变压器的基本原理与结构课件.ppt

1、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电能机械能电能？电动机变压器一、变压器的基本工作原理一、变压器的基本工作原理问题问题: : 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、一、变压器的基本工作原理变压器的基本工作原理灯泡将电能转换成了光能 1、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， 变压器的变压器的外型外型和和器身器身图图二、变压器的

2、分类二、变压器的分类电力变压器的类别用途分配电变压器配电变压器升压变压器升压变压器降压变压器降压变压器试验、仪用等变压器试验、仪用等变压器电力变压器的类别用途分电炉、整流变压器电炉、整流变压器电力变压器类别-线圈数目分电力变压器类别-冷却方式干式变压器干式变压器油浸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强迫油循环电力变压器电力变压器类别-相数单相变压器单相变压器三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有载调压变压器无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图3.1.2 油浸式电力变压器一、铁芯变压器的磁路l电力变压器的铁心是由0.3

3、5mm0.35mm厚的冷轧硅钢片叠成。减少涡流损耗，提高导磁系数。铁心柱铁轭图图3.1.3 变压器的铁芯平面变压器的铁芯平面铁芯结构心式、壳式心式心式 结构简单工艺简单应用广泛壳式壳式 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 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

4、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 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 图图3.1.9 芯式变压器的铁芯和绕组的装配示意图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，通常低压绕组通常低压绕组在里面在里面，高压绕组在外面高

5、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 图图3.1.9 交叠式绕组交叠式绕组油箱机械支撑、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 绝缘套管由中心导电

6、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，图图3.1.21绝缘套管绝缘套管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。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。 内装硅胶（活性氧休铝），用以吸收进入储油柜中空气的水分过滤油中杂质，改善变压器油的性能可反映出变压器的结构、额定容量、电压等级、冷却方式等

7、内容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级电力变压器一、变压器型号一、变压器型号额定容量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。 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。单相变压器三相变压器NNNNNNIUSIUS2211NNNNNNIUSIUS221133 变压器的允许温升。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

8、变压器部分最高温升(测量方法绕组65电阻法铁芯表面70温度计法油(顶层)55温度计法表3-1 变压器的允许温升作业P121 3.4 3.6本节重点本节重点工作原理、基本结构工作原理、基本结构日常生活中的电能是怎样来的从发电厂到用户的送电过程示意图从发电厂到用户的送电过程示意图6.327KV升压变压器 发电机组降压变压器 配电变压器10KV35KV66KV110KV220KV500KV10KV/0.4KV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/U2

9、S -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。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

10、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。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：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一、空载运行时的物理情况1U0I0F0010INF 1磁通分为两部分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

11、)，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。01E2E1E在数量上在数量上0 99% 总磁通，总磁通，11%总总磁通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二、变压器各电磁量参考方向的规定与与同方向同方向与与同方向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、感应电动势分析若 u1 随时间按正弦规律变化，则 0 也按正弦规律变化，设： )90sin(cos)90sin(cossin.22022110

12、110tNtNdtdNetNtNdtdNe感应应电动势瞬时值为为mtmmmmm磁通幅值主磁通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的关系图形结论：0 为正弦波时， e 也为正弦波 e滞后0 相位900电动势有效值、相量表示法有效值mmmmmmfNfNEEfNfNEE2222111144. 422/44. 422/mmfNjEfNjE221144.444.42、漏磁通感应的电动势 结论：磁路不饱和，磁阻很大，且为常数，因此X1很小，且为常数，X1X1不随电源电压不随电源电压U1U1和负载变化和负载变化3.2.2 空载电流和空载损耗空载电流空载电流主要作用是在铁心中建立

13、磁场，产生主磁通空载时的变压器实际上就是一个非线性电感器，其磁通量与电流的关系，服从与铁磁材料的磁化曲线 =f(i)磁化曲线1、空载电流的作用与组成空载电流包含两个分量 raIII0000rI0aI02、空载电流的性质和大小容量越大容量越大I0% 越小越小%100%00NIII3、空载电流波形I I0 0 受磁路饱和影响，空载电流呈尖顶波形为分析、测量、计算方便，在相量图和计算式中，用等效正弦波来代替实际的空载电流二、空载损耗变压器空载运行时，只从电源吸收少量有功功率P0，用来供给铁芯中铁损PFe和少量绕组铜损R1I02 P0 = PFe + Pcu PFe 分析变压器内部电磁关系的方法1、基

14、本方程式电磁关系的数学表达式2、等效电路图应用于定量计算3、相量图应用于定性分析3.2.3 空载时的电动势方程、等效电路和相量图一次侧一次侧影响m（主磁通幅值）因素1 1、电源、电源 U1 、 f2 2 、结构、结构 N11、电动势平衡方程I2=0）综上所述可得综上所述可得:忽略电阻压降和漏磁电势， 则U1E14.44fN1 m。 m mUU1 1即：当外当外施电压施电压U1U1为定值，主磁通为定值，主磁通 m m也为一定值也为一定值影响m（主磁通幅值）因素1、电源、电源 U1 、 f2 、结构、结构 N1思考题2、电压变比。k 决定于一、二次绕组匝数比。略去电阻压降和漏磁电势 NNUU：KD

15、Y213,联接NNUUUUNNEEK212012121三相变压器：K为一、二次侧相电动势（电压）之比NNUU：KYD213,联接二、空载时的等效电路和相量图X1表示漏磁通对电路的影响，近似为常数 励磁特性的电路模型强调强调：Rm励磁电阻励磁电阻，并非实质电阻、是为计算铁损耗铁损耗引进的模拟电阻模拟电阻。Xm励磁电抗，励磁电抗，是主磁通是主磁通引起的电抗Zm励磁阻抗励磁阻抗由于铁芯磁路具有饱和特性，参数Zm随外施电压增加而减小，不是常数。但变压器正常运行时，外施电压等于或近似等于额定电压，且变动范围不大,可把Zm看成常数。 空载时等效电路 一次绕组电动势平衡方程一次绕组电动势平衡方程 因因R1R

16、m , X1Xm 略Z1，则I I0 0大小取决天大小取决天Z Zm m 等效电路图只有Zm变压器采用高导磁材料，增大励磁阻抗Zm（Xm)，降低空载励磁电流I0，提高运行效率和功率因数2、空载时相量图空载时基本方程式空载时基本方程式m （参考方向）E1 滞后m 90度 E1与U20方向一致I0超前m 一个角度U1结论由 可知， 思考题问题: 某单相变压器额定电压为380伏/220伏,额定频率为50HZ。如误将低压边接到380伏电源，变压器将会发生一些什么异常现象？ 答案： 由于 U204.44fN2mU20由220伏变到380伏，增加了 倍，则主磁通m也增 加了 倍，磁路饱和程度增加，因而励磁

17、电流I0大大增 加，有可能烧毁线圈。33作业P121 3.9 3.10 本节重点本节重点各参数的物理意义及相互间关系各参数的物理意义及相互间关系 （基本方程式）（基本方程式）3.3节3.5节3.3 单相变压器的负载运行3.3.1 3.3.1 负载运行时的电磁关系负载运行时的电磁关系3.3.2 3.3.2 负载运行时的基本方程式负载运行时的基本方程式3.3.3 3.3.3 变压器的等效电路图及相量图变压器的等效电路图及相量图3.3.1 负载运行时的电磁关系二次绕组电流二次绕组电流的影响的影响带负载负载一次侧接电源一次侧接电源1，二次侧接负载，二次侧接负载Z ZL L，此，此时二次侧流过电流时二次

18、侧流过电流i2。一次侧电流不再是。一次侧电流不再是i0， 而是变而是变为为i1。负载后负载后二次侧电流产生磁势二次侧电流产生磁势F2=N2i2，该磁势将，该磁势将力图改变磁通力图改变磁通0，而磁通是由电源电压决定的，而磁通是由电源电压决定的， 也也就是说就是说0基本不变。基本不变。要维持维持0不变不变，一次绕组产生一个附加电流i i1L1Li1L 产生磁势N1i1L=N2i2（与二次磁动势相抵消）一次电流变为 i i1 1=i=i0 0+i+i1L1L总磁势总磁势 F1+F2=N1i1+N2i2 产生产生0变压器负载时各电磁量之间的关系3.3.2 变压器运行时的基本方程式一、二次侧电流与匝数之

19、间的关系二、电动势平衡方程 U1=-E1-E1+i1R1 =-E1+i1(R1+jX1) = -E1+i1Z1 U2=E2+E2-i2R2 =E2-i2(R2+jX2) = E2-i2Z2负载运行时基本方程式组3.3.3 变压器的等效电路及相量图问题是否可找到一个便于工程计算的单纯电路，以代替无电路联系、但有磁路耦合作用的实际变压器，但这个电路必须能正确反映变压器内部电磁过程 答案：有！这种电路称为变压器的等效电路，前提条件是必须进行绕组折算一、折算绕组折算就是把二次绕组的匝数变换成一次绕组的匝数 或者将一次绕组的匝数变换成二次绕组的匝数来进行运算，使之成为K=1的变压器但不改变其电磁效应的一

20、种分析方法，折算量在原符号加上标号“ 2 2）保持二次侧各）保持二次侧各功率（或损耗）不变功率（或损耗）不变下面以二次侧折算到一次侧为例下面以二次侧折算到一次侧为例折算方法1、二次电流的归算值I2物理意义：当用NkINNINNIININI/212222222222归算前后磁势应保持不变归算前后磁势应保持不变2、二次电动势的折算值 E2I2E2I2 则： 同理：E2=KE2物理意义：当用N2=N1替代了N2，其匝数增加到k倍。而主磁通 m及频率f均保持不变，折算后的二次电势应增加k倍22222kEEIIE3、二次漏阻抗的折算值R2和X2物理意义：当用N2222222RkRIIR 物理意义：222

21、2222xkxIIx4、二次电压的折算值U2222222222222)(/kUIZEkkIZkkEIZEUl物理意义：当用当用N 2替代了替代了N2，其匝数增加到，其匝数增加到k倍。而主磁通倍。而主磁通 m及频率及频率f均保持不变，折算均保持不变，折算后的二次电压应增加后的二次电压应增加k倍倍5、负载阻抗的折算值ZLLLZkkIkUIUZ22222/l物理意义：绕组的阻抗和绕组的匝数平方成正比。由于归算后次级匝数增加了k倍，故漏阻抗应增加到k2倍。折算后变压器负载运行时的基本方程式二、等效电路1、“T”形等效电路形等效电路2、“”形等效电路变压器近似等效电路变压器近似等效电路计算时引起的误差不

22、大：变压器的励磁电流(即空载电流)为额定电流的2-10，（大型变压器不到1）。近似等效电路可用于分析计算变压器负近似等效电路可用于分析计算变压器负载运行的某些问题，如二次侧电压变化载运行的某些问题，如二次侧电压变化并联运行的负载分配等并联运行的负载分配等3、简化等效电路短路电阻短路电阻RS=R1+R2短路电抗短路电抗XS=X1+X2短路阻抗短路阻抗ZS=RS+jXS结论结论：1、短路阻抗等于一、二次漏、短路阻抗等于一、二次漏阻抗之和，阻抗之和，ZS很小，且为常数很小，且为常数2、当变压器稳定短路时，短、当变压器稳定短路时，短路电流路电流IS=U1/ZS=（1020）IN3、ZS起限制直到限制短

23、路电起限制直到限制短路电流的作用流的作用略去励滋电流略去励滋电流（支路）（支路）常用于定性分析常用于定性分析三、负载时的相量图图图3.3.6 感性负载时变压器的相量图感性负载时变压器的相量图作业P121 3.15 3.16本节知识点本节知识点1、负载运行时各参数的物理意义及特点、负载运行时各参数的物理意义及特点2、基本方程式、基本方程式3.4.1 空载试验 求取 Rm、Xm、I0、P0（PFe） 、k 3.4.2 短路试验 求取 RK、XK、UK、pcu 3.4 变压器参数的测定参数确定方法参数确定方法：1、计算法设计时采用2、试验法空载、短路试验（已制造好的变压器）3.4.1 空载试验 一般

24、在低压侧做（安全，便于计量）至至低压侧的值低压侧的值。空载特性曲线 P0（I0）=f(U1)空载试验参数计算。令U1为外施每相电压，I0为每相电流，P0为每相输入功率即等于每相的空载损耗P0。(三相变压器必须用每一相值计算，K值用相电压之比） 励磁参数如折算到高压侧，则乘K2即可FeNPPIII）U）Uk、0100120%100%(低压高压低压侧一样高mRmZXmIPRmIUZm2202000低压侧。控制短路电流不超过额定值。短路试验可以在高压侧测量而把低压侧短路，也可在低压侧测量而把高压侧短路。二者测得的数值不同，用标么值计算则相二者测得的数值不同，用标么值计算则相同同3.4.2 短路试验

25、一般在高压侧做（安全，方便）短路特性曲线 PS(IS)=f(US)试验开始时应注意调压器输出应调到零，然后从0开始，慢慢调节，并监视电流表，使短路电流IS1.3I1N时停止升压，防止过大电流产生，对变压器不利。记录数据US ，IS，从1.3I1N到0.5I1N测56点。由于US低，铁心中低，故PS中所含铁损耗较小，可忽略铁耗，故PS中只含铜耗。分别表示每相值。(三相变压器必须用每一相值计算），测取时的值进行计算值用相电压之比）电阻随温度而变化，如短路试验时的室温为 ()，按标准规定应换算到标准温度75时的值。短路试验参数计算SCSCSSCSXRZRR275275750005 .234755 .

26、234“T”型等效电路R1 = R2 = RSX1 = X2 = XSl短路参数如折算到短路参数如折算到低压侧低压侧，则除，则除K2即可即可SSSNSNSSSNSNSSSRZXIPIPRIUIUZ高 压221221侧短路电压(阻抗电压us)百分数短路试验时，使短路电流恰为额定电流的外施电压，为，记作U SN。以额定电压百分数表示，称为短路电压百分数去掉100符号，就是NCSSNIZU1750%100%100175110NCSNNSNSUzIUUu短路电压的有功与无功分量无功分量有功分量%100%100%100%1001117511751100NSNSrNCSNSaNCSNNSNSUXIuURI

27、uUzIUUuSrNkNSsaSSNSNNNSBSSuUxIXuRuUZIIUZZZZ*/采用标么值表示us电压对变压器运行特性的影响容量与下列参数关系S I0% S us S P0 S PS 例3.4.1一台三相电力变压器，额定容量为750kVA，额定电压为10/0.4kV，Y,yn联接,试验数据如下：1、求以高压侧为基准的”T”型等效电路参数2、短路电压百分值及其电阻分量和电抗分量的百分值试验类型电压（V）电流（A）功率（KW）备注短路空载440 40043.3 6010.93.8高压侧测低压侧测3.5 标么值对各个物理量选一个固定的数值作为基值，取实际值与基值之比称为该物理量的标么值，电压基值额定电压 U1B=U1N U2B=U2N 电流基值额定电流 I1B=I1N I2B=I2N 功率基值额定容量 SBSN 阻抗基值额定电压与额定电流之商初级、次级侧各物理量应采用不同基值初级、次级侧各物理量应采用不同基值标幺值=实际值/基值 标么值的优点1ss sas u*sr = X*s标幺值=实际值/基值 作业P122 3.20