变压器结构和基本原理PPT课件

1、4.1 4.1 变压器的应用、结构和基本工作原理变压器的应用、结构和基本工作原理、变压器的用途简介 在自动控制系统中常用的变压器有小功率电源变压器和作为信号传递的信号变压器：脉冲变压器、输入输出变压器等。 在电力系统中用的变压器是作为电能之间的转换，为电力变压器。 在控制系统中用的变压器的容量小，多为不超过几千伏安的单相变压器；电力变压器的容量大，为几千伏安以上。 本章已自动控制系统中用的单相变压器为例介绍变压器的基本理论。第1页/共70页变压器的基本工作原理 变压器的主要部件是铁心和套在铁心上的两个绕组。两绕组只有磁耦合没电联系。在一次绕组中加上交变电压，产生交链一、二次绕组的交变磁通，在两

2、绕组中分别感应电动势。1u1e2e2u1i2i1U2U1u2uLZdtdNedtdNe2211 只要一、二次绕组的匝数不同，就能达到改变压的目的。第2页/共70页1、构造构造示意图示意图(1)闭合铁芯闭合铁芯 (绝缘硅钢片叠合而成绝缘硅钢片叠合而成)(2)原线圈原线圈(初级线圈初级线圈) 其匝数用其匝数用n1表示表示 与交变电源相连与交变电源相连(3)副线圈副线圈(次级线圈次级线圈) 其匝数用其匝数用n2表示表示 与负载相连与负载相连(4)输入电压输入电压U1 输出电压输出电压U2铁芯铁芯U1U2 n1n2第3页/共70页 变压器通过闭合铁芯，利用互感现象实现了：变压器通过闭合铁芯，利用互感现

3、象实现了： 电能电能 磁场能磁场能 电能电能转化转化 (U1、I1) (变化的磁场变化的磁场) ( U2、I2)U1U2 n1n2 0tt1t2t3t4第4页/共70页理解：（1 1）互感现象：在变压器原、副线圈中由于有交变电流而发生互相感应的现象，叫做互感现象（2 2）互感现象是变压器工作的基础 变压器通过闭合铁芯，利用互感现象实现了电能到磁场能再到电能的转化（3 3）变压器只能工作在交流电路 如果变压器接入直流电路，在铁芯中不会产生交变的磁通量，没有互感现象出现，所以变压器仅工作于交流电路第5页/共70页 如果在能量转化的过程中能量损失很小，能够略去原、副线圈的电如果在能量转化的过程中能量

4、损失很小，能够略去原、副线圈的电阻，以及各种电磁能量损失，这样的变压器我们称之为阻，以及各种电磁能量损失，这样的变压器我们称之为理想变压器理想变压器.这是这是物理学中又一种物理学中又一种理想化模型理想化模型。第6页/共70页 原、副线圈中通过的磁通量始终相同原、副线圈中通过的磁通量始终相同(无漏无漏磁磁),因此产生的感应电动势分别是：因此产生的感应电动势分别是：若不考虑原副线圈的内阻有 U U1 1= =E E1 1 U U2 2= =E E2 2 2121nnUU tnE11tnE22 I1U2U1n1n2I2R2121nnEE U1U2 n1n2dtdNedtdNe2211第7页/共70页

5、用电器用电器额定工作电额定工作电压压用电器用电器额定工作电额定工作电压压随身听随身听3V机床上的照明灯机床上的照明灯36V扫描仪扫描仪12V防身器防身器3000V手机充电手机充电器器4.2V 4.4V 5.3V黑白电视机显像黑白电视机显像管管几万伏几万伏录音机录音机6V 9V 12V彩色电视机显像彩色电视机显像管管十几万伏十几万伏 第8页/共70页 理想变压器原副线圈的端电压之比等于这两个线圈的匝数之比1、n2 n1 U2U1升压变压器升压变压器3、n2 n1 U2 U1降压变压器降压变压器2121nnUU 2、n2 =n1 U2=U1等压变压器等压变压器第9页/共70页、 变压器的结构及类型

6、简介 按用途分：电力变压器（升压变压器、降压变压 器 ）和特种变压器。 按绕组数目分：单绕组（自耦）变压器、双绕组变压器、 三绕组变压器和多绕组变压器。 按相数分：单相变压器、三相变压器和多相变压器。 按铁心结构分：芯式变压器和壳式变压器。 按冷却介质和冷却方式分：干式变压器、油浸式变压器和 充气式变压器。 第10页/共70页铁芯结构心式、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 铁芯结构示意图第11页/共70页基本结构一、铁心 变压器的主磁路，为了提高导磁性能和减少铁损，用0.35mm0.35mm厚、表面涂有绝缘漆的硅钢片叠成。 变压器的电路

7、，一般用绝缘铜线或铝线绕制而成。 油浸式变压器的器身浸在变压器油的油箱中。油是冷却介质，又是绝缘介质。油箱侧壁有冷却用的管子（散热器或冷却器）。 将线圈的高、低压引线引到箱外，是引线对地的绝缘，担负着固定的作用。二、绕组三、油箱四、绝缘套管 此外，还有储油柜、吸湿器、安全气道、净油器和气体继电器。第12页/共70页4.2 4.2 变压器型号与额定值变压器型号与额定值一、型号 型号表示一台变压器的结构、额定容量、电压等级、冷却方式等内容，表示方法为 如OSFPSZ-250000/220OSFPSZ-250000/220表明自耦三相强迫油循环风冷三绕组铜线有载调压，额定容量250000kVA250

8、000kVA，高压额定电压220kV220kV电力变压器。第13页/共70页变压器的型号与额定值 型号型号可反映出变压器的结构、额定容量、电压可反映出变压器的结构、额定容量、电压等级、冷却方式等内容等级、冷却方式等内容 例一：例一：SL7500/10 SL7500/10 低损耗三相油浸自冷双绕组低损耗三相油浸自冷双绕组铝线，额定容量铝线，额定容量500KVA500KVA，高压侧额定电压，高压侧额定电压10KV10KV级级电力变压器电力变压器 例二：例二：SFPL63000/110 SFPL63000/110 三相强迫油循环风冷三相强迫油循环风冷双绕组铝线，额定容量双绕组铝线，额定容量63000

9、KVA63000KVA，高压侧额定电，高压侧额定电压压110KV110KV级电力变压器级电力变压器 此外此外，铭牌上还会给出三相联结组以及相数，铭牌上还会给出三相联结组以及相数m m、阻、阻抗电压抗电压U Uk、型号、运行方式、冷却方式和重量等数、型号、运行方式、冷却方式和重量等数据。据。 一、变压器型号一、变压器型号第14页/共70页二、额定值二、额定值三者关系：NNNNNNNNNNIUIUS:IUIUS:2211221133三相单相此外，额定值还有额定频率fN、效率、温升T等。)kV(UUNN21和额定电压指长期运行时所能承受的工作电压电压对三相变压器指的是线二次的开路电压是指一次侧加电压

10、是指加在一次侧的额定.,U,U1N21NNU)kVA(SN额定容量指铭牌规定的额定使用条件下所能输出的视在功率。)A(IINN21和额定电流 指在额定容量下，允许长期通过的额定电流。在三相变压器中指的是线电流第15页/共70页、空载运行时的物理情况1U1E1E20U0I)(2I11U2U1u2u02E10RI1U0I100NIF1E011E2E4.3 4.3 单相变压器的空载运行单相变压器的空载运行第16页/共70页空载运行：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 。 1U0I0F0010INF 主磁通主磁通流径闭合铁心，磁阻小，同

11、时匝链了原边和副边绕组,并感应出电势 和 。是变压器传递能量的主要媒介原边绕组漏磁通原边绕组漏磁通，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1磁通分为两部分01E2E第17页/共70页各电磁量参考方向的规定强调强调：磁通与产生它的电流之间符合右手螺旋定则；电动势与感应它的磁通之间符合右手螺旋定则，电流正方向与电势正方向一致。主磁能与漏磁通的区别：主磁能与漏磁通的区别：在性质上在性质上磁路不同，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 与与 I I0 0 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

12、较大， 1 与与 I I0 0 呈线性关系，不具饱和特性。在作用上在作用上功能不同。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。在数量上在数量上 0 0 99% 总磁通， 11 1%总磁通第18页/共70页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，即符合楞次定律第19页/

13、共70页 原、副线圈中通过的磁通量始终相同，因此产生的感应电原、副线圈中通过的磁通量始终相同，因此产生的感应电动势分别是：动势分别是：2121nnEE dtdNdtdedtdNdtdNdtdedtdNdtdNdtde1111020222010111若不考虑原副线圈的内阻有 U U1 1= =E E1 1 U U2 2= =E E2 2 2121nnUU第20页/共70页磁通和感应电动势分析磁通和感应电动势分析若 u1 随时间按正弦规律变化，则 0 也按正弦规律变化，设： )90sin()90sin(2)90sin(cos)90sin(E)90sin(2)90sin(cossin22220221

14、1110110tEtfNtNtNdtdNettfNtNtNdtdNe感应应电动势瞬时值为为mtmmmmmmmmm磁通幅值主磁通第21页/共70页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结论：0 为正弦波时，e 也为正弦波 e滞后0 相位900第22页/共70页电动势有效值、相量表示法 有效值 相量mmmmmmfNfNEEfNfNEE2222111144. 422/44. 422/mmfNjEfNjE221144. 444. 4第23页/共70页)90sin(2101tXIemRNfX2112 漏磁感应电动势： 因为电流通过绕组产生的磁通链等于电流和该绕组

15、电感的乘积，即： ，因此变压器原边漏磁通链克表示为： ，式中 是原绕组的漏电感，为常数。故漏感应电动势可表示如下：式中：= =常数，为一次绕组的漏电抗。10011XI jILjENiL101Li1LdtdiLdtLiddtde011011)(设 代入上式得（并考虑 ）：tIisin20011LX第24页/共70页 和 分别称为一次和二次绕组的漏磁电抗，简称漏抗，漏抗是表征绕组漏磁效应的一个参数, ,且都为常值。则一二次绕组的漏磁电动势可表示为：1X2X222111IjXEIjXE二次绕组的漏磁通：二次绕组的漏磁通：由电流 产生且仅与二次绕组相交链的磁通，用 表示。2i2第25页/共70页根据K

16、VL：1111111111jEIXIREEIRU变压器一次侧等效电路如图1m1111444Nf.EUEU 由于电阻 R1 和感抗 (或漏磁通)较小,其两端的电压也较小,与主磁电动势 E 比较可忽略不计，则1E1R1I1U1E+一次侧 一次侧第26页/共70页、空载运行时的物理情况1U1E1E20U0I)(2I11U2U1u2u02E10RI1U0I100NIF1E011E2E4.3 4.3 单相变压器的空载运行单相变压器的空载运行第27页/共70页KNNEEUU 2121201根据KVL：2m220224440Nf.EUU,I 结论：改变匝数比，就能改变输出电压。2222222222jUIXI

17、RUEIRE 2U+1u+1e+1e+1N2N+第28页/共70页1u1e10i2e20u0图2-8 变压器的负载运行1N2NLZ122i 第29页/共70页4.7 4.7 几种其它常用的变压器 在电力系统中，除大量采用双绕组变压器以外，还有其他多种特殊用途的变压器，涉及面广，种类繁多。本节主要简单介绍较常用的自耦变压器、电压互感器、电流互感器、电焊变压器的工作原理及特点。第30页/共70页单相自耦变压器 （1 1）特点：铁芯上只有一个线圈，其中有一部分的线圈为原、副线圈共用（2 2）自耦变压器可以降压，也可以升压（3 3）调压变压器是一种自耦变压器(a)符号符号 (b)外形外形 (c)实际电

18、路实际电路U1 n1n2 U2第31页/共70页手柄接线柱自耦变压器的工作原理自耦变压器的工作原理RLI1+E1+E2N1N2I2+U1 U2 + U1U2 E1E2= N1N2= k第32页/共70页 用自耦变压器变相调压 如将单相自耦变压器的输入和输出公共端焊在中心抽头处，如左图所示。动触点调到输入、输出公共端的上段或下段，虽然都能进行调压，但电压相位相反，彼此相差180。 用这种方法作为伺服电动机的控制电压调节，非常方便。变压器的动触点由中心点向上调节时，伺服电动机正转：由中心点向下调节时，伺服电动机反转。不用倒向开关或变换控制绕组接线，伺服电动机就可以正反转。第33页/共70页自耦变压

19、器QZB系列QZB系列起动自耦变压器系列起动自耦变压器 本起动自耦变压器用于三相交流50Hz、380V、功率11-315KW鼠笼型电动机自耦减压起动，起动完毕应将变压器切除。第34页/共70页自耦变压器QZB系列第35页/共70页变压器SG/SBK系列SG、SBK系列产品三相干式变压器系列产品三相干式变压器 SG、SBK系列产品为三相干式变压器、它弥补了电力变压器输出电压单一的不足，可满足各种电器设备不同电压的要求。根据用户的需要，提供输出交流或直流电源( 加整流器)，分有箱体和无箱体两种。额定容量有：300、500、750、1000、2500、3000、4000、5000、6000、800

20、0VA 10KVA300KVA 输入电压：660、380、220、127V 输出电压：380、220、127、110、36、24、12、6V 第36页/共70页变压器DDG/DSG系列DDG、DSG低电压大电流变压器低电压大电流变压器适用于负载试验，温升试验、加热等，可使电流升至数千或万余安培。本产品初级电压一般为2 20、380或660V，次级电压及电流根据需要而选择。本产品可配串、并联铜排、操作台、调压器等，使产品成套化，次级达到无级调节。第37页/共70页变压器JMB/BK/JBK/BKC系列第38页/共70页变压器BK系列 用于50Hz的交流电路中，作为机床和机械设备中一般电器的控制局

21、部照明及指示灯等的电源之用。本变压器在额定负载下能长期工作。 变压器初、次级绕组分开，当次级只有一个绕组时，它担负变压器的全部额定容量；如次级兼有控制、照明及指示绕组时，则各绕组容量之和等于变压器的额定容量，只有最大值电压等同于变压器的额定容量。 第39页/共70页变压器JBK系列 用于50-6Hz的交流电路中，作为机床和机械设备中一般电器的控制局部照明及指示灯等的电源之用。变压器在额定负载下能长期工作。 变压器初、次级绕组分开，当次级只有一个绕组时，它担负变压器的全部额定容量；如次极兼有控制、照明及指示绕组时，则各绕组容量之和等于变压器的额定容量。 第40页/共70页变压器BKC系列 用于5

22、0Hz的交流电路中，作为机床和机械设备中一般电器的控制局部照明及指示灯等的电源之用。变压器在额定负载下能长期工作。 变压器初、次级绕组分开，当次级只有一个绕组时，它担负变压器的全部额定容量；如次极兼有控制、照明及指示绕组时，则各绕组容量之和等于变压器的额定容量。第41页/共70页变压器R系列 R型变压器是当代国际上最新型的变压器产品此种变压器打破了传统的C型、E型、环型变压器铁芯截面为方型的结构型式，采用了由一根由窄到宽，由宽到窄均匀过渡的优质硅钢带连续卷绕而成，铁芯无切割，截面近似圆形的结构型式。与传统的C 型、E型相比较具有漏磁小，温升低，体积小，重量轻，无噪音等显著特点。R 型变压器可广

23、泛应用于音响电视广播设备、卫星接收机、复印机、计算机、医疗仪器、电子天平及各种电子仪器设备等方面。第42页/共70页变压器BKZ系列 BKZ系列整流装置是由BK变压器和整流元件组合而成。变压器适用于原边电压为220V或380V交流50Hz的电源，付边经晶体管整流元件整流输出直流，用于蓄电池充电，以及将交流变这直流电源整流设备上。 第43页/共70页调压器TDGC2、TDGC2J系列 具有波形下不失真、体积小、重量轻、效率高、使用方便、可靠，能长期运行等特点，可广泛用于工业（如化工、冶金、仪器仪表、机电制造、轻工等），科学实验，工用设备，家用电器、控温调速、调光、及功率控制等目的，是一种理想的交

24、流调压源。 第44页/共70页三相自耦变压器三相自耦变压器第45页/共70页互感器也是一种变压器，它可以把不能直接测量的高电压，大电流变换成低电压、小电流后再测量。2. 仪用互感器仪用互感器第46页/共70页(一一) 电压互感器电压互感器电压表电压表被测电压被测电压=电压表读数电压表读数 N1/N2实现用低量程的电压表测量高电压实现用低量程的电压表测量高电压VR N1（匝数多（匝数多） N2（匝数少（匝数少）u（被测电压）（被测电压）第47页/共70页 电压互感器：把高电压变成低电压，变压比U1U2，在电路中的连接如右图所示。 第48页/共70页（1）电压互感器的二次绕组在使用时绝不允许短路。

25、如二次绕组短路，将产生很大的短路电流，导致电压互感器烧坏。（2）为保证操作人员的安全，电压互感器的铁心和二次绕组的一端必须可靠接地以防在绝缘损坏时，在二次侧出现高压。（3）电压互感器具有一定的额定容量，在使用时，二次侧不宜接入过多的仪表，否则超过电压互感器的定额，使电压互感器内部阻抗压降增大，影响测量的精确度。 使用电压互感器时的注意事项 第49页/共70页(二二) 电流互感器电流互感器电流表电流表被测电流被测电流=电流表读数电流表读数 N2/N1实现用低量程的电流表测量大电流实现用低量程的电流表测量大电流（被测电流）（被测电流）N1（匝数少（匝数少）N2（匝数多（匝数多）ARi1i2电流互感器的作用 电流互感器也属于仪用互感器的范畴。同样用来与仪表和继电器等低压电器组成二次回路，对一次回路进行测量、控制、调节和保护。在电工测量中主要用来按比例变换交流电流。 电流互感器的基本结构与工作原理和单相变压器相类似。第50页/共70页 把大电流变成小电流，变流比 I1 I2，在电路中的连接如下图所示 第51页/共70页电流互感器的外形图和原理图 第52页/共70页使用电流互感器的注意事项 （1）电流互感器的二次侧绝不允许开路。 因为如果二次侧开路，则电流互感器处于空载运行状态，这时电流互感器一次绕组通过的电流就成为励磁电流，使铁心中的磁通和铁耗猛增，导致铁心发热烧