电工学5章变压器.ppt

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1、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

2、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

3、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：,

4、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,

5、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

6、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

7、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

8、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 = 0 I1 = I010% I1N U2 = U20 = E2 U1E1,3. 电压比,变压器空载时, 一般 U2N 比满载时的 电压高

9、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

10、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 S

11、1 = U1I1 2. 二次绕组的视在功率 S2 = U2I2 3. 输入功率 P1 = U1I1cos1 4. 输出功率 P2 = U2I2cos2 5. 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 = (

12、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

13、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

14、 y 三角形 D d GB: 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： U

15、2N = 100 V 2. 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

16、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,第 5 章 结 束,下一章,上一章,返回主页,