配套课件-电机与电气控制.ppt
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1、第1章 变压器1.1 变压器的基本结构、分类、用途和变压器的基本结构、分类、用途和 铭牌数据铭牌数据1.2 单相变压器的工作原理和性质单相变压器的工作原理和性质1.3 三相变压器及其连接三相变压器及其连接1.4 其他常用变压器其他常用变压器本章小结本章小结1.1 变压器的基本结构、变压器的基本结构、分类、分类、用途和铭牌数据用途和铭牌数据1.1.1 变压器的基本结构变压器的基本结构 变压器作为一种静止的电气设备,其基本结构主要由两部分组成:铁芯和绕组。对于 不同种类的变压器,还装有其他附件,结构也各不相同。1.铁芯铁芯 铁芯是变压器的磁路部分,同时作为变压器的结构骨架。目前国产硅钢片有热轧硅钢
2、片、冷轧无取向硅钢片、冷轧晶粒取向硅钢片等。根据铁芯的结构形式,变压器可分为壳式变压器和心式变压器两大类。壳式变压器是 铁轭包围绕组的顶面、底面和侧面,在中间的铁芯柱上放置线圈,形成铁芯包围绕组的形 状,如图11所示。图11(a)为单相壳式变压器,图11(b)为三相壳式变压器。图11 壳式变压器心式变压器是在铁芯的铁芯柱上放置线圈,形成线圈包围铁芯的形状,而铁轭只靠着 线圈的顶面和底面,如图1 2所示。图1 2(a)为单相心式变压器,图12(b)为三相心式 变压器。图12 心式变压器2.绕组绕组 绕组是变压器的电路部分,它一般是用具有绝缘的漆包圆铜线、扁铜线或扁铝线绕制 而成的。接于高压电网的
3、绕组称为高压绕组;接于低压电网的绕组称为低压绕组。根据高、低压绕组的相对位置,绕组可分为同心式和交叠式两种类型。同心式绕组的高、低压绕组同心地套在铁芯柱上,如图12所示。交叠式绕组是将高压绕组及低压绕组分成若干个线 饼,交替地套在铁芯柱上,为了便于绝缘,靠近上下铁 轭的两端一般都放置低压绕组,如图13所示,它又称 1低压绕组;2高压绕组为饼式绕组。高、低压绕组之间的间隙较多,绝缘比较复杂,主要用于特种变压器中。这种绕 组漏抗小,机械强度高,但高、低压绕组之间的绝缘比较复杂,一般用于低电压大电流的变压 器中,如电炉变压器、电焊变压器等。图13 交叠式绕组 1.1.2 变压器的分类变压器的分类 变
4、压器种类很多,通常可按其用途、绕组数目、铁芯结构、相数和冷却方式等进行 分类。按用途分类,有用于电力系统升、降压的电力变压器;还有以大电流和恒流为特征的 变压器,如电焊变压器、电炉变压器和整流变压器等;供传递信息和测量用的变压器,如电 磁传感器、电压互感器和电流互感器等;在自控系统中还有脉冲变压器、音频和高频变压 器等多种特殊变压器。按绕组数目分类,可分为双绕组变压器、三绕组变压器、多绕组变压器和自耦变压 器等。按铁芯结构分类,可分为心式变压器和壳式变压器。按相数分类,可分为单相变压器、三相变压器和多相变压器等。按冷却方式分类,可分为干式变压器、油浸自冷变压器、油浸风冷变压器、充气式变压 器和
5、强迫油循环变压器等。1.1.3 变压器的用途变压器的用途 在电力系统中,变压器是一种非常重要的电气设备。变压器在输、配电系统中起着非常重要的作用。在其他需要特种电源的工 业企业中,变压器的应用也很广泛,如供电给整流设备、电炉等;此外在试验设备、测量设 备和控制设备中也应用着各种类型的变压器。1.1.4 变压器的铭牌数据变压器的铭牌数据 为保证变压器的正确使用,保证其正常工作,在每台变压器的外壳上都附有铭牌,标 志其型号和主要参数。变压器的铭牌数据主要有以下几种。1.额定容量额定容量SN 在铭牌上所规定的额定状态下变压器输出能力(视在功率)的保证值,称为变压器的额定 容量,单位以 VA、kVA或
6、 MVA表示。2.额定电压额定电压UN 标志在铭牌上的各绕组在空载、额定分接下端电压的保证值,称为额定电压,单位以 V 或kV 表示。对三相变压器,额定电压是指线电压。3.额定电流额定电流IN 根据额定容量和额定电压计算出的线电流,称为额定电流,单位以 A 表示。对单相变压器,一、二次绕组的额定电流分别为对三相变压器,一、二次绕组的额定电流分别为4.额定频率额定频率fN 我国规定标准工业用电的额定频率为50Hz。此外,额定运行时变压器的效率、温升等数据均为额定值。除额定值外,铭牌上还标有 变压器的相数、连接方式与组别、运行方式(长期运行或短时运行)及冷却方式等。1.2 单相变压器的工作原理和性
7、单相变压器的工作原理和性质质1.2.1 单相变压器的工作原理单相变压器的工作原理 1.变压器的空载运行变压器的空载运行 变压器的一次绕组接在额定电压的交流电源上,而二次绕组开路时的运行状态称为变 压器的空载运行。图14是单相变压器空载运行的示意图。图中u1为一次绕组电压,u02 为二次绕组空载电压,N1和 N2分别为一、二次绕组的匝数。图14 单相变压器空载运行示意图1)变压器空载运行时各物理量的关系式 当变压器的一次绕组加上交流电压u1时,一次绕组内便有一个交变电流i0流过。由于 二次绕组是开路的,故二次绕组中没有电流。此时一次绕组中的电流i0称为空载电流。同 时在铁芯中产生交变磁通,其同时
8、穿过变压器的一、二次绕组,因此又称之为交变主磁 通。设则变压器一次绕组的感应电动势为式中,m 为铁芯中的磁通,f 为频率,为角频率。式(1 2)表明,e1滞后于主磁通p/2电角。式中2pfmNl为感应电动势的最大值,用 E1m 表示。把E1m 除以 2,则可求出变压器一次绕组感应电动势的有效值为2)变压器的电压变换 由式(13)和式(14)可见,由于变压器一、二次绕组的匝数 N1和 N2不相等,因而 E1和E2的大小是不相等的,变压器输入电压U1 和变压器二次侧电压U02的大小也不相等。变压器一、二次绕组电压之比为式中,Ku称为变压器的电压比,也可用 K 来表示,这是变压器中最重要的参数之一。
9、2.变压器的负载运行变压器的负载运行 当变压器的二次绕组接上负载阻抗ZL时,则变压器投入负载运行,如图15所示。这时二次绕组中就有电流I2流过,I2随负载的大小而变化,同时一次电流I1也随之改变。变 压器负载运行时的工作情况与空载运行时的工作情况明显不同。图15 变压器负载运行示意图1)变压器负载运行时的磁动势平衡方程 二次绕组接上负载后,电动势E2将在二次绕组中产生电流I2,同时一次绕组的电流从 空载电流I0相应地增大为电流I1。I2越大,I1也越大。从能量转换角度来看,二次绕组接上负载后,产生电流I2,二次绕组向负载输出电能。这些电能只能由一次绕组从电源吸取,通过主磁通1 传递给二次绕组。
10、二次绕组输出的电 能越多,一次绕组吸取的电能也就越多。因此,二次电流变化时,一次电流也会相应地 变化。2)变压器的电流变换1.2.2 单相变压器的性质单相变压器的性质 1.电压变换电压变换 电压变换可以描述为2.电流变换电流变换 电流变换可以描述为此外,变压器还有阻抗变换的性质。3.阻抗变换阻抗变换 阻抗变换如图16所示。图16 变压器的阻抗变换由式(116)可知:(1)只要改变变压器一次、二次绕组的匝数比,就可以改变变压器一次、二次绕组的阻 抗比,从而获得所需的阻抗匹配。(2)接在变压器二次侧的负载阻抗Z2对变压器一次侧的影响,可以用一个接在变压器 一次侧的等效阻抗来代替,代替后变压器一次电
11、流I1不变。例例11 已知某音响设备输出电路的输出阻抗为320,所接的扬声器阻抗为5,现 在需要接一输出变压器使两者实现阻抗匹配,试求:(1)该变压器的电压比 Ku;(2)若该变压器一次绕组匝数为480匝,二次绕组匝数为多少?解解(1)根据已知条件,输出变压器一次绕组的阻抗 Z1=320,二次绕组的阻抗 Z2=5,由式(116)得变压器的电压比为(2)由式(19)知则变压器二次绕组匝数为1.3 三相变压器及其连接三相变压器及其连接1.3.1 三相变压器的组成三相变压器的组成 三相变压器按照其磁路系统的不同可以由三台同容量的单相变压器组成,称为三相变 压器组;也可由三个单相变压器合成一个三铁芯柱
12、的三相心式变压器。1.三相变压器组三相变压器组 三相变压器组是指根据需要,把三个同容量的变压器的一次、二次绕组分别接成星形 或三角形。一般三相变压器组的一次、二次绕组均采用星形连接,如图17所示。图17 三相变压器组2.三相心式变压器三相心式变压器 三相心式变压器是由三相变压器组演变而来的。把三个单相心式变压器合并成如图 18(a)所示的结构,通过中间芯柱的磁通为三相磁通的相量和。当三相电压对称时,三相 磁通总和即中间芯柱中无磁通通过,可以省略,如图18(b)所示。为 了制造方便和节省硅钢片,将三相铁芯柱布置在同一平面内,演变成为如图18(c)所示的 结构,这就是目前广泛采用的三相心式变压器的
13、铁芯。图1 8 三相心式变压器3.两类变压器的比较两类变压器的比较 比较上述两种类型磁路系统的三相变压器可以看出,在相同的额定容量下,三相心式 变压器较之三相变压器组具有节省材料、效率高、价格便宜、维护方便、安装占地少等优 点,因而得到广泛应用。但是对于大容量变压器来说,三相心式变压器就暴露出它的缺点。因为三相变压器组是由三个独立的单相变压器组成的,所以在起重、运输、安装时可以分 开处理,困难就大为减小,同时还可以降低备用容量,每组只要一台单相变压器作为备用就可以了。所以对一些超高压、特大容量的三相变压器,当制造及运输有困难时,有时就采 用三相变压器组。1.3.2 三相变压器的绕组连接三相变压
14、器的绕组连接 三相变压器高、低压绕组的首端常用 U1、V1、W1和u1、v1、w1标记,而其末端常用 U2、V2、W2和u2、v2、w2标记。单相变压器的高、低压绕组的首端则用 U1、u1标记,其 末端则用 U2、u2标记,见表11。1.变压器绕组的极性及其测变压器绕组的极性及其测量量 1)变压器绕组的极性 变压器的一、二次绕组绕在同一个铁芯上,都被同一主磁通 所交链,故当磁通 交 变时,变压器的一、二次绕组中感应出的电动势之间有一定的极性关系,即同一瞬间当一 次绕组某一端点的电位为正时,二次绕组也必有一个端点的电位为正,这两个对应的端点,我们称为同极性端或同名端,通常用符号“”表示。图19
15、变压器的两种不同标记法2)变压器同名端的判定变压器同名端的判定 对一台变压器,由于其绕组已经过浸漆处理,并且安装在封闭的铁壳内,因此无法辨 认其同名端。变压器同名端的判定可用实验的方法进行测定,测定的方法主要有直流法和 交流法两种。2.三相变压器绕组的连接方三相变压器绕组的连接方法法 在三相电力变压器中,不论是高压绕组还是低压绕组,我国均采用星形连接与三角形 连接两种方法。图110 三相绕组连接方法3.三相变压器的连接组别三相变压器的连接组别 在三相电力变压器不同的接法中,一次绕组的线电压与二次绕组的线电压之间的相位 关系是不同的,这就是所谓的三相变压器的连接组别。其不仅与绕组的同名端和首末端
16、的 标记有关,而且还与三相绕组的连接方式有关。1)Yy连接组连接组 如图111(a)所示为三相变压器 Yy连接时的接线图。图中变压器一、二次绕组均采 用星形连接,并且一、二次绕组的首端都为同名端,故一、二次侧相互对应的相电动势之间 的相位相同,因此一、二次的线电动势之间的相位也相同,如图111(b)所示。图111 Yy0连接组 图112 Yy6连接组 图 1 13 Yd11连接组 图114 Yd1连接组1.4 其他常用变压器其他常用变压器1.4.1 自耦变压器自耦变压器 1.自耦变压器的工作原理自耦变压器的工作原理 前面介绍的普通双绕组变压器的一、二次绕组之间互相绝缘,各绕组之间只有磁的耦 合
17、而没有电的直接联系。自耦变压器是将一、二次绕组合成一个绕组,其中一次绕组的一部分兼做二次绕组,它的一、二次绕组之间不仅有磁的耦合,而且还有电的直接联系,如图115所示。图中 N1 为自耦变压器一次绕组的匝数,N2 为自耦变压器二次绕组的匝数。图115 自耦变压器的工作原理自耦变压器与前面介绍的变压器一样,也是利用电磁感应原理进行工作的。当在自耦 变压器的一次绕组 U1、U2两端加上交变电压U1 后,将会在变压器的铁芯中产生交变的磁 通,同时在自耦变压器的一、二次绕组中产生感应电动势E1、E2。由此可得自耦变压器的电压比 Ku为2.自耦变压器的特点自耦变压器的特点 自耦变压器具有结构简单、节省用
18、铜量、效率比一般变压器高等优点。其缺点是一次 侧、二次侧电路中有电的联系,可能发生把高电压引入低压绕组的危险事故,很不安全,因 此要求自耦变压器在使用时必须正确接线,且外壳必须接地,并规定安全照明变压器不允 许采用自耦变压器结构形式。低压小容量的自耦变压器,其二次绕组的接头 C常做成沿线圈自由滑动的触头,它可 以平滑地调节自耦变压器的二次绕组电压,这种自耦变压器称为自耦调压器。为了使滑动 接触可靠,这种自耦变压器的铁芯做成圆环形,在铁芯上绕组均匀分布,其滑动触头由炭 刷构成。调节滑动触头的位置即可改变输出电压的大小。自耦调压器的外形图和电路原理 图如图116所示。图116 自耦变压器1.4.2
19、 电压互感器电压互感器 电压互感器属于仪器用互感器的范畴,主要用来与仪表和继电器等低压电器组成二次 回路,对一次回路进行测量、控制、调节和保护,在电工测量中主要用来按比例变换交流电 压。电压互感器的结构形式与工作原理和单相降压变压器基本相同,如图117所示。图117 电压互感器使用电压互感器时必须注意以下事项:(1)电压互感器的二次绕组在使用时绝不允许短路。如二次绕组短路,将产生很大的 短路电流,导致电压互感器烧坏。(2)为保证操作人员的安全,电压互感器的铁芯和二次绕组的一端必须可靠接地。(3)电压互感器具有一定的额定容量,在使用时,二次侧不宜接入过多的仪表,否则有 可能超过电压互感器的定额,
20、使电压互感器内部阻抗压降增大,影响测量的精确度。1.4.3 电流互感器电流互感器 电流互感器也属于仪器用互感器的范畴,同样用来与仪表和继电器等低压电器组成二 次回路,对一次回路进行测量、控制、调节和保护,在电工测量中主要用来按比例变换交流 电流。电流互感器的基本结构与工作原理和单相变压器相类似,如图118所示。图118 电流互感器使用电流互感器时,需注意以下事项:(1)电流互感器的二次侧绝不允许开路。因为如果二次侧开路,则电流互感器处于空 载运行状态,这时电流互感器一次绕组通过的电流就成为励磁电流,使铁芯中的磁通和铁 耗猛增,导致铁芯发热烧坏绕组;另外电流互感器产生的很大的磁通将在二次绕组中感
21、应 出很高的电压,危及人身安全或破坏绕组绝缘。因此在二次绕组中装卸仪表时,必须先将 二次绕组短路。(2)电流互感器的二次侧必须可靠接地,以保证工作人员及设备的安全。1.4.4 钳形电流表钳形电流表 钳形电流表是变压器与交流电流表的组合,是电流互感器的另一种形式。它由一只电 流表与二次绕组组成的闭合回路和一只铁芯所构成,如图119所示。图119 钳形电流表例例12 设与电流表相连接的二次绕组的匝数为1000,若表头指出被测电流为5A,一次绕组即被测电流的导线的匝数算作0.5。试求通过二次绕组的实际电流是多少。解解1.4.5 隔离变压器隔离变压器 由于变压器的一次、二次绕组通过磁通交链,没有电的联
22、系,这就对一次侧、二次侧电 路有着隔离的作用。在某些场合需要将两个电路加以隔离,但又不想改变其电压,为此可 制成一种特殊的变压器隔离变压器,它的一次、二次绕组的匝数相等,即 N1=N2,它的电压比 Ku=1。1.4.6 脉冲变压器脉冲变压器 脉冲变压器是用来变换脉冲的幅值的,同时可将各个脉冲电路加以隔离。例如在晶闸 管装置中,触发电路的触发脉冲通常是通过脉冲变压器加到晶闸管的控制极上的。脉冲变压器的结构与一般变压器相似,但是一般变压器一次绕组加的是正弦交流电 压,而脉冲变压器一次绕组加的却是周期性前沿陡峭的单方向的脉冲电压。为使传递的脉 冲信号不失真,就要对变压器的铁芯材料与制造工艺有特殊的要
23、求。脉冲变压器的铁芯要 选用高磁导率的材料,线圈的匝数也不宜太多。1.4.7 多绕组变压器多绕组变压器 在某些用电设备中往往需要多种电压,于是就在变压器的铁芯上绕制多个二次绕组,每个二次绕组提供一种电压,这种变压器称为多绕组变压器。例如电源变压器(或控制变压 器)就有两个二次绕组,将380V(或220V)变换为36V(作为照明灯电源)和6.3V(作为指 示灯电源)。如图120所示为有两个二次绕组的多绕组变压器。图120 多绕组变压器U1为一次绕组电压,U2、U3为两个二次绕组电压。二次绕组与一次绕组的电压关系仍符合电压比的关系,即本本 章章 小小 结结(1)变压器作为一种静止的电气设备,主要由
24、铁芯和绕组两部分组成。铁芯构成变压 器的磁路部分,绕组构成变压器的电路部分。铁芯主要由铁芯柱和铁轭两部分组成,要求 导磁性能要好,损耗要尽量小。根据高、低压绕组的相对位置,绕组可分为同心式和交叠式 两种类型。要求变压器绝缘性能要好,漏抗小,机械强度高。(2)变压器的铭牌数据是安全、正确使用变压器的主要依据。铭牌数据主要有额定容 量、额定电压、额定电流、额定频率、使用条件、允许温升、绕组连接方式等。(3)变压器空载运行时,一次绕组流过的电流为空载电流,一般都很小,仅为其额定电 流的3%8%。负载运行时,二次绕组产生电流,同时一次绕组的电流在空载电流基础上 相应增大。二次绕组电流增大,则一次绕组电
25、流随之增大。(4)变压器的性质体现在运行时可实现电压变换、电流变换和阻抗变换。(5)三相变压器可分为三相变压器组和三相心式变压器两大类。三相心式变压器用料 省,效率高,价格便宜,维护方便。三相变压器组可降低备用容量,运输方便。(6)三相变压器的绕组连接主要有星形和三角形两种方法。根据变压器一、二次绕组 线电压 的 相 位 关 系,常 用 的 三 相 电 力 变 压 器 的 连 接 组 别 主 要 有 Yyn0、Yd11、YNd11、YNy0(7和)自Yy耦0变等压五器种一。(7和)自Yy耦0变等压五器种一。、二次绕组之间不仅有磁的耦合,而且还有电的直接联系,其输出功 率一部分通过电磁感应原理从
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