第5章--变压器.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第5章 变压器,5.1 磁路的基本概念与定律,5.2 铁磁材料,5.3 变压器,退 出,5.1 磁路的基本概念与定律,5.1.1 磁路的概念,5.1.2 磁场的基本物理量,退 出,5.1.3 磁路的基本定律,由电磁感应原理制成的电气设备，都存在电路和磁路两部分，以下将对磁路作重点介绍。,5.1.1 磁路的概念,在线圈中通入电流，线圈的周围便产生磁场，磁场的分布常用一些闭合线（磁力线）来描述，磁力线所经过的路径称为磁路。为了获得更强的磁场，常将线圈绕在一定形状的铁心上，如图5-1所示。,由于铁心比空气导磁性能更好，这样电流形成的磁力线（磁通）大部分通过铁心而闭合，形成了主磁路，铁心内的磁通称为主磁通,0,。,另一少部分磁力线（磁通）经过空气而闭合形成了次磁路，经空气与线圈交链的磁通称为漏磁通，在实际应用中，由于漏磁通很少，有时为了便于分析问题，可将其忽略不计。,用于产生磁通的电流称为励磁电流，流过励磁电流的线圈称为励磁线圈。由直流电流励磁的磁路称为直流磁路，由交流电流励磁的磁路称为交流磁路。,5.1.2 磁场的基本物理量,电流产生磁场，变化的磁场又产生感应的电动势。为了分析、计算电流与磁场的相互关系，我们先介绍磁场的基本物理量。,1磁感应强度,B,磁感应强度是用来描述磁场中某一点的磁场强弱和方向的基本物理量，是一个既有大小又有方向的物理量（矢量）。磁场的一个重要特性是对处在磁场中的载流导体有力的作用，实验表明：载流导体在磁场中受力的大小（,F,）不仅与导体内的电流强度（,I,）和导体在磁场中的有效长度（,l,）有关，而且还与磁场的强弱(,B,)有关。,磁场与电流方向用右手螺旋定则来确定，大小可用公式表示如下：,式（5-1）中，,B,为磁场的磁感应强度，单位为T（特斯拉），1T=10,4,G（高斯）。磁感应强度,B,有时也可用与磁场垂直的单位面积（,S,）的磁通来表示，即：,故磁感应强度又可称为磁通密度，式（5-2）中,的单位为Wb（韦伯），也可用Mx(麦克斯韦)表示，1 Wb=10,8,Mx。,（5-1）,（5-2）,2磁导率,处在磁场中的物体（介质）或多或少地都要影响磁场的强弱，而影响的程度则与该物质的导磁性能有关。,如图5-2中，直流载流导体内的电流为,I,，距导体距离为,R,的某点处的磁感应强度：,（5-3）,其中,是用来描述不同物体具有不同导磁性能的物理量，称为磁导率，单位为H/m（享利/米）。,自然界中大多数物质的磁导率与真空磁导率近似相等。实验测得，真空中的磁导率：,0,=410,-7,H/m，且为一常数。以真空中的磁导率为基数，其它物质的磁导率一般用与,0,的倍数,/,0,来表示，叫作相对磁导率，记为,r,，即,r,=,/,0,其中,为某物质的磁导率。,若某物质,r,1，称为顺磁物质，如空气，,r,=1.000003；若其,r,1，则称逆磁物质，如铜，,r,=0.999995。,有些物质的,r,非常大，我们将,r,1的物质称为铁磁材料，如铸钢（,r,13000），铁、钴、镍及其合金等，,r,均非常大且不为常数。而将,r,1的物质称为非铁磁物质，且,r,为常数。,铁磁物质的导磁性能很好，在线圈内加上较小的电流便可产生很强的磁场。常用来作变压器、电动机等设备的激励线圈铁心。,3磁场强度,H,由于磁感应强度与处在磁场中物质的磁导率有关，且铁磁物质的磁导率又不是常数，这样对磁场强度的分析和计算带来不便。为了简化计算，引入了一个描述磁场强弱和方向的辅助量，磁场强度,H,。定义它为磁场中某点的磁感应强度与磁导率之比：,（5-4）,单位为A/m，将式（5-3）代入式（5-4），得到：,（5-5）,显然，,H,与材料的磁导率无关，仅与产生磁场的电流有关。,5.1.3 磁路的基本定律,1全电流定律,全电流定律是计算磁场的基本定律，它指出：在磁场中，任选一条半径为,R,的磁力线作为闭合回线，如果在该回线上各点的磁场强度,H,相等且其方向与回线的切线方向一致，则回线上任一点的磁场强度,H,与该回线的周长,l,=2,R,的乘积就等于该闭合回线内所包围的电流总和,I,或,i,，即：,（5-6）,如图5-3所示，设电流,I,1,，,I,2,，,I,3,在半径为,R,的闭合回线上产生的磁场强度为,H,，则根据式（5-6）得：,如果,I,1,=2 A，,I,2,=3 A，,I,3,=1 A，,R,=10 cm，则,H,=6.37 A/m,2磁路欧姆定律,在图5-1中，若在匝数为,N,的励磁线圈中加入直流励磁电流,I,，则在铁心中有主磁通穿过，此时在铁心中形成一条无分支的闭合磁路，无论各段磁路横截面的大小如何，磁通都应处处相等。如果铁心的截面积也处处相等，则磁路平均长度,l,上各点的磁感应强度,B,和磁场强度,H,都相同。根据全电流定律式（5-6）可得：,(5-7),(5-8),磁路中的平均磁通：,(5-9),式(5-9)中，,IN,是产生磁场的原动力，称为磁通势。,和,（5-10）,根据式（5-9）和式（5-10）有：,（5-11）,式（5-11）与电路中的欧姆定律相似，故称为磁路的欧姆定律。,不仅在形式上和导体的电阻公式,相似，,并且,当磁通势,IN,为定值时，它与磁通,成反比关系，这恰好和电路中电阻与电流的关系相类似。因此，将称 为磁阻，用,R,m,来表示。即：,5.2 铁磁材料,5.2.1 铁磁材料的磁化,5.2.2 磁化曲线,退 出,5.2.3 铁磁材料的分类,5.2.1 铁磁材料的磁化,铁磁材料具有很高的导磁性能，其原因是在铁磁材料内部，存在着体积很小的自然磁化区，称为磁畴，每个磁畴好象一个小磁铁一样，如图5-4（a）所示为铁磁物质被磁化前内部磁畴的分布情况。,在无外加磁场的情况下，这些磁畴在铁磁材料内部杂乱无章地排列着，对外不显示出磁性。当存在外磁场对铁磁物质作用时，原本杂乱无章排列的磁畴将按照一定的次序排列起来，它们对外显示出一定的磁性，在铁磁材料的内部建立一个方向与外磁场一致的附加磁场，使外磁场显著增强，如图5-4（b）所示。,5.2.2 磁化曲线,图5-5（a）是讨论铁磁材料被磁化过程的装置图。调节电阻器,R,，可以调节线圈中励磁电流的大小，从而可以使铁磁材料外磁场强度 发生变化，磁感应强度,B,也随之发生变化。当电流从零值开始增加时，,H,也从零值开始增加（设铁磁材料此前未被磁化），,B,也从零开始增加，测得它们的关系曲线如图5-5（b）所示。,图5-5（b）所示曲线称为铁磁材料的磁化曲线（磁滞回线）。,在回线的oac段：当,H,从零增加到,H,1,时，,B,从零几乎直线上升到,B,1,。此时对应的磁导率,1,=,B,1,/,H,1,最大，oa线段最为陡峭。,当,H,从,H,1,增加到,H,m,时，,B,也从,B,1逐渐变缓增加到,B,m,，此时对应的磁导率,2,=,B,m,/,H,m,变小，ac线段上升缓慢。,当,H,从,H,m,继续增加时，,B,不再增加，此时铁磁材料被磁化已达到饱和,B,m,，此时所有磁畴都已以改变其方向。由此可看出，励磁电流达某定值时，铁磁材料内部的磁感应强度出现饱和.。,在回线cde段：当减小励磁电流I到零时，,H,从,H,m,减小到零，,B,从最大值,B,m,减小到,B,r,(,B,r,不为零)，表明铁磁材料具有剩磁性。,若将铁磁材料进行交变磁化，由于磁畴不断改变其方向，必然存在相互间的碰撞，便出现能量损耗，称为磁滞损耗。,从图5-5(b)中可看出，铁磁材料具有以下性质：,高导磁性,r,1，且不为常数，所以常用铁磁材料作为励磁线圈的铁心。,剩磁性 铁磁材料被磁化后，即使撤除外磁场，铁磁材料仍具有一定的剩磁，当,H,=0时，,B,0。我们将B=0时所需的反向磁场强度,H,C,称为矫顽磁力。,磁饱和性 当铁磁材料被磁化到一定程度后，内部磁场将出现最大值,B,m,。,磁滞性 铁磁材料在交变磁化过程中，,B,的变化滞后于,H,的变化，即,H,=0时,B,0。,5.2.3 铁磁材料的分类,由于不同的铁磁材料具有不同的磁滞回线，磁滞回线不同，它们的磁导率、剩磁、矫顽磁力等也不同。根据磁滞回线的形状，常将铁磁材料分为两类：,硬磁材料 如钨钢、铝镍钴合金等。此类材料的剩磁,B,m,、矫顽磁力,H,c,和磁滞损耗均较大，因此其磁滞回线较宽，如图5-6（a）所示。由于剩磁大，且不易退磁，故常用于制作磁带、磁盘等。,软磁材料 如铸钢、电工钢等。此类材料的剩磁,B,m,、矫顽磁力,H,c,和磁滞损耗均较小，因此其磁滞回线较狭长，如图5-6（b）所示。由于剩磁小，且易退磁，故常用软磁材料制成磁头、变压器和电动机的铁心等。,5.3 变压器,5.3.1 变压器的基本工作原理,5.3.2 变压器绕组极性及连接,退 出,5.3.3 变压器的额定值,5.3.4 特殊变压器,变压器是一种静止的电气设备，它利用电磁感应原理，把一种电压等级的交流电能转换成相同频率的另一种电压等级的交流电能。,5.3.1 变压器的基本工作原理,图5-7（a）为单相变压器的结构示意图，两个匝数分别为,N,1,和,N,2,且相互绝缘的线圈（绕组）套在同一个铁心上，线圈之间没有电路上的连接，只通过磁路的耦合将两个线圈联系在一起，将接电源一侧的线圈称为原绕组（原边或一次绕组），接负载的线圈称为副绕组（副边或二次绕组）。图5-7（b）为单相变压器符号示意图。,在原绕组加上交流电压,u,1,，空载时原绕组中的电流为,i,0,，在交变磁通势,i,0,N,1,作用下铁心内部产生了与电流同频率的主磁通,，交变的磁通同时交链着原、副绕组。由电磁感应定律可知，在原、副绕组内感应出相同频率的电动势,e,1,和,e,2,。,e,1,的出现总是阻碍,e,2,的发展，,e,2,在副绕组上建立电压,u,2,，于是在变压器的副边产生了电压,u,2,，如接上负载,R,L,，在,u,2,的作用下产生负载电流,i,2,。这就是变压器完成电能传输的过程。,1空载时的电压比,K,U,则感应电动势,e,1,为：,（5-12）,（5-13）,由此可知，,e,1,滞后主磁通90,。式（5-13）中电动势,e,1,的有效值为：,（5-14）,同理，在副绕组上感应的电动势,e,2,的有效值为：,（5-15）,图5-7中，设电压,则在铁心内产生磁通,设为：,（5-16）,K,U,称为变压比。可见，变压器空载情况下，原、副绕组电压有效值之比等于它们的匝数比，改变它们的匝数比，即可改变其电压比。变压器就是根据此原理来达到调压的目的的。,如,N,1,N,2,，则,U,1,U,2,，变压器为降压变压器。,如,N,1,N,2,，则,U,1,U,2,，变压器为升压变压器。,副边空载时，,i,2,=0，原绕组电流,i,0,很小，忽略漏磁通的影响，有,U,1,E,1,，,U,2,E,2,，由式（5-14）和式（5-15）可得：,其中，U,1,U,2,，V,1,V,2,，W,1,W,2,分别是各相的原绕组，U,1,、V,1,、W,1,为首端，U,2,、V,2,、W,2,为末端；u,1,u,2,，v,1,v,2,，w,1,w,2,分别是各相的副绕组，u,1,、v,1,、w,1,为首端，u,2,、v,2,、w,2,为末端。,在电力系统中，常用三相变压器对三相交流电进行电压变换，图5-8为三相变压器的结构示意图，可看成是由三台单相变压器组成。,1）Y，y（Y/Y）接法：高、低压绕组都接成Y形无中线。,2）Y，yn（Y/Y,O,）接法：高、低压绕组都接成Y形，低压绕组有中线。常用于400伏以下低压系统中。,3）Y，d（Y/）接法：高压绕组都接成Y形，而低压绕组接成。常用于高压侧低于35KV，低压侧高于400V的系统中。,同相原、副绕组绕在同一铁芯柱上，由于高压绕组之间有两种连接方式：Y形与形；低压绕组也有Y形与形两种连接方式。所以三相变压器的绕组有多种连接方式，最常用的连接方法有：,2负载时的变流比,在图5-7中，如果副边接上负载，负载上的电流将由零变为,i,2,，原绕组电流将由,i,0,（很小）变为,i,1,，,i,2,流过匝数为,N,2,的副绕组时，在磁通势,i,2,N,2,的作用下，试图影响铁心中的主磁通,，但由于此时在原绕组内的磁通势也由原来的,i,0,N,1,增加为,i,1,N,1,，其增加量（,i,1,N,1,-,i,0,N,1,）正好抵消,i,2,N,2,对主磁通的影响，使主磁通不变，即：,（5-17）,i,0,N,1,为负载开路时原绕组的磁通势，一般情况下，空载电流很小，容易满足,i,0,i,1,，所以：,（5-18）,则可导出：,（5-19）,用有效值表示式（5-19）得：,（5-20）,K,I,称为变流比。由（5-20）式可知，变压器原、副边绕组内的电流与绕组的匝数成反比。,当变压器越接近满负载时，,i,2,越接近额定值，此时,i,0,i,1,关系更容易满足，式（5-20）越准确。,3变压器的功率及效率,由变压器的工作原理可知，当其副边接上负载后，负载上将产生电流,i,2,，此时原绕组的电流也将由,i,0,变为,i,1,，以保持铁芯中的主磁通,不变。随着,i,1,的增加，变压器从电源吸取的电功率,P,1,也将增加，以磁通为媒介，通过电磁感应的形式将电源的电能传递到副边的负载上去，在负载上获得功率,P,2,。变压器原边的功率为：,（5-21）,式中，为原边电压与电流的相位差。,变压器副边的功率为：,（5-22）,式中，为副边电压与电流的相位差。,将变压器负载上获得的功率,P,2,与原边从电源吸取的功率,P,1,之比称为变压器的效率，即：,（5-23）,式中，,P,为变压器的损耗，包括原、副绕组的直流电阻热损耗及铁心在被磁化过程中的磁滞损耗和铁心中的涡流损耗。,电力系统中使用的变压器，其效率一般在95%99%。在忽略变压器损耗的情况下,P,1,P,2,。,4变压器的外部特性,变压器在实际使用过程中，由于漏阻抗的存在，其副绕组输出的电压,U,2,将随着负载电流,I,2,的增加而发生变化。当电源电压,U,1,和负载的性质不变时,U,2,随着,I,2,的变化关系,U,2,=,f,(,I,2,)称为变压器的外部特性，如图5-9所示。,对于不同性质的负载，曲线略有不同。当负载为纯阻性负载时，曲线相对平坦些。,为反映负载变化对变压器输出电压产生的影响，引入电压变化率,U,：,（5-24）,式中，,U,20,为空载时副边的电压，,U,2,为满载时的副边电压。变压器的电压变化率越小越好，通常情况下要求从空载到满载时的电压变化率在5%以内。,【例5-1】,一台单相变压器的原绕组额定电压,U,1,=10 kV，副绕组的空载电压,U,20,=230 V，当接入电阻性负载且满载时的电流为,I,2,=500 A，满载时的电压为,U,2,=220 V。如该变压器的效率,=95%时，求电压变化率,U,，原边绕组电流,I,1,及变压器的损耗功率,P,。,解：,根据式（5-24）得电压变化率为：,所以,由于负载为电阻性负载，根据式（5-23）求出原边绕组从电源吸取的功率为：,5.变压器的阻抗变换,变压器除了可以变换电压、电流外，还可用于变换阻抗，如图5-10(a)所示。,当在变器的副边接上阻抗,Z,L,时有：,（5-25）,而从原边看进去的等效阻抗,Z,1,为：,（5-26）,将式（5-16）和式（5-20）变换后代入式（5-26）得：,（5-27）,由（5-27）式可知，变压器可将阻抗 提高 倍后折算到原边电路中，如图5-10(b)所示。在电子线路中，常将变压器作为阻抗变换器，把接在副边的负载阻抗变换为适当数值的原边等效阻抗，从而实现负载与信号源的匹配，在负载上获得最大的功率传送。,【例5-2】,已知一信号源内阻,R,0,=200，电压,U,S,=10 V，向负载电阻,R,L,=8的负载提供功率,P,L,，求此时负载获得的功率。若经变压比,K,U,=5的变压器进行变换阻抗后再接入同样的负载，求此时负载的功率,P,L,。（变压器的效率,=90%）,解：,信号源直接接负载时，负载上的功率为：,经变压器变换阻抗后，在原边获得的等效阻抗,经效率,=90%变压器后，负载,R,L,=8上的功率：,由此可知，经变压器变换阻抗后，在负载上获得最大功率传送，实现了信号源与负载的匹配。,在原边等效电阻上获得的功率为：,5.3.2 变压器绕组极性及连接,1绕组极性 同极性端又称为同名端。图5-11中，如果我们从A绕组的1端和B绕组的3端加入同方向电流，则两绕组电流在铁心中产生的磁通互相加强，我们将A绕组的1端和B绕组的3端称为同极性端。同理A绕组的2端和B绕组的4端也是同极性端，同极性端用符号“”或“,*,”表示。,而将A绕组的1端与B绕组的4端或A绕组的2端与B绕组的3端称为异极性端，也称为异名端。,2绕组之间作串联,如果图5-11中两绕组的额定电压均为110V，则将它们串联后可接入220V的电源电网中，为了使绕组电流产生的磁通相互加强，必须将2、3端（异极性）串联后，让余下的1、4端接入电路中。所以线圈作串联时，必须将其异极性相接，否则将损坏线圈，如图5-12左侧绕组。,3绕组之间作并联,如果线圈的额定电流较小，可以将线圈并联后再接入电路中。为了使绕组电流产生的磁通相互加强，必须将其所有的同极性相接，再将两引出线接入电源或负载中，否则将损坏线圈。如图5-12右侧所示，副边绕组作并联后接入负载时的电路。,4绕组极性的判别,由于成品变压器各绕组的绕向（极性）很难看出，故在实际使用变压器时常用测量的方法判别出多绕组变压器的极性。常用的方法有直流法和交流法两种。,1）直流法,又称为三“正”法，如图5-13所示，其1、2为一个绕组A，而3、4为另一绕组B。按图接好线路，合上开关S瞬间，观察电压表指针的偏向，若指针正向偏转，则A绕组的1端与B绕组的3端为同极性端（同时A绕组的2端与B绕组的4端也为同极性端），用符号“”标注。,2）交流法 图5-14所示，将两绕组的任意两端连在一起，例如将2、4端相连，并在其中一个绕组（如A绕组）加上适当交流电压（电压值不要超过低压绕组的额定电压），用交流电压表分别测出1、2端，1、3端和3、4端电压值，如果满足,U,13,=,U,12,+,U,34,，说明2、4端为正确的异极性相连，此时可判别出1、4为同极性端；如果满足,U,13,=,U,12,-,U,34,则可判别出1、3为同极性端。,5.3.3 变压器的额定值,为了正确使用变压器，需要了解其额定值，变压器的额定值主要有：,原绕组的额定电压,U,IN,变压器能长期正常工作时加在原绕组上的电压值，在三相变压器中该电压为线电压。,副绕组的额定电压,U,2N,变压器空载时，加在副边绕组上电压值，在三相压器中为副绕组的线电压。,原绕组的额定电流,I,1N,在保证变压器长期正常工作的情况下，能流过原绕组上的最大电流，在三相变压器中该电流为线电流。,副绕组的额定电流,I,2N,在保证变压器长期正常工作的情况下，能流过副绕组上的最大电流，在三相变压器中该电流为线电流。,变压器的容量,S,用视在功率,S,N,来表示，单位为VA或kVA，定义为变压器副绕组的额定电压与额定电流的乘积，其中单相变压器容量为:,三相变压器容量为:,（5-28）,（5-29）,额定频率,f,原绕组上的电压允许频率，我国规定的标准频率为工频50 Hz。,5.3.4 特殊变压器,本节介绍几种常用的特殊变压器。,自耦变压器与普通变压器不同之处是原、副绕组不是分开而是合二为一，将高压绕组中的部分线圈兼作低压绕组用，构成了单绕组变压器，称为自耦变压器。如图5-15所示。,1自耦变压器,设高压绕组为,N,1,（1、3端），低压绕组为,N,2,（2、3端），在高压绕组1、3端加上,U,1,，理想情况下，低压绕组2、3端输出电压,U,2,为：,（5-30）,当滑动中间抽头2时，,N,2,发生改变，输出电压,U,2,也随之发生变化。,自耦变压器的优点是结构简单，节省材料，效率高。缺点是由于高低压绕组为同一绕组，故对绕组的绝缘程度要求较高，且在使用过程中也较危险。,主要用于扩大电流表量程的一种特殊变压器。其结构原理图如图5-16所示。,使用时将原绕组与待测的负载电路作串联，副绕组与相对应的电流表也作串联构成回路。原绕组的匝数N1一般很少，一匝或几匝，而副绕组匝数N2较多。,2电流互感器,这样负载上的大电流,I,1,经电流互感器变流后，变为小电流,I,2,从电流互感器副绕组输出，该电流经电流表读出，通过变流比（为 ）折算，便可测出负载的电流值 。常用的电流互感器的变流比,K,I,有10/5、20/5、30/5，40/5、50/5、75/5、100/5。互感器副绕组的额定电流一般为5A，例如用变流比为75/5的电流互感器去测量某负载电流，当接在副绕组上电流表的读数为5A 时，负载电流实际为75A。,使用电流互感器时，一定要注意安全。副绕组的一端和金属外壳都必须接地。此外，在原绕组接入电路之前，必须先将副绕组构成闭合回路并且在工作过程中不允许断开。否则铁心急剧发热加大损耗，同时会在副绕组上产生很高的电压危及工作安全。,1电流产生磁场，变化的磁场产生感应的电动势（电流），电流在磁场中受到电磁力，这是变压器和电动机的理论基础。,2电磁感应强度（磁通密度）、磁导率、磁场强度是描述磁场的物理量。自然界存在铁磁物质和非铁磁物质，铁磁物质具有高导磁性、磁饱和性、磁滞性和剩磁性。我们利用具有高导磁性的铁磁物质来作线圈的铁芯。,3变压器是由铁芯和绕在铁芯上的绕组（线圈）构成的。它利用电磁感应原理，将原边从电网吸入的电能通过副边输送到负载上去。,本章小结,5三相变压器可以看成是由三个单相的变压器组成的，高、低压绕组的连接方法常见的有：Y，y、Y，yn和Y，d三种。,4变压器具有变换电压、变换电流和变换阻抗的作用，用公式表示为：,6变压器绕组的绕向不同，使变压器绕组具有极性，在使用多绕组的变压器时，要注意极性的连接。如需要绕组作串联必须将异名端依次串接，余下的两端去接电源；如需要绕组作并联必须将所有同名端连接在一起后再接电源。绕组极性的测定有直流法和交流法。,7电流互感器和自耦调压器是两种特殊的变压器。,