变压器与电机.doc

变压器变压器的基本构造、分类和用途变压器是利用电磁感应原理来改变交流电压的装置它能将某一电压值的交流电变换成同一频率的所需电压值的交流电，来满足人们在工农业生产和生活中的需要，或者在电器设备和无线电路中，用作升降电压、匹配阻抗，安全隔离等其中，一次绕组和二次绕组均为单相绕组的变压器称为单相变压器，三个相同容量的单相变压器可以组合成一个三相变压器如图2-1所示 1．变压器的基本结构变压器主要有铁心和绕组两大部分组成如图2-2所示 图2-1 三相干式变压器 图2-2 心式和壳式变压器 (1) 铁心 铁心是变压器磁路的主体，它分为铁心柱和铁轭两部分铁心柱上套装绕组，铁轭的作用是使磁路闭合1）铁心材料 铁心通常采用含硅量约为5%，厚度为0．35mm或0．5mm，两面涂有绝缘漆或氧化处理的硅钢片叠装而成硅钢片是软磁材料中应用最为广泛的一种，它是用电工硅钢轧制而成的这类材料在较低的外磁场作用下，就能产生较高的磁感应强度，并且随着外磁场的增大，磁感应强度会很快达到饱和；当外磁场去掉后，材料的磁性又能基本消失，剩磁很小由于硅的加入，使硅钢片的电阻率提高了，涡流损耗降低了，老化现象有所减少。

但是硅钢片的硬度提高了，加工起来比较困难2）铁心结构 按照绕组套入铁心柱的形式，铁心可以分为心式铁心和壳式铁心结构两种如图2-2所示心式变压器的一次、二次绕组套装在铁心的两个铁心柱上，结构比较简单，有较多的空间装设绝缘，装配较容易，且用铁量较少，适用于容量大、电压高的变压器，电力变压器多采用心式结构壳式变压器的铁心包围着上下和侧面，它的机械强度较好，铁心容易散热，但是用铁量较多，制造较为复杂，小型干式变压器多采用这种结构形式 3）铁心的叠片形式 大、中型变压器的铁心，一般都将硅钢片裁成条状，采用交错叠片的方式叠装而成，使各层磁路的接缝互相错开，这种方法可以减少气隙和磁阻，如图2-3所示小型变压器为了简化工艺和减少气隙，常采用口形、E形、F形、C形冲片交替叠装而成，近来也有采用新型加工工艺制成的C、O形铁心，如图2-4所示2) 绕组 绕组是变压器的电路部分，作为电流的载体，它可以产生磁通和感应电动势绕组常用绝缘铜线或者铝线绕制而成，有时也可用扁铜线或铝箔绕制一般把接电源的绕组称为一次绕组，接负载的绕组成为二次绕组按照绕组在铁心柱上防治的方式的不同，绕组有同心式和交叠式两种1）同心式绕组 同心式绕组是将高、低压绕组同心地套在铁心柱上。

为了便于绕组和铁心绝缘，常把低压绕组靠近铁心，高压绕组套装在低压绕组的外面，如图2-5所示同心式绕组具有结构简单、制造方便的特点，国产变压器多采用这种结构2）交叠式绕组 交叠式绕组是将高、低压绕组绕成饼状，沿着铁心柱的高度方向交替放置有利于绕线和铁心的绝缘，一般在最上层和最下层放置低压绕组，如图2-6所示交叠式绕组大多用于壳式、干式变压器和大型电炉变压器中2．变压器的主要附件电力变压器的附件主要有油箱、储油柜、分接开关、安全气道、气体继电器、绝缘套筒等，主要用来保护变压器的安全和可靠运行1) 油箱 油浸式变压器的外壳就是油箱，油箱里装满了变压器油，它既是绝缘介质又是冷却介质，要求具有高的介质强度和较低的粘度，高的发火点和低的凝固点，不含酸、碱、硫、灰尘和水分等杂质油箱可以保护变压器铁心和绕组不受外力作业和潮湿的侵蚀，并通过油的对流作用，把铁心和绕组产生的热量散发到周围的空气中去2）储油柜 储油柜也称为油枕，如图2-7所示它是一个圆筒形容器，装在油箱上，通过管道与油箱相连，使油刚好充满到储油柜的一半油面的升降被限制在储油柜中，可以从侧面的油表中看到油面的高低当油因热胀冷缩而引起油面变化时，油枕中的油面就会随之升降，从而保证油箱不会被挤破或油面下降使空气进入油箱。

3）分接开关 变压器的输出电压是可能会因输入电压的高低和负载电流的大小及性质而变动，可以通过分接开关来控制输出电压在允许范围内变动分接开关一般装在一次侧，如图2-8示利用开关S与不同分接头连接，就可以改变一次绕组的匝数，从而达到调节电压的目的调节范围一般是额定输出电压的±5%，也有的为±7．5%分接开关分为无励磁调压和有载调压两种类型无励磁调压在进行调压前要断开变压器的一、二次电源有载调压是指变压器的二次侧接着负载时调压有载调压不用停电调压，对变压器有利4) 安全气道 安全气道也称为防爆管，装在油箱顶盖上，它是一个长钢筒，出口处有一块厚度约为2mm的密封玻璃板或酚醛纸板（防爆膜）当变压器内部发生严重故障而产生大量气体，内部压力超过50kPa时，油和气体会冲破防爆膜向外喷出，从而避免油箱内受强大的向外压力而爆裂5) 气体继电器 气体继电器是变压器的主要保护装置，安装在变压器油箱和储油柜之间的连接管上，如图2-9所示它的内部有一个带有水银开关的浮筒和一块能带动水银开关的挡板变压器内部发生故障时，产生的气体聚集在气体继电器上部，使油面降低、浮筒下沉，接通水银开关，从而发出报警信号；变压器内部发生严重故障时，油流冲破挡板，挡板偏转时带动一套机构使另一个水银开关接通，发出信号并跳闸，与电网断开，起到保护作用。

6) 绝缘套筒 绝缘套筒由外部的瓷套和其中的导电杆组成它可以使高、低压绕组的引出线与变压器箱体绝缘它的结构主要取决于电压等级和使用条件当电压≦1kV时，采用实心瓷套管；电压在10～35kV时，采用充气式或充油式套管；电压≧110kV时，采用电容式套管为了增加表面放电距离，套管外形做成多级伞状，如图2-10所示 3．变压器的分类及用途变压器种类很多，按不同的分类方法可以分为以下类别 (1) 按相数不同 变压器可分为单相、三相、多相变压器2) 按绕组结构不同 变压器分为双绕组、三绕组、多绕组变压器和自耦变压器3) 按铁心结构不同 变压器分为心式变压器和壳式变压器4) 按冷却方式不同 变压器可分为干式变压器、油浸自冷变压器、油浸风冷变压器、强迫油循环冷却变压器和充气式变压器等5) 按调压方式不同 变压器可分为无励磁调压变压器、有载调压变压器6) 按用途不同 变压器分为电力变压器（电力变压器又分为升压变压器、降压变压器、配电变压器、厂用变压器等）；特种变压器（电炉变压器、整流变压器、电焊变压器等）；仪用变压器（电压互感器、电流互感器）；实验用的高压变压器和调压变压器等。

7) 按变压器的容量不同 变压器可分为小型变压器，容量为630KV·A及以下；中型变压器，容量为800KV·A～6300KV·A；大型变压器，容量为8000 KV·A～63000KV·A；特大型变压器，容量为900000KV·A及以上8) 按交流电频率不同 变压器可分为工频变压器、中频变压器、高频变压器（脉冲变压器）4．大型变压器的冷却方式变压器运行时，绕组和铁心中的损耗所产生的热量必须及时散逸出去，以免过热而造成绝缘损坏对小容量变压器，外表面积与变压器容积之比相对较大，可以采用自冷方式，通过辐射和自然对流即可将热量散去自冷方式适用于室内小型变压器，为了预防火灾，一般采用干式，不用油浸 由于变压器的损耗与其容积成比例，所以随着变压器容量的增大，其容积和损耗将以铁心尺寸三次方增加，而外表面积只依尺寸的二次方增加因此，大容量变压器铁心及绕组应浸在油中，并采取以下各种冷却措施 (1) 油浸自冷方式 以油的自然对流作用将热量带到油箱壁，然后依靠空气的对流传导将热量散发，它没有特别的冷却设备 (2) 油浸风冷却式 在油浸自冷式的基础上，在油箱壁或散热管上加装风扇，利用吹风机帮助冷却。

加装风扇后，可使变压器的容量增加30％~35％ (3) 强迫油循环方式 强迫油循环方式又分强油风冷和强油水冷两种它是把变变压器中的油，利用油泵打入油冷却器后再复回油箱油冷却器做成容易散热的特殊形状(如螺旋管式)，利用风扇吹风或循环水作为冷却介质，把热量带走这种强迫油循环冷却方式，若把油的循环速度提高，则变压器的容量可相应增加变压器基本工作原理及运行1．变压器的基本工作原理根据变压器的结构我们知道，变压器的主体是铁心和套在铁心上的绕组接交流电源的绕组称为一次绕组，其匝数用N1表示，接负载（灯泡）的绕组称为二次绕组，其匝数用N2表示，如图2-16所示当一次绕组接通交流电源时，二次绕组中就有电流流过，灯泡就会发光，这是什么原因呢？根据电磁感应原理：穿过绕组的磁通发生变化时，绕组中就有感应电动势产生，绕组电路闭合后就会有感应电流流过也就是，当一次绕组接通交流电源时，一次绕组中就有交变电流通过，这个电流将激励铁心产生交变的磁通因为一次、二次绕组套在同一个铁心柱上，该磁通就会同时在一次、二次绕组中感应出电动势对于负载来说，二次绕组中的感应电动势相当于电源，在二次绕组接通的电路中，就有电流流过，所以，灯泡就会发光。

可见，变压器是将一次侧交流电压、电流通过电磁感应原理传递给二次侧的，其电压和电流大小与一次侧可以相同，也可以不同，从而达到电能传递的目的变压器在能量传递过程中遵循能量守恒定律，且频率保持不变，这就是变压器的基本工作原理事实证明，变压器只能传递交流电能，不能产生电能；只能改变交流电压或电流的大小，不改变频率；传递过程中计几乎不改变电流与电压的乘积，也就是变压器的传递效率很高 2．变压器的空载运行原理（1）原理图与正方向 变压器的一次绕组接额定交流电源，二次绕组开路，这种运行方式称为变压器的空载运行，如图2-17所示图中各电磁量均为正弦交变量，都用相量表示，规定如下：1）与的正方向要一致；2) 主磁通与的正方向符合右手螺旋定则；3) 感应电动势与的方向要一致，即有： (2--4)为了分析的简便，暂时不计绕组的电阻、铁心的损耗、磁通中的漏磁通和磁路饱和的影响，这样的变压器就叫做理想变压器2）相关量之间的关系 根据电磁感应定律，主磁通将在一次绕组、二次绕组中产生感应电动势如果将一次绕组看成一次侧电源的负载，将二次绕组看成是变压器负载的电源，按照基尔霍夫电压定律，在一次绕组中的电动势与外加电压大小相等，方向相反。

在二次绕组中，由于开路，产生的感应电动势与端电压大小相等，方向相同，即 上式表明，铁心中没有磁滞损耗和涡流损耗时，则只用于产生主磁通 ，一次绕组是一个没有电阻的纯电感电路，电流滞后电压 900，感应电动势与外加电压 反相，相差1800，所以，感应电动势滞后于电流900， 主磁通与同相位，所以，超前感应电动势900二次绕组的感应电动势与同相位可以画出理想变压器空载运行的相量图如图2-18所示3）感应电动势E的计算 由法拉第电磁感应定律： (2--5) 式中 ---- 感应电动势平均值； N ---- 线圈匝数；----磁通的增量；----时间的增量可以在t=0到t=T/4的时间内，求出平均磁通变化率/，即=-0 =，= T/4=1/(4f), /=4f,在t=0到t=T/4的时间内，平均感应电动势 = 又，有效值 E=,平均值 ，所以，能够导出，因此，可。