变压器的基本工作原理和结构.ppt

3 1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e2e1 N1d dte2 N2d 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 SL7 500 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 SFPL 63000 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 2 L 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 P2 L 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 r 2000 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 dt 0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 有效值相量 2 漏磁通感应的电动势 推倒方法同上 结论 磁路不饱和 磁阻很大 且为常数 因此X1很小 且为常数 X1不随电源电压U1和负载变化 3 2 2空载电流和空载损耗 一 空载电流 空载电流主要作用是在铁心中建立磁场 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 励磁分量 作用是建立主磁通 相位与主磁通相同 为无功分量 铁损耗分量 作用是供给铁磁材料铁损 磁滞和涡流损耗 为有功分量 空载运行时从电源输入少量电功率 主要用来补偿铁心中的铁损耗 2 空载电流的性质和大小 性质 通常 Ior Ioa U1与Io之间相位角 0接近90 Io Ior空载电流可近似为感性大小 与导磁材料有关一般变压器 I0 2 10 大容量变压器 I0 1 容量越大 I0 越小 3 空载电流波形 I0 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R1I02P0 PFe Pcu PFe PFe的求取 测试法 空载试验 计算法PFe B2mf1 3 P0 0 2 1 SN容量越大 空载损耗越小 分析变压器内部电磁关系的方法1 基本方程式 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 1 电动势平衡方程 一次侧 影响 m 主磁通幅值 因素1 电源U1 f2 结构N1 一 电动势平衡方程和变比 1 电动势平衡方程 二次侧 I2 0 综上所述可得 忽略电阻压降和漏磁电势 则U1 E1 4 44fN1 m m U1即 当外施电压U1为定值 主磁通 m也为一定值 影响 m 主磁通幅值 因素1 电源U1 f2 结构N1 思考题 问题 一台结构已定的变压器当外施电压为已知 需要电源提供多大的励磁电流呢 励磁电流包括哪些成分呢 答 决定于变压器的铁芯材料及铁芯几何尺寸 因为铁芯材料是磁性物质 励磁电流的大小和波形将受磁路饱和 磁滞及涡流的影响 励磁电流包括 有功分量 供铁损 和无功分量 产生 0 2 电压变比 变比 一次绕组与二次绕组主电动势之比 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 三相变压器 K为一 二次侧相电动势 电压 之比 二 空载时的等效电路和相量图 1 空载时的等效电路等效电路 将运行中的变压器的电和磁之间的相互关系用一个模拟电路的型式来等效 漏抗电路模型 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 Rm 励磁电阻 并非实质电阻 是为计算铁损耗引进的模拟电阻 Xm 励磁电抗 是主磁通 引起的电抗Zm 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 因R1 Rm X1 Xm略Z1 则I0大小取决天Zm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 m 参考方向 E1滞后 m90度E1与U20方向一致I0超前 m一个角度U1 结论 由可知 m的大小同外施电压 频率 一次绕组匝数决定空载电流I0与 m N1 Zm有关 I0随磁路的饱和而急剧增加 导磁性能越好 越大 空载电流就越小Xm是变压器一个重要参数 在线性电路中它是常数 在非线性电路中 它的大小随磁路的饱和而减小 Xm越大 导磁性能越好 I0越小 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U20 4 44fN2 mU20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 因而励磁电流I0大大增加 有可能烧毁线圈 作业 P1213 93 10 下次课内容 单相变压器的负载运行 本节重点 各参数的物理意义及相互间关系 基本方程式 3 3节 3 5节 3 3单相变压器的负载运行3 4变压器参数的测定3 5标么值 3 3单相变压器的负载运行 3 3 1负载运行时的电磁关系3 3 2负载运行时的基本方程式3 3 3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 负载运行 是指一侧绕组接额定频率 额定电压的电源上 另一侧绕组接负载的运行状态 二次绕组电流的影响 带负载 一次侧接电源 1 二次侧接负载ZL 此时二次侧流过电流i2 一次侧电流不再是i0 而是变为i1 负载后 二次侧电流产生磁势F2 N2i2 该磁势将力图改变磁通 0 而磁通是由电源电压决定的 也就是说 0基本不变 要维持 0不变 一次绕组产生一个附加电流i1L i1L 产生磁势N1i1L N2i2 与二次磁动势相抵消 一次电流变为i1 i0 i1L 总磁势F1 F2 N1i1 N2i2 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 磁动势平衡方程式F1 F2 F0N1i1 N2i2 i0N1i1 i0 i2 k i0 i1L变比 K N1 N2 i1L i2 k为一次侧增加的负载分量电流 i1L i2 k 0 负载后 一次侧绕组中的电流由两个分量组成 一个是负载分量i1L 另一个是产生磁通的励磁分量i0 i1L产生的磁势与二次侧电流产生的磁势大小相等 方向相反 互相抵消 二次侧电流增加或减少的同时必然引起一次侧电流的增加右减少 一 二次侧电流与匝数之间的关系 在满载时 I0只占I1L的 2 8 固可将I0忽略 则i1 i0 i2 k i2 kI1 I2 N2 N1 一 二次侧电流之比与匝数之比成反比 改变一 二次侧匝数不仅能变压 而且能变电流 二 电动势平衡方程 一次侧U1 E1 E1 i1R1 E1 i1 R1 jX1 E1 i1Z1 二次侧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种分析方法 折算量在原符号加上标号 区别 折算后的值称为折算值 原则 折算不改变实际变压器内部的电磁平衡关系 即 1 保持二次磁动势F2不变2 保持二次侧各功率 或损耗 不变 下面以二次侧折算到一次侧为例 折算方法 二次侧各量折算到一次侧 保持初级绕组匝数N1不变 设想有一个匝数为N 2 N1的次级绕组 用它来取代原有匝数为N2的次级绕组 满足变比 k N1 N 2 1 1 二次电流的归算值 I 2 物理意义 当用N 2 N1替代了N2 其匝数增加了k倍 为保持磁势不变 次级电流归算值减小到原来的1 k倍 归算前后磁势应保持不变 2 二次电动势的折算值 E 2 归算前后二次侧电磁功率应不变E 2I 2 E2I2则 同理 E 2 KE2 物理意义 当用N 2 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 3 二次漏阻抗的折算值 R 2和X 2 二次电阻值的折算 R 2 折算前后铜耗应保持不变物理意义 当用N 2替代N2后 匝数增加到k倍 二次绕组长度增加到k倍 二次电流减到为原来的l k倍 折算后的二次绕组截面积应减到原来的l k倍 故折算后的二次电阻应增加到原来的k2倍 绕组本身没有变化 二次漏电抗的折算值 X 2 归算前后次级漏磁无功损耗应保持不变物理意义 绕组的电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 故漏抗应增加到k2倍 4 二次电压的折算值 U 2 物理意义 当用N 2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 折算后的二次电压应增加k倍 5 负载阻抗的折算值 Z 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 2 形等效电路 变压器近似等效电路 把励磁支路移至端点处 计算时引起的误差不大 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 3 简化等效电路 短路电阻RS R1 R 2短路电抗XS X1 X 2短路阻抗ZS RS jXS 结论 1 短路阻抗等于一 二次漏阻抗之和 ZS很小 且为常数2 当变压器稳定短路时 短路电流IS U1 ZS 10 20 IN3 ZS起限制直到限制短路电流的作用 注意简化的近似假设 略去励滋电流 支路 常用于定性分析 三 负载时的相量图 图3 3 6感性负载时变压器的相量图 作业 P1213 153 16 本节知识点1 负载运行时各参数的物理意义及特点2 基本方程式 下面内容 变压器的参数测定及标么值 3 4 1空载试验 求取Rm Xm I0 P0 PFe k3 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 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 一般在低压侧做 安全 便于计量 试验可在高压侧测量也可在低压侧测量 视实际测量方便而定 如令高压侧开路 在低压侧进行测量 测得的数据是低压侧的值 计算的励磁阻抗也是归算至低压侧的值 空载特性曲线 P0 I0 f U1 通过调压器给变压器供电 调压器输出电压U1 从1 2UN到0 3UN取8 9点 每点均测出P0 I0 U20 可得空载特性曲线空载试验时电压较高 电流较小故电流要精确测量 接线图中电流表中流过的电流为实际空载电流 空载试验参数计算 励磁参数值 Zm 和铁损PFe P0 均随磁路饱和程度而变化 为反映变压器运行时的磁路饱和情况 空载试验时应调整外施电压等于额定电压 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 短路试验应降低电压进行 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 用标么值计算则相同 3 4 2短路试验 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