电机与变压器

电机与变压器1一、变压器变压器是一种静止的电器，它利用电磁感应原理将一种等级的电压和电流的交流电能转换成另一种等级的电压和电流的交流电能。它的工作原理就是电磁感应和磁势平衡。下面我们就从变压器的结构开始，逐步了解和掌握变压器的工作原理和运行特性。在分析时，我们需要注意分析变压器电路的电磁物理过程。变压器为什么只能变换交流电能的电压和电流？电机与变压器21、变压器的分类按用途分：电力变压器和特种变压器。按绕组数目分：单绕组（自耦）变压器、双绕组变压器、三绕组变压器和多绕组变压器。按相数分：单相变压器、三相变压器和多相变压器。按铁心结构分：心式变压器和壳式变压器。按调压方式分：无励磁调压变压器和有载调压变压器。按冷却介质和冷却方式分：干式变压器、油浸式变压器和充气式变压器。电机与变压器3连接发电机与电网的升压变压器连接发电机的封闭母线与电网相连的高压出线端电机与变压器4三相干式变压器自耦变压器电机与变压器5电源变压器环形变压器控制变压器电机与变压器62、变压器基本结构1、器身：铁芯、绕组、绝缘和出线装置2、油箱：冷却装置和保护装置核心装置是闭合铁芯和两个绕组。在分析变压器时，习惯画法是将两个绕组画在闭合铁芯的两侧。1U2U1u2uLZ电源侧称为一次绕组或原绕组负载侧称为二次绕组或副绕组电机与变压器71）铁芯变压器的主磁路，为了提高导磁性能和减少铁损，用厚为0.35-0.5mm、表面涂有绝缘漆的硅钢片叠成。基本结构分为铁心柱和铁轭两部分，有心式和壳式两种形式。单相心式变压器单相壳式变压器电机与变压器82）绕组变压器的电路，一般用绝缘铜线或铝线绕制而成。有同心式和交叠式两种形式。同心式：高（外）、低（内）压绕组同心地绕在铁心柱上，结构简单，制造方便。交叠式：高低压绕组交叠放置，最上和最下为低压绕组。漏阻抗较小，机械强度好，引线方便，在特殊变压器上使用较多。3）其他装置变压器上还有绝缘套管、油箱、储油柜、吸湿器、安全气道、净油器和气体继电器等元器件在工作时起冷却和保护作用。电机与变压器9电机与变压器103、变压器的基本工作原理变压器的主要部件是铁心和套在铁心上的两个绕组。两绕组只有磁的耦合，没有电的联系。在一次绕组中加上交变电压u1，根据右手螺旋定则，产生交链一、二次绕组的交变磁通Φ，在两绕组中分别感应电动势e。根据电磁感应定律，当变压器二次侧带负载时，则产生感应电流，在负载上形成二次电压u2。1u1e2e2u1i2i1U2U1u2uLZ结论：只要(1)磁通有变化量;(2)一、二次绕组的匝数不同，就能达到改变电压的目的。电机与变压器11∵e1=–∆Φ∆tN1e2=–∆Φ∆tN2且e1=–u1e2=u2∴在只讨论数量关系时，就有表明变压器初、次级绕组的电压比就等于它们的匝数比n。这就是变压器的变压原理。u1u2=e1e2=N1N2=nn＞1时，是降压变压器，n＜1时，是升压变压器，n=1时，是隔离变压器。变比n是变压器运行的重要参数。电机与变压器12例：已知某变压器的初级电压为220V，次级电压为36V，初级的匝数为2200匝，试求该变压器的变压比和次级的匝数。=解：N2N1u1u2u1u2≈=n6.1=2200×36220=360匝练习：将某单相变压器接在电压u1=220V的电源上，已知u2=20V，次级匝数N2=100匝，则初级的匝数是多少？电机与变压器13变压器在工作中就像一座桥梁，起了一个能量传递的作用，根据能量守恒定律，在忽略损耗时，变压器的次级输出功率P2应和变压器初级从电网吸收的功率P1相等。即：P1=P2I1U1=I2U2=U1U2=I2I1=N1N2n1即：说明变压器工作时，其初、次级的电流与初、次级的电压或匝数成反比。这就是变压器的变流原理。电机与变压器14变压器除了能变换电压、电流的大小外，还能变换交流阻抗。这在电器工作中也有广泛的作用。+u2－i1e1(a)变压器结构示意图(b)变压器的符号Φ+u1－i2e2Z+u1－+u2－1e2eΦσ1Φσ2R1u1I1N1N2u2ZLI2例如一个带负载的变压器（虚框）看作是一个新的负载。则可得一个简化电路，负载为RLX。u1R1I1ZLX电机与变压器15由于变压器的初、次级功率相等，所以有：I12ZLX=I22ZL即：ZLX=N1N2（）2ZL=ZLn2也就是说，负载ZL接在变压器的次级上，从电源中获取的功率和负载ZLX直接接在电源上所获取的功率是完全相同的。也就是说，ZLX是ZL在变压器初级中的交流等效电阻。上式还表明，变压器初级交流电阻ZLX的大小，不但与变压器次级的负载ZL的成正比，而且与变压器的变比n的平方成正比。=nZLZLX电机与变压器16课后练习：1、要将电压从220V变换为110V，现使用一个原绕组匝数为2匝，副绕组匝数为1匝的变压器，可不可以实现？2、变压器可以实现变压、变流、变换阻抗，变压器可不可以变换电源频率？电机与变压器174、变压器的空载运行1u1e2e2ii1将变压器一次绕组接交流电源，二次绕组开路，这种运行方式称为变压器的空载运行。变压器各电磁量正方向的规定：1、在一次绕组内，电流的正方向与电压的正方向一致。2、磁通正方向与电流方向符合右手螺旋定则。3、感应电势方向与磁通方向符合右手螺旋定则。4、在二次绕组内，电流的正方向与电势方向一致。5、在二次绕组端，电压方向与电流方向一致。2uL1L2N1N2ZL电机与变压器181u1e2e2u2ii1L1L2N1N2因为是空载运行，二次绕组开路，所以电流i2=0。ZL=0电流i1是产生磁通Φ的全部原因。此时称为空载电流i0i0因为i0只用于产生主磁通，所以原绕组是一个纯电感电路。i0滞后u1900，电动势e1与u1反相。e1与e2同相理想变压器的相量图I0·Φ·U1·E1··E2电机与变压器19常磁通概念：因为E1=4.44fN1Φ，E2=4.44fN2Φ而U1=E1，U2=E2所以有U1=4.44fN1Φ，U2=4.44fN2Φ上式中4.44是常数、频率f是电网提供的工频、匝数N对于一个已制造好的变压器来说也是一个常数，所以我们可以说只要电压U不变，磁通Φ的大小就不会发生变化，这就是重要的常磁通概念。电机与变压器205、变压器的负载运行当变压器二次绕组带上负载后，此时电路里开始有电流i21u2u2iL1L2N1N2ZL+∆i=i1i0=0i2就一定会通过二次绕组，在铁芯中也产生一个磁通Φ′可是此时电源电压u1并没有改变。变压器的主磁通Φ就不应该变化。1e2e于是励磁电流i0就会也发生变化，i0会根据i2的大小增加一部分电流∆i，变成i1=i0+∆i,最终维持Φ不变，这就是变压器的磁势平衡。电机与变压器215、变压器的外特性因此我们把当电源电压和负载功率因数一定时，二次电压随负载电流变化的规律，称为变压器的外特性。因为变压器二次侧功率P2是由一次侧功率P1决定的，它不会随变压器所带负载的变化而变化。∵P2=i2u2∴当负载变化引起i2变化时，u2就会跟随i2的变化而变化*2U)(*2I1.001.01cos28.0cos28.0)cos(2电机与变压器226、电压调整率从前面变压器的外特性可以看出，当负载有波动时，变压器输出的二次电压就会有波动。从我们使用电能来说，当然是希望电压越稳定越好。国家规定用∆u%=u2N－u2u2N×100%=∆uu2N×100%来表征电压调整率，它反映了电网电压的稳定性。电压的波动就越小，因此我们在使用电气设备时，如果能尽量提高功率因数，就有助于电压的稳定。分析变压器的外特性，当功率因素越接近1，2cos我们能采取什么措施来减小电压波动呢？电机与变压器237、变压器损耗和效率实际运行中的变压器不可避免的会因为材料、工艺等问题而产生损耗。变压器的损耗分为两种：⑴铁损耗。铁耗是磁通在铁芯中交变和运行时产生的损耗，与负载没有任何关系。因为磁通大小一般没有变动，所以铁耗又称为不变损耗或空载损耗，用pFE表示。⑵铜损耗。铜耗是电流在绕组中，与绕组的电阻产生的热损耗，用pCU表示。pCU=I12r1r2I22+=β2pCUN铜耗的大小取决于负载电流的大小以及绕组中电阻的大小，所以铜耗又称为可变损耗。β=I2I2N电机与变压器24将变压器的这两种损耗相加，即得变压器的功率损耗∆p∆p=pCUpFE+变压器的效率η，就是变压器输出和输入功率之比，η=P2P1×100%∵P1=P2+∆p∴效率的一般计算公式为：×η=∆pP2P2+100%时，变压器效率最高。当pFE=pCU电机与变压器25为了使变压器安全、经济、合理地运行，在每台变压器上都安装有一块铭牌，上面标明了变压器的型号及各种额定数据，作为正确使用变压器的依据。铭牌中参数说明如下。8．变压器的铭牌电机与变压器26（1）型号电机与变压器27额定电压U1N是指变压器在额定运行情况下，根据变压器绝缘等级和允许温升等条件规定的一次绕组上的线电压。额定电压U2N是指在一次绕组上加额定电压后，二次绕组空载时的线电压。kVA1000N2N2NIUSkVA10003N2N2NIUS（2）额定容量额定容量是指变压器在额定工作状态下，二次绕组的视在功率，其单位为kVA。对于单相变压器而言，即变压器二次绕组的额定电压U2N与额定电流I2N的乘积。三相变压器的额定容量为（3）额定电压U1N和U2N电机与变压器28连接组标号是指三相变压器一、二次绕组的连接方式。Y指高压绕组作星形连接，y指低压绕组作星形连接，D指高压绕组作三角形连接，d指低压绕组作三角形连接，N指高压绕组作星形连接时的中性线，n指低压绕组作星形连接时的中性线。（4）额定电流I1N和I2N额定电流是指变压器在额定运行的条件下，一、二次绕组长时间工作允许的线电流。（5）连接组标号电机与变压器292、一台额定容量为SN=100kVA的单相变压器，一、二次绕组的额定电压U1N/U2N=10kV/0.2kV,求额定电流I1N/I2N各是多大？这台变压器的输出端能否接85kW，功率因数为0.85的感性负载？课后练习1、变压器的电压变化率与哪些因数有关？从运行角度看是大些好还是小些好？电机与变压器30二、三相变压器和特殊变压器三相变压器广泛应用于电力系统中，在对称三相负载下运行时，变压器的各相电压、电流大小相等，相角互差120°，三相完全对称，前面所分析得出的单相变压器的各种特性可直接用于三相变压器的任意一相。下面只讨论三相变压器特有的问题。三相变压器电机与变压器31三相组式变压器由三个容量与结构完全相同的单相变压器组成。特点是每相都有自己独立的磁路，互不相关，各相的励磁电流在数值上完全相等。其优点是：对特大容量的变压器制造容易，备用量小。但其铁心用料多，占地面积大，只适用于超高压、特大容量的场合。一、磁路系统1、三相组式变压器1U2Uuu1u21V2Vvv1v21W2Www1w2电机与变压器322、三相心式变压器1U2U1u2u1V2V1v2v1W2W1w2wuvw三相心式变压器特点是三相磁路相互关联，磁路长度不等，当外加三相对称电压时，三相励磁电流不对称，但因励磁电流很小，可忽略对负载运行的影响。其优点是：节省材料，体积小，效率高，维护方便。故目前大、中、小容量的变压器广泛采用心式变压器。电机与变压器33二、电路系统三相绕组通常采用星形联结（记作“Y”或“y”）或三角形联结（记作“D”或“d”），绕组的首、末端的标志规定如下所示。绕组名称单相变压器三相变压器中性点首端末端首端末端高压绕组U1U2U1、V1、W1U2、V2、W2N低压绕组u1u2u1、v1、w1u2、v2、w2n1、绕组的端头标号电机与变压器34或(a)星形联结(b)三角形联结2、星形和三角形联结法U1U2V1V2W1W2U1U2V1V2W1W2U1U2V1V2W1W2Y形连结时：U线=U相3U线U相U线U相D形连结时：U线=U相电机与变压器35三、变压器的绕组极性变压器的主磁通以及绕组中的感应电动势都是交变的，并无某一固定极性，这个极性是指某一瞬间的相对极性。即在任一瞬间，一