变压器的外特性和电压变化率

第1章直流电机及电力拖动习题答案1.简述直流电动机的工作原理、主要结构及各部分的作用。

答：1）直流电动机的工作原理：直流电动机的工作原理是基于电磁力定律的。

若磁场B x与导体互相垂直，且导体中通以电流i，则作用于载流导体上电磁力f。

此电磁力与转子半径之积即为电磁转矩。

该电磁转矩使电动机旋转。

通过换向器和电刷的作用，流经线圈的电流方向改变，这样导体所受的电磁力方向不变，从而保持电动机沿着一个固定的方向旋转。

2）直流电机主要由定子和转子部分组成。

定子主要由主磁极、机座、换向磁极、电刷装置和端盖组成。

主磁极的作用是产生恒定、有一定空间分布形状的气隙磁通密度。

整体机座是用导磁效果较好的铸钢材料制成，该种机座能同时起到导磁和机械支撑作用。

换向极用来改善直流电机的换向。

电刷装置把电机电枢中的电流与外部静止电路相连或把外部电源与电机电枢相连。

电刷装置与换向片一起完成机械整流，把电枢中的交变电流变成电刷上的直流或把外部电路中的直流变换为电枢中的交流。

2.直流电机的电枢绕组的连接方式中单叠绕组和单波绕组各有何特点？答：单叠绕组的特点是相邻元件相互叠压，合成节距与换向节距均为1，即y=y k=1。

单叠绕组有以下特点：1）同一主磁极下的元件串联在一起组成一个支路，这样有几个主磁极就有几条支路，主磁极对数等于之路对数，p =a。

2）电刷数等于主磁极数，电刷位置应使支路感应电动势最大。

3）电刷间电动势等于并联支路电动势，即等于每条并联支路中每根导体电动势之和。

4）电枢电流等于各并联支路电流之和。

单波绕组：线圈连接呈波浪形，所以称作波绕组。

单波绕组直接相连的两个线圈的对应边不是在同一个主磁极下面，而是分别处于相邻两对主磁极中的同极性的磁极下面，合成节距约等于两个极距。

单波绕组只有一对并联支路，支路对数与磁极对数p无关，即a=1。

3.直流电机的励磁方式有几种？画图说明。

答：励磁方式分为他励、并励、串励和复励。

a)b)c)d)a）他励b）并励c）串励d）复励4.什么是电枢反应，对电机有何影响？答：电枢磁场对主磁场的影响称为电枢反应。

11.2 变压器的工作原理考纲要求：熟练掌握变压器变换电压、变换电流和变换阻抗的基本关系及其计算。

教学目的要求：熟练掌握变压器变换电压、变换电流和变换阻抗的基本关系及其计算。

教学重点：变压器变换电压、变换电流和变换阻抗的基本关系及其计算。

教学难点：变压器变换电压、变换电流和变换阻抗的基本关系及其计算。

课时安排：4节 课型：复习教学过程：【知识点回顾】一、变换交流电压原绕组外加电压∙1U 后产生 ，空载电流∙0I 通过线圈 ，产生磁动势 ，在其作用下，产生 （设穿过磁路的主磁通Φ= ），则在N 1中产生自感电动势E L1= ，在N 2中产生互感电动势E M2= 。

原绕组中∙1U = ，副绕组中∙2U = 。

在忽略漏磁通的情况下：201U U = 。

二、变换交流电流磁动势平衡方程式： 。

∴电流变换公式 。

（理想的二绕组变压器）三、变换交流阻抗|Z L |= ；|Z 1|= 。

变压器的输入阻抗为Z 1，副边负载的阻抗为|Z L |，则|Z 1|= 。

若Z L =R+jX ，则Z 1=其中R 1= ，X 1= 。

四、变压器的外特性1、定义：（1）变压器空载时，I 2=0，U 2= 。

（2）电阻性负载和电感性负载，U 2随I 2的增加而 ，功率因数越低，U 2下降就越 。

（3）电容性负载，U 2随I 2的增加而 。

2、电压变化率： 。

ΔU= 。

（ΔU 越 越好）【课前练习】一、判断题1、在变压器二次绕组中产生的电动势是互感电动势。

( )2、一个空载变压器，在变换电压的同时，也在变换电流。

( )3、变压器可以改变各种电源的电压。

( )4、变压器用作阻抗变换时，变压比等于一次、二次绕组阻抗的平方比。

( )5、一只440V ／220V 的变压器，可用来把220V 的交流电降到110V 。

( )6、变压器接有负载时，随负载电流I 2增大，变压器二次电压逐渐下降。

( )7、根据变压器的变压比公式：2121N N U U ，此式中的U 2是变压器的满载电压。

变压器的基本原理和分类一、变压器的基本工作原理变压器是利用电磁感应定律把一种电压等级的交流电能转换成同频率的另一种电压等级的交流电能。

变压器工作原理图当原边绕组接到交流电源时，绕组中便有交流电流流过，并在铁心中产生与外加电压频率相同的磁通，这个交变磁通同时交链着原边绕组和副边绕组。

原、副绕组的感应分别表示为dt d N e Φ-=11 dtd Ne Φ-=22 则k N N e e u u ==≈212121 变比k ：表示原、副绕组的匝数比，也等于原边一相绕组的感应电势与副边一相绕组的感应电势之比。

改变变压器的变比，就能改变输出电压。

但应注意,变压器不能改变电能的频率。

二、电力变压器的分类变压器的种类很多，可按其用途、相数、结构、调压方式、冷却方式等不同来进行分类。

按用途分类：升压变压器、降压变压器；按相数分类：单相变压器和三相变压器；按线圈数分类：双绕组变压器、三绕组变压器和自耦变压器；按铁心结构分类：心式变压器和壳式变压器；按调压方式分类：无载（无励磁）调压变压器、有载调压变压器；按冷却介质和冷却方式分类：油浸式变压器和干式变压器等；按容量大小分类：小型变压器、中型变压器、大型变压器和特大型变压器。

三相油浸式电力变压器的外形,见图1，铁心和绕组是变压器的主要部件，称为器身见图2，器身放在油箱内部。

电力变压器的结构一、铁心1.铁心的材料采用高磁导率的铁磁材料—～厚的硅钢片叠成。

为了提高磁路的导磁性能，减小铁心中的磁滞、涡流损耗。

变压器用的硅钢片其含硅量比较高。

硅钢片的两面均涂以绝缘漆，这样可使叠装在一起的硅钢片相互之间绝缘。

2.铁心形式铁心是变压器的主磁路，电力变压器的铁心主要采用心式结构。

二、绕组1.绕组的材料铜或铝导线包绕绝缘纸以后绕制而成。

2.形式圆筒式、螺旋式、连续式、纠结式等结构。

为了便于绝缘，低压绕组靠近铁心柱，高压绕组套在低压绕组外面，两个绕组之间留有油道。

变压器绕组外形如图所示。

一、变压器的运行特征变压器的运行特征主要有外特征与效率特性，而表征变压器运行性能的主要指标则有电压变化率和效率。

1、电压变化率1）外特性变压器一次侧接上额定电压，二次侧开路时，二次侧空载电压就等于二次侧额定电压，外特性是指一次侧加额定电压，负载功率因数cosφ2一定时，二次侧端电压随负载电流变化的关系，即U2=f (I2)。

变压器在纯电阻和感性负载时，外特性是下降的，而客性负载时可能是上翘的。

2）电压变化率负载电流变化，变压器副边端电压将随着发生变化。

电压调整率是变压器负载时副边端电压变化程度的一种程度。

假定变压器原边接电源电压，副边开路时的端电压为额定值，当副边接入负载后，即使原来电压保持不变，副边端电压不再是额定值，原边电压保持为额定值，负载功率因数为常数，空载和负载的副边端电压之差与副边额定电压的比值，即电压变化的标么值称为电压变化率，用⊿U*表示即⊿U*=(U20-U2)/U2N式中U20—副边空载电压U2—时的副边端电压由于副边空载端电压U20等于副边额定电压U2N，经过折算后，公式1可写成⊿U*=(U20-U2)/U2N=(U'2N-U'2)/U'2N=(U10-U'2)/U1N电压变化率是变压器的主要性能指标之一，负载电流变化时，副边端电压变化的原因，是变压器内部存在电阻和漏抗而引起内部电压降。

副边电压的变化程度，即⊿U*的大小，不仅同变压器本身的阻抗有关，而且与负载的大小和性能有关。

综合上述，负载为感性时，φ2角为正值，故电压变化率为正值，即负载时的副边电压恒比空载电压低；负载为容性，φ2角为负值，故电压变化率有可能为负值，亦即负载时的副边电压可能高于空载电压。

为了保证供电电压的质量，尽可能保持副边电压的稳定，这就需要进行调压。

在电力系统中调压的方法很多，例如调节发电机出口电压，用同步调相机，在负载端并联电容器等。

但采用最多、最普遍的还是变压器调压。

第一章变压器1.变压器基本工作原理，基本结构、主要额定值变压器是利用电磁感应原理将一种电压等级的交流电能变换为另一种同频率且不同电压等级的交流电能的静止电气设备，它在电力系统，变电所以及工厂供配电中得到了广泛的应用，以满足电能的传输，分配和使用。

变压器的原理是基于电磁感应定律，因此磁场是变压器的工作媒介变压器基本结构组成：猜测可能出填空题或选择题三相变压器按照磁路可分为三相组式变压器和三相芯式变压器两类变压器的型号和额定值考法：例如解释S9-1250/10的各项数值的含义2.变压器空载和负载运行时的电磁状况；空载电流的组成、作用、性质。

变压器一次侧接到额定频率和额定电压的交流电源上，其二次侧开路，这种运行状态称为变压器的空载运行。

变压器空载运行原理图变压器一次绕组接交流电源，二次绕组接负载的运行方式，称为变压器的负载运行方式。

变压器负载运行原理图实际运行的电力变压器的磁路总是工作在饱和状态下。

通过磁化曲线推得的电流波形可以发现：空载电流（即励磁电流）呈尖顶波，除了基波外，还有较强的三次谐波和其他高次谐波。

2121N N E E =产生主磁通所需要的电流称为励磁电流，用m i 表示； 同理产生主磁通的磁动势称为励磁磁动势，用 m F 表示。

变压器铁芯上仅有一次绕组空载电流0i 所形成的磁动势0F ，即空载电流0i 建立主磁通，所以空载电流0i 就是励磁电流m i ，即m 0i i = 同理，空载磁动势0F 就是励磁磁动势，即m 0F F =或m 101i N i N = 因为空载时，变压器一次绕组实际上是一个铁芯线圈， 空载电流的大小主要决定于铁芯线圈的电抗和铁芯损耗。

铁芯线圈的电抗正比于线圈匝数的平方和磁路的磁导。

因此，空载电流的大小与铁芯的磁化性能，饱和程度有密切的关系。

3. 变压器变比的定义；磁动式平衡关系的物理含义，用此平衡关系分析变压器的能量传递；变压器折算概念和变压器折算方法，变压器基本方程组、等效电路和相量图在变压器中，一次绕组的感应电动势1E 与二次绕组的感应电动势2E 之比称为变比，用k 表示，即k =变压器负载运行时，作用于变压器磁路上111N I F •=和222N I F •=两个磁动势。

变压器外特性和电压变化率 1． 变压器的外特性变压器的外特性是指一次侧电压为额定值U 1N ，负载功率因数cos φ2一定时，二次侧端电压U 2随负载电流I 2变化的关系曲线，即U 2=f （I 2），如图1所示。

在负载运行时，由于变压器内部存在阻抗和漏抗，当负载电流流过时，变压器内部将产生阻抗压降，使二次端电压随负载的变化而变化。

图1-2-6所示为不同负载性质时变压器的外特性曲线。

由图可知，当负载容性时，外特性是上翘的；而负载感性时，外特性是下降的。

也就是说容性电流有助磁作用，使U 2上升；而感性电流有去磁作用，使U 2下降。

变压器二次电压的大小不仅与负载电流的大小有关，还与负载的功率因数有关。

图1 变压器的外特性曲线图因此，在变压器输入电压U 1不变时，影响外特性的因素是Zs l 、Zs 2及cos 2ϕ。

为了使各种不同容量和电压的变压器的外特性可以进行比较，在图1-2-6中坐标都用相对值U 2／U 2N 、I 2／I 2N 表示，这种值也称为标么值。

2． 电压变化率（电压调整率）变压器二次侧输出电压随负载而变化的程度用电压变化率ΔU%示。

所谓电压变化率，是指变压器一次绕组加额定电压，负载的功率因数一定，空载与额定负载时二次侧端电压之差（U 2N -U 2）与额定电压U 2N 的比值，，通常可以表示为：100%222⨯-=∆N N U U U U ％=1002⨯∆NU U ％ 式中 U 2N ——变压器二次侧输出额定电压(即二次侧空载电压U 02)U 2——变压器二次侧额定电流时的输出电压。

电压变化率△U%是表征变压器运行性能的重要指标之一，它的大小与负载大小、性质及变压器的本身参数有关,反映了供电电压的稳定性。

一般电力变压器，当cos 2ϕ≈1时，%U ∆≈2％～3％，当cos 2ϕ≈0.8时，%U ∆≈4％～6％，可见提高二次侧负载功率因数cos 2ϕ，还能提高二次侧电压的稳定性。

一般情况下照明电源电压波动不超过±5％，动力电源电压波动不超过+10％～—5％。

变压器第一节变压器的构造一、变压器的用途和种类变压器是利用互感原理工作的电磁装置，它的符号如图11-1所示，T是它的文字符号。

1．变压器的用途：变压器除可变换电压外，还可变换电流、变换阻抗、改变相位。

2．变压器的种类：按照使用的场合，变压器有电力变压器、整流变压器、调压变压器输入、输出变压器等。

二、变压器的基本构造变压器主要由铁心和线圈两部分构成。

铁心是变压器的磁路通道，是用磁导率较高且相互绝缘的硅钢片制成，以便减少涡流和磁滞损耗。

按其构造形式可分为心式和壳式两种，如图11-2(a)、(b)所示。

线圈是变压器的电路部分，是用漆色线、沙包线或丝包线绕成。

其中和电源相连的线圈叫原线圈(初级绕组)，和负载相连的线圈叫副线圈(次级绕组)。

第二节变压器的工作原理一、变压器的工作原理变压器是按电磁感应原理工作的，原线圈接在交流电源上，在铁心中产生交变磁通，从而在原、副线圈产生感应电动势，如图11-3所示。

1．变换交流电压原线圈接上交流电压，铁心中产生的交变磁通同时通过原、副线圈，原、副线圈中交变的磁通可视为相同。

设原线圈匝数为N1，副线圈匝数为N2，磁通为 ，感应电动势为图11-1 变压器的符号图11-2 心式和壳式变压器tN E t N E ∆∆=∆∆=ΦΦ2211 ， 由此得2121N N E E =忽略线圈内阻得K N N U U ==2121 上式中K 称为变压比。

由此可见：变压器原副线圈的端电压之比等于匝数比。

如果N 1 < N 2，K < 1，电压上升，称为升压变压器。

如果N 1 > N 2，K >1，电压下降，称为降压变压器。

2．变换交流电流根据能量守恒定律，变压器输出功率与从电网中获得功率相等，即P 1 = P 2，由交流电功率的公式可得U 1I 1 cos ϕ1= U 2I 2 cos ϕ2式中cos ϕ1——原线圈电路的功率因数；cos ϕ2——副线圈电路的功率因数。