电工学-第5章变压器

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,*,电工技术,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,大连理工大学电气工程系,第,5,章,变压器,*,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,1,5.1,磁 路,一、磁场的基本物理量,单位：特,斯拉,(T),，,1 T=1 Wb/m,2,1.,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,A,B,=,2,大连理工大学电气工程系,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。,B,H,=,（,H/m,）,真空中的磁导率：,0,=4,10,7,H/m,3,大连理工大学电气工程系,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以下三点。,4,大连理工大学电气工程系,i,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。,5,大连理工大学电气工程系,2.,磁饱和性,B,H,O,初始磁化曲线,3.,磁滞性,剩磁,矫顽,磁力,H,m,H,m,H,c,H,c,B,H,O,B,r,B,r,磁滞回线,B,H,O,基本磁,化曲线,6,大连理工大学电气工程系,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,7,大连理工大学电气工程系,三、磁,路欧姆定律,c,A,c,l,c,0,A,0,l,0,U,I,根据全电流定律：,B,c,=,A,c,H,c,=,B,c,c,1,A,c,=,B,0,=,A,0,H,0,=,B,0,0,0,A,0,=,铁心中：,气隙中：,H,d,l=,I,8,大连理工大学电气工程系,左边,=,H,1,l,1,H,0,l,0,l,0,0,A,0,l,c,c,A,c,=,=(,),l,0,0,A,0,l,c,c,A,c,=(,R,mc,R,m0,),=,R,m,R,m,=,R,mc,R,m0,l,0,0,A,0,l,c,c,A,c,=,不是常数,R,mc,、,R,m0,、,R,m,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,:,R,m,=,F,=,F,R,m,或,9,大连理工大学电气工程系,磁路中的气隙的影响,因为,1,0,，,所以,R,m0,R,m1,当,F,一定时，因,R,m0,的存在，使,大大减小。,若要保持,一定，则需增大磁通势,F,。,10,大连理工大学电气工程系,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。,励磁,线圈,铁心,衔铁,励磁,线圈,衔铁,铁心,铁心,励磁,线圈,衔铁,衔铁,铁心,励磁,线圈,11,大连理工大学电气工程系,一、直流电磁,铁,U,S N,N S,I,f,U,I,N,I,U,R,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,12,大连理工大学电气工程系,二、交流电磁,铁,1.,交流,铁心线圈电路,u,i,Ni,e,d,d,t,=,N,d,d,t,e,=,N,d,i,d,t,=,L,(1),电压与电流关系,设,=,m,sin,t,则,e,=,N,m,cos,t,=,N,m,sin(,t,90,o,),E,m,=,N,m,=,2,f,N,m,u,i,f,e,13,大连理工大学电气工程系,E,=4.44,f,N,m,漏磁通磁路对应的电感,N,i,L,=,漏感抗（漏电抗）,X,=,L,=2,f,L,U,=,U,R,E,E,=,E,j,L,I,RI,=,E,(,R,j,L,),I,=,E,Z I,漏阻抗,E,=,j4.44,f,N,m,u,i,e,14,大连理工大学电气工程系,U,=,E,忽略漏阻抗，有,U,4.44,f,N,m,=,则,当,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,=,P,Cu,P,Fe,铜损耗,铁损耗,=,RI,2,+(,P,h,P,e,),磁滞损耗,涡流损耗,15,大连理工大学电气工程系,磁滞损耗,P,h,涡流损耗,P,e,铁损耗使铁心发热。,减小铁损耗的方法,使用软磁材料减小,P,h,；,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,。,(a),(b),16,大连理工大学电气工程系,(1),变化,f,变化,电磁吸力用平均值衡量。,m,不变,f,m,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。,2.,电磁吸力,m,不变,磁通势,励磁电流,O,f,t,f,f,m,平均吸力,17,大连理工大学电气工程系,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,P,Cu,=,RI,2,=,12,2,2,W,=48 W,由有功功率和铜损耗求得线圈的铁损耗为,P,Fe,=,P,P,Cu,=(88,48)W=40 W,功率因数为,R=,=,12,U,I,12,1,=,cos,=,=,0.4,P,UI,88,110,2,18,大连理工大学电气工程系,u,2,e,1,e,2,u,1,Z,L,i,2,i,1,1,2,5.3,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,Z,L,U,1,I,1,I,2,U,2,E,1,E,2,19,大连理工大学电气工程系,一、电压变换,=,E,1,Z,1,I,1,1.,一次侧电压方程,R,1,、,X,1,和,Z,1,一次绕组的电阻、漏电抗和漏阻抗。,U,2,=,Z,L,I,2,E,1,=j4.44,f,N,1,m,U,1,=,E,1,(,R,1,j,X,1,),I,1,2.,二次侧电压方程,E,2,=j4.44,f,N,2,m,=,E,2,Z,2,I,2,U,2,=,E,2,(,R,2,j,X,2,),I,2,R,2,、,X,2,和,Z,2,二次绕组的电阻、漏电抗和漏阻抗。,20,大连理工大学电气工程系,规定,U,1,=,U,1N,时,，,U,20,=,U,2N,。,如铭牌上标注：,10 000/230 V,U,1N,/,U,2N,=,N,1,N,2,E,1,E,2,k,=,I,2,=0,I,1,=,I,0,10%,I,1N,U,2,=,U,20,=,E,2,U,1,E,1,=,k,U,1,U,2,N,1,N,2,3.,电压比,变压器空载时,一般,U,2N,比满载时的,电压高,5%10%,。,21,大连理工大学电气工程系,U,2,=,E,2,Z,2,I,2,当,U,1,=,U,1N,，,cos,2,不变时：,U,2,=,f,(,I,2,),U,2,I,2,O,U,2N,cos,2,=1,cos,2,=0.8(,感性,),cos,2,=0.8(,容性,),V,R,=,U,2N,U,2,U,2N,100%,电力变压器：,V,R,5%,4.,变压器的外特性,电压调整率,22,大连理工大学电气工程系,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,U,20,=U,2N,=,230 V,满载时的二次电压为,U,2,=,U,2N,(1,V,R,)=,230,(1,0.03)V=223 V,k=,=,43.5,U,1N,U,2N,10 000,230,23,大连理工大学电气工程系,二、电流变换,U,1N,E,1,=4.44,f N,1,m,U,1N,4.44,f N,1,m,N,1,I,1,N,2,I,2,=,N,1,I,0,磁通势平衡方程：,I,1,=,I,2,N,2,N,1,N,1,I,1,N,2,I,2,=0,忽略,I,0,：,I,1,I,2,N,2,N,1,=,1,k,24,大连理工大学电气工程系,例,5.3.2,在例,5.3.1,中，,Z,L,=0.966,时正好满载，,求该变压器的电流。,解,变压器的电压比为,I,2,=,A,=,224,A,U,2,Z,L,223,0.966,I,1,=,A,=,5.15,A,I,2,k,224,43.5,25,大连理工大学电气工程系,三、阻抗变换,忽略,Z,1,、,Z,2,、,I,0,，则,=,U,1,U,2,I,2,I,1,=,N,1,N,2,=,k,=,kU,2,I,2,/,k,U,2,I,2,=,k,2,|,Z,e,|,=,U,1,I,1,|,Z,e,|,=,k,2,|,Z,L,|,U,1,I,1,I,2,U,2,Z,L,Z,e,U,1,I,1,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,k=,10,R,e,R,L,800,8,26,大连理工大学电气工程系,四、功率传递,1.,一次绕组的视在功率,S,1,=,U,1,I,1,2.,二次绕组的视在功率,S,2,=,U,2,I,2,3.,输入功率,P,1,=,U,1,I,1,cos,1,4.,输出功率,P,2,=,U,2,I,2,cos,2,5.,变压器的损耗,P=,P,Fe,P,Cu,可变损耗,(1),铜损耗,P,Cu,=,R,1,I,1,2,+,R,2,I,2,2,(2),铁损耗,P,Fe,=P,h,P,e,6.,效率,P,1,P,2,=,100%,不变损耗,小型电力变压器,=80%,90%,大型电力变压器,=98%,99%,27,大连理工大学电气工程系,解,忽略电压调整率，则,P,2,=,S,N,cos,2,=10,10,3,0.8 W=8 kW,P,=,P,Fe,P,Cu,=,(300,400,)W=700 W,P,1,=,P,2,P,=,(8 000,700,)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,。,P,1,P,2,=,100%,8,8.7,=,100%=92%,28,大连理工大学电气工程系,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