電工學(xué)-第4章變壓器

1、第四章、變壓器變壓器在電力電路及電子電路中得到了廣變壓器在電力電路及電子電路中得到了廣泛的應(yīng)用。本章首先簡要介紹磁路的基本知識，泛的應(yīng)用。本章首先簡要介紹磁路的基本知識，在說明變壓器的結(jié)構(gòu)和用途后，通過分析單相在說明變壓器的結(jié)構(gòu)和用途后，通過分析單相變壓器的工作原理，闡述變壓器電壓、電流和變壓器的工作原理，闡述變壓器電壓、電流和阻抗變換作用。最后介紹了繞組極性和外特性、阻抗變換作用。最后介紹了繞組極性和外特性、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：磁通所經(jīng)過的路徑。磁路：磁通所經(jīng)過的路徑。 （a）變壓器磁路）變壓器磁路 （b）直流電機(jī)磁路）直流電機(jī)磁路圖圖4.

2、1-1變壓器與直流電機(jī)的磁路變壓器與直流電機(jī)的磁路鐵磁材料包括鐵、鈷、鎳及其合金。鐵磁材料包括鐵、鈷、鎳及其合金。鐵磁材料特性：鐵磁材料特性：1. 高的導(dǎo)磁性能與磁化曲線的非線性高的導(dǎo)磁性能與磁化曲線的非線性非鐵磁材料的導(dǎo)磁系數(shù)都接近于空氣的導(dǎo)磁系數(shù)非鐵磁材料的導(dǎo)磁系數(shù)都接近于空氣的導(dǎo)磁系數(shù)0鐵磁材料之所以有高導(dǎo)磁性能，是因?yàn)殍F磁材料內(nèi)鐵磁材料之所以有高導(dǎo)磁性能，是因?yàn)殍F磁材料內(nèi)部存在著許多很小的強(qiáng)烈磁化了的自發(fā)單元，稱為部存在著許多很小的強(qiáng)烈磁化了的自發(fā)單元，稱為磁疇磁疇。 而鐵磁材料的導(dǎo)磁系數(shù)而鐵磁材料的導(dǎo)磁系數(shù)Fe比比0大幾百到幾千倍大幾百到幾千倍圖圖4.1-2 磁化曲線與磁化曲線與-H

3、曲線曲線磁磁化曲線：開始時(shí)，化曲線：開始時(shí)，B隨隨H的增加而迅速增加，隨的增加而迅速增加，隨H的不斷增加，的不斷增加，B增加緩慢。如圖增加緩慢。如圖4.1-2所示所示 磁導(dǎo)率磁導(dǎo)率= ，鐵磁材料的磁導(dǎo)率不是常數(shù)。，鐵磁材料的磁導(dǎo)率不是常數(shù)。磁飽和磁飽和：當(dāng)：當(dāng)H增大時(shí)，增大時(shí)，B的增加變緩慢甚至幾乎的增加變緩慢甚至幾乎不增加的現(xiàn)象不增加的現(xiàn)象2. 磁滯現(xiàn)象和磁滯損耗磁滯現(xiàn)象和磁滯損耗磁滯回線磁滯回線：當(dāng)鐵磁物質(zhì)被磁化，磁場強(qiáng)度由零增加：當(dāng)鐵磁物質(zhì)被磁化，磁場強(qiáng)度由零增加到到Hm和和-Hm之之間反復(fù)磁化，得到一條如圖間反復(fù)磁化，得到一條如圖4.1-3所所示閉合曲線。示閉合曲線。 圖圖4.1-3

4、磁滯回線磁滯回線Br：剩磁感應(yīng)強(qiáng)度剩磁感應(yīng)強(qiáng)度Hc：矯頑力矯頑力磁滯現(xiàn)象磁滯現(xiàn)象：當(dāng)：當(dāng)H減小到零時(shí)，減小到零時(shí)，B并不并不為零的現(xiàn)象為零的現(xiàn)象軟磁材料：鐵心材軟磁材料：鐵心材料料Br低、低、HC小小3. 渦流損耗渦流損耗渦流損耗渦流損耗：渦流在鐵心電阻上的損耗。：渦流在鐵心電阻上的損耗。渦流損耗與磁通交變頻率渦流損耗與磁通交變頻率f及磁通密度幅值及磁通密度幅值Bm平平方方成正比，與鐵心厚度平方成正比成正比，與鐵心厚度平方成正比 磁滯損耗與渦流損耗合稱為磁滯損耗與渦流損耗合稱為鐵損耗鐵損耗，通常用，通常用PFe表示。表示。它使鐵心發(fā)熱，溫度升高。它使鐵心發(fā)熱，溫度升高。磁滯損耗：磁滯損耗：鐵磁

5、材料在交變磁場作用下反復(fù)磁化時(shí)，鐵磁材料在交變磁場作用下反復(fù)磁化時(shí)，內(nèi)部的磁疇不停地往返運(yùn)轉(zhuǎn)，磁疇之間不停地互相內(nèi)部的磁疇不停地往返運(yùn)轉(zhuǎn)，磁疇之間不停地互相磨擦而消耗能量，引起的損耗。磨擦而消耗能量，引起的損耗。硬磁材料：具有較高的剩磁硬磁材料：具有較高的剩磁Br和較大的矯頑力和較大的矯頑力HC4.1.3 簡單的磁路分析由安培環(huán)路定律得由安培環(huán)路定律得H1l1+ H2l2+ 2H=NI即即 Hklk=NI Hk表示第表示第K段磁路的磁場強(qiáng)度段磁路的磁場強(qiáng)度lk表示第表示第K段磁路的磁路平均長度段磁路的磁路平均長度Hklk為為K段磁路上的磁壓降段磁路上的磁壓降NI稱為磁路總磁動勢。稱為磁路總磁動

6、勢。磁路的歐姆定律磁路的歐姆定律 ：Hklk= 全電流定律：全電流定律：lHdlI計(jì)算產(chǎn)生一定的計(jì)算產(chǎn)生一定的磁通磁通所需的勵磁磁動勢所需的勵磁磁動勢NI： 0=410-7H/ms0對氣隙部分對氣隙部分，氣隙磁壓降氣隙磁壓降H=對鐵心部分，先求某段磁路磁通密度對鐵心部分，先求某段磁路磁通密度Bk= ，再查磁化曲線得出再查磁化曲線得出與與Bk相應(yīng)的磁場強(qiáng)度相應(yīng)的磁場強(qiáng)度HK，然后求出該段磁路的磁壓降然后求出該段磁路的磁壓降HKlk.最后，將各段磁路磁壓降相加就得到最后，將各段磁路磁壓降相加就得到NI。 4.2 變壓器的分類、結(jié)構(gòu)及額定值4.2.1 變壓器分類電壓：電壓：升壓變壓器，降壓變壓器升壓

7、變壓器，降壓變壓器用途：用途：電力變壓器，儀用互感器，電焊變壓器，電力變壓器，儀用互感器，電焊變壓器， 控制用的電源變壓器，脈沖變壓器控制用的電源變壓器，脈沖變壓器相數(shù)：相數(shù)：單相變壓器，三相變壓器。單相變壓器，三相變壓器。鐵心結(jié)構(gòu)：鐵心結(jié)構(gòu)：心式變壓器，殼式變壓器。心式變壓器，殼式變壓器。冷卻方式和介質(zhì)：冷卻方式和介質(zhì)：空氣冷卻的干式，用變壓器油空氣冷卻的干式，用變壓器油 冷卻的油浸式變壓器。冷卻的油浸式變壓器。4.2.2 變壓器基本結(jié)構(gòu)1. 鐵心鐵心 鐵心分為鐵心柱和鐵軛兩部分鐵心分為鐵心柱和鐵軛兩部分 鐵心型式鐵心型式心式變壓器心式變壓器 如圖如圖4.2.2-1(a)所示所示 殼式變壓器

8、殼式變壓器 如圖如圖4.2.2-1(b)所示所示 圖4.2.21 變壓器的結(jié)構(gòu)(a) 心式變壓器心式變壓器(b) 殼式變壓器殼式變壓器2. 繞組繞組 繞組繞組 原繞組，接電源原繞組，接電源副繞組，接負(fù)載副繞組，接負(fù)載 3. 其它結(jié)構(gòu)部件其它結(jié)構(gòu)部件 空氣自冷變壓器空氣自冷變壓器油浸式變壓器油浸式變壓器變壓器冷卻方式變壓器冷卻方式 小容量變壓器，通常采用空氣自冷小容量變壓器，通常采用空氣自冷容量較大的變壓器容量較大的變壓器 ，通常采用油浸冷卻，通常采用油浸冷卻 圖圖4.2.2-2 油浸式電力變壓器油浸式電力變壓器1訊號式溫度計(jì)；訊號式溫度計(jì)；2吸濕器；吸濕器；3儲油柜；儲油柜；4油表；油表；5安

9、全氣道；安全氣道；6氣體繼電器；氣體繼電器；7高壓套管；高壓套管；8低壓套管；低壓套管；9分接開關(guān)；分接開關(guān)；10油箱；油箱；11鐵心；鐵心；12繞組及絕緣；繞組及絕緣；13放油閥門；放油閥門； 4.2.3 變壓器的額定值1.額定容額定容量量SN：額定容量是指變壓器的額定視在功率額定容量是指變壓器的額定視在功率4. 額定頻率額定頻率f: 額額定運(yùn)行時(shí)原邊外加交流電壓的頻率定運(yùn)行時(shí)原邊外加交流電壓的頻率3. 額定電流額定電流對單相變壓器對單相變壓器 I1N= I2N=對三相變壓器對三相變壓器 1212,33NNNNNNSSIIUU2. 原邊額定電原邊額定電壓壓U1N: 額定運(yùn)行時(shí)變壓器原邊的電壓

10、額定運(yùn)行時(shí)變壓器原邊的電壓 副邊額定電壓副邊額定電壓U2N: 原原邊電壓額定時(shí)副邊的空載電壓邊電壓額定時(shí)副邊的空載電壓4.3 變壓器的工作原理4.3.1 變壓器的電壓變換變壓器的電壓變換圖圖4.3-1 單相變壓器空載運(yùn)行單相變壓器空載運(yùn)行變壓器空載運(yùn)行變壓器空載運(yùn)行: 指原邊加電壓，副邊開路指原邊加電壓，副邊開路空載磁空載磁場場: i0產(chǎn)生空載磁動勢產(chǎn)生空載磁動勢i0N1并在變壓器中建立并在變壓器中建立 的磁場的磁場勵磁電流勵磁電流: 空載時(shí)原邊繞組中流過的電流空載時(shí)原邊繞組中流過的電流i0主磁通主磁通: i0產(chǎn)生的沿鐵心閉合的絕大部分磁通產(chǎn)生的沿鐵心閉合的絕大部分磁通在原、副繞組中產(chǎn)生的電動

11、勢在原、副繞組中產(chǎn)生的電動勢e1和和e2分別為分別為: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為為e1= - =e2= - =空載時(shí)，副繞組端電壓空載時(shí)，副繞組端電壓于是，原、副繞阻電壓之比于是，原、副繞阻電壓之比N1N2，則，則U1U20，K1,變壓器起降壓作用變壓器起降壓作用空載電流和漏阻抗空載電流和漏阻抗X1都很小都很小,因此可認(rèn)為因此可認(rèn)為:漏磁通產(chǎn)生的感應(yīng)電勢漏磁通產(chǎn)生的感應(yīng)電勢e1為為e1= -N1N2，則，則U1U20，K1,變壓器起升壓作用變壓器起升壓作用4.3.2 變壓器的電流變換變壓器的電流變換如圖，原、副繞組產(chǎn)生的磁

12、勢參考方向一致，如圖，原、副繞組產(chǎn)生的磁勢參考方向一致，合成磁勢為合成磁勢為: 圖圖4.3-2 單相變壓器的負(fù)載運(yùn)行單相變壓器的負(fù)載運(yùn)行因?yàn)閯畲烹娏髦徽碱~定電流的百分之幾，因?yàn)閯畲烹娏髦徽碱~定電流的百分之幾，因此在額定負(fù)載時(shí)可以認(rèn)為因此在額定負(fù)載時(shí)可以認(rèn)為:有效值有效值 I1變壓器原、副繞組電流有效值近似地與匝數(shù)成反比變壓器原、副繞組電流有效值近似地與匝數(shù)成反比 假設(shè)原邊電壓不變，在忽略原邊阻抗壓降時(shí)，主磁假設(shè)原邊電壓不變，在忽略原邊阻抗壓降時(shí)，主磁通基本不變，空載和負(fù)載時(shí)的合成磁勢應(yīng)相等：通基本不變，空載和負(fù)載時(shí)的合成磁勢應(yīng)相等：4.3.3 變壓器的阻抗變換圖圖4.3-3 變壓器的阻抗變換變

13、壓器的阻抗變換如圖所示，變壓如圖所示，變壓器副邊接上負(fù)載器副邊接上負(fù)載阻抗阻抗ZL，原邊接，原邊接交流電源。對電交流電源。對電源來說，相當(dāng)于源來說，相當(dāng)于接上一個(gè)阻抗為接上一個(gè)阻抗為ZL的負(fù)載，稱的負(fù)載，稱為等效阻抗。則為等效阻抗。則4.3.4 變壓器繞組的極性同名端同名端: 這種電位這種電位瞬時(shí)極性相同的瞬時(shí)極性相同的對應(yīng)端對應(yīng)端 變壓器繞組變壓器繞組的同極性端實(shí)質(zhì)的同極性端實(shí)質(zhì)上反映了繞組的上反映了繞組的繞向。繞向。圖圖4.3-4 變壓器繞組的同變壓器繞組的同極性端及表示極性端及表示(a)(b)4.4 變壓器的特性變壓器的特性4.4.1 變壓器的外特性與電壓調(diào)整率變壓器的外特性與電壓調(diào)整率

14、在在U1為額定值時(shí)，為額定值時(shí)，U2=f(I2)的關(guān)系曲線稱為變壓的關(guān)系曲線稱為變壓器的外特性，如圖器的外特性，如圖4.4-1所示。所示。變壓器副邊電壓隨負(fù)載而變化的程度常用電壓變變壓器副邊電壓隨負(fù)載而變化的程度常用電壓變化率來表示。電壓變化率為化率來表示。電壓變化率為:U20和和U2分別為空載和額定負(fù)載時(shí)的副邊電壓分別為空載和額定負(fù)載時(shí)的副邊電壓圖圖4.4-2 變壓器的效率特性曲線變壓器的效率特性曲線圖圖4.4-1 變壓器外特性曲線變壓器外特性曲線4.4.2 變壓器的效率變壓器內(nèi)部兩種損耗變壓器內(nèi)部兩種損耗 鐵損耗鐵損耗PFe銅損耗銅損耗PCu變壓器效率變壓器效率 PCu=I21R1+ I2

15、2R2 例例4.4-1 單相變壓器容量為單相變壓器容量為10kVA，原、副邊額，原、副邊額定電壓分別為定電壓分別為380V、220V，已知原、副繞組電，已知原、副繞組電阻阻R1=0.14，R2=0.04，鐵心損耗為，鐵心損耗為80W，當(dāng)副邊接一電阻負(fù)載時(shí)，端電壓為當(dāng)副邊接一電阻負(fù)載時(shí)，端電壓為210V，電流為，電流為額定值，求變壓器電壓變化率及損耗。額定值，求變壓器電壓變化率及損耗。解解：（：（1）電壓變化率）電壓變化率（2）變壓器原、副邊額定電流）變壓器原、副邊額定電流當(dāng)副邊流過額定電流時(shí)，原邊也流過額定電流，當(dāng)副邊流過額定電流時(shí)，原邊也流過額定電流，則變壓器銅耗則變壓器銅耗PCu=I21N

16、R1+I22NR2=26.330.14+45.520.04 =96.8+82.1=178.9(W)總損耗總損耗 P=PCu+PFe=178.9+80=258.9(W)4.5 三相變壓器變換三相交流電壓，可以用三臺完全相同的單變換三相交流電壓，可以用三臺完全相同的單相變壓器組合成三相變壓器組，也可用一臺三相變壓器組合成三相變壓器組，也可用一臺三鐵心柱式的三相變壓器，如圖鐵心柱式的三相變壓器，如圖4.5-1所示。所示。 圖圖4.5-1 三相變壓器三相變壓器三相低壓繞組都可以聯(lián)接成星形（三相低壓繞組都可以聯(lián)接成星形（Y）或三角形）或三角形（），因而變壓器繞組的接法有四種可能：），因而變壓器繞組的接法有四種可能：Y/Y、Y/、/、/Y。高壓側(cè)用高壓側(cè)用Y接法接法 ,低壓側(cè)采用低壓側(cè)采用連接連接 原、副邊均為星形連接時(shí)，原、副邊均為星形連接時(shí)，當(dāng)原邊為星形、副邊為三角形連接時(shí)，當(dāng)原邊為星形、副邊為