《电工技术 教学课件 ppt 作者 王海燕 5_项目五 变压器原理分析与检测》由会员分享，可在线阅读，更多相关《电工技术 教学课件 ppt 作者 王海燕 5_项目五 变压器原理分析与检测（100页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、项目一 电路的基本分析与检测 项目二 电路的暂态分析与检测 项目三 单相交流电路的分析与检测 项目四 三相交流电路的分析与检测 项目五 变压器原理分析与检测 项目六 继电-接触器控制电路的设计与安装,项目五 变压器原理分析与检测 项目五 变压器原理分析与检测,学习任务,1)了解变压器的基本结构、性能及应用。,2)理解领会变压器的工作原理、连接方式及应用。,3)掌握变压器的电路分析、计算及应用。,任务15 变 压 器 发电机的输出电压通常为6.3kV,10.5kV,13.8kV,15.75kV,18 kV,而发电厂又多建在动力资源较丰富的地方,要将一定功率 (P=UIcos)输送到较远的用电区去
2、,为减少线路上损耗,必须 采用升压变压器;当电能送到用电区后,又需降压变压器将高 压降至所需电压。电力变压器是电能的传输、分配和使用 的重要电气设备。,15.1 磁路概述,图15-1 变压器的磁路,15.1.1 磁路的基本物理量 由于磁路实际上是局限于一定路径内的磁场,因此磁场的物理量也适用 于磁路。,1.磁感应强度 磁感应强度B是表示磁场内某点的磁场强弱和方向的物理量,它是一个矢 量。磁感应强度B与产生磁场的电流(称为励磁电流)之间的方向关系可 用右手螺旋定则来确定,其大小可用下面的公式来表示,2.磁通量 在均匀磁场中,磁通量等于磁感应强度B与垂直于磁场方向的面积S的 乘积,即,3. 磁导率
3、 磁导率也叫导磁系数,是表示物质导磁性能的一个物理量,磁导率大的 介质导磁性能好。磁导率的单位是亨/米(H/m)。实验测得的真空的磁导 率,4. 磁场强度 为了表征磁场强弱与产生磁场的电流之间的关系,需引入磁场强度H。磁 场强度H等于该点磁感应强度B与该处媒质的磁导率的比值,即,15.1.2 磁性材料的主要特性 磁性材料广泛应用为变压器、电机、继电器等电磁设备的铁心。磁性 材料的主要性能有高导磁性、磁饱和性以及磁滞性等。,1. 高导磁性,磁性材料具有强的磁化特性。在铁磁材料内部分成许多小区域,每个区 域内的分子间相互作用使其分子磁铁整齐排列,显示出磁性,这些小区域 称为磁畴。在没有外磁场作用时
4、,磁畴排列混乱,磁场互相抵消,对外不显 示磁性,如图15-2a所示。但在外磁场(例如在铁心线圈中的电流所产生的 磁场)作用下,磁畴就顺着外磁场方向转向,显示出磁性来。随着外磁场的 增强(线圈电流增大),磁畴逐渐转到与外磁场相同的方向上,如图15-2b、c 所示。这样便产生了一个很强的与外磁场同方向的磁化磁场,使铁磁材 料内的磁感应强度大大增强,所以磁性材料具有高导磁性。,图15-2 铁磁材料的磁化,2.磁饱和性 如图15-3a所示,将待测的尚未磁化过的铁磁材料制成截面积为S,平均周 长为l的环形铁心,并绕以N匝线圈,调节可变电阻R使电流,图15-3 铁磁材料的起始磁化曲线,3.磁滞性,铁磁材料
5、在磁化过程中,当励磁电流I增加,使外加磁场增加到某一最大值 Hm后,如图15-4a所示中的a点,B达到最大值Bm,然后减小励磁电流I,即减小 H,B值也会随之减小,但实验表明,B并不按照原来的起始磁化曲线的规律 减小,而是由Bm沿ab曲线段下降,当H减小到零时,B并未减小到零(曲线上 的b点),此时的磁感应强度Br称为剩余磁感应强度,简称剩磁。要消除剩 磁,必须改变外磁场H的方向来进行反向磁化。随着反向磁场的增强,材 料逐渐被退磁,直到外磁场H反向增加到-Hc(曲线的c点)时,B=0,剩磁消除 。消除剩磁所需的反向磁场强度的大小Hc称为矫顽磁力(或称矫顽力)。 继续增大反向磁场直到-Hm,B也
6、相应反向增至-Bm(曲线的a点)。,再使H返回零(曲线的b点),并又从零增至Hc(曲线的c点),再增至Hm,即可得 到如图15-4a中的一条对称于原点的闭合曲线abcabca。铁磁材料在反复 磁化过程中,磁感应强度B的变化滞后于外磁场强度H的变化,这一现象称 为磁滞。所得到的闭合磁化曲线,称为磁滞回线。,图15-4 磁滞回线,(1)软磁性材料 软磁性材料的磁导率高,易于磁化,撤去外磁场后,磁性基 本消失。,图15-5 不同材料的磁滞回线,(2)硬磁性材料 硬磁性材料的特点是剩磁Br和矫顽力Hc都较大,磁滞回 线较宽,撤去外磁场后剩磁大,磁性不易消失,如图15-5b所示。,(3)矩磁材料 有的磁
7、性材料磁滞回线的形状接近矩形,具有较大的剩磁 Br和较小的矫顽力Hc,如图15-5c所示,称为矩磁材料。 故矩磁材料常用作计算机和控制系统中的记忆元件、开关元件和逻辑 元件等。常见的矩磁材料有镁锰铁氧体及IJ51型铁镍合金等。,15.1.3 磁路的基本定律,对磁路进行分析与计算时,常用到磁路的基本定律。磁路的基本定律反 映了磁路磁通、磁动势和磁阻之间的关系。,1. 全电流定律(安培环路定律) 全电流定律:在磁场中,磁场强度矢量沿任一闭合路径的线积分等于该闭 合路径所交链电流的代数和,即,2.磁路欧姆定律 为了便于分析磁路,利用电路欧姆定律,找出与它对应的磁路欧姆定律,使 磁路分析更加简便。,图
8、15-6 磁路的欧姆定律,15.2 变压器的结构,变压器是根据电磁感应原理制成的一种能将同频率的交流电能 进行转换、传输的静止的电磁设备。变压器的种类很多,尽管用 途不同,但是它们的基本结构是相同的,主要包括铁心和绕组两大 部分。铁心和绕组统称为器身。为了改善散热条件,使变压器安 全可靠运行,电力变压器等大型变压器还设有油箱、储油柜、安 全气道等其他附件,如图15-7所示。,图15-7 三相油浸式电力变压器外形图 1油箱 2沉积器 3储油柜 4油标 5防爆管 6气体继电器 7高压套管 8低压套管 9分接开关 10散热管 11铁心 12绕组 13泄 油口,1.铁心 变压器的一次、二次绕组都是绕在
9、铁心上的。铁心的作用是提供闭合 的磁路,让磁通绝大部分通过铁心构成闭合回路。为了提高导磁性能和 减少铁损,变压器的铁心多采用0.27mm或0.15mm厚的冷轧硅钢片叠压而 成。,图15-8 变压器的结构,2.绕组 绕组是变压器的电路部分,常用绝缘铜线或铝线绕制而成,近来还有用铝 箔绕制而成的。变压器绕组一般由一次绕组(高压绕组)和二次绕组(低 压绕组),图15-9 变压器的绕组 1铁心柱 2铁轭 3高压绕组 4低压绕组,(1)同心式绕组 同心式绕组是将高、低压绕组同心地排放在同一铁心 柱上。,(2)交叠式绕组 交叠式绕组又称饼式绕组,它是将高低压绕组分成若干 个线饼,沿着铁心柱的高度方向交替排
10、列。,3.附件,(1)油箱 电力变压器多采用油浸式结构。,(2)储油柜 在变压器油箱的上面一般装有一个圆筒形的储油柜(俗称油 枕),储油柜通过连通管与油箱相通,以保证变压器器身始终浸在变压器油 中。,(3)气体继电器(俗称瓦斯继电器) 气体继电器装在油枕和油箱的连通管 中间,当变压器内部发生故障(如绝缘击穿、匝间短路等)产生气体或油箱 漏油使油面降低时,气体继电器动作,发出信号以便运行人员及时处理。,(4)安全气道(防爆管) 它装于油箱顶部,是一个长形圆筒,上端口装有一 定厚度的玻璃板或酚醛纸板,下端口与油箱连通。,(5)分接开关 油箱盖上面装有分接开关,可调节一次绕组的匝数,当电网 电压波动
11、时,变压器本身能做到小范围的电压调节,以保证负载端电压的 稳定。,(6)绝缘套管 油箱的上方有三个高压绝缘套管和四个低压绝缘套管,套,管内装有电极导电体。,15.3 变压器的工作原理 变压器虽然大小不一,用途各异,但其工作原理是基本相同的。为 了分析方便,把高压绕组和低压绕组分别画在铁心的两边,接交流 电源的绕组称作一次绕组,接负载的绕组称作二次绕组。一、二 次绕组的匝数分别为N1和N2。电力变压器的一、二次绕组没有电 的联系,仅有磁的联系。,15.3.1 变压器的空载运行,变压器的一次绕组接在额定频率、额定电压的交流电源上,而二次绕组 开路,这种运行方式称为变压器的空载运行。单相变压器空载运
12、行工作 原理如图15-10所示。,图15-10 单相变压器的空载运行工作原理图,1.电磁关系,变压器在空载状态时,二次绕组中没有电流通过,即i2=0,磁动势i2N2=0,它 对于铁心磁路的工作没有影响。只在一次绕组中有交变电流i0通过,i0称 为空载电流,其在一次绕组中产生交变磁动势f0=i0N1,并在铁心中建立空 载磁场,产生交变磁通。空载时磁通包括主磁通和一次绕组的漏磁通。 主磁通用表示,既交链一次绕组又交链二次绕组;一次侧漏磁通1只交 链一次绕组,不与二次绕组交链。一般变压器,漏磁通1比主磁通小得 多,尤其是大容量变压器的漏磁通更小,为使分析问题简化,可以忽略漏磁 通的影响。当变压器空载
13、时,二次绕组电流为零,无功率输出,一次绕组电 流i0的作用只是用来产生磁通,所以电流i0又称为变压器的励磁电流,其数 值很小,约为额定电流的3%8%。,根据法拉第电磁感应定律可知,主磁通在一、二次绕组将分别产生感 应电动势e1与e2,即,1)一次绕组输入电能,故先规定一次侧电源电压的参考正方向后,一次电 流的参考正方向与一次电压的参考正方向成关联参考正方向。,2)电流i0在变压器铁心中建立磁通,与i0的正方向符合右手螺旋定则 。,3)磁通产生的一次电动势,其正方向与产生该磁通的电流i0的正方向一 致。,4)磁通同时产生二次电动势,其正方向与产生该磁通的电流i2的正方向 一致。,5)输出电压即二
14、次电压的正方向与二次电动势的正方向相反。,2.电压变换关系,单相变压器空载运行时在变压器的一次绕组上加上正弦交流电压u1,设 主磁通,1)主磁通在一次绕组产生的感应电动势的有效值等于电源电压的有效 值;,2)当电源电压不变时,主磁通基本保持不变。 二次绕组电压平衡方程式用相量表示为,15.3.2 变压器的负载运行,当变压器一次侧接到额定电压的交流电源u1上,二次侧接上负载ZL后的运 行状态,称为变压器的负载运行。此时在变压器的一、二次绕,图15-11 变压器的负载运行工作原理,1.电磁关系 变压器一次绕组接上交流电压u1时,一次绕组中有电流i1通过,产生的磁动 势i1N1将作用于主磁路上。因为
15、主磁通同时交链一、二次绕组,会在一、 二次绕组中分别感应电动势e1、e2。在e2的作用下,二次侧有电流i2产生。 i2流过二次绕组同样会产生主磁通和二次侧漏磁通2。所以变压器负 载运行时,除由合成磁动势i1N1+i2N2产生的主磁通在一、二次绕组中感应 电动势e1与e2( 与 )外,还分别产生只交链于各自绕组的漏磁通 和 ,并分别在一、二次绕组中感应漏电动势 和 。一、二次绕,组电阻分别产生电压降R1 和R2 。即二次侧接上负载后,会有电能输 出。,2.电压变换作用 变压器负载运行时电压变换关系如图15-11所示。一次绕组所满足的电 压平衡方程用相量表示为,3. 电流变换作用,由式(15-15
16、)和式(15-22)比较:不论变压器空载或负载运行,当电源电压U1 和频率f不变时,主磁通的最大值m是个常数。所以,变压器带有负载时产 生主磁通的磁动势(i1N1+i2N2)基本上等于空载时产生主磁通的磁动势i0N1, 即有,15.3.3 变压器的阻抗变换,变压器除具有变换电压、电流的作用外,还具有变换负载阻抗的作用,以 实现“阻抗匹配”,从而输出最大功率。若把复阻抗为ZL的负载,图15-12 变压器的阻抗变换作用,【例15.1】 有一台电压为220/36V的变压器,二次侧接一盏36V、40W的 白炽灯,试求:1)若变压器的一次侧绕组N1=1100匝,二次侧绕组匝数应是 多少?2)白炽灯点亮后,一、二次侧的电流各为多少?,解:1)由变比的公式,可以求出二次绕组的匝数为,2)由有功功率公式P2=U2I2cos,可求得二次电流为,图15-13 晶体管收音机输出电路,15.4 变压器的外特性 当变压器电源电压U1和负载功率因数cos2等于常数时,二次电压U 2随负载电流I2的变化而变化的关系,即U2=
