电工基础变压器.docx
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电工基础变压器
第八章 变压器
第一节 变压器的基本知识
学习目标:
1.了解变压器的构造
:
2.熟悉变压器的工作原理
重点:
变压器的工作原理
难点:
变压器的工作原理
一、变压器的基本知识
1.定义
变压器的是一种常见的电气设备,可用来把某种数值的交变电压变换为同频率的另一数值的交变电压,也可以改变交流电的数值及变换阻抗或改变相位。
2.变压器的意义
发电厂欲将P=3UIcosφ的电功率输送到用电的区域,在P、cosφ为一定值时,若采用的电压愈高,则输电线路中的电流愈小,因而可以减少输电线路上的损耗,节约导电材料。
所以远距离输电采用高电压是最为经济的。
目前,我国交流输电的电压最高已达500kV。
这样高的电压,无论从发电机的安全运行方面或是从制造成本方面考虑,都不允许由发电机直接生产。
发电机的输出电压一般有3.15kV、6.3kV、10.5kV、15.75kV等几种,因此必须用升压变压器将电压升高才能远距离输送。
电能输送到用电区域后,为了适应用电设备的电压要求,还需通过各级变电站(所)利用变压器将电压降低为各类电器所需要的电压值。
在用电方面,多数用电器所需电压是380V、220V或36V,少数电机也采用3kV、6kV等。
3.变压器分类
按其用途不同,有电源变压器、电力变压器,调压变压器,仪用互感器,隔离变压器。
按结构分为双绕组变压器、三绕组变压器、多绕组变压器及自耦变压器。
按铁心结构分为壳式变压器和心式变压器。
按相数分为单相变压器、三相变压器和多相变压器。
变压器的种类虽多,但基本原理和结构是一样的。
4.变压器的基本结构
(1)铁心
图8-1
变压器由套在一个闭合铁心上的两个或多个线圈(绕组)构成,如图8-1所示。
铁心和线圈是变压器的基本组成部分。
铁心构成了电磁感应所需的磁路。
为了减少磁通变化时所引起的涡流损失,变压器的铁心要用厚度为0.35~0.5mm的硅钢片叠成。
片间用绝缘漆隔开。
铁心分为心式和客式两种。
(2)线圈
变压器和电源相连的线圈称为原绕组(或原边,或初级绕组),其匝数为N1,和负载相连的线圈称为副绕组(或副边,或次级绕组),其匝数为N2。
绕组与绕组及绕组与铁心之间都是互相绝缘的。
5.变压器的符号,如图8-2所示。
图8-2
图8-1
6.理想变压器
原副两绕组的电阻为0,电感无穷大;没有漏磁;没有铁心损耗。
二、变压器的工作原理
1.变压器的空载运行
变压器原线圈接上额定的交变电压u1,副线圈开路不接负载,称为空载运行,如图8-3所示。
副边中的电流为零,原边的空载电流为i0
(1)空载电流I0
在外加正弦电压u1的作用下,线圈内有交变电流i0流过。
这时原线圈内的电流,称作变压器的空载电流,又称励磁电流。
它与原线圈匝数N1的乘积i0N1称为励磁磁势。
图8-3空载时的变压器
由于铁心的磁导率远大于空气的磁导率,所以激磁磁势产生的磁通绝大部分集中在铁心里,沿铁心而闭合,该磁通称作主磁通(或工作磁通),用Φ表示,空载电流(励磁电流)的有效值I0一般都很小,约为额定电流的3%~8%。
(2)原副边的感应电动势
主磁通随电流按正弦规律变化,变化的磁通穿过原副边产生
的有效值为
E1≈4.44fN1Φm, E2≈4.44fN2Φm
由此可得
(3)电压平衡方程、电压比
空载时变压器的原绕组电路是一个含有铁心线圈的交流电路,在工程计算中常忽略原绕组中的阻抗不计。
所以原绕组一侧的电压平衡方程可简化为 u1≈-e1,这说明,在变压器原线圈中,自感电动势和电源电压几乎相等,但相位相反。
由此可得u1的有效值为
U1≈E1=4.44fN1Φm,该式表明:
当电源频率和原线圈匝数一定时,铁心中主磁通的大小基本上由电源电压决定。
当电源电压不变时,变压器铁心中的主磁通基本上是个常数。
由于空载时变压器副线圈是开路的,i2=0,副线圈的端电压为 u2=e2,有效值为U2≈E2=4.44fN2Φm,因此可以得到
式中Ku称为变压器的变压比,简称变比,表明变压器空载时,原、副边端电压之比等于原、副线圈的匝数之比,匝数多的一边电压高,匝数少的一边电压低。
我们把Ku>1的称为降压变压器;称Ku<1的为升压变压器。
实际应用时,变压器的副边输出电压可在小范围内调节,副边留有抽头,可以获得不同数值的输出电压。
2.变压器的负载运行
变压器副边接上负载阻抗Z后,副线圈中通过电流i2,如图8-4所示。
当电源电压U不变时,铁心中主磁通Φ也基本不变。
因此,当变压器带上负载后,
因为I0很小,可以忽略内部能量损耗,把变压器视为理想变压器,即变压器的输入功率全部消耗在负载上,即
U1I1=U2I2,由前面的分析得到:
Ki称为变压器的变流比,表示原、副绕组内的电流大小与线圈匝数成反比。
结合前式还可得出
该式表明,在不考虑变压器本身损耗的情况下(理想状态),变压器原绕组输入的功率等于副绕组输出的功率。
这也说明变压器是一种把电能转换为“高压小电流”或“低压大电流”的电器设备,起着传递能量的作用。
3.变压器的阻抗变换作用
若在变压器副边接一电阻R,如图8-5所示。
那么从原边两端来看,等效电阻为
因为
所以
图8-5变压器的阻抗变换
R′称为折算电阻。
该式表明折算电阻是原电阻R的
(N1/N2)2倍,说明变压器起到了阻抗变换的作用。
当变压器负载一定时,改变变压器原副边的匝数,就可以获得所需要的阻抗。
作业:
8-7-1,8-14
第二节 变压器的效率和几种常用变压器
学习目标:
1.掌握变压器的功率和效率
2.熟悉几种常用变压器
3.熟悉电磁铁的工作原理
重点:
变压器的功率和效率
难点:
常用变压器的工作原理
一、变压器的损耗和效率
1.输入功率
变压器负载运行时,原线圈的输入功率即有功功率为P1=U1I1cosφ1,其中φ1为原边电压U1与电流I1的相位差。
2.输出功率
副线圈给负载输出的有功功率为P2=U2I2cosφ2,这里cosφ2为负载的功率因数。
3.变压器的损耗
输入的有功功率和输出的有功功率之差,就是变压器的损耗。
变压器的损耗包括铜损和铁损两部分,铜损为绕组的损耗,铁损为铁心中产生的磁滞损耗和涡流损耗。
变压器的功率损耗为
4.额定容量
变压器的额定电压,是指变压器在额定情况下运行时,原线圈应加的电压及原线圈加上额定电压时副边的空载电压。
变压器的额定容量为副边额定电压和副边额定电流乘积S=U2eI2e,额定容量的单位为VA或kVA(伏安或千伏安)。
5.效率
变压器的效率为
η=
×100%
在接近满载时效率最高。
小型变压器的效率为80%~90%,大型变压器的效率可达98%左右。
二、常用变压器
1.三相变压器
电力工业中,输配电都采用三相制。
变换三相交流电电压,则用三相变压器。
可以设想,把三个单相变压器拼合在一起,便组成了一个三相变压器,各相磁通都经过中间铁心。
(a)三个单相变压器的组合; (b)由三个单相变压器合成一个三相变压器
图8-6三相变压器
由于三相磁通对称(各相磁通幅值相等,相位互差120°),所以通过中间铁心的总磁通为零,故中间铁心柱可以取消。
这样,实际制作时,通常把三个铁心柱排列在同一平面,如图8-7所示。
这种三相变压器比三个单相变压器组合效率高,成本低,体积小,因此应用广泛。
原副边可以根据实际需要连接成星形或三角形。
原边与三相电源连接,副边和三相负载连接,构成三相电路。
三相变压器的额定容量为S=3U2eI2e,式中,U2e、I2e分别为副边额定线电压、额定线电流。
图8-7三相变压器
2.自耦变压器
自耦变压器的原边电路与副边电路共用一部分线圈,如图8-8所示。
原、副边之间除了有磁的联系外,还有直接的电的联系。
这是自耦变压器区别于一般变压器的特点。
从图中看出,当原边加上额定电压后,若不考虑电阻的压降和漏感电势,则
式中K为自耦变压器的变压比。
当自耦变压器接上负载,副边有电流i2输出时,有
图8-8 自耦变压器
上式表明,自耦变压器中原、副边电流的大小与线圈匝数成反比,且在相位上相差180°。
因此,自耦变压器中,原、副边共同部分的电流为 i=i1+i2,考虑到i1与i2相位相反,故I=I2-I1。
当变比K接近1时,由于i1与i2数值相差不大,所以线圈公共部分电流I很小。
因此,这部分线圈可用截面较小的导线,以节省材料。
自耦变压器的优点是:
构简单,节省材料,效率高。
但这些优点只有在变压器变比不大的情况下才有意义。
它的缺点是副线圈和原线圈有电的联系,不能用于变比较大的场合(一般不大于2)。
这是因为当副线圈断开时,高电压就串入低压网络,容易发生事故。
实验室常用的调压器,就是一种副线圈匝数可变的自耦变压器,如图8-9所示。
图8-9
这种调压器端点可以滑动,所以能均匀地调节电压。
该调压器还可以做成三相的,容量一般为几千伏安,电压为几百伏。
使用自耦调压器时,要注意以下几点:
1)原副边不能接错,否则会烧毁变压器。
2)接电源的输入端共三个,用于220V和110V电源,不可将其接错,否则会烧毁变压器。
3)电源接通前,要把手柄转到零位。
接通电源前,逐渐调动受柄,调出所需要的输出电压。
3.互感器
互感器即可测量高电压或大电流,又可保障操作人员的安全。
(1)电压互感器
电压互感器的构造与普通双绕组变压器相同。
它先将被测电网或电气设备的高压降为低
图8-10 电压互感器
压,然后用仪表测出副边的低压U2,把其乘以变压比n,就可以间接测出原边高压值
图8-11 电流互感器
U1,即U1=nU2,其原理如图8-10所示。
实际使用时,
为使与电压互感器配套使用的仪表标准化,不管原边高压多大,通常副边低压额定值均为100V,以便统一使用100V标准的电压表。
为确保安全,使用电压互感器时,必须把铁壳和副边的一端接地,以防绝缘损坏副边出现高压。
(2)电流互感器
电流互感器先将被测的大电流变换成小电流,然后用仪表测出副边电流I2,将其除以变压比n,就可间接测出原边大电流I1,即I1=I2/n。
电流互感器的原边与被测电路串联,副边接电流表。
原边的匝数很少,一般只有一匝或几匝,用粗导线绕成。
副边的匝数较多,用细导线绕成,与电流表串联,它与双绕组变压器工
作原理相同,如图8-11所示。
使用时,为和仪表配套,电流互感器不管原边电流多大,通常副边电流的额定值为1A或5A。
电流互感器正常工作时,不允许副边开路,否则会烧毁设备,危及操作人员安全。
同时必须把铁壳和副边的一端接地。
钳形电流表是将电流互感器和电流表组装成一体的便携式仪表。
副边与电流表组成闭和回路,铁心是可以开合的。
测量时,先张开铁心,套进被测电流的导线,闭合铁心后即可测出电流,使用非常方便,量程为5-100A。
例8-1:
如例图8-7-2所示的电路,线圈部分是理想变压器,已知,试求
解:
将副边电阻折算到原边为,作出折算后原边等效电路,如例图8-7-2(b)所示。
这时
=
按照图中的参考方向
例8-2:
有一台电压为220V/36V的降压变压器,副边接一盏“36V,40W”的灯泡,试求:
(1)若变压器的原边
=1100匝,副边应是多少匝?
(2)灯泡点亮后,原、副边的电流各为多少?
解:
(1)由变压比的公式
可以求副边的匝数
为
=
=
• 由有功功率公式,灯泡是纯电阻性负载,cos=1,可求出副边电流为
由变流公式,可求得原边电流为
=
=
例8-3:
变压器的副边电压U
V,在接有电阻性负载时,测得副边电流A,变压器的输入功率为132W,试求变压器的效率及损耗的功率。
解:
副边负载获得的功率为
则变压器的效率为
变压器手中有损耗的功率为
Δ
三、电磁铁
1.工作原理图8-12 电磁铁的几种结构形式
(a)马蹄式;(b)拍合式;(c)螺管式
电磁铁由磁导率很高的软磁材料铁心、衔铁及线圈所组成。
当线圈中通以电流时,铁心中产生磁场,使衔铁受电磁吸力作用,磁路中空气隙随之减小。
当电路断开时,电流为0,磁性消失,衔铁被释放。
2.分类,分为直流电磁铁和交流电磁铁两种。
按结构分为马蹄式、拍合式和螺管式,如图8-12所示。
3.直流电磁铁的衔铁所受吸引力为:
例 如图8-13所示的直流电磁铁,已知线圈匝数为
图8-13 电流互感器
4000匝,铁芯和衔铁的材料均为铸钢,由于存在漏磁,衔铁中的磁通只有铁芯中磁通的90%,如果衔铁处在图示位置时铁芯中的磁感应强度为1.6T,试求线圈中电流和电磁吸力。
解 铁芯中磁感应强度B=1.6T时,磁场强度H1=5300A/m。
铁芯中的磁通
气隙和衔铁中的磁通
不考虑气隙的边缘效应时,气隙和衔铁中的磁感应强度为
衔铁中的磁场强度为H2=3500A/m。
气隙中的磁场强度为
线圈的磁势
线圈电流为
电磁铁的吸力
4.交流电磁铁
交流电磁铁由交流电励磁,设气隙中的磁感应强度为
电磁铁吸力为