王敏《电工学》第6章变压器2014.ppt

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1、第六章变压器,2,主要内容,6.1 磁 路,6.2 铁心线圈电路,6.3 变压器分类与结构,6.4 变压器的工作原理,6.6 三相变压器与自耦变压器,6.5 变压器的外特性及技术参数,6.7 互感器,3,6.1 磁 路,一、磁场的基本物理量,1）磁通量 ：磁场中穿过某一截面积 A 的磁感线数。 单位：韦伯（Wb）。,磁场是由电流产生的，磁场用磁感线描述。,4,在数值上就是与磁场方向垂直的单位面积上通过的磁通,磁感应强度的大小不仅决定于电流的大小及导体的几何形状，而且还与导体周围的物质的磁导率有关。,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。

2、单位：安/米（A / m）,5,磁场强度的大小只与电流的大小和导体的几何形状以及位置有关，而与导体周围物质的磁导率无关,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。,H与B之间是什么关系？,激励与响应的关系,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,自然界的物质按磁导率分类： 非磁性物质、磁性物质。,后面具体分析其性质,7,(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 。,非磁性物质： 0（ 为常数）,8,顺磁性物质会趋向于朝着磁场

3、较强的区域移动，即被磁场吸引；反磁性物质则会趋向于朝着磁场较弱的区域移动，即被磁场排斥；,9,磁性物质有哪些？ magnetic substance,铁、钴、镍三种铁磁性元素是构成磁性材料的基本组元,在中国，磁性最早出现于一本公元前4世纪编写的书鬼谷子：“其察言也，不失若磁石之取针，舌之取燔骨”。察析这人的言词话语，就好像用磁石吸取铁针，又好像用舌尖探取炙肉中的骨头，绝对不能有所差失。,课外：钕铁硼磁铁有什么特点,11,二、物质的磁性能(自学),磁性物质的磁性能主要有以下三点。,1）高导磁性： 0,2）磁饱和性,3）磁滞性,1）高导磁性： 0,常用磁性材料的磁导率 铸钢： 1 000 0 硅钢

4、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,研究电流与它所产生的磁场的问题就可以简化为磁路的分析和计算了,12,2）磁饱和性,磁 畴,磁性物质内部形成许多小区域，其分子间存在的一种特殊的作用力使每一区域内的分子磁场排列整齐，显示磁性，称这些小区域为磁畴。,在没有外磁场作用的普通磁性物质中，各个磁畴排列杂乱无章，磁场互相抵消，整体对外不显磁性。,13,外 磁 场,初始磁化曲线,在外磁场作用下，磁畴方向发生变化，使之与外磁场方向趋于一致，物质整体显示出磁性来，称为磁化

5、。即磁性物质能被磁化。,磁性物质由于磁化所产生的磁化磁场不会随着外磁场的增强而无限的增强。当外磁场增大到一定程度时，磁性物质的全部磁畴的磁场方向都转向与外部磁场方向一致，磁化磁场的磁感应强度将趋向某一定值。,14,B-H 磁化曲线的特征： Oa段：磁感应强度B 与H几乎成正比地增加； ab段：磁感应强度B 的增加缓慢下来； b点以后：磁感应强度B增加很少，达到饱和。,磁化曲线,磁性物质的磁化曲线在磁路计算上极为重要，为非线性曲线，实际中通过实验得出。,15,曲线上的a点、b点分别称为膝点、饱和点,B和与H的关系,有磁性物质存在时，B 与H不成正比，磁性物质的磁导率不是常数，随H而变。,16,工

6、程应用注意事项： 利用铁磁材料设计电感、变压器、电机时注意磁饱和性，通常要求铁磁性物质工作在a点以下，保证留有充分的裕量，如果工作时进入磁饱和区，设备发热加剧，影响设备正常运行，甚至烧毁。,3）磁滞性,磁滞回线,磁性材料中磁感应强度B的变化总是滞后于外磁场变化的性质。,磁性材料在交变磁场中反复磁化，其B-H关系曲线是一条回形闭合曲线，称为磁滞回线,18,剩磁感应强度Br (剩磁) ：当线圈中电流减小到零(H=0)时，铁心中的磁感应强度。,矫顽磁力Hc：使 B = 0 所需的 H 值。,剩磁,矫顽 磁力,磁滞回线,19,20,基本磁化曲线,选取不同值的一系列Hm 多次交变磁化，可得到一系列磁滞回

7、线。由这些磁滞回线的正顶点与原点连成的曲线称为基本磁化曲线或标准磁化曲线。,按磁性物质的磁性能，磁性材料分为三种类型： (1)软磁材料 具有较小的矫顽磁力，磁滞回线较窄。一般用来制造电机、电器及变压器等的铁心。常用的有铸铁、硅钢、坡莫合金即铁氧体等。,21,软磁材料的应用甚广，主要用于磁性天线、电感器、变压器、磁头、耳机、继电器、振动子、电视偏转轭、电缆、延迟线、传感器、微波吸收材料、电磁铁、加速器高频加速腔、磁场探头、磁性基片、磁场屏蔽、高频淬火聚能、电磁吸盘、磁敏元件(如磁热材料作开关)等。,(2)永磁材料（硬磁材料） 具有较大的矫顽磁力，磁滞回线较宽。一般用来制造永久磁铁。常用的有碳钢及

8、铁镍铝钴合金等。,23,永磁材料有多种用途。 基于电磁力作用原理的应用主要有：扬声器、话筒、电表、按键、电机、继电器、传感器、开关等。 基于磁电作用原理的应用主要有：磁控管和行波管等微波电子管、显像管、钛泵、微波铁氧体器件、磁阻器件、霍尔器件等。 基于磁力作用原理的应用主要有：磁轴承、选矿机、磁力分离器、磁性吸盘、磁密封、磁黑板、玩具、标牌、密码锁、复印机、控温计等。其他方面的应用还有：磁疗、磁化水、磁麻醉等。,(3)矩磁材料 磁滞回线接近矩形，稳定性良好。在计算机和控制系统中用作记忆元件、开关元件和逻辑元件。常用的有镁锰铁氧体等。,25,旋磁材料 具有独特的微波磁性，如导磁率的张量特性、法拉

9、第旋转、共振吸收、场移、相移、双折射和自旋波等效应。据此设计的器件主要用作微波能量的传输和转换，常用的有隔离器、环行器、滤波器（固定式或电调式）、衰减器、相移器、调制器、开关、限幅器及延迟线等，还有尚在发展中的磁表面波和静磁波器件（见微波铁氧体器件）。常用的材料已形成系列，有Ni系、Mg系、Li系、YlG系和BiCaV系等铁氧体材料；并可按器件的需要制成单晶、多晶、非晶或薄膜等不同的结构和形态。,补充：,压磁材料 这类材料的特点是在外加磁场作用下会发生机械形变，故又称磁致伸缩材料，它的功能是作磁声或磁力能量的转换。常用于超声波发生器的振动头、通信机的机械滤波器和电脉冲信号延迟线等，与微波技术结

10、合则可制作微声（或旋声）器件。由于合金材料的机械强度高，抗振而不炸裂，故振动头多用Ni系和NiCo系合金；在小信号下使用则多用Ni系和NiCo系铁氧体。非晶态合金中新出现的有较强压磁性的品种，适宜于制作延迟线。压磁材料的生产和应用远不及前面四种材料。,补充：,在电机、变压器及各种铁磁元件中常用磁性材料做成一定形状的铁心。铁心的磁导率比周围空气或其它物质的磁导率高的多，磁通的绝大部分经过铁心形成闭合通路，磁通的闭合路径称为磁路。,三、磁路欧姆定律,直流电机的磁路,交流接触器的磁路,28,式中： 是磁场强度矢量沿任意闭合路径 (常取磁通作为闭合回线)的线积分；,I 是穿过闭合回线所围面积的电流的代

11、数和。,补充：安培环路定律（全电流定律）,29,Ampere circuital theorem,任意选定一个闭合回线的围绕方向，凡是电流方向与闭合回线围绕方向之间符合右螺旋定则的电流作为正、反之为负。,安培环路定律电流正负的规定：,安培环路定律将电流与磁场强度联系起来。,在均匀磁场中 Hl = IN,30,线圈匝数与电流的乘积NI ，称为磁通势（F）： F = NI 磁通由磁通势产生，磁通势的单位是安培。,课外例: 环形线圈如图，其中媒质是均匀的， 试计算 线 圈内部各点的磁场强度。,解: 取磁通作为闭合回线，以 其 方向作为回线的围绕方向，则有：,31,式中：N 线圈匝数； lx=2x是半

12、径为x的圆周长； Hx 半径x处的磁场强度； NI 为线圈匝数与电流的乘积。,故得：,32,例：环形线圈如图，其中媒质是均匀的，磁导率为，试计算线圈内部各点的磁感应强度。,解：半径为x处各点的磁场强度为,故相应点磁感应强度为,由上例可见,磁场内某点的磁场强度 H 只与电流大小、线圈匝数、以及该点的几何位置有关，与磁场媒质的磁性() 无关；而磁感应强度 B 与磁场媒质的磁性有关。,33,34,铁心中：,气隙中：,根据全电流定律：,= (RmcRm0) = Rm 其中Rm = RmcRm0,Rmc、Rm0、Rm 铁心、空气隙、磁路的磁阻。,35,右边 = I = N I 或 I = F （磁通势）

13、,磁路欧姆定律:,Rm = F,或,左边 = Hc lcH0 l0 =Rm ,36,37,磁路中的气隙的影响 因为 c 0 ，所以 Rm0 Rmc,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 。,磁路与电路的比较,38,磁路分析的特点,(1)在处理电路时不涉及电场问题，在处理磁路时离不开磁场的概念；,(2)在处理电路时一般可以不考虑漏电流，在处理磁路时一般都要考虑漏磁通；,(3)磁路欧姆定律和电路欧姆定律只是在形式上相似。由于 不是常数，其随励磁电流而变，磁路欧姆定律不能直接用来计算，只能用于定性分析；,(4)在电路中，当 E=0时，I=0；但在磁路

14、中，由于有剩磁，当 F=0 时， 不为零；,39,基本步骤（自学）: （由磁通 求磁通势F=NI ）,(1) 求各段磁感应强度 Bi 各段磁路截面积不同，通过同一磁通 ，故有：,(2) 求各段磁场强度 Hi 根据各段磁路材料的磁化曲线 Bi=f ( Hi) ,求B1， B2 ，相对应的 H1， H2 ，。,(3) 计算各段磁路的磁压降 （Hi li ）,(4) 根据下式求出磁通势（ NI ）,40,课外例:一个具有闭合的均匀的铁心线圈，其匝数为300，铁心中的磁感应强度为 0.9T，磁路的平均长度为45cm，试求： (1)铁心材料为铸铁时线圈中的电流; (2)铁心材料为硅钢片时线圈中的电流。,

15、解：,（1）查铸铁材料的磁化曲线， 当 B=0.9 T 时，,(2)查硅钢片材料的磁化曲线， 当 B=0.9 T 时，,磁场强度 H=9000 A/m，则,磁场强度 H=260 A/m，则,结论：如果要得到相等的磁感应强度，采用磁导率高的铁心材料，可以降低线圈电流，减少用铜量。,41,如线圈中通有同样大小的电流0.39A，则铁心中的磁场强度是相等的，都是260 A/m。,查磁化曲线可得，,在上例(1)，(2)两种情况下，如线圈中通有同样大小的电流0.39A，要得到相同的磁通 ，铸铁材料铁心的截面积和硅钢片材料铁心的截面积，哪一个比较小？,【分析】,B硅钢是B铸铁的17倍。因 =BS，如要得到相

16、同的磁通 ，则铸铁铁心的截面积必须是硅钢片铁心的截面积的17倍。,B铸铁 = 0.05T、 B硅钢 =0.9T,结论：如果线圈中通有同样大小的励磁电流，要得到相等的磁通，采用磁导率高的铁心材料，可使铁心的用铁量大为降低。,42,查铸钢的磁化曲线， B=0.9 T 时，磁场强度 H1=500 A/m,课外例: 有一环形铁心线圈，其内径为10cm，外径为15cm，铁心材料为铸钢。磁路中含有一空气隙，其长度等于0.2cm。 设线圈中通有 1A 的电流，如要得到 0.9T 的磁感应强度，试求线圈匝数。,解:,空气隙的磁场强度,铸钢铁心的磁场强度，,铁心的平均长度,磁路的平均总长度为,43,对各段有,总

17、磁通势为,线圈匝数为,磁路中含有空气隙时，由于其磁阻 较大，磁通势几乎都降在空气隙上面。,结论：当磁路中含有空气隙时，由于其磁阻较大，要得到相等的磁感应强度，必须增大励磁电流（设线圈匝数一定）。,44,45,5.2 铁心线圈电路,电磁铁:电磁铁是线圈通电后对铁磁物质产生吸 力，引起铁磁物质机械运动，把电能转换为机械 能的一种电磁元件。,图：电磁铁的结构,电磁铁的种类：直流电磁铁、交流电磁铁。 如果按照用途来划分电磁铁，主要可分成以下五种： （1）牵引电磁铁主要用来牵引机械装置、开启或 关闭各种阀门，以执行自动控制任务。 （2）起重电磁铁用作起重装置来吊运钢锭、钢材 、铁砂等铁磁性材料。 （3）

18、制动电磁铁主要用于对电动机进行制动以达 到准确停车的目的。 （4）自动电器的电磁系统如电磁继电器和接触器 的电磁系统、自动开关的电磁脱扣器及操作电磁铁等。 （5）其他用途的电磁铁如磨床的电磁吸盘以及电 磁振动器等。,46,一、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 2,1）直流铁心线圈电路,47,直流电磁铁一般使用24V直流电压，因此需要专用直流电源。其优点是不会因铁芯卡住而烧坏(其圆筒形外壳上没有散热筋)，体积小，工作可靠，允许切换频率为120次min，换向冲击小，使用寿命较长。但启动力比交流电磁铁小。,2）电磁吸力 衔铁吸合后磁阻,I

19、不变, 电磁吸力 ,48,直流电磁铁工作原理图,49,直流电磁铁的应用,一方面是它作为独立电磁元件广泛应用于各种自动装置和系统中，多是用它“牵引”其它机构完成预定的动作。 另一方面它也是许多电磁元件的主要组成部分。用电磁铁作为主要组成部分的电磁元件有各种电磁继电器、接触器、电磁阀和电磁离合器等,51,二、交流电磁铁,1)交流铁心线圈电路,u i Ni e,磁导率不是常数， 与i不是线性关系。,经过空气或其它非导磁媒质闭合的磁通,则X =L,= 2 f L,铁心线圈的漏磁电抗,设 = m sin t 则 e =N m cos t = N m sin(t90o),52,即Em = N m = 2N

20、 f m,实际铁心线圈电路,线圈内电阻,漏磁感抗,等效电路,当不考虑铁芯中的功率损耗时：,53,即,54,由于电阻 R 和感抗X（或漏磁通）较小，其电压降也较小，与主磁电动势 E 相比可忽略，故有：,当外施电压及其频率不变时，且线圈匝数N一定时，则主磁通的最大值几乎是不变的（恒磁通原理）,思考：线圈的电抗与对应磁路的磁阻有什么关系,电感与线圈匝数的平方成正比，与磁场介质的 磁导成正比。,交流线圈的电抗 电抗 X 随着频率 f 、匝数 N 、磁阻 的变化而变化。 随着铁心磁路饱和的增加，铁心磁导率减小，相应的电抗也要减小。,磁链与磁通的一般关系_张永照,磁链的探讨_刘美希,2）功率损耗,交流铁心

21、线圈的功率损耗主要有铜损和铁损两种。,铜损（Pcu）,在交流铁心线圈中, 线圈电阻R上的功率损耗称铜损，用Pcu 表示。,Pcu = RI2,铁损（PFe）,处于交变磁通下的铁心内的功率损耗称铁损，用PFe 表示。,铁损由磁滞和涡流产生。,56,（1）磁滞损耗（Ph）,单位体积内的磁滞损耗正比与磁滞回线的面积和磁场交变的频率 f。,磁滞损耗转化为热能，引起铁心发热。,减少磁滞损耗的措施： 选用磁滞回线狭小的磁性材料制作铁心。,57,(2)涡流损耗（Pe）,涡流：交变磁通在铁心内产生感应电动势和电流，称为涡流。涡流在垂直于磁通的平面内环流。,涡流损耗转化为热能，引起铁心发热。,减少涡流损耗措施：

22、,提高铁心的电阻率。铁心用彼此绝缘的钢片叠成，把涡流限制在较小的截面内。,58,59,即有功功率损耗: P = PCuPFe,铜耗,铁损耗,= RI2 +( PhPe ),磁滞损耗 :磁性材料被交 变磁化时消耗的能量,涡流在铁芯内所产生的功率损耗,因此大容量的变压器需要采取各种相应的冷却措施。,例1: 有一交流铁心线圈，电源电压 U= 220 V电路中电流 I=4 A，功率表读数P=100W，频率f=50Hz，漏磁通和线圈电阻上的电压降可忽略不计，试求:(1)铁心线圈的功率因数；（2）铁心线圈的等效电阻和感抗。,解:,(1),(2) 铁心线圈的等效阻抗模为,等效电阻为,等效感抗为,60,课外例

23、1: 要绕制一个铁心线圈，已知电源电压 U= 220 V，频率 f=50Hz ，今量得铁心截面为30.2 cm2,铁心由硅钢片叠成，设叠片间隙系数为0.91 (一般取0.90.93)。（1）如取 Bm=1.2T，问线圈匝数应为多少? (2)如磁路平均长度为 60cm,问励磁电流应多大?,铁心的有效面积为,(1)线圈匝数为,(2)查磁化曲线图，B=1.2T时,=700 ，则,解:,61,62,(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。,3）电

24、磁吸力 （自学）,m 不变,磁通势 励磁电流 ,平均吸力,63,课外例2 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,64,6.3 变压器的分类与结构,电力变压器发明于19世纪末，1884年9月16日匈牙利岗茨（Ganz）工厂制成了第一台变压

25、器。在那个年代，输电距离仅达1.16km3.22km。,华生电器制造厂创办于1916年4月。主要生产电风扇、电流表、电气开关等电工产品，变压器产量不大。1917年该厂自行设计制造出中国第一台变压器。1936年生产出一台当时容量最大的2000kVA变压器，安装在西安电厂。,新中国建立后变压器单台容量和电压等级增长情况,续上表,68,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：,输电网络 220kV及以上,69,70,风机出口的变压器一般归属于风电机组，需要将电能汇集后送给升压站，也称为集电变压器。,升压站中的升压变压器，其功能是将风电场的电能送给电力系统，因此也被称为主变

26、压器,为满足风电场和升压站自身用电需求，还设置有场用变压器或所用变压器,高压输电？,在能量传输过程中，当输送功率P =UI cos 及负载功率因数cos 一定时：,电能损耗小,节省金属材料（经济）,U I,P = I Rl,I S,71,按用途分：有升压和降压变压器； 按相数分：有单相和三相变压器； 按绕组材料分：有铜绕组和铝绕组变压器； 按绕组型式分：有双绕组、三绕组和自耦变压器； 按调压方式分：有无载调压和有载调压变压器； 按绕组绝缘和冷却方式分：有油浸式、干式（环氧树脂浇注绝缘）和充气式（SF6气体）变压器; 按容量系列分：有R8系列和R10系列等。,04:32:07,72,一、电力变压

27、器的常用类型,连接发电机与电网的升压变压器,三相干式变压器,接触调压器,电源变压器,环形变压器,控制变压器,电力变压器的型号,76,干式变压器,油浸式变压器,一、电力变压器的基本结构,1. 铁心 用硅钢片叠成。,铁芯是变压器中主要的磁路部分。通常由含硅量较高，厚度分别为0.35 mm0.3mm0.27 mm，由表面涂有绝缘漆的热轧或冷轧硅钢片叠装而成。 铁芯分为铁芯柱和横片两部分，铁芯柱套有绕组；横片是闭合磁路之用。,78,2. 绕组（线圈） 高压绕组和低压绕组同心地套在铁心上。,绕组是变压器的电路部分，它是用双丝包绝缘扁线或漆包圆线绕成,79,心式变压器,壳式变压器,80,油位计,气体继电器

28、,低压侧套管,压力释放阀,温度计（油）,温度计（绕组）,风扇,高压侧套管,套管CT,放油阀门,吸湿器,3. 其它 油箱、油、储油柜、绝缘套管、保护设备等。,利用电磁感应现象实现一个电压等级的交流电能到另一个电压等级交流电能的变换。 变压器的铁芯用于提供磁路，绕组构成电路。,04:32:08,变压器的工作原理,81,6.4 变压器的工作原理,82,原线圈 接交流电,在铁芯中产生变化的磁通量,在铁芯中产生变化的磁通量,副线圈 有交流电,原线圈产生感应电动势,副线圈产生感应电动势,84,变压器的电路,变压器的磁路,变压器等值电路,一、 空载运行情况,电磁关系,一次侧接交流电源，二次侧开路。,空载时，

29、铁心中主磁通是由一次绕组磁通势产生的。,85,设主磁通,则,变压器等值电路, U1 ,I1,I2, U20 ,E1,E2,变比、电压变换作用,忽略原方绕组电阻和漏电抗有,变压器等值电路, U1 ,I1,I2, U20 ,E1,E2,变压器的变比,结论：改变匝数比，就能改变输出电压。,规定 U1 = U1N 时，U20 = U2N 。 如铭牌上标注： 10 / 0.4 kV（降压变） 10.5 / 242 kV（升压变）, 一般 U2N 比满载时的电压高 5% 10% 。,88,变压器一次侧接受电能，相当于用电设备，若直接与发电机相联，则其额定电压等于发电机的额定电压；若与电力线路相联，则其额定

30、电压等于所接线路的额定电压； 变压器二次侧的额定电压定义为空载时的电压。变压器的二次侧向负荷供电，则相当于电源： a 考虑变压器带额定负荷时其内部的电压降落约为5和线路首端的+5的电压偏移：此时二次侧的电压应比线路的额定电压高10； b 若变压器阻抗较小（ ）则内部电压降落也较小，变压器二次侧直接带负荷，此时其二次侧的额定电压仅比线路的额定电压高5。,04:32:08,变压器额定电压的确定,04:32:08,我国交流电力网和电气设备的额定电压（线电压，单位kV）,二、 带负载运行情况,一次侧接交流电源，二次侧接负载。,有载时，铁心中主磁通是由一次、二次绕组磁通势共同产生的合成磁通。,91,一）

31、电磁关系,i2,92,93,二）电压平衡方程,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。,+,-,94,2）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。,95,Z1和Z2很小，有,3）电压变换,可见，铁心中主磁通的最大值m在变压器空载和有载时近似保持不变。,Z1很小，空载和有载情况下,由上式，若U1、 f 不变，则 m 基本不变，近于常数。,96,或：,磁势平衡式：,空载磁势,有载磁势,空载：,有载：,97,98,或,结论：一次、二次侧电流与匝数成反比。,互感器是一次回路与二次回路的联络元件。 用以向测量仪表、继电器的电流线圈和电压

32、线圈供电，正确反映电气设备的正常运行和故障情况。 是一种特殊变压器，由铁芯、原绕组和副绕组构成。主要为测量和保护服务。,负 荷,W,V,A,电 源,TV,TA,应用举例：互感器,将一次回路的高电压和大电流变为二次回路标准的低电压（100V或100/3V或100/ V）和小电流（5A或1A）。,互感器的作用是：,使测量仪表、继电器等二次设备与主电路隔离，且互感器二次测均接地，保证了设备和人身的安全； 使测量仪表、继电器等标准化，有利于大批量生产； 所有二次设备可用低电压、小电流的控制电缆连接，为实现集中管理、远方控制和测量提供了方便。 使测量仪表、继电器等二次设备的使用范围扩大。,例如一只5A的

33、电流表通过TA就可以测量任意大的电流,04:32:08,100,101,四）阻抗变换,忽略 Z1、Z2 、I0 ，则,例: 如图，交流信号源的电动势 E= 120V，内阻 R 0=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？,102,(1) 变压器的匝数比应为：,解:,信号源的输出功率：,电子线路中，常利用阻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。,（2）将负载直接接到信号源上时，输出功率为：,104,105,cos2 =1,cos2

34、= 0.8 (感性),cos2 = 0.8 (容性),6.5 变压器的外特性及技术参数,I2N,一、变压器的外特性和电压调整率,变压器在负载运行中，随着负载的增加，负载电流随之增加，一、二次绕组上的电阻压降之增加，二次绕组的端电压U2将会发生变化。,106,当 U1 = U1N，cos2 不变时： U2 = f ( I2),cos2 =1,cos2 = 0.8 (感性),cos2 = 0.8 (容性),常见的电力变压器，在cos2 = 0.8 （感性）时： UR 5%,电压调整率：U2 随I2变化的程度,I2N,二、变压器的效率,1) 一次绕组的视在功率 S1 = U1I1 2) 二次绕组的视

35、在功率 S2 = U2I2 3) 输入功率 P1 = U1I1cos1 4) 输出功率 P2 = U2I2cos2,铁损耗包括基本铁损耗和附加铁损耗。基本铁损耗为磁滞损耗和涡流损耗。附加损耗包括由铁心叠片间绝缘损伤引起的局部涡流损耗、主磁通在结构部件中引起的涡流损耗等。,铁损耗与外加电压大小有关，而与负载大小基本无关，故也称为不变损耗。,铜损耗分基本铜损耗和附加铜损耗。基本铜损耗是在电流在一、二次绕组直流电阻上的损耗；附加损耗包括因集肤效应引起的损耗以及漏磁场在结构部件中引起的涡流损耗等。,铜损耗大小与负载电流平方成正比，故也称为可变损耗。,5) 变压器的损耗 P = PFePCu,PCu =

36、 R1I12 + R2I22,109,6） 效率, 小型电力变压器 = 80% 90% 大型电力变压器 = 98% 99%,反映变压器运行的经济性能的好坏，是表征变压器运行性能的重要指标之一。,效率特性： 在功率因数一定时，变压器的效率与负载电流之间的关系=f(I2),称为变压器的效率特性。,特性分析： 1）空载时输出功率为零，所以=0。 2）负载较小时，损耗相对较大，功率较低。,3）负载增加，效率亦随之增加。超过某一负载时，因铜耗与负载电流的平方成正比增大，效率反而降低，最大效率不一定出现在额定负载处，最高效率max出现在变压器的不变损耗等于可变损耗。,为了提高变压器的运行效益，设计时应使变

37、压器的铁损耗小些。,112,例 某变压器的额定电压为 10 000/400 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 = 400 V 满载时的二次电压为 U2 = U2N (1 UR ) = 400(1 0.03) V = 388 V,113,例 在上例中，ZL = 0.966 时正好满载， 求该变压器一次侧的电流。,解 变压器的二次侧电流为,114,解 忽略电压调整率，则 P2 = SNcos2 = 101030.8 W = 8 kW P =

38、PFePCu = (300400) W = 700 W P1 = P2P = (8 000700) W = 8.7 kW,例 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。,电力变压器 产品型号 SL7315/10 产品编号 额定容量 315kVA 使用条件 户外式 额定电压 10000/400V 冷却条件 ONAN 额定电流 18.2/454.7A 短路电压 4% 额定频率 50 Hz 器身吊重 765kg 相 数 三相 油 重 380kg 联接组别 Y yno 总 重

39、1525kg 制 造 厂 生产日期 图14电力变压器铭牌示意图,三、变压器的技术数据,每台变压器都有一铭牌，上面标注着型号、额定值及其它数据，便于用户了解变压器的运行性能。,额定容量 额定容量是表观容量的惯用值，表征传输电能的大小。我国现在变压器的额定容量等级是R10系列；1967年以前变压器的额定容量等级是按R8系列。,R8容量系列指容量等级是按R81.33倍数递增的，我国老的变压器容量等级采用此系列，如：100kvA、135kvA、180kvA、240kvA、320kvA、420kvA、560kvA、750kvA、1000kvA等。 R10容量系列 指容量等级是按R10 1.26倍数递增的

40、。R10系列的容量等级较密，便于合理选用，是IEC（国际电工委员会）推荐采用的。我国新的变压器容量等级采用此系列，如：100KVA、125kvA、160kvA、200kvA、250kvA、315kvA、400kvA、500kvA、630kvA、800kvA、1000kvA。,额定频率 变压器额定频率是所设计的运行频率，我国为50Hz，美国等国家采用60Hz。 额定电流 变压器在正常运行时允许通过的最大电流。三相变压器中额定电流为线电流。,118,例：某变压器的型号为SFPZ5-120000/220，简述该变压器的基本型式和参数。 解析：对照上表可知，该变压器是“三相”变压器（S），绕组外绝缘介

41、质是“油”（缺省），冷却方式是“风冷”（F），油循环方式是“强迫油循环”（P），绕组数为“双绕组”（缺省），调压方式为“有载调压”（Z）。 设计序号为5，表示该产品在同类产品系列中的设计序号。 “120000”表示该变压器的额定容量为120000kVA，“220”表示该变压器的高压绕组电压等级为220kV。,119,6.6 三相变压器与自耦变压器,一、三相变压器的种类 1. 三单相变压器组,特点：三相之间只有电的联系，没有磁的联系。,120,2. 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。,121,连接方式 高压绕组 低压绕组 星形中性点接地 YN yn 星形中性点不接地 Y

42、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,星（Y）形连接和三角（D）形连接,高压侧： 首端用A、B、C， 末端X、Y、Z；,三相变压器绕组的标记,低压侧： 首端用a、b、c， 末端用x、y、z。,例 某三相变压器，SN = 50kVA，U1N / U2N = 10/0.4 kV， Y,d 联结，向2 = 0.9的感性负载供电。二次侧负载电流等于额定电流时二次绕组的线电压为380 V。求：(1) 一次、二次绕组的额定线电流和额定相电流；(2) 输出的有功功率。,解 (1) 一次、二次绕组的额定线电流,124,相电流为,(2) 输出的有功

43、功率,125,单相变压器原副绕组是被同一主磁通交链。故当主磁通交变时，在原、副绕组感应出的电动势有一定的极性关系。即任一瞬间，一个绕组的某一端点的电位为正时，另一绕组必有一个端点的电位为正。这两个同极性端又名同名端。用 表示。,自学：三相变压器绕组的极性,根据变压器原、副方对应的线电压之间的相位关系，把变压器绕组的连接分成不同的组合称为绕组的联结组。实践与理论证明，变压器高、低压方相对应的线电压的相位差总是30度的倍数。因此采用“时钟表示法”来表示这种相位差是很简明的。 “时钟表示法”：把高压边线电压作为长针始终指向“12”。而低压边相对应的线电压作为短时，短针指向的数字称为三相变压器连接组的

44、组号。 国家标准联结组:Y/Yn-12、Y/D-11、 Yn/D-11、Yn/Y-12、Y/Y-12,自学：联结组,04:32:08,双绕组电力变压器常采用以下三种联结组别：,YN,d11接线：用于高压侧为110kV及以上的大电流接地系统中的变压器。 Y,d11接线：用于高压侧为3560kV，低压侧为610kV的输配电系统。其低压侧采用三角形接法可以改善电网的电压波形，从而使三次谐波电流只能在三角形绕组内形成环流，不致于传输到用户和供电线路中去。 Y,yn0接线：用于高压侧为610kV，低压侧为380/220V的配电变压器，其低压侧引出中性线，构成三相四线制供电。,128,近年来，D,yn11

45、接线的配电变压器已在被逐步推广和应用，它有以下优点：,规程规定：Y,yn0接线的变压器中性线电流不得超过二次绕组额定电流的25%，而D,yn11接线变压器中性线电流不得超过二次绕组额定电流的75%。,D,yn11接线变压器能有效地抑制3的整数倍高次谐波电流的影响。 D,yn11接线变压器较Y,yn0接线变压器更有利于低压侧单相接地短路故障的切除。 Dyn11接线变压器承受单相不平衡负荷的能力远比Y,yn0接线的变压器大。,变压器可以实现对变比的调整，也即对电压的调整。 无载调压变压器：需要在变压器停电后，通过螺栓来实现绕组链接位置的变换。其电压变化范围一般是5%。 有载调压变压器：可以在变压器

46、带电运行时通过有载分接开关实现对电压的调整。其电压变化范围可达30%。 大部分的变压器都是全容量分接，即在各个分接位置的运行容量都等于变压器的额定容量。 大部分电力变压器将分接线段设置在高压绕组上。,04:32:08,130,变压器的调压方式,大部分电力变压器将分接线段设置在高压绕组上，因为 (1)设置分接线段的目的是为了补偿外施电压的变化，对于除发电机变压器以外的大多数电力变压器而言，其外施电压都是加在高压绕组上的。 (2)由于高压绕组内流过的电流 较小，因而需要的分接线尺寸 也较小，相应分接开关本身通 过的电流也小。 调压的实现，依赖于绕组匝数 的变化，也就是利用分接绕组 来调整原边和副变的匝数比。,二、自耦变压器,把普通双绕组变压器的高压绕组和低压绕组串联连接，便构成一台自耦变压器，如图所示。正方向规定与双绕组变压器相同。,铁心线圈电路,由于实际铁心内有能量的损耗（铁耗），因此可用具有电阻R0和感抗X0串联的电路等效。其中：电阻R0是和铁心能量损耗(铁损)相应的等效电阻，感抗X0是和铁心能量储放相应的等效感抗。,可合并为一个电阻,134,