电工技术之变压器.ppt

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1、变压器,3.1 变压器的构造、工作原理、功能 3.2 变压器的额定值、外特性、效率及损耗3.3 变压器绕组的极性3.4 特殊变压器,变压器：,利用电磁感应原理，将一定数值的交流电转变为同频率的另一数值的交流电，即一种变换交流电压、交流电流的电气设备。在电力系统和电子线路中应用非常广泛。,交流输电方面：,先将电厂发出的正弦交流电的电压利用电力变压器升高到110kV、220kV、500kV或1000kV等电网电压等级，再经过高压输电线路送到电力负荷地区。,用电方面：,为了满足用电设备的电压要求和保障电气设备、人员的安全，必须利用电力变压器将交流高压输电线路上的电压逐级降低到380V/220V供用户

2、使用。,电子线路：,大量使用各种规格的变压器来实现电压变换、耦合电路、传递信号、阻抗匹配等。此外，还有常用的自耦变压器、仪用变压器、互感器和各种专用变压器（用于电焊、电炉、整流装置等）。,电力工业中常采用高压输电低压配电，实现节能并保证用电安全。具体如下：,3.1 变压器的构造、工作原理、功能,一、变压器的基本构造,变压器的基本结构：主要是铁芯和绕组等构成。,3.1 变压器的构造、工作原理、功能,一、变压器的基本构造,变压器实物图：电力变压器,3.1 变压器的构造、工作原理、功能,一、变压器的基本构造,变压器实物图：电子电路中的变压器（1）,3.1 变压器的构造、工作原理、功能,一、变压器的基

3、本构造,变压器实物图：电子电路中的变压器（2）,3.1 变压器的构造、工作原理、功能,一、变压器的基本构造,常见的变压器结构型式有心式和壳式两种。,特点：绕组包围铁芯，多用于大容量变压器，电力变压器一般采用心式。,心式变压器,壳式变压器,特点：铁芯包围绕组，多用于小容量变压器中。,3.1 变压器的构造、工作原理、功能,一、变压器的基本构造,铁芯是变压器的磁路部分。通常铁芯由厚度为0.300.35mm、表面涂有绝缘漆的硅钢片叠成。绕有绕组的铁芯部分称为铁芯柱，其余用以闭合磁路的铁芯部分，称为磁轭（或铁轭）。,3.1 变压器的构造、工作原理、功能,一、变压器的基本构造,绕组是变压器的电路部分。一般

4、用绝缘材料漆包的绝缘扁铜（铝）线或绝缘圆铜（铝）线绕制而成。,输入电能端绕组称为一次绕组，简称一次侧，或称原边绕组、原边；输出电能端绕组称为二次绕组，简称二次侧，或称副边绕组、副边。电压较高的绕组称为高压绕组，电压较低的绕组称为低压绕组。,较大容量变压器还具有冷却装置和保护装置等。,3.1 变压器的构造、工作原理、功能,一、变压器的基本构造,变压器的磁路,变压器的电路,3.1 变压器的构造、工作原理、功能,一、变压器的基本构造,变压器的分类：,按变压器用途分类,特种变压器：整流变压器、电炉变压器等。,仪用互感器：电压互感器、电流互感器等。,自耦变压器（调压器）,试验用高压变压器,电力变压器：升

5、压变压器、降压变压器、配电变压器等。,3.1 变压器的构造、工作原理、功能,一、变压器的基本构造,变压器的分类：,按变压器绕组数目分类,双绕组变压器（电力变压器多数是双绕组）,三绕组变压器（如电力系统中联络变压器）,多绕组变压器（常见于电子电路或多路供电中）,单绕组变压器（如自耦变压器）,按变压器结构型式分类,壳式变压器,心式变压器,3.1 变压器的构造、工作原理、功能,一、变压器的基本构造,变压器的分类：,按变压器相数分类,三相变压器,多相变压器（如六相、十二相等）,单相变压器,按变压器冷却方式和冷却介质分类,油浸式变压器（用油冷却）,干式变压器（用空气冷却）,3.1 变压器的构造、工作原理

6、、功能,二、变压器的工作原理,变压器原理图,3.1 变压器的构造、工作原理、功能,二、变压器的工作原理,1、变压器空载运行,原边接交流电源，副边开路。,空载时，铁心中主磁通是由一次绕组磁通势产生的。,3.1 变压器的构造、工作原理、功能,二、变压器的工作原理,1、变压器空载运行,原边，KVL：,相量形式：,设：,，原边主磁感应电动势e1有效值为,原边电压u1有效值为,3.1 变压器的构造、工作原理、功能,二、变压器的工作原理,1、变压器空载运行,副边开路电压：,相量形式：,设：,，副边主磁感应电动势e2为,e2有效值为：,副边开路电压u20的有效值为：,3.1 变压器的构造、工作原理、功能,二

7、、变压器的工作原理,1、变压器空载运行,原边、副边的电压之比：,变压器的变压比，简称变比,3.1 变压器的构造、工作原理、功能,二、变压器的工作原理,2、变压器负载运行,一次侧接交流电源，二次侧接负载。,有载时，主磁通是由一次、二次绕组磁通势共同产生的合成磁通。,3.1 变压器的构造、工作原理、功能,二、变压器的工作原理,2、变压器负载运行,原边，KVL：,相量形式：,原边电压u1有效值为：,副边，KVL：,相量形式：,副边电压u2有效值为：,3.1 变压器的构造、工作原理、功能,二、变压器的工作原理,2、变压器负载运行,原边、副边电压之比：,不论是空载运行还是负载运行，均有关系式,说明：当U

8、1和f不变时，铁芯中的主磁通最大值m近似常数，即在变压器空载和负载时近似一样。,原、副边电压基本关系,3.1 变压器的构造、工作原理、功能,二、变压器的工作原理,2、变压器负载运行,因此：,相量形式：,变压器的磁通势平衡方程,励磁电流分量,负载电流分量,3.1 变压器的构造、工作原理、功能,二、变压器的工作原理,2、变压器负载运行,铁芯磁导率很高，励磁电流分量 很小，一般情况下，I0约为原边额定电流的(510)%，因此,或,有效值形式为,原、副边电流基本关系,3.1 变压器的构造、工作原理、功能,三、变压器的功能,1、电压变换,电源电压U1不变时，改变原、副边匝数之比，即改变K，可改变副边的输

9、出电压U2。,2、电流变换,U1、N1、N2不变时，若负载变化，副边电流I2、原边电流I1发生变化，但它们的比值不变。,3.1 变压器的构造、工作原理、功能,3、阻抗变换,由图可知：,结论：变压器一次侧的等效阻抗模，为二次侧所带负载的阻抗模的K 2 倍。,3.1 变压器的构造、工作原理、功能,(1)变压器的匝数比应为：,解:,例:如图，交流信号源的电动势E=120V，内阻R0=800，负载为扬声器，其等效电阻为RL=8。要求:(1)当RL折算到原边的等效电阻 时，求变压器的匝数比和信号源输出的功率；(2)当将负载直接与信号源联接时,信号源输出多大功率？,信号源的输出功率：,电子线路中，常利用阻

10、抗匹配实现最大输出功率。,结论：接入变压器以后，输出功率大大提高。,原因：满足了最大功率输出的条件：,（2）将负载直接接到信号源上时，输出功率为：,3.1 变压器的构造、工作原理、功能,四、三相变压器,三相变压器可以用三个单相变压器以一定的联接方式组成，这种三相变压器称为三相变压器组。,大容量巨型变压器以及运输条件受限制地方，为便于运输及减少备用容量，采用三相变压器组。,3.1 变压器的构造、工作原理、功能,四、三相变压器,常用三相心式变压器，对称三相绕组分别绕在一个铁芯柱上。具有消耗材料少、效率高、占地面积小、维护简单等优点。,3.1 变压器的构造、工作原理、功能,四、三相变压器,三相心式变

11、压器实物图：,3.1 变压器的构造、工作原理、功能,四、三相变压器,三相变压器绕组联结方式：,三相变压器的一次绕组或二次绕组，均可采用：,联结,Y联结,或,3.1 变压器的构造、工作原理、功能,四、三相变压器,三相变压器联结方式：,Y/Y、Y/Y0、Y/、Y0/、Y0/Y、/Y、/Y0等。,高压绕组接法,低压绕组接法,三相配电变压器,动力供电系统,高压、超高压供电系统,常用接法:,高压侧Y，可降低每相绕组绝缘要求；,低压侧，可减小每相绕组导线截面；,（1）三相变压器Y/Y0联结,线电压之比：,（2）三相变压器Y/联结,线电压之比：,3.2 变压器的额定值、外特性、效率及损耗,一、额定值,变压器

12、的铭牌：,变压器的铭牌：附贴在变压器的外壳上、标明变压器主要指标参数（额定值）的牌子。,3.2 变压器的额定值、外特性、效率及损耗,一、额定值,1、变压器的型号,3.2 变压器的额定值、外特性、效率及损耗,一、额定值,2、额定电压U1N、U2N,变压器二次侧开路（空载）时，一次、二次侧绕组允许的电压值。,3、额定电流I1N、I2N,变压器满载运行时，一次、二次侧绕组允许的电流值。,3.2 变压器的额定值、外特性、效率及损耗,4、额定容量SN,在额定工作条件下变压器的视在功率。,容量 SN 输出功率 P2,一次侧输入功率 P1 输出功率 P2,注意：变压器几个功率的关系（单相）,效率,变压器运行

13、时的功率取决于负载的性质,3.2 变压器的额定值、外特性、效率及损耗,5、额定频率fN,指变压器应接入的电源频率。我国电力系统的额定工作频率为50Hz。,6、变压器的变比K,变压器的变比用原、副边额定电压之比的形式标明在铭牌上。,例如：6000/400V，表明原边额定电压U1N=6000V，副边额定电压U2N=400V。,由于变压器有内阻抗压降，所以副边的空载电压一般应较满载时的电压高5%10%。,3.2 变压器的额定值、外特性、效率及损耗,二、变压器的外特性,变压器外特性：当一次侧电压 U1和负载功率因数 cos2保持不变时，二次侧输出电压 U2和输出电流 I2的关系，U2=f(I2)。,U

14、20：一次侧加额定 电压、二次侧 开路时，二次 侧的输出电压。,3.2 变压器的额定值、外特性、效率及损耗,二、变压器的外特性,一般供电系统希望随I2的变化，U2 变化不大。,变压器从空载到额定负载，二次绕组电压的变化程度用电压变化率U 表示：,一般变压器U 约为5%左右，容量大的电力变压器U 约为2%3%。,例2:有一机床照明变压器,50VA,U1=380 V,U2=36 V，其绕组已烧毁，要拆去重绕。今测得其铁心截面积为22mm41mm（如图）。铁心材料是0.35mm厚的硅钢片。试计算一次、二次绕组匝数及导线线径。,解:,铁心的有效截面积为,式中 0.9 为铁心叠片间隙系数。,对 0.35

15、mm的硅钢片，可取Bm=1.1T,一次绕组匝数为,一般取0.90.93,二次绕组匝数为,（设U20=1.05U2）,二次绕组电流为,一次绕组电流为,导线直径计算公式,式中，J是电流密度，一般取J 2.5 A/mm2。,二次绕组线径为,一次绕组线径为,三、变压器的损耗及效率,为减少涡流损耗，铁心一般由导磁钢片叠成。,变压器的损耗包括两部分：,铜损(PCu)：绕组导线电阻的损耗。,涡流损耗：交变磁通在铁心中产生的感 应电流(涡流)造成的损耗。,铁损(PFe)：,变压器的效率为,一般 95%,负载为额定负载的(5075)%时，最大。,输出功率,输入功率,例:有一带电阻负载的三相变压器，其额定数据如下

16、：SN=100kVA,U1N=6000V,f=50Hz。U2N=U20=400V,绕组连接成。由试验测得:PFe=600 W，额定负载时的 PCu=2400W。试求(1)变压器的额定电流；(2)满载和半载时的效率。,解:,(1)额定电流,()满载和半载时的效率,3.3 变压器的绕组的极性,1、同极性端（同名端）,当电流流入(或流出）两个线圈时，若产生的磁通方向相同，则两个流入(或流出）端称为同极性端。,或者说，当铁心中磁通变化时，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。,同极性端用“”表示。,增加,+,+,+,+,同极性端和绕组的绕向有关。,联接 23,变压器一次侧有两个额定电压为

17、 110V 的绕组：,2.线圈的接法,联接 13，2 4,当电源电压为220V时：,电源电压为110V时：,问题1：在110V 情况下，如果只用一个绕组（N），行不行？,答：不行（两绕组必须并接）,一次侧有两个相同绕组的电源变压器(220/110)，使用中应注意的问题：,问题2：如果两绕组的极性端接错，结果如何？,结论：在同极性端不明确时，一定要先测定同极性端 再通电。,答：有可能烧毁变压器,+,方法一：交流法,把两个线圈的任意两端(X-x)连接,然后在 AX 上加一低电压 uAX。,测量：,若 说明 A 与 x 或 X 与 a 是同极性端.,3.同极性端的测定方法,方法二：直流法,如果当 S

18、 闭合时，电流表正偏，则 A-a 为同极性端;,结论：,如果当 S 闭合时，电流表反偏，则 A-x 为同极性端。,3.4 特殊变压器,使用时，改变滑动端的位置，便可得到不同的输出电压。注意：一次、二次侧千万不能对调使用，以防变压器损坏。因为N变小时，磁通增大，电流会迅速增加。原因：,1.自耦变压器,特点：副边是原边的一部分，原、副 边有磁的联系，也有电的联系。,3.4 特殊变压器,实验室中常用的调压器就是一种自耦变压器，通过转动其手柄，可改变副边的匝数，从而调节副边输出的电压。,二次侧不能短路，以防产生过流；2.铁心、低压绕组的 一端接地，以防在 绝缘损坏时，在二次侧出现高压。,使用注意事项：,被测电压=电压表读数 N1/N2,2.电压互感器,实现用低量程的电压表测量高电压,电压表,一般称为转换倍率,被测电流=电流表读数 N2/N1,二次侧不能开路，以防产生高电压；2.铁心、低压绕组的 一端接地，以防在 绝缘损坏时，在二次侧出现过压。,使用注意事项：,3.电流互感器,实现用低量程的电流表测量大电流,电流表,一般称为变换系数,测流钳是电流互感器的一种变形。,测量时将钳压开而引入被测导线，该导线就是原边，副边绕在铁芯上并与电流表相连通。,利用测流钳可以随时随地测量线路中的电流，不必像普通电流互感器那样必须固定在一处或者在测量时要断开电路而将原边串接进去。,