電工技術(shù)41(變壓器)

1、第4章 變壓器與電動(dòng)機(jī)4.2 變壓器4.1 磁路分析基礎(chǔ)4.3 三相異步電動(dòng)機(jī)2. 了解變壓器的基本結(jié)構(gòu)、工作原理、運(yùn)行特性和繞組的同極性端，理解變壓器額定值的意義。3. 掌握變壓器電壓、電流和阻抗變換作用。本章要求：1. 理解磁場的基本物理量的意義，了解磁性材料的基本知識及磁路的基本定律。4. 了解三相交流異步電動(dòng)機(jī)的基本構(gòu)造和轉(zhuǎn)動(dòng)原理。5. 理解三相交流異步電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性，掌握起動(dòng)和反轉(zhuǎn)的 基本方法, 了解調(diào)速和制動(dòng)的方法。 6. 理解三相交流異步電動(dòng)機(jī)銘牌數(shù)據(jù)的意義。磁路及磁場的基本物理量:1. 磁感應(yīng)強(qiáng)度磁感應(yīng)強(qiáng)度B : 表示磁場內(nèi)某點(diǎn)磁場強(qiáng)弱和方向的物理量。磁感應(yīng)強(qiáng)度B的大小:磁感

2、應(yīng)強(qiáng)度B的方向: 與電流的方向之間符合右手螺旋定則。磁感應(yīng)強(qiáng)度B的單位: 特斯拉(T)，1T = 1Wb/m2 均勻磁場: 各點(diǎn)磁感應(yīng)強(qiáng)度大小相等，方向相同的 磁場，也稱勻強(qiáng)磁場。4.1 磁路分析基礎(chǔ)2. 磁通磁通 ：穿過垂直于B方向的面積S中的磁力線總數(shù)。 說明: 如果不是均勻磁場，則取B的平均值。在均勻磁場中 = B S 或 B= /S 磁感應(yīng)強(qiáng)度B在數(shù)值上可以看成為與磁場方向垂直的單位面積所通過的磁通,故又稱磁通密度。磁通 的單位:韋伯(Wb) 1Wb =1Vs3. 磁場強(qiáng)度磁場強(qiáng)度H ：介質(zhì)中某點(diǎn)的磁感應(yīng)強(qiáng)度 B 與介質(zhì) 磁導(dǎo)率 之比。磁場強(qiáng)度H的單位 ：安培/米（A/m)真空的磁導(dǎo)率

3、為常數(shù)，用 0表示，有：4. 磁導(dǎo)率磁導(dǎo)率 ：表示磁場媒質(zhì)磁性的物理量，衡量物質(zhì) 的導(dǎo)磁能力。相對磁導(dǎo)率 r： 任一種物質(zhì)的磁導(dǎo)率 和真空的磁導(dǎo)率0的比值。磁導(dǎo)率 的單位：亨/米（H/m）4.1 磁路分析基礎(chǔ)4.1.1 鐵磁材料特點(diǎn) 在電機(jī)、變壓器等電氣設(shè)備中，為了用較小的電流產(chǎn)生較大的磁場，通常把線圈繞在用鐵磁材料做成一定形狀的鐵心上。常用的磁性材料（鐵、鎳、鈷及其合金）的磁導(dǎo)率比周圍空氣或其它物質(zhì)的磁導(dǎo)率高的多。 磁通的絕大部分經(jīng)過鐵心形成閉合通路，磁通的閉合路徑稱為磁路。+NIfNSS直流電機(jī)的磁路交流接觸器的磁路物質(zhì)的磁性:(1) 非磁性物質(zhì) 非磁性物質(zhì)分子電流的磁場方向雜亂無章，幾乎

4、不受外磁場的影響而互相抵消，不具有磁化特性。 非磁性材料的磁導(dǎo)率都是常數(shù)，有：當(dāng)磁場媒質(zhì)是非磁性材料時(shí)，有：即 B與 H 成正比，呈線性關(guān)系。OHB 0 r 1B = 0 H (2) 磁性物質(zhì)： 磁性物質(zhì)內(nèi)部形成許多小區(qū)域，其分子間存在的一種特殊的作用力使每一區(qū)域內(nèi)的分子磁場排列整齊，顯示磁性，稱這些小區(qū)域?yàn)榇女牎?在外磁場作用下，磁疇方向發(fā)生變化，使之與外磁場方向趨于一致，物質(zhì)整體顯示出磁性來，稱為磁化。即磁性物質(zhì)能被磁化。磁疇外磁場 在沒有外磁場作用的普通磁性物質(zhì)中，各個(gè)磁疇排列雜亂無章，磁場互相抵消，整體對外不顯磁性。磁疇1. 高導(dǎo)磁性 磁性材料的磁導(dǎo)率通常都很高，即 相對導(dǎo)磁率r 1

5、。 如坡莫合金，其 r 可達(dá)2105 ，具有很高的導(dǎo)磁性能。 磁性物質(zhì)的高導(dǎo)磁性被廣泛地應(yīng)用于電工設(shè)備中，如電機(jī)、變壓器及各種鐵磁元件的線圈中都放有鐵心。在這種具有鐵心的線圈中通入不太大的勵(lì)磁電流，便可以產(chǎn)生較大的磁通和磁感應(yīng)強(qiáng)度。磁性材料的特點(diǎn)：2. 磁飽和性BJ 磁場內(nèi)磁性物質(zhì)的磁化磁場 的磁感應(yīng)強(qiáng)度B-H曲線；B0 非磁性材料時(shí)（ 0 為常數(shù)） 的B-H關(guān)系曲線。B BJ曲線和B0直線的縱坐標(biāo)相 加即磁場的 B-H 磁化曲線。OHBB0BJBab磁化曲線 磁性物質(zhì)由于磁化所產(chǎn)生的磁化磁場不會隨著外磁場的增強(qiáng)而無限的增強(qiáng)。當(dāng)外磁場增大到一定程度時(shí)，磁性物質(zhì)的全部磁疇的磁場方向都轉(zhuǎn)向與外部磁

6、場方向一致，磁化磁場的磁感應(yīng)強(qiáng)度將趨向某一定值。 磁性材料放入磁場強(qiáng)度為H磁場中 , 磁性材料會受到磁化。（如圖） B-H 磁化曲線的特征： Oa段：B 與H幾乎成正比地增加； ab段： B 的增加緩慢下來； b點(diǎn)以后：B增加很少，達(dá)到飽和。OHBB0BJBab有磁性物質(zhì)存在時(shí)，B 與 H不成正比，磁性物質(zhì)的磁導(dǎo)率不是常數(shù)，隨H而變。 所以，磁性物質(zhì)的磁化曲線為非線性曲線，實(shí)際中需要通過實(shí)驗(yàn)得出。 OHB,B磁化曲線B和與H的關(guān)系B = H 3. 磁滯性當(dāng)鐵心線圈通交流時(shí)，鐵心的磁化過程。（如圖）其B-H關(guān)系曲線是一條回形閉合曲線，稱為磁滯回線。磁滯性：磁性材料中磁感應(yīng)強(qiáng)度B的變化總是滯后于

7、外磁場變化的性質(zhì)。磁滯回線OHBBrHc剩磁感應(yīng)強(qiáng)度Br (剩磁) ： 當(dāng)線圈中電流減小到零(H=0)時(shí)，鐵心中的磁感應(yīng)強(qiáng)度。矯頑磁力Hc： 使 B = 0 所需的 H 值。磁性物質(zhì)不同，其磁滯回線和磁化曲線也不同。 幾種常見磁性物質(zhì)的磁化曲線a 鑄鐵 b 鑄鋼 c 硅鋼片O 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0103H/(A/m)H/(A/m) 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 103B/T1.81.61.41.21.00.80.60.40.2ababcc按磁性物質(zhì)的磁性能，磁性材料分為三種類型：(1)軟磁材料 具有較小的矯頑磁力，磁滯回線較

8、窄。一般用來制造電機(jī)、電器及變壓器等的鐵心。常用的有鑄鐵、硅鋼、坡莫合金即鐵氧體等。(2)永磁材料 具有較大的矯頑磁力，磁滯回線較寬。一般用來制造永久磁鐵。常用的有碳鋼及鐵鎳鋁鈷合金等。(3)矩磁材料 具有較小的矯頑磁力和較大的剩磁，磁滯回線接近矩形，穩(wěn)定性良好。在計(jì)算機(jī)和控制系統(tǒng)中用作記憶元件、開關(guān)元件和邏輯元件。常用的有鎂錳鐵氧體等。4.1.2 磁路歐姆定律磁路的歐姆定律是分析磁路的基本定律. 環(huán)形線圈如圖，其中媒質(zhì)是均 勻的，磁導(dǎo)率為， 試計(jì)算線圈內(nèi)部 的磁通 。 解：根據(jù)安培環(huán)路定律，有設(shè)磁路的平均長度為 l，則有SxHxIN匝即有：NI=F:稱為磁通勢。HL：稱為磁壓降。式中：F=N

9、I 為磁通勢，由其產(chǎn)生磁通； Rm 稱為磁阻，表示磁路對磁通的阻礙作用； l 為磁路的平均長度； S 為磁路的截面積。 若某磁路的磁通為，磁通勢為F ，磁阻為Rm，則此即磁路的歐姆定律。由于 不是常數(shù)，Rm也不是常數(shù)，一般不能用于磁路計(jì)算。只用于定性分析。總磁動(dòng)勢 在非均勻磁路（磁路的材料或截面積不同，或磁場強(qiáng)度不等）中，總磁動(dòng)勢等于各段磁壓降之和。例：IN磁路中含有空氣隙時(shí)，由于其磁阻較大，磁通勢幾乎都降在空氣隙上面。4.1.3 簡單磁路分析將線圈繞在鐵心上構(gòu)成了鐵心線圈。+uNI主磁通 ：通過鐵心閉合的磁通。漏磁通：經(jīng)過空氣或其它非導(dǎo)磁媒質(zhì)閉合的磁通。線圈鐵心I- 勵(lì)磁電流為直流恒定電流，

10、故線圈中不產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢。1.直流磁路給線圈通入電源的不同，形成直流鐵心線圈和交流鐵心線圈。2.交流磁路+e+e+uNi（磁通勢）主磁通 ：通過鐵心閉合的磁通。漏磁通：經(jīng)過空氣或其它非導(dǎo)磁媒質(zhì)閉合的磁通。線圈鐵心 i，鐵心線圈的漏磁電感 與i不是線性關(guān)系。(1) 電磁關(guān)系(2) 電壓電流關(guān)系根據(jù)KVL:+eeuNi式中：R是線圈導(dǎo)線的電阻 L 是漏磁電感 當(dāng) u 是正弦電壓時(shí)，其它各電壓、電流、電動(dòng)勢可視作正弦量，則電壓、電流關(guān)系的相量式為：設(shè)主磁通 則有效值 由于線圈電阻 R 和感抗X（或漏磁通）較小，其電壓降也較小，與主磁電動(dòng)勢 E 相比可忽略，故有(3) 功率損耗 交流鐵心線圈的功率損耗

11、主要有銅損和鐵損兩種。a) 銅損（Pcu） 在交流鐵心線圈中, 線圈電阻R上的功率損耗稱銅損，用Pcu 表示。 Pcu = RI2式中：R是線圈的電阻；I 是線圈中電流的有效值。b) 鐵損（PFe） 在交流鐵心線圈中，處于交變磁通下的鐵心內(nèi)的功率損耗稱鐵損，用PFe 表示。鐵損由磁滯和渦流產(chǎn)生。+ui磁滯損耗（Ph）由磁滯所產(chǎn)生的能量損耗稱為磁滯損耗（Ph）。 磁滯損耗的大?。?單位體積內(nèi)的磁滯損耗正比于磁滯回線的面積和磁場交變的頻率 f。OHB磁滯損耗轉(zhuǎn)化為熱能，引起鐵心發(fā)熱。 減少磁滯損耗的措施： 選用磁滯回線狹小的磁性材料制作鐵心。變壓器和電機(jī)中使用的硅鋼等材料的磁滯損耗較低。 設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)

12、適當(dāng)選擇，以減小鐵心飽和程度。渦流損耗（Pe）：渦流損耗: 由渦流所產(chǎn)生的功率損耗。渦流：交變磁通在鐵心內(nèi)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢和電流，稱為渦流。渦流在垂直于磁通的平面內(nèi)環(huán)流。渦流損耗轉(zhuǎn)化為熱能，引起鐵心發(fā)熱。減少渦流損耗措施：提高鐵心的電阻率。鐵心用彼此絕緣的鋼片疊成，把渦流限制在較小的截面內(nèi)。鐵心線圈的功率損耗為： 變壓器是一種常見的電氣設(shè)備，在電力系統(tǒng)和電子線路中應(yīng)用廣泛。變電壓：電力系統(tǒng) 變阻抗：電子線路中的阻抗匹配變電流：電流互感器 變壓器的主要功能有：在能量傳輸過程中，當(dāng)輸送功率P =UI cos 及負(fù)載功率因數(shù)cos 一定時(shí)：電能損耗小節(jié)省金屬材料（經(jīng)濟(jì)）4.2 變壓器U IP = I

13、RlI S4.2.1變壓器分類 電力工業(yè)中常采用高壓輸電低壓配電，實(shí)現(xiàn)節(jié)能并保證用電安全。具體如下： 發(fā)電廠10.5kV輸電線220kV升壓儀器36V降壓實(shí)驗(yàn)室380 / 220V降壓變電站 10kV降壓降壓變壓器的分類：電壓互感器 電流互感器 按用途分電力變壓器 (輸配電用)儀用變壓器 整流變壓器 按相數(shù)分三相變壓器 單相變壓器 按制造方式殼式心式變壓器符號變壓器的結(jié)構(gòu)：變壓器的磁路繞組：一次繞組二次繞組單相變壓器+由高導(dǎo)磁硅鋼片疊成厚0.35mm 或 0.5mm鐵心變壓器的電路一次繞組N1二次繞組N2鐵心變壓器的結(jié)構(gòu)4.2.2 變壓器的工作原理單相變壓器+一次繞組N1二次繞組N2鐵心 一次

14、、二次繞組互不相連，能量的傳遞靠磁耦合。1) 空載運(yùn)行情況一次側(cè)接交流電源，二次側(cè)開路。+1i0 ( i0N1) 1空載時(shí)，鐵心中主磁通是由一次繞組磁通勢產(chǎn)生的。2) 帶負(fù)載運(yùn)行情況一次側(cè)接交流電源，二次側(cè)接負(fù)載。+11i1 ( i1N1) i1i2 ( i2N2) 2有載時(shí)，鐵心中主磁通是由一次、二次繞組磁通勢共同產(chǎn)生的合成磁通。2i2+e2+e2+u2Z 1. 電壓變換 （設(shè)加正弦交流電壓）有效值:同 理：主磁通按正弦規(guī)律變化，設(shè) 則(a) 一次、二次側(cè)主磁通感應(yīng)電動(dòng)勢根據(jù)KVL：變壓器一次側(cè)等效電路如圖 由于電阻 R1 和感抗 X1 (或漏磁通)較小,其兩端的電壓也較小,與主磁電動(dòng)勢 E

15、1比較可忽略不計(jì)，則+(b) 一次、二次側(cè)電壓式中 R1 為一次側(cè)繞組的電阻; X1=L1 為一次側(cè)繞組的感抗(漏磁感抗，由漏磁產(chǎn)生)。（匝比）K為變比對二次側(cè)，根據(jù)KVL：結(jié)論：改變匝數(shù)比，就能改變輸出電壓。式中 R2 為二次繞組的電阻; X2=L2 為二次繞組的感抗； 為二次繞組的端電壓。變壓器空載時(shí):+u2+i1i2+e2+e2式中U20為變壓器空載電壓。故有2. 電流變換(一次、二次側(cè)電流關(guān)系)有載運(yùn)行: 可見，鐵心中主磁通的最大值m在變壓器空載和有載時(shí)近似保持不變。即有不論變壓器空載還是有載，一次繞組上的阻抗壓降均可忽略，故有由上式，若U1、 f 不變，則 m 基本不變，近于常數(shù)?？?/p>

16、載：有載：+|Z |+一般情況下：I0 (23)%I1N 很小可忽略?；蚪Y(jié)論：一次、二次側(cè)電流與匝數(shù)成反比。或：磁勢平衡式：空載磁勢有載磁勢3. 阻抗變換由圖可知： 結(jié)論： 變壓器一次側(cè)的等效阻抗(模)，為二次側(cè)所帶負(fù)載的阻抗(模)的K 2 倍。 +(1) 變壓器的匝數(shù)比應(yīng)為：R0RL+解:例1: 如圖，交流信號源的電動(dòng)勢 E= 120V，內(nèi)阻 R 0=800，負(fù)載為揚(yáng)聲器，其電阻RL=8。要求: 1）當(dāng)RL折算到原邊的等效電阻 時(shí)，求變壓器的匝數(shù)比和信號源輸出的功率；（2）當(dāng)將負(fù)載直接與信號源聯(lián)接時(shí),信號源輸出多大功率？R0+信號源的輸出功率：所以，信號源的輸出功率：電子線路中，常利用阻抗匹

17、配實(shí)現(xiàn)最大輸出功率。 結(jié)論：接入變壓器以后，輸出功率大大提高。原因：滿足了最大功率輸出的條件：（2）將負(fù)載直接接到信號源上時(shí)，輸出功率為：ABCXYZabczyx4. 三相變壓器高壓繞組：A-X B-Y C-ZX、Y 、Z ：尾端A、B、C ：首端低壓繞組：a-x b-y c-za、b、c：首端x、y、z：尾端 三相變壓器的聯(lián)結(jié)方式聯(lián)結(jié)方式：高壓繞組接法低壓繞組接法三相配電變壓器動(dòng)力供電系統(tǒng)常用接法:（1）三相變壓器Y/Y0聯(lián)結(jié)線電壓之比：（U1 、U2為一、二次側(cè)線電壓）ACBbca+（2）三相變壓器Y0/聯(lián)結(jié)線電壓之比：ACBabc+4.2.3 變壓器的運(yùn)行特性 當(dāng)一次側(cè)電壓 U1和二次側(cè)

18、負(fù)載功率因數(shù) cos2保持不變時(shí)，二次側(cè)輸出電壓 U2和輸出電流 I2的關(guān)系，U2 = f (I2)。U20：一次側(cè)加額定電壓、二次側(cè)開路時(shí)，二次側(cè)的輸出電壓。 一般希望要硬特性（隨I2的變化，U2 變化不大），電壓變化率約在5%左右。電壓變化率：cos2 =0.8(感性）U2I2U20I2Ncos2 =1O1. 變壓器的外特性1） 變壓器的型號1.變壓器的銘牌數(shù)據(jù)S J L 1000/10 變壓器額定容量(KVA) 鋁線圈 冷卻方式J:油浸自冷式F:風(fēng)冷式相數(shù)S:三相D:單相 高壓繞組的額定電壓(KV)4.2.4 變壓器的使用2） 額定值 額定電壓 U1N、U2N 變壓器二次側(cè)開路（空載）時(shí)

19、，一次、二次側(cè)繞組允許的電壓值。單相：U1N ，一次側(cè)電壓， U2N，二次側(cè)空載時(shí)的電壓三相：U1N、U2N，一次、二次側(cè)的線電壓 額定電流 I1N、I2N 變壓器滿載運(yùn)行時(shí)，一次、二次側(cè)繞組允許的電流值。單相：一次、二次側(cè)繞組允許的電流值三相：一次、二次側(cè)繞組線電流 額定容量 SN 傳送功率的最大能力。單相：三相：容量 SN 輸出功率 P2 一次側(cè)輸入功率 P1 輸出功率 P2注意：變壓器幾個(gè)功率的關(guān)系（單相）效率容量：一次側(cè)輸入功率：輸出功率： 變壓器運(yùn)行時(shí)的功率取決于負(fù)載的性質(zhì)2. 變壓器的功率與效率()為減少渦流損耗，鐵心一般由導(dǎo)磁鋼片疊成。變壓器的損耗包括兩部分：銅損 (PCu) ：

20、繞組導(dǎo)線電阻的損耗。渦流損耗：交變磁通在鐵心中產(chǎn)生的感 應(yīng)電流(渦流)造成的損耗。磁滯損耗：磁滯現(xiàn)象引起鐵心發(fā)熱，造 成的損耗。 鐵損(PFe )：變壓器的效率為一般 95% ,負(fù)載為額定負(fù)載的(5075)%時(shí)，最大。輸出功率輸入功率例: 有一帶電阻負(fù)載的三相變壓器，其額定數(shù)據(jù)如下：SN=100kVA, U1N=6000V, f=50Hz。 U2N= U20=400V , 繞組連接成。由試驗(yàn)測得: PFe =600 W，額定負(fù)載時(shí)的 PCu =2400W 。 試求 (1) 變壓器的額定電流； (2) 滿載和半載時(shí)的效率。解:(1) 額定電流() 滿載和半載時(shí)的效率 當(dāng)電流流入(或流出）兩個(gè)線圈

21、時(shí)，若產(chǎn)生的磁通方向相同，則兩個(gè)流入(或流出）端稱為同極性端。 AXax AXax1） 同極性端 ( 同名端 ) 或者說，當(dāng)鐵心中磁通變化時(shí)，在兩線圈中產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢極性相同的兩端為同極性端。 同極性端用“”表示。增加+ 同極性端和繞組的繞向有關(guān)。2.變壓器繞組及其極性測定 聯(lián)接 23 變壓器原一次側(cè)有兩個(gè)額定電壓為 110V 的繞組：2） 線圈的接法1324 1324 聯(lián)接 13， 2 4當(dāng)電源電壓為220V時(shí)：+電源電壓為110V時(shí)：說明：兩種接法下 不變， 所以鐵芯磁路的設(shè)計(jì)相同。問題1：在110V 情況下，如果只用一個(gè)繞組 （N），行不行？答：不行（兩繞組必須并接） 一次側(cè)有兩個(gè)相同繞組的電源變壓器(220/110)，使用中應(yīng)注意的問題