变压器的设计优秀课件.ppt
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1、变压器的设计第1页,本讲稿共52页 1、根据电路的要求,确定变压器的主要参数并根据参数能正确选用变压器;2、设计、制作一个小型电源变压器。二工作任务二工作任务第2页,本讲稿共52页模块模块1变压器的应用变压器的应用 第3页,本讲稿共52页二工作任务二工作任务变压器的主要作用是实现电压变换、电流变换和阻抗变换。1、电压变换(降压变压器):如图3-1,通过变压器可把网电压变为所需的低电压。图3-1第4页,本讲稿共52页2、电流变换:如图3-2,通过电流互感器可把大电流变为小电流,方便测量。图3-2 第5页,本讲稿共52页3、阻抗变换:如图3-3,通过变压器能实现扬声器阻抗与电源内阻匹配,获得最大功
2、率。图3-3第6页,本讲稿共52页其工作任务是:(1)读懂电路中标明的是哪类变压器,在电路中起什么作用?(2)根据电路的要求,确定变压器的主要参数并根据参数能正确选用变压器;(3)理解变压器为什么能实现电压变换、电流变换和阻抗变换,掌握变压器是怎么实现电压变换、电流变换和阻抗变换的。第7页,本讲稿共52页三.相关实践知识:1、变压器的认识 变压器是根据电磁感应原理制成的一种静止的电气设备,是将某一种电压、电流、相数的电能转变成另一种电压、电流、相数的电能。它具有电压变换、电流变换、阻抗变换和电气隔离的功能,在工程的各个领域获得广泛的应用。1.1变压器的基本结构:由铁芯与绕组两部分构成。(如图3
3、-4所示)第8页,本讲稿共52页1.2变压器的用途:(1)变换交流电压:电力系统传输电能的升压变压器、降压变压器、配电变压器等电力变压器及各类电气设备电源变压器;(2)变换交流电流:电流互感器及大电流发生器;(3)变换阻抗:电子线路中的输入输出变压器。(4)电气隔离:隔离变压器第9页,本讲稿共52页2、变压器的种类(1)按用途分:电力变压器、电源变压器、整流变压器(整流电路用)、电炉变压器(给电炉供电,二次側电压较低,电能热能)、电焊变压器(给电焊机供电)、矿用变压器(干式防爆)、仪用变压器(用在测量设备中)、船用变压器、电子变压器(用在电子线路中)、电流互感器、电压互感器等;(2)按相数分:
4、单相变压器、三相变压器;(3)按频率分:高频变压器(开关电源)、中频变压器(中频加热、淬火)、工频变压器;(4)按冷却介质分:油浸变压器、干式变压器(空气自冷)、水冷变压器;(5)按铁心形式分:心式变压器、壳式变压器;(6)按绕组数分:双绕组变压器、自耦变压器、三绕组变压器、多绕组变压器。第10页,本讲稿共52页3、变压器的铭牌数据 变压器的铭牌主要标示变压器的额定值,变压器的额定值是制造厂对变压器正常使用所作的规定,变压器在规定的额定值状态下运行,可以保证长期可靠的工作,并且有良好的性能。变压器的铭牌标注的额定值主要包括以下几方面:(1)额定容量:是变压器在额定状态下的输出能力的保证值,单位
5、用伏安(VA)、千伏安(kVA)或兆伏安(MVA)表示,额定容量是视在功率,是指变压器副边额定电压和额定电流的乘积.它不是变压器运行时允许输出的最大有功功率,后者和负载的功率因数有关.所以输出功率在数值上比额定容量小.由于变压器有很高运行效率,通常原、副绕组的额定容量设计值相等。第11页,本讲稿共52页(2)额定电压:是指变压器空载时端电压的保证值,根据变压器的绝缘强度和允许温升而规定的电压值,单位用伏(V)、千伏(kV)表示。三相变压器原边和副边的额定电压系指线电压。原边额定电压U1是指原边绕组上应加的电源电压(或输入电压),副边额定输出电压U2通常是指原边加U1时副边绕组的开路电压.使用时
6、原边电压不允许超过额定值(一般规定电压额定值允许变化5%).考虑有载运行时变压器有内阻抗压降,所以副边额定输出电压U2应较负载所需的额定电压高5-10%.对于负载是固定的电源变压器,副边额定电压U2有时是指负载下的输出电压.第12页,本讲稿共52页(3)额定电流:额定电流是指变压器按规定的工作时间(长时连续工作或短时工作或间歇断续工作)运行时原副边绕组允许通过的最大电流,是根据绝缘材料允许的温度定下来的.由于铜耗,电流会发热.电流越大,发热越厉害,温度就越高.在额定电流下,材料老化比较慢.但如果实际的电流大大超过额定值,变压器发热就很厉害,绝缘迅速老化,变压器的寿命就要大大缩短.第13页,本讲
7、稿共52页(4)额定频率:使用变压器时,还要注意它对电源频率的要求.因为在设计变压器时,是根据给定的电源电压等级及频率来确定匝数及磁通最大值的.如果乱用频率,就有可能变压器损坏.例如一台设计用50Hz,220V电源的变压器,若用25Hz,220V电源,则磁通将要增加一倍,由于磁路饱和,激磁电流剧增,变压器马上烧毁.所以在降频使用时,电源电压必须与频率成正比下降。另外,在维持磁通不变的条件下,也不能用到400Hz,1600V的电源上.此时虽不存在磁路的饱和问题,但是升频使用时耐压和铁耗却变成了主要矛盾.因为铁耗与频率成1.5-2次方的关系.频率增大时,铁耗增加很多.由于这个原因,一般对于铁心采用
8、0.35mm厚的热轧硅钢片的变压器,50Hz时的磁通密度可达0.9-1T,而400Hz时的磁通密度只能取到0.4T.此外变压器用的绝缘材料的耐压等级是一定的,低压变压器允许的工作电压不超过300-500V.所以在升频使用时,电源电压不能与频率成正比的增加,而只能适当地增加.第14页,本讲稿共52页(5)额定温升:变压器的额定温升是以环境温度+40C作参考,规定在运行中允许变压器的温度超出参考环境的最大温升。(6)空载电流:变压器空载运行时激磁电流占额定电流的百分数。(7)空载损耗:是指变压器在空载运行时的有功功率损失,单位以瓦(W)或千瓦(kW)表示。(8)短路电压:也称阻抗电压,系指一侧绕组
9、短路,另一侧绕组达到额定电流时所施加的电压与额定电压的百分比。(9)短路损耗:一侧绕组短路,另一侧绕组施以电压使两侧绕组都达到额定电流时的有功损耗,单位以瓦(W)或千瓦(kW)表示。(10)连接组别:表示原、副绕组的连接方式及线电压之间的相位差,以时钟表示。第15页,本讲稿共52页n思考题思考题1:为什么变压器输入电压不能超:为什么变压器输入电压不能超过额定电压?过额定电压?n思考题思考题2:远距离输电为什么必须采用高:远距离输电为什么必须采用高压输电?压输电?第16页,本讲稿共52页四相关理论知识四相关理论知识 1、磁路及磁路的四个基本物理量 电生磁,磁又可以生电。电与磁是密切联系的;同样,
10、磁路与电路是互相关联的,实际电路中有大量电感元件的线圈中有铁心。线圈通电后铁心就构成磁路,磁路又影响电路。因此电工技术不仅有电路问题,同时也有磁路问题。如电磁铁、变压器、电动机等电工设备,它们都是依靠电磁相互作用原理工作的(如图3-5所示)。在磁体的周围空间有磁场的存在,磁场的可以用磁感应强度B、磁通、磁导率、磁场强度H等几个物理量来描述。第17页,本讲稿共52页(1)磁感应强度B 磁感应强度B是表示磁场内某点磁场强弱及方向的物理量。B的大小等于通过垂直于磁场方向单位面积的磁力线数目,B的方向用右手螺旋定则确定。单位是特斯拉(T)。如果磁场内所有点磁感应强度B大小相等,方向相同,这样的磁场称为
11、均匀磁场。第18页,本讲稿共52页(2)磁通 均匀磁场中磁通等于磁感应强度B与垂直于磁场方向的面积S的乘积,单位是韦伯(Wb)。即:=BS,磁通反映了磁场某一范围内磁力线的多少。第19页,本讲稿共52页(3)磁导率n磁导率表示物质的导磁性能,单位是亨/米(H/m)。真空的磁导率n非铁磁物质的磁导率与真空极为接近,铁磁物质的磁导率远大于真空的磁导率。n相对磁导率r:物质磁导率与真空磁导率的比值。非铁磁物质r近似为1,铁磁物质的r远大于1。第20页,本讲稿共52页(4)磁场强度Hn磁场强度只与产生磁场的电流以及这些电流分布有关,而与磁介质的磁导率无关,单位是安米(Am)。是为了简化计算而引入的辅助
12、物理量。即H=B/(或B=H)。第21页,本讲稿共52页2、磁性材料的三大磁性能(1)高导磁性:磁导率可达10010000 H/m,由铁磁材料组成的磁路磁阻很小,在线圈中通入较小的电流即可获得较大的磁通。(2)磁饱和性:B不会随H的增强而无限增强,H增大到一定值时,B不能继续增强(如图3-6a)。(3)磁滞性:铁心线圈中通过交变电流时,H的大小和方向都会改变,铁心在交变磁场中反复磁化,在反复磁化的过程中,B的变化总是滞后于H的变化(如图3-6b)。第22页,本讲稿共52页铁磁材料的类型:(1)软磁材料:磁导率高,磁滞特性不明显,矫顽力和剩磁都小,磁滞回线较窄,磁滞损耗小(常用做磁头、磁心等)。
13、(2)永磁材料:剩磁和矫顽力均较大,磁滞性明显,磁滞回线较宽(常用做永久磁铁)。(3)矩磁材料:只要受较小的外磁场作用就能磁化到饱和,当外磁场去掉,磁性仍保持,磁滞回线几乎成矩形(可用做记忆元件)。第23页,本讲稿共52页3、磁路的两个基本定律3.1安培环路定律(全电流定律)(1)磁场中任何闭合回路磁场强度H的线积分,等于通过这个闭合路径内电流的代数和。即:Hdl=I=I1+I2+I3 (如图所示)上式左侧为磁场强度矢量沿闭合回线的线积分;右侧是穿过由闭合回线所围面积的电流的代数和。电流的符号规定为:电流方向和磁场强度的方向符合右手定则的,电流取正;否则取负。第24页,本讲稿共52页(2)在无
14、分支的均匀磁路(磁路的材料和截面积相同,各处的磁场强度相等)中,安培环路定律可写成:NI=HL(如图3-7 b所示),式中其中N 为线圈的匝数,I为通过线圈的电流,NI称为磁动势,一般用 F 表示;H为磁路中心处的磁场强度,L为磁路长度,HL称为磁压降。第25页,本讲稿共52页(3)在非均匀磁路(磁路的材料或截面积不同,或磁场强度不等)中,总磁动势等于各段磁压降之和。即:NI=HL或NI=Hl+H0l0(如图3-7 c所示)第26页,本讲稿共52页3.2磁路的欧姆定律n对于均匀磁路:F=NI=HL=BL/=L/S=Rm(Rm=L/S称为磁阻)n则磁路的欧姆定律为:F=Rm(均匀磁路的磁动势F等
15、于磁通乘磁阻Rm)n因铁磁物质的磁阻Rm不是常数,它会随励磁电流I的改变而改变,因而通常不能用磁路的欧姆定律直接计算,但可以用于定性分析很多磁路问题。第27页,本讲稿共52页3.3磁路与电路的比较第28页,本讲稿共52页4、交流铁芯线圈n如图3-9所示的交流铁心线圈电路,在带铁心的线圈上加正弦交流电压u,线圈中的电流便在铁心中产生主磁通和漏磁通。主磁通是流经铁心的工作磁通,漏磁通是由于空气隙或其它原因损耗的磁通,它不流经铁心。主磁通和漏磁通都要在线圈中产生感应电动势,一个是主磁电动势e,另一个是漏磁电动势e。第29页,本讲稿共52页n设线圈的电阻为R,主磁电动势为e和漏感电动势为e,由KVL,
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