电工基础教材PPT 第四章.ppt

《电工基础教材PPT 第四章.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《电工基础教材PPT 第四章.ppt（47页珍藏版）》请在淘文阁 - 分享文档赚钱的网站上搜索。

1、电工技术基础,第四章变压器,本章要求,1、理解变压器工作原理、结构；2、了解变压器损耗种类；3、能够根据用电负载情况选用电力变压器；4、了解电流互感器和电压互感器的原理及使用方法。,变压器是一种常见的电气设备，在电力系统中广泛应用于交流电压等级变换。电力系统往往需要从发电厂把电能输送到城市等负荷中心。假设输送功率一定，如果输电电压越高，那么输电线路电流越小，从而可以降低线路上的损耗和减小导线线径（减少导线金属用量）。电力系统通常使用变压器将发电厂发电机发出的电压升高。而到了用户端，为了保证用电安全和符合用电设备的电压要求，一般采用变压器把电压降低。,4.1磁路基本知识,4.1.1磁路基本物理量

2、在电磁学中，常常把磁力线经过的路径称为磁路。一、磁感应强度B磁感应强度B是描述磁场中某一点磁场强弱和方向物理量,大小等于垂直于磁场方向单位面积的磁力线数目。为磁通量,S为垂直于磁场的面积，B为磁感应强度（特斯拉T）。二、磁通磁通是指垂直穿过单位面积的磁力线的总量，用字母表示。磁通公式为磁通单位是韦伯Wb，1韦伯等于1伏秒。,三、磁导率磁导率是反映磁场中介质导磁能力的物理量，用字母表示。单位:亨利每米，简称亨每米，用符号H/m表示。由于各种物质的导磁性能不同，因此把物质根据其导磁性能划分为铁磁物质（如铁、镍等）和非铁磁物质（如铜、铝、空气等）。实际应用中以各种物质的磁导率与真空磁导率的比值相对磁

3、导率作为衡量该物质的导磁性能。真空磁导率0是真空的磁导率，实验测定真空磁导率0410-7H/m，是一个常量。相对磁导率r：任一介质的相对磁导率是该介质的磁导率与真空磁导率的比值，用r表示。即：,四、磁场强度H磁场强度H是反映磁场强弱的物理量，磁场强度H的方向和磁感应强度方向相一致，其大小为磁感应强度B与磁导率的比值。磁场强度的单位是安培每米，简称安每米，符号是A/m表示。,4.1.2铁磁物质与磁路欧姆定律一、铁磁物质铁磁物质，如铁、镍等导磁性能良好，可被强烈磁化。往往应用铁磁物质这种特性制造变压器、电动机等各种电工设备。铁磁物质在磁场作用下，会呈现出特殊的磁性能，主要有高磁性、磁饱和性及磁滞性

4、。1、高导磁性磁性材料的分子在一定内区域整齐排列形成磁畴。当没有外部磁场作用时，磁畴形成磁场方向无序，相互之间作用抵消，对外表现出无磁性。当施加外部磁场时，磁畴会按外部磁场方向基本排列一致，此时物质会表现出磁性。我们把上述的原来没有磁性的物质具有磁性的过程称为磁化。,2、磁饱和性在材料磁化过程中，当磁畴方向与外部磁场方向达到一致时，即使再增强外部磁场，磁畴基本上不再变化，这时磁化达到饱和状态，这是材料的磁饱和性。3、磁滞性磁化曲线用来反映磁性材料在磁场强度由零逐渐增加时的磁化特性。实际应用中，磁性材料多处于交变的磁场中，通过实验测出磁性材料在H大小和方向作周期变化时B-H曲线，通常称为磁滞回线

5、。,当H从零增大，B沿01曲线增大，在1点处达到饱和状态，到饱和状态时磁感应强度，称为饱和磁感应强度,用Bm表示。当H减小至零时，B沿着曲线12逐渐减小，当H=0时，B=02，这说明了即使外部磁场消失，材料还有一定磁感应强度；这种现象被称为磁性材料的剩磁现象，剩磁用Br表示。实际应用中，为了消除剩磁的影响，往往加入反向磁场，图中H=03时，B=0，这时剩磁就会消失。,4、铁磁材料的分类和用途铁磁材料根据工程上用途的不同可以分为三大类：软磁材料：软磁材料的特点是磁导率高、易磁化、易去磁。常用材料有纯铁、硅钢、铁镍合金、铁铝合金和铁氧体等，实际应用中用于制作各种电机、电器的铁心。硬磁材料：硬磁材料

6、的特点是磁导率不太高、但一经磁化能保留很大剩磁且不易去磁。常用材料有碳钢、铁镍铝钴合金等，实际应用中用来制作各种永久磁体，如：永磁发电机中永久磁铁、扬声器等永磁铁用硬磁性材料制作。矩磁材料：矩磁材料的特点是磁导率极高、磁化过程中只有正、负两个饱和点，磁滞回线几乎成矩形。常用材料有镁猛铁氧化体等，一般用于制作各类存储器中记忆元件的磁芯。,二、磁路欧姆定律变压器的铁芯磁路通常由软磁材料硅钢片叠压制成，导磁率高。当铁芯上的线圈通电后，铁芯迅速被磁化，形成一个强磁场。铁芯内的磁感应强度为:磁阻Rm用来描述磁性材料对磁通的阻碍作用。磁阻大小与磁路长度成正比，与磁路截面积和磁导率成反比：磁路欧姆定律可表示

7、为：磁路欧姆定律表明，磁路中磁通与磁动势成正比，与磁阻成反比。实际应用中，磁路欧姆定律用来定性分析磁路的情况。,4.1.3电磁感应定律一、法拉第电磁感应定律根据法拉第电磁感应定律，线圈在变化磁通中会产生感应电动势，产生的感应电动势的大小与穿过该线圈的磁通变化率成正比。二、自感自感现象是指由于线圈自身电流的变化而在它本身产生的电磁感应现象。产生的感应电动势称为自感电动势。当线圈N1中施加电流的i1变化时，磁路中的磁通也发生变化，在线圈N1中产生自感电动势u11，自感电动势会阻碍导体中原来的电流变化。,三、互感互感现象是指磁路中有两个或以上线圈，当一个线圈中的电流变化时，它所产生的变化的磁场会在另

8、一个线圈中产生电磁感应。互感中产生的感应电动势叫互感电动势。当线圈N1中施加电流的i1变化时，磁路中的磁通也发生变化，在线圈N2中产生互感电动势u21。实际应用中，可以利用互感现象可以把能量从一个线圈传递到另一个线圈，变压器就是利用互感现象制成的。,4.1.4主磁通原理交流铁芯线圈中通过交流励磁电流时，主磁通是交变的，根据电磁感应定律，交变磁通会在线圈内产生感应电动势e。当正弦交流电压施加在线圈时，铁芯中的主磁通将按照正弦规律变化的。假设主磁通按正弦规律变化：产生的感应电动势为,主磁通感应电动势的有效值为：忽略漏磁电动势和线圈电阻R压降等影响，只考虑主磁通产生的感应电动势。线圈中产生的感应电压

9、有效值为：从上述分析可知，如果施加给交流铁芯线圈的电压有效值、频率不变，铁芯中主磁通最大值m将维持不变。,4.1.5铁芯损耗在交流铁芯线圈电路中，功率损耗可分为铜损和铁损两种。线圈中存在导线阻抗，通过电流时会造成的功率损耗，通常把这种损耗称为铜损。发生在变压器铁芯中的涡流损耗和磁滞损耗被称为铁损。,一、涡流损耗当铁芯中有交变磁通穿过时，在线圈中产生感应电动势，同时在铁芯中与磁通方向垂直的平面上也产生感应电动势，并产生被称为涡流的感应电流。涡流通过铁芯时将使铁芯发热，造成功率损耗。,为了减小涡流损耗和影响，交流磁路的铁芯应采用硅钢片沿磁力线方向叠压制成。实际应用中，硅钢片被加工成0.35mm厚的

10、薄板，表面涂有绝缘漆使得片间绝缘，通过多层硅钢片叠压成铁芯。这样使得涡流只在每片硅钢片内很小的截面内流动，大大减小了涡流和涡流损耗。,二、磁滞损耗在交变磁场中，铁心被反复磁化，磁性材料内部的磁畴在反复取向排列，产生功率损耗，并使铁心发热，这种损耗就是磁滞损耗。在交流电流的频率一定时，磁滞损耗与磁滞回线所包围的面积成正比。磁滞损耗要引起铁心发热。为了减小磁滞损耗，应选用磁滞回线狭小的磁性材料制造铁心。由于硅钢片的磁滞损耗较小，因此变压器和电机中常用硅钢片作为的铁芯材料。,4.2变压器工作原理,变压器广泛应用于电力系统作为变电设备和电子线路中，变压器通过电磁感应的作用，把一个电压等级的交流电能变换

11、成频率相同的另一个电压等级的交流电能。变压器可按用途、相数、冷却介质、铁芯形式等方式分类。按用途分，变压器可分为：1、电力变压器，用来进行电压等级变换；2、仪用变压器或互感器，用来进行测量；3、整流变压器，主要用在整流电路。按相数分：单相变压器和三相变压器。,按冷却介质分：油浸变压器和干式变压器。按铁芯形式分：芯式变压器和壳式变压器。,4.2.1变压器结构及工作原理变压器广泛应用于电力系统作为变电设备和电子线路中，变压器通过电磁感应的作用，把一个电压等级的交流电能变换成频率相同的另一个电压等级的交流电能。一、变压器结构变压器根据电磁感应原理进行工作的，电力系统中常用的变压器有单相和三相两种。单

12、相变压器由一次和二次两个绕组构成，而三相变压器是由三相绕组构成，每相绕组原理与单相变压器相同。变压器主要由铁芯、绕组和附件组成。铁芯供磁路通过，绕组分为一次绕组（也称原绕组）、二次绕组（也称副绕组）,（一）铁芯铁芯是变压器的主体，分为铁芯柱和磁轭两部分，如图4-12所示。其中铁芯柱构成主磁路，磁轭使磁路形成闭合回路。为了减少铁芯损耗，铁芯多采用硅钢片叠压而成。常用变压器的铁芯形状有口字形、EI字形、F字形、C字形等冲片，如图4-所示，(a)口型；（b）EI型；(c)F型；（d）C型。为了提高导磁性能，装配时通常要求交替叠装。,（二）绕组绕组是变压器的电路部分，一般由绝缘铜导线绕制而成。绕组的作

13、用是在通过交变电流时，产生交变磁通和感应电动势。通过电磁感应作用，一次绕组的能量就传递到二次绕组。对于常用的降压变压器，一次绕组为连接电源侧的高压绕组，二次绕组为连接负载侧的低压绕组。绕组常用绕法有两种：同芯式和交叠式。同芯式也称桶型绕组，将接电源端的绕组绕在内层，加上绝缘材料后，再将接负载端的绕组绕在外层。交叠式也称盘型绕组，把一次绕组和二次绕组分成若干组，沿着铁芯柱高度方向交替排列。,（三）附件电力变压器附件有外壳、绝缘材料、绕组骨架等。变压器外壳用于承载绕组和变压器油。绝缘材料是保证变压器的电气绝缘性能的重要附件。绝缘材料主要用于铁芯和绕组间、绕组之间、绕组层间、引出线和其他绕组间的绝缘

14、。变压器绝缘材料主要有青壳纸、聚酯薄膜青壳纸、聚酯薄膜、黄蜡绸（纸）等，引出线的绝缘常常选用玻璃丝漆管或黄蜡管。绕组骨架用于支撑和固定绕组，便于装配铁芯。,二、变压器工作原理根据电磁感应原理，变压器一次绕组施加交流电u1，产生交变磁场m。如果忽略一次绕组损耗，主磁通在一次绕组产生的自感电动势e1与施加的交流电源电压u1相等。而主磁通绝大部分经过闭合铁芯，在二次绕组产生感应电动势e2。（一）变压器的空载运行变压器空载运行是指变压器一次绕组接在额定电压交流电，二次绕组处于开路的运行状态。当变压器空载运行时，二次绕组侧空载，这时i2=0，U2=e2；一次绕组侧电流为空载电流（或称励磁电流），空载电流

15、值很小。根据主磁通原理，变压器一次绕组中e1=4.44fN1m，二次绕组中e2=4.44fN2m，忽略损耗，得,K为变压器一次绕组和二次绕组的匝数比，被称为变压比或变比。实际应用中，变比K一般为一二次绕组输出电压比。如果N2N1，即K1，那么U2U1，这时变压器使电压升高，为升压变压器。如果N2N1，即K1，那么U2U1，这时变压器使电压降低，为降压变压器。从变比K公式可知，如果改变一次绕组和二次绕组的匝数比，就实现改变输出电压的目的。,（二）变压器的负载运行变压器负载运行是指变压器一次绕组接在额定电压交流电上，二次绕组接上负载的运行状态。如果忽略漏磁通产生的电动势和绕组电阻，变压器一次绕组输

16、入功率等于二次绕组输出功率，而且一次、二次绕组的感应电动势等于一次、二次绕组的端电压。即因此，变压器具有变电流作用，一、二次绕组的电流比等于变压器变比K的倒数。,变压器不仅能变换电压和电流，还可实现负载阻抗变换。由得K2是二次侧负载阻抗折算到一次侧的变换系数，这个变换系数等于变比K的平方。从上述分析可知，如果改变变压器一、二次绕组匝数比，就能改变一次、二次绕组的阻抗比，实现获得所需的阻抗匹配。,例题：已知某设备输出变压器的一次绕组匝数N1为800，二次绕组匝数N2为20，原设计连接阻抗为8的负载。现需要变更为连接阻抗32的负载，因此需要更换输出变压器，如果新的输出变压器一次绕组匝数是1200，

17、那么二次绕组匝数是多少？解：连接8时阻抗变换系数为：一次侧反射阻抗为：连接32时阻抗变换系数K2为：新的输出变压器二次绕组匝数为：新的输出变压器二次绕组为120匝。,（三）变压器变压特点变压器变压特点：1、变压器只能对交流电进行变压，不能对直流电进行变压；2、变压器能传递转换交流电能，但不能产生电能；3、变压器能改变交流电压或电流的大小，但转换前后的频率不变。实际应用中，往往忽略变压器损耗，这时变压器一次侧的能量几乎全部传递到二次侧。,4.2.2变压器损耗与效率变压器的损耗由铁损和铜损两部分构成，P=PFe+PCu。在电压和频率不变情况下，变压器的主磁通保持不变，变压器的铁损PFe不随负载情况

18、而变，属于不变损耗。变压器的铜损PCu则跟绕组所通过电流有关，PCu=I2R，因此铜损随负载的变化而变化，属于可变损耗。变压器损耗为P0空载损耗（kW）；KT负载波动损耗系数；平均负载系数，一般取变压器负荷率；PK额定负载损耗（kW）。,变压器的效率是变压器输出功率P2与输入功率P1相比，从运行得到的数据显示，变压器在70%80%负载率区间，变压器的效率最高。,4.2.3变压器额定值变压器的额定值是变压器制造厂家对变压器在指定工作范围和条件下运行时所规定的物理量的值，通常标示在铭牌上。一、额定电压U1N/U2N指一次绕组、二次绕组绕组在空载、指定开关位置下的端电压。一次绕组的额定电压U1N是指

19、变压器长时间安全可靠工作的正常电源电压值。二次绕组的额定电压U2N是指一次绕组加入额定电压U1N后，二次绕组开路时的电压值。对于电力三相变压器，额定电压是指线电压。一次、二次绕组的额定电压在铭牌上表示为U1N/U2N。二、额定容量SN额定容量是即变压器的额定视在功率，单位为伏安（VA）或千伏安（kVA）。通常忽略变压器损耗，认为一次侧和二次侧的额定容量相等。,三、额定电流I1N/I2N额定电流I1N/I2N是指变压器满载运行时一次绕组和二次绕组的允许最大电流值。四、额定频率fN额定频率fN是指变压器正常工作所加交流电源的频率。我国电力系统交流电频率为50Hz。五、变压比K变压比K是指一次绕组、

20、二次侧绕组的额定电压比，K=U1N/U2N。变压比也等于一次绕组和二次绕组匝数比。六、温升变压器温升是指变压器在额定运行工况条件下允许超出周围环境温度的数值。,4.3三相电力变压器,三相电力变压器被广泛应用于低压配电中，向低压用电负载供电。4.3.1电力变压器参数电力变压器铭牌一般标注变压器的型号和主要参数。一、电力变压器型号电力变压器的型号通常由表示相数、冷却方式、调压方式、绕组线芯等材料的字母符号，以及变压器特殊用途、容量、额定电压组成。电力变压器的型号按下图组成：,电力变压器型号第一部分为产品型号字母，由大写拼音字母代号组成。第二部分为变压器损耗水平，用数字代号表示。电力变压器损耗水平具

21、体根据国家标准确定，如三相油浸式变压器损耗水平有9、10、11、12、13、15等。第三部分为变压器特殊用途或特殊结构代号，用大写拼音字母代号表示。第四部分为变压器容量，用数字表示，单位为千伏安（kVA）。第五部分为变压器标称系统工作电压，用数字表示，单位为千伏（kV）。第六部分是特殊使用环境代号，其中：（1）高原地区“GY”；（2）污秽地区；(3)腐蚀地区；(4)热带地区。如：S11-M-630/10型号（油浸式）变压器S三相、11损耗水平代号、M全封闭630/10额定容量630kVA/电压等级10kVSCB13-1600/10型号（干式）变压器S三相、C树脂浇注式B箔绕线圈、13损耗水平代

22、号、1600/10额定容量1600kVA/电压等级10kV,二、电力变压器主要参数1、额定容量（kVA）：额定电压、电流下连续运行时的容量；2、额定电压（kV）：长时间运行时所能承受的工作电压；3、额定电流(A):额定容量下允许长期通过的电流；4、空载损耗（kW）:当以额定电压施加在变压器绕组端子上而其余绕组开路时所吸取的有功功率；5、空载电流（%）:在额定电压下二次侧空载时一次绕组中通过的电流，一般以额定电流的百分数表示；6、负载损耗（kW）:二次绕组短路,在一次绕组额定分接位置上通入额定电流时变压器消耗的功率；7、阻抗电压（%）：二次绕组短路,在一次绕组慢慢升高电压,二次绕组的短路电流等于

23、额定值时一次侧所施加的电压，一般以额定电压的百分数表示；8、相数和频率：国产变压器S表示三相，D表示单相；我国电网工频f为50Hz。还有温升与冷却、绝缘水平、联结组标号等参数。,4.3.2三相电力变压器选用三相电力变压器是企业配电系统的关键设备，合理选择变压器类型和容量，对于企业正常用电和降低损耗有着重要意义。一、变压器选型企业在进行变压器选型时，尽可能选取损耗水平低的变压器。,二、容量选择在进行变压器容量选择时，应该根据由变压器供电的设备清单，计算相应的负荷容量、类型。需要系数法计算方法如下：有功计算负荷（kW）无功计算负荷（kVar）视在计算负荷（kVA）Kd为设备的需要系数。计算出设备的

24、计算负荷后，进行变压器容量选型。选型时应注意变压器的负荷率一般取70%85%。电力变压器的选型与计算负荷、负荷特性、功率因数及功率补偿装置有关。,4.4电力互感器,互感器本质上是一种仪用变压器，包括电流互感器和电压互感器两种。互感器功能是将高电压或大电流按比例变换成标准低电压（额定值为100V）或标准小电流（额定值为5A）。,4.4.1电流互感器在实际线路中，电流往往比较大，有的甚至达到几千安培，常用测量电流仪表无法直接测量线路电流值。为了测量线路电流和进行继电保护，常采用电流互感器把大电流转换为可测量范围的电流。电流互感器的图形符号是TA。在使用时，电流互感器的一次绕组N1（原边绕组）应与被

25、测线路串联，二次绕组N2（副边绕组）与电流表串接成闭合回路。电流互感器一次绕组用粗导线绕成，匝数很少，一般只有一匝或几匝。一次绕组串接在被测线路中。二次绕组匝数比较多。,电流互感器的变比是指它在额定电流下工作时的一次绕组和二次绕组中的电流比，也称倍率。测量时，通过被测线路（即一次绕组侧）的电流等于二次绕组所测得的电流值与变比的乘积。实际应用中，把电流表和特定变比的电流互感器配套，被测线路的电流可由电流表显示刻度直接读出。使用电流互感器时，必须注意：1、正确接线。一次绕组和被测电路串联，二次绕组应和连接的测量电流表或继电保护装置串联。接线时必须注意极性，不能接反。2、在任何情况下，二次绕组绝对不

26、允许开路。当二次绕组开路时，在二次绕组上产生过电压，危及人身和设备安全。为了防止电流互感器二次绕组开路，二次侧回路不准装熔断器、开关等电器。如果在运行中需要拆除测量用电流表等仪表或继电器时，必须先将二次绕组短路。3、二次侧回路必须可靠接地，防止一次绕组、二次绕组之间绝缘损坏或击穿时，一次高电压窜入二次回路而导致危及人身和设备安全。,4.2.2电压互感器为了测量线路电压，常采用电压互感器把高电压转换为电压表测量的较低的电压。电压互感器的图形符号是TV。电压互感器由一次绕组和二次绕组两个绕组组成，本质上是降压变压器。运行时，电压互感器一次绕组N1并联接在被测线路上，二次绕组N2并联连接电压表等仪表

27、或继电器上。在测量高压线路上的电压时，尽管一次电压很高，但二次却是低压的，可以确保操作人员和仪表的安全。,电压互感器变压比是指电压互感器的额定一次电压与二次电压的比值。如果电压表和特定电压互感器配套，那么电压表的刻度可按被测线路的电压值标出。使用电压互感器时，必须注意：1、应根据被测线路额定电压来选择电压互感器变压比，确保额定电压高于被测电路额定电压；2、二次绕组必须串联熔断器作电路保护用，以确保电压互感器运行时二次绕组不会短路烧毁；3、铁芯和二次绕组的一端必须可靠接地，防止一次绕组绝缘损坏时铁芯、二次绕组带高电压而造成事故。,4.5其他变压器,4.5.1自耦变压器自耦变压器是一种常用于实验室

28、中的变压器，它与普通变压器在结构上有所不同，它的二次绕组与一次绕组共用线圈。大部分的小容量自耦变压器设计为圆环形铁芯，绕组均匀绕在铁芯上面，绕组上端面无绝缘层，由碳刷和转柄组成的调压组件在线圈上旋转实现连续调压。,实验室中常用的单相自耦变压器，通过调节手柄，可获得0250V的电压。自耦变压器的优点是结构简单、调节方便。自耦变压器的缺点是它的一次套组和二次绕组间有直接的电连接，因此它不允许当隔离变压器和安全变压器用。操作时，不许接触一次绕组、二次绕组和与之相连的裸露端子，不许带电接线和拆线。,4.5.2电焊变压器交流电弧焊是一种常见的电焊设备，从原理上说是一种特殊的降压变压器。交流电弧焊是通过电

29、弧放电产生热量融化焊条与被焊接金属从而达到焊接的目的。电焊变压器是专供电焊机使用的特殊变压器。工厂和施工工地广泛使用的交流电焊机就是由一个电焊变压器和一个可变电抗器构成的，电焊变压器实际上是降压变压器。对电焊变压器有以下要求：空载时要有约为6070V足够大的引弧电压；焊接时要求电压陡降，额定负载下电压约2530V。在焊条与工件相碰不起弧、即副边短路时，短路电流要求不能过大。此外，还要求能够调节焊接电流的大小。,本章小结,一、变压器属于静止电机，其原理是通过电磁感应的作用，把一个电压等级的交流电能变换成频率相同的另一个电压等级的交流电能。变压器有三个特点：1、变交不变直，只能对交流电进行变压，不

30、能对直流电进行变压；2、能传递转换交流电能，但不能产生电能；3、变压转换前后的频率不变。二、变压器的铁芯、绕组会产生损耗，因此变压器的损耗由铁损和铜损两部分构成，其中铁损属于不变损耗，不随负载情况改变；变压器铜损与变压器负载有关，属于可变损耗。三、变压器主要由铁芯、绕组和附件组成。铁芯是变压器的主体，分为铁芯柱和磁轭两部分，供磁路通过。绕组是变压器的电路部分，作用是在通过交变电流时，产生交变磁通和感应电动势，通过电磁感应作用把一次绕组的能量就传递到二次绕组。,四、电力变压器是企业配电系统关键设备，选用电力变压器时，应选取损耗水平低的变压器。变压器容量选择应根据设备清单，计算相应的负荷容量和日后负荷增加的余量。五、电流互感器和电压互感器本质上是仪用变压器，电流互感器把大电流按比例变换成标准小电流（额定值为5A），电压互感器是将高电压按比例变换成标准低电压（额定值为100V），互感器可实现电力线路测量仪表标准化。,