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1、第第 5 章章 变变 压压 器器5.1 磁磁 路路 5.2 电磁铁电磁铁 5.3 变压器的工作原理变压器的工作原理 5.4 变压器的基本结构变压器的基本结构 5.5 三相变压器三相变压器 *5.6 仪用互感器仪用互感器 *5.7 自耦变压器自耦变压器 *5.8 三绕组变压器三绕组变压器 *5.9 绕组的极性绕组的极性 1 15.1 磁磁 路路一、磁场的基本物理量一、磁场的基本物理量 单位：特单位：特 斯拉斯拉 (T)，1 T=1 Wb/m2 1.1.磁通磁通磁通磁通 磁场中穿过某一截面积磁场中穿过某一截面积 A 的磁感线数。的磁感线数。单位：韦单位：韦伯伯（Wb）。）。2.2.磁感应强度磁感应
2、强度磁感应强度磁感应强度 BB 描述介质中的实际磁场强弱和方向。描述介质中的实际磁场强弱和方向。B 是一个矢量，其方向为磁场的方向是一个矢量，其方向为磁场的方向 大小：大小：磁通密度磁通密度 AB=电流电流 磁场磁场用磁感线描述用磁感线描述2大连理工大学电气工程系大连理工大学电气工程系3.3.磁场强度磁场强度磁场强度磁场强度 HH H 是进行磁场计算引进的辅助物理量。是进行磁场计算引进的辅助物理量。H 是一个矢量，是一个矢量，其方向其方向 B 与相同。与相同。H 与与 B 的区别：的区别：(1)H I，与介质的性质无关。，与介质的性质无关。(2)B 与电流的大小和介质的性质均有关。与电流的大小
3、和介质的性质均有关。单位：安单位：安/米（米（A/m）。）。4.4.磁导率磁导率磁导率磁导率 是用来表示媒质导磁能力的物理量。是用来表示媒质导磁能力的物理量。BH =（H/m）真空中的磁导率：真空中的磁导率：0=4 107 H/m 3大连理工大学电气工程系大连理工大学电气工程系二、物质的磁性能二、物质的磁性能 0（为常数）为常数）(1)顺磁物质顺磁物质 例如变压器油和空气：例如变压器油和空气：略大于略大于 0。(2)反磁物质反磁物质 例如铜和铋：例如铜和铋：略小于略小于 0。自然界的物质按磁导率分类：自然界的物质按磁导率分类：非磁性物质、磁性物质。非磁性物质、磁性物质。非磁性物质：非磁性物质：
4、磁性物质的磁性能主要有以下三点。磁性物质的磁性能主要有以下三点。4大连理工大学电气工程系大连理工大学电气工程系 i 1.1.高导磁性高导磁性高导磁性高导磁性 0 常用磁性材料的磁导率常用磁性材料的磁导率 铸钢：铸钢：1 000 0 硅钢片：硅钢片：(6 000 7 000)0 坡莫合金：坡莫合金：(20 000 200 000)0 磁性物质的高导磁性磁性物质的高导磁性 被广泛应用于变压器被广泛应用于变压器 和电机中。和电机中。u主磁通主磁通 漏磁通漏磁通 铁心铁心 励磁绕组励磁绕组 主磁通主磁通 漏磁通。漏磁通。5大连理工大学电气工程系大连理工大学电气工程系2.2.磁饱和性磁饱和性磁饱和性磁饱
5、和性B HO 初始磁化曲线初始磁化曲线 3.3.磁滞性磁滞性磁滞性磁滞性 剩磁剩磁 矫顽矫顽 磁力磁力 HmHm Hc Hc B HOBrBr 磁滞回线磁滞回线BHO 基本磁基本磁 化曲线化曲线 6大连理工大学电气工程系大连理工大学电气工程系 磁性物质的分类：磁性物质的分类：硬磁物质、软磁物质、矩磁物质硬磁物质、软磁物质、矩磁物质。铸铁和硅钢的磁化曲线铸铁和硅钢的磁化曲线 7大连理工大学电气工程系大连理工大学电气工程系三、磁三、磁路欧姆定律路欧姆定律 c Ac lc 0A0l0UI 根据全电流定律：根据全电流定律：Bc=Ac Hc=Bc c c Ac=B0=A0 H0=B0 0 0 A0=铁心
6、中：铁心中：气隙中：气隙中：H dl=I 8大连理工大学电气工程系大连理工大学电气工程系左边左边=Hc lcH0 l0 l0 0 A0 lc c Ac=()l0 0 A0 lc c Ac =(RmcRm0)=Rm Rm=RmcRm0l0 0 A0 lc c Ac=Rmc、Rm0、Rm 铁心、空气隙、磁路的磁阻。铁心、空气隙、磁路的磁阻。右边右边=I=N I 或或 I=F（磁通势）磁通势）磁路欧姆定律磁路欧姆定律:Rm =F =FRm或或 9大连理工大学电气工程系大连理工大学电气工程系 磁路中的气隙的影响磁路中的气隙的影响 因为因为 c 0，所以所以 Rm0 Rmc 当当F 一定时，一定时，因因
7、 Rm0 的存在，使的存在，使 大大减小。大大减小。若要保持若要保持 一定，则需增大磁通势一定，则需增大磁通势 F。10大连理工大学电气工程系大连理工大学电气工程系5.2 电电 磁磁 铁铁 电磁铁的常见结构形式电磁铁的常见结构形式 电磁铁的种类：电磁铁的种类：直流电磁铁、交流电磁铁。直流电磁铁、交流电磁铁。励磁励磁 线圈线圈 铁心铁心 衔铁衔铁 励磁励磁 线圈线圈 衔铁衔铁 铁心铁心 铁心铁心 励磁励磁 线圈线圈 衔铁衔铁 衔铁衔铁 铁心铁心 励磁励磁 线圈线圈 11大连理工大学电气工程系大连理工大学电气工程系一、直流电磁一、直流电磁铁铁 U S N N SIf U I N I URI=(1)
8、电压与电流的关系电压与电流的关系(2)线圈的功率：线圈的功率：P=R I 2 2.2.电磁吸力电磁吸力电磁吸力电磁吸力 衔铁吸合后衔铁吸合后磁阻磁阻 1.1.直流直流直流直流铁心线圈电路铁心线圈电路铁心线圈电路铁心线圈电路 I 不变不变 f 12大连理工大学电气工程系大连理工大学电气工程系二、交流电磁二、交流电磁铁铁 1.1.交流交流交流交流铁心线圈电路铁心线圈电路铁心线圈电路铁心线圈电路u i Ni e d dt=N d dte =N(1)电压与电流关系电压与电流关系设设 =m sin t则则 e=N m cos t =N m sin(t90o)Em=N m =2 f N m u i f e
9、 13大连理工大学电气工程系大连理工大学电气工程系E=4.44 f N m 漏磁通磁路对应的电感漏磁通磁路对应的电感 N iL =漏感抗（漏电抗）漏感抗（漏电抗）X=L =2 f L U=URE E =Ej L IRI=E(Rj L )I=EZ I 漏阻抗漏阻抗 E=j4.44 f Nm u i e 14大连理工大学电气工程系大连理工大学电气工程系U=E 忽略漏阻抗，有忽略漏阻抗，有U4.44 f N m=则则 当当 U、f 一定时，一定时，m 基本不变。基本不变。(2)功率功率视在功率视在功率:S=U I无功功率无功功率:Q=S sin 有功功率有功功率:P=S cos =PCuPFe 铜损
10、耗铜损耗 铁损耗铁损耗=RI2+(PhPe)磁滞损耗磁滞损耗 涡流损耗涡流损耗 15大连理工大学电气工程系大连理工大学电气工程系 磁滞损耗磁滞损耗 Ph 涡流损耗涡流损耗 Pe 铁损耗使铁心发热。铁损耗使铁心发热。减小铁损耗的方法减小铁损耗的方法 使用软磁材料减小使用软磁材料减小Ph；增大铁心的电阻率，增大铁心的电阻率，减小涡流及其损耗减小涡流及其损耗；用很薄的硅钢片叠成铁心，用很薄的硅钢片叠成铁心，减小涡流及其损耗减小涡流及其损耗。(a)(b)16大连理工大学电气工程系大连理工大学电气工程系(1)变化变化 f 变化变化 电磁吸力用平均值衡量。电磁吸力用平均值衡量。m 不变不变 fm 不变。不
11、变。(2)衔铁吸合后衔铁吸合后磁阻磁阻 起动电流起动电流 工作电流。工作电流。3.3.结构特点结构特点结构特点结构特点(1)铁心和衔铁用硅钢片叠成。铁心和衔铁用硅钢片叠成。(2)加短路环消除衔铁的振动。加短路环消除衔铁的振动。2.2.电磁吸力电磁吸力电磁吸力电磁吸力 m 不变不变 磁通势磁通势 励磁电流励磁电流 Of t f fm 平均吸力平均吸力 17大连理工大学电气工程系大连理工大学电气工程系 例例5.2.1 一铁心线圈，加上一铁心线圈，加上 12 V 直流电压时，电直流电压时，电 流为流为1 A；加上；加上 110 V 交流电压时，电流为交流电压时，电流为 2 A，消耗的，消耗的 功率为
12、功率为 88 W。求后一种情况下线圈的铜损耗、铁损耗和。求后一种情况下线圈的铜损耗、铁损耗和 功率因数。功率因数。解解 由直流电压和电流求得线圈的电阻为由直流电压和电流求得线圈的电阻为 由交流电流求得线圈的铜损耗为由交流电流求得线圈的铜损耗为 PCu=RI2=1222 W=48 W 由有功功率和铜损耗求得线圈的铁损耗为由有功功率和铜损耗求得线圈的铁损耗为 PFe=PPCu=(88 48)W=40 W 功率因数为功率因数为R=12 U I 12 1 =cos =0.4 P UI 88 1102 18大连理工大学电气工程系大连理工大学电气工程系 u2 e1 e2 u1ZL i2i1 1 2 5.3
13、 变压器的工作原理变压器的工作原理 电磁关系电磁关系 一次绕组一次绕组 二次绕组二次绕组 用图形符号表示用图形符号表示 的变压器电路的变压器电路 ZL U1I1 I2 U2 E1 E2 19大连理工大学电气工程系大连理工大学电气工程系一、电压变换一、电压变换 =E1Z1I11.1.一次侧电压方程一次侧电压方程一次侧电压方程一次侧电压方程 R1、X1 和和 Z1 一次绕组的电阻、漏电抗和漏阻抗。一次绕组的电阻、漏电抗和漏阻抗。U2=ZLI2 E1=j4.44 f N1 m U1=E1(R1jX1)I1 2.二次侧电压方程二次侧电压方程 E2=j4.44 f N2 m=E2Z2I2 U2=E2(R
14、2jX2)I2 R2、X2 和和 Z2 二次绕组的电阻、漏电抗和漏阻抗。二次绕组的电阻、漏电抗和漏阻抗。u2 e1 e2 u1ZL i2i1 1 2 20大连理工大学电气工程系大连理工大学电气工程系U1=Z1I1E1U2=E2 Z2I2E1E2电压比电压比:=N1N2 E1E2k=变压器空载时变压器空载时:I2=0，I1=I010%I1N U2=E2，U1E1U1U2=N1N2=k3.3.电压比电压比电压比电压比 21大连理工大学电气工程系大连理工大学电气工程系 规定规定:当当 U1=U1N 时时,U1N U2NU2=U2N 如铭牌上标注如铭牌上标注:电压电压 10 000/230V22大连理
15、工大学电气工程系大连理工大学电气工程系U2=E2Z2I2 当当 U1=U1N，cos 2 不变时：不变时：U2=f(I2)U2 I2OU2Ncos 2=1cos 2=0.8(感性感性)cos 2=0.8(容性容性)VR=U2NU2 U2N100%电力变压器：电力变压器：VR 5%4.4.变压器的外特性变压器的外特性变压器的外特性变压器的外特性 电压调整率电压调整率 23大连理工大学电气工程系大连理工大学电气工程系 例例5.3.1 某单相变压器的额定电压为某单相变压器的额定电压为 10 000/230 V 接在接在 10 000 V 的交流电源上向一电感性负载供电，电压的交流电源上向一电感性负载
16、供电，电压 调整率为调整率为 0.03，求变压器的电压比、空载和满载时的二，求变压器的电压比、空载和满载时的二 次电压。次电压。解解 变压器的电压比为变压器的电压比为 空载时的二次电压为空载时的二次电压为 U20=U2N=230 V 满载时的二次电压为满载时的二次电压为 U2=U2N(1 VR)=230(1 0.03)V=223 V k=43.5 U1N U2N 10 000 230 24大连理工大学电气工程系大连理工大学电气工程系二、电流变换二、电流变换 U1NE1=4.44 f N1m U1N4.44 f N1m N1I1N2I2=N1I0 磁通势平衡方程：磁通势平衡方程：I1=I2 N2
17、N1N1I1N2I2=0 忽略忽略 I0：I1I2N2N1=1k25大连理工大学电气工程系大连理工大学电气工程系 例例5.3.2 在例在例5.3.1 中，中，ZL=0.966 时正好满载，时正好满载，求该变压器的电流。求该变压器的电流。解解 变压器的电压比为变压器的电压比为 I2=A=224 A U2 ZL 223 0.966 I1=A=5.15 A I2 k 224 43.5 26大连理工大学电气工程系大连理工大学电气工程系三、阻抗变换三、阻抗变换 忽略忽略 Z1、Z2、I0，则，则 =U1U2I2I1=N1N2=k=kU2I2/kU2I2=k2|Ze|=U1I1|Ze|=k2|ZL|U1I
18、1I2U2ZLZeU1I1 例例5.3.3 一只电阻为一只电阻为 8 的扬声器的扬声器(喇叭喇叭)，需要把，需要把电阻提高到电阻提高到 800 才可以接入半导体收音机的输出端，才可以接入半导体收音机的输出端，问问 应该利用电压比为多大的变压器才能实现这一阻抗匹配。应该利用电压比为多大的变压器才能实现这一阻抗匹配。解解 k=10 ReRL8008 27大连理工大学电气工程系大连理工大学电气工程系四、功率传递四、功率传递 1.1.一次绕组的视在功率一次绕组的视在功率一次绕组的视在功率一次绕组的视在功率 S1=U1I12.2.二次绕组的视在功率二次绕组的视在功率二次绕组的视在功率二次绕组的视在功率
19、S2=U2I23.3.输入功率输入功率输入功率输入功率 P1=U1I1cos 1 4.4.输出功率输出功率输出功率输出功率 P2=U2I2cos 25.5.变压器的损耗变压器的损耗变压器的损耗变压器的损耗 P=PFePCu 可变损耗可变损耗(1)铜损耗铜损耗 PCu=R1I12+R2I22(2)铁损耗铁损耗 PFe=PhPe 6.6.效率效率效率效率 P1P2 =100%不变损耗不变损耗 小型电力变压器小型电力变压器 =80%90%大型电力变压器大型电力变压器 =98%99%28大连理工大学电气工程系大连理工大学电气工程系解解 忽略电压调整率，则忽略电压调整率，则 P2=SNcos 2=101
20、030.8 W=8 kW P=PFePCu=(300400)W=700 W P1=P2P=(8 000700)W=8.7 kW 例例5.3.4 一变压器容量为一变压器容量为 10 kVA，铁损耗为，铁损耗为 300 W，满载时铜损耗为满载时铜损耗为 400 W，求该变压器在满载情况下向功率，求该变压器在满载情况下向功率 因数为因数为 0.8 的负载供电时输入和输出的有功功率及效率的负载供电时输入和输出的有功功率及效率。P1P2 =100%8 8.7=100%=92%29大连理工大学电气工程系大连理工大学电气工程系5.4 变压器的基本结构变压器的基本结构一、主要部件一、主要部件 1.1.铁心铁心
21、铁心铁心 用硅钢片叠成。用硅钢片叠成。2.2.绕组（线圈）绕组（线圈）绕组（线圈）绕组（线圈）高压绕组和低压绕组同心地套在铁心上。高压绕组和低压绕组同心地套在铁心上。3.3.其他其他其他其他 油箱、油、储油柜、绝缘套管、保护设备等。油箱、油、储油柜、绝缘套管、保护设备等。30大连理工大学电气工程系大连理工大学电气工程系1.1.按相数分类按相数分类按相数分类按相数分类 三相变压器、单相变压器。三相变压器、单相变压器。2.2.按每相绕组的个数分类按每相绕组的个数分类按每相绕组的个数分类按每相绕组的个数分类 双绕组变压器、三绕组变压器、自耦变压器。双绕组变压器、三绕组变压器、自耦变压器。3.3.按结
22、构分类按结构分类按结构分类按结构分类 心式变压器、壳式变压器。心式变压器、壳式变压器。3.3.按冷却方式分类按冷却方式分类按冷却方式分类按冷却方式分类 干式干式变压器变压器、油浸式、油浸式变压器变压器。二、主要种类二、主要种类 31大连理工大学电气工程系大连理工大学电气工程系 心式变压器心式变压器 铁心铁心 绕组绕组 壳式变压器壳式变压器 铁心铁心 绕组绕组 32大连理工大学电气工程系大连理工大学电气工程系 S9 型型 10 kV 三相油浸配电变压器三相油浸配电变压器 33大连理工大学电气工程系大连理工大学电气工程系 树脂浇注干式变压器树脂浇注干式变压器 34大连理工大学电气工程系大连理工大学
23、电气工程系5.5 三相变压器三相变压器一、三相变压器的种类一、三相变压器的种类 1.1.三相组式变压器三相组式变压器三相组式变压器三相组式变压器U1 U2u1 u2V1 V2v1 v2W1 W2w1 w235大连理工大学电气工程系大连理工大学电气工程系2.2.三相心式变压器三相心式变压器三相心式变压器三相心式变压器 U1U2u1u2V1V2v1v2W1W2w1w236大连理工大学电气工程系大连理工大学电气工程系 连接方式连接方式 高压绕组高压绕组 低压绕组低压绕组 星形有中性线星形有中性线 YN yn 星形无中性线星形无中性线 Y y 三角形三角形 D dGB:Yyn、Yd、YNd、Yy、YN
24、y二、三相绕组的连接方式二、三相绕组的连接方式最常用的三种最常用的三种 37大连理工大学电气工程系大连理工大学电气工程系 例例5.5.1 某三相变压器，某三相变压器，Y,d 联结，联结，SN=500 kVA，U1N/U2N=10000/400kV，向求，向求 2=0.9 感性负载供电。满载时感性负载供电。满载时二次绕组的线电压为二次绕组的线电压为380 V。求：。求：(1)满载时一次、二次绕组的线电流和相电流；满载时一次、二次绕组的线电流和相电流；(2)输出的有功功率。输出的有功功率。解解 (1)满载时一次、二次绕组的电流满载时一次、二次绕组的电流 38大连理工大学电气工程系大连理工大学电气工
25、程系相电流为相电流为(2)输出的有功功率输出的有功功率 39大连理工大学电气工程系大连理工大学电气工程系*5.6 仪用互感器仪用互感器一、电压互感器一、电压互感器 U1 U2=ku N1 N2 国产互感器：国产互感器：U2N=100 V2.2.使用注意使用注意使用注意使用注意(1)二次绕组禁止短路。二次绕组禁止短路。(2)二次绕组与铁心必须接地。二次绕组与铁心必须接地。1.1.工作原理工作原理工作原理工作原理 空载运行的降压变压器。空载运行的降压变压器。u1 Vu1u240大连理工大学电气工程系大连理工大学电气工程系 E2 二、电流互感器二、电流互感器 1.1.工作原理工作原理工作原理工作原理
26、 短路运行的升压变压器。短路运行的升压变压器。I1 I2=ki N2 N1 国产互感器：国产互感器：I2N=5 A 2.2.使用注意使用注意使用注意使用注意(1)二次绕组禁止开路。二次绕组禁止开路。开路时：开路时：I2=0，I1 不变不变 (2)一次绕组工作电压较高时，一次绕组工作电压较高时，二次绕组与铁心必须接地。二次绕组与铁心必须接地。Ai2i1N1 N2 1 2 匝匝41大连理工大学电气工程系大连理工大学电气工程系*5.7 自耦变压器自耦变压器一、结构一、结构 手柄手柄 接线柱接线柱 调压器调压器 手柄手柄 绕组绕组 接触臂接触臂 42大连理工大学电气工程系大连理工大学电气工程系二、工作
27、原理二、工作原理 I+U2I1E1E2U1 I2 降压自耦变压器降压自耦变压器 升压自耦变压器升压自耦变压器 I N1N2+U1I1E1E2 U2I2忽略漏阻抗，则忽略漏阻抗，则=U1 U2E1 E2=N1 N2=k 43大连理工大学电气工程系大连理工大学电气工程系*5.8 三绕组变压器三绕组变压器 有三个绕组和三个电压等级。有三个绕组和三个电压等级。三绕组三绕组变压器变压器 =k12 U1 U2=N1 N2=k13 U1 U3=N1 N3=k23 U2 U3=N2 N3 各绕组间的电压关系各绕组间的电压关系 N1N3N2I1I2U1I3U2U3ZL3ZL244大连理工大学电气工程系大连理工大
28、学电气工程系 各绕组间的电流关系各绕组间的电流关系 在满载或接近满载时，在满载或接近满载时，I0 可忽略不计，则可忽略不计，则 N1I1+N2I2+N3I3=N1I0 N1I1+N2I2+N3I3=0 容量容量 SN=U1NI1N 工作时应当保证各个绕组的视在功率不超过工作时应当保证各个绕组的视在功率不超过 其绕组容量。其绕组容量。45大连理工大学电气工程系大连理工大学电气工程系*5.9 绕组的极性绕组的极性(a)绕向相同绕向相同 U1 与与 u1 是同极性端是同极性端(同名端同名端)U1 与与 u2 是异极性端是异极性端(异名端异名端)U1 U2 u1u2(b)绕向相反绕向相反 U1 与与 u2 是同极性端是同极性端(同名端同名端)U1 与与 u1 是异极性端是异极性端(异名端异名端)U1 U2 u1u246大连理工大学电气工程系大连理工大学电气工程系(a)绕向相同绕向相同 (b)绕向相反绕向相反 绕组极性的标注方法绕组极性的标注方法 U1U2u1u2U1U2u2u147大连理工大学电气工程系大连理工大学电气工程系110V110V220V(a)绕组的串联绕组的串联 (b)绕组的并联绕组的并联 绕组的正确接法绕组的正确接法 110V110V110V48大连理工大学电气工程系大连理工大学电气工程系第第 5 章章 结结 束束 下一章下一章 上一章上一章 返回主页返回主页