电工学-第4章变压器

1、第四章、变压器变压器在电力电路及电子电路中得到了广变压器在电力电路及电子电路中得到了广泛的应用。本章首先简要介绍磁路的基本知识，泛的应用。本章首先简要介绍磁路的基本知识，在说明变压器的结构和用途后，通过分析单相在说明变压器的结构和用途后，通过分析单相变压器的工作原理，阐述变压器电压、电流和变压器的工作原理，阐述变压器电压、电流和阻抗变换作用。最后介绍了绕组极性和外特性、阻抗变换作用。最后介绍了绕组极性和外特性、效率等。效率等。4.1 磁路及磁路分析4.1.1 磁路概念磁路概念磁路：磁通所经过的路径。磁路：磁通所经过的路径。 （a）变压器磁路）变压器磁路 （b）直流电机磁路）直流电机磁路图图4.

2、1-1变压器与直流电机的磁路变压器与直流电机的磁路铁磁材料包括铁、钴、镍及其合金。铁磁材料包括铁、钴、镍及其合金。铁磁材料特性：铁磁材料特性：1. 高的导磁性能与磁化曲线的非线性高的导磁性能与磁化曲线的非线性非铁磁材料的导磁系数都接近于空气的导磁系数非铁磁材料的导磁系数都接近于空气的导磁系数0铁磁材料之所以有高导磁性能，是因为铁磁材料内铁磁材料之所以有高导磁性能，是因为铁磁材料内部存在着许多很小的强烈磁化了的自发单元，称为部存在着许多很小的强烈磁化了的自发单元，称为磁畴磁畴。 而铁磁材料的导磁系数而铁磁材料的导磁系数Fe比比0大几百到几千倍大几百到几千倍图图4.1-2 磁化曲线与磁化曲线与-H

3、曲线曲线磁磁化曲线：开始时，化曲线：开始时，B随随H的增加而迅速增加，随的增加而迅速增加，随H的不断增加，的不断增加，B增加缓慢。如图增加缓慢。如图4.1-2所示所示 磁导率磁导率= ，铁磁材料的磁导率不是常数。，铁磁材料的磁导率不是常数。磁饱和磁饱和：当：当H增大时，增大时，B的增加变缓慢甚至几乎的增加变缓慢甚至几乎不增加的现象不增加的现象2. 磁滞现象和磁滞损耗磁滞现象和磁滞损耗磁滞回线磁滞回线：当铁磁物质被磁化，磁场强度由零增加：当铁磁物质被磁化，磁场强度由零增加到到Hm和和-Hm之之间反复磁化，得到一条如图间反复磁化，得到一条如图4.1-3所所示闭合曲线。示闭合曲线。 图图4.1-3

4、磁滞回线磁滞回线Br：剩磁感应强度剩磁感应强度Hc：矫顽力矫顽力磁滞现象磁滞现象：当：当H减小到零时，减小到零时，B并不并不为零的现象为零的现象软磁材料：铁心材软磁材料：铁心材料料Br低、低、HC小小3. 涡流损耗涡流损耗涡流损耗涡流损耗：涡流在铁心电阻上的损耗。：涡流在铁心电阻上的损耗。涡流损耗与磁通交变频率涡流损耗与磁通交变频率f及磁通密度幅值及磁通密度幅值Bm平平方方成正比，与铁心厚度平方成正比成正比，与铁心厚度平方成正比 磁滞损耗与涡流损耗合称为磁滞损耗与涡流损耗合称为铁损耗铁损耗，通常用，通常用PFe表示。表示。它使铁心发热，温度升高。它使铁心发热，温度升高。磁滞损耗：磁滞损耗：铁磁

5、材料在交变磁场作用下反复磁化时，铁磁材料在交变磁场作用下反复磁化时，内部的磁畴不停地往返运转，磁畴之间不停地互相内部的磁畴不停地往返运转，磁畴之间不停地互相磨擦而消耗能量，引起的损耗。磨擦而消耗能量，引起的损耗。硬磁材料：具有较高的剩磁硬磁材料：具有较高的剩磁Br和较大的矫顽力和较大的矫顽力HC4.1.3 简单的磁路分析由安培环路定律得由安培环路定律得H1l1+ H2l2+ 2H=NI即即 Hklk=NI Hk表示第表示第K段磁路的磁场强度段磁路的磁场强度lk表示第表示第K段磁路的磁路平均长度段磁路的磁路平均长度Hklk为为K段磁路上的磁压降段磁路上的磁压降NI称为磁路总磁动势。称为磁路总磁动

6、势。磁路的欧姆定律磁路的欧姆定律 ：Hklk= 全电流定律：全电流定律：lHdlI计算产生一定的计算产生一定的磁通磁通所需的励磁磁动势所需的励磁磁动势NI： 0=410-7H/ms0对气隙部分对气隙部分，气隙磁压降气隙磁压降H=对铁心部分，先求某段磁路磁通密度对铁心部分，先求某段磁路磁通密度Bk= ，再查磁化曲线得出再查磁化曲线得出与与Bk相应的磁场强度相应的磁场强度HK，然后求出该段磁路的磁压降然后求出该段磁路的磁压降HKlk.最后，将各段磁路磁压降相加就得到最后，将各段磁路磁压降相加就得到NI。 4.2 变压器的分类、结构及额定值4.2.1 变压器分类电压：电压：升压变压器，降压变压器升压

7、变压器，降压变压器用途：用途：电力变压器，仪用互感器，电焊变压器，电力变压器，仪用互感器，电焊变压器， 控制用的电源变压器，脉冲变压器控制用的电源变压器，脉冲变压器相数：相数：单相变压器，三相变压器。单相变压器，三相变压器。铁心结构：铁心结构：心式变压器，壳式变压器。心式变压器，壳式变压器。冷却方式和介质：冷却方式和介质：空气冷却的干式，用变压器油空气冷却的干式，用变压器油 冷却的油浸式变压器。冷却的油浸式变压器。4.2.2 变压器基本结构1. 铁心铁心 铁心分为铁心柱和铁轭两部分铁心分为铁心柱和铁轭两部分 铁心型式铁心型式心式变压器心式变压器 如图如图4.2.2-1(a)所示所示 壳式变压器

8、壳式变压器 如图如图4.2.2-1(b)所示所示 图4.2.21 变压器的结构(a) 心式变压器心式变压器(b) 壳式变压器壳式变压器2. 绕组绕组 绕组绕组 原绕组，接电源原绕组，接电源副绕组，接负载副绕组，接负载 3. 其它结构部件其它结构部件 空气自冷变压器空气自冷变压器油浸式变压器油浸式变压器变压器冷却方式变压器冷却方式 小容量变压器，通常采用空气自冷小容量变压器，通常采用空气自冷容量较大的变压器容量较大的变压器 ，通常采用油浸冷却，通常采用油浸冷却 图图4.2.2-2 油浸式电力变压器油浸式电力变压器1讯号式温度计；讯号式温度计；2吸湿器；吸湿器；3储油柜；储油柜；4油表；油表；5安

9、全气道；安全气道；6气体继电器；气体继电器；7高压套管；高压套管；8低压套管；低压套管；9分接开关；分接开关；10油箱；油箱；11铁心；铁心；12绕组及绝缘；绕组及绝缘；13放油阀门；放油阀门； 4.2.3 变压器的额定值1.额定容额定容量量SN：额定容量是指变压器的额定视在功率额定容量是指变压器的额定视在功率4. 额定频率额定频率f: 额额定运行时原边外加交流电压的频率定运行时原边外加交流电压的频率3. 额定电流额定电流对单相变压器对单相变压器 I1N= I2N=对三相变压器对三相变压器 1212,33NNNNNNSSIIUU2. 原边额定电原边额定电压压U1N: 额定运行时变压器原边的电压

10、额定运行时变压器原边的电压 副边额定电压副边额定电压U2N: 原原边电压额定时副边的空载电压边电压额定时副边的空载电压4.3 变压器的工作原理4.3.1 变压器的电压变换变压器的电压变换图图4.3-1 单相变压器空载运行单相变压器空载运行变压器空载运行变压器空载运行: 指原边加电压，副边开路指原边加电压，副边开路空载磁空载磁场场: i0产生空载磁动势产生空载磁动势i0N1并在变压器中建立并在变压器中建立 的磁场的磁场励磁电流励磁电流: 空载时原边绕组中流过的电流空载时原边绕组中流过的电流i0主磁通主磁通: i0产生的沿铁心闭合的绝大部分磁通产生的沿铁心闭合的绝大部分磁通在原、副绕组中产生的电动

11、势在原、副绕组中产生的电动势e1和和e2分别为分别为:E1m= 和和 E2m= 是是e1和和e2的最大值的最大值 E1=E2=有有效值效值E1和和E2为为e1= - =e2= - =空载时，副绕组端电压空载时，副绕组端电压于是，原、副绕阻电压之比于是，原、副绕阻电压之比N1N2，则，则U1U20，K1,变压器起降压作用变压器起降压作用空载电流和漏阻抗空载电流和漏阻抗X1都很小都很小,因此可认为因此可认为:漏磁通产生的感应电势漏磁通产生的感应电势e1为为e1= -N1N2，则，则U1U20，K1,变压器起升压作用变压器起升压作用4.3.2 变压器的电流变换变压器的电流变换如图，原、副绕组产生的磁

12、势参考方向一致，如图，原、副绕组产生的磁势参考方向一致，合成磁势为合成磁势为: 图图4.3-2 单相变压器的负载运行单相变压器的负载运行因为励磁电流只占额定电流的百分之几，因为励磁电流只占额定电流的百分之几，因此在额定负载时可以认为因此在额定负载时可以认为:有效值有效值 I1变压器原、副绕组电流有效值近似地与匝数成反比变压器原、副绕组电流有效值近似地与匝数成反比 假设原边电压不变，在忽略原边阻抗压降时，主磁假设原边电压不变，在忽略原边阻抗压降时，主磁通基本不变，空载和负载时的合成磁势应相等：通基本不变，空载和负载时的合成磁势应相等：4.3.3 变压器的阻抗变换图图4.3-3 变压器的阻抗变换变

13、压器的阻抗变换如图所示，变压如图所示，变压器副边接上负载器副边接上负载阻抗阻抗ZL，原边接，原边接交流电源。对电交流电源。对电源来说，相当于源来说，相当于接上一个阻抗为接上一个阻抗为ZL的负载，称的负载，称为等效阻抗。则为等效阻抗。则4.3.4 变压器绕组的极性同名端同名端: 这种电位这种电位瞬时极性相同的瞬时极性相同的对应端对应端 变压器绕组变压器绕组的同极性端实质的同极性端实质上反映了绕组的上反映了绕组的绕向。绕向。图图4.3-4 变压器绕组的同变压器绕组的同极性端及表示极性端及表示(a)(b)4.4 变压器的特性变压器的特性4.4.1 变压器的外特性与电压调整率变压器的外特性与电压调整率

14、在在U1为额定值时，为额定值时，U2=f(I2)的关系曲线称为变压的关系曲线称为变压器的外特性，如图器的外特性，如图4.4-1所示。所示。变压器副边电压随负载而变化的程度常用电压变变压器副边电压随负载而变化的程度常用电压变化率来表示。电压变化率为化率来表示。电压变化率为:U20和和U2分别为空载和额定负载时的副边电压分别为空载和额定负载时的副边电压图图4.4-2 变压器的效率特性曲线变压器的效率特性曲线图图4.4-1 变压器外特性曲线变压器外特性曲线4.4.2 变压器的效率变压器内部两种损耗变压器内部两种损耗 铁损耗铁损耗PFe铜损耗铜损耗PCu变压器效率变压器效率 PCu=I21R1+ I2

15、2R2 例例4.4-1 单相变压器容量为单相变压器容量为10kVA，原、副边额，原、副边额定电压分别为定电压分别为380V、220V，已知原、副绕组电，已知原、副绕组电阻阻R1=0.14，R2=0.04，铁心损耗为，铁心损耗为80W，当副边接一电阻负载时，端电压为当副边接一电阻负载时，端电压为210V，电流为，电流为额定值，求变压器电压变化率及损耗。额定值，求变压器电压变化率及损耗。解解：（：（1）电压变化率）电压变化率（2）变压器原、副边额定电流）变压器原、副边额定电流当副边流过额定电流时，原边也流过额定电流，当副边流过额定电流时，原边也流过额定电流，则变压器铜耗则变压器铜耗PCu=I21N

16、R1+I22NR2=26.330.14+45.520.04 =96.8+82.1=178.9(W)总损耗总损耗 P=PCu+PFe=178.9+80=258.9(W)4.5 三相变压器变换三相交流电压，可以用三台完全相同的单变换三相交流电压，可以用三台完全相同的单相变压器组合成三相变压器组，也可用一台三相变压器组合成三相变压器组，也可用一台三铁心柱式的三相变压器，如图铁心柱式的三相变压器，如图4.5-1所示。所示。 图图4.5-1 三相变压器三相变压器三相低压绕组都可以联接成星形（三相低压绕组都可以联接成星形（Y）或三角形）或三角形（），因而变压器绕组的接法有四种可能：），因而变压器绕组的接法有四种可能：Y/Y、Y/、/、/Y。高压侧用高压侧用Y接法接法 ,低压侧采用低压侧采用连接连接 原、副边均为星形连接时，原、副边均为星形连接时，当原边为星形、副边为三角形连接时，当原边为星形、副边为