《电机与变压器》课件 第5、6章　变压器、特殊变压器

第五章变压器416目录417§5-1变压器的分类和基本结构§5-2变压器的工作原理§5-3三相电力变压器§5-1变压器的分类和基本结构4184191．了解变压器的分类和应用。2．了解变压器的外形和基本结构，熟悉各组成部分的作用。学习目标变压器的主要功能包括电压变换、电流变换、阻抗变换和隔离等。常用变压器的外形如图所示。420常用变压器的外形a）电力变压器b）弧焊变压器c）控制变压器d）线间变压器一、变压器的分类1．按相数分类按照供电电源的相数不同，变压器可分为三相变压器和单相变压器，如图所示。421变压器按相数分类a）三相变压器b）单相变压器2．按用途分类按照用途的不同，变压器可分为电力变压器、仪用变压器、自耦变压器和弧焊变压器等，如图所示。422变压器按用途分类a）电力变压器b）仪用变压器c）自耦变压器d）弧焊变压器3．按冷却方式分类按照冷却方式的不同，变压器可分为油浸式变压器、风冷式变压器、自冷式变压器和干式变压器等，如图所示。423变压器按冷却方式分类a）油浸式变压器b）风冷式变压器c）自冷式变压器d）干式变压器4．按铁芯结构型式分类按照铁芯结构型式的不同，变压器可分为芯式变压器和壳式变压器，如图所示。424变压器按铁芯结构型式分类a）芯式变压器b）壳式变压器5．按绕组数分类按照绕组数的不同，变压器可分为自耦变压器和独立绕组变压器，独立绕组变压器又可分为双绕组变压器和多绕组变压器等。6．按容量分类按照容量的不同，变压器可分为小型变压器、中型变压器、大型变压器和特大型变压器。425二、变压器的基本结构1．铁芯部分铁芯构成变压器的磁路系统，是变压器主磁通的通道，也是安放绕组的骨架。铁芯主要由铁芯柱和铁轭两部分组成，铁芯柱上套装变压器的线圈，铁轭起连接铁芯柱使磁路闭合的作用，如图所示。426铁芯的结构示意图1—铁轭2—铁芯柱3—线圈（1）铁芯的材料铁芯材料的质量直接影响变压器的性能。高磁导率、低损耗和合适的价格是选择铁芯材料时要考虑的关键因素。为提高铁芯导磁能力，增大变压器容量，减小体积，提高效率，铁芯常用硅钢片叠装而成。硅钢片可分为热轧和冷轧两种类型，不同类型硅钢片的特点和应用范围见下表。427不同类型硅钢片的特点和应用范围（2）铁芯的类型按照绕组放置的位置不同，铁芯可分为芯式和壳式两种类型，不同类型铁芯的特点和应用范围见下表。428不同类型铁芯的特点和应用范围（3）铁芯柱与铁轭的装配工艺铁芯柱与铁轭的装配工艺可分为对接式和叠接式两种类型，见下表。429铁芯柱与铁轭的装配工艺2．绕组部分变压器的线圈通常称为绕组，是变压器的电路部分。（1）绕组的材料小型变压器的绕组一般用绝缘的漆包圆铜线绕制而成，大、中型变压器的绕组则用扁铜线或扁铝线绕制而成。（2）绕组的名称接电源的绕组称为一次绕组，也称原绕组、原边或初级绕组；接负载的绕组称为二次绕组，也称副绕组、副边或次级绕组。430（3）绕组的类型按照线圈绕制的方式不同，绕组可分为同芯式绕组和交叠式绕组两种类型。不同类型绕组的特点和应用范围见下表。431不同类型绕组的特点和应用范围§5-2变压器的工作原理4324331．掌握变压器的基本工作原理。2．熟悉变压器的空载和负载运行特性。3．了解变压器的损耗和效率。学习目标一、变压器的基本工作原理变压器的运行原理是电磁感应原理。当交流电压从变压器的一次绕组两端输入时，一次绕组中就会有交流电流流过，进而产生交变磁场。这个交变磁场中的磁感线大部分会通过铁芯形成回路。变化的磁感线穿过二次绕组，并在二次绕组两端产生感应电动势，从而输出交流电压。值得注意的是，二次绕组输出的交流电压与一次绕组输入的交流电压大小不同，但频率和变化规律保持一致。这是变压器的基本工作原理。434二、变压器的空载运行1．变压器的空载运行原理变压器的空载运行原理如图所示。435变压器的空载运行原理4362．变压器的电压变换作用一次绕组感应电动势与二次绕组感应电动势大小之比称为变压器的变比，用k

表示，即式中，E1——一次绕组感应电动势，V；

E2——二次绕组感应电动势，V；

N1——一次绕组匝数；

N2——二次绕组匝数。437在变压器中，因为变压器的磁路全部由铁磁材料构成，磁阻很小，所以i0通常很小，则一次绕组内阻上的电压降i0r1（r1

为一次绕组的内阻）很低，可近似认为u1=i0r1-e1≈-e1，u02=e2。因此，输入电压与输出电压之比（即变压比）为式中，U1——一次绕组输入电压，V；

U02——二次绕组输出电压，V；

ku——变压器的变压比，通常也可用k

表示。k＞1的变压器称为降压变压器，k＜1的变压器称为升压变压器。变比是变压器最重要的参数之一。通过变压比可知，变压器一次绕组、二次绕组的电压与一次绕组、二次绕组的匝数成正比，即变压器具有变换电压的作用。438三、变压器的负载运行1．变压器的负载运行原理变压器的负载运行原理如图所示。439变压器的负载运行原理4402．变压器的电流变换作用在变压器中，因为变压器的磁路全部由铁磁材料构成，磁阻很小，所以i0

通常很小，特别是在变压器接额定负载时，一次绕组的磁通势i0N1

可以忽略不计，可近似认为i1N1≈-i2N2，一次绕组中的电流i1

与二次绕组中的电流i2

在相位上相差180°，输入电流与输出电流之比（即变流比）为式中，I1——一次绕组中的电流，A；

I2——二次绕组中的电流，A；

ki——变压器的变流比。4413．变压器的阻抗变换作用当变压器的一次绕组接交流电源时，对电源来说，变压器就相当于一个负载，其输入阻抗可用输入电压、输入电流来计算，即变压器的输入阻抗为Z1=U1/I1。而变压器的二次绕组接负载，变压器的输出电压、输出电流与负载之间存在关系Z2=U2/I2=ZL。如图所示，可以看出，负载经过变压器接到电源上和不经过变压器直接接到电源上，两者是完全不同的，变压器在这里起变换阻抗的作用。也就是说，变压器不但具有电压变换和电流变换作用，还具有阻抗变换作用。442变压器的阻抗变换作用a）负载经变压器接入电源b）负载直接接入电源四、变压器的损耗和效率1．铜损耗压器的铜损耗包括基本铜损耗和附加铜损耗。基本铜损耗是电流在一次绕组、二次绕组上产生的损耗。附加铜损耗是由漏磁通产生的集肤效应使电流在导体内分布不均匀而产生的额外损耗。附加铜损耗约为基本铜损耗的3%～20%。变压器的铜损耗与负载电流的平方成正比，因此，铜损耗又称可变损耗。4432．铁损耗变压器的铁损耗包括基本铁损耗和附加铁损耗。基本铁损耗包括铁芯中的磁滞损耗和涡流损耗，它取决于铁芯中磁通的密度、磁通交变的频率和硅钢片的质量等。附加铁损耗则包括铁芯叠片间因绝缘损伤而产生的局部涡流损耗、主磁通在变压器铁芯以外的结构部件中引起的涡流损耗等。附加铁损耗约为基本铁损耗的15%～20%。4443．效率变压器的输出功率P2

与输入功率P1

之比称为变压器的效率η。变压器长期接在线路上，铁损耗基本不变，而铜损耗随负载变化，相对而言，减小铁损耗比较重要。一般使铁损耗等于额定铜损耗的1/4～1/3，对应的输出功率为额定容量的一半时，变压器的效率最高。因此，要提高变压器的运行效率，就不应使变压器工作在空载或轻载状态。当然也不能使变压器工作在过载状态，因为过载时，铜损耗急剧增加，效率下降，温升过高会损坏变压器。445§5-3三相电力变压器4464471．了解三相电力变压器的结构和各组成部分的作用。2．了解三相电力变压器的参数。学习目标我国电力系统普遍采用三相四线制供电，因此三相电力变压器应用广泛。三相电力变压器是供配电系统中最关键的设备，其作用是将供配电系统中的电力电压升高或降低，以利于电力的合理输送、分配与使用，如图所示。448电能传输的电力系统示意图一、三相电力变压器的结构目前应用最广泛的三相电力变压器是油浸式电力变压器，其结构如图所示。油浸式电力变压器由铁芯和绕组组成器身，为了解决散热、绝缘、密封、安全等问题，还需要油箱、绝缘套管（包括高压套管和低压套管）、储油柜、散热器、压力释放阀、油位计、气体继电器、分接开关和温度信号计等附件。449450油浸式电力变压器的结构1—铭牌2—气体继电器3—油位计4—储油柜5—高压套管6—分接开关7—低压套管8—压力释放阀9—温度信号计 10—油箱11—散热器1．铁芯部分铁芯是三相电力变压器的磁路部分，与单相变压器一样，由0.27~0.35mm厚的硅钢片叠压或卷制而成。以前生产的电力变压器铁芯采用热轧硅钢片，其缺点是变压器体积大、损耗大、效率低。现在生产的新型电力变压器铁芯均采用高磁导率、低损耗的冷轧硅钢片，以降低损耗、提高效率，这类变压器称为低损耗变压器，以S10系列为代表产品。国家电力部门规定，新生产、新上网的电力变压器必须是低损耗变压器。4512．绕组部分绕组是三相电力变压器的电路部分，一般采用绝缘纸包的扁铜线或扁铝线绕制而成。与单相变压器一样，三相电力变压器的绕组也分为同芯式绕组和交叠式绕组。当前新型电力变压器的绕组结构为箔式绕组，绕组采用铝箔或铜箔氧化技术和特殊工艺绕制而成，使电力变压器整体性能得到较大的提高。4523．其他附件油浸式电力变压器的主要附件见下表。453油浸式电力变压器的主要附件454油浸式电力变压器的主要附件455油浸式电力变压器的主要附件二、三相电力变压器的参数1．三相电力变压器的铭牌三相电力变压器的技术参数标注在铭牌上，如图所示。456三相电力变压器的铭牌2．三相电力变压器的型号含义产品型号用来表示变压器的类型和特点，其组成如图所示。产品型号各组成部分的含义及符号见下表。457产品型号的组成458产品型号各组成部分的含义及符号459产品型号各组成部分的含义及符号460产品型号各组成部分的含义及符号3．三相电力变压器的主要参数（1）额定电压（U1N/U2N）一次绕组的额定电压U1N

是指变压器额定运行时，一次绕组所加的电压。二次绕组的额定电压U2N

是指变压器空载运行状态下，一次绕组接额定电压时，二次绕组的空载电压。变压器的额定电压取决于绝缘材料的介电常数和允许温升。对于三相变压器，额定电压是指线电压，单位为V或kV。461

462（4）额定频率（fN）我国规定额定频率为50Hz。有些国家规定的额定频率为60Hz。（5）温升（T）温升是变压器在额定工作条件下，内部绕组允许的最高温度与环境温度的差，它取决于所用绝缘材料允许极限温度的等级。（6）冷却方式必须对运行中的变压器铁芯和绕组进行有效冷却。我国生产的多种系列电力变压器多采用油浸式冷却，根据容量不同，可分成油浸自冷式、油浸风冷式、强迫油循环风冷式和强迫油循环水冷式等冷却方式。4631）油浸自冷式（ONAN）。三相油浸自冷式电力变压器主要有SJ系列和SJL系列（铝线）。变压器的散热器可分为扁管式、片式和波纹油箱式，如图所示。464变压器的散热器a）扁管式b）片式c）波纹油箱式2）油浸风冷式（ONAF）。三相油浸风冷式电力变压器主要有SP系列。在油浸自冷式的基础上，在油箱壁或散热管上加装冷却风扇，利用吹风机帮助冷却，且风力可调，以适用于短期过载。加装风扇后可使变压器的容量增加30%~35%，多应用于容量为10000kV·A及以上的电力变压器。3）强迫油循环风冷式（OFAF）。三相强迫油循环风冷式电力变压器主要有SFP系列。在油浸自冷式的基础上，利用油泵强迫油循环，并且在散热器外加冷却风扇进行风冷，以提高散热效果。4654）强迫油循环水冷式（OFWF）。三相强迫油循环水冷式电力变压器主要有SSP系列。在油浸自冷式的基础上，利用油泵强迫油循环，并且利用循环水作为冷却介质，以提高散热效果。变压器的冷却方式随容量增大而有所不同。变压器容量越大，变压器冷却方式要求越高。466第六章特殊变压器467目录468§6-1仪用变压器§6-2自耦变压器§6-3弧焊变压器§6-1仪用变压器4694701．熟悉仪用变压器的作用和特点。2．掌握电流互感器的结构、工作原理和使用方法。3．掌握电压互感器的结构、工作原理和使用方法。学习目标一、仪用变压器的特点1．扩大测量仪表的量程，降低功耗在测量交流大电流、高电压时，采用分流电阻和分压电阻来扩大仪表量程已经很困难。显然，交流电流表不仅要为散热而增大体积，而且串联接入电路后还会影响电路正常的工作状态。如果利用仪用变压器将大电流、高电压按比例地变换成小电流、低电压，再用低量程的交流仪表进行测量，就相当于扩大了交流仪表的量程。此外，采用仪用变压器扩大交流仪表量程时，虽然仪用变压器本身也会消耗一定的功率，但其数值会大大降低。4712．隔离高压，安全可靠由于仪用变压器能将高电压变换成低电压，而且测量高压电路的电压或电流时，仪用变压器的一次侧与被测电路相连接，二次侧连接测量仪表，因此，测量仪表与被测电路之间没有直接的电联系，使得测量仪表和操作人员与高电压、大电流隔离开来，不但降低了对测量仪表的绝缘要求，而且保证了操作人员和仪表的安全。4723．有利于仪表生产的标准化，降低生产成本于电压互感器的额定二次电压规定为100V，电流互感器的额定二次电流规定为5A，所以生产厂家只要生产量程为100V的交流电压表和量程为5A的交流电流表，再配用不同变比的仪用变压器，就能满足各种高电压、大电流的测量需要。473二、电流互感器1．电流互感器的结构和工作原理电流互感器实际上是一个变换电流的变压器，它能将一次侧的大电流变换成二次侧的小电流。由于变压器的一次侧、二次侧的电流之比与一次绕组、二次绕组的匝数之比成倒数关系，所以电流互感器一次绕组的匝数远小于二次绕组的匝数，一般只有一匝到几匝。电流互感器的图形符号如图a所示。使用时，电流互感器的一次侧与被测电路串联，二次侧与电流表（或测量仪表的电流线圈）串联，如图b所示。474475电流互感器a）图形符号b）测量原理图476电流互感器的额定一次电流I1N

与额定二次电流I2N

之比称为电流互感器的额定变比（变流比），用kr

表示，即电流互感器的铭牌上都标有其额定变比。测量时，可根据二次侧电流表的电流测量值I2，计算出一次侧被测电流I1

的数值，即

I1=kr×I2为使用方便，与电流互感器配合使用的交流电流表，可按电流互感器额定一次电流直接进行刻度。2．电流互感器的选择和使用方法（1）电流互感器在电路中作电流、电能测量和继电保护用。电流互感器的额定一次电流为10～25000A，额定二次电流为5A；额定容量包括5V·A、10V·A、15V·A、20V·A等；额定准确级通常分为0.1、0.2、0.5、1.0、3.0和5.0六级，分别用于不同的场合，当用于实验室时，其额定准确级要求在0.2级以上；额定一次电压包括0.5kV、10kV、15kV、35kV等，380/220V三相四线制电路的电流测量均选用0.5kV的电流互感器。477（2）使用时应正确接线。电流互感器的一次侧与被测电路串联，二次侧与电流表（或测量仪表的电流线圈）串联，如图所示。电流互感器二次侧回路的连接导线应采用铜质单芯绝缘线，其横截面积应不小于4mm2。478电流互感器的接线图（3）电流互感器的二次侧在运行中严禁开路。因此，在电流互感器的二次侧回路中绝对不允许装设熔断器。运行中如需拆除或更换电流表，应先将电流互感器的二次侧短路后再进行操作。（4）在高压电路中，电流互感器的铁芯和二次绕组一端必须可靠接地，以确保人身和设备的安全。但是在380/220V低压电路中，电流互感器的铁芯和二次绕组一端可以不接地。（5）接在同一电流互感器二次侧的测量仪表不能太多，否则测量仪表消耗的功率将超过电流互感器二次侧的额定功率，进而导致测量误差增大。479常用的电流互感器见下表。480常用的电流互感器481常用的电流互感器三、电压互感器1．电压互感器的结构和工作原理电压互感器实际上是一个降压变压器，它能将一次侧的高电压变换成二次侧的低电压，其一次绕组的匝数远大于二次绕组的匝数。电压互感器的图形符号如图a所示。使用时，电压互感器的一次侧与被测电路并联，二次侧与电压表（或测量仪表的电压线圈）并联，如图b所示。482483电压互感器a）图形符号b）测量原理图484电压互感器额定一次电压U1N

与额定二次电压U2N

之比称为电压互感器的额定变比（变压比），用kr

表示，即电压互感器的铭牌上都标有其额定变比。测量时，可根据二次侧电压表的电压测量值

U2，计算出一次侧被测电压U1

的数值，即U1=kr×U2为使用方便，与电压互感器配合使用的交流电压表，可按电压互感器额定一次电压直接进行刻度。2．电压互感器的选择和使用方法（1）电压互感器在电路中主要作电压、电能测量和继电保护用。选择电压互感器时，必须注意其额定电压应与被测电路的额定电压相符，二次侧负载电流不得超过额定二次电流。电压互感器的额定准确级分为

0.1、0.2、0.5、1.0和3.0五级，其中，0.1级和0.2级用于实验室的精密测量，0.5级用于计量，1.0级用于发电配电设备的测量和保护，3.0

级用于一般的非精密测量。485（2）使用时应正确接线。电压互感器的一次侧与被测电路并联，二次侧与电压表（或测量仪表的电压线圈）并联，如图所示。486电压互感器的接线图（3）电压互感器的一次侧、二次侧在运行中严禁短路。因此，在电压互感器的一次侧、二次侧回路中都应装设熔断器进行短路保护。（4）电压互感器的铁芯和二次绕组一端必须可靠接地，以防止绝缘损坏时，铁芯和二次绕组带高压电而危及人身和设备的安全。（5）为保证测量的准确度，电压互感器的额定准确级应比所接测量仪表的额定准确级高两级。487常用的电压互感器见下表。488常用的电压互感器§6-2自耦变压器4894901．熟悉自耦变压器的作用和特点。2．掌握自耦变压器的工作原理和接线方法。学习目标自耦变压器按相数不同可分为单相自耦变压器和三相自耦变压器，如图所示。491自耦变压器a）单相自耦变压器b）三相自耦变压器一、自耦变压器的工作原理自耦变压器示意图和原理图如图所示。492自耦变压器示意图和原理图a）示意图b）原理图493自耦变压器是单绕组变压器，与普通双绕组变压器有着相似的电磁关系。当自耦变压器高压绕组接交流电源时，铁芯中会产生交变磁通，在高压绕组上产生感应电动势e1，在低压绕组上产生感应电动势e2，若忽略漏磁通和绕组内阻的影响，则自耦变压器的变比为式中，N1——高压绕组1U1与1U2之间的匝数；

N2——低压绕组2U1与2U2之间的匝数。因此，改变绕组的抽头位置，就可以在输出端得到所需的交流电压。由于高压绕组的匝数大于低压绕组的匝数，所以自耦变压器一般起降压作用。如果需要使用自耦变压器升压，可以将交流电源加在低压绕组上，则在高压绕组上会产生一个比电源电压更高的输出电压。494二、自耦变压器中的电流关系当自耦变压器空载运行（低压绕组未接负载）时，低压绕组中的电流为零，高压绕组中的电流为i0，该电流对应的磁通势i0N1

主要产生铁芯中的主磁通。当自耦变压器的低压绕组接负载后，低压绕组中的电流为i2，高压绕组中的电流由空载电流i0

增加到i1。此时，高压绕组、低压绕组中的电流对应的磁通势i1N1

和i2N2

共同产生铁芯中的主磁通。495496由于电源电压U1

不变，主磁通幅值Фm

也不变，所以产生主磁通的磁通势也不会变化，即i1N1+i2N2=i0N1。由于空载电流很小，若忽略其影响，则i1N1+i2N2=0，所以上式说明，自耦变压器高压绕组、低压绕组中的电流i1

和i2

相位相差180°，大小与匝数成反比。高压绕组、低压绕组中的电流大小关系为I2=kI1497通常自耦变压器的变比k>1，则I2>I1，因此，绕组公共部分的电流大小为I=I2

-

I1=（k

-

1）I1当自耦变压器变比k大于1且接近于1时，绕组公共部分的电流I很小，因此，这部分绕组可以用较细的导线绕制，使自耦变压器的体积和质量减小，这是自耦变压器的一大优点。如果k>2就没有太大的优越性了。自耦变压器的变比一般取1.25～2。三、自耦变压器的特点1．输出电压可调节将自耦变压器绕组的中间抽头做成滑动触头，则可以构成自耦调压器。自耦调压器的铁芯呈圆环形状，上面均匀分布绕组，通过旋转手柄改变滑动触头的位置，从而改变低压绕组的匝数，调节输出电压的高低。自耦调压器常用于电气试验中。实验室中广泛使用的单相自耦调压器，其输入电压一般为220V，输出电压可在0～250V范围内调节。自耦调压器还可以做成三相自耦调压器，常用于大功率交流电动机的降压启动，以达到减小电动机启动电流的目的。4982．制造材料省，工作效率高除了通过绕组间电磁感应传输的功率，自耦变压器的一部分功率是由电路相连直接传输的，后者是普通双绕组变压器所没有的。这两部分传输的功率比例取决于变比。因为自耦变压器通过电路直接传输功率时，不需要消耗有效的材料，所以自耦变压器所用的铜线、硅钢片和其他结构材料都减少了，相应的铜损耗和铁损耗也减少了，从而提高了工作效率。自耦变压器的变比越接近于1，通过电路直接传输的功率比例越大，经济效果也越显著。4993．过电压保护环节较复杂因为自耦变压器高压绕组、低压绕组是相通的，两者之间有电的直接联系，高压侧的电气故障会波及低压侧，如果高压绕组绝缘损坏，高电压可直接进入低压侧，这是很不安全的，所以低压侧应有防止过电压的保护措施。自耦变压器的运行方式、继电保护和过电压保护装置都比普通变压器的更加复杂。一般自耦变压器高压绕组、低压绕组都要装设避雷装置，中性点必须可靠接地。500四、自耦变压器的接线方法如果自耦变压器高压侧输入端的相线和中性线接反，虽然低压侧输出电压大小不变，仍可正常工作，但是此时低压侧输出端的两个端子都已成为高电位，远远超过安全电压，若操作者不小心触及，就会发生触电事故，这是非常危险的，如图a所示。因此，自耦变压器不能用作安全隔离变压器，而且使用时要求自耦变压器接线正确，外壳必须接地，如图b所示。此外，自耦变压器接电源之前，一定要把旋转手柄转到零位。501502自耦变压器的接线方法a）接线错误b）接线正确§6-3弧焊变压器5035041．熟悉弧焊变压器的作用和特点。2．掌握弧焊变压器的工作原理。学习目标为了保证焊接质量和电弧燃烧的稳定性，对弧焊变压器具有以下要求：1．弧焊变压器应具有60～75V的空载电压，以保证容易引燃电弧（起弧），为了操作者的安全，空载电压一般不超过85V。2．弧焊变压器应具有陡降的外特性。当电弧产生后，二次绕组输出电压应急剧下降，通常在额定状态运行时的输出电压约为30V。3．当焊条接触焊接工件时，弧焊变压器处于短路状态，短路电流不能太大，一般应不超过额定电流的两倍，以免损坏交流电弧焊机。4．为了适应不同的焊接工件和焊条，弧焊变压器还应可以在一定范围内调节焊接电流的大小。505为了满足上述要求，弧焊变压器必须具有较多的漏磁通，以便得到较大的漏电抗和陡降的外特性。弧焊变压器的一次绕组、二次绕组分别安装在两个铁芯