电工技术41(变压器)

下一页,总目录,章目录,返回,上一页,第4章 变压器与电动机,4.2 变压器,4.1 磁路分析基础,4.3 三相异步电动机,2. 了解变压器的基本结构、工作原理、运行特性和绕组的同极性端，理解变压器额定值的意义。,3. 掌握变压器电压、电流和阻抗变换作用。,本章要求：,1. 理解磁场的基本物理量的意义，了解磁性材料的基本知识及磁路的基本定律。,4. 了解三相交流异步电动机的基本构造和转动原理。,5. 理解三相交流异步电动机的机械特性，掌握起动和反转的 基本方法, 了解调速和制动的方法。,6. 理解三相交流异步电动机铭牌数据的意义。,磁路及磁场的基本物理量:,1.,磁感应强度,磁感应强度,B,:,表示磁场内某点磁场强弱和方向的物理量。,磁感应强度,B,的大小:,磁感应强度,B,的方向:,与电流的方向之间符合右手螺旋定则。,磁感应强度,B,的单位:,特斯拉(,T,)，1,T = 1Wb/m,2,均匀磁场:,各点磁感应强度大小相等，方向相同的 磁场，也称,匀强磁场,。,4.1 磁路分析基础,2.,磁通,磁通,：,穿过垂直于,B,方向的面积,S,中的磁力线总数。,说明:,如果不是均匀,磁场，则取,B,的平均值。,在,均匀磁场中, = B S,或,B= ,/,S,磁感应强度,B,在数值上可以看成为与磁场方向垂直的单位面积所通过的磁通,故又称,磁通密度,。,磁通,的单位:,韦伯(,Wb,),1Wb =1V,s,3.,磁场强度,磁场强度,H,：,介质中某点的磁感应强度,B,与介质,磁导率,之比。,磁场强度,H,的单位 ：,安培,/,米（,A/m,),真空的磁导率为常数，用,0,表示，有：,4.,磁导率,磁导率,：,表示磁场媒质磁性的物理量，衡量物质,的导磁能力,。,相对磁导率,r,：,任一种物质的磁导率,和真空的磁导率,0,的比值,。,磁导率,的单位：,亨/米（H/m）,4.1 磁路分析基础,4.1.1,铁磁材料特点,在电机、变压器等电气设备中，为了用较小的电流产生较大的磁场，通常把线圈绕在用铁磁材料做成一定形状的铁心上。常用的磁性材料（铁、镍、钴及其合金）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。,+,N,I,f,N,S,S,直流电机的磁路,交流接触器的磁路,物质的磁性:,(1),非磁性物质,非磁性物质分子电流的磁场方向杂乱无章，几乎不受外磁场的影响而互相抵消，不具有磁化特性。,非磁性材料的磁导率都是常数，有：,当磁场媒质是非磁性材料时，有,：,即,B,与,H,成正比，呈线性关系。,O,H,B,0,r,1,B,=,0,H,(2),磁性物质：,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。即,磁性物质能被磁化。,磁,畴,外,磁,场,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。,磁,畴,1.,高导磁性,磁性材料的磁导率通常都很高，即 相对导磁率,r,1 。,如坡莫合金，其,r,可达2,10,5,，具有很高的导磁性能。,磁性物质的高导磁性被广泛地应用于电工设备中，如电机、变压器及各种铁磁元件的线圈中都放有铁心。在这种,具有铁心的线圈中通入不太大的励磁电流，便可以产生较大的磁通和磁感应强度。,磁性材料的特点：,2.,磁饱和性,B,J,磁场内磁性物质的磁化磁场,的磁感应强度,B,-,H,曲线；,B,0,非磁性材料时（,0,为常数,）,的,B,-,H,关系曲线。,B,B,J,曲线和,B,0,直线的纵坐标相,加即磁场的,B,-,H,磁化曲线。,O,H,B,B,0,B,J,B,a,b,磁化曲线,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。,磁性材料放入磁场强度为,H,磁场中 , 磁性材料会受到磁化。（如图）,B,-,H,磁化曲线的特征：,Oa,段：,B,与,H,几乎成正比地增加；,ab,段：,B,的增加缓慢下来；,b,点以后：,B,增加很少，达到饱和。,O,H,B,B,0,B,J,B,a,b,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。,所以，磁性物质的磁化曲线为非线性曲线，实际中需要通过实验得出,。,O,H,B,B,磁化曲线,B,和,与,H,的关系,B,=, H,3.,磁滞性,当铁心线圈通交流时，铁心的磁化过程。（如图）,其,B,-,H,关系曲线是一条回形闭合曲线，称为,磁滞回线,。,磁滞性：,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。,磁滞回线,O,H,B,B,r,H,c,剩磁感应强度,B,r,(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,H,c,：,使,B,= 0 所需的,H,值。,磁性物质不同，其磁滞回线和磁化曲线也不同。,几种常见磁性物质的磁化曲线,a,铸铁,b,铸钢 c,硅钢,片,O,0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0,10,3,H,/(A/m),H,/(A/m),1 2 3 4 5 6 7 8 9 10,10,3,B,/T,1.8,1.6,1.4,1.2,1.0,0.8,0.6,0.4,0.2,a,b,a,b,c,c,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。,(2),永磁材料,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。常用的有碳钢及铁镍铝钴合金等。,(3),矩磁材料,具有较小的矫顽磁力和较大的剩磁，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。,4.1.2 磁路欧姆定律,磁路的欧姆定律是分析磁路的基本定律.,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 的磁通,。,解：,根据安培环路定律，有,设磁路的平均长度为,l,，则有,S,x,H,x,I,N,匝,即有：,NI=F:,称为磁通势。,HL,：,称为磁压降。,式中：,F=NI,为磁通势，由其产生磁通；,R,m,称为磁阻，表示磁路对磁通的阻碍作用；,l,为磁路的平均长度；,S,为磁路的截面积。,若某磁路的磁通为,，,磁通势为,F,，磁阻为,R,m,，则,此即,磁路的欧姆定律。,由于,不是常数，,R,m,也不是常数，一般不能用于磁路计算。只用于定性分析。,总磁动势,在非均匀磁路,（磁路的材料或截面积不同，或磁场强度不等）中，,总磁动势等于各段磁压降之和。,例：,I,N,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。,4.1.3,简单磁路分析,将线圈绕在铁心上构成了铁心线圈。,+,u,N,I,主磁通,：,通过铁心闭合的磁通。,漏磁通,：,经过空气或其它非导磁媒质闭合的磁通。,线圈,铁心,I-,励磁电流为直流恒定电流，故线圈中不产生感应电动势。,1.直流磁路,给线圈通入电源的不同，形成直流铁心线圈和交流铁心线圈。,2.,交流磁路,+,e,+,e,+,u,N,i,（,磁通势,）,主磁通,：,通过铁心闭合的磁通。,漏磁通,：,经过空气或其它非导磁媒质闭合的磁通。,线圈,铁心,i,，,铁心线圈的漏磁电感,与,i,不是线性关系。,(1),电磁关系,(2),电压电流关系,根据KVL:,+,+,+,e,e,u,N,i,式中：,R,是线圈导线的电阻,L,是漏磁电感,当,u,是正弦电压时,，其它各电压、电流、电动势可视作正弦量，则电压、电流关系的相量式为：,设主磁通,则,有效值,由于线圈电阻,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,(3),功率损耗,交流铁心线圈的功率损耗主要有铜损和铁损两种。,a) 铜损（,P,cu,）,在交流铁心线圈中, 线圈电阻,R,上的功率损耗称铜损，用,P,cu,表示。,P,cu,=,RI,2,式中：,R,是线圈的电阻；,I,是线圈中电流的有效值。,b) 铁损（,P,Fe,）,在交流铁心线圈中，处于交变磁通下的铁心内的功率损耗称铁损，用,P,Fe,表示。,铁损由磁滞和涡流产生。,+,u,i,磁滞损耗（,P,h,）,由磁滞所产生的能量损耗称为,磁滞损耗（,P,h,）。,磁滞损耗的大小：,单位体积内的磁滞损耗正比于磁滞回线的面积和磁场交变的频率,f,。,O,H,B,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。变压器和电机中使用的硅钢等材料的磁滞损耗较低。,设计时应适当选择，以减小铁心饱和程度。,涡流损耗（,P,e,）：,涡流损耗:,由涡流所产生的功率损耗。,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：,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。,铁心线圈的功率损耗为：,变压器是一种常见的电气设备，在电力系统和电子线路中应用广泛。,变电压：,电力系统,变阻抗：,电子线路中的阻抗匹配,变电流：,电流互感器,变压器的主要功能有,：,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）,4.2,变压器,U,I,P,=,I,R,l,I,S,4.2.1变压器分类,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：,发电厂,10.5kV,输电线,220kV,升压,仪器,36V,降压,实验室,380 / 220V,降压,变电站,10kV,降压,降压,变压器的分类：,电压互感器,电流互感器,按用途分,电力变压器 (输配电用),仪用变压器,整流变压器,按相数分,三相变压器,单相变压器,按制造方式,壳式,心式,变压器符号,变压器的结构：,变压器的磁路,绕组：,一次绕组,二次绕组,单相变压器,+,+,由高导磁硅钢片叠成,厚0.35mm 或 0.5mm,铁心,变压器的电路,一次,绕组,N,1,二次,绕组,N,2,铁心,变压器的结构,4.2.2,变压器的工作原理,单相变压器,+,+,一次,绕组,N,1,二次,绕组,N,2,铁心,一次、二次绕组互不相连，能量的传递靠磁耦合。,1) 空载运行情况,一次侧接交流电源，二次侧开路。,+,+,+,+,+,1,i,0,(,i,0,N,1,),1,空载时，铁心中主磁通,是,由一次绕组磁通势产生的。,2) 带负载运行情况,一次侧接交流电源，二次侧,接负载,。,+,+,+,1,1,i,1,(,i,1,N,1,),i,1,i,2,(,i,2,N,2,),2,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。,2,i,2,+,e,2,+,e,2,+,u,2,Z,1.,电压变换,（设加正弦交流电压）,有效值:,同 理,：,主磁通按正弦规律变化，设,则,(a) 一次、二次侧主磁通感应电动势,根据KVL：,变压器一次侧等效电路如图,由于电阻,R,1,和感抗,X,1,(或漏磁通)较小,其两端的电压也较小,与主磁电动势,E,1,比较可忽略不计，则,+,+,+,(b) 一次、二次侧电压,式中,R,1,为,一次侧,绕组的电阻;,X,1,=,L,1,为,一次侧,绕组的感抗(漏磁感抗，由漏磁产生)。,（,匝比,）,K,为变比,对二次侧，,根据KVL：,结论：改变匝数比，就能改变输出电压,。,式中,R,2,为,二次,绕组的电阻;,X,2,=,L,2,为,二次,绕组的感抗；,为,二次,绕组的端电压。,变压器空载时,:,+,u,2,+,+,+,i,1,i,2,+,e,2,+,e,2,式中,U,20,为变压器空载电压。,故有,2. 电流变换,(一次、二次侧电流关系),有载运行:,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。即有,不论变压器空载还是有载，一次绕组上的阻抗压降均可忽略，故有,由上式，若,U,1,、,f,不变，则,m,基本不变，近于常数。,空载,：,有载：,+,|,Z,|,+,+,+,一般情况下：,I,0, (23)%,I,1N,很小可忽略。,或,结论：一次、二次侧电流与匝数成反比。,或：,磁势平衡式：,空载磁势,有载磁势,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。,+,+,+,(1),变压器的匝数比应为,：,R,0,R,L,+,解:,例1:,如图，交流信号源的电动势,E,= 120V，内阻,R,0,=800,，,负载为扬声器，其电阻,R,L,=8,。要求: 1）当,R,L,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？,R,0,+,+,信号源的输出功率,：,所以，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。,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：,A,B,C,X,Y,Z,a,b,c,z,y,x,4. 三相变压器,高压绕组：,A-X B-Y C-Z,X、Y 、Z ：尾端,A、B、C ：首端,低压绕组：,a-x b-y c-z,a、b、c：,首端,x、y、z：,尾端,三相变压器的联结方式,联结方式,：,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,常用接法:,（1）三相变压器Y/Y,0,联结,线电压之比：（,U,1,、,U,2,为一、二次侧线电压）,A,C,B,b,c,a,+,+,+,+,（2）三相变压器Y,0,/,联结,线电压之比：,A,C,B,a,b,c,+,+,+,4.2.3 变压器的运行特性,当一次侧电压,U,1,和二次侧负载功率因数 cos,2,保持不变时，二次侧输出电压,U,2,和输出电流,I,2,的关系，,U,2,=,f,(,I,2,)。,U,20,：一次侧加额定电压、二次侧开路时，二次侧的输出电压。,一般希望要硬特性（随,I,2,的变化，,U,2,变化不大），电压变化率约在5%左右。,电压变化率：,cos,2,=0.8,(感性）,U,2,I,2,U,20,I,2N,cos,2,=1,O,1. 变压器的外特性,1） 变压器的型号,1.,变压器的铭牌数据,S J L 1000/10,变压器额定容量(KVA),铝线圈,冷却方式,J:油浸自冷式,F:风冷式,相数,S:三相,D:单相,高压绕组的额定电压(KV),4.2.4 变压器的使用,2） 额定值,额定电压,U,1N,、,U,2N,变压器二次侧开路（空载）时，一次、二次侧绕组允许的电压值。,单相：,U,1N,，一次侧电压，,U,2N,，二次侧空载时的电压,三相：,U,1N,、,U,2N,，一次、二次侧的,线,电压,额定电流,I,1N,、,I,2N,变压器满载运行时，一次、二次侧绕组允许的电流值。,单相：一次、二次侧绕组允许的电流值,三相：一次、二次侧绕组线电流,额定容量,S,N,传送功率的最大能力。,单相,：,三相：,容量,S,N,输出功率,P,2,一次侧输入功率,P,1,输出功率,P,2,注意：变压器几个功率的关系（单相）,效率,容量：,一次侧输入功率：,输出功率：,变压器运行时的功率取决于负载的性质,2.,变压器的功率与效率(,),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 (,P,Cu,) ：,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,。,磁滞损耗：磁滞现象引起铁心发热，造 成的损耗。,铁损(,P,Fe,),：,变压器的效率为,一般,95,%,负载为额定负载的(50,75)%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：,S,N,=100kVA,U,1N,=6000V,f,=50Hz。,U,2N,=,U,20,=400V , 绕组连接成,。,由试验测得:,P,Fe,=600 W，额定负载时的,P,Cu,=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,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。,A,X,a,x,A,X,a,x,1） 同极性端,( 同名端 ),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。,2.变压器绕组及其极性测定,联接,23,变压器原一次侧有两个额定电压为 110V 的绕组：,2） 线圈的接法,1,3,2,4,1,3,2,4,联接,13， 2 4,当电源电压为220V时：,+,+,电源电压为110V时：,说明：两种接法下 不变， 所以铁芯磁路的设计相同。,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：,1,3,2,4,若两种接法铁心中的磁通相等，则：,+,问题：,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。,两个线圈中的磁通抵消,原因：,电流,很大,烧毁变压器,感应电势,1,3,2,4,+,（1）：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,u,AX,。,测量：,若,说明,A 与 x,或 X 与 a,是,同极性端,.,若,说明,A 与 a,或 X 与 x,为同极性端。,结论：,V,a,A,X,x,V,3） 同极性端的测定方法,+,一般已经制成的变压器等设备，线圈的绕向是看不到的。,（2）：直流法,设S闭合时,增加。,感应电动势的方向，阻止,的增加。,如果当,S 闭合时，电流表正偏，则 A-a 为同极性端;,结论：,X,x,电流表,+,_,A,a,+,S,如果当,S 闭合时，电流表反偏，,则,A-x 为同极性端。,A,X,a,x,+,_,S,+,使用时，改变滑动端的位置，便可得到不同的输出电压。实验室中用的调压器就是根据此原理制作的。,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。,1.自耦变压器,（二次侧绕组同时是一次侧的一部分）,A,B,P,+,+,4.2.5 专用变压器,二次侧不能短路，,以防产生过流。,使用注意事项：,电压表,被测电压=电压表读数,N,1,/,N,2,（1）电压互感器,实现用低量程的电压表测量高电压,V,R,N,1,（匝数多,）,保险丝,N,2,（匝数少,）,u,（被测电压）,2.仪用互感器,电流表,被测电流=电流表读数,N,2,/,N,1,二次侧不能开路，,以防产生高电压。,使用注意事项：,(2)电流互感器,实现用低量程的电流表测量大电流,（被测电流）,N,1,（匝数少,）,N,2,（匝数多,）,A,R,i,1,i,2,