第七章 电能传输及转换技术

U2N
cosφ 2=0.8滞后
cosφ 2=1
变压器的外特性就是描述输出电压 u2随负载电流 i2变化的关系，即： u2 ＝f（i2 ） 两者之间的对应关系可用左图所示 曲线进行描述。
0
I2N
i2
2．电压调整率
U 20 U 2 N U % 1 0 0 % U 20
电压调整率反映了变压器运行时输出电压的稳定性，是变 压器的主要性能指标之一。
M 1 L1 1/ （a） L2 2/ 1/ （b）
二端口网络
L1 2 1
L2 2 C 2/ 1/ 1
Z1
Z2
2
Z3 2/ （c）
在四端网络中端口由两个端钮组成，当从一个端钮流入该网络 的电流等于从另一个端钮流出该网络的电流时，该两个端钮称一 个端口。上图（a）中，如果流入端钮1的电流等于流出端钮1/的 电流，1-1/称一个端口。图中四端网络共有两个端口，称二端口网 络。
高压套管
低压套管 分接开关 油箱 铁芯 绕组 放油阀门
变压器主要由铁芯和绕组两大部分构成。铁芯是它的磁 路部分，绕组是它的电路部分。
7-2 变压器
二、变压器的工作原理
（1）变压器的空载运行与变换电压作用
Φ S i10 u20 a
x
A u X 1
N1N2
|ZL|
x
变压器的一次侧接电源，二次侧开路，这种运行状 态称为空载。 变压器空载时原边电流 i10很小，在铁心磁路中产生按 正弦规律变化的磁通φ ，当φ 穿过两线圈时，分别感应电压：
U L1 4.44 fN1m U M2 4.44 fN 2m
7-2
变压器
变压器原、副边电压与感应电压的关系为：
U1 U L1 4.44 fN1m U 20 U M2 4.44 fN 2m
变压器原、副边电压与感应电压的关系为：
U1 U L1 4.44 fN1 m N1 k U 20 U M 2 4.44fN m N 2 2
I1 N1 I10 N1 I 2 N 2
7-2
变压器
I1 N1 I10 N1 I 2 N 2
变压器在能量传递的过程中损耗甚小，因此：
（2）变压器的负载运行与变换电流作用
P P2 1 或： 1 I1 U 2 I 2 U
因此：
I1 U 2 N 2 1 I 2 U 1 N1 k
7-4 电热转换技术
2.间接电热法 再间接电热法中,电流通过的回路并不是所要加热的物体,而是 另一种专门材料制成的电热元件。选取电热元件取决于加热温度 与周围的情况，可使用镍铬丝、盐浴、石墨、钨丝等，下表中为 各种电热元件及其温度范围。
按使用温度电热元件的分类
使用温度/℃
150~550
种
类
使用温度/℃
由同一电流产生的感应电动势的极性始终保持一致的端子 称为同名端。判断同名端可以用实验的方法，包括直流法和交 流法。 国家规定的电力变压器的标准连接组别有：
Y，yn0；YN，y0；Y，y0；Y，d11；YN，d11五种 。
第7章 电能传输及转换技术
7-4 电热转换技术
7-4 电热转换技术
电能和热能是能量的不同形式，它们之间是可以相互转换的。 如热力发电厂是将热能转换为电能，而电加热装置是将电能转换 为热能。 电能转换为热能的方式主要有电阻加热、电弧加热、感应加 热和介质加热四种类型。 一、电阻加热 1.直接电热法 直接电热法是使电流通过被加热物体本身，利用被加热物体 本身的电阻发热而达到加热目的。如在家用电器中，利用水本身 的电阻加热水的热水器等。凡是利用直接电加热法加热的物体， 其本身必须具有一定的电阻值，其电阻值太小或太大都不适合采 用直接电热法。
其中1/k 称为变压器的变流比。显然：变压器在改变电 压的同时也改变了电流，即变压器还可以变换电流。
7-2 变压器
（3）变压器的变换阻抗作用
i1
A X u1 N1 N2 Φ i2 a S
u2
x
|ZL|
变压器的副边所接负载为|ZL|，原边输入阻抗为Z1时，有：
ZL
U2 ； I2
U1 Z1 I1
＋ S V － 3 1 2 3 4
＋ US －
＋ V －
1
～
uS
2 4
＋ V －
S闭合时：毫伏表指示 正值，则1和3是同极性端， 若指针反偏，则1和4是同极 性端。S打开时指针偏转情 况相反。
先将两线圈的一对端子 相联，构成串联连接。 U13=U12－U34时，1和3是同极 性端； U13=U12＋U34时，1和4 是同极性端。
7-2 变压器
4．变压器的损耗和效率 （1）损耗
P PCu PFe 其中：PCu I1 R1 I 2 R2
2 2
铁损耗
包括磁滞损耗和涡流损耗。
（2）效率
P2 P2 P P pFe pCu 1 1
7-2 变压器
*三、电力变压器的型号
S7-500/10
高压绕组额定电压（KV） 额定容量（KVA） 低损耗系列产品 变压器的额定值
2 100 RL 800 800 800 3.125 W
2 2
Ro 800 10 RL 8
7-2 变压器
*四、三相变压器的并联运行
A B C Ⅰ A a B C c N Ⅱ A a B C c N
b
b
a b c N
两台变压器并联运行
2 U 100 2 P I RL R R RL 800 8 8 0.123W L o （2）最大输出功率时， RL 折算到原绕组应等于 Ro 800 Ω 。负载获得
2 2
的最大功率为：
U 2 Pmax I RL Ro RL 变压器变比为： N1 k N2
1/
7-1
二端口网络
二端口网络按其内部电路是否含有非线性元件，分为非线性 二端口网络和线性二端口网络。如下图
VD
1 2 1 R 2
R
C
1/
2/ （a）非线性二端口网络
1/ （b）线性二端口网络
2/
非线性及线性二端口网络
第7章
电能传输及转换技术
7-2 变压器
7-2 变压器
一、变压器的基本结构
S i10 Tr |ZL| a
额定容量：三相变压器的总容量
SN=3I2NU2N
额定电压：原、副边额定值均指线电压数值。
额定电流：I1N、I2N均指原、副边线电流值。
例：设交流信号源电压 U 100 V ，内阻 Ro 800 Ω ，负载 RL 8 Ω 。 （1）将负载直接接至信号源，负载获得多大功率？ （2）经变压器进行阻抗匹配，求负载获得的最大功率是多少？变压器 变比是多少？ 解：（1）负载直接接信号源时，负载获得功率为：
·
N2
电流互感器二次侧表头额定值 为标准值5A（或1A）。
N1
·
A
I1 N2 1 I2 N1 k
思考题
自耦变压器为什么不能用作安全变 压器使用？
何谓变压器绕组的同名端？ 如何判断同极性端？
国家规定的电力变压器的标 准连接组别有哪5种？
因为自耦变压器的原、副边存在电的联系，高压侧如果 出现故障，必然波及到低压侧，低压侧直接与设备相连，因 此是不安全的，故自耦变压器不能当作安全变压器使用。
自耦变压器也称为自耦调压器，它的最大特 点就是可以通过转动手柄来获得原、副边所 需要的各种电压。
特点：副绕组是原绕组的一部 分，原、副压绕组不但有磁的 联系，也有电的联系。
7-3 几种常用变压器
2.电压互感器
电压互感器
7-3 几种常用变压器
电压互感器的原绕组匝数很多，并联于待测电路两端； 副绕组匝数较少，与电压表及电度表、功率表、继电器的电 压线圈并联。用于将高电压变换成低电压。使用时副绕组不 允许短路。 电压互感器使用时，二次侧并 联阻抗不得太小，否则影响测量精 L1 度。 L2
其中k 称为变压器的变比。显然：变压器通过改变原、 副边的匝数即可变换电压。
7-2 变压器
（2）变压器的负载运行与变换电流作用
Φ i1 A X u1 N1 N2 i2 a u2 x
S
|ZL|
变压器的一次侧接电源，二次侧与负载接通，这种运行 状态称为负载运行。 变压器负载运行时由于副边电流存在的去磁作用，因此原 边电流由 i10增大至i1。原边磁动势增加的数值恰好等于二次 侧负载所需要的磁动势。即：
·N
·
V
1
电压互感器二次侧表头额定值 为标准值100V。
N2
U1 N1 k U2 N2
7-3 几种常用变压器
3.电流互感器
电流互感器
7-3 几种常用变压器
电流互感器原绕组线径较粗，匝数很少，与被测电路负载串 联；副绕组线径较细，匝数很多，与电流表及功率表、电度表、 继电器的电流线圈串联。用于将大电流变换为小电流。使用时副 绕组电路不允许开路。 电流互感器二次侧所接仪表的 阻抗不得大于规定值！
人造石墨 钼丝（在真空中或还原气氛中） 钨丝（在真空中或还原气氛中） 人造石莫（在真空中或还原气氛中）
N 600 解：k 1 20 N 30 2 Z k 2 Z 202 16 6400 1 L L 4扬声器后
改接成 Z
k '2 6400 1600 则k ' 40 ， 4 N 所以：N 1 600 15匝 k' 40 2
7-2
变压器
u2
cos(-φ 2)=0.8超前
第7章
电能传输及转换技术
7-1 7-2 7-3 7-4 7-5 7-6 7-7 二端口网络 变压器 几种常用变压器 电热转换技术 电光转换技术 电声转换技术 电化学转换技术
化学工业出版社
第7章
电能传输及转换技术
7-1 二端口网络
化学工业出版社
7-1 二端口网络
一、二端口网络 具有四个端钮的网络称四端网络。如下图所示。
1400~1800 1600~2500 2200 2800 3000
种
石墨棒
类
钢退火用盐溶剂（硝酸盐类等） 2号镍铬丝 约 900 渗碳盐溶剂（氰化物或它与碳的混合 800~950 物） 550~1000 钢淬火用盐溶剂（氰化物、碳酸盐类 等） 1号镍铬丝，2号铁铬丝 约 1100
1000~1350 高速钢淬火用盐溶剂（以BaCl2）
x
A u X 1
N1N2
u20
x
变压器一 次侧绕组 （原边）
由硅钢片 叠压制成 的变压器 铁心磁路
变压器二 次侧绕组 （副边）
变压器 图形符 号
变压器是一种能变换电压、变换电流、变换阻抗的“静止” 电气设备。变压器在传递电能的过程中 储油柜 吸湿计 讯号式温度计 气体继电器
把变压比和变流比公式代入可得：
U1 kU 2 U2 Z1 k2 k 2ZL I2 I1 I2 k
7-2
变压器
变压器的阻抗变换作用常用于电子电路中。
已知某收音机输出变压器的原边匝数为600,副边匝数为30, 例如 原边原接有16Ω的扬声器，现要改接成4 Ω扬声器，求N2应改 ： 为多少？
第7章 电能传输及转换技术
7-3 几种常用变压器
7-3 几种常用变压器
1.自耦变压器
实验室中单相和三相调压器的实物图
7-3 几种常用变压器
自耦变压器的工作原理 和普通双绕组变压器一样，因此 变比相同 U N
1
u1
u2
U2 I1

1
I2
自耦变压器的电路图符号 ～ u1 u2

N2 N2
k
N1
1 k
7-1
二端口网络
二端口网络中与电源联接的端口称输入端口，与负载联接的 端口称输出端口。 二、二端口网络分类 二端口网络按其内部电路是否含有电源，分为含源二端口网 络和无源二端口网络。如下图所示。
Z1 Z2 Z1 Z2
1
2
1 Z3 + (a)含源二端口网络
含源及无源二端口网络
2
C Us
+
2/ 1/ (b)含源二端口网络 2/
将两台或两台以上变压器的原、副绕组分别并联到原边和副边 的公共母线上，共同向负载供电的方式，称为变压器的并联运 行。
7-2 变压器
三相变压器的并联运行 为了安全可靠地并联运行，变压器组必须满足下 列三个条件： 1.并联运行的变压器，其连接组别标号必须相同； 2.并联运行的变压器，其变比应当相等； 3.并联运行的变压器，其短路电压应当相等。 其中第1条必须严格遵守！
7-2 变压器
*五、变压器同名端判别
A · X a · x
AX是变压器的原边绕组 Aa是变压器一对同名端 ax是变压器的副边绕组
判别方法： 由同一电流感应的电动势，极性始终保持一致的端子为 同名端。
电流同时由同名端流入（或流出）时，它们所产生的磁场 相互增强，反之相互削弱。
7-2 变压器
用实验的方法测试同极性端