变压器的基本工作原理和结构（精品）

,变压器的基本工作原理和结构,思考 学习内容 知识要点,3.1.1 变压器的基本工作原理及分类 3.1.2 变压器的基本结构 3.1.3 变压器的型号与额定值,3.1 变压器的基本工作原理和结构,3.1.1 变压器的基本工作原理和分类,电能,机械能,电能,？,电动机,变压器,一、变压器的基本工作原理,问题: 为什么将变压器的原边接到交流电源上，灯泡就会发光呢？,变压器就是按照“动电生磁，动磁生电” 的电磁感应原理制成的。,一、变压器的基本工作原理,灯泡将电能转换成了光能,工作原理,1、当一次绕组接交流电压后，就有励磁电流i1流过，该电流在铁心中可产生一个交变的主磁通 2、在两个绕组中分别产生感应电势e1和e2 e1=N1 d/dt e2=N2 d/dt,3、若略去绕组电阻和漏抗压降，则以上两式之比为： U1/U2(-e1)/(-e2)=N1/N2 4、U1/U2(-e1)/(-e2)=N1/N2=k， k定义为变压器的变比。 即：U1/U2=N1/N2=K 从此式可以看出，若固定U1，只要改变匝数比即可达到改变电压的目的了 变压器就是按照“动电生磁，动磁生电”的电磁感应原理制成的。,变压器的外型和器身图,二、变压器的分类,电力变压器的类别用途分,（一）电力变压器,试验、仪用等变压器,(二) 特种变压器,电力变压器的类别用途分,电炉、整流变压器,电力变压器类别-线圈数目分,双绕组变压器，在铁芯中有两个绕组，一个为初级绕组，一个为次级绕组 自耦变压器，初级、次级绕组合为一个 三绕组变压器，三个绕组连接三种不同电压的线路 多绕组变压器，如分裂变压器,电力变压器类别-冷却方式,油浸式变压器铁芯和绕组都一起浸入灌满了变压器油的油箱中，可以加强绝缘和改善冷却散热条件（大容量） 干式变压器 能满足特殊要求，如安全（小容量变压器） 充气式变压器绝缘性能优于油浸式（大容量）SF6,干式变压器,油浸式变压器,电力变压器类别-冷却方式,强迫油循环电力变压器,电力变压器类别-相数,单相变压器,三相变压器,电力变压器类别-调压方式,有载调压变压器,无载调压变压器,3.1.2 电力变压器的基本结构,铁芯 绕组 油箱和冷却装置 绝缘套管 保护装置,图3.1.2 油浸式电力变压器,一、铁芯变压器的磁路,电力变压器的铁心是由0.35mm厚的冷轧硅钢片叠成。减少涡流损耗，提高导磁系数。,铁心柱,铁轭,图3.1.3 变压器的铁芯平面,铁芯结构心式、壳式,心式 结构简单工艺简单应用广泛,壳式 结构复杂，用在小容量变压器和电炉变压器,图 3.1.4 铁芯结构示意图,铁芯的交叠装配,奇数层,偶数层,奇数层,偶数层,变压器铁心叠法，偶数层刚好压着奇数层的接缝，从而减少了磁路和磁阻，使磁路便于流通 接逢处气隙小 可以避免涡流在钢片之间流通,图 3.1.6 叠片式铁世交错的叠放方式,变压器铁心柱横截面,小型变压器做成方形或者矩形 大型变压器做成阶梯形 ，容量大则级数多。叠片间留有间隙作为油道(纵向或横向)。,近年来，出现一种渐开线形铁芯优点：节省硅钢片，便于机械化生产，节省工时,油道,图 3.1.7 铁芯柱截面,二、绕组变压器的电路,变压器绕组一般为绝缘扁铜线或绝缘圆铜线在绕线模上绕制而成。 为便于制造、在电磁力作用下受力均匀以及机械性能良好，绕组线圈作成圈形。 按照绕组在铁芯中的排列方法分类，变压器可分为铁芯式和铁壳式两类 基本型式根据高低压绕组在铁芯柱上排列方式不同可分为同芯式和交叠式, 铁壳式变压器,变压器的铁芯柱在中间，铁轭在两旁环绕，且把绕组包围起来 结构比较坚固、制造工艺复杂，高压绕组与铁芯柱的距离较近，绝缘也比较困难 通常应用于电压很低而电流很大的特殊场合，例如，电炉用变压器。这时巨大的电流流过绕组将使绕组上受到巨大的电磁力，铁壳式结构可以加强对绕组的机械支撑，使能承受较大的电磁力。,图3.1.8 壳式变压器的结构示意图, 芯式变压器绕组和铁芯的装配示意图,绕组同芯套装在变压器铁心柱上，低压绕组在内层，高压绕组套装在低压绕组外层，以便于绝缘。,图3.1.9 芯式变压器的铁芯和绕组的装配示意图, 绕组的基本型式同心式, 同芯式铁芯式变压器常用。高压绕组和低压绕组均做成圆筒形，然后同芯地套在铁芯柱上 ，为便于绝缘，通常低压绕组在里面，高压绕组在外面 ，中间加绝缘纸筒绝缘,三相心式变压器外观示意图,高压,低压,绕组的基本型式交叠式,交叠式 铁壳式变压器常用。高压绕组和低压绕组各分为若干个线饼，沿着铁芯柱的高度交错地排列着,图3.1.9 交叠式绕组,三、油箱和冷却装置,变压器油冷却、绝缘 绝缘：绕组与绕组、绕组与铁心及油箱之间 散热：热量通过油箱壳散发，油箱有许多散热油管，以增大散热面积。采用内部油泵强迫油循环，外部用变压器风扇吹风或用自来水冲淋变压器油箱,油箱机械支撑、冷却散热、,变压器运行时产生热量，使变压器油膨胀，储油柜中变压器油上升，温度低时下降。 储油柜使变压器油与空气接触面较少， 减缓了变压器油的氧化过程及吸收空气中的水分的速度。呼吸,保护作用,当变压器出现故障时，产生的热量使变压器油汽化，气体继电器动作，发出报警信号或切断电源。 如果事故严重，变压器油大量汽化，油气冲破安全气道管口的密封玻璃，冲出变压器油箱，避免油箱爆裂。,平板式 小容量 排管式 较大容量 散热气式 大容量 强迫油循环大容量,气体继电器,图3.1.20, 冷却装置,油泵为了加快散热，有的大型变压器采用内部 油泵强迫油循环 风扇外部用变压器风扇吹风 自来水冲淋变压器油箱。这些都是变压器的冷却装置。,四、绝缘套管,绝缘套管由中心导电杆与瓷套组成。导电杆穿过变压器油箱、在油箱内的一端与线圈的端点联接，在外面的一端与外线路联接。 低压引比线一般用纯瓷套管，高压引线一般用充油或电容式套管 套管外形常做成伞形，电压越高、级数愈多。,图3.1.21绝缘套管,五、保护装置,储油柜储油柜使变压器油与空气接触面变小，减缓了变压器油的氧化和吸收空气水分的速度。从而减缓了油的变质。 气体继电器故障时,热量会使变压器油汽化，触动气体继电器发出报警信号或切断电源 安全气道（防爆筒）如果是严重事故，变压器油大量汽化，油气冲破安全气道管口的密封玻璃，冲出变压器油箱，避免油箱爆裂。 吸湿器 （呼吸器）内装硅胶（活性氧休铝），用以吸收进入储油柜中空气的水分 净油器过滤油中杂质，改善变压器油的性能,3.1.3 变压器的型号与额定值,型号可反映出变压器的结构、额定容量、电压等级、冷却方式等内容 例一：SL7500/10 低损耗三相油浸自冷双绕组铝线，额定容量500KVA，高压侧额定电压10KV级电力变压器 例二：SFPL63000/110 三相强迫油循环风冷双绕组铝线，额定容量63000KVA，高压侧额定电压110KV级电力变压器 此外，铭牌上还会给出三相联结组以及相数m、阻抗电压Uk、型号、运行方式、冷却方式和重量等数据。,一、变压器型号,二、变压器的额定值,额定容量SN（KV-A)铭牌规定的在额定条件下所能输出的视在功率，单位为VA或kVA。对三相变压器指三相的总容量。 由于效率高，原、副边的额定容量设计得相等，与体积、用铜量有关。,额定电压（UN)指变压器长期运行时所能承受的额定电压。单位为V或kV。 U1N是指规定加到一次侧的电压， U2N变压器一次侧加额定电压，二次侧空载时的二次端电压。 对三相变压器，铭牌上的额定电压指线电压 额定电流(IN)指变压器在额定容量下，允许长期通过的电流，三相变压器指的是线电流值。单位用A或kA。 额定频率（HZ)电力变压器的额定频率是50Hz 效率、温升,二、变压器的额定值,额定值的关系,单相变压器 三相变压器,三、变压器的发热和冷却,变压器的允许温升,油浸变压器的绕组均用A级绝缘。根据我国的气候情况，国家标准规定以+40作为周围环境空气的最高温度，并据此规定变压器各部分的容许温升,绕组最高允许温度为105 ,表3-1 变压器的允许温升,？问题,日常生活中的电能是怎样来的？ 为什么要高压输电？ 变压器可以传输直流电能吗？,日常生活中的电能是怎样来的,为什么要高压输电 ？,电能从发电厂输送到用户。 输电线路电阻RX的损耗pX取决于通过输电线上的电流I的大小令输送到用户的功率P=UIcos 输出电线上的功率损耗： pX=I2RX=（P /Ucos）2L/S=C*1/U2S -输电线材料的电阻系数 S-输电线的截面积 U-输电线路负载端电压 C= P2L/cos2为常数 说明：若S一定.U升高，损耗PX减少 若PX一定. U 升高，S 减小，故可节省材料，则提高送电电压U ，可达到减少投资和降低运行费用的目的。,知识要点,1、 变压器是按电磁感应原理工作的静止电气设备，它在电力系统中用来传递电能、变换电压和电流，以满足输电及用电的要求。在工业生产中，变压器还用于整流、电炉、电焊、调压、测量与控制等很多方面。 2、 变压器由铁心、绕组两个主要部分组成。铁心是变压器的磁路部分。电力变压器的铁心一般采用0.35毫米厚的硅钢片叠装而成。绕组是变压器的电路部分，它是用电磁线绕制而成的。电力变压器还有其他附件，如油箱、油枕、气体继电器、防爆管、分接头开关、绝缘套管等。附件对绕组与铁心起散热、保护、绝缘等作用，它能保证变压器安全可靠地运行。,3.2 单相变压器的空载运行,3.2.1 空载运行时的电磁关系 3.2.2 空载电流和空载损耗 3.2.3 空载时的电动势方程、 等效电路和相量图,3.2 单相变压器的空载运行,单相变压器的空载运行,空载指一次绕组接到电源（初级 1），二次绕组（次级 2）开路。,1 电磁物理现象 2电磁量参考方向 3感应电动势 4空载电流、空载损耗,5 电压比（变比） 6 空载等效电路 7 空载相量图,空载运行：原边接额定电压 的电源，副边开路 原边绕组电流 为空载电流，产生空载励磁磁势 _产生主磁通,3.2.1 空载运行时的电磁关系,一、空载运行时的物理情况,主磁通流径闭合铁心，磁阻小，同时匝链了原边和副边绕组,并感应出电势 与 和 。是变压器传递能量的主要媒介 原边绕组漏磁通，仅与原边绕组匝链，通过变压器油或空气形成闭路，磁阻大，不传递功率,磁通分为两部分,变压器铁心由高导磁材料硅钢片制成（导磁系数r2000)，大部分磁通都在铁心中流动，主磁通约占总磁通的99强，漏磁通占总磁通的1弱。,主磁能与漏磁通的区别：,在性质上磁路不同，因而磁阻不同。 0同时交链一、二次绕组，路径为沿铁芯而闭合的磁路，磁阻较小，具有饱和特性，0 与 I0 呈非线性关系。 1只交链一次绕组，它所经的路径大部分为非磁性物质，磁阻较大， 1 与 I0 呈线性关系，不具饱和特性。 在作用上功能不同。主磁通通过互感作用传递功率，漏磁通不传递功率，仅起漏抗压降的作用。 在数量上 0 99% 总磁通， 1 1%总磁通,变压器空载时各电磁量间的关系,二、变压器各电磁量参考方向的规定,规定电流的正方向与该电流所产生的磁通正方向符合“右手螺旋”定则， 规定磁通的正方向与其感应电势的正方向符合“右手螺旋”定则。 电流正方向与电势正方向一致。,二、变压器各电磁量参考方向的规定,一次绕组（负载）按电动机惯例 同方向 与 符合右手螺旋定则 与 同方向 二次绕组（电源）按发电机惯例 与 之间关系用 右手螺旋定则确定 与 同方向 与 同方向,例如正在增加，d/dt为正，e1 N1d/dt0为负，若外电路能使e1产生电流，其电流方向必与i0正方向相反，该电流产生磁通0，与0方向相反，起阻止0增加的作用，即符合楞次定律,三、感应电动势分析,1、主磁通感应电动势分析,若 u1 随时间按正弦规律变化，则 0 也按正弦规律变化，设：,主磁通与感应电势的关系,（a) 波形图,（b) 向量图,磁通与电动势之间