ = ФRm（Rm = L/µS称为磁阻） • 则磁路的欧姆定律为：F = ФRm（均匀磁路的磁动势F等于磁通Ф乘磁阻Rm） • 因铁磁物质的磁阻Rm不是常数，它会随励磁电流I的改变而改变，因而通常不能用磁路的欧姆定律直接计算，但可以用于定性分析很多磁路问题。
4、交流铁芯线圈 • 如图3-9所示的交流铁心线圈电路，在带铁心的线圈上加正弦交流电压u，线圈中的电流便在铁心中产生主磁通Φ和漏磁通Φσ。主磁通Φ是流经铁心的工作磁通，漏磁通Φσ是由于空气隙或其它原因损耗的磁通，它不流经铁心。主磁通和漏磁通都要在线圈中产生感应电动势，一个是主磁电动势e，另一个是漏磁电动势eσ。
w Φ Φ sin t ＝ m • 设线圈的电阻为R，主磁电动势为e和漏感电动势为eσ，由KVL，有： 设主磁通Φ按正弦规律变化： 由于线圈的电阻R和漏磁通都很小，R上的电压和漏感电动势也很小，与主磁电动势比较可以忽略不计。于是： 表明在忽略线圈电阻R及漏磁通的条件下，当线圈匝数N及电源频率f为一定时，主磁通的幅值Φm由励磁线圈外的电压有效值U确定，与铁心的材料及尺寸无关。 则： 则：u的有效值为：
5、电磁铁 • 电磁铁通常有线圈、铁心、和衔铁三个主要部分组成。其工作原理是：当线圈通电后，电磁铁的铁心被磁化，吸引衔铁动作从而带动其它机械装置发生联动；当电源断开后，电磁铁铁心的磁性消失，衔铁带动其它机械装置释放。 • 电磁铁有交流电磁铁和直流电磁铁两类。电磁铁的工业应用较普遍，如继电器、接触器等，都是利用电磁铁来吸合、分离触点。 • 下面简单分析一下电磁铁吸合过程： 由上节可知：在吸合过程中若外加电压不变, 则Φ基本不变，又因为F=I N=Φ Rm，所以可得出以下结论： 电磁铁吸合前(气隙大）→Rm大→吸合时起动电流大； 电磁铁吸合后(气隙小）→Rm小→维持电流小。
思考题3：交流电磁铁通电后，若衔铁长时期被卡住而不能吸合（如图3-10所示），会引起什么后果？思考题3：交流电磁铁通电后，若衔铁长时期被卡住而不能吸合（如图3-10所示），会引起什么后果？ • 答：如果气隙中有异物卡住，电磁铁长时间吸不上，线圈中的电流一直很大，将会导致过热，把线圈烧坏。
6、变压器的工作原理 • 当一个正弦交流电压U1加在初级线圈两端时，导线中就有交变电流I1并产生交变磁通ф1，它沿着铁心穿过初级线圈和次级线圈形成闭合的磁路。在次级线圈中感应出互感电势U2，同时ф1也会在初级线圈上感应出一个自感电势E1，E1的方向与所加电压U1方向相反而幅度相近，从而限制了I1的大小。为了保持磁通ф1的存在就需要有一定的电能消耗，并且变压器本身也有一定的损耗，尽管此时次级没接负载，初级线圈中仍有一定的电流，这个电流我们称为“空载电流”。
6.1变压器的电压变换： • 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Φ，那么一次、二次绕组中产生的感应电动势分别是 ： E1 = 4.44·f·N1·Φm E2 = 4.44·f·N2·Φm 则: U1/U2 ≈ E1/E2 = N1/N2 = K（K为变压器的变比） 由上式知：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N2＞N1，则U2＞U1，变压器使电压升高，这种变压器称为升压变压器； 如果N2＜N1，则U2＜U1，变压器使电压降低，这种变压器称为降压变压器。 • 结论：改变匝数比，就能改变输出电压。
6.2变压器的电流变换： • 变压器副边带负载后对磁路的影响：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=4.44N1fΦm可知，U1和f不变时，E1和Φm也都基本不变。因此，有负载时产生主磁通的原、副绕组的合成磁动势（i1N1+i2N2）和空载时产生主磁通的原绕组的磁动势i0N1基本相等，即： 因空载电流i0很小，可忽略不计，则有： • 结论：原、副边电流与匝数成反比。
6.3变压器的阻抗变换 • 在电子线路中，常利用变压器的阻抗变换功能来达到阻抗匹配的目的。 设接在变压器副绕组的负载阻抗Z的模为|Z|，则： |Z|=U2/I2 根据等效原理，Z反映到原绕组的阻抗模|Z‘|为： • 结论：变压器原边的等效负载，为副边所带负载乘以变比的平方。
思考题3：变压器原、副绕组的能量是通过电路，还是通过磁路联系在一起？思考题3：变压器原、副绕组的能量是通过电路，还是通过磁路联系在一起？ • 思考题4：变压器副绕组的电压升高了，电流为什么却下降了?
7、变压器的运行特性 • 由于变压器原、副绕组都具有电阻和漏磁感抗，当原绕组外加电压U1保持不变，负载ZL变化时，副边电流或功率因数改变，将导致原、副边的阻抗压降发生变化，使变压器副边输出电压U2也随之发生变化。 • 变压器的外特性即副边输出电压和输出电流的关系。即：U2=f(I2)（见图3-12），特性曲线表明，变压器副边电压随负载的増加而下降；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，φ2为副边输出电压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ΔU%表示，即：变压器带负载后副边电压下降程度，用电压调整率ΔU%表示，即： ΔU%=[（U20-U2）/U20]×100%。 • 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ΔU% 约为3%--5%。
7.2变压器的损耗与效率 （1）铁损 (PFe) ：包括磁滞损耗和涡流损耗。 • 磁滞损耗：磁滞现象引起铁芯发热，造成的损失。 • 涡流损耗：交变磁通在铁芯中产生的感应电流（涡流），造成的损失。当变压器的初级绕组通电后，线圈所产生的磁通在铁心流动，因为铁心本身也是导体，在垂直于磁力线的平面上就会感应电势，这个电势在铁心的断面上形成闭合回路并产生电流，好象一个旋涡所以称为“涡流”。这个“涡流”使变压器的损耗增加，并且使变压器的铁心发热变压器的温升增加。由“涡流”所产生的损耗我们称为“涡流损耗”。
（2）铜损 （PGU) ：绕组导线电阻所致。要绕制变压器需要用大量的铜线，这些铜导线存在着电阻，电流流过时这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”。 所以变压器的温升主要由铁损和铜损产生的。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，为此我们引入了一个效率的参数来对此进行描述， • 效率η=输出功率/输入功率=（P2/ P1）×100%=[ P2/（P2 + PGU + PFe）]×100%。 由于变压器没有转动部分，其效率是较高的，η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。
7.3变压器绕组的极性 （1）同极性端(同名端)：当电流流入两个线圈(或流出）时，若产生的磁通方向相同，则两个流入端称为同极性端（同名端）。或者说，当铁芯中磁通变化（增大或减小）时，在两线圈中产生的感应电动势极性相同的两端为同极性端。图3-13（a）1-3为同名端；图3-13（b）1-4为同名端。
1 * 3 * 2 4 （2）线圈的接法：1324** 两种电压（220V/110V）的切换（如图3-14所示）： 若单个线圈1—3及2—4的电压均为110V ， 则： 220V: 联结 2 －3（串联接法）， U220=4.44 f (2N)Фm 110V：联结 1 －3，2 －4（并联接法）， U110=4.44 f N Фm • Фm= U220/4.44 f (2N)= U110/4.44 f N 说明：两种接法下Фm不变，所以铁芯磁 路的设计相同。
思考题5：如果以上两绕组的极性端接错，结果如何？思考题5：如果以上两绕组的极性端接错，结果如何？ • 答：有可能烧毁变压器。 • 原因：两个线圈中的磁通抵消→感应电势e=0→u=iR-e→i=u/R很大→烧毁线圈。 • 结论：在极性不明确时，一定要先测定极性再通电。
(3)同极性端的测定 • 直流法：合上开关，毫安表的指针正偏，则1和3是同极性端；反偏1和4是同极性端。 • 交流法：U13=U12－U34时，1和3是同极性端； U13=U12＋U34时，1和4是同极性端。
五．拓展知识1、三相变压器的知识 • 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，三相绕组的结构是相同的，即对称的。 • 三相变压器的额定电压、额定电流指的是线电压、线电流。
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/Δ，Δ/Δ，Δ/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/Δ接法（如图3-16）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/Δ，Δ/Δ，Δ/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/Δ接法（如图3-16） • 当原、副边三相绕组均为Y形联接时，U1/U2 = N1/N2 = K；当原边三相绕组为Y形联接，而副边三相绕组为Δ形联接时，U1/U2 = N1/N2 = K。
2、互感器 （1）电流互感器：原绕组线径较粗，匝数很少，与被测电路负载串联；副绕组线径较细，匝数很多，与电流表或功率表、电度表、继电器的电流线圈串联。功能是将大电流变换为小电流进行测量。 I1/I2=N2/N1=1/K • 使用注意事项： 使用时副绕组电路不允许开路，以防产生高电压；铁心、低压绕组的一端接地，以防在绝缘损坏时，在副边出现过压。
（2）电压互感器： • 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。功能是将高电压变为低电压进行测量。 U1/U2=N1/N2=K • 使用注意事项： 使用时副绕组电路不允许短路，以防产生过流； 铁心、低压绕组的一端接地，以防在绝缘损时， 在副边出现高压。
