变压器原理与应用

,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,变压器的应用与设计,一教学目标,促成目标：,1,、能正确理解变压器的铭牌数据；,2,、能根据要求列出变压器的主要参数；,3,、能掌握小型电源变压器的铁芯结构、绕组,结构及绝缘材料的使用；,4,5,、能根据要求掌握小型电源变压器的分析计,算方法。,1,1,、根据电路的要求，确定变压器的主要参数并根据参数能正确选用变压器；,2,、设计、制作一个小型电源变压器。,二工作任务,2,模块,1,变压器的应用,一教学目标,终极目标：能够根据要求正确使用变压器。,促成目标：,1,能正确理解变压器的铭牌数据；,2,能根据要求列出变压器的主要参数；,3,能掌握变压器的基本结构；,4.,能掌握变压器的基本工作原理；,5.,能掌握变压器的运行特性。,3,二工作任务,变压器的主要作用是实现电压变换、电流变换和阻抗变换。,1,、电压变换,(,降压变压器,),：如图,3-1,，通过变压器可把网电压变为所需的低电压。,图,3-1,4,2,、电流变换：如图,3-2,，通过电流互感器可把大电流变为小电流，方便测量。,图,3-2,5,3,、阻抗变换：如图,3-3,，通过变压器能实现扬声器阻抗与电源内阻匹配，获得最大功率。,图,3-3,6,其工作任务是：,（,1,）读懂电路中标明的是哪类变压器，在电路中起什么作用？,（,2,）根据电路的要求，确定变压器的主要参数并根据参数能正确选用变压器；,（,3,）理解变压器为什么能实现电压变换、电流变换和阻抗变换，掌握变压器是怎么实现电压变换、电流变换和阻抗变换的。,7,三,.,相关实践知识,:,1,、变压器的认识,变压器是根据电磁感应原理制成的一种静止的电气设备，是将某一种电压、电流、相数的电能转变成另一种电压、电流、相数的电能。它具有电压变换、电流变换、阻抗变换,和电气隔离的功能，在工程的各个领域获得广泛的应用。,1,.,1,变压器的基本结构：由铁芯与绕组两部分构成。（如图,3-4,所示）,8,1,.,2,变压器的用途：,（,1,）,变换交流电压,：,电力系统,传输电能的升压变压器、降压变压器、配电变压器等电力变压器及各类电气设备电源变压器；,（,2,）,变换交流电流,：电流互感器及大电流发生器；,（,3,）,变换阻抗,：电子线路中的输入输出变压器。,（,4,）,电气隔离,：隔离变压器,9,2,、变压器的种类,（,1,）按用途分：电力变压器、电源变压器、整流变压器（整流电路用）、电炉变压器（给电炉供电，二次側电压较低，电能热能）、电焊变压器（给电焊机供电）、矿用变压器（干式防爆）、仪用变压器（用在测量设备中）、船用变压器、电子变压器（用在电子线路中）、电流互感器、电压互感器等；,（,2,）按相数分：单相变压器、三相变压器；,（,3,）按频率分：高频变压器（开关电源）、中频变压器（中频加热、淬火）、工频变压器；,（,4,）按冷却介质分：油浸变压器、干式变压器（空气自冷）、水冷变压器；,（,5,）按铁心形式分：心式变压器、壳式变压器；,（,6,）按绕组数分：双绕组变压器、自耦变压器、三绕组变压器、多绕组变压器。,10,3,、变压器的铭牌数据,变压器的,铭牌,主要标示变压器的额定值，变压器的额定值是制造厂对变压器正常使用所作的规定，变压器在规定的额定值状态下运行，可以保证长期可靠的工作，并且有良好的性能。变压器的铭牌标注的额定值主要包括以下几方面： （,1,）额定容量,：是变压器在额定状态下的输出能力的保证值，单位用伏安,(VA),、千伏安,(kVA),或兆伏安,(MVA),表示，额定容量是视在功率,是指变压器副边额定电压和额定电流的乘积,.,它不是变压器运行时允许输出的最大有功功率,后者和负载的功率因数有关,.,所以输出功率在数值上比额定容量小,.,由于变压器有很高运行效率，通常原、副绕组的额定容量设计值相等。,11,（,2,）额定电压,：是指变压器空载时端电压的保证值，根据变压器的绝缘强度和允许温升而规定的电压值，单位用伏,(V),、千伏,(kV),表示。三相变压器原边和副边的额定电压系指线电压。原边额定电压,U1,是指原边绕组上应加的电源电压,(,或输入电压,),副边额定输出电压,U2,通常是指原边加,U1,时副边绕组的开路电压,.,使用时原边电压不允许超过额定值,(,一般规定电压额定值允许变化,5%).,考虑有载运行时变压器有内阻抗压降,所以副边额定输出电压,U2,应较负载所需的额定电压高,5-10%.,对于负载是固定的电源变压器,副边额定电压,U2,有时是指负载下的输出电压,.,12,（,3,） 额定电流,：额定电流是指变压器按规定的工作时间,(,长时连续工作或短时工作或间歇断续工作,),运行时原副边绕组允许通过的最大电流,是根据绝缘材料允许的温度定下来的,.,由于铜耗,电流会发热,.,电流越大,发热越厉害,温度就越高,.,在额定电流下,材料老化比较慢,.,但如果实际的电流大大超过额定值,变压器发热就很厉害,绝缘迅速老化,变压器的寿命就要大大缩短,.,13,（,4,）额定频率,：使用变压器时,还要注意它对电源频率的要求,.,因为在设计变压器时,是根据给定的电源电压等级及频率来确定匝数及磁通最大值的,.,如果乱用频率,就有可能变压器损坏,.,例如一台设计用,50Hz, 220V,电源的变压器,若用,25Hz, 220V,电源,则磁通将要增加一倍,由于磁路饱和,激磁电流剧增,变压器马上烧毁,.,所以在降频使用时,电源电压必须与频率成正比下降。 另外,在维持磁通不变的条件下,也不能用到,400Hz, 1600V,的电源上,.,此时虽不存在磁路的饱和问题,但是升频使用时耐压和铁耗却变成了主要矛盾,.,因为铁耗与频率成,1.5-2,次方的关系,.,频率增大时,铁耗增加很多,.,由于这个原因,一般对于铁心采用,0.35mm,厚的热轧硅钢片的变压器, 50Hz,时的磁通密度可达,0.9-1T,而,400Hz,时的磁通密度只能取到,0.4T.,此外变压器用的绝缘材料的耐压等级是一定的,低压变压器允许的工作电压不超过,300-500V.,所以在升频使用时,电源电压不能与频率成正比的增加,而只能适当地增加,.,14,（,5,）额定温升,：变压器的额定温升是以环境温度,+40,C,作参考，规定在运行中允许变压器的温度超出参考环境的最大温升。,（,6,）空载电流,：变压器空载运行时激磁电流占额定电流的百分数。,（,7,）空载损耗,：是指变压器在空载运行时的有功功率损失，单位以瓦,(W),或千瓦,(kW),表示。,（,8,）短路电压,：也称阻抗电压，系指一侧绕组短路，另一侧绕组达到额定电流时所施加的电压与额定电压的百分比。,（,9,）短路损耗,：一侧绕组短路，另一侧绕组施以电压使两侧绕组都达到额定电流时的有功损耗，单位以瓦,(W),或千瓦,(kW),表示。,（,10,）连接组别,：表示原、副绕组的连接方式及线电压之间的相位差，以时钟表示。,15,思考题,1,：为什么变压器输入电压不能超过额定电压？,思考题,2,：远距离输电为什么必须采用高压输电？,16,四相关理论知识,1,、磁路及磁路的四个基本物理量,电生磁，磁又可以生电。电与磁是密切联系的；同样，磁路,与电路是互相关联的，实际电路中有大量电感元件的线圈中有铁,心。线圈通电后铁心就构成磁路，磁路又影响电路。因此电工技,术不仅有电路问题，同时也有磁路问题。如电磁铁、变压器、电,动机等电工设备，它们都是依靠电磁相互作用原理工作的（如图,3-5,所示）。,在磁体的周围空间有磁场的存在，磁场的可以用,磁感应强度,B,、磁通,、磁导率,、磁场强度,H,等几个物理量来描述。,17,（,1,）磁感应强度,B,磁感应强度,B,是表示磁场内某点磁场强弱及,方向的物理量。,B,的大小等于通过垂直于磁,场方向单位面积的磁力线数目，,B,的方向用右,手螺旋定则确定。单位是特斯拉,(T),。如果磁,场内所有点磁感应强度,B,大小相等，方向相,同，这样的磁场称为均匀磁场。,18,（,2,）磁通,均匀磁场中磁通,等于磁感应强度,B,与垂,直于磁场方向的面积,S,的乘积，单位是韦伯,(Wb),。即：,=BS,，磁通,反映了磁场,某一范围内磁力线的多少。,19,（,3,）磁导率,磁导率,表示物质的导磁性能，单位是亨,/,米,(H/m),。真空的磁导率,非铁磁物质的磁导率与真空极为接近，铁磁物质的磁导率远大于真空的磁导率。,相对磁导率,r,：物质磁导率与真空磁导率的比值。非铁磁物质,r,近似为,1,，铁磁物质的,r,远大于,1,。,20,（,4,）磁场强度,H,磁场强度只与产生磁场的电流以及这些电流分布有关，而与磁介质的磁导率无关，单位是安米（,A,m,）。是为了简化计算而引入的辅助物理量。即,H = B/,（或,B = H,）。,21,2,、磁性材料的三大磁性能,（,1,）高导磁性,：磁导率可达,10010000 H/m,，由铁磁材料组成的磁路磁阻很小，在线圈中通入较小的电流即可获得较大的磁通。,（,2,）磁饱和性,：,B,不会随,H,的增强而无限增强，,H,增大到一定值时，,B,不能继续增强（如图,3-6a,）。,（,3,）磁滞性：铁心线圈中通过交变电流时，,H,的大小和方向都会改变，铁心在交变磁场中反复磁化，在反复磁化的过程中，,B,的变化总是滞后于,H,的变化（如图,3-6b,）。,22,铁磁材料的类型：,(1),软磁材料：磁导率高，磁滞特性不明显，矫顽力和剩磁都小，磁滞回线较窄，磁滞损耗小（常用做磁头、磁心等）。,(2),永磁材料：剩磁和矫顽力均较大，磁滞性明显，磁滞回线较宽（常用做永久磁铁）。,(3),矩磁材料：只要受较小的外磁场作用就能磁化到饱和，当外磁场去掉，磁性仍保持，磁滞回线几乎成矩形（可用做记忆元件）。,23,3,、磁路的两个基本定律,3.1,安培环路定律（全电流定律）,（,1,）磁场中任何闭合回路磁场强度,H,的线积分,等于通过这个闭合路径内电,流的代数和。,即：,Hdl = I = I1+I2+I3,（如图所示）,上式左侧为磁场强度矢量沿闭合回线的线积分；右侧是穿,过由闭合回线所围面积的电流的代数和。电流的符号规定,为：电流方向和磁场强度的方向符合右手定则的，电流取,正；否则取负。,24,（,2,）在无分支的均匀磁路（磁路的材料和截面积相同，各,处的磁场强度相等）中，安培环路定律可写成：,NI = HL,（如图,3-7,b,所示），式中其中,N,为线圈的匝数，,I,为通过线圈的电流，,NI,称为磁动势，一般用,F,表示；,H,为,磁路中心处的磁场强度，,L,为磁路长度，,HL,称为磁压降。,25,（,3,）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。即：,NI = HL,或,NI =H,l,+H0l0,（如图,3-7,c,所示）,26,3.2,磁路的欧姆定律,对于均匀磁路：,F = NI = HL = BL/,= L/S,= Rm,（,Rm = L/,S,称为磁阻）,则磁路的欧姆定律为：,F = Rm,（均匀磁路的磁动势,F,等于磁通,乘磁阻,Rm,）,因铁磁物质的磁阻,Rm,不是常数，它会随励磁电流,I,的改变而改变，因而通常不能用磁路的欧姆定律直接计算，但可以用于定性分析很多磁路问题。,27,3.3,磁路与电路的比较,28,4,、交流铁芯线圈,如图,3-9,所示的交流铁心线圈电路，在带铁心的线圈上加正弦交流电压,u,，线圈中的电流便在铁心中产生主磁通,和漏磁通,。主磁通,是流经铁心的工作磁通，漏磁通,是由于空气隙或其它原因损耗的磁通，它不流经铁心。主磁通和漏磁通都要在线圈中产生感应电动势，一个是主磁电动势,e,，另一个是漏磁电动势,e,。,29,设线圈的电阻为,R,，主磁电动势为,e,和漏感电动势为,e,，由,KVL,，有：,设主磁通,按正弦规律变化：,由于线圈的电阻,R,和漏磁通都很小，,R,上的电压和漏感电动势也很小，与主磁电动势比较可以忽略不计。于是：,表明在忽略线圈电阻,R,及漏磁通的条件下，当线圈匝数,N,及电源频率,f,为一定时，主磁通的幅值,m,由励磁线圈外的电压有效值,U,确定，与铁心的材料及尺寸无关。,则：,则：,u,的有效值为：,t,w,sin,m,30,5,、电磁铁,电磁铁通常有线圈、铁心、和衔铁三个主要部分组成。其工作原理是：当线圈通电后，电磁铁的铁心被磁化，吸引衔铁动作从而带动其它机械装置发生联动；当电源断开后，电磁铁铁心的磁性消失，衔铁带动其它机械装置释放。,电磁铁有交流电磁铁和直流电磁铁两类。电磁铁的工业应用较普遍，如继电器、接触器等，都是利用电磁铁来吸合、分离触点。,下面简单分析一下电磁铁吸合过程：,由上节可知：在吸合过程中若外加电压不变,则,基本不变，又因为,F=I N= Rm,，所以可得出以下结论：,电磁铁吸合前,(,气隙大）,Rm,大吸合时起动电流大；,电磁铁吸合后,(,气隙小）,Rm,小维持电流小。,31,思考题,3,：交流电磁铁通电后，若衔铁长时期被卡住而不能吸合（如图,3-10,所示），会引起什么后果？,答：如果气隙中有异物卡住，电磁铁长时间吸不上，线圈中的电流一直很大，将会导致过热，把线圈烧坏。,32,6,、变压器的工作原理,当一个正弦交流电压,U1,加在初级线圈两端时，导线中就有交变电流,I1,并产生交变磁通,1,，它沿着铁心穿过初级线圈和次级线圈形成闭合的磁路。在次级线圈中感应出互感电势,U2,，同时,1,也会在初级线圈上感应出一个自感电势,E1,，,E1,的方向与所加电压,U1,方向相反而幅度相近，从而限制了,I1,的大小。为了保持磁通,1,的存在就需要有一定的电能消耗，并且变压器本身也有一定的损耗，尽管此时次级没接负载，初级线圈中仍有一定的电流，这个电流我们称为,“,空载电流,”,。,33,如果次级接上负载，次级线圈就产生电流,I2,，并因此而产生磁通,2,，,2,的方向与,1,相反，起了互相抵消的作用，使铁心中总的磁通量有所减少，从而使初级自感电压,E1,减少，其结果使,I1,增大，可见初级电流与次级负载有密切关系。当次级负载电流加大时,I1,增加，,1,也增加，并且,1,增加部分正好补充了被,2,所抵消的那部分磁通，以保持铁心里总磁通量不变（见图,3-11,）。如果不考虑变压器的损耗，可以认为一个理想的变压器次级负载消耗的功率也就是初级从电源取得的电功率。变压器能根据需要通过改变次级线圈的圈数而改变次级电压，但是不能改变允许负载消耗的功率。其电磁关系如下：,34,6,.,1,变压器的电压变换：,设一次绕组的匝数是,N1,，二次绕组的匝数是,N2,，穿过它们的磁通是,，那么一次、二次绕组中产生的感应电动势分别是 ：,E1 = 4.44,f,N1,m,E2 = 4.44,f,N2,m,则,:,U1/U2 E1/E2 = N1/N2 = K,（,K,为变压器的变比）,由上式知：变压器一次、二次绕组的端电压之比等于这两个绕组的匝数之比。 如果,N2,N1,，则,U2,U1,，变压器使电压升高，这种变压器称为升压变压器； 如果,N2,N1,，则,U2,U1,，变压器使电压降低，这种变压器称为降压变压器。,结论：,改变匝数比，就能改变输出电压。,35,6,.,2,变压器的电流变换：,变压器副边带负载后对磁路的影响：在副边感应电压的作用下，副边线圈中有了电流,i2,。此电流在磁路中也会产生磁通，从而影响原边电流,i1,。由,U1E1=4.44N1fm,可知，,U1,和,f,不变时，,E1,和,m,也都基本不变。因此，有负载时产生主磁通的原、副绕组的合成磁动势（,i1N1+i2N2,）和空载时产生主磁通的原绕组的磁动势,i0N1,基本相等，即：,因空载电流,i0,很小，可忽略不计，则有：,结论：原、副边电流与匝数成反比。,36,6,.,3,变压器的阻抗变换,在电子线路中，常利用变压器的阻抗变换功能来达到阻抗匹配的目的。,设接在变压器副绕组的负载阻抗,Z,的模为,|Z|,，则：,|Z|=U,2,/I,2,根据等效原理，,Z,反映到原绕组的阻抗模,|Z,|,为：,结论：变压器原边的等效负载，为副边所带负载乘以变比的平方。,37,思考题,3,：变压器原、副绕组的能量是通过电路，还是通过磁路联系在一起？,思考题,4,：变压器副绕组的电压升高了，电流为什么却下降了,?,38,7,、变压器的运行特性,由于变压器原、副绕组都具有电阻和漏磁感抗，当原绕组外加电压,U1,保持不变，负载,ZL,变化时，副边电流或功率因数改变，将导致原、副边的阻抗压降发生变化，使变压器副边输出电压,U2,也随之发生变化。,变压器的外特性即副边输出电压和输出电流的关系。即：,U2=f(I2),（见图,3-12,），特性曲线表明，变压器副边电压随负载的増加而下降；对于相同的负载电流，感性负载的功率因数愈低，副边电压下降愈多。,（图中,U20,为原边加额定电压、副边开路时，副边的输出电压；,U2,为 原边加额定电压、副边加负载时，副边的输出电压，,2,为副边输出电压,U2,与副边输出电流,I2,的相位差）。,39,变压器带负载后副边电压下降程度，用电压调整率,U%,表示，即：,U%=,（,U20-U2,）,/U20100%,。,一般供电系统希望外特性要硬（随,I2,的变化，,U2,变化不多），电力变压器的电压调整率,U%,约为,3%-5%,。,40,7,.,2,变压器的损耗与效率,（,1,）铁损,(P,Fe,),：包括磁滞损耗和涡流损耗。,磁滞损耗：磁滞现象引起铁芯发热，造成的损失。,涡流损耗：交变磁通在铁芯中产生的感应电流（涡流），造成的损失。当变压器的初级绕组通电后，线圈所产生的磁通在铁心流动，因为铁心本身也是导体，在垂直于磁力线的平面上就会感应电势，这个电势在铁心的断面上形成闭合回路并产生电流，好象一个旋涡所以称为,“,涡流,”,。这个,“,涡流,”,使变压器的损耗增加，并且使变压器的铁心发热变压器的温升增加。由,“,涡流,”,所产生的损耗我们称为,“,涡流损耗,”,。,41,（,2,）铜损 （,P,GU,),：绕组导线电阻所致。要绕制变压器需要用大量的铜线，这些铜导线存在着电阻，电流流过时这电阻会消耗一定的功率，这部分损耗往往变成热量而消耗，我们称这种损耗为,“,铜损,”,。,所以变压器的温升主要由铁损和铜损产生的。由于变压器存在着铁损与铜损，所以它的输出功率永远小于输入功率，为此我们引入了一个效率的参数来对此进行描述，,效率,=,输出功率,/,输入功率,=,（,P,2,/ P,1,）,100%= P,2,/,（,P,2,+ P,GU,+ P,Fe,）,100%,。,由于变压器没有转动部分，其效率是较高的，,值一般在,95%,以上，大型变压器的效率可达,98%99%,。变压器效率随输出功率变化而变化，并有一最大值。,42,7.3,变压器绕组的极性,（,1,）同极性端,(,同名端,),：当电流流入两个线圈,(,或流出）时，若产生的磁通方向相同，则两个流入端称为同极性端（同名端）。或者说，当铁芯中磁通变化（增大或减小）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。图,3-13,（,a,）,1-3,为同名端；图,3-13,（,b,）,1-4,为同名端。,43,（,2,）线圈的接法：,1324*,两种电压（,220V/110V,）的切换（如图,3-14,所示）：,若单个线圈,1,3,及,2,4,的电压均为,110V,，,则：,220V:,联结,2,3,（串联接法），,U220=4.44 f (2N)m,110V,：联结,1,3,，,2,4,（并联接法），,U110=4.44 f N m,m= U220/4.44 f (2N)= U110/4.44 f N,说明：两种接法下,m,不变，所以铁芯磁,路的设计相同。,1,3,2,4,*,*,44,思考题,5,：如果以上两绕组的极性端接错，结果如何？,答：有可能烧毁变压器。,原因：两个线圈中的磁通抵消感应电势,e=0u=iR-ei=u/R,很大烧毁线圈。,结论：在极性不明确时，一定要先测定极性再通电。,45,(3),同极性端的测定,直流法：合上开关，毫安表的指针正偏，则,1,和,3,是同极性端；反偏,1,和,4,是同极性端。,交流法：,U13=U12,U34,时，,1,和,3,是同极性端；,U13=U12,U34,时，,1,和,4,是同极性端。,46,五拓展知识,1,、三相变压器的知识,三相电力变压器广泛应用于电力系统输、配电的三相电压变换。此外，三相整流电路、三相电炉设备也采用三相变压器进行三相电压的变换。,三相变压器有三个铁芯柱，每一相的高低压绕组同心地套装在一个铁芯柱上构成一相，三相绕组的结构是相同的，即对称的。,三相变压器的额定电压、额定电流指的是线电压、线电流。,47,三相变压器的高压绕组和低压绕组均可以连成星形或三角形，因此三相变压器可能有,Y/Y,，,Y/,，,/,，,/Y,四种基本接法，符号中的分子表示高压绕组的接法，分母表示低压绕组的接法。目前我国生产的三相电力变压器，通常采用,Y/Y0,，,Y/,接法（如图,3-16,）,当原、副边三相绕组均为,Y,形联接时，,U1/U2 = N1/N2 = K,；当原边三相绕组为,Y,形联接，而副边三相绕组为,形联接时，,U1/U2 = N1/N2,= K,。,48,2,、互感器,（,1,）电流互感器：原绕组线径较粗，匝数很少，与被测电路负载串联；副绕组线径较细，匝数很多，与电流表或功率表、电度表、继电器的电流线圈串联。功能是将大电流变换为小电流进行测量。,I1/I2=N2/N1=1/K,使用注意事项：,使用时副绕组电路不允许开路，以防产生高电压；铁心、低压绕组的一端接地，以防在绝缘损坏时，在副边出现过压。,49,（,2,）电压互感器：,电压互感器的原绕组匝数很多，并联于待测电路两端；副绕组匝数较少，与电压表或电度表、功率表、继电器的电压线圈并联。功能是将高电压变为低电压进行测量。,U1/U2=N1/N2=K,使用注意事项：,使用时副绕组电路不允许短路，以防产生过流； 铁心、低压绕组的一端接地，以防在绝缘损时， 在副边出现高压。,50,3,、自耦变压器,特点：副绕组是原绕组的一部分，原、副压绕组不但有磁的联系，也有电的联系。,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：原、副边千万不能对调使用，以防变压器损坏。因为,N,变小时，磁通增大，电流会迅速增加。,51,思考题,6,：三相变压器每相原、副绕组的匝数比为,10,，分别求出变压器在,Y/Y,、,Y/,、,/,、,/Y,接法时线电压的比值。,思考题,7,：电压互感器的额定电压为,6 000/100V,，现由电压表测得副边电压为,85V,，问原边被测电压是多少？电流互感器的额定电流为,100/5A,，现由电流表测得副边电流为,3.8A,，问原边被测电流是多少？,52,