变压器原理

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1、变压器原理变压器基本工作原理、结构与额定数据一、理想变压器的运行原理：变压器电动势：匝数为N的线圈环链0，当0变化时，线圈两端感生电动势e的大小与N及d*成 dt 正比，方向由楞次定律决定。楞次定律：在变化磁场中线圈感应电动势的方向总是使它推动的电流产生另一个磁场，阻止原有磁 场的变化。LU2A高UilX .U + e =0（假定一次侧线圈电阻值为零）ZL，高2U e =0 二次侧2等效2电路假设： 1、一二次侧完全耦合无漏磁，忽略一二次侧线圈电阻2、忽略铁心损耗；3、忽略铁心磁阻；4、u为正弦电压。假定正向：电动势是箭头指向为高，电压是箭头指向为低。 主磁通方向由一次侧励磁电流和绕组缠绕方向

2、通过右手螺旋法则确定。 一次侧感应电动势的符号：由它推动的电流应当与励磁电流方向相反，所以它的实际方向应当高电 位在上，图中的假定正向与实际方向相反，故有 =_N習11 dt二次侧感应电动势的符号：由它推动的电流应当阻止主磁通的变化，即按右手螺旋法则应当产生与 主磁通方向相反的磁通，按图中副方绕组的缠绕方向，它的实际方向也应当高电位在上，图中的假定正向与实际方向也相反，所以有e 2一 n2孚2 dt一二次侧感应电动势同相位。iu e而按照电路理论，有11u = e22变压器的电压变比K =红二N = E = UN U2 2 2 2因为假定铁心损耗为零，故有变压器一二次侧视在功率相等U，故彳kZ

3、 - U 2 Z - U1 - K 2 Z ZL -厂ZL - -T- - Ke ZL 21变压器的功能是在实现对电压有效值变换的同时, 还实现了对电流有效值和阻抗大小的变换。二、基本结构阅读三、额定数据 sn：额定工况下输出视在功率保证值。因变压器效率极高，一般认为一、二次侧视在功率相等。 U /U ：额定工况下，二次侧开路时的一、二次侧线电压。 1N 2NI /I ：额定工况下的线电流。 1N 2N单相变压器：S - U I - U I ；三相变压器：S -、；3u I - v3U ININ IN2N 2NNIN IN2N 2N变压器运行分析一、空载运行分析与一次侧绕组等值电路一次侧加正弦

4、电压，则产生磁通二sinw tmd(兀e1 - -N1 -N1 sin w t 11 dt 1 m； e2 - -N 2有效值：E1 -1=-x2兀f xN1 m 沁 4.44fN*m ；U+二次侧等效电路一次侧等效电路变压器空载运行U1U20u1- - e1 - e+ R110 -eiE2 -x 2兀f x N2 m 沁 4.44 fN2 mu20 - e2空载时漏磁电势、铜耗很小(R1*0T1U1-I0 Rm 励磁阻抗 -IjXmI0E?占r励磁分量铁耗角E空载运行相量图Ew j X i10相位滞后磁通90度。E i =- Z 10 , Z = R + jX m 0 m m mU =-E7

5、 E - R I o) =1 o( Zm + Z), Z = R + jx U20u1ei+eii2一）、u2 + 一次侧等效电路 二次侧等效电路 负载运行的基本电磁过程 负载运行时，一次侧绕组电动势平衡方程为 U = - E + I Z 虽然IT n E,，但Z很小，正常工作时IZ U,.C 一E=/444fN:m。即负载时和空载时主磁通近似相等2、空载下主磁通仅由一次侧励磁电流建立，磁势F0二Io N; 负载下主磁通由两侧电流共同建立，因负载时和空载时主磁通 近似相等，在图示假定正向下，磁势F 0 = 11 N+12 N2=10 N注：变压器短路时I很大，IZ不可忽略，此时e m3，E33

6、、由磁势平衡方程可知，11中包括两个分量：励磁分量和负载分量 N （1 11 = Io + （ 12 一 ）二 10 + 12102 N 0 I K 2 丿1e其中励磁分量固定不变，建立主磁通；负载分量抵消负载电流对磁通的作用，随负载而变化负载运行时，因10 I,可以忽略，认为4、 电功率 UI 依电磁感应和磁通势平衡，由一次侧传送到二次侧：磁通势平衡）U1 Q Ei = KeE2 二 KeU2(电磁感应) U11 U2125、二次侧的电动势平衡方程为 U 2 - E2 + E 2b + 12 R2 - E 2 + jX 2 12 + R2 12 - E 2 + Z2 12 (二)T型等值电路

7、基本方程组： 一次侧：U1 = 一 E1+11(R + jx 詁E1 = _ 10( Rm + jXm )二次侧： U2=E2+I2(R2 + jX2)U2=I2ZL+ R1*U1X1 I1E1 E1tX 22 2RmE2XmC=l-O 0R2 I2IZLU2 一个电路0一次侧+ +-0 O励磁二次侧负载如果：11 +12 10 , E1 = E2，可合并为一个电路。两侧的联系：11 Nl+12 N210 N1，即 门+厂12 = 10KeE1 = Ke E 2等值电路：经过等效代换，使E1 = E2; 11 +12 10。等效条件：等效前后一次侧状态不变。为此：以二次侧匝数为n 的绕组取代实

8、际二次侧绕组此时 Ke=1，El = E 2折算前后关系为：E2 = KgE2 1 时，为使代换成立，二次侧阻抗和负载阻抗都应相应改变，以满足E1 = E2时，/2 凤2E 2 应有：Z 丄 Z = 12。由学Z 2+Zl，字=Z 2 + ZlZ 2 + ZL 2 2得: Z2+Zl = K2(z2 + Zl)折算后的二次侧电压：U2 - 12 ZL - Ke 12 ZL - Ke U2折算后，等值电路为：+ R1X1 I】*U1IO-I2 X2Eim *E2Xm次侧R2ZLU2励磁二次侧负载等值电路的 6 个基本方程： Il+I2=I0U1 = - El + Il(Ri+jXi)U 2 =

9、E 2 +12(R2 + jX 2)E1 10 ZmEl E 2l、2、3、4、5、（三）相量图 作图步骤：磁通水平向右，电动势 E1 滞后磁通90度，El反向画出;空载励磁电流10略超前磁通感性负载时，负载电流12滞后E1 个稍大角度 二次侧绕组电阻压降平行于负载电 流、电抗压降超前其90度；联接原点至电阻压降尾端为U26、U2、12夹角为二次侧功率因素角02； 7、12负方向与10按平行四边形合成118、一次侧电阻压降平行11，电抗压降超前其90度；9、联接原点至电抗压降头端为U110、U1、11夹角为一次侧功率因素角。（四）等值电路参数的实验测定阅读33 变压器运行特性阅读34 三相变压

10、器一、 三相变压器的磁路1、三相组式：磁路彼此独立。若一次侧三相电压对称，各相主磁通必然对称，各相空载电流也对称。单相分析方法仍适用。2、三相心式: 三相磁路彼此联系/0OU O V=0三相对称：单相分析适用于一个心柱绕组剩余问题：1、三相绕组的联接方式； 2、波形 二、三相变压器绕组的联接方式（相位转换）1、 预备知识：同名端及其性质若两绕组电流在铁心内产生的磁通相加，则定义两电流的流入端为两耦合绕组的同名端。 性质：同名端上感应电动势极性永远相同。推论：若以同名端作参考点看E1,E2的相位，则E1,E2同相；若以异名端为参考点，则E1,E2的 相位差为 180 度电角度。2、Ur。+(DU

11、 - EU： | 厂二U2?11卞L -U 2O、U1 o 电U 匚工违0Euu减极性联接U - +Ouv联接组别：Y,y-12采用不同的联接方式，可实现一、二次侧电动势相位在360度范围内以30度级差的有级调 节。一、二次侧的相序必须同为正相序或同为逆相序。 相序不一致的后果：造成相位错乱。UW习题 38三、 磁路形式和绕组联接方式对电动势波形的影响单相变压器：叫，正弦、磁饱和：io非正弦尖顶波，有较强3次谐波分量; 三相变压器：次侧Y接：io无三次谐波通路（i0u3i0v3i0w3同相位），只能近似为正弦波;1、Y,y 联接时：三相组式:I侧电动势波形。磁路独立:正弦电流励磁磁通为平顶波（

12、磁饱和）电动势为尖顶波（微分）峰值可达基波幅值的140%以上，三相组式变压器 不采用Y,y无中线联接。一次侧有中线时，io有三次谐波通路，情况与单相相同。三相心式:磁通三次谐波同相位，铁心内无通路， 主磁通、感应电动势近似为正弦波。2、 Y,d 联接时:二次侧绕组可在三角形内以环流形式产生 3 次谐波 电流励磁叠加于主磁通，使主磁通、感应电动势均 近似为正弦波。结论:只要有一侧为三角联接，即可改善一、二次电力拖动自动控制系统中的特殊变压器一、 整流变压器 运行特点:负载中含非线性特性的整流二极管、滤波电感。二次侧电流非正弦有害剩磁？ 分析:例三相半波整流。二次侧每相有电流时间为 1/3 电源周

13、期，电流波形接近矩形，含有较大的直流分量。 形成直流剩余磁通。对三相心式，直流磁通在铁心内无通路，影响很小。对三相组式，直流磁通在铁 心内有通路，数值较大，叠加于主磁通使铁心非正常饱和，主磁通平顶，一次侧电势趋于 0（微分关 系），导致励磁电流剧增，严重时可能损坏变压器。iuWWW1 d消除措施：采用三相全波桥式整流，消除二次侧直流分量。一次侧采用三角联接，为一次侧3次谐波电流提供通路，保证主磁通正弦。 二、 脉冲变压器1、 基本工作原理Q =工 t + 0 , 0 t T在铁心未饱和前，脉冲变压器具有普通变压器相同功能：u1 = Keu 2，i2 = Keii，ZL = K2 ZL 外信号电压U1二0八-t - T，励磁电流经R3放电，磁通渐降至 0。二次侧负脉冲电动势被 二极管 Di 阻挡，经 D2 构成回路。负载上获得二次侧输出电压为与 ui 相同的单极性方波脉冲电 压。Ui 宽度不可过大使铁心过饱和造成励磁电流剧增、输出脉冲宽度变窄。