3.2 变压器的结构和工作原理（课件）- 《电机与拖动》同步教学（机械工业版）

第3章 变压器 1 2 本章要点 变压器的基本结构、分类和运行原理。 变压器的参数测定、运行特性及变压器分析计算方法。 三相变压器磁路、联结组别以及并联运行分析。 自耦变压器、仪用互感器、电焊变压器工作原理及结构特点。 3 3.1 变压器概述 3.2 变压器的结构和工作原理 3.3 单相变压器的运行分析 3.4 变压器参数的测定 3.5 变压器的运行特性 3.6 三相变压器 3.7 其他用途的变压器 本章主要内容 4 3.2 变压器的结构和工作原理 1．变压器的基本结构 铁心：由铁芯柱和铁轭构成，既是变压器的支撑骨架， 又是它的主磁路。 一、 变压器的基本结构及分类 变压器的组成 绕组：变压器的电路部分，分为同心绕组和交叠式绕组，分别 如图3-12、3-13所示。 附件：由油箱、绝缘套管、分接开关、储油柜、安全气道构 成。其作用是使变压器安全可靠地运行。 电力变压器结构示意图如图3-8所示。 4 5 3.2 变压器的结构和工作原理 图3-8 电力变压器结构示意图 1-净油器 2-储油柜 3-气体继电器 4-接地线 5-压力释放器 6-低压导管 7-板式散热器 8-高压导管 9-分接开关 10-开关箱储油柜 11-温度计 12-注油管 13-取样嘴 5 6 3.2 变压器的结构和工作原理 图3-12 变压器同心绕组 1-高压绕组 2-低压绕组 图3-13 变压器交叠式绕组 1-低压绕组 2-高压绕组 3-铁芯 4-铁轭 6 7 3.2 变压器的结构和工作原理 2．变压器的分类 （1）按用途分类：分为电力变压器和特种变压器两类。 （2）按绕组数目分类：分为单绕组变压器、双绕组变压器、三绕组 变压器。 （3）按相数分类：分为单相变压器、三相变压器和多相变压器。 （4）按冷却介质和冷却方式分类：分为干式变压器、油浸变压器和 充气式冷却变压器。 7 8 3.2 变压器的结构和工作原理 二、变压器的基本工作原理 图3-14 变压器工作原理示意图 变压器的结构是在一个闭合铁芯上套有两个绕组，其原理如图3-14所示。 这两个绕组具有不同的匝数且互相绝缘，两绕组间只有磁的耦合而没有电的联系。其中，接于电源侧的绕组称为原绕组或一次绕组，一次绕组各量用下标“1”表示；用于接负载的绕组称为副绕组或二次绕组，二次绕组各量用下标“2”表示。两个绕组中感应出同频率的电动势e1和e2。 8 9 3.2 变压器的结构和工作原理 三、变压器的铭牌数据 每台变压器上都装有一铭牌，在铭牌上标明了变压器型号、额定值、器身重量、制造编号和制造厂家等有关技术数据。只有理解铭牌上额数据的含义，才能正确使用变压器。图3-15所示为某三相变压器的铭牌内容。 图3-15 电力变压器铭牌数据 10 （1）型号 变压器的型号表示一台变压器的系列形式和产品规格，包括变压器结构特点、额定容量、电压等级、冷却方式等内容。变压器的型号用字母和数字表示，其各位字母或数字的含义如图3-16所示。 3.2 变压器的结构和工作原理 1．变压器型号及系列 图3-16 电力变压器型号含义说明 11 （2）变压器主要系列 目前我国生产的变压器系列产品有SJL1（三相油浸自冷式铝线电力变压器）、SFPL1（三相强油风冷铝线变压器）、SFPSL1（三相强油风冷三铝线电力变压器）等，目前国内自己设计并大量生产的产品系列有SL7（三相油浸自冷式铝线电力变压器）、S7（三相油浸自冷式铜线电力变压器）、SCL1（三相环氧树脂浇注干式变压器）以及SF7、SZ7、SZL7等系列。 3.2 变压器的结构和工作原理 12 （1）额定容量SN 额定容量SN指在额定使用条件下变压器所能输出的视在功率，单位为VA或kVA。三相变压器额定容量为三相容量之和；由于变压器效率很高，双绕组变压器原、副边的额定容量可认为相等。 3.2 变压器的结构和工作原理 2．变压器的额定值 （2）额定电压U1N/U2N 额定电压指变压器长时间运行时所能承受的工作电压，单位为V或kV。一次侧额定电压U1N是指根据绝缘强度规定加到一次侧的工作电压；二次侧额定电压U2N是指变压器一次侧加额定电压，分接开关位于额定分接头时，二次侧空载时的二次端电压。在三相变压器中，额定电压指的是线电压。 13 （3）额定电流I1N/I2N 额定电流指变压器在额定容量下，允许长期通过的电流，单位为A。三相变压器的额定电流指的是线电流。 变压器的额定容量、电压、电流之间的关系是： 单相变压器 3.2 变压器的结构和工作原理 三相变压器 此外，还有效率、温升等额定值。除额定值外，铭牌上还标有变压器的相数、联结组别、阻抗电压（或短路阻抗相对值或标么值）、接线图等。 14 【例3-1】 一台三相油浸自冷式铝线变压器，SN=220kVA，U1N/U2N=10/0.4kV，Y，y接线，求变压器一、二次额定电流。 3.2 变压器的结构和工作原理 解： 15 3.3 单相变压器的运行分析 一、单相变压器的空载运行 变压器的空载运行是指变压器一次绕组接在额定电压、额定频率的交流电源上，而二次绕组开路时的运行状态，如图3-17所示，一次、二次绕组的匝数分别为N1和N2。 图3-17 单相变压器空载运行示意图 16 空载电流：当一次绕组接入交流电源 后，绕组内便产生一交变电 流 ，也称为激励电流。 主磁通：通过铁芯形成闭合的磁路，同时穿过一次绕组和二次绕组， 用 表示； 一次漏磁通：它只穿过一次绕组而不流经铁芯，从非磁性介质（空气 或油）穿过而形成闭合磁通，用 表示。 3.3 单相变压器的运行分析 1．空载运行时的物理状况 17 （1）在性质上，主磁通磁路由铁磁材料组成，具有饱和特性， 与 呈非线性关系；而漏磁通磁路由非铁磁材料组成，磁路不饱和， 与 呈线性关系。 （2）在数量上，铁芯的磁导率较大，磁阻小，所以总磁通的绝大部分通过铁芯而闭合构成主磁通，故主磁通远大于漏磁通，一般主磁通可占总磁通的99％以上。 （3）在作用上，主磁通在二次绕组中感应电动势，起了传递能量的媒介作用；而漏磁通仅在一次绕组中感应漏磁电动势，只起漏抗压降的作用。 3.3 单相变压器的运行分析 主磁通和漏磁通的区别： 18 3.3 单相变压器的运行分析 （1）主磁通感应的电动势 设主磁通按正弦规律变化，即Ф0=Фmsinωt，按照图3-17中参考方向的规定，一、二次绕组感应电动势瞬时值为 2．感应电动势和漏磁电动势 其对应的有效值分别为 19 3.3 单相变压器的运行分析 其对应的相量表达式为 由此可见，一、二次感应电动势的大小与电源频率、绕组匝数及主磁通最大值成正比，且在相位上滞后主磁通90°。 （2）漏磁通感应的电动势 20 3.3 单相变压器的运行分析 3．空载时的电动势方程式 （1）电动势平衡方程式 一次侧和二次侧电动势的平衡方程 变压器空载运行时，由于 和Z1均很小，故漏阻抗压降常忽略不计，上式可变成 21 3.3 单相变压器的运行分析 （2）变比 变压器变比k定义为一、二次绕组电动势之比 变比k是变压器的一个重要参数，对于单相变压器，变比为两侧绕组匝数比或空载时两侧电压之比。对三相变压器，变比指一、二次侧相电动势之比，也就是一、二次侧额定相电压之比。 22 3.3 单相变压器的运行分析 在变压器运行时，将变压器中的电和磁之间的关系用一个纯电路来等效表示，称为等效电路，如图3-18所示。 4．空载时的等效电路和相量图 （1）空载时的等效电路 图3-18 变压器空载等效电路 23 3.3 单相变压器的运行分析 为了直观地表示变压器空载运行时各电磁量的大小和相位关系，在同一张图上将各电磁量用相量的形式表示出来，称之为变压器的相量图，如图3-19所示。 （2）空载时相量图 图3-19 变压器空载相量图 与 之间的夹角φ0即为变压器空载运行时的功率因数角，由图可见，φ0≈90°，即变压器空载运行时的功率因数很低，一般cosφ0在0.1～0.2之间。 24 3.3 单相变压器的运行分析 变压器的一次侧接在额定电压、额定频率的交流电源上，二次侧接上负载ZL的运行状态，称为变压器的负载运行。如图3-20所示。 二、单相变压器的负载运行 1．负载运行时的物理状况 图3-20 变压器负载运行示意图 25 3.3 单相变压器的运行分析 负载时产生主磁通的合成磁通势和空载时产生主磁通的励磁磁通势基本相等，即 由于 很小，常将其忽略，有 2．负载运行时的基本方程式 （1）磁通势平衡方程式 上式表明，一、二次侧电流的大小近似与绕组匝数成反比。高压绕组匝数多，电流小；低压绕组匝数少，电流大。可见两侧绕组匝数不同，不仅能变电压，同时也能变电流。 26 3.3 单相变压器的运行分析 （2）电动势平衡方程式 负载时的一次、二次绕组的电动势平衡式为 $$