电子电工变压器.ppt

第5章变压器 了解磁路及电磁铁 熟悉变压器的基本结构 工作原理 掌握电压 电流和阻抗变换 了解常用变压器及绕组极性 在很多电工设备 像变压器 电机 电磁铁电工测量仪器等 中 不仅有电路的问题 同时还有磁路的问题 只有同时掌握了电路和磁路的基本理论 才能对电工设备进行全面分析 在电机 变压器及各种铁磁元件中常用磁性材料做成一定形状的铁心 铁心的磁导率比周围空气或其它物质的磁导率高的多 磁通的绝大部分经过铁心形成闭合通路 磁通的闭合路径称为磁路 5 1磁路 一 磁场的基本物理量 电流 磁场 用磁场线描述 磁通 与磁场线垂直的某面积 m2 通过磁场中某一面积的磁场线的总数 单位 韦 伯 Wb 1 磁感应强度B 磁通密度 描述磁场强弱和方向的量 表示与磁场方向相垂直的单位面积上通过的磁通 磁力线 在均匀磁场中 单位 特 斯拉 T 上一页 下一页 2 磁场强度H 计算磁场所用的物理量 其大小为磁感应强度和导磁率之比 方向与B的方向相同 H的大小 只与产生该磁场的电流大小成正比 与介质的性质无关 它反映电流的励磁能力 B的大小 不仅与产生该磁场的电流大小有关 还与介质的性质有关 它反映总磁场的强弱 上一页 下一页 磁导率 表征各种材料导磁能力的物理量 磁性物质具有高导磁性 0两者相差数万倍 铸钢 1000 0 硅钢片 6000 7000 0 上一页 下一页 高导磁性磁性物质的高导磁性被广泛应用于变压器 电机等设备 他们的磁场大多是通过线圈 绕在磁性材料铁心上 的电流来产生的 采用铁心后 在同样电流下 铁心中的磁通将大大增强 而且使磁通绝大部分集中在铁心中 二 磁性物质的磁性能 图5 1 2初始磁化曲线 2 磁饱和性当H增加到一定值后 H继续增加而B的增加很少 3 磁滞性磁性物质具有磁性的倾向 B的变化滞后H的变化 剩磁 图5 1 3磁滞回线 图5 1 4基本磁化曲线 上一页 下一页 不是常数 B H磁化曲线用实验方法绘制 磁性能 线圈通入电流后 产生磁通 分主磁通 通过铁心而闭合 和漏磁通 通过空气等非磁性物质而闭合 铁心 导磁性能好的磁性材料 线圈 三 磁路的基本概念 磁路 通常为简化分析忽略漏磁通 把主磁通通过的路径称磁路 用于定性分析磁路 上一页 下一页 设铁心导磁率 C 截面积AC 中心线长lc 空气导磁率 0 空气隙截面积A0 长l0 磁场在铁心和空气两部分的磁感应强度 磁场在铁心和空气两部分的磁场强度 四 磁路欧姆定律 全电流定律 Hdl I 左边 Hdl HClC H0l0 Rm Rmc Rm0 令 铁心的磁阻 空气隙的磁阻 磁路的磁阻 上一页 下一页 磁场强度沿任一闭合路径的线积分 穿过闭合路径的电流代数和 右边 I NI F 磁路的磁通势 因此 Rm F 磁路欧姆定律 C 0 Rm0 Rmc NI一定时 因Rm0的存在 使 大大减小 上一页 下一页 Hdl I 磁路和电路的比较 磁路 电路 磁通 I N R E I 磁压降 磁通势 U 5 2电磁铁 电磁铁 利用电磁力实现机械动作的电磁元件 都是由线圈 铁心和衔铁组成 电磁铁的工作原理 线圈通电产生磁场后 衔铁被铁心吸住 铁心通常固定不动 衔铁是活动的 带动机构动作 励磁线圈 通电后产生磁场的线圈 励磁电流 通入线圈以产生磁场的电流 电磁铁按励磁电流的不同可分为直流电磁铁和交流电磁铁 线圈电阻消耗的功率 P UI RI2 上一页 下一页 一 直流电磁铁 线圈中没有反电动势 R为线圈的电阻 直流铁心线圈电路 工作时励磁线圈加上直流电压 产生恒定磁通 不会产生感应电动势 2 电磁吸力 线圈通电后铁心和衔铁被磁化 两端形成N和S极 产生电磁吸力 磁通越大电磁吸力越大 衔铁吸合前后的电磁吸力有什么不同 分析 衔铁吸合前后的电流不变 磁路的磁通势不变 衔铁吸合前磁阻大于吸合后磁阻 因而吸合前的磁通小于吸合后的磁通 故吸合前的电磁吸力也小于吸合后的电磁吸力 3 结构特点 直流电磁铁的铁心一般用整块的钢铁制成 为加工方便常做成圆柱形 励磁 u i Ni e e 1 电压与电流关系设 msin t 则 e N mcos t 2 fN msin t 90o 最大值 Em 2 fN m 上一页 下一页 二 交流电磁铁 有效值 E 4 44fN m 交流铁心线圈电路 漏磁通对应的电感称为线圈的漏电感 漏电抗 X L 2 fL 上一页 下一页 电流通过线圈除了产生主磁通外 还产生少量的漏磁通 设线圈电阻为R 有 由KVL有 一般情况下忽略漏阻抗 有 最大值 有效值 根据磁路欧姆定律 当一定时 磁动势IN随磁阻的变化而变化 当外加电压U 频率f与线圈匝数N一定时 便基本不变 交流磁路的特点 U不变 I不变 I随Rm变化 U不变时 基本不变 直流磁路 交流磁路 磁路对照 随Rm变化 2 功率 视在功率 S UI无功功率 Q Ssin 有功功率 P Scos PCu PFe RI2 Ph Pe 涡流损耗 上一页 下一页 铁损包括两部分 1 磁滞损耗Ph 由磁滞现象引起的损耗 磁性物质磁化一周消耗的能量与磁滞回线的面积成正比 2 涡流损耗Pe 涡流在铁心中产生的损耗 在交变磁场中铁心平面内产生涡流状的感应电流 上一页 下一页 减小铁损耗的方法 使用软磁材料 减小磁滞损耗Ph 增大铁心电阻率或用薄硅钢片叠成铁心 减小涡流及其损耗 电磁铁吸合过程的分析 若外加电压不变 则基本不变 i u 2 电磁吸力 交流电磁铁的电磁吸力通常用平均吸力来衡量 在衔铁频繁开合时 励磁线圈中的冲击电流很大 容易过热损坏 3 结构特点 交流电磁铁的铁心和衔铁都是用硅钢片叠成 以减小涡流损耗 电磁吸力随时间变化会引起衔铁振动 降低使用寿命 可在铁心端部装闭合铜环 称短路环 来消除 分析 当一部分磁通穿过短路环时 环内产生感应电流 阻止磁通变化 使穿过短路环的磁通与没有穿过短路环的磁通之间出现相位差 这样这两部分磁通产生的吸力就不会同时为0 消除了衔铁振动 例 一个铁心线圈 加上12V直流电压时电流为1A 加上110V交流时电流为2A 消耗的功率为88W 求后一种情况线圈的铜损耗 铁损耗和功率因数 解 1 线圈施加直流电压时 线圈电阻为 12 2 线圈施加交流电压时 P PCu PFePCu RI2 12 22W 48W PFe P PCu 88 48 W 48W 0 4 上一页 下一页 5 3变压器的基本结构 一 变压器的用途 变压器是利用电磁感应原理制成的 能变换电压 变换电流 变换阻抗的电气设备 输电距离 输电功率与输电电压的关系 输电电压输电功率输电距离110kV5 104kW50 150km220kV 20 30 104kW200 400km500kV100 104kW 500km 上一页 下一页 110kV 220kV330kV 500kV 电能 负荷 升压变压器 远距离输电 降压变压器 10kV 10kV6kV380V220V 1 在电力系统中 当输送的功率和负载功率因素一定时 根据 若电压越高 则线路电流越小 这不仅可减小输电导线的截面积 节省材料 还可以减小线路的功率损耗 2 在电子线路中 变压器除了用作电源变压器外 还可以变换阻抗 用来耦合电路 传递信号 实现阻抗匹配 3 在测试技术中 为了测量交流高电压 大电流 需要使用电压互感器和电流互感器 即仪用变压器 4 此外利用变压器原理还可以制成一些专用变压器 例如电压可调的自耦变压器 焊接用的电焊变压器 加热用的电路变压器等 1 铁心 用硅钢片叠成 2 绕组 线圈 接电源的绕组 一次绕组 接负载的绕组 二次绕组 或工作电压高的绕组 高压绕组 工作电压低的绕组 低压绕组 3 其他 油箱 油 油枕 散热器 保护设备等 上一页 下一页 二 变压器的结构 铁心 变压器 5 4变压器的工作原理 一次 二次绕组互不相连 能量传递靠磁耦合 一 电压变换 一次侧接交流电源 二次侧开路 空载时铁心中主磁通 是一次绕组的磁通势产生的 2020 3 16 36 可编辑 设加在一次侧的为正弦交流电压 有效值 同理 则主磁通设为 1 一次 二次侧主磁通感应电动势 变压器的电压比 变压器的一次与二次绕组的电动势之比 K为变比 一次侧等效电路如图 由于电阻R1和感抗X1 或漏磁通 较小 其两端的电压也较小 与主磁电动势E1比较可忽略不计 则 2 一次 二次侧电压 图中R1为一次侧绕组的电阻 X1 L 1为一次侧绕组的感抗 根据KVL 二次侧等效电路如图 根据KVL 结论 1 空载时的电压比更接近变压器的电压比 2 改变匝数比 就能改变输出电压 式中R2为二次绕组的电阻 X2 L 2为二次绕组的感抗 为二次绕组的端电压 变压器空载时 U20为变压器空载电压 变压器的外特性 在二次绕组接负载后 负载变化会引起U2变化 当U1和cos 2不变时 U2和I2的关系为 U2N 一次侧加额定电压时二次侧开路时的输出电压 一般电压变化率约在2 3 左右 供电系统希望电压变化率越小越好 电压变化率 2 0 8 容性 某单相变压器的额定电压为10000 230V 接在10000V的交流电源上向一电感性负载供电 电压调整率为0 03 求变压器的电压比及空载和满载时的二次侧电压 解 例 电压比 43 5 空载电压 230V 满载电压 230 1 0 03 V 223V U20 U2N U2 U2N 1 U 上一页 下一页 一次侧接交流电源 二次侧接负载 有载时铁心中主磁通 是一次 二次绕组磁通势共同产生的合成磁通 二 电流变换 副边带负载后 副边感应电压副边线圈中有电流i2电流i2也产生磁通 力图改变主磁通 问题 二次侧接有负载后 为什么一次侧的电流增加 但当外加电压 频率不变时 主磁通是不变的 因此一次侧电流就要分两部分 一部分为激磁电流i10 另一部分为i 1 随着i2变化而变化 用来平衡i2的影响 铁芯中主磁通的最大值在变压器空载或有负载时基本不变 因此有载时的磁通势应该和空载时的磁通势相等 即为 结论 一次 二次侧电流与匝数成反比 磁势平衡式 有载磁势 由于变压器铁芯材料的导磁率高 空载励磁电流很小 可忽略 即 例 有一变压器 U1 380V U2 36V 如果接入一个36V 60W的灯泡 求 一 二次侧的电流各是多少 解 灯泡属于纯电阻负载 功率因素为1 因此二次侧电流为 一次侧电流 结论 变压器一次侧的等效阻抗模 为二次侧所带负载的阻抗模的K2倍 忽视漏阻抗和空载电流 从原边等效 三 阻抗变换 一只电阻为8 的扬声器 喇叭 需要把电阻提高到800 才可以接入半导体收音机的输出端 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 解 例 10 R k2RL 上一页 下一页 例 如图信号源的电动势E 12V 内阻R0 1K 负载电阻为RL 2 变压器变比为 10 求 负载上的电压U2 解 一次侧的等效负载 二次侧电压 四 功率传递 一次绕组的视在功率 S1 U1I1 二次绕组的视在功率 S2 U2I2 变压器的额定容量 SN U2NI2N U1NI1N 输入功率 P1 U1I1cos 1 输出功率 P2 U2I2cos 2 变压器的损耗 P P1 P2 PCu PFe 铜损耗 PCu R1I12 R2I22 可变损耗 上一页 下一页 与负载大小有关 不变损耗 PFe Ph Pe 铁损耗 效率 电力变压器 当I2 60 80 I2N时 max 小型电力变压器 80 90 大型电力变压器 98 99 上一页 下一页 与负载无关 一变压器容量为10kV A 铁耗为300W 满载时的铜耗为400W 求该变压器在满载时向功率因数为0 8的负载供电时输入和输出的有功功率及效率 解 例 忽略电压变化率 则 P2 SNcos 2 10 103 0 8W 8kW P PCu PFe 300 400 W 0 7kW P1 P2 P 8 0 7 kW 8 7kW 92 上一页 下一页 加直流 加交流 变压器不能变换直流 电路方程 一般情况下很小 变压器如果加上直流 有可能烧毁变压器 当较大时 会产生很大的电流 这样会烧毁变压器 二次侧不能短路 以防产生过流 2 低压绕组的一端接地 以防在绝缘损坏时 在二次侧出现高压 使用注意事项 被测电压 电压表读数 N1 N2 一 仪用互感器 5 5常用变压器 电流表 被测电流 电流表读数 N2 N1 二次侧不能开路 以防产生高电压 2 低压绕组的一端接地 以防在绝缘损坏时 在二次侧出现过压 2 电流互感器 实现用低量程的电流表测量大电流 使用注意 二 自耦变压器 1 自耦变压器的结构 N1 N2 自耦变压器 2 自耦变压器的工作原理 k 上一页 下一页 原副边共用一个绕组 使低压绕组成为高压绕组的一部分 注意 一次 二次侧千万不能对调使用 否则电流会迅速增加以防变压器损坏 将自耦变压器的铁心做成圆形 副边抽头做成滑动的触头 手柄转动触头时就改变了副边匝数 调节了输出电压的大小 这种变压器称为自耦调压器 接通电源前 应先将滑动触头调到零位 通电后再改变滑动端的位置 获得不同的输出电压 三 三绕组变压器 1 结构 有三个绕组 高中低绕组 2 各绕组间的电压关系 k12 k13 k23 上一页 下一页 例如机床控制变压器 高压绕组380V 中压绕组接220V 给机床的控制电器用 低压绕组接36V 给机床照明灯用 3 各绕组间的电流关系 在满载或接近满载时 I0可忽略不计 4 容量 SN U1NI1N 工作时应当保证各个绕组的视在功率不超过其绕组容量 上一页 下一页 高压绕组 U2 V2 W2 尾端 U1 V1 W1 首端 低压绕组 u1 v1 w1 首端 u2 v2 w2 尾端 五种标准联结方式 GB Y ynY dYN dY yYN y 常用的三种 三相变压器 变换三相电压的变压器 按变换方式不同分三相组式变压器 三个完全相同的单相变压器组成 和三相心式变压器 结构如图 5 6三相变压器 1 Y yn联结 线电压之比 三相绕组变压器的匝数比为不同联结方式的线电压之比不同 2 Y d联结 线电压之比 某三相变压器SN 10kV A U1N U2N 10000 400V Y D联结 向 2 cos 2 0 9的感性负载供电 满载时二次绕组的电压为380V 求 1 满载时一 二次绕组的线电流 相电流 2 输出的有功功率 例 解 1