磁路和变压器课件.ppt

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第6章磁路和变压器6.1磁场的基本概念6.2铁心线圈电路返回主页6.3变压器的构造和分类6.4变压器的工作原理6.5变压器的铭牌数据6.6特殊变压器 6.1磁场的基本概念1.磁通Φ单位：Wb（韦）2.磁感应强度B单位：T（特斯拉）在均匀磁场中：3.磁场强度H单位：A/mB=ΦSWb/m2——磁通密度电流→←用磁感线描述磁场一、磁场的基本物理量 μ0=4π×10－7H/mBH=H与B的区别①H∝I，与介质的性质无关。②B与电流的大小和介质的性质均有关。4.磁导率单位：H/m真空中的磁导率: 二、物质的磁性能按磁导率分类：非磁性物质、磁性物质。非磁性物质≈0(1)顺磁物质（如空气）：略大于0。(2)反磁物质（如铜）：略小于0。1.高导磁性※铸钢：≈10000硅钢片：≈(6000~7000)0玻莫合金：比0大几万倍。0 起始磁化曲线BHO2.磁饱和性B=H（≠常数）磁化曲线磁化曲线abcdB=f(H)B=0H 3.磁滞性BHOHmBm剩磁－Hm矫顽磁力Br－Hc－BmHc－Br磁滞回线BHO基本磁化曲线 (1)硬磁物质B－H曲线宽，Br大、Hc大。用于制造永磁铁。(2)软磁物质B－H曲线窄，Br小、Hc小。用于制造变压器、电机等电器的铁心。(3)矩磁物质B－H曲线形状接近矩形，Br大、Hc小。用于计算机中，作记忆单元。按磁滞回线的不同，磁性物质可分为 三、磁路的基本定律＋u－ΦΦ主磁通漏磁通磁路i 1.磁路欧姆定律μcAclcμ0A0l0+u－iΦ全电流定律:Bc=ΦAcHc=Bcc∮Hdl=I铁心中：气隙中：左边=∮Hdl=∮Hdl=Hclc＋H0l0=ΦcAcB0=ΦA0H0=B00=Φ0A0 磁阻:=(Rmc＋Rm0)Φ=RmΦRm=Rmc+Rm0lccAc=(＋)Φl00A0lccAc=＋l00A0右边=I=NI=F因此RmΦ=FΦ=FRm磁路欧姆定律磁通势NI一定时，因Rm0的存在，使Φ大大减小；若要保持Φ一定，则需增大磁通势F。由于c0，因此Rm0Rmc。 2.磁路基尔霍夫第一定律闭合面i1i2Φ1Φ2Φ3l1l3l2Φ3－Φ1－Φ2=0任一闭合面：Φ=03.磁路基尔霍夫第二定律F1－F2=∮Hdl=∮Hdl=H1l1－H2l2磁位差UmUm=HlUm=F 6.2铁心线圈电路1.直流铁心线圈电路ΦΦ励磁U＋U－I→I→NI→URI=线圈的功率：P=RI2电压与电流的关系: 2.交流铁心线圈电路(1)电磁关系励磁：u＋u－iΦeΦe→i→Ni→Φ→e→eddt=－Ndidt=－Lddt=－Nu=Ri－e－eΦ的磁路为非线性磁路。设=msinωt则e=－Nmcosωt=Emsin(t－90o) E=4.44fNΦm的磁路为线性磁路。漏电感：NiL=漏电抗：X=L=2fLE=－j4.44fNΦm漏磁电动势：E=－jXIu=uR－e－eσU=UR－Eσ－E=－E＋jLI＋RI=－E+(R＋jL)I=－E+ZI漏阻抗＋u－iΦeΦe U=－E忽略漏阻抗，有U4.44fNΦm=则当U、f一定时，Φm基本不变。(2)功率关系有功功率:P=UIcos=PCu+PFe铜损耗铁损耗=RI2+(Ph+Pe)磁滞损耗涡流损耗 (1)磁滞损耗Ph(2)涡流损耗PeΦΦ铜损耗使线圈发热，铁损耗使铁心发热。减小铁损耗的方法：①使用软磁材料减小Ph。②增大铁心的电阻率，减小涡流及其损耗。③用很薄的硅钢片叠成铁心，减小涡流及其损耗。涡流损耗(a)(b)0.35mm0.30mm0.27mm0.22mm 6.3变压器的结构和分类1.主要部件(1)铁心由硅钢片叠成或非晶合金制成。12341432奇数层偶数层(2)绕组用绝缘圆导线或扁导线绕成。(3)其他外壳、油箱、油、油枕、绝缘导管等。 (1)按用途分类电力变压器、电炉变压器、整流变压器、仪用变压器等。(2)按相数分类单相变压器、多相变压器。(3)按每相绕组的个数分类双绕组变压器、三绕组变压器、多绕组变压器、自耦变压器等。(4)按冷却方式分类干式、油浸式。(5)按结构形式分类：心式变压器和壳式变压器。2.主要分类 铁心柱铁心柱铁轭铁轭11112222心式变压器低压绕组高压绕组(b)单相心式变压器示意图 铁轭铁轭壳式变压器 铁铁铁心轭柱轭1122单相壳式变压器更多的图片 三相油浸式电力变压器 S9型配电变压器（10kV）更多的图片 大型油浸电力变压器更多的图片 大型油浸电力变压器更多的图片 干式变压器更多的图片 6.4变压器的工作原理1.单相变压器＋u2－e2e2e1e1＋u1－i1i2Φ12一次绕组二次绕组施加：u1→i1→N1i11Φ→e1e1e2u2→i2→N2i2→2→e2→L1→L2ZL (1)电压变换一次侧电路E1=－j4.44fN1ΦmU1=－E1+(R1+jX1)I1=－E1+Z1I1※R1：一次绕组电阻。X1：一次绕组漏电抗。Z1：一次绕组漏阻抗。忽略Z1，则U1≈－E1图形符号表示的电路图ZL－e1＋＋e2－i1+u1－i2＋u2－ 二次侧电路E2=－j4.44fN2Φm=E2－Z2I2U2=E2－(R2+jX2)I2U2=ZLI2U2≈E2※R2、X2、Z2：二次绕组的电阻、漏电抗、漏阻抗。忽略Z2，则一、二次绕组的电动势之比称为电压比≈U1U2k=E1E2=N1N2忽略Z1和Z2 (2)电流变换i2的大小由什么决定？i1的大小由什么决定？I2由|ZL|决定；I1取决于I2。I1随I2变化的原因：①能量守恒。②从电磁关系分析:U1N4.44fN1Φm≈=常数N1i1↓↑N2i2N1i0→ΦN1I1+N2I2=N1I0磁通势平衡方程：当：I2=I2N，I1=I1N（满载）在满载或接近满载时，I0可忽略不计。 I1=－N2N1I2N1I1+N2I2=0I1I2N2N1=1k=大小关系：相位关系：I1与I2相位相反。I2具有去磁性质：I2削弱Φm→Φm不变→I1增加→以维持Φm不变。因此I2↑→I1↑。——电流变换。e2e2e1e1＋u1－i1ZLi2Φ12＋u2－ (3)阻抗变换|ZL|N1N2I1+U1－I2＋U2－忽略Z1、Z2、I0，则=U1U2I2I1==kN1N2|Ze|=U1I1=kU2I2/kU2I2=k2|Ze|=k2|ZL|等效变压器的阻抗变换I1k2|ZL|+U1－ 【例2.1.1】某半导体收音机的输出需接一只电阻为800的扬声器（喇叭），而目前市场上供应的扬声器电阻只有8。问利用电压比为多少的变压器才能实现这一阻抗匹配？解：ReRLk=8008==10 2.三相变压器(1)三相变压器的种类三相组式变压器、三相心式变压器。①三相组式变压器特点：三相之间只有电的联系，没有磁的联系。U1U2u1u2V1V2v1v2W1W2w1w2 ②三相心式变压器特点：三相之间既有电的联系，又有磁的联系。U1U2u1u2V1V2v1v2W1W2w1w2 联结方式高压绕组低压绕组星形有中性线YNyn星形无中性线Yy三角形DdGB:Y,yn、Y,d、YN,d、Y,y、YN,y(2)三相绕组的联结方式最常用的三种 【例2.1.2】某三相变压器，Y,d联结。向某对称三相负载供电。已知一次绕组的线电压U1L=66kV，线电流I1L=15.76A；二次绕组的线电压U2L=10kV，线电流I2L=104A。负载的功率因数2=cos2=0.8。求该变压器一、二次绕组的相电压和相电流以及变压器输出的视在功率、有功功率和无功功率。解：(1)一次绕组的相电压和相电流U1P=U1L3=kV=38.11kV661.732I1P=I1L=15.76A(2)二次绕组的相电压和相电流U1P=U1L=10kV I2P=I2L3=A=60.05A1041.732(3)输出的视在功率、有功功率和无功功率S2=3U2LI2L=1.732×10×104kV·A=1800kV·AP2=3U2LI2Lcos2=1.732×10×104×0.8kW=1441kWQ2=3U2LI2Lsin2=1.732×10×104×0.6kvar=1080.8kvar 1.额定值(1)额定电压U1N/U2N指空载电压的额定值。即当U1=U1N时,U20=U2N如铭牌上标注:电压10000/230V※三相变压器是指线电压。(2)额定电流I1N/I2N指满载电流值，即长期工作所允许的最大电流。※三相变压器是指线电流。6.5变压器的铭牌数据 指视在功率的额定值。※单相变压器：SN=U2NI2N=U1NI1N※三相变压器：(3)额定功率（额定容量）SN(4)额定频率fN一般：fN=50Hz（工频）SN=√3U2NI2N=√3U1NI1N 【例2.2.1】某三相变压器，YN,d联结，容量SN=500kV·A，额定电压U1N/U2N=35/11kV。求该变压器在额定状态下运行时，高、低压绕组的线电流和相电流。解：(1)高压绕组的额定线电流I1NL=I1N=SN3U1N=A=8.25A500×1031.732×35×103因高压绕组为Y形联结，额定相电流为I1NP=I1NL=8.25A (2)低压绕组额定线电流I2NL=I2N=SN3U1N=A=26.24A500×1031.732×11×103因低压绕组为△形联结，额定相电流为I2NP=I2NL3=A=15.15A26.241.732 6.6特殊变压器1.自耦变压器的基本结构只有一个绕组。手柄接线柱更多的图片一、自耦变压器 2.自耦变压器的工作原理I+U2－I1E1E2－U1＋I2升压自耦变压器(1)电压关系忽略漏阻抗，则=U1U2E1E2=N1N2=kI降压自耦变压器N1N2+U1－I1E1E2－U2＋I2 (2)电流关系N1I1＋N2I2=N1I0忽略I0，则N1I1＋N2I2=0I1=－I2N2N1大小关系：I1I2N2N1=相位关系：I1与I2相位相反。1k=I=I1＋I2=(1－)I21k=(1－k)I1 I与I2同相位。在降压变压器中，k＞1，I=I2－I1（k越接近1，I越小）I与I1同相位。在升压变压器中，k＜1，I=I1－I2（k越接近1，I越小）(3)功率关系变压器容量SN=U2NI2N=U1NI1NS2=U2I2对于降压变压器，输出视在功率=U2(I1＋I)=U2I1＋U2I=St＋SiI=(1－k)I1=(1－)I21k 对于升压变压器，输入视在功率S1=U1I1=U1(I2＋I)=U1I2＋U1I=St＋Si降压变压器升压变压器传导功率St感应功率SiU2I1U1I2U2IU1I在SN一定时，k越接近1，Si越小，St所占比例越大，经济效果越显著。 二.电压互感器U1U2=N1N2=ku国产互感器：U2N=100V使用注意：①二次绕组禁止短路。②二次绕组与铁心必须接地。空载运行的降压变压器。u1~Vu1u2电压互感器 →E2三.电流互感器N1很小。短路运行的升压变压器。I1I2=N2N1=ki国产互感器：I2N=5A使用注意：①二次绕组禁止开路。开路时：I2=0，I1不变→Φ②一次绕组工作电压较高时，二次绕组与铁心必须接地。~Ai2i1 树脂浇注干式变压器更多的图片 特种变压器更多的图片 隔离变压器更多的图片 电源用变压器单相变压器更多的图片 附加变压器的参数测定1.空载试验测量:k、PFe、Zm低压侧高压侧＋U1－VAWV实验数据：U1N、I0、P0、U20。(1)铁损耗P0=PFe＋PCu=RmI02＋R1I02PFe≈P0(2)励磁阻抗模|Zm|≈|Z1+Zm|=U1NI0 (3)励磁电阻Rm≈R1＋Rm=P0I02(4)励磁电抗Xm=√|Zm|2－Rm2(5)电压比U20U1Nk=(6)折算对于降压变压器，Rm、Xm和Zm需要折算。实际值为|Zm|=k2U1NI0Rm=k2P0I02Xm=√|Zm|2－Rm2 2.短路试验测量：PCu、短路参数。实验方法：逐渐增加U1，使电流达到额定值：I1=I1N。U1=(5%~10%)U1N高压侧低压侧＋U1－AVW实验数据：US=U1、IS=I1N、PS。(1)铜损耗PCu≈PFe+PCu=PS(2)短路阻抗模|ZS|=USIS (3)短路电阻|RS|=PSIS2(4)短路电抗XS=√|ZS|2－RS2(5)阻抗电压US=|ZS|I1N铭牌上的标注方法：①用百分数表示:US％=USU1N×100%②用标幺值表示:标幺值=实际值基值※电压、电流与阻抗（电阻和电抗）的基值:U1N、I1N、U2N、I2N、I1NU1N、I2NU2N US*=USU1N阻抗电压的标么值：③用短路阻抗模的标幺值表示:US*=USU1N=|ZS|I1NU1N=|ZS|U1N/I1N=|ZS|*※中、小型电力变压器：|ZS|*=0.04~0.105※大型电力变压器：|ZS|*=0.125~0.175(6)温度折算正常工作温度取：75℃铜线：铝线：RS75C=RS234.5+75234.5+θoRS75C=RS228+75228+θo 三相变压器的空载实验和短路试验N1N2＋U1N－VWAAA三相变压器的空载实验WN1N2＋US－VWAAA三相变压器的短路实验WI1N 求折算至高压侧的|Zm|、Rm、Xm和|ZS|、RS、XS。解：(1)由空载试验求得【例2.4.1】一台三相变压器，SN=1000kV·A，U1N/U2N=10000/231V，I1N/I2N=43.3/1874A。Y,d联结。室温为20oC，绕组为铜线，试验数据如下表：试验线电压/V线电流/A功率/W备注空载试验231/10000103.83800电压加在低压侧短路试验44043.310900电压加在高压侧|Zm|=U1I0==3.85Ω231103.8/√3Rm=P0/3I02==0.35Ω3800/3(103.8/√3)2 =3.83ΩXm=√|Zm|2－Rm2U20U1Nk=10000/3231==25折算至高压侧Zm=252×3.85Ω=2406ΩRm=252×0.35Ω=219ΩXm=252×3.83Ω=2394Ω(2)由短路试验求得|ZS|=USISRS=PS/3IS2==1.94Ω10900/343.32==5.87Ω440/343.3 XS=√|ZS|2－RS2=5.54Ω折算至75℃RS=×1.94=2.36Ω234.5+75234.5+20XS=5.54Ω|ZS|=RS2＋XS2=6.022Ω