Chapter4-Transer剖析.ppt

1、1,Chapter 4 Transformer,4.4 三相變壓器及 特殊變壓器,4.1 變壓器的基礎(chǔ)知識,4.2 變壓器的工作原理 及運行性能,4.3 繞組的極性,Function of transformer,3,在能量傳輸過程中，當(dāng)輸送功率P =UI cos 及負載功率因數(shù)cos 一定時：,變壓器應(yīng)用舉例,電力工業(yè)中常采用高壓輸電低壓配電，實現(xiàn)節(jié)能并保證用電安全。具體如下：,1. 按用途分類 電力變壓器、配電變壓器、整流變壓器、 電焊變壓器、船用變壓器、電源變壓器等。 2. 按相數(shù)分類 三相變壓器、單相變壓器。 3. 按每相繞阻的個數(shù)分類 雙繞阻變壓器、三繞阻變壓器、自耦變壓器。 4.

2、按冷卻方式分類 干式變壓器、油浸式變壓器。 5. 按結(jié)構(gòu)分類 心式變壓器、殼式變壓器。,變壓器的種類,6,7,8,將電壓降低到電氣設(shè)備工作電壓的變壓器稱為配電變壓器，該類變壓器作為日常照明和工廠動力用，一般低壓為0.4kV及以下。電力網(wǎng)中所用到的所有變壓器統(tǒng)稱為電力變壓器，即為配電前用的各級變壓器，一般低壓為3kV及以上。,變壓器的種類,9,4.1 變壓器的基礎(chǔ)知識,一、磁路基礎(chǔ),磁通 ：磁場中穿過某一截面積 A 的磁感線數(shù)。 單位：韋伯（Wb）。,磁場是由電流產(chǎn)生的，磁場用磁感線描述。,磁性物質(zhì)的高導(dǎo)磁性 被廣泛應(yīng)用于變壓器 和電機中。, u ,主磁通,漏磁通,鐵心,勵磁繞組, 由于鐵心的高

3、導(dǎo)磁性， 主磁通 漏磁通。,11,11,1、磁感應(yīng)強度 B,與磁場方向相垂直的單位面積上通過的磁通（磁力線）,3、磁場強度 H,磁場強度是計算磁場所用的物理量。,相 關(guān) 概 念,4. 磁場中的歐姆定律,B的單位：特,真空中的磁導(dǎo)率為常數(shù),12,5. 安培環(huán)路定律（全電流定律）：,磁場中任何閉合回路磁場強度的線積分,等于通過這個閉合路徑內(nèi)電流的代數(shù)和。,均勻無分支磁路中：,電流方向和磁場強度的方向符合右手定則，電流取正；否則取負。,磁路：主磁通所經(jīng)過的閉合路徑。,1. 磁路,線圈通入電流后，產(chǎn)生磁通，分主磁通和漏磁通。,對于均勻磁路,(1). 磁路的歐姆定律,有：,其中：,Rm 稱為磁阻,磁導(dǎo)率

4、,Fm 稱為磁動勢,15,磁路和電路的比較（一）,磁 路,電 路,I,N,R,+,_,E,I,磁通,磁壓降,磁動勢,電壓降,電動勢,電流,U,16,歐姆定律,磁阻,磁感應(yīng) 強度,安培環(huán)路 定律,磁 路,I,N,歐姆定律,電阻,電流 強度,磁路與電路的比較 (二),電 路,R,+,_,E,I,電路方程：,一般情況下 很小,且忽略漏磁通。,(2). 交流磁路的分析,的感應(yīng)電勢,和 產(chǎn)生,電路方程：,假設(shè),則,最大值,有效值,二、 變壓器的基本結(jié)構(gòu),主要部件：,1. 鐵心 （變壓器的磁路） 用硅鋼片疊成。 2. 繞組（線圈） 變壓器的電路 高壓繞組和低壓繞組同心地套在鐵心上。 3. 其他 油箱、油、

5、油枕、絕緣導(dǎo)管、保護設(shè)備等。,按鐵心與繞組的相對位置不同變壓器可分為心式變壓器和殼式變壓器。,心式變壓器 （繞組包圍鐵心）,殼式變壓器 （鐵心包圍繞組）,單相變壓器原理圖,變壓器符號,鐵心,原邊繞組N1,工作過程：,副邊繞組N2,一次、二次繞組互不相連，能量的傳遞靠磁耦合。,（1） 變壓器的型號,三、 變壓器的銘牌和技術(shù)數(shù)據(jù), 額定電壓 U2N原邊接U1N時，副邊繞組的開路電壓, 額定電流 變壓器滿載運行時，原、副邊繞組允許的電流值。,（2） 額定值, 額定容量 ：額定視在功率,（理想）, 額定頻率：fN 我國變壓器的額定頻率為50赫茲,注意：變壓器幾個功率的關(guān)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 變壓器的工作原理及運行性能, u2 ,電磁關(guān)系, u1 ,一次繞組,二次繞組,用圖形符號表示 的變壓器電路,一、變壓器的空載運行 ： 原邊接入額定正弦電源，副邊開路。,接通交流電源,i0 產(chǎn)生磁通,（交變）,一次測電壓方程,I2 = 0 I1 = I010% I1N U2 = U20 = E2 U1E1,變壓器空載時, U2 ,原邊漏阻抗,結(jié)論：改變匝數(shù)比，就能改變輸出電壓。,K為變壓比,原、副邊電壓關(guān)系,根據(jù)交流磁路的分析可得：,時,（變電壓）,二、變壓器的負載運行 ：,ZL,副邊帶負載后對磁路的影響： 在副邊感應(yīng)電壓

8、的作用下， 副邊線圈中有了電流 i2 。此 電流在磁路中也會產(chǎn)生磁通，從而影響原邊電流 i1。但當(dāng)外加電壓、頻率不變時，鐵芯中主磁通的最大值在變壓器空載或有負載時基本不變 。 帶負載后磁動勢的平衡關(guān)系為：,1、負載運行時的物理現(xiàn)象,2、電流變換,U1NE1 = 4.44 f N1m,N1i1 N2i2,N1i0 ,磁動勢平衡方程：,由于變壓器鐵芯材料的導(dǎo)磁率高、空載勵磁電流 i0很小，可忽略 。即,(1) i1 與 i2 反相位 i10 時，i2 0，即 i2 是去磁的。保持主磁通不變。 (2) i1 與 i2 的大小關(guān)系, 電流變換, 變壓器的額定電流標注在銘牌上（ I1N / I2N）。,

9、結(jié)論：原、副邊電流與匝數(shù)成反比,3、電壓變換,（1）. 一次測電壓方程, R1、X1 和 Z1 一次繞組的電阻、漏電抗和漏阻抗。,(2). 二次測電壓方程, R2、X2 和 Z2 二次繞組的電阻、漏電抗和漏阻抗。,規(guī)定 U1 = U1N 時， U20 = U2N 。 如銘牌上標注： 10 000 / 230 V U1N / U2N,U2 E2 U1E1,(3). 電壓比,若忽略原、副繞組的漏磁阻抗Z1和Z2的電壓降，則,一般取高壓繞組的 電壓與低壓繞組的電 壓之比，即 k1。, 一般 U2N 比滿載時的 電壓高 5% 10% 。,36,（2）高壓繞組匝數(shù)多，電流??；低壓繞組匝數(shù)少，電流大。,（

10、1）升壓變壓器的一次側(cè)為低壓繞組，二次側(cè)為高壓繞組；降壓變壓器的一次側(cè)為高壓繞組，二次側(cè)為低壓繞組。,（3）二次側(cè)電流 由負載決定，一次側(cè)電流由二次側(cè)電流決定。,（4）變壓器不能變換直流電壓。如誤接，因此時電源電壓全部加在一次側(cè)繞組上，可能燒壞繞組。,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(初級線圈,原邊）,The coil on the output side is termed the secondary coil(次級線圈,副邊）,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 (匝數(shù)比) N as,國內(nèi)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：,電子線路中，常利用阻抗匹配實現(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） Output power under direct connection ：,阻抗變換

20、舉例：揚聲器上如何得到最大輸出功率,設(shè)：,信號電壓的有效值:,U1= 50V;,信號內(nèi)阻：,Rs=100 ;,負載為揚聲器，其等效電阻： RL=8。,求：負載上得到的功率,解：（1）將負載直接接到信號源上，得到的輸出功 率為：,（2）將負載通過變壓器接到信號源上。,輸出功率為：,結(jié)論：由上例可知加入變壓器以后，輸出功率提高 了很多。,解,例 一只電阻為 8 的揚聲器 (喇叭)，需要 把電阻提高到 800 才可以接入半導(dǎo)體收音機的輸出端， 問應(yīng)該利用電壓比為多大的變壓器才能實現(xiàn)這一阻抗匹 配。,當(dāng) U1 = U1N，cos2 不變時： U2 = f ( I2), 電力變壓器： U = 2% 3%

21、,1. 變壓器的外特性,電壓調(diào)整率,三、變壓器的運行性能,（副邊輸出電壓和輸出電流的關(guān)系。）,U20：原邊加額定電壓、副邊開路時的輸出電壓。,為防止渦流損失，鐵芯一般由一片片導(dǎo)磁材料疊合而成。,2. 變壓器的損耗與效率,變壓器的效率：,式中 P2 變壓器的輸出功率 P1 輸入功率,電力變壓器 當(dāng) I2 = ( 50% 75% ) I2N 時， = max 小型電力變壓器 = 80% 90% 大型電力變壓器 = 98% 99% 額定輸出功率,P2N = U2NI2Ncos2 = SN cos2,P2N = U2I2Ncos2,忽略 U 時!,解 忽略電壓調(diào)整率，則 P2 = SNcos2 = 1

22、01030.8 W = 8 kW P = PFePCu = (300400) W = 700 W P1 = P2P = (8 000700) W = 8.7 W,例 一變壓器容量為 10 kVA，鐵損為 300 W， 滿載時銅損為 400 W，求該變壓器在滿載情況下向功率 因數(shù)為 0.8 的負載供電時輸入和輸出的有功功率及效率。,例 某單相變壓器的額定電壓為 10 000/230 V 接在 10 000 V 的交流電源上向一電感性負載供電，電壓 調(diào)整率為 0.03，求變壓器的電壓比、空載和滿載時的二 次電壓。,解 變壓器的電壓比為,空載時的二次電壓為 U20 = U2N = 230 V 滿載時

23、的二次電壓為 U2 = U2N (1 U% ) = 230(1 0.03) = 223 V,例 在例5.3.1 中，ZL = 0.966 時正好滿載， 求該變壓器的電流。,解 變壓器的電壓比為,當(dāng)電流流入兩個線圈（或流出）時，若產(chǎn)生的磁通方向相同，則兩個流入端稱為同極性端（同名端）。,1、同極性端（同名端）,(a) 繞向相同,(b) 繞向相反,A與 a是同極性端 (同名端) A與 x是異極性端 (異名端),A與 x 是同極性端 (同名端) A與 a是異極性端 (異名端),4.3繞組的極性,(a) 繞向相同,(b) 繞向相反,繞組極性的標注方法,110V,110V, 220V ,(a) 繞組的串

24、聯(lián), 110V ,(b) 繞組的并聯(lián),2、繞組的正確接法 （串聯(lián)和并聯(lián)）,110V,110V,異名端連接,同名端連接,電器使用時兩種電壓（220V/110V）的切換：,220V： 聯(lián)結(jié) 2 3,110V： 聯(lián)結(jié) 1 3，2 4,線圈的接法,如果兩繞組的極性端接錯，結(jié)果如何？,結(jié)論：在極性不明確時，一定要先測定極性再通電。,答：有可能燒毀變壓器,62,* 4.4 三相變壓器及特殊變壓器,一、三相變壓器的種類 1. 三相組式變壓器,U1 U2,u1 u2,V1 V2,v1 v2,W1 W2,w1 w2,特點：三相之間只有電的聯(lián)系，沒有磁的聯(lián)系。,63,2. 三相心式變壓器,U1 U2 u1 u2,V1 V2 v1 v2,W1 W2 w1 w2,特點：三相之間既有電的聯(lián)系，又有磁的聯(lián)系。,64,聯(lián)結(jié)方式 高壓繞組 低壓繞組 星形有中性線 YN yn 星形無中性線 Y y 三角形 D d GB: Yyn、Yd、YNd、Yy、YNy,二、三相繞組的聯(lián)結(jié)方式,最常用的三種,（一）自耦變壓器,1、結(jié)構(gòu),手柄,接線柱,可調(diào)式自耦變壓器（調(diào)壓器）