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第二章变压器

日期:2019-10-10 12:36 来源: 变压器

  

第二章变压器

  

第二章变压器

  第二章 变压器 §2—1.变压器的应用与结构 §2—2.变压器的基本工作原理 §2—3.三相电压的变换 §2—4.特殊变压器 说 变压器: 明 是利用电磁感应原理进行工作的,所以将它 划在电机的范畴内。由于它没有转动部件,是静 止的,因而有人称之为“静止电机”。 学习本章目的:—— 学习变压器结构原理, 平衡方程,运行特性及参数;学习三相变压器极 性和判别方法;学习自耦变压器结构原理和互感 器使用注意事项。能够进行变压器的基本计算。 V/V连接是本章的难点。 §2—1.变压器的应用与结构 ? ? ? ? ? 变压器的应用 变压器的种类 变压器的结构 变压器的铭牌数据 变压器的维护管理 一、变压器的应用 ?在陆上: 变压器广泛应用于电力传输、电气控制、电气检 测等方面。 ?电力传输: 升、降压。原因减小损耗。电气控制:提供合适 的电源。电气检测:得到所需的信号。 ?在船上: 主要有:照明变压器和控制变压器。要求安全、 可靠。 二、变压器的种类 分类的方法: 按用途、按相数、连接方 式、按结构形式等分类。 此外,还可按冷却方式进 行分类。 各种不同的分类 ?按用途分: 电力(包括照明)、电源、控制、 仪用、特殊(电解、电焊等)。 ?按相数分: 单相、三相。 ?按连接方式分:?/?、?/?、?/?、?/?等。 ?按结构形式分:线圈:——筒式、盘式, 铁心:——心式、壳式。 ?按冷却方式分:自冷、它冷,风冷、油冷等。 注意: 船用变压器为B级绝缘。 见——P.251.表16-1-3 船用变压器应该采用干式。 变压器的结构 组成:变压器由铁心和绕组组成。 铁心:构成磁路。 绕组:构成电路。位置:低压在里、在边。 绕组——按一定规律连接的线圈。 三、船舶变压器的使用和管理 1.铭牌 ?铭牌数据主要有:Sn、U1n/U2n、I1n/I2n、fn等。 ?额定容量Sn:注意:因为没有气隙,励磁功率小,没 有机械损耗(不动)。所以总损耗小,效率高,输出与输 入功率相差较小。因此,Sn既是输入额定值,也是输出 额定值。 ?三相额定电压/电流:注意:额定值都是“线”的量。 ?三相功率计算:不论是三角形还是星形,“线”量与 “相”量关系是电压或电流总有一个相等,一个相差 √3 。 ?所以不论是三角形还是星形其三相功率计算:用线电 压和线电流的乘积再在前面乘√3。 2.变压器的维护管理 维护管理: ?外部保持清洁和干燥,防止漏电; ?注意日常检查:温度、电流值、三相平衡情况; ?大修过后投入运行前应做检查:绝缘、状态是否良 好(有无短路、断路)。 [第一节要点]: 要求(绕组位置,船用B级);铭牌数据;冷却 方式;维护管理。 §2—2.变压器的基本工作原理 本节的主要内容有三大点: ? ? 变压器的基本变换功能: 电压和磁势平衡方程: ? 变压器的等效电路(补充): —— 实际是归纳后的补充 一、变压器的基本变换功能 变压器原理: 原边绕组N1通入交流 电,有电流流过原绕组, 在磁路中产生交变磁通。 交变磁通分别在原、副绕 组感应电势e1和e2。 感应电势公式: (4.44公式) E1 = 4.44 f N1Φ1m; E2 = 4.44 f N2Φ1m。 变压原理 因原绕组导线电阻很小,且漏感电势e σ1 很小(∵漏磁磁路磁阻大,Φσ1很小),∴ U1 ≈E1 , U2 = E2。根据4.44公式,空载(或副 边开路)时有: U1 / U2 ≈E1 / E2 = N1 / N2 = k 在U1相同时,选择不同的k,就可得到不 同的U2 。 —— k 称为变压器的变压比。简称变比。 变流原理 当?2≠0,则原、副绕组产生磁势的矢量和为励 磁磁势,共同在磁路中产生磁通。 ?0N1= ?1N1+ ?2N2 —— 矢量和 ∵?0很小,∴?1N1 ≈ - ?2N2 ,也就是: ?1 ≈ - ?2N2 / N1 = - ?2k I, 其中,k I = N2 / N1 ,称为变压器的变流比。 阻抗变换原理 变压器带负载后,设负载阻抗为Z。这个负 载是从变压器的副边看的实际值,但是对于原边 变压器的电源,它的阻抗相当于Z′。其关系为: N1 U2 U1 N 2 N1 2 U 2 Z ? ? ?( ) ? ? k2 Z N2 I1 N2 I2 I2 N1 ∴变压器具有阻抗变换作用,常用在电子线 路中进行阻抗匹配。 通常可令:kZ=k2 , kZ称为变压器阻抗变比。 变压器的功能 变压器功能有四个,书上只讲三个: ①. 电压变换的功能; ②. 电流变换的功能; ③. 阻抗变换的功能; 此外(双绕组变压器)还有: ④. 电气隔离的功能。 电气隔离功能,可保证必要的安全。 二、电压和磁势平衡方程 电磁物理量的正方向 首先必须清楚:交流电量的 方向与直流电量方向的区别: 正方向只是一种参考方向, 实际上是有相位差的。 惯例正方向:原边以电压为参考,电流与电压相 同,磁通与电流符合右螺旋定则,电势与磁通满足电 磁感应定律——注意电势方向为:从低电位指向高电 位。由于电磁感应定律中有个负号,所以变成从高电 位指向低电位。副边则以电势为参考。 电压平衡方程 原边电压平衡方程根据基尔霍夫电压定律直接列 出——P.14.式(2-2-6),其中: ?σ 1 = - j ?1Xσ 1 —— 满足电磁感应定律 绕组电势?1不采用电 抗表示是因为带铁心线圈 的电抗为非线性的,不是 常数,只有进行小范围线 性处理后才能采用电抗X1 小范围线性处理:在工 作点附近进行。 表示。 注意:电势此时的性质是被当作电压降处理(电抗压降)。 磁势平衡方程 注意:因为变压器对电流的变换作用,磁势平衡方程 实际上就是电流平衡方程。—— P.14.式(2-2-8)。 若令电流?′1= -(N1/N2)?2,则:?1=?0+?′1 —— 就是电流的平衡方程。 ?′1是副边电流 等效到原边时的等效电流。 可以理解为:副边带负载 后对原边电流的影响。 平衡方程归纳 根据电路和磁路基尔霍夫定律可以得到电压和磁势平衡方程。 原边电压平衡方程:?1= (R1+jX1)?1-?1=?1Z1-?1 副边电压平衡方程:?2=?2-?2(R2+jX2)=?2-?2Z2 磁势平衡方程: F0 = F1 + F2 或 ?1 = ?0 + ?′1 ∵漏磁通的路径是空气,磁路不饱和。∴漏磁通产生的 感应电势大小与产生漏磁电流大小成正比,可用电抗与电流 乘积表示: ?σ 1 = - j ?1Xσ 1 和 ?σ 2 = - j ?2Xσ 2 。而 主磁通的路径是铁心,磁路易饱和,通常不用电抗表示。 注意: 平衡方程是分析、计算变压器的工具。 变压器负载后对原边的影响 变压器副边接上负载后,副边绕组有电流流过。 负载电流是由穿过副绕组交变磁通感应副边电势产生 的,根据电磁感应定律负载电流也会建立负载磁势, 具有去磁性质(阻碍穿过副边绕组磁通变化)。 [结论]:虽然正方向已经设定,但是负载磁势与 励磁磁势的实际方向相反。 ∵负载磁势具有去磁性质,为了保证磁路中的磁 通不变(才能平衡电源电压),原绕组中将增大电流 (电流从I0变化到I1)。 变压器工作过程 原边接u1后,原绕组有 i0流过,在铁心中产生Φ并与原、 副绕组交链,副绕组将感应e2,产生u2 。接上负载后,副边 绕组有i2 流过。i2 建立负载磁势F2 ,对磁路中Φ有去磁性质。 为了保证Φ不变(才能平衡u1 ),原边电流将增大(从i0变 化到i1),i2 越大,i1增加越多。变压器就是这样通过磁路磁 通将原边的电能传输到副边而工作的。 ? P.14.复习与思考题(2-2-4):副边电流增大时,副边磁势 的去磁作用增大;这将使主磁通出现减少的趋势。但主磁通的这一 趋势,立即引起原边电势的减少,立即使其电流增加,从而使主磁 通保持基本不变,反之亦然(若副边电流减小,原边电流也会减 小)。也就是说,只要原边电压不变,主磁通是基本不变的。正是 主磁通能保持基本不变,原边电流才能随副边电流的增减而增减。 变压器的等效电路(补充) 补充的内容 理解即可 变压器的等效电路可以通过平衡方程式得到,设:Z 为从变压器原边绕组两端看到的整个等效阻抗。 Z=U1/I1,∵U1=I1Z1+E1,∴Z=(I1Z1+E1)/I1=Z1+E1/I1, ∵I1=I0+I1′, ∴Z=Z1+E1/(I0+I1′)=Z1+1/(I0/E1+I1′/E1); 令:Zm=E1/I0为励磁阻抗,∵ E1=kE2,数值上I1′=I2 /k, 所以:E1/I1′=kE2/I1′=E2/I2=U2/I2+Z2=ZL+Z2。因 此,Z=Z1+1/[1/Zm+1/( ZL+Z2)]=Z1+Zm//(ZL+Z2)。这就是 “变压器的等效电路” 。 观看电路图 继续其它内容 采用电路图表示为: 变压器的等效电路变换过程 返回说明 继续 Z=U1/I1, U1=I1Z1+E1, Z=(I1Z1+E1)/I1=Z1+E1/I1, I1=I0+I1′, E1/I0 =Zm, E1/I1=1/(I0/E1+I1′/E1), E1/I1′=E2/I2=U2/I2+Z2=ZL+Z2, E2=U2+I2Z2, 等效电路的种类: T形等 效电路 1.T形等效电路: 比较精确,但运算较复杂, 形状象T。 2.Γ形等效电路:运算较简单,但较不精确, 形状象Γ。 3.近似等效电路:运算最为简单,但也是最 不精确的,主要用来估算变压器的参数及定 性分析变压器。 Γ形 近似 [第二节要点]: 工作原理;作用(变压、流、阻抗和隔离);平衡方程。 §2—3. 三相电压的变换 本节的主要内容有三大点: ? 变压器绕组的极性: ? 三相变压器的连接: ? 变压器的运行: 变压器的极性:—— 介绍极性正确连接的意义,及如何判断。 三相变压器的连接: —— 介绍三相连接的种类和电量的相位关 系。V/V连接是一种特殊的连接方式,是船用照明变压器的一种 应急工作方式。 变压器的运行:—— 介绍变压器的主要运行特性。 一、变压器绕组的极性 概念:所谓极性是指不同绕组工作时其端部的 相位关系。相位相同的端称为同极性端,或同名端; 相位相反的端称为异极性端,或异名端。 要求:两个以上绕组的变压器,连接(并联运 行)时都应该按照正确极性进行连接。 极性错误的危害:—— 一般将造成短路。从而 烧毁变压器。 极性接错的危害 串联连接 并联连接 串联短路 并联短路 将两个线圈反向串联或者并联,如果两个线圈的 匝数相等,接上电源后,在铁心磁路中产生的磁通大 小相等方向相反,总体磁通Φ =0。因此两个线圈不会 感应电势,电源电压在没有电势平衡的情况下,将造 成短路。 极性的标记 极性与线圈的绕向有关,但一台造好的变压器,线 圈外面包有绝缘层,实际使用时不可能拆开绝缘层来查 看其绕向。为此,就必须采用记号来表示。 当两个线两端通入同相位的电流时,在铁 心中各自产生的磁通相位相同,感应的电势的相位也一 样。这两个线为“同名端”或者“同 极性端”。并用“?”或“?” 作为标记。因此,线,在电气原理图上就不需要再画出铁心了。 两个线圈中有两个端子为同名端,则另外两个端子 之间也是同名端;而1-4或2-3则称为“异名端”或“异 极性端”。所以说,线圈同名端的标记不是唯一的。 同名端的判别(交流法) ?交流法: 交流法接线如右图所示。电 压表两端电压 V = U1 -U2。 若1、3为同名端,因为U1、 U2 同相位,则V < U1 ; 若1、3为异名端,因为U1、 U2 反向,则V >U1 。 主要判别方法有: 交流法和直流法。 同名端的判别(直流法) ?直流法: 直流法接线为同名端,开关S 闭合时,毫安表正偏;若为 异名端,则反偏。(因闭合时, 感应电势要阻碍电流流入, 注意:S断开时, 方向为1+、2- ) ;断开时 1-2之间可能感应较 指针偏转方向正好相反。 高的电压。 二、三相变压器的连接 ?连接方法:星形或三角形,即:Yy, Yd, Dy 和Dd。 ?连接组别:—— 连接组别的表示法了解即可 不同的连接副绕组电势相位不同, 副绕组与原绕 组相位上的不同关系可用连接组别表示。连接组别 以“时钟表示法”表示。 时钟表示法:—— 分针为原绕组线电势EAB向 量,时针为副绕组线电势Eab向量。 连接组别说明(了解即可) 连接组别是用来表示三/单相变压器连接的标准形式的,原副边 连接符号之间用“/”号隔开,然后用“-”号引出表示原副边线电势的 相位角的“时钟点数”。长针,即分针表示原边线”的位置;短针,即时针表示副边线电势Eab 位置。如:Y/d-11 表示,副边线电势Eab滞后原边线度电角度。 Y/y连接: Y/d连接: 船用照明变压器及V/V连接 ?船用照明变压器: 船舶照明变压器是重要的设备,有两种配置方案: 1.两台三相变压器:—— 互为备用。 2.三台单相变压器:—— 组成△/△连接的三相组 式变压器。应急时可由两台单相变压器连接成V/V连接 继续使用。 注意:必须是三相组式(三台单相)变压器,变压器三相 的磁路才是独立的,才不会相互影响。 ?V/V连接时容量的计算: V/V连接 每台单相变压器电流额定值 不能超过。设,单相变压器额定 值:I2n、U2n。V/V连接最大容量 为SVL,则△和V连接容量分别为: Sn=√3×U2△I2△=3U2nI2n SVL=√3×U2I2=√3×U2nI2n 因此, V/V连接容量是△连接时 容量的1/√3: SVL/ Sn=1/√3 利用系数:SVL/ SVn=√3/2 三、变压器的运行特性 运行特性是维护管理变压器的主要依据, 是变压器性能的一种体现。 变压器的运行特性主要有: 1.外特性:—— 作为电源都需要考察的重要 特性。 2.效率特性: —— 任何设备都需要考察的 重要特性。 ?外特性: 恒压源都需要考察外特性, 都以电压变化率作为其性能 指标。 外特性(条件):cosφ 2 不变,U2=f(I2)。是一条下 降的曲线 的去磁程度不同,外特性形 状也不同。 下降原因:阻抗(主要 是电抗)压降。 电压变化率:△u2%, 是作为电源的重要指标。 △u2%的计算公式: ——书P.17式(2-3-3)。 ?效率特性: 一般变压器或电机,都有 铁损等于铜损时效率最高。 效率特性(条件):cosφ 2 不 变,η 2=f(P2)。 ∵没有机械损耗,∴变压 器的效率比较高。 铁损等于铜损(60%~80%P2n) 电机的效率特性的 时效率最高。 形状基本相同。 变压器的并联运行 ?要求: 1. 不应有环流; 2. 按容量比例分配负荷。 ?基本条件: 1. 原副边额定电压分别相等; 2. 连接组别相同; 3. 具有相同的阻抗标幺值。 [注意]:书P.18遗漏,应该补上“标幺值”三个字。 §2—4.特殊变压器 本节的主要内容有两大点: ?自耦变压器: 主要掌握结构原理。 ?仪用互感器: 主要掌握使用注意事项。 一、自耦变压器 ?结构: 一个有中间抽头的 绕组,绕组的两个端子 接电源作为原边,中间 抽头和其中一个端子作 为副边,如图所示。总 匝数N1,副边匝数N2。 “自耦” —— 自己耦合,即有磁耦合,也有电的 直接耦合。 ?原理: 原理:原边接电源绕组有电流I1流进绕组,一部 分电流I2通过中间抽头流出经过负载,另一部分电流 I 则通过公共部分。铁心中将产生磁通,并在线圈 绕组上感应电势,由于感应电势正比于绕组的匝数, 其它情况与双绕组变压器相似。 用途:用在变比k接近于1的场合。变比越接近 于1,公共部分的电流 I 就越小。—— ∵大部分电 流直接经过中间抽头输出。 [注意]:自耦变压器没有电气隔离作用。 二、仪用互感器 ?种类与用途: 用途:用来测量交流电压和电流。将高电压或 大电流变换成低电压或小电流。 种类:电压互感器和电流互感器两种。 ?原理: 电压互感器:相当于工作在空载状态的降压变压器。 电流互感器:相当于工作在短路状态的升压变压器 (电流由被测电路决定)。 ?使用注意: 电压互感器:使用时不能短路,所带负载阻抗 不能太小。 电流互感器:使用时绝对不能开路,所带负载 阻抗不能太大。 此外:电压、电流互感器的铁心和副绕组的一 端都应可靠接地。 注意:电压互感器副边标准额定电压为100V, 电流互感器副边标准额定电流为5A。 第二章 小 ? 结 各节要点: 第一节:要求(绕组位置,船用B级);铭牌数据;冷却 方式(干式);维护管理。 第二节:工作原理;作用(变压、流、阻抗和隔离); 平衡方程。 第三节:极性(交流法、直流法);连接(四种标准接 法);运行特性。 第四节:自耦变压器(原理,特点);互感器(使用注 意事项,标准输出)。 主要内容(归纳) 第二章的主要内容是:变压器的结构原 理,平衡方程式,运行特性及参数;三相变 压器的极性和判别方法;自耦变压器的结构 原理和互感器的使用注意事项。 V/V 连接是 本章的难点(难在单相/三相的功率计算易混 淆)。 第二章 变压器 也有计算任务,是“第三 章 异步电动机”的计算基础。 主要内容(要点) ? ? ? ? ? ? 变压器的结构原理; 平衡方程式,运行特性及参数; 三相变压器的极性和判别方法; 自耦变压器的结构原理和互感器的使用注意事项; V/V连接是本章的难点(难在单相/三相的功率计 算易混淆)。 第二章 变压器 也有计算任务,是“第三章 异步电 动机”的计算基础。

  第二章变压器_工学_高等教育_教育专区。第二章 变压器 §2—1.变压器的应用与结构 §2—2.变压器的基本工作原理 §2—3.三相电压的变换 §2—4.特殊变压器 说 变压器: 明 是利用电磁感应原理进行工作的,所以将它 划在电机

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