Chapter4-Transer剖析.ppt

1、1,Chapter 4 Transformer,4.4 三相变压器及 特殊变压器,4.1 变压器的基础知识,4.2 变压器的工作原理 及运行性能,4.3 绕组的极性,Function of transformer,3,在能量传输过程中，当输送功率P =UI cos 及负载功率因数cos 一定时：,变压器应用举例,电力工业中常采用高压输电低压配电，实现节能并保证用电安全。具体如下：,1. 按用途分类 电力变压器、配电变压器、整流变压器、 电焊变压器、船用变压器、电源变压器等。 2. 按相数分类 三相变压器、单相变压器。 3. 按每相绕阻的个数分类 双绕阻变压器、三绕阻变压器、自耦变压器。 4.

2、按冷却方式分类 干式变压器、油浸式变压器。 5. 按结构分类 心式变压器、壳式变压器。,变压器的种类,6,7,8,将电压降低到电气设备工作电压的变压器称为配电变压器，该类变压器作为日常照明和工厂动力用，一般低压为0.4kV及以下。电力网中所用到的所有变压器统称为电力变压器，即为配电前用的各级变压器，一般低压为3kV及以上。,变压器的种类,9,4.1 变压器的基础知识,一、磁路基础,磁通 ：磁场中穿过某一截面积 A 的磁感线数。 单位：韦伯（Wb）。,磁场是由电流产生的，磁场用磁感线描述。,磁性物质的高导磁性 被广泛应用于变压器 和电机中。, u ,主磁通,漏磁通,铁心,励磁绕组, 由于铁心的高

3、导磁性， 主磁通 漏磁通。,11,11,1、磁感应强度 B,与磁场方向相垂直的单位面积上通过的磁通（磁力线）,3、磁场强度 H,磁场强度是计算磁场所用的物理量。,相 关 概 念,4. 磁场中的欧姆定律,B的单位：特,真空中的磁导率为常数,12,5. 安培环路定律（全电流定律）：,磁场中任何闭合回路磁场强度的线积分,等于通过这个闭合路径内电流的代数和。,均匀无分支磁路中：,电流方向和磁场强度的方向符合右手定则，电流取正；否则取负。,磁路：主磁通所经过的闭合路径。,1. 磁路,线圈通入电流后，产生磁通，分主磁通和漏磁通。,对于均匀磁路,(1). 磁路的欧姆定律,有：,其中：,Rm 称为磁阻,磁导率

4、,Fm 称为磁动势,15,磁路和电路的比较（一）,磁 路,电 路,I,N,R,+,_,E,I,磁通,磁压降,磁动势,电压降,电动势,电流,U,16,欧姆定律,磁阻,磁感应 强度,安培环路 定律,磁 路,I,N,欧姆定律,电阻,电流 强度,磁路与电路的比较 (二),电 路,R,+,_,E,I,电路方程：,一般情况下 很小,且忽略漏磁通。,(2). 交流磁路的分析,的感应电势,和 产生,电路方程：,假设,则,最大值,有效值,二、 变压器的基本结构,主要部件：,1. 铁心 （变压器的磁路） 用硅钢片叠成。 2. 绕组（线圈） 变压器的电路 高压绕组和低压绕组同心地套在铁心上。 3. 其他 油箱、油、

5、油枕、绝缘导管、保护设备等。,按铁心与绕组的相对位置不同变压器可分为心式变压器和壳式变压器。,心式变压器 （绕组包围铁心）,壳式变压器 （铁心包围绕组）,单相变压器原理图,变压器符号,铁心,原边绕组N1,工作过程：,副边绕组N2,一次、二次绕组互不相连，能量的传递靠磁耦合。,（1） 变压器的型号,三、 变压器的铭牌和技术数据, 额定电压 U2N原边接U1N时，副边绕组的开路电压, 额定电流 变压器满载运行时，原、副边绕组允许的电流值。,（2） 额定值, 额定容量 ：额定视在功率,（理想）, 额定频率：fN 我国变压器的额定频率为50赫兹,注意：变压器几个功率的关系,26,A transform

6、er is a device that couples two AC circuits magnetically rather than through any direct conductive connection and permits a “transformation” of the voltage and current between one circuit and the other. Transformers play a major role in electric power engineering and are a necessary part of the elec

7、tric power distribution network.,4.2 变压器的工作原理及运行性能, u2 ,电磁关系, u1 ,一次绕组,二次绕组,用图形符号表示 的变压器电路,一、变压器的空载运行 ： 原边接入额定正弦电源，副边开路。,接通交流电源,i0 产生磁通,（交变）,一次测电压方程,I2 = 0 I1 = I010% I1N U2 = U20 = E2 U1E1,变压器空载时, U2 ,原边漏阻抗,结论：改变匝数比，就能改变输出电压。,K为变压比,原、副边电压关系,根据交流磁路的分析可得：,时,（变电压）,二、变压器的负载运行 ：,ZL,副边带负载后对磁路的影响： 在副边感应电压

8、的作用下， 副边线圈中有了电流 i2 。此 电流在磁路中也会产生磁通，从而影响原边电流 i1。但当外加电压、频率不变时，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 。 带负载后磁动势的平衡关系为：,1、负载运行时的物理现象,2、电流变换,U1NE1 = 4.44 f N1m,N1i1 N2i2,N1i0 ,磁动势平衡方程：,由于变压器铁芯材料的导磁率高、空载励磁电流 i0很小，可忽略 。即,(1) i1 与 i2 反相位 i10 时，i2 0，即 i2 是去磁的。保持主磁通不变。 (2) i1 与 i2 的大小关系, 电流变换, 变压器的额定电流标注在铭牌上（ I1N / I2N）。,

9、结论：原、副边电流与匝数成反比,3、电压变换,（1）. 一次测电压方程, R1、X1 和 Z1 一次绕组的电阻、漏电抗和漏阻抗。,(2). 二次测电压方程, R2、X2 和 Z2 二次绕组的电阻、漏电抗和漏阻抗。,规定 U1 = U1N 时， U20 = U2N 。 如铭牌上标注： 10 000 / 230 V U1N / U2N,U2 E2 U1E1,(3). 电压比,若忽略原、副绕组的漏磁阻抗Z1和Z2的电压降，则,一般取高压绕组的 电压与低压绕组的电 压之比，即 k1。, 一般 U2N 比满载时的 电压高 5% 10% 。,36,（2）高压绕组匝数多，电流小；低压绕组匝数少，电流大。,（

10、1）升压变压器的一次侧为低压绕组，二次侧为高压绕组；降压变压器的一次侧为高压绕组，二次侧为低压绕组。,（3）二次侧电流 由负载决定，一次侧电流由二次侧电流决定。,（4）变压器不能变换直流电压。如误接，因此时电源电压全部加在一次侧绕组上，可能烧坏绕组。,注意,37,The Ideal Transformer,The ideal transformer consists of two coils that are coupled to each other by some magnetic medium. There is no electrical connection between the

11、coils.,The coil on the input side is termed the primary coil(初级线圈,原边）,The coil on the output side is termed the secondary coil(次级线圈,副边）,38,The Ideal Transformer,The primary coil is wound so that it has n1 turns, while the secondary has n2 turns. We define the turns ratio (匝数比) N as,国内教材 K=n1/n2,39,W

12、hen a time-varying current flows in the primary winding, a corresponding time-varying voltage is generated in the secondary because of the magnetic coupling between the two coils. The relationship between primary and secondary current in an ideal transformer is very simply stated as follows: (3.8.1)

13、 N1, the transformer is called a step-up transformer N1, the transformer is called a step-down transformer.,Voltage and Current Relationship,40,Example Problem,Problem: We require a transformer to deliver 500 mA at 24 V from a 120-V rms line source. How many turns are required in the secondary? What

14、 is the primary current? Known Quantities: Primary and secondary voltages; secondary current. Number of turns in the primary coil. Find: n2 and I1. Schematics, Diagrams, Circuits, and Given Data: V1 = 120 V; V2 = 24 V; I2 = 500 mA; n1 = 3,000 turns. Assumptions: Use rms values for all phasor quantit

15、ies in the problem.,41,Problem Solution,Solution: Analysis: Using equations 3.8.1 we compute the number of turns in the secondary coil as follows: Knowing the number of turns, we can now compute the p rimary current, also from equation 3.8.1:,42,A very common and rather general situation is that dep

16、icted in Figure 7.40, where an AC source, represented by its Thevenin equivalent, is connected to an equivalent load impedance by means of a transformer.,三、Impedance matching (阻抗匹配),43,At the primary connection, the equivalent impedance seen by the source must equal the ratio of V1 to I1. Note that

17、the ratio V2/I2 is by definition the load impedance, ZL. Thus,The AC source “sees” the load impedance reduced by a factor of 1/N2.,44,Recall that in DC circuits, given a fixed equivalent source, maximum power is transferred to a resistive load when the latter is equal to the internal resistance of t

18、he source. Achieving an analogous maximum power transfer condition in an AC circuit is referred to as impedance matching.,45,46,(1) The turn ratio is：,Solution:,Example: The AC signal source E= 120V，internal resistance R 0=800，load is a speaker RL=8.(1)The reflection resistance of RL satisfies ， fin

19、d the turn ration and output power of the signal source ；(2)When the load is directly connected with the source, find the output power of the signal source .,47,Output power of signal source：,电子线路中，常利用阻抗匹配实现最大输出功率。,结论：接入变压器以后，输出功率大大提高。,原因：满足了最大功率输出的条件：,（2） Output power under direct connection ：,阻抗变换

20、举例：扬声器上如何得到最大输出功率,设：,信号电压的有效值:,U1= 50V;,信号内阻：,Rs=100 ;,负载为扬声器，其等效电阻： RL=8。,求：负载上得到的功率,解：（1）将负载直接接到信号源上，得到的输出功 率为：,（2）将负载通过变压器接到信号源上。,输出功率为：,结论：由上例可知加入变压器以后，输出功率提高 了很多。,解,例 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。,当 U1 = U1N，cos2 不变时： U2 = f ( I2), 电力变压器： U = 2% 3%

21、,1. 变压器的外特性,电压调整率,三、变压器的运行性能,（副边输出电压和输出电流的关系。）,U20：原边加额定电压、副边开路时的输出电压。,为防止涡流损失，铁芯一般由一片片导磁材料叠合而成。,2. 变压器的损耗与效率,变压器的效率：,式中 P2 变压器的输出功率 P1 输入功率,电力变压器 当 I2 = ( 50% 75% ) I2N 时， = max 小型电力变压器 = 80% 90% 大型电力变压器 = 98% 99% 额定输出功率,P2N = U2NI2Ncos2 = SN cos2,P2N = U2I2Ncos2,忽略 U 时!,解 忽略电压调整率，则 P2 = SNcos2 = 1

22、01030.8 W = 8 kW P = PFePCu = (300400) W = 700 W P1 = P2P = (8 000700) W = 8.7 W,例 一变压器容量为 10 kVA，铁损为 300 W， 满载时铜损为 400 W，求该变压器在满载情况下向功率 因数为 0.8 的负载供电时输入和输出的有功功率及效率。,例 某单相变压器的额定电压为 10 000/230 V 接在 10 000 V 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、空载和满载时的二 次电压。,解 变压器的电压比为,空载时的二次电压为 U20 = U2N = 230 V 满载时

23、的二次电压为 U2 = U2N (1 U% ) = 230(1 0.03) = 223 V,例 在例5.3.1 中，ZL = 0.966 时正好满载， 求该变压器的电流。,解 变压器的电压比为,当电流流入两个线圈（或流出）时，若产生的磁通方向相同，则两个流入端称为同极性端（同名端）。,1、同极性端（同名端）,(a) 绕向相同,(b) 绕向相反,A与 a是同极性端 (同名端) A与 x是异极性端 (异名端),A与 x 是同极性端 (同名端) A与 a是异极性端 (异名端),4.3绕组的极性,(a) 绕向相同,(b) 绕向相反,绕组极性的标注方法,110V,110V, 220V ,(a) 绕组的串

24、联, 110V ,(b) 绕组的并联,2、绕组的正确接法 （串联和并联）,110V,110V,异名端连接,同名端连接,电器使用时两种电压（220V/110V）的切换：,220V： 联结 2 3,110V： 联结 1 3，2 4,线圈的接法,如果两绕组的极性端接错，结果如何？,结论：在极性不明确时，一定要先测定极性再通电。,答：有可能烧毁变压器,62,* 4.4 三相变压器及特殊变压器,一、三相变压器的种类 1. 三相组式变压器,U1 U2,u1 u2,V1 V2,v1 v2,W1 W2,w1 w2,特点：三相之间只有电的联系，没有磁的联系。,63,2. 三相心式变压器,U1 U2 u1 u2,V1 V2 v1 v2,W1 W2 w1 w2,特点：三相之间既有电的联系，又有磁的联系。,64,联结方式 高压绕组 低压绕组 星形有中性线 YN yn 星形无中性线 Y y 三角形 D d GB: Yyn、Yd、YNd、Yy、YNy,二、三相绕组的联结方式,最常用的三种,（一）自耦变压器,1、结构,手柄,接线柱,可调式自耦变压器（调压器）