专题十五 三绕组变压器与小功率电源变压器（课件）-河南省对口招生《电压与变压器》（第5版）(高教社）专题复习讲练测

专题十五 三绕组变压器与小功率电源变压器 《电压与变压器》（第5版） 高教社 考纲解读 知识点梳理和重点概念复习 真题或常考题讲解 内容归纳小结 考纲解读--常见考点 1.三绕组变压器的容量标注（最大绕组容量）、短路电压与绕组间距的关系（间距越远，短路电压越大）及变比计算公式（匝数比或电压比）是核心考点。 2.小功率电源变压器的分类：按频率（工频50-60Hz、中频400-1000Hz、高频10-20kHz）、铁心结构（E形、C形等）的划分标准及特点需重点掌握。 3.三绕组变压器的磁通势平衡方程（忽略励磁电流时，一次电流与折算后二次电流相量和为0）及电压变化率、效率的计算逻辑是常考内容。 01 02 03 考纲解读--考试要求 理解小功率变压器不同分类的核心差异，如工频与高频变压器在铁心材料、绕组制作上的区别，并能解释原因。 会运用三绕组变压器的变比公式、磁通势平衡方程进行简单计算，能说明效率公式中各参数（铁损、铜损等）的含义。 能准确复述三绕组变压器的应用场景，包括需三种电压等级的发电厂、变电站及替代多台双绕组变压器的情况。 如“变压器的主要作用是（ ）A.改变电流频率B.变换交流电压C.储存电能D.产生磁场”，需结合电磁感应原理选择正确答案。 选择题 简答题 多要求简述原理或分类，如小功率变压器按工作频率的分类及特点、磁饱和变压器的稳压原理等。 实操分析题 常涉及具体参数，如三绕组变压器的标准联结组别、高频变压器的工作频率范围等。 考纲解读--易考题型 知识点梳理和重点概念复习--知识点思维导图 知识点梳理和重点概念复习 在发电厂或变电站中，有三种电压等级时，常用到三绕组变压器。例如，发电厂发电机的电压为18kV,要将电能同时送到110kV和220kV系统，就可以利用三绕组变压器。在一定情况下(如通过变压器功率最小的那一侧绕组能达到变压器容量的15%以上时),采用一台三绕组变压器较采用两台双绕组变压器经济，且维修也方便一些，因此，这种变压器得到了广泛的应用。 另外，当二次绕组需要两种以上不同电压时，为经济起见，避免使用多台双绕组变压器，而采用三绕组或多绕组变压器。如各种电子仪器、电视机和收音机的电源变压器，以及自动控制系统中的控制变压器，常常采用多绕组的各种小功率电源变压器。 知识点梳理和重点概念复习 一、三绕组变压器 三绕组变压器，每相有高、中、低三个绕组，一般铁心为心式结构，三个绕组同心地套在一个铁心柱上，如图3-21所示。为绝缘方便起见，高压绕组1放在最外边，至于中、低压绕组，根据相互间传递功率较多的两个绕组应靠得近些的原则，用在不同场合的变压器有不同的安排。 三绕组变压器的任何两绕组间按电磁感应规律传递能量，这一点和双绕组变压器没有区别。下面介绍三绕组变压器的容量、短路电压、变比，基本方程式和计算式等有关概念。 知识点梳理和重点概念复习 (一)三绕组变压器的容量和短路电压 三绕组变压器三个绕组的容量，可以根据实际需要，不等设计。变压器铭牌上的额定容量是指其中最大的一个绕组的容量。如果额定容量作为100,则按国家标准，我国现在制造的三绕组变压器，三个绕组容量的搭配见表3-4。 知识点梳理和重点概念复习 注意三个绕组容量仅代表每个绕组通过功率的能力，并不说明三绕组变压器在具体运行时同时按比例传递功率。 三绕组变压器铭牌上的短路电压有三个，以高压侧为110V的变压器为例，按图3-21(a)的方案排列时，Uki₂=17%;Uk₁₃=10.5%;U₂₃=6%。按图3-21(b)方案排列时，则Ux₁₂=10.5%;Ux13=17%;Uk₂3=6%。从这里可以看出，绕组的排列情况会影响短路电压的大小。这是因为两个绕组相距越远，漏磁通越多，短路电压就越大。运行中，对于升压变压器，把低压绕组放在高、中压绕组之间，使两者都与低压绕组靠近一些，以降低短路电压是有道理的。 知识点梳理和重点概念复习 (二)三绕组变压器的有关参数 1.变比 三绕组变压器有三个变比，即 式中K₁₂、K₁₃、K₂₃——变比； N₁、N₂、N₃,U₁、U₂、U₃——绕组1、2、3的匝数和额定相电压。 2.基本方程式 以图3-21(b)所示的降压变压器为例，绕组1外加电压U₁、绕组2、绕组3连接负载Z₂、Z₃。磁通势平衡方程式可按与双绕组变压器类似的方法推出N₁i₁+N₂i₂+N₃i₃=N₁i。 知识点梳理和重点概念复习 式中I₁、I₂、I₃——绕组1、2、3的负载电流。 将I₂、I₃分别折算到绕组1侧时，则 于是N₁i₁+N₂i₂+N₃i₃=N₁i可写成 忽略励磁电流I₀,可得 上式说明，每个二次绕组的电流折算到一次绕组后，一次绕组总电流是这些折算后电流的相量和。若忽略励磁电流i₀时，一次绕组电流的相量和等于0。 在推导三绕组变压器的电压平衡方程式时，要注意下述特点，由于高、中、低三绕组在磁路方面互相耦合，在建立电压方程式时，不能像双绕组变压器那样简单地用主磁通和漏磁通的概念，必须用每一绕组的自感系数和绕组间的互感系数作为基本参数。 知识点梳理和重点概念复习 3.三绕组变压器的电压变化率△U 根据三绕组变压器的端电压U₁、U₂、U₃,就可以计算出对应于某一负载电流I₂及I'3时的端电压U2及U',那么该负载下的电压变化率为 4.三绕组变压器的效率η 三绕组变压器的效率η的计算式，可参照双绕组变压器效率计算式直接写出 知识点梳理和重点概念复习 二、小功率电源变压器 小功率电源变压器是专门用作某些小功率负载的供电电源。按工作频率不同可分为工频、中频和高频电源变压器；按铁心结构不同可分为口形及E形、C形、R形、0形(环形)变压器；按工作原理分还有线性和非线性变压器。 (一)按工作频率分类 1.工频电源变压器 工频电源变压器是指工作在50～60 Hz频率下的电源变压器。常用的有控制用变压器、行灯变压器、灯丝变压器、各种专用仪器及设备的电源变压器等。主要由铁心及绕组两部分组成，铁心用0.35 mm冷轧硅钢片构成，绕组套在铁心上。 知识点梳理和重点概念复习 2.中频电源变压器 中频电源变压器是指工作在400~1000 Hz频率下的电源变压器。由于工作频率的上升，为减小涡流损耗，铁心用0.2 mm冷轧硅钢片构成，且铁心中的磁感应强度B一般取得较低。它既可工作在正弦波电压下，有时也可能工作在方波(或矩形波)电压下。其他结构与工频电源变压器相同。 知识点梳理和重点概念复习 3.高频电源变压器 高频电源变压器是指工作在10~20kHz频率下的电源变压器。它主要用于开关稳压电源的变换器中，它的结构特点是： (1)不能用普通硅钢片制作铁心，一般用铁氧体磁心。它的电阻率高，涡流损耗小。 (2)由于绕组中通过的是高频电流，趋肤效应使导线中心部分电流密度变小，从而减小了导线的有效面积，引起发热，通常使用多股高频铜导线或薄铜箔绕制绕组。 知识点梳理和重点概念复习 (二)按铁心结构分类 1.E形及口形变压器 口形铁心结构参见图1-4,制成的心式变压器及壳式变压器参见图1-2。 2.C形变压器 C形铁心是采用0.35mm晶粒取向冷轧硅钢片裁成一定规格的硅钢带后卷制固定，再分割成两个“U”形，用其制成的变压器通常称为C形变压器，如图1-4(g)所示。由于该类型变压器制作工艺简单，正在小容量的单相变压器中逐渐普及。随着制造技术的不断成熟，用卷制铁心的三相电力变压器(500 kV·A以下)将逐步代替传统的叠片式变压器，其主要优点是重量轻、空载损耗小、生产效率高、质量稳定。C形变压器的结构有心式及壳式两种，图1-4(g)为心式结构，称为C形变压器，国产型号XCD型。C形壳式变压器即是将两个铁心组合在一起而成，其型号为XED型。 知识点梳理和重点概念复习 3.R形变压器 R形变压器是在C形变压器的基础上形成的，外形如图1-4(e)所示。其主要结构特点是铁心为整体结构，即铁心由一根在下料机上切割而成的由窄到宽，再由宽到窄连续均匀过渡的晶粒取向冷轧硅钢带卷绕而成。铁心卷绕好后绑扎紧并浸漆处理成形。由于铁心不切割，成闭合形状，因此磁路无空气隙，磁组小，使变压器的空载损耗小，温升低。另外，由于变压器铁心截面为圆形(Round),故称R形。因而绕组骨架也是圆形，一般用PBT阻燃工程塑料压制成形，制成拼装式圆形骨架，线圈绕制前先将骨架拼装在R形铁心上，用专用绕线机转动骨架实现线圈的绕制。这样可减少用铜量，变压器体积小、重量轻、噪声低、常采用卧式结构，特别适合于高密度安装的设备中。 知识点梳理和重点概念复习 4.0形变压器 0形变压器又称环形变压器，外形如图1-4(f)所示。工作在工频电源下的0形变压器其铁心用晶粒取向冷轧硅钢带或合金钢带绕制而成，再经过扎紧及绝缘处理等过程，形成0形铁心。因此0形变压器也具有R形变压器的优点，且铁心制作简单。其主要不足之处是由于铁心截面呈矩形，因此线圈绕制困难，一般需用专门的绕线机绕制。随着电子技术的飞速发展，高频变压器、脉冲变压器、开关电源及逆变器等大多采用环形铁心结构，其铁心材料为非晶态合金或铁氧体，其工作频率可达数百千赫。 知识点梳理和重点概念复习 (三)按工作原理分类 变压器可分为线性变压器和非线性变压器，前面所讲的都是线性变压器，铁心磁通工作在非饱和状态。即铁心磁化曲线的直线段，一、二次绕组的电压与其匝数成正比关系。如果铁心磁通工作在饱和段，这种变压器称为磁饱和变压器。稳压变压器就是这种磁饱和铁磁谐振式交流稳压器。磁饱和稳压器铁心结构如图3-22所示。铁心柱截面积与一般变压器不同，一次绕组放在截面积较大的铁心柱上，一次绕组铁心工作在磁不饱和状态，即远离磁饱和状态，二次绕组放在截面积小的铁心柱上，二次绕组铁心工作在近磁饱和状态，即接近即将饱和状态。 知识点梳理和重点概念复习 当输入电压U₁比额定电压低时，输出电压U₂由N₁、N₂匝数比决定；当输入电压升高至某一数值时，使二次绕组的铁心中磁通达到饱和状态，若再升高电压，二次绕组铁心中磁通不再增加，二次绕组的感应电动势不再按匝数比上升，使输出电压近似稳定。其原理是利用铁心材料磁饱和特性来实现稳定输出电压，如图3-23所示。其稳压范围：在电源电压变化±10%时，输出电压不超过额定电压±1.5%,甚至更少。实用中，以并联铁磁谐振稳压器应用最广，它是由一个带磁分路的磁饱和变压器和一个电容并联组成，如图3-24所示。国产有WCD和WED系列产品，WCD形是在C形铁心窗口中加入磁分路，使整个铁心成为日字形，如图3-25所示。 知识点梳理和重点概念复习 其稳定范围：当电网电压在+10%～-20%范围变化时，满载输出电压变化不超过±1.5%。WED形，使用两副CD形铁心并在一起使用，如图3-26所示。稳压变压器应用于对电压稳定性要求较高的设备中，在结构上无转动部分，工作可靠，使用简单，过载能力强，短路时能自动保护，功率因数高，多用于输出功率1000 W以下的场合。 知识点梳理和重点概念复习 常考习题练习与讲解--选择题 1.三相三绕组变压器的标准联结组别不包括（ ） A.YN,yn0,d11 B.YN,d11,yn0 C.I I I0 D.YN,y0,d11 答案：D 解析：三相三绕组变压器的标准联结组别有YN,yn0,d11和YN,d11,yn0，I I I0是单相三绕组变压器的标准联结组别，YN,y0,d11不属于其标准类型。 常考习题练习与讲解--选择题 2.下列属于中频电源变压器工作频率的是（ ） A.40Hz B.600Hz C.15kHz D.25kHz 答案：B 解析：中频电源变压器工作在400~1000Hz，600Hz在此范围内，40Hz为低于工频，15kHz、25kHz为高频。 常考习题练习与讲解--选择题 3.R形变压器的主要优点不包括（ ） A.空载损耗小 B.磁路无空气隙 C.线圈绕制简单 D.重量轻 答案：C 解析：R形变压器因铁心截面为圆形，绕组需专用设备绕制，并非绕制简单，其优点包括空载损耗小、磁路无空气隙、重量轻等。 常考习题练习与讲解--选择题 4.三绕组变压器的磁通势平衡方程推导的基础是（ ） A.电磁感应定律 B.欧姆定律 C.基尔霍夫定律 D.楞次定律 答案：A 解析：串联电路电流相等，根据U=IR，电压与电阻成正比。 常考习题练习与讲解--选择题 5.磁饱和变压器中，一次绕组铁心的工作状态是（ ） A.近饱和状态 B.饱和状态 C.远离饱和状态 D.无固定状态 答案：C 解析：磁饱和变压器中，一次绕组放在截面积较大的铁心柱上，工作在远离饱和状态；二次绕组铁心则工作在近饱和状态。 常考习题练习与讲解--选择题 6.工频电源变压器的铁心材料通常是（ ） A.铁氧体 B.0.35mm冷轧硅钢片 C.非晶态合金 D.合金钢带 答案：B 解析：工频电源变压器铁心用0.35mm冷轧硅钢片构成，以减小涡流损耗，这是其典型材料特征。 常考习题练习与讲解--选择题 7.下列关于线性变压器的说法正确的是（ ） A.铁心磁通工作在饱和段 B.电压与匝数不成正比 C.磁通工作在磁化曲线直线段 D.属于非线性变压器 答案：C 解析：线性变压器的铁心磁通工作在磁化曲线的直线段（非饱和状态），一、二次绕组电压与匝数成正比，属于线性器件。 常考习题练习与讲解--选择题 8.三绕组变压器中，传递功率较多的两个绕组应（ ） A.相距最远 B.随意排列 C.靠得较近 D.与高压绕组相邻 答案：C 解析：三绕组变压器的绕组排列遵循“传递功率较多的两绕组靠得近些”的原则，以减少漏磁通和短路电压。 常考习题练习与讲解--填空题 1.三相三绕组变压器的两种标准联结组别是______和______。 答案：YN,yn0,d11；YN,d11,yn0 解析：三相三绕组变压器的标准联结组别明确为YN,yn0,d11和YN,d11,yn0，这是国家标准规定的类型。 常考习题练习与讲解--填空题 2.高频电源变压器为减少趋肤效应影响，绕组通常用______或______绕制。 答案：多股高频铜导线；薄铜箔 解析：高频电流的趋肤效应会减小导线有效面积，故高频变压器绕组常用多股高频铜导线或薄铜箔，以降低发热。 常考习题练习与讲解--填空题 3.R形变压器因铁心截面为______而得名，其绕组骨架通常为______。 答案：圆形；圆形（或拼装式圆形） 解析：R形变压器的铁心截面为圆形（Round），因此绕组骨架也为圆形，一般用PBT阻燃工程塑料制成拼装式圆形骨架。 常考习题练习与讲解--填空题 4.磁饱和变压器中，当电源电压变化±10%时，其输出电压变化通常不超过额定电压的______。 答案：±1.5% 解析：磁饱和变压器的稳压范围一般为电源电压变化±10%时，输出电压变化不超过额定电压的±1.5%，这是其典型性能指标。 常考习题练习与讲解--判断题 1.三绕组变压器的三个绕组容量在运行时必须按铭牌比例传递功率。（ ） 答案：错误 解析：三绕组变压器的容量仅代表各绕组的功率通过能力，运行时并非一定按比例传递功率，实际传递功率取决于负载情况。 常考习题练习与讲解--判断题 2.中频电源变压器的铁心厚度通常为0.35mm，与工频变压器相同。（ ） 答案：错误 解析：中频变压器因频率较高，为减小涡流损耗，铁心用0.2mm冷轧硅钢片，而非0.35mm，与工频变压器不同。 常考习题练习与讲解--判断题 3.O形变压器的主要不足之处是空载损耗大。（ ） 答案：错误 解析：O形变压器具有空载损耗小的优点，其主要不足是因铁心截面呈矩形，导致线圈绕制困难，需专用设备。 常考习题练习与讲解--判断题 4.线性变压器的铁心磁通工作在非饱和状态，电压与匝数成正比。（ ） 答案：正确 解析：线性变压器的铁心磁通处于磁化曲线的直线段（非饱和状态），此时一、二次绕组的电压与其匝数成正比，符合线性特性。 常考习题练习与讲解--简答题 1.简述三绕组变压器的绕组排列原则。 答案：三绕组变压器的高压绕组因绝缘需要放在最外边；中、低压绕组则按“相互传递功率较多的两绕组应靠得近些”的原则排列，以减少漏磁通和短路电压，不同场合（如升压、降压）排列方式不同。 常考习题练习与讲解--简答题 2.小功率电源变压器按铁心结构可分为哪几类？简述其核心区别。 答案：按铁心结构可分为E形及口形、C形、R形、O形（环形）。E形及口形为传统结构；C形由硅钢带卷制分割而成；R形铁心为整体卷制、截面圆形；O形（环形）铁心卷制而成，截面多为矩形，绕制难度较大。 常考习题练习与讲解--简答题 3.高频电源变压器的结构特点有哪些？ 答案：高频电源变压器工作在10~20kHz，铁心用铁氧体磁心（电阻率高、涡流损耗小）；绕组因趋肤效应，用多股高频铜导线或薄铜箔绕制，以减少发热，适用于开关稳压电源的变换器中。 常考习题练习与讲解--简答题 4.磁饱和变压器适用于哪些场合？其主要优势是什么？ 答案：适用于对电压稳定性要求较高的设备，如精密仪器等。优势包括：结构无转动部分，工作可靠；使用简单，过载能力强；短路时能自动保护；功率因数高，多用于输出功率1000W以下场合。 课堂小结 重点复习知识点： 1.三绕组变压器：重点掌握容量标注（最大绕组容量）、短路电压与绕组间距的关系，及变比（匝数比）、磁通势平衡方程（忽略励磁电流时的相量和为0）等核心参数。 2.小功率变压器：按频率、铁心结构的分类是基础，需对比不同类型的材料（如高频用铁氧体）、频率范围及结构特点（如R形的圆形截面）。 3.磁饱和变压器：理解其利用铁心饱和特性稳压的原理，记住铁心结构（不同截面积）及典型稳压范围，明确其适用场景。 阅读相关教材和课堂笔记，梳理重点知识点和关键概念。制作复习提纲或思维导图，以帮助理清知识框架和内部逻辑。进行练习题和例题的练习，加深对知识的理解和应用。 感谢 观看 $$