變壓器基本結(jié)構(gòu)和工作原理

1、變壓器基本結(jié)構(gòu)和工作原理 5.1 變壓器的基本結(jié)構(gòu)5.2 變壓器的工作原理5.3 特殊變壓器磁路與電路的比較 磁路磁通勢(shì)F磁通磁阻電路電動(dòng)勢(shì) E電流密度 J 電阻磁感應(yīng)強(qiáng)度B電流 INI+_EIR 5.1 變壓器的基本結(jié)構(gòu) 變壓器的基本結(jié)構(gòu) 概述 變壓器是一種常見的電氣設(shè)備，在電力系統(tǒng)和電子線路中應(yīng)用廣泛。變電壓：電力系統(tǒng) 變阻抗：電子線路中的阻抗匹配變電流：電流互感器 變壓器的主要功能有： 概述 5.1 變壓器的基本結(jié)構(gòu)變壓器的分類電壓互感器 電流互感器 按用途分電力變壓器 (輸配電用)儀用變壓器 整流變壓器 按相數(shù)分三相變壓器 單相變壓器 按制造方式殼式心式變壓器符號(hào)變壓器的磁路繞組：一次

2、繞組二次繞組單相變壓器+由高導(dǎo)磁硅鋼片疊成厚0.35mm 或 0.5mm鐵心變壓器的電路一次繞組N1二次繞組N2鐵心 變壓器的基本結(jié)構(gòu)變壓器的結(jié)構(gòu)1. 鐵心線圈電路 變壓器的工作原理2. 變壓器的功率及功率損耗3. 變壓器的工作原理 變壓器的工作原理單相變壓器+一次繞組N1二次繞組N2鐵心 一次、二次繞組互不相連，能量的傳遞靠磁耦合。勵(lì)磁：u i N i eleldd t=Ndl d t=Nd id t=Ll電壓與電流關(guān)系設(shè): =m sint則: e =Nm cost = Nmsin(t90o) Em= Nm = 2f Nm上一節(jié)下一節(jié)上一頁(yè)下一頁(yè)返 回ielel+u圖 交流鐵心線圈電路1.

3、鐵心線圈電路E = 4.44 f Nm上一頁(yè)下一頁(yè)ielel+u圖 交流鐵心線圈電路U4.44 f Nm=則：當(dāng)：U 、f 一定時(shí)，m 基本不變。功率損耗： P = PCu + PFe銅損鐵損= RI2 +( Ph + Pe )磁滯損耗渦流損耗下一節(jié)上一頁(yè)下一頁(yè)返 回2. 變壓器功率損耗 銅損耗使線圈發(fā)熱， 鐵損耗使鐵心發(fā)熱。 減小鐵損耗的方法： 使用軟磁材料減小 Ph ； 增大鐵心的電阻率， 減小渦流及其損耗 ；用很薄的硅鋼片疊成鐵心， 減小渦流及其損耗 。上一節(jié)下一節(jié)上一頁(yè)下一頁(yè)圖 渦流損耗(a) (b) 返 回(1) 空載運(yùn)行情況電磁關(guān)系+1 空載時(shí)，鐵心中主磁通是由一次繞組磁通勢(shì)產(chǎn)生的

4、。3. 變壓器的工作原理磁路與電路的比較 磁路磁通勢(shì)F磁通磁阻電路電動(dòng)勢(shì) E電流密度 J 電阻磁感應(yīng)強(qiáng)度B電流 INI+_EIR(2) 帶負(fù)載運(yùn)行情況電磁關(guān)系+1i1 有載時(shí)，鐵心中主磁通是由一次、二次繞組磁通勢(shì)共同產(chǎn)生的合成磁通。2i2+e2+e2+u2Z 磁通勢(shì)平衡方程：N1I1 + N2I2 = N1I0 E1 =4.44 f N1mE2 =4.44 f N2m 一次繞組： 二次繞組：上一節(jié)下一節(jié)上一頁(yè)下一頁(yè)返 回(一) 電壓變換(一) 電壓變換 U1 U2E1E2電壓比: = N1N2 E1E2k =U1U2=N1N2= k上一節(jié)下一節(jié)上一頁(yè)下一頁(yè)返 回原邊電壓為U1 110伏，匝數(shù)為

5、N1, 次邊電壓為U2伏，匝數(shù)為N2,若輸出電壓不變，原邊電壓為220伏，匝數(shù)為多少？ 規(guī)定: 當(dāng) U1 = U1N 時(shí), U1N U2NU20 = U2N 如銘牌上標(biāo)注:電壓 10 000 / 230V上一節(jié)下一節(jié)上一頁(yè)下一頁(yè)返 回變壓器空載時(shí): I2 = 0，I1 = I0 U2 = U20 = E2，U1E1變壓器的外特性: 當(dāng) U1 = U1N, 2 = cos2 不變時(shí): U2 = f ( I2) U2 I20U2N2=12= 0.8(感性)圖 變壓器的外特性U =U2NU2U2N100%電壓調(diào)整率:U = 2 3%上一節(jié)下一節(jié)上一頁(yè)下一頁(yè)返 回 某單相變壓器的額定電壓為 10 00

6、0/230 V，接在 10 000 V 的交流電源上向一電感性負(fù)載供電，電壓調(diào)整率為 。求變壓器的電壓比及空載和滿載時(shí)的二次電壓。 解例電壓比：U1NU2Nk = 10 000230空載電壓：= 230 V滿載電壓:= 223 VU20 = U2N U2 = U2N (1U ) = 230(10.03) V上一節(jié)下一節(jié)上一頁(yè)下一頁(yè)返 回(二) 電流變換N1i1N2i2U1N E1 = 4.44 f N1mN1i0 U1N4.44 f N1m 磁通勢(shì)平衡方程：N1I1 + N2I2 = N1I0 忽略I0，則：I1 = N2N1 I2 N1I1 + N2I2 = 0 I1I2 N2N1= 1k=

7、上一節(jié)下一節(jié)上一頁(yè)下一頁(yè)返 回 上例中的變壓器，當(dāng) |ZL| = 0.966 時(shí)，變壓器正好滿載。求該變壓器的電流。 解例 U2|ZL |I2 = 2230.966= 224 A= 5.15 A I2kI1 =上一節(jié)下一節(jié)上一頁(yè)下一頁(yè)返 回(三) 阻抗變換作用U1U2I1I2|ZL| = U1U2I2I1 = N1N2= k|ZL| =U1I1 = kU2I2/ kU2I2= k2= k2 | ZL | 等 效U1I1|ZL|圖 變壓器的阻抗變換上一節(jié)下一節(jié)上一頁(yè)下一頁(yè)返 回(1) 變壓器的匝數(shù)比應(yīng)為：信號(hào)源R0RL+R0+解:例: 如圖，交流信號(hào)源的電動(dòng)勢(shì) E= 120V，內(nèi)阻 R 0=80

8、0，負(fù)載為揚(yáng)聲器，其等效電阻為RL=8。要求: （1）當(dāng)RL折算到原邊的等效電阻 時(shí)，求變壓器的匝數(shù)比和信號(hào)源輸出的功率；（2）當(dāng)將負(fù)載直接與信號(hào)源聯(lián)接時(shí),信號(hào)源輸出多大功率？信號(hào)源的輸出功率：電子線路中，常利用阻抗匹配實(shí)現(xiàn)最大輸出功率。 結(jié)論：接入變壓器以后，輸出功率大大提高。原因：滿足了最大功率輸出的條件：（2）將負(fù)載直接接到信號(hào)源上時(shí)，輸出功率為：(四) 變壓器的功率關(guān)系變壓器的額定容量：SN = U2NI2N = U1NI1N輸入功率：P1 = U1I1cos1輸出功率：P2 = U2I2cos2變壓器的損耗：P = P1 P2= PCu + PFe銅損耗：PCu = R1I12 +

9、R2I22可變損耗單相變壓器：三相變壓器：SN = U2NI2N = U1NI1N不變損耗PFe = Ph+Pe鐵損耗：P1P2=100%效率: 小型電力變壓器: = 80% 90% 大型電力變壓器: = 98% 99%上一節(jié)下一節(jié)上一頁(yè)下一頁(yè)返 回答案：A、B、D 一變壓器容量為 10 kVA，鐵耗為 300 W，滿載時(shí)的銅耗為 400 W。求該變壓器在滿載時(shí)向功率因數(shù)為 0.8 的負(fù)載供電時(shí)輸入和輸出的有功功率及效率。 解例忽略電壓變化率，則P2 = SN cos2= 101030.8 W= 8 kWP = PCu + PFe= (300 + 400) W kWP1 = P2 + P= (

10、8 + 0.7) kW kWP1P2=100%88.7=100%= 92 %上一節(jié)下一節(jié)上一頁(yè)下一頁(yè)返 回例: 有一帶電阻負(fù)載的三相變壓器，其額定數(shù)據(jù)如下：SN=100kVA, U1N=6000V, f=50Hz。 U2N= U20=400V , 繞組連接成。由試驗(yàn)測(cè)得: PFe =600 W，額定負(fù)載時(shí)的 PCu =2400W 。 試求 (1) 變壓器的額定電流； (2) 滿載和半載時(shí)的效率。解:(1)額定電流() 滿載和半載時(shí)的效率 1.當(dāng)負(fù)載變化使得變壓器的電流為額定電流的 0.8 倍時(shí)，其鐵損耗 PFe 和銅損耗 PCu 應(yīng)為下述幾種情況總的哪一種？ (a) PFe 和 PCu 均不變

11、； (b) PFe = 3000.8 W、PCu = 400 0.8 W ；(c) PFe = 3000.8 W、PCu 不變； (d) PFe 不變、PCu 2 W ；(e) PFe不變、PCu = 4000.8 W 。 【答】 因?yàn)殍F損耗是與負(fù)載大小無(wú)關(guān)的不變損耗，銅損耗是正比于電流平方的可變損耗，因此，當(dāng)變壓器的電流為額定電流的 0.8 倍時(shí)， (d) 的答案是正確的。2. 某單相變壓器容量為 10 kVA，額定電壓為3 300/220 V。如果向 220V、60 W 的白熾燈供電，白熾燈能裝多少盞？如果向 220 V、40 W、功率因數(shù)為 0.5 的日光燈供電，日光燈能裝多少盞？ 【解

12、】解法1：通過(guò)電流求解。變壓器二次繞組的額定電流為SNU2NI2N = = A = 45.45 A10103 220每只白熾燈的電流為PU cos I = = A = 0.273 A602201 因而可裝白熾燈數(shù)為I2NI = 16645.450.273每只日光燈的電流為PU cos I = = A = 0.3636 A402200.5 上一題下一題返 回練習(xí)題題集下一頁(yè)因而可裝日光燈數(shù)為I2NI = 12545.450.3636上一頁(yè)下一題返 回練習(xí)題題集上一題解法2：通過(guò)視在功率求解。每只白熾燈的視在功率為Pcos S = = VA = 60 VA601 因而可裝白熾燈數(shù)為SNS = 16

13、61010360每只日光燈的視在功率為Pcos S = = VA = 80 VA400.5 因而可裝日光燈數(shù)為SNS = = 1251010380 只要接入負(fù)載后總視在功率（或總電流）不超過(guò)變壓器的容量 SN（或額定電流 I2N）變壓器就不會(huì)過(guò)載。 3. 某 50 kVA、 6 600/220 V 單相變壓器，若忽略電壓變化率。求：(1)負(fù)載是 220 V、40 W、功率因數(shù)為 0.5 的 440 盞日光燈時(shí)，變壓器一、二次繞組的電流是多少？(2)上述負(fù)載是否已使變壓器滿載？若未滿載，還能接入多少盞 220 V、40 W、功率因數(shù)為 1 的白熾燈？ 【解】 (1) 變壓器的電壓比為U1NU2N

14、 k = = = 306600220 變壓器輸出的有功功率，即日光燈消耗的有功功率為 P2 = 44040 W = 17 600 W 忽略電壓變化率，則變壓器二次繞組電壓等于其空載電壓 220 V，故二次繞組電流為P2U2 cos2I2 = = A = 160 A17 6002200.5 下一題返 回練習(xí)題題集下一頁(yè)上一題則變壓器一次繞組電流為I2kI1 = = A = 5.33 A16030(2) 變壓器的二次繞組額定電流為SNU2NI2N = = A = 227.3 A50103 220 由于 I2I2N ，所以變壓器未滿載。 設(shè)接入的白熾燈總功率為 P，只要接入白熾燈后總視在功率（或總電

15、流）不超過(guò)變壓器的容量 SN（或額定電流 I2N）變壓器就不會(huì)過(guò)載，故(P +P2 ) 2 + Q22 = SN 式中 Q2 為日光燈的無(wú)功功率，由于 2 = arccos2 = arccos 0.5 = 60o Q2 = P2 tan2 = 17 600tan 60o var = 30 484 var上一頁(yè)返 回練習(xí)題題集上一題下一題下一頁(yè)由此可得P =SN2Q22 P2 = 22 032.4 W因而可裝白熾燈數(shù)為P40 = 55022 032.440= (50 000230 4842 17 600 ) W 上一頁(yè)下一題返 回練習(xí)題題集上一題4. 某收音機(jī)的輸出變壓器，一次繞組的匝數(shù)為 23

16、0，二次繞組的匝數(shù)為 80，原配接 8 的揚(yáng)聲器，現(xiàn)改用 4 的揚(yáng)聲器，問(wèn)二次繞組的匝數(shù)應(yīng)改為多少？ 【解】 本題目是為了熟悉變壓器的阻抗變換作用。 改用 4 的揚(yáng)聲器后應(yīng)當(dāng)保證一次側(cè)的等效電阻仍與用 8 揚(yáng)聲器時(shí)相同，故（ ）N1 2N2RL2 =（ ）N1 2N2RL1（ ）N1N2=N1 2N2RL1RL2=（ ）230 2 8084N14.07 N2 = = 562304.07上一題下一題返 回練習(xí)題題集一 臺(tái) 單 相 變 壓 器 的 額 定 容 量 SN =180KVA，其 額 定 電 壓 為6600/230V，變 壓 器 的 鐵 損，滿 載 時(shí) 的 銅 損為，如 果 變 壓 器 在

17、 滿 載 情 況 下 向 功 率 因 數(shù) 為0.8 的 負(fù) 載 供 電，這 時(shí) 副 繞 組 的 端 電 壓 為220V。求：（1）電 壓 調(diào) 整 率。（2）變 壓 器 的 效 率。（3）問(wèn) 這 臺(tái) 變 壓 器 能 否 允 許 接 入110kW，功 率 因 數(shù) 為 0.6 的 感 性 負(fù) 載？SNU2NI2N = = A = 783 A180103 230PU cos I2 = = A = 830 A110000 2200.6 不能P2 = U2I2cos = 220P1 = P2 + P + 0.4+2.1) kW kWP1P2=100%137.8140.3=100%= 98 % 使用時(shí)，改變

18、滑動(dòng)端的位置，便可得到不同的輸出電壓。實(shí)驗(yàn)室中用的調(diào)壓器就是根據(jù)此原理制作的。注意：一次、二次側(cè)千萬(wàn)不能對(duì)調(diào)使用，以防變壓器損壞。 特殊變壓器1.自耦變壓器ABP+圖 自耦變壓器手柄接線柱返 回U1 220VU20V圖3：自耦變壓器調(diào)壓過(guò)程250V0250V圖 ：自耦變壓器調(diào)壓過(guò)程U1U2 220V50V250V0U1U2 220V 110V圖 ：自耦變壓器調(diào)壓過(guò)程250V0U2圖 ：自耦變壓器調(diào)壓過(guò)程U1 220V 160V250V0圖3：自耦變壓器調(diào)壓過(guò)程 14U1U2 220V 220V250V0例題： 在一臺(tái)容量為15千安伏的自耦變壓器中，已知 U1 = 220V，N1 = 500匝。如果要想使輸出電壓 U2 = 209V，應(yīng)該在線圈的什么地方抽出線頭？滿負(fù)載時(shí)的 I1 和 I2 各等于多少安？解： （1）由公式N2N1U2U1=，可以知道抽頭處的圈數(shù)應(yīng)為: U2U1N2 = N1 =220209 500 = 475匝 （2）U1 I1 =所以滿負(fù)載時(shí)的電流是I1 =15 10220= 68.2A I2 = 15 10209= 71.8A16U2 I2 = SN= 15 10 VA二次側(cè)不能短路， 以防產(chǎn)生過(guò)流；2. 鐵心、低壓繞組的 一端接地，以防在 絕緣損壞時(shí)，在二次側(cè)出現(xiàn)高壓。使用注意事項(xiàng)：電壓表被測(cè)電壓=電壓表讀數(shù) N1/N22.電壓互感器 實(shí)現(xiàn)用低量程的電壓表測(cè)