第七章电能传输及转换技术

第7章电能传输及转换技术7-1二端口网络7-2变压器7-3几种常用变压器7-4电热转换技术7-5电光转换技术7-6电声转换技术7-7电化学转换技术化学工业出版社第7章电能传输及转换技术7-1二端口网络化学工业出版社7-1二端口网络一、二端口网络具有四个端钮的网络称四端网络。如下图所示。M1111/1/1/2/2/2/222L1L1L2L2Z2Z1Z3（a）（b）（c）二端口网络在四端网络中端口由两个端钮组成，当从一个端钮流入该网络的电流等于从另一个端钮流出该网络的电流时，该两个端钮称一个端口。上图（a）中，如果流入端钮1的电流等于流出端钮1/的电流，1-1/称一个端口。图中四端网络共有两个端口，称二端口网络。C7-1二端口网络二端口网络中与电源联接的端口称输入端口，与负载联接的端口称输出端口。二、二端口网络分类二端口网络按其内部电路是否含有电源，分为含源二端口网络和无源二端口网络。如下图所示。111/1/222/2/CZ1Z1Z2Z2Z3+-Us(a)含源二端口网络+(b)含源二端口网络含源及无源二端口网络7-1二端口网络二端口网络按其内部电路是否含有非线性元件，分为非线性二端口网络和线性二端口网络。如下图111/1/222/2/CRRVD（b）线性二端口网络（a）非线性二端口网络非线性及线性二端口网络第7章电能传输及转换技术7-2变压器7-2变压器TrN1i10u1AXN2|ZL|u20Saxx由硅钢片叠压制成的变压器铁心磁路变压器一次侧绕组（原边）变压器二次侧绕组（副边）变压器图形符号变压器是一种能变换电压、变换电流、变换阻抗的“静止”电气设备。变压器在传递电能的过程中频率不变。一、变压器的基本结构低压套管分接开关油箱铁芯绕组放油阀门变压器主要由铁芯和绕组两大部分构成。铁芯是它的磁路部分，绕组是它的电路部分。讯号式温度计吸湿计储油柜安全气道油表气体继电器高压套管7-2变压器二、变压器的工作原理（1）变压器的空载运行与变换电压作用ΦN1i10u1AXN2|ZL|u20Saxx变压器的一次侧接电源，二次侧开路，这种运行状态称为空载。变压器空载时原边电流i10很小，在铁心磁路中产生按正弦规律变化的磁通φ，当φ穿过两线圈时，分别感应电压：m2M2m1L144.444.4fNUfNU7-2变压器变压器原、副边电压与感应电压的关系为：变压器原、副边电压与感应电压的关系为：kNNfNUUUUML21m2m1212014.44fN44.4其中k称为变压器的变比。显然：变压器通过改变原、副边的匝数即可变换电压。m2M220m1L1144.444.4fNUUfNUU7-2变压器（2）变压器的负载运行与变换电流作用变压器的一次侧接电源，二次侧与负载接通，这种运行状态称为负载运行。变压器负载运行时由于副边电流存在的去磁作用，因此原边电流由i10增大至i1。原边磁动势增加的数值恰好等于二次侧负载所需要的磁动势。即：2211011NININIΦN1i1u1AXN2|ZL|u2Saxi27-2变压器（2）变压器的负载运行与变换电流作用2211011NININI221121IUIUPP或：变压器在能量传递的过程中损耗甚小，因此：因此：kNUUII1N121221其中1/k称为变压器的变流比。显然：变压器在改变电压的同时也改变了电流，即变压器还可以变换电流。7-2变压器（3）变压器的变换阻抗作用变压器的副边所接负载为|ZL|，原边输入阻抗为Z1时，有：把变压比和变流比公式代入可得：；22LIUZL222222111ZkIUkkIkUIUZΦN1i1u1AXN2|ZL|u2Saxi2111IUZ7-2变压器已知某收音机输出变压器的原边匝数为600,副边匝数为30,原边原接有16Ω的扬声器，现要改接成4Ω扬声器，求N2应改为多少？变压器的阻抗变换作用常用于电子电路中。例如：匝所以：则，扬声器后改接成解：1540600'1240'1600464002'4L640016220L21203060021kNNkkZZkZNNk7-2变压器变压器的外特性就是描述输出电压u2随负载电流i2变化的关系，即：u2＝f（i2）两者之间的对应关系可用左图所示曲线进行描述。u2U2Ni2I2N0cos(-φ2)=0.8超前cosφ2=1cosφ2=0.8滞后2．电压调整率%100%20N220UUUU电压调整率反映了变压器运行时输出电压的稳定性，是变压器的主要性能指标之一。7-2变压器4．变压器的损耗和效率（1）损耗222121CuFeCuRIRIPPPP其中：铁损耗包括磁滞损耗和涡流损耗。（2）效率7-2变压器CuFeppPPPP1212*三、电力变压器的型号S7-500/10低损耗系列产品额定容量（KVA）高压绕组额定电压（KV）变压器的额定值额定容量：三相变压器的总容量SN=3I2NU2N额定电压：原、副边额定值均指线电压数值。额定电流：I1N、I2N均指原、副边线电流值。7-2变压器例：设交流信号源电压V100U，内阻800oRΩ，负载8LRΩ。（1）将负载直接接至信号源，负载获得多大功率？（2）经变压器进行阻抗匹配，求负载获得的最大功率是多少？变压器变比是多少？解：（1）负载直接接信号源时，负载获得功率为：W123.08880010022o2LLLRRRURIP（2）最大输出功率时，LR折算到原绕组应等于800oRΩ。负载获得的最大功率为：W125.380080080010022o2maxLLLRRRURIP变压器变比为：108800RLo21RNNk例：设交流信号源电压V100U，内阻800oRΩ，负载8LRΩ。（1）将负载直接接至信号源，负载获得多大功率？（2）经变压器进行阻抗匹配，求负载获得的最大功率是多少？变压器变比是多少？解：（1）负载直接接信号源时，负载获得功率为：W123.08880010022o2LLLRRRURIP（2）最大输出功率时，LR折算到原绕组应等于800oRΩ。负载获得的最大功率为：W125.380080080010022o2maxLLLRRRURIP变压器变比为：108800RLo21RNNk*四、三相变压器的并联运行ACBacbNACBacbNⅠACBacbNⅡ两台变压器并联运行将两台或两台以上变压器的原、副绕组分别并联到原边和副边的公共母线上，共同向负载供电的方式，称为变压器的并联运行。7-2变压器为了安全可靠地并联运行，变压器组必须满足下列三个条件：1.并联运行的变压器，其连接组别标号必须相同；2.并联运行的变压器，其变比应当相等；3.并联运行的变压器，其短路电压应当相等。其中第1条必须严格遵守！三相变压器的并联运行7-2变压器*五、变压器同名端判别··axAXAX是变压器的原边绕组ax是变压器的副边绕组Aa是变压器一对同名端由同一电流感应的电动势，极性始终保持一致的端子为同名端。电流同时由同名端流入（或流出）时，它们所产生的磁场相互增强，反之相互削弱。判别方法：7-2变压器用实验的方法测试同极性端S闭合时：毫伏表指示正值，则1和3是同极性端，若指针反偏，则1和4是同极性端。S打开时指针偏转情况相反。先将两线圈的一对端子相联，构成串联连接。U13=U12－U34时，1和3是同极性端；U13=U12＋U34时，1和4是同极性端。34V＋－12S＋US－～34V＋－uS12V＋－7-2变压器第7章电能传输及转换技术7-3几种常用变压器实验室中单相和三相调压器的实物图7-3几种常用变压器1.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。kNNUU2121kNNII11221u1u2自耦变压器的工作原理和普通双绕组变压器一样，因此变比相同自耦变压器也称为自耦调压器，它的最大特点就是可以通过转动手柄来获得原、副边所需要的各种电压。u1u2～自耦变压器的电路图符号7-3几种常用变压器电压互感器7-3几种常用变压器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，与电压表及电度表、功率表、继电器的电压线圈并联。用于将高电压变换成低电压。使用时副绕组不允许短路。kNNUU2121L1L2··N1N2V电压互感器使用时，二次侧并联阻抗不得太小，否则影响测量精度。电压互感器二次侧表头额定值为标准值100V。7-3几种常用变压器3.电流互感器7-3几种常用变压器电流互感器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，与电流表及功率表、电度表、继电器的电流线圈串联。用于将大电流变换为小电流。使用时副绕组电路不允许开路。kNNII11221A·N2·N1电流互感器二次侧所接仪表的阻抗不得大于规定值！电流互感器二次侧表头额定值为标准值5A（或1A）。7-3几种常用变压器自耦变压器为什么不能用作安全变压器使用？因为自耦变压器的原、副边存在电的联系，高压侧如果出现故障，必然波及到低压侧，低压侧直接与设备相连，因此是不安全的，故自耦变压器不能当作安全变压器使用。何谓变压器绕组的同名端？如何判断同极性端？由同一电流产生的感应电动势的极性始终保持一致的端子称为同名端。判断同名端可以用实验的方法，包括直流法和交流法。国家规定的电力变压器的标准连接组别有哪5种？国家规定的电力变压器的标准连接组别有：Y，yn0；YN，y0；Y，y0；Y，d11；YN，d11五种。思考题第7章电能传输及转换技术7-4电热转换技术7-4电热转换技术电能和热能是能量的不同形式，它们之间是可以相互转换的。如热力发电厂是将热能转换为电能，而电加热装置是将电能转换为热能。电能转换为热能的方式主要有电阻加热、电弧加热、感应加热和介质加热四种类型。一、电阻加热1.直接电热法直接电热法是使电流通过被加热物体本身，利用被加热物体本身的电阻发热而达到加热目的。如在家用电器中，利用水本身的电阻加热水的热水器等。凡是利用直接电加热法加热的物体，其本身必须具有一定的电阻值，其电阻值太小或太大都不适合采用直接电热法。7-4电热转换技术2.间接电热法再间接电热法中,电流通过的回路并不是所要加热的物体,而是另一种专门材料制成的电热元件。选取电热元件取决于加热温度与周围的情况，可使用镍铬丝、盐浴、石墨、钨丝等，下表中为各种电热元件及其温度范围。按使用温度电热元件的分类使用温度/℃种类使用温度/℃种类150~550约900约1200约1100800~950550~10001000~13501400~18001600~2500220028003000钢退火用盐溶剂（硝酸盐类等）2号镍铬丝渗碳盐溶剂（氰化物或它与碳的混合物）钢淬火用盐溶剂（氰化物、碳酸盐类等）1号镍铬丝，2号铁铬丝1号铁铬丝高速钢淬火用盐溶剂（以BaCl2）石墨棒人造石墨钼丝（在真空中或还原气氛中）钨丝（在真空中或还原气氛中）人造石莫（在真空中或还原气氛中）7-4电热转换技术如图所示的电砂锅就是一种间接电热法电阻加热装置。它的锅体是用陶瓷做成电热锅，其材质和外形与普通砂锅相似，锅底装有发热板，发热板结构是采用金属管状电热元件的铸铝板。发热板与底座之间装有可调的热双金属控温器或电子控温器。电砂锅二、电弧加热电弧加热是利用电极与电极之间或电极与工件之间放电促使空气电离形成的电弧产生高温加热物体。家用电器产品中的电子点火器和工农业生产中常用的电弧焊及电弧炉等都属于电弧加热。电弧炉是用一根或三根石墨制的电极与溶化材料间形成电弧，用这种电弧热来加热材料的炉子，它可以达到非常高的温度（约3500℃）7-4电热转换技术三、感应加热在被加热物体的周围安装感应线圈，当交流电通过线圈时，就有电磁场产生，该交变磁场在感应线