电工学-第5章变压器

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1、电工技术第 5 章 变 压 器5.1 5.1 磁磁 路路 5.2 5.2 电磁铁电磁铁 5.3 5.3 变压器的工作原理变压器的工作原理 5.4 5.4 变压器的基本结构变压器的基本结构 5.5 5.5 三相变压器三相变压器 * *5.6 5.6 仪用互感器仪用互感器 *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 1第第5 5章章变变 压压 器器5.1 磁 路一、磁场的基本物理量一、磁场的基本物理量 单位：特斯拉 (T)，1 T = 1 Wb/m2 1. 1. 磁通磁通 磁场中穿过某一截面积 A 的磁感线数。 单位：韦伯（Wb）。 2. 2.

2、 磁感应强度磁感应强度 BB 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 =2大连理工大学电气工程系第第5 5章章变变 压压 器器3. 3. 磁场强度磁场强度 HH 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. 4. 磁导率磁导率 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 = 4107 H / m

3、 3大连理工大学电气工程系第第5 5章章变变 压压 器器二、物质的磁性能二、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第第5 5章章变变 压压 器器 i 1. 1. 高导磁性高导磁性 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

4、 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第第5 5章章变变 压压 器器2. 2. 磁饱和性磁饱和性B HO 初始磁化曲线 3. 3. 磁滞性磁滞性 剩磁 矫顽 磁力 HmHm Hc Hc B H OBrBr 磁滞回线BH O基本磁 化曲线 6大连理工大学电气工程系第第5 5章章变变 压压 器器磁性物质的分类： 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第第5 5章章变变 压压 器器三、磁三、磁路欧姆定律路欧姆定律 c Ac lc 0 A0 l0 UI根据全电流定律： Bc = Ac Hc =Bc c 1 Ac =B0 = A0 H

5、0 =B0 0 0 A0 =铁心中：气隙中：H dl = I 8大连理工大学电气工程系第第5 5章章变变 压压 器器左边 = H1 l1H0 l0 l00 A0 lc c Ac = ( ) l00 A0 lcc Ac = (RmcRm0) = Rm Rm = RmcRm0l0 0 A0 lc c Ac =不是常数 Rmc、Rm0、Rm 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: Rm = F = F Rm或 9大连理工大学电气工程系第第5 5章章变变 压压 器器磁路中的气隙的影响因为 1 0 ，所以 Rm0 Rm1当F 一定时， 因 Rm0

6、 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第第5 5章章变变 压压 器器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第第5 5章章变变 压压 器器一、直流电磁一、直流电磁铁铁 U S N N SIf U I N I U RI =(1) 电压与电流的关系 (2) 线圈的功率： P = R I 2 2. 2. 电磁吸力电磁吸力 衔铁吸合后磁阻 1. 1. 直流直流铁心线圈电路铁心线圈电路 I

7、不变 f 12大连理工大学电气工程系第第5 5章章变变 压压 器器二、交流电磁二、交流电磁铁铁 1. 1. 交流交流铁心线圈电路铁心线圈电路 u i Ni e d dt=N d dte =N di dt=L (1) 电压与电流关系 设 = m sin t 则 e =N m cos t= N m sin(t90o) Em = N m = 2 f N m u i f e 13大连理工大学电气工程系第第5 5章章变变 压压 器器E = 4.44 f N m 漏磁通磁路对应的电感 N iL = 漏感抗（漏电抗） X =L = 2 f L U = URE E =Ej LIRI =E(Rj L ) I =

8、EZ I 漏阻抗 E =j4.44 f Nm u i e 14大连理工大学电气工程系第第5 5章章变变 压压 器器U =E 忽略漏阻抗，有U 4.44 f Nm= 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 = PCuPFe 铜损耗 铁损耗= RI2 +( PhPe )磁滞损耗 涡流损耗 15大连理工大学电气工程系第第5 5章章变变 压压 器器磁滞损耗 Ph 涡流损耗 Pe 铁损耗使铁心发热。减小铁损耗的方法 使用软磁材料减小Ph ； 增大铁心的电阻率，减小涡流及其损耗 ； 用很薄的硅钢片叠

9、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第第5 5章章变变 压压 器器(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. 3. 结构特点结构特点 (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. 2. 电磁吸力电磁吸力 m 不变 磁通势 励磁电流 Of t f fm 平均吸力 17大连理工大学电气工程系第第5 5章章变变 压压 器器例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

10、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 = 1222 W = 48 W 由有功功率和铜损耗求得线圈的铁损耗为 PFe = PPCu = (88 48) W = 40 W 功率因数为R = = = 12 U I 12 1 = cos = = = 0.4 P UI 88 1102 18大连理工大学电气工程系第第5 5章章变变 压压 器器 u2 e1 e2 u1ZL i2i11 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 ZL U1I1 I2 U2 E1 E2

11、19大连理工大学电气工程系第第5 5章章变变 压压 器器一、电压变换一、电压变换 = E1Z1I1 1. 1. 一次侧电压方程一次侧电压方程 R1、X1 和 Z1 一次绕组的电阻、漏电抗和漏阻抗。U2 = ZLI2 E1 =j4.44 f N1m U1 =E1(R1jX1 ) I1 2. 二次侧电压方程 E1 =j4.44 f N1m = E2Z2I2 U2 = E2(R2jX2 ) I2 R2、X2 和 Z2 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第第5 5章章变变 压压 器器规定U1 = U1N 时， U20 = U2N 。 如铭牌上标注： 10 000 / 230 V

12、 U1N / U2N= N1 N2E1 E2k = I2 = 0 I1 = I010% I1N U2 = U20 = E2 U1E1= = kU1 U2N1 N23. 3. 电压比电压比 变压器空载时 一般 U2N 比满载时的 电压高 5% 10% 。 21大连理工大学电气工程系第第5 5章章变变 压压 器器U2 = E2Z2I2 当 U1 = U1N，cos2 不变时：U2 = f ( I2) U2I2OU2N cos2 =1cos2 = 0.8 (感性)cos2 = 0.8 (容性)VR =U2NU2 U2N100% 电力变压器： VR 5% 4. 4. 变压器的外特性变压器的外特性 电压

13、调整率 22大连理工大学电气工程系第第5 5章章变变 压压 器器例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 U20 = U2N = 230 V 满载时的二次电压为 U2 = U2N (1 VR ) = 230(1 0.03) V = 223 V k = = = 43.5 U1N U2N 10 000 230 23大连理工大学电气工程系第第5 5章章变变 压压 器器二、电流变换二、电流变换 U1NE1 = 4.44 f N1m U1N 4.44 f N1m N1I1N2I2 = N1I0 磁通势平衡方程： I1 = I2 N2 N1N1I1N2I2 = 0 忽略 I0： I1 I2N2 N1= =1 k24大连理工大学电气工程系第第5 5章章变变 压压 器器例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