电工学-第4章变压器.

第四章、变压器变压器在电力电路及电子电路中得到了广泛的应用。本章首先简要介绍磁路的基本知识，在说明变压器的结构和用途后，通过分析单相变压器的工作原理，阐述变压器电压、电流和阻抗变换作用。最后介绍了绕组极性和外特性、效率等。4.1磁路及磁路分析4.1.1磁路概念磁路：磁通所经过的路径。（a）变压器磁路（b）直流电机磁路图4.1-1变压器与直流电机的磁路铁磁材料包括铁、钴、镍及其合金。铁磁材料特性：1.高的导磁性能与磁化曲线的非线性非铁磁材料的导磁系数都接近于空气的导磁系数μ0铁磁材料之所以有高导磁性能，是因为铁磁材料内部存在着许多很小的强烈磁化了的自发单元，称为磁畴。而铁磁材料的导磁系数μFe比μ0大几百到几千倍图4.1-2磁化曲线与μ-H曲线磁化曲线：开始时，B随H的增加而迅速增加，随H的不断增加，B增加缓慢。如图4.1-2所示磁导率μ=，铁磁材料的磁导率不是常数。HB磁饱和：当H增大时，B的增加变缓慢甚至几乎不增加的现象2.磁滞现象和磁滞损耗磁滞回线：当铁磁物质被磁化，磁场强度由零增加到Hm和-Hm之间反复磁化，得到一条如图4.1-3所示闭合曲线。图4.1-3磁滞回线Br：剩磁感应强度Hc：矫顽力磁滞现象：当H减小到零时，B并不为零的现象软磁材料：铁心材料Br低、HC小3.涡流损耗涡流损耗：涡流在铁心电阻上的损耗。涡流损耗与磁通交变频率f及磁通密度幅值Bm平方成正比，与铁心厚度平方成正比磁滞损耗与涡流损耗合称为铁损耗，通常用PFe表示。它使铁心发热，温度升高。磁滞损耗：铁磁材料在交变磁场作用下反复磁化时，内部的磁畴不停地往返运转，磁畴之间不停地互相磨擦而消耗能量，引起的损耗。硬磁材料：具有较高的剩磁Br和较大的矫顽力HC•4.1.3简单的磁路分析由安培环路定律得H1l1+H2l2+2Hδ·δ=NI即ΣHklk=NIHk表示第K段磁路的磁场强度lk表示第K段磁路的磁路平均长度Hklk为K段磁路上的磁压降NI称为磁路总磁动势。磁路的欧姆定律：1kkkkmkkkkkkBlllRssHklk=全电流定律：lHdlI计算产生一定的磁通Φ所需的励磁磁动势NI：μ0=4π×10-7[H/m]s0对气隙部分，气隙磁压降Hδδ=δsδΦδ0对铁心部分，先求某段磁路磁通密度Bk=，再查磁化曲线得出与Bk相应的磁场强度HK，然后求出该段磁路的磁压降HKlk.ks最后，将各段磁路磁压降相加就得到NI。4.2变压器的分类、结构及额定值•4.2.1变压器分类电压：升压变压器，降压变压器用途：电力变压器，仪用互感器，电焊变压器，控制用的电源变压器，脉冲变压器相数：单相变压器，三相变压器。铁心结构：心式变压器，壳式变压器。冷却方式和介质：空气冷却的干式，用变压器油冷却的油浸式变压器。•4.2.2变压器基本结构1.铁心铁心分为铁心柱和铁轭两部分铁心型式{心式变压器如图4.2.2-1(a)所示壳式变压器如图4.2.2-1(b)所示图4.2.2-1变压器的结构(a)心式变压器(b)壳式变压器2.绕组绕组{原绕组，接电源副绕组，接负载3.其它结构部件空气自冷变压器油浸式变压器变压器冷却方式{小容量变压器，通常采用空气自冷容量较大的变压器，通常采用油浸冷却图4.2.2-2油浸式电力变压器1—讯号式温度计；2—吸湿器；3—储油柜；4—油表；5—安全气道；6—气体继电器；7—高压套管；8—低压套管；9—分接开关；10—油箱；11—铁心；12—绕组及绝缘；13—放油阀门；4.2.3变压器的额定值1.额定容量SN：额定容量是指变压器的额定视在功率4.额定频率f:额定运行时原边外加交流电压的频率3.额定电流1NNUS对单相变压器I1N=2NNUSI2N=对三相变压器1212,33NNNNNNSSIIUU2.原边额定电压U1N:额定运行时变压器原边的电压副边额定电压U2N:原边电压额定时副边的空载电压4.3变压器的工作原理•4.3.1变压器的电压变换图4.3-1单相变压器空载运行变压器空载运行:指原边加电压，副边开路空载磁场:i0产生空载磁动势i0N1并在变压器中建立的磁场励磁电流:空载时原边绕组中流过的电流i0主磁通φ:i0产生的沿铁心闭合的绝大部分磁通φ在原、副绕组中产生的电动势e1和e2分别为:mN1mN2E1m=和E2m=是e1和e2的最大值mmmmfNfNNE111144.42222E1=mmmmfNfNNE222244.42222E2=有效值E1和E2为e1=-tNdd1)2sin()2sin(11tEtNmm=e2=-tNdd2)2sin()2sin(22tEtNmm=10011EjLIjXI.01.1.1.1IREEU.......111110110110()UEERIERjXIEZI空载时，副绕组端电压.2.20EU于是，原、副绕阻电压之比KNNEEUU2121201N1＞N2，则U1＞U20，K＞1,变压器起降压作用.1.1EU空载电流和漏阻抗X1σ都很小,因此可认为:漏磁通产生的感应电势e1σ为e1σ=-dtdiLo1N1＜N2，则U1＜U20，K＜1,变压器起升压作用•4.3.2变压器的电流变换如图，原、副绕组产生的磁势参考方向一致，合成磁势为:2.21.1NINI图4.3-2单相变压器的负载运行..121IIK因为励磁电流只占额定电流的百分之几，因此在额定负载时可以认为:22211NIIKN有效值I1≈120121INININ变压器原、副绕组电流有效值近似地与匝数成反比假设原边电压不变，在忽略原边阻抗压降时，主磁通基本不变，空载和负载时的合成磁势应相等：•4.3.3变压器的阻抗变换图4.3-3变压器的阻抗变换..22122...122'1LLUKUUZKKZIIIK如图所示，变压器副边接上负载阻抗ZL，原边接交流电源。对电源来说，相当于接上一个阻抗为Z’L的负载，称为等效阻抗。则•4.3.4变压器绕组的极性同名端:这种电位瞬时极性相同的对应端变压器绕组的同极性端实质上反映了绕组的绕向。图4.3-4变压器绕组的同极性端及表示(a)(b)4.4变压器的特性•4.4.1变压器的外特性与电压调整率在U1为额定值时，U2=f(I2)的关系曲线称为变压器的外特性，如图4.4-1所示。变压器副边电压随负载而变化的程度常用电压变化率来表示。电压变化率为:%10020220UUUUU20和U2分别为空载和额定负载时的副边电压图4.4-2变压器的效率特性曲线图4.4-1变压器外特性曲线•4.4.2变压器的效率变压器内部两种损耗{铁损耗PFe铜损耗PCu变压器效率%100%100CuFe2212PPPPPPPCu=I21R1+I22R2例4.4-1单相变压器容量为10kVA，原、副边额定电压分别为380V、220V，已知原、副绕组电阻R1=0.14Ω，R2=0.04Ω，铁心损耗为80W，当副边接一电阻负载时，端电压为210V，电流为额定值，求变压器电压变化率及损耗。解：（1）电压变化率%5.4%100220210220%10020220UUUU)A(3.26380101031NN1NUSIA)(5.45220101032NN2NUSI（2）变压器原、副边额定电流当副边流过额定电流时，原边也流过额定电流，则变压器铜耗PCu=I21NR1+I22NR2=26.33×0.14+45.52×0.04=96.8+82.1=178.9(W)总损耗ΣP=PCu+PFe=178.9+80=258.9(W)4.5三相变压器变换三相交流电压，可以用三台完全相同的单相变压器组合成三相变压器组，也可用一台三铁心柱式的三相变压器，如图4.5-1所示。图4.5-1三相变压器三相低压绕组都可以联接成星形（Y）或三角形（△），因而变压器绕组的接法有四种可能：Y/Y、Y/△、△/△、△/Y。高压侧用Y接法,低压侧采用△连接原、副边均为星形连接时，当原边为星形、副边为三角形连接时，KNNUUUUPPll21212133KNNUUUUPPll333212121例4.5-1一台三相变压器，容量为100kVA，原副绕组额定电压分别为6300V和525V，Y/Δ连接，求原付边相电压和相电流。解：原、副边额定电压为U1N=6300V，U2N=525V原、副边额定电流为A16.96300310100331NN1NUSIA110525310100332NN2NUSIV36373630031NP1UU因为原边Y接法相电压相电流IP1=I1N=9.16A副边Y接法：相电流IP2=I2N=110A副边Δ接法：相电流A5.63311032NP2UI