电机与变压器课件

电机与变压器陈文彬第一章变压器原理第一节变压器的工作原理及分类变压器是一种常见的静止电气设备，它利用电磁感应原理，将某一数值的交变电压变换为同频率的另一数值的交变电压。变压器不仅对电力系统中的电能的传输、分配和安全使用有重要意义，而且广泛应用于电气控制、电子技术、测试技术及焊接技术等领域。一、变压器的基本工作原理图1-1所示为变压器的工作原理示意图。其主要部件是铁心和绕组。两个互相绝缘且匝数不同的绕组分别套装在铁心上，两绕组间只有磁的耦合而没有电的联系。其中接电源u1的绕组称为一次绕组（曾称为原绕组、初级绕组）用于接负载的绕组称为二次绕组（曾称为副绕组、次级绕组）。一次绕组加上交流电压u1后，绕组中便有电流i1通过，在铁心中产生与同频率的交变磁通Φ，根据电磁感应原理，将分别在两个绕组中感应出电动势e1和e2，tNe11tNe22若把负载接在二次绕组上，则在电动势e2的作用下，有电流i2流过负载，实现了电能的传递。由此可知，一、二次绕组感应电动势的大小（近似于各自的电压及）与绕组匝数成正比，故只要改变一、二次绕组的匝数，就可达到改变电压的目的，这就是变压器的基本工作原理。二、变压器的分类变压器种类很多，通常可按其用途、绕组结构、铁心结构、相数、冷却方式等分类1.按用途分类（1）电力变压器用作电能的输送与分配按其功能不同又可分为升压、降压、配电变压器等。其容量从几十千伏安到几十万千伏安，电压从几百伏到几百千伏。(2)特种变压器在特殊场合使用的变压器如作为焊接电源的电焊变压器、电炉变压器、整流变压器等（3）仪用变压器用于电工测量中，如电流互感器、电压互感器等。（4）控制变压器用于小功率电源系统和自动控制系统。如电源变压器、输入、输出变压器、脉冲变压器等。（5）其他变压器如试验用的高压变压器；输出电压可调的调压变压器；产生脉冲信号的脉冲变压器；压力传感器中的差动变压器。2.按绕组构成分类有双绕组变压器、三绕组变压器、多绕组变压器和自耦变压器等。3.按铁心结构分类有叠片式铁心、卷制式铁心和非晶合金铁心。4.按冷却方式分类有干式、油浸式自冷、油浸式风冷、强迫油循环、箱式、树脂浇注及充气式变压器等第二节单相变压器的构造一、铁心1、铁心的作用及材料铁心构成变压器磁路系统，并作为变压器的机械骨架。铁心由铁心柱和铁轭两部分组成。铁心柱上套装变压器绕组，铁轭起连接铁心柱使磁路闭合的作用。对铁心的要求是：导磁性能要好，磁滞损耗及涡流损耗要尽量小。铁心均采用0.35mm以下的硅钢片制作。目前国产低损耗节能变压器均用冷轧晶粒取向硅钢片，其铁损耗低，且铁心叠装系数高（因硅钢片表面有氧化膜绝缘，不必再涂绝缘漆）。目前开始采用铁基、铁镍基、钴基等材料来制作变压器的铁心，这类铁心具有体积小，效率高、节能等优点，极有发展前途。2、铁心的结构根据铁心的结构不同，变压器可分为心式、壳式和卷制式（C形）变压器。心式是在两侧的铁心柱上放置绕组，形成绕组包围铁心的形式。壳式是在中间的铁心柱上放置绕组，形成铁心包围绕组的形式。而卷制式铁心系用0.35mm晶粒取向冷轧硅钢片剪裁成一定宽度的硅钢带后再卷制成环形，将铁心绑扎牢固后切割成两个“U”字形。其主要优点是重量轻，体积小、空载损耗小、噪声低、生产效率高、质量稳定。二、绕组1、绕组的作用及材料变压器的线圈通常称为绕组，它是变压器中的电路部分，小变压器一般用具有绝缘的漆包线绕制而成，对大容量变压器则用扁铜线或扁铝线绕制。2、绕组的结构在变压器中，接到高压电网的绕组称为高压绕组，接到低压电网的绕组称为低压绕组。按相互位置和形状不同，绕组可分为同心式和交叠式两种。（1）同心式绕组同心式绕组是将高、低压绕组同心地套装在铁心柱上。小容量单相变压器一般采用这种结构。同心式绕组按其绕制方法的不同又可分为圆筒式、螺旋式和连续式等多种。（2）交叠式绕组又称为饼式绕组，它是将高压绕组和低压绕组分成若干个线饼，沿着铁心柱的高度交替排列。交叠式绕组的主要优点是漏抗小、机械强度好、引线方便。这种形式的绕组主要使用在低电压、大电流的变压器上，如电炉变压器及电阻电电焊机变压器等。第三节单相变压器的运行原理一、变压器的空载运行变压器一次绕组接在额定频率和额定电压的电网上，而二次绕组开路，即I2=0的工作方式称为变压器的空载运行。(1)电压的参考方向在同一支路中，电压参考方向与电流参考方向一致。(2)磁通的参考方向磁通的参考方向与电流参考方向符合右手螺旋定则。(3)感应电动势的参考方向由交变磁通Φ产生的感应电动势e，其参考方向与产生该磁通的电流参考方向一致ueΦi＋＋－－按照参考方向列出的电磁感应定律方程为空载时，在外加交流电压u1作用下，一次绕组中通过的电流称为空载电流i0，在电流i0作用下，铁心中产生交变磁通Φ（称为主磁通）同时穿过一、二次绕组，分别在其中产生感应电动势e1和e2，其大小正比于主磁通变化率。tNe由数学分析可以得出感应电动势e和磁通Φ之间的关系：在相位上，e滞后于Φ90°；在数值上，其有效值为E=4.44fNΦm由此可得：E1=4.44fN1Φm可得：外加交流电源电压有效值与电动势近似相等；由于二次绕组开路，故端电压与电动势相等。E2=4.44fN2Φm2121NNEEKKNNEEUUu212121Ku—变压器的电压比，也用K表示，它是变压器最重要的参数之一。由上式可知，变压器一、二次绕组的电压与一、二次绕组的匝数成正比，即变压器有变换电压的作用。例1如图1-8所示，低压照明变压器一次绕组的匝数N1=880匝，一次绕组的U1=220V，现要求二次绕组输出电压U2=36V，试求二次绕组的匝数N2及电压比Ku。二、变压器的负载运行变压器一次绕组接额定电压，二次绕组与负载相连的运行状态称为变压器的负载运行。此时二次绕组中有电流i2通过，由于该电流是依据电磁感应原理由一次绕组产生的，因此一次绕组中由空载电流i0变为负载电流i1。由于变压器效率都很高，通常可近似将变压器的输出功率P2和输入功率P1看作相等，即U１I１＝U２I２Ki—变压器的电流比iuKKNNUUII1121221例2若例1中的变压器电流流过二次绕组的电流I2=1.7A，试求一次绕组中的电流I1。解由式1-7可得由此得出：变压器的高压绕组匝数多，而通过的电流小，因此所用的导线较细；低压绕组匝数少，通过的电流大，所用的导线较粗。AAKIIu26.01.67.121三、变压器的阻抗变换变压器不但具有电压变换和电流变换的作用，还具有阻抗的作用。当变压器二次绕组接上阻抗为Z的负载后，有：式中ZKUUNNUUIUZNNNN22122121221)(211211IUZZKZ2由此可得可见，接在变压器二次绕组上的负载Z与不经过变压器接在电源上的负载Z′相比减小了1/K2倍。在电子电路中，在音响设备与扬声器之间加接一个变压器（称为输出变压器、线间变压器）来达到阻抗匹配的目的。例3某晶体管收音机输出电路的输出阻抗为Z′=392Ω，接入的扬声器阻抗为Z=8Ω，现加接一个输出变压器使两者实现阻抗匹配，试求该变压器的电压比K；若该变压器一次绕组的匝数N1=560匝，则二次绕组的匝数N2为多少？解作业布置：P21复习思考题13、14、15第四节变压器的运行特性对负载来说，变压器相当于电源。对于电源，我们最关心的是它的输出电压与输出电流（负载电流）之间的关系，即变压器的外特性。从节能的角度，我们关注的是变压器在电压变换过程中的效率。一、变压器的外特性及电压变化率变压器在运行时，其二次绕组的输出电流I2将随负载的变化而不断变化，我们希望输出电流在变化时，输出电压U2尽量保持不变，这个在实际上是很困难的。变压器加上负载之后，随着负载电流I2的增加，I2在二次绕组内部的阻抗压降也会增加，使二次绕组输出的电压U2随之发生变化。另一方面，由于一次电流I1随I2增加，一次绕组漏阻抗上的压降也增加，一次绕组的电动势E1和二次绕组的电动势E2也会有所下降，这也会影响到二次绕组的输出电压U2。当一次电压U1和负载的功率因数cosφ2一定时，二次电压U2与负载电流I2的关系称为变压器的外特性一般情况下，变压器的负载大多是感性负载，因而当负载增加时，输出电压U2总是下降的，其下降的程度用电压变化率表示。二次绕组空载时的电压U2N与额定负载时的电压U2之差与U2N之比的百分值称为变压器的电压变化率。0022200100NNUUUU常用电力变压器从空载到满载的电压变化率ΔU﹪约为3﹪～5﹪是。例4某台供电电力变压器U1N=10000V的高压降压后对负载供电，要求该变压器在额定负载下的输出电压U2=380V，该变压器的电压变化率ΔU﹪=5﹪，求该变压器二次绕组的额定电压U2N及变压比K。由此可知，电力变压器铭牌上的额定电压应是400V二、变压器的损耗及效率变压器在传输电能的过程中，不可避免地要产生损耗。单相变压器从电源输入的有功功率P1和向负载输出的有功功率P2两者之差称为变压器的损耗ΔP，它包括铜损耗PCu和铁损耗PFe两部分，即ΔP=PCu+PFe即1、铁损耗PFe变压器的铁损耗包括基本铁损耗和附加铁损耗。变压器的铁损耗与一次绕组上所加的电源电压有关。2、铜损耗PCu变压器的铜损耗也分为基本铜损耗和附加铜损耗。基本铜损耗是由电流在一次、二次绕组电阻上产生的损耗，附加铜损耗是指由漏磁通产生的集肤效应使电流在导体内分布不均而产生的额外损耗。3、效率η变压器的输出功率P2与输入功率P1之比002200220012100100100FeCuPPPPPPPPP例5S9-500/10型低损耗三相电力变压器的额定容量为500kV·A，设功率因数1，二次电压U2N=400V，铁损耗PFe=0.98kW，额定负载时铜损耗PCu=4.1kW，试求二次额定电流I2N及变压器的效率η。解：4、效率特性当一台变压器一次绕组加上额定电压，而二次绕组开路（空载运行）时测得的变压器空载损耗P0即为变压器的铁损耗。变压器的铜损耗可以通过短路试验来测定，将变压器的低压侧两端用导线短接（短路），高压侧加上很低的电压，使得高压侧的电流等于额定电流，则通过低压侧的电流也为额定电流。在短路试验中，使得一次绕组电流等于额定值时的电压称为短路电压，或称为变压器的阻抗电压，用USC表示。对于一般中小型变压器，USC通常为额定电压的４﹪～10.5﹪；第五节变压器的极性及判定一、变压器的极性电池有正极和负极，在将两个电池进行串联或并联时，必须根据其极性正确连接。由于变压器的一次、二次绕组均绕制在同一铁心上，都被磁通交链，故当磁通交变时，在两个绕组中感应出的电动势有一定的方向关系。1234Φ++－－··即当一次绕组的某一端点瞬时电位为正时，二次绕组也必有一电位为正的对应端点。这两个对应的端点就称为同极性端或同名端，通常用符号“·”表示。在使用变压器或其他磁耦合线圈时，经常会遇到两个线圈极性的正确连接问题。例某变压器的一次绕组由两个匝数相等的绕组组成，若每个绕组额定电压为110V，则当电源电压为220V时，应把两个绕组串联起来；若电源电压为110V时，则应将它们并联起来使用。1234++－－··Φ1234++－－··Φ当接法正确时，则两个绕组所产生的磁通方向相同，它们在铁心中互相叠加。如果接法错误，则两个绕组所产生的磁通方向相反，它们在铁心中互相抵消，合磁通为零，两个绕组中也没有感应电动势产生，相当于短路状态，会把变压器烧毁。二、变压器极性的判定1、分析法对两个绕向已知的绕组而言，可这样判断：当电流从两个同极性端流入（或流出）时，铁心中所产生的磁通方向相同。2、实验法对于一台已经制成的变压器，无法辨认其同名端，此时可用实验的方法进行测定，测