电工学5章变压器.ppt

1,第 5 章 变 压 器,5.1 磁 路,5.2 电磁铁,5.3 变压器的工作原理,5.4 变压器的基本结构,5.5 三相变压器,*5.6 仪用互感器,*5.7 自耦变压器,*5.8 三绕组变压器,*5.9 绕组的极性,下一章,上一章,返回主页,大连理工大学电气工程系,2,5.1 磁 路,一、磁场的基本物理量,单位：特斯拉(T)，1 T=1 Wb/m2,1.磁通 磁场中穿过某一截面积 A 的磁感线数。单位：韦伯（Wb）。2.磁感应强度 B 描述介质中的实际磁场强弱和方向。B 是一个矢量，其方向为磁场的方向 大小：,磁场是由电流产生的，磁场用磁感线描述。,磁通密度,大连理工大学电气工程系,3,3.磁场强度 H H 是进行磁场计算引进的辅助物理量。H 是一个矢量，其方向 B 与相同。,H 与 B 的区别：(1)H I，与介质的性质无关。(2)B 与电流的大小和介质的性质均有关。单位：安/米（A/m）。,4.磁导率 是用来表示媒质导磁能力的物理量。,真空中的磁导率：0=4107 H/m,大连理工大学电气工程系,4,二、物质的磁性能,0（为常数）(1)顺磁物质 例如变压器油和空气：略大于 0。(2)反磁物质 例如铜和铋：略小于 0。,自然界的物质按磁导率分类：非磁性物质、磁性物质。,非磁性物质：,磁性物质的磁性能主要有以下三点。,大连理工大学电气工程系,5,1.高导磁性,0，r 1 常用磁性材料的磁导率 铸钢：1 000 0 硅钢片：(6 000 7 000)0 坡莫合金：(20 000 200 000)0,磁性物质的高导磁性 被广泛应用于变压器 和电机中。,u,主磁通,漏磁通,铁心,励磁绕组,主磁通 漏磁通。,大连理工大学电气工程系,6,2.磁饱和性,初始磁化曲线,3.磁滞性,剩磁,矫顽 磁力,磁滞回线,基本磁 化曲线,大连理工大学电气工程系,7,磁性物质的分类：硬磁物质、软磁物质、矩磁物质。,铸铁和硅钢的磁化曲线,大连理工大学电气工程系,8,三、磁路欧姆定律,根据全电流定律：,铁心中：,气隙中：,大连理工大学电气工程系,9,左边=H1 l1H0 l0,=(RmcRm0)=Rm Rm=RmcRm0,Rmc、Rm0、Rm 铁心、空气隙、磁路的磁阻。,右边=I=N I 或 I=F（磁通势）,磁路欧姆定律:,Rm=F,或,大连理工大学电气工程系,10,磁路中的气隙的影响 因为 1 0，所以 Rm0 Rm1 当F 一定时，因 Rm0 的存在，使 大大减小。若要保持 一定，则需增大磁通势 F。,大连理工大学电气工程系,11,5.2 电 磁 铁,电磁铁的常见结构形式,电磁铁的种类：直流电磁铁、交流电磁铁。,大连理工大学电气工程系,12,一、直流电磁铁,U I N I,(1)电压与电流的关系,(2)线圈的功率：P=R I 2 2.电磁吸力 衔铁吸合后磁阻,1.直流铁心线圈电路,I 不变,f,大连理工大学电气工程系,13,二、交流电磁铁,1.交流铁心线圈电路,u i Ni e,(1)电压与电流关系设=m sin t则 e=N m cos t=N m sin(t90o)Em=N m=2 f N m,大连理工大学电气工程系,14,E=4.44 f N m,漏磁通磁路对应的电感,漏感抗（漏电抗）X=L,=2 f L,漏阻抗,大连理工大学电气工程系,15,忽略漏阻抗，有,则,当 U、f 一定时，m 基本不变。(2)功率视在功率:S=U I无功功率:Q=S sin 有功功率:P=S cos=PCuPFe,铜损耗,铁损耗,=RI2+(PhPe),磁滞损耗,涡流损耗,大连理工大学电气工程系,16,磁滞损耗 Ph,涡流损耗 Pe,铁损耗使铁心发热。减小铁损耗的方法 使用软磁材料减小Ph；增大铁心的电阻率，减小涡流及其损耗；用很薄的硅钢片叠成铁心，减小涡流及其损耗。,大连理工大学电气工程系,17,(1)变化 f 变化 电磁吸力用平均值衡量。m 不变 fm 不变。(2)衔铁吸合后磁阻 起动电流 工作电流。3.结构特点(1)铁心和衔铁用硅钢片叠成。(2)加短路环消除衔铁的振动。,2.电磁吸力,m 不变,磁通势 励磁电流,平均吸力,大连理工大学电气工程系,18,例5.2.1 一铁心线圈，加上 12 V 直流电压时，电 流为1 A；加上 110 V 交流电压时，电流为 2 A，消耗的 功率为 88 W。求后一种情况下线圈的铜损耗、铁损耗和 功率因数。,解 由直流电压和电流求得线圈的电阻为,由交流电流求得线圈的铜损耗为 PCu=RI2=1222 W=48 W 由有功功率和铜损耗求得线圈的铁损耗为 PFe=PPCu=(88 48)W=40 W 功率因数为,大连理工大学电气工程系,19,5.3 变压器的工作原理,电磁关系,一次绕组,二次绕组,用图形符号表示 的变压器电路,大连理工大学电气工程系,20,一、电压变换,1.一次侧电压方程,R1、X1 和 Z1 一次绕组的电阻、漏电抗和漏阻抗。,2.二次侧电压方程,R2、X2 和 Z2 二次绕组的电阻、漏电抗和漏阻抗。,大连理工大学电气工程系,21,规定 U1=U1N 时，U20=U2N。如铭牌上标注：10 000/230 V U1N/U2N,I2=0I1=I010%I1N U2=U20=E2U1E1,3.电压比,变压器空载时,一般 U2N 比满载时的 电压高 5%10%。,大连理工大学电气工程系,22,当 U1=U1N，cos2 不变时：U2=f(I2),电力变压器：VR 5%,4.变压器的外特性,电压调整率,大连理工大学电气工程系,23,例5.3.1 某单相变压器的额定电压为 10 000/230 V 接在 10 000 V 的交流电源上向一电感性负载供电，电压 调整率为 0.03，求变压器的电压比、空载和满载时的二 次电压。,解 变压器的电压比为,空载时的二次电压为 U20=U2N=230 V 满载时的二次电压为 U2=U2N(1 VR)=230(1 0.03)V=223 V,大连理工大学电气工程系,24,二、电流变换,U1NE1=4.44 f N1m,磁通势平衡方程：,忽略 I0：,大连理工大学电气工程系,25,例5.3.2 在例5.3.1 中，ZL=0.966 时正好满载，求该变压器的电流。,解 变压器的电压比为,大连理工大学电气工程系,26,三、阻抗变换,忽略 Z1、Z2、I0，则,=k,|Ze|=k2|ZL|,例5.3.3 一只电阻为 8 的扬声器(喇叭)，需要把电阻提高到 800 才可以接入半导体收音机的输出端，问 应该利用电压比为多大的变压器才能实现这一阻抗匹配。,解,大连理工大学电气工程系,27,四、功率传递,1.一次绕组的视在功率 S1=U1I12.二次绕组的视在功率 S2=U2I23.输入功率 P1=U1I1cos1 4.输出功率 P2=U2I2cos25.变压器的损耗 P=PFePCu,可变损耗,(1)铜损耗 PCu=R1I12+R2I22(2)铁损耗 PFe=PhPe 6.效率,不变损耗,小型电力变压器=80%90%大型电力变压器=98%99%,大连理工大学电气工程系,28,解 忽略电压调整率，则 P2=SNcos2=101030.8 W=8 kW P=PFePCu=(300400)W=700 W P1=P2P=(8 000700)W=8.7 kW,例5.3.4 一变压器容量为 10 kVA，铁损耗为 300 W，满载时铜损耗为 400 W，求该变压器在满载情况下向功率 因数为 0.8 的负载供电时输入和输出的有功功率及效率。,大连理工大学电气工程系,29,5.4 变压器的基本结构,一、主要部件,1.铁心 用硅钢片叠成。2.绕组（线圈）高压绕组和低压绕组同心地套在铁心上。3.其他 油箱、油、储油柜、绝缘套管、保护设备等。,大连理工大学电气工程系,30,1.按相数分类 三相变压器、单相变压器。2.按每相绕组的个数分类 双绕组变压器、三绕组变压器、自耦变压器。3.按结构分类 心式变压器、壳式变压器。3.按冷却方式分类 干式变压器、油浸式变压器。,二、主要种类,大连理工大学电气工程系,31,心式变压器,壳式变压器,大连理工大学电气工程系,32,S9 型 10 kV 三相油浸配电变压器,大连理工大学电气工程系,33,树脂浇注干式变压器,大连理工大学电气工程系,34,5.5 三相变压器,一、三相变压器的种类 1.三相组式变压器,特点：三相之间只有电的联系，没有磁的联系。,大连理工大学电气工程系,35,2.三相心式变压器,特点：三相之间既有电的联系，又有磁的联系。,大连理工大学电气工程系,36,连接方式 高压绕组 低压绕组 星形有中性线 YN yn 星形无中性线 Y y 三角形 D dGB:Yyn、Yd、YNd、Yy、YNy,二、三相绕组的连接方式,最常用的三种,大连理工大学电气工程系,37,例5.5.1 某三相变压器，YN,d 联结，SN=500 kVA，U1N/U2N=35/11 kV，Y,d 联结，向求 2=0.9 感性负载供电。满载时二次绕组的线电压为380 V。求：(1)满载时一次、二次绕组的线电流和相电流；(2)输出的有功功率。,解(1)满载时一次、二次绕组的电流,大连理工大学电气工程系,38,相电流为,(2)输出的有功功率,大连理工大学电气工程系,39,*5.6 仪用互感器,一、电压互感器,国产互感器：U2N=100 V2.使用注意(1)二次绕组禁止短路。(2)二次绕组与铁心必须接地。,1.工作原理 空载运行的降压变压器。,大连理工大学电气工程系,40,E2,二、电流互感器,1.工作原理 短路运行的升压变压器。,国产互感器：I2N=5 A 2.使用注意(1)二次绕组禁止开路。开路时：I2=0，I1 不变,(2)一次绕组工作电压较高时，二次绕组与铁心必须接地。,1 2 匝,大连理工大学电气工程系,41,*5.7 自耦变压器,一、结构,手柄,接线柱,调压器,大连理工大学电气工程系,42,二、工作原理,降压自耦变压器,升压自耦变压器,忽略漏阻抗，则,大连理工大学电气工程系,43,*5.8 三绕组变压器,有三个绕组和三个电压等级。,三绕组变压器,=k12,=k13,=k23,各绕组间的电压关系,大连理工大学电气工程系,44,各绕组间的电流关系,在满载或接近满载时，,I0 可忽略不计，则,容量,SN=U1NI1N 工作时应当保证各个绕组的视在功率不超过 其绕组容量。,大连理工大学电气工程系,45,*5.9 绕组的极性,(a)绕向相同,U1 与 u1 是同极性端(同名端)U1 与 u2 是异极性端(异名端),(b)绕向相反,U1 与 u2 是同极性端(同名端)U1 与 u1 是异极性端(异名端),大连理工大学电气工程系,46,(a)绕向相同,(b)绕向相反,绕组极性的标注方法,大连理工大学电气工程系,47,(a)绕组的串联,(b)绕组的并联,绕组的正确接法,大连理工大学电气工程系,48,第 5 章 结 束,下一章,上一章,返回主页,