《電感與變壓器》課件

電感與變壓器電感和變壓器是電氣工程中常用的兩種重要元件。電感是儲存能量的元件，而變壓器則是改變電壓和電流的裝置。課程目標(biāo)理解電感和變壓器的基本概念電感是儲存磁場能量的元件，變壓器則是利用電磁感應(yīng)原理傳遞能量的裝置。掌握電感和變壓器的特性了解影響電感大小的因素、變壓器的匝數(shù)比、效率等重要參數(shù)。學(xué)習(xí)電感和變壓器的應(yīng)用深入理解電感在濾波、振蕩電路中的作用，變壓器在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用。電感的概念和性質(zhì)電感是一種能夠儲存能量的電子元件。電感由導(dǎo)線繞制成線圈，當(dāng)電流流過線圈時(shí)，會產(chǎn)生磁場。磁場的強(qiáng)度與電流的大小成正比。當(dāng)電流發(fā)生變化時(shí)，磁場也會隨之變化，從而產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢，阻礙電流的變化。電感的主要性質(zhì)是電感量，電感量是指線圈儲存能量的能力。電感量的單位是亨利（H）。電感量的數(shù)值取決于線圈的匝數(shù)、線圈的形狀、線圈的材料以及線圈周圍的介質(zhì)等因素。電感的單位1H亨利電感的基本單位1mH毫亨利用于較小的電感1μH微亨利用于更小的電感1nH納亨利用于非常小的電感影響電感大小的因素線圈匝數(shù)線圈匝數(shù)越多，電感量越大。線圈截面積線圈截面積越大，電感量越大。線圈材料線圈材料的磁導(dǎo)率越高，電感量越大。線圈形狀線圈形狀也會影響電感量，例如，環(huán)形電感比直線電感量更大。電感的基本應(yīng)用濾波電路電感在濾波電路中起著重要作用，用于抑制信號中的噪聲和干擾，確保信號質(zhì)量。諧振電路電感與電容組合可以構(gòu)成諧振電路，用于選擇特定頻率的信號，例如無線電廣播接收器。能量儲存電感能夠儲存能量，并在需要時(shí)釋放，例如在直流電源轉(zhuǎn)換器中用于穩(wěn)定輸出電壓。延遲電路電感能夠延遲電流的變化，用于構(gòu)建定時(shí)電路或延遲電路，例如在控制系統(tǒng)中。自感和互感1互感兩個(gè)線圈相互影響2自感線圈自身電流變化3電感儲存磁場能量自感是指線圈自身電流變化產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢，而互感則是指兩個(gè)線圈之間由于電流變化產(chǎn)生的相互影響。自感是電感的基本性質(zhì)，而互感是兩個(gè)線圈之間相互影響的體現(xiàn)。自感系數(shù)的計(jì)算自感系數(shù)（L）是衡量電感元件儲存能量能力的重要參數(shù)，單位為亨利（H）。自感系數(shù)的大小取決于線圈的形狀、尺寸、匝數(shù)和芯材的磁導(dǎo)率等因素。常用的計(jì)算自感系數(shù)的方法包括公式法和數(shù)值模擬法。公式法適用于一些簡單的線圈結(jié)構(gòu)，例如單層圓形線圈或螺旋線圈。數(shù)值模擬法則可以用于計(jì)算更復(fù)雜的線圈結(jié)構(gòu)，例如多層線圈或非規(guī)則形狀的線圈?；ジ邢禂?shù)及其應(yīng)用互感系數(shù)互感系數(shù)表示兩個(gè)線圈之間的耦合程度，其值越大，表示兩個(gè)線圈之間的耦合越強(qiáng)?；ジ邢禂?shù)由兩個(gè)線圈的幾何形狀、相對位置和介質(zhì)磁導(dǎo)率決定。應(yīng)用互感系數(shù)在變壓器、傳感器、無線電通信等領(lǐng)域都有重要應(yīng)用。例如，變壓器利用互感原理將電壓或電流轉(zhuǎn)換為所需的電壓或電流。變壓器的工作原理變壓器利用電磁感應(yīng)原理，將交流電的電壓或電流進(jìn)行升降壓。變壓器主要由鐵芯、初級繞組和次級繞組組成。交流電通過初級繞組產(chǎn)生磁場，磁場變化穿過次級繞組，在次級繞組中感應(yīng)出交流電。變壓器的匝數(shù)比決定了電壓或電流的升降比。當(dāng)次級繞組的匝數(shù)大于初級繞組時(shí)，電壓升高，電流降低；反之，電壓降低，電流升高。變壓器的基本結(jié)構(gòu)變壓器主要由鐵芯、繞組和絕緣材料組成。鐵芯通常由硅鋼片疊成，可以減少渦流損耗。繞組由漆包線繞制而成，分別為初級繞組和次級繞組。絕緣材料用來隔離鐵芯和繞組，防止短路和漏電。變壓器的基本參數(shù)參數(shù)描述單位額定容量變壓器在正常工作條件下所能承受的最大容量千伏安(kVA)額定電壓變壓器正常運(yùn)行時(shí)的輸入和輸出電壓伏特(V)額定頻率變壓器設(shè)計(jì)和運(yùn)行的頻率赫茲(Hz)短路阻抗反映變壓器內(nèi)部阻抗的指標(biāo)，影響變壓器短路電流的大小百分比(%)空載損耗變壓器在空載運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的損耗，主要由鐵芯損耗構(gòu)成瓦特(W)負(fù)載損耗變壓器在負(fù)載運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的損耗，主要由繞組損耗構(gòu)成瓦特(W)效率變壓器輸出功率與輸入功率之比，反映變壓器的能量轉(zhuǎn)換效率百分比(%)理想變壓器的特性1無損耗理想變壓器不存在任何損耗，包括銅損、鐵損和漏磁。2電壓比等于匝數(shù)比理想變壓器輸入電壓和輸出電壓的比值等于原邊繞組匝數(shù)和副邊繞組匝數(shù)的比值。3電流比與匝數(shù)比成反比理想變壓器輸入電流和輸出電流的比值與原邊繞組匝數(shù)和副邊繞組匝數(shù)的比值成反比。4功率守恒理想變壓器輸入功率等于輸出功率，即沒有能量損失。實(shí)際變壓器的損耗銅損電流流過繞組產(chǎn)生熱量，導(dǎo)致能量損失。鐵損鐵芯中的磁滯現(xiàn)象和渦流損耗導(dǎo)致能量損失。附加損耗包括機(jī)械損耗、介質(zhì)損耗、絕緣損耗等。變壓器的效率90%效率理想變壓器85%實(shí)際能量損失10%~20%損耗銅損和鐵損變壓器效率是指輸出功率與輸入功率的比值。理想變壓器效率為100%，實(shí)際變壓器效率一般在85%到90%之間。變壓器效率降低主要受銅損和鐵損的影響。變壓器的調(diào)壓作用變壓器可以改變電壓的幅值，通過改變匝數(shù)比來實(shí)現(xiàn)。升壓變壓器可以將低電壓升至高電壓，降壓變壓器可以將高電壓降至低電壓。電壓調(diào)節(jié)方式手動(dòng)調(diào)節(jié)自動(dòng)調(diào)節(jié)變壓器的調(diào)壓方式根據(jù)需求而定，手動(dòng)調(diào)節(jié)靈活但需要人工操作，自動(dòng)調(diào)節(jié)方便但需要控制系統(tǒng)。變壓器的接線方式Y(jié),Δ接線Y接線適用于高壓側(cè)，Δ接線適用于低壓側(cè)。Y接線可提高絕緣強(qiáng)度，Δ接線可降低諧波。星形-三角形接線星形-三角形接線方式可在降低啟動(dòng)電流的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)平滑啟動(dòng)。Y接線用于高壓側(cè)，Δ接線用于低壓側(cè)。并聯(lián)接線并聯(lián)接線用于增加變壓器的容量，提高供電能力。適用于多個(gè)負(fù)載需要同時(shí)供電的情況。串聯(lián)接線串聯(lián)接線用于提升電壓，通常用于高壓輸電。適用于需要高電壓的場合。變壓器的繞組群繞組群結(jié)構(gòu)變壓器繞組群是變壓器中不同繞組的組合，通過結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)了不同的功能和應(yīng)用。例如，雙繞組變壓器和三繞組變壓器等。繞組群類型常見的繞組群類型包括星形繞組、三角形繞組和Y/D繞組等。每種繞組群結(jié)構(gòu)都具備特定的電壓和電流關(guān)系，適用于不同的應(yīng)用場景。繞組群連接變壓器繞組群的連接方式對變壓器的性能和效率有重要的影響。例如，串聯(lián)連接可以提升電壓，并聯(lián)連接可以增加電流容量。相變壓器和有載調(diào)壓變壓器1相變壓器相變壓器用于改變電壓和電流的相位，廣泛應(yīng)用于電力系統(tǒng)中，以提高電力傳輸效率。2有載調(diào)壓變壓器有載調(diào)壓變壓器可在負(fù)載條件下調(diào)節(jié)電壓，保持電壓穩(wěn)定，保障電力質(zhì)量。3應(yīng)用場景相變壓器和有載調(diào)壓變壓器在電力系統(tǒng)中發(fā)揮重要作用，為各種設(shè)備和設(shè)施提供穩(wěn)定可靠的電力供應(yīng)。變壓器的勵(lì)磁特性11.磁化電流勵(lì)磁電流產(chǎn)生磁場，使鐵芯磁化，這部分電流稱為磁化電流，它與磁場強(qiáng)度成正比。22.勵(lì)磁電流的變化隨著電壓升高，磁化電流也增加，但增加幅度越來越小，因?yàn)殍F芯逐漸飽和。33.勵(lì)磁特性曲線勵(lì)磁特性曲線反映了勵(lì)磁電流與電壓之間的關(guān)系，它可以用來預(yù)測變壓器的運(yùn)行特性。44.勵(lì)磁特性曲線的重要性通過分析勵(lì)磁特性曲線，可以了解變壓器的磁化特性，幫助我們選擇合適的變壓器和設(shè)計(jì)合理的保護(hù)方案。變壓器的短路特性定義變壓器短路特性是指當(dāng)變壓器低壓側(cè)短路時(shí)，高壓側(cè)施加電壓與短路電流的關(guān)系曲線。測試測試時(shí)，將變壓器低壓側(cè)短路，高壓側(cè)施加電壓，并測量短路電流和電壓。影響因素變壓器的短路特性主要受其結(jié)構(gòu)和參數(shù)的影響，如繞組匝數(shù)、鐵芯材料、漏抗等。應(yīng)用短路特性可以用來分析變壓器的短路電流大小，并用于計(jì)算變壓器的短路容量和短路阻抗。三相變壓器的工作原理三相電壓三相變壓器接收三相交流電，每個(gè)繞組對應(yīng)一個(gè)相位。磁場變化輸入電流在繞組中產(chǎn)生變化的磁場，這個(gè)磁場會穿過鐵芯，并鏈接到次級繞組。感應(yīng)電流變化的磁場在次級繞組中感應(yīng)出電流，電流的頻率與輸入電流相同。電壓變化次級繞組的匝數(shù)決定輸出電壓，匝數(shù)比決定電壓變化的比例。三相變壓器的接線方式Y(jié)形接線Y形接線是三相變壓器最常見的接線方式之一，它將變壓器三個(gè)繞組的末端連接在一起，形成一個(gè)中性點(diǎn)。三角形接線三角形接線將變壓器三個(gè)繞組的末端首尾相接，形成一個(gè)閉合回路，每個(gè)繞組的始端和末端分別連接到相線和中性線。星形接線星形接線將變壓器三個(gè)繞組的末端連接在一起，形成一個(gè)中性點(diǎn)，每個(gè)繞組的始端連接到相線，末端連接到中性點(diǎn)。組合接線組合接線是指將變壓器三個(gè)繞組分別以Y形和三角形接線方式進(jìn)行連接，形成一個(gè)更復(fù)雜的系統(tǒng)，適用于特殊應(yīng)用場景。變壓器的安裝與維護(hù)安全注意事項(xiàng)安裝變壓器時(shí)，要確保周圍環(huán)境干燥通風(fēng)。電氣連接要牢固，避免接觸不良引發(fā)火災(zāi)。定期檢查絕緣材料，確保其完整性。避免高溫環(huán)境，防止絕緣材料老化。日常維護(hù)定期清潔變壓器表面，保持其干凈整潔。檢查變壓器油位，確保油量充足。監(jiān)測變壓器油溫，保持其在正常范圍內(nèi)。定期進(jìn)行油質(zhì)分析，確保油質(zhì)良好。進(jìn)行定期巡檢，及時(shí)發(fā)現(xiàn)并處理故障。變壓器的保護(hù)過電流保護(hù)變壓器過電流保護(hù)，保護(hù)變壓器過載和短路。過熱保護(hù)變壓器過熱保護(hù)，防止變壓器溫度過高而損壞。接地故障保護(hù)變壓器接地故障保護(hù)，防止接地故障造成安全隱患。過電壓保護(hù)變壓器過電壓保護(hù)，防止雷擊或其他過電壓損壞變壓器。變壓器的選用容量根據(jù)負(fù)載需求選擇合適的變壓器容量，避免過載或容量過大浪費(fèi)。電壓等級確定輸入和輸出電壓等級，匹配系統(tǒng)需求。效率選擇效率高的變壓器，降低能源消耗。安全標(biāo)準(zhǔn)選擇符合國家安全標(biāo)準(zhǔn)的變壓器，確保使用安全。變壓器的發(fā)展趨勢高效率變壓器效率不斷提升，減少能耗，降低運(yùn)行成本。采用新型材料和先進(jìn)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)低損耗、高效率。智能化變壓器正在朝著智能化方向發(fā)展，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控、故障診斷和狀態(tài)評估，提高可靠性。小型化變壓器體積越來越