电路电子第5章 变压器

第第5 5章章 变压器变压器一、一、 磁路磁路三、变压器三、变压器二、二、 铁心线圈电路铁心线圈电路磁路是研究局限于一定路径内的磁场问题，因此 磁场的各个物理量也适用于磁路。磁路与电路一样， 也是电工技术课程所研究的基本对象。5.1 5.1 磁路磁路一、磁场的基本物理量一、磁场的基本物理量1.磁感应强度 B 若磁场内各点的 B 大小相等，方向相同则称为均匀磁场均匀磁场单位：单位：T T，GsGs，1T=101T=104 4GsGs表示磁场内某点的磁场强弱和方向的物理量，是一个矢量它与电流之间的方向用右螺旋定则确定，大小用B=F l I该点磁场作用于1米长，通有1A电流的导体上的力F5.1 5.1 磁路磁路一、磁场的基本物理量一、磁场的基本物理量 2.磁通 单位：单位：WbWb对于均匀磁场 =B A磁感应强度 B与垂直于磁场方向的面积A的乘积 称为通过该面积的磁通 F = B A标量B=AF数值上为磁场方向相垂 直的单位面积上的磁通 B又称为 磁通密度3.磁场强度 H 矢量 方向与B相同H=B/H代表电流本身所产生磁场的强弱， 反映电流励磁能力与介质性质无关B代表电流及介质被磁化 后所产生总磁场的强弱真空磁导率 0 0= 4= 41010 7 7 HH/ /m m （亨亨/ /米）米） =HB 磁导率单位（单位（亨亨/ /米）米）相对磁导率 r=/0 对于铁磁材料 r=102 105二、物质的磁性能二、物质的磁性能1. 高导磁性磁性物质的磁性能磁性物质的磁性能物质非磁性物质磁性物质顺磁性物质反磁性物质略大于 0 0略小于 0 0按磁导率 >> 0主磁通L漏磁通ui 磁路相对磁导率 r=/0 对于铁磁材料 r=102 105二、物质的磁性能二、物质的磁性能2. 磁饱和性3. 磁滞性B - H bca不是常数 a b-B与H成正比增加 b c- B随H增加变缓 c 以后部分- -B基本不随H增加BH 磁化曲线 =HB磁导率HmHmBrHCBHBr HCBr剩磁强度-H=0保留的BHC矫顽磁力-使B=0的H磁 性 物 质硬磁物质Br、 HC都大 软磁物质Br、 HC都小矩磁物质Br大、 HC小e esSNui 5.2 5.2 铁心线圈电路铁心线圈电路一、直流铁心线圈电路UI = RP=UI=I2R铁心线圈的电压与电流 之间的关系及其消耗的功率d dte N dS dteS N uFm= iN uR= iR(主磁通) S(漏磁通) 由KVL： u= iR e eS u u e eR和 eS 很小e esSNui 磁动势5.2 5.2 铁心线圈电路铁心线圈电路二、交流铁心线圈电路1、电压电流关系5.2 5.2 铁心线圈电路铁心线圈电路e esSNui 设 = msinte = Nmcost = Emsin(t-90)Em= Nm = 2 f Nm= EE = f Nm2 = 4.44 = 4.44 f fN Nm m 二、交流铁心线圈电路1、电压电流关系 d dte N 5.2 5.2 铁心线圈电路铁心线圈电路e esSNui E E= 4.44 = 4.44 f fN Nm m 二、交流铁心线圈电路1、电压电流关系E= j4.44fN mN S LS i漏电抗漏电感X= 2 f f LSU= E+（R+j X ）I = E+ZIU= E若忽略漏电抗结论：当U和f f一定时，交流铁心线圈的mm基本不变m m =U 4.44 4.44 f fN N铁心损耗e essNui 2、功率 S=UIQ=UIsinP=UIcos铜损Pcu=I2R PFe = Ph + Pe有功功率：磁滞损耗涡流损耗交变磁化一周在铁心的单位体积所产生的 磁滞损耗和磁滞回线所包围的面积成正比硅钢片损耗=铜损+铁损按用途分: 电力变压器，特种用途变压器。 按相数分: 单相、三相和多相变压器。 按绕组数分: 双绕组、多绕组及自耦变压器。变压器是变换各种交流电压的电器。它是利用电磁感应定律并通过磁路的耦合作用, 把某一个数量级的交流电压，变换成同频率的另一个数量级的交流电压的能量变换装置。一、分类一、分类5.3 5.3 变压器的基本结构变压器的基本结构变压器铁心: 硅钢片叠压而成。铁心线圈二、构造二、构造壳式变压器壳式变压器心式变压器心式变压器铁心线圈变压器绕组: 高强度漆包线绕制而成其它部件: 油箱、冷却装置、保护装置等5.4 5.4 变压器的工作原理变压器的工作原理一、空载运行及变压原理一、空载运行及变压原理e1 es1s1N1u1AXd dte1 - N1dS1 dteS1 - N1d dte2 - N2 N2e2u20axSZL一次绕组二次绕组s1N1N2AXaxAXax图形符号U1 = E1E2 E1U1U20 = U1 U2 = = kN1 N2一、空载运行及变压原理一、空载运行及变压原理U20 = E2 I0U1 U2E1 E24.44 f N1m4.44 f N2mN1 N2 = = = E2U20E1 U1ES1结论结论 变比变比aSZL二、负载运行及变流原理二、负载运行及变流原理s1 N1N2AXxI1E2U2E1 U1ES1s2I2ui1N1S1(漏磁通) eS1E E= =4.44 4.44 f Nf Nmmi1R1 (主磁通)e1, e2 i2i2N2ZLi2N2 2(对起阻碍作用) S2(漏磁通) eS2为保持主磁通不变,只有增大电流 i1( >空载电流i0 )二、负载运行及变流原理二、负载运行及变流原理aSRLs1 N1N2AXxI1E2U2E1 U1ES1s2I2U U E E= =4.44 4.44 f Nf Nmmttti1i22e1 e2d dte1= N1 e2 = N2 d dt设 = msinte = Nmcost = Emsin(t-90)cos2当 ZL=RL (即 cos) 时, i2 与 e2 同相位2 = 2msin(t-90)aSZLN1I1= N2 I2N1I1+ N2 I2= N1I0 N1I1+ N2 I2 = 0N1I1= N2 I2二、负载运行及变流原理二、负载运行及变流原理s1 N1N2AXxI1E2U2E1 U1ES1s2I2I1 I2 = = N2 N11 k( I0 小)结论结论产生主磁通 的磁动势有效值I0 = I1N (2. 5)I2kZLU2U1I1Z0E变压器的外特性变压器的外特性cos=0.8cos=1变压器的外特性 U2= f (I2)在一次绕组的电压U1和负载的功率因数不变的情况下，U2与I2的关系，称为0U2 I2 U20 (23)%U2随I2变化的程度，用电压调整率（电压变化率）表示 U1为额定值、负载功率因数不变的情况下，变压器从空载到满载，二次绕组电压变化的数值与空载电压的比值 U% =U2NU2 U2N×100%'ZL= U1I1I2三、变阻抗原理及阻抗匹配三、变阻抗原理及阻抗匹配kZLU2U1I1Z0ZL= U2I2'ZL= kU2 I2/ k = k 2 U2I2 = k 2 ZL'ZL= k 2 ZLE结论结论可利用变压器 进行阻抗匹配例：已知E=120V，内阻R0=800，RL= 8。（1）当折算 到原边的等效电阻R 'L= R0时，求k和信号源输出的功率； （2）当将负载直接与信号源联接时，信号源输出多大的 功率kRLR0'RLE+ 解：（1）k = N1N2=R 'LR L =10信号源输出的功率P=E R0 + R 'L2 R 'L=4.5W（2）当将负载直接与信号源联接时P=E R0 + R L2 R L=0.176W'ZL= k 2 ZL四、功率关系四、功率关系损耗 P = P1 P2 = PCu+ PFePCu =I1 R1+I2 R22 2效率P2 P1 = ×100%P2 +PCu+PFeP2= ×100% = (9099)%S1 =U1 I1变压器工作时，一、二次绕组的视在功率为S2 =U2 I2铬牌上变压器的容量为二次绕组的额定视在功率，通常 SN =U2N I2N =U1N I1N变压器从电源输入的有功功率为P1 =U1 I1cos 1 向负载输出的有功功率为P2 =U2 I2cos 2PFe =Ph+Pe例 有一台额定容量50kVA、额定电压3300/220V的变压 器，高压绕组为6000匝，试求：（1）低压绕组匝数；（2）高压边低压边额定电流；（3）当原边保持额定电压不变，副边达到额定电流，输出功率39kW，cos=0.8时的副边端电压U2。解（1 ）N2=N1U2N U1N=4006000×220 3300=（3） P =U2I2Ncos I2N=K I1N=6000 40015 .1 =227AP I2N cosU2=39×103 227×0.8=215VSN U1N（2）I1N=15.1 A=50×103 33005.5 5.5 自耦变压器自耦变压器U1N1 N2U2ZLI1I2IU1 U2=N1 N2= kI1 I2N2 N1=1 k1. 1. 工作原理工作原理