电工学第5章变压器

电工技术1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5.10应用实例第5章变压器2高等教育出版社5.1磁路一、磁场的基本物理量单位：特斯拉(T)，1T=1Wb/m21.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AB=第5章变压器3高等教育出版社3.磁场强度HH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。BH=（H/m）真空中的磁导率：0=4×10－7H/m第5章变压器4高等教育出版社二、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。第5章变压器5高等教育出版社i1.高导磁性0，r1常用磁性材料的磁导率铸钢：≈10000硅钢片：≈(6000~7000)0坡莫合金：≈(20000~200000)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。第5章变压器6高等教育出版社2.磁饱和性BHO初始磁化曲线3.磁滞性剩磁矫顽磁力Hm－Hm－HcHcBHOBr－Br磁滞回线BHO基本磁化曲线第5章变压器7高等教育出版社磁性物质的分类：硬磁物质、软磁物质、矩磁物质。铸铁和硅钢的磁化曲线第5章变压器8高等教育出版社三、磁路欧姆定律cAclc0A0l0Φ＋U－I根据全电流定律：Bc=AcHc=Bcc1Ac=B0=A0H0=B000A0=铁心中：气隙中：Hdl=∑I∮第5章变压器9高等教育出版社左边=H1l1＋H0l0l00A0lccAc=＋=(＋)l00A0lccAc=(Rmc＋Rm0)=RmRm=Rmc＋Rm0l00A0lccAc＋=不是常数※Rmc、Rm0、Rm——铁心、空气隙、磁路的磁阻。右边=∑I=NI或∑I=F（磁通势）磁路欧姆定律:Rm=F=FRm或第5章变压器10高等教育出版社磁路中的气隙的影响因为1＞＞0，所以Rm0＞＞Rm1当F一定时，因Rm0的存在，使大大减小。若要保持一定，则需增大磁通势F。第5章变压器11高等教育出版社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第5章变压器12高等教育出版社一、直流电磁铁Φ＋U－SNNSIfU→I→NI→URI=(1)电压与电流的关系(2)线圈的功率：P=RI22.电磁吸力衔铁吸合后→磁阻1.直流铁心线圈电路I不变→f第5章变压器13高等教育出版社二、交流电磁铁1.交流铁心线圈电路u→i→Ni→→eddt=－Nddt→e=－Ndidt=－L(1)电压与电流关系设=msint则e=－Nmcost=Nmsin(t－90o)Em=Nm=2fNmΦ＋u－ife第5章变压器14高等教育出版社E=4.44fNm漏磁通磁路对应的电感NiL=漏感抗（漏电抗）X=ωL=2fLU=UR－E－E=－E＋jLI＋RI=－E＋(R＋jL)I=－E＋ZI漏阻抗E=－j4.44fNΦmΦ＋u－i－e＋第5章变压器15高等教育出版社U=－E忽略漏阻抗，有U4.44fNm=则当U、f一定时，m基本不变。(2)功率视在功率:S=UI无功功率:Q=Ssin有功功率:P=Scos=PCu＋PFe铜损耗铁损耗=RI2+(Ph＋Pe)磁滞损耗涡流损耗第5章变压器16高等教育出版社磁滞损耗Ph涡流损耗Pe铁损耗使铁心发热。减小铁损耗的方法①使用软磁材料减小Ph；②增大铁心的电阻率，减小涡流及其损耗；③用很薄的硅钢片叠成铁心，减小涡流及其损耗。Φ(a)Φ(b)第5章变压器17高等教育出版社(1)变化→f变化电磁吸力用平均值衡量。m不变→fm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Oftffm平均吸力第5章变压器18高等教育出版社[例5.2.1]一铁心线圈，加上12V直流电压时，电流为1A；加上110V交流电压时，电流为2A，消耗的功率为88W。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PCu=RI2=12×22W=48W由有功功率和铜损耗求得线圈的铁损耗为PFe=P－PCu=(88－48)W=40W功率因数为R===12UI121=cos===0.4PUI88110×2第5章变压器19高等教育出版社＋u2－e1e2＋u1－ZLi2i1ΦΦ1Φ25.3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ZL＋U1－I1I2＋U2－E1E2第5章变压器20高等教育出版社一、电压变换=－E1＋Z1I11.一次侧电压方程※R1、X1和Z1——一次绕组的电阻、漏电抗和漏阻抗。U2=ZLI2E1=－j4.44fN1mU1=－E1＋(R1＋jX1)I12.二次侧电压方程E1=－j4.44fN1m=E2－Z2I2U2=E2－(R2＋jX2)I2※R2、X2和Z2——二次绕组的电阻、漏电抗和漏阻抗。第5章变压器21高等教育出版社规定U1=U1N时，U20=U2N。如铭牌上标注：10000/230VU1N/U2N=N1N2E1E2k=I2=0I1=I0≤10%I1NU2=U20=E2U1≈E1==kU1U2N1N23.电压比变压器空载时※一般U2N比满载时的电压高5%~10%。第5章变压器22高等教育出版社U2=E2－Z2I2当U1=U1N，cos2不变时：U2=f(I2)U2I2OU2Ncos2=1VR=U2N－U2U2N×100%※电力变压器：VR≈5%4.变压器的外特性电压调整率第5章变压器23高等教育出版社[例5.3.1]某单相变压器的额定电压为10000/230V接在10000V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U20=U2N=230V满载时的二次电压为U2=U2N(1－VR)=230×(1－0.03)V=223Vk===43.5U1NU2N10000230第5章变压器24高等教育出版社二、电流变换U1N≈E1=4.44fN1ΦmU1N4.44fN1Φm≈N1I1＋N2I2=N1I0磁通势平衡方程：I1=－I2N2N1N1I1＋N2I2=0忽略I0：I1I2N2N1==1k第5章变压器25高等教育出版社[例5.3.2]在例5.3.1中，ZL=0.966时正好满载，求该变压器的电流。[解]变压器的电压比为I2==A=224AU2ZL2230.966I1==A=5.15AI2k22443.5第5章变压器26高等教育出版社三、阻抗变换忽略Z1、Z2、I0，则=U1U2I2I1=N1N2=k=kU2I2/kU2I2=k2|Ze|=U1I1|Ze|=k2|ZL|＋U1－I1I2＋U2－ZLZe＋U1－I1[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===10ReRL8008第5章变压器27高等教育出版社四、功率传递1.一次绕组的视在功率S1=U1I12.二次绕组的视在功率S2=U2I23.输入功率P1=U1I1cos14.输出功率P2=U2I2cos25.变压器的损耗P=PFe＋PCu可变损耗(1)铜损耗PCu=R1I12+R2I22(2)铁损耗PFe=Ph＋Pe6.效率P1P2=×100%不变损耗※小型电力变压器=80%～90%※大型电力变压器=98%～99%第5章变压器28高等教育出版社[解]忽略电压调整率，则P2=SNcos2=10×103×0.8W=8kWP=PFe＋PCu=(300＋400)W=700WP1=P2＋P=(8000＋700)W=8.7kW[例5.3.4]一变压器容量为10kV·A，铁损耗为300W，满载时铜损耗为400W，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。P1P2=×100%88.7=×100%=92%第5章变压器29高等教育出版社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、绝缘套管、保护设备等。第5章变压器30高等教育出版社1.按相数分类三相变压器、单相变压器。2.按每相绕组的个数分类双绕组变压器、三绕组变压器、自耦变压器。3.按结构分类心式变压器、壳式变压器。3.按冷却方式分类干式变压器、油浸式变压器。二、主要种类第5章变压器31高等教育出版社心式变压器铁心绕组壳式变压器铁心绕组第5章变压器32高等教育出版社S9型10kV三相油浸配电变压器第5章变压器33高等教育出版社树脂浇注干式变压器第5章变压器34高等教育出版社5.5三相变压器一、三相变压器的种类1.三相组式变压器U1U2u1u2V1V2v1v2W1W2w1w2特点：三相之间只有电的联系，没有磁的联系。第5章变压器35高等教育出版社2.三相心式变压器U1U2u1u2V1V2v1v2W1W2w1w2特点：三相之间既有电的联系，又有磁的联系。第5章变压器36高等教育出版社连接方式高压绕组低压绕组星形有中性线YNyn星形无中性线Yy三角形DdGB:Yyn、Yd、YNd、Yy、YNy二、三相绕组的连接方式最常用的三种第5章变压器37高等教育出版社[例5.5.1]某三相变压器，YN,d联结，SN=500kV·A，U1N/U2N=35/11kV，Y,d联结，向求2=0.9感性负载供电。满载时二次绕组的线电压为380V。求：(1)满载时一次、二次绕组的线电流和相电流；(2)输出的有功功率。[解](1)满载时一次、二次绕组的电流A2.9A0001031050331NNN1USIA2.27A40031050332NNN2USI第5章变压器38高等教育出版社A2.27N1P1IIA7.41A32.723N2P2II222N2cos3IUP相电流为kW8.42W0.972.23803(2)输出的有功功率第5章变压器39高等教育出版社*5.6仪用互感器一、电压互感器U1U2==kuN1N2国产互感器：U2N=100V2.使用注意(1)二次绕组禁止短路。(2)二次绕组与铁心必须接地。1.工作原理空载运行的降压变压器。u1~Vu1u2第5章变压器40高等教育出版社→E2二、电流互感器1.工作原理短路运行的升压变压器。I1I2==kiN2N1国产互感器：I2N=5A2.使用注意(1)二次绕组禁止开路。开路时：I2=0，I1不变→Φ(2)一次绕组工作电压较高时，二次绕组与铁心必须接地。~Ai2i1N1N21~2匝第5章变压器41高等教育出版社*5.7自耦变压器一、结构手柄接线柱调压器手柄绕组接触臂第5章变压器42高等教育出版社二、工作原理I+U2－I1－E1＋－E2＋＋U1－I2降压自耦变压器升压自耦变压器IN1N2+U1－I1－E1＋－E2＋－U2＋I2忽略漏阻抗，则=