变压器结构和基本原理

第四章变压器变压器是一种静止电机，它通过线圈间的电磁感应，将一种形式的电信号（或电能）转换成同频率的另一种形式的电信号（或电能）。4.1变压器的应用、结构和基本工作原理4.1.1、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。4.1.2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，在两绕组中分别感应电动势。1u1e2e2u1i2i1U2U1u2uLZdtdNedtdNe2211只要一、二次绕组的匝数不同，就能达到改变压的目的。1、构造示意图(1)闭合铁芯(绝缘硅钢片叠合而成)(2)原线圈(初级线圈)其匝数用n1表示与交变电源相连(3)副线圈(次级线圈)其匝数用n2表示与负载相连(4)输入电压U1输出电压U2原线圈副线圈铁芯U1U2n1n2∽——互感现象变压器通过闭合铁芯，利用互感现象实现了：电能→磁场能→电能转化(U1、I1)(变化的磁场)(U2、I2)变压器的工作原理原线圈副线圈铁芯U1U2n1n2∽0ett1t2t3t4理解：（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）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）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．理想变压器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.这是物理学中又一种理想化模型。原、副线圈中通过的磁通量始终相同(无漏磁),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U1=E1U2=E22121nnUU理想变压器的电压规律tnE11tΔΔΦnE22I1U2U1n1n2I2R~2121nnEE原线圈副线圈铁芯U1U2n1n2∽dtdNedtdNe2211用电器额定工作电压用电器额定工作电压随身听3V机床上的照明灯36V扫描仪12V防身器3000V手机充电器4.2V4.4V5.3V黑白电视机显像管几万伏录音机6V9V12V彩色电视机显像管十几万伏但我们国家民用统一供电均为220V，那么如何使这些额定电压不是220V的电器设备正常工作的呢？生活中需要各种电压的交流或直流电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、n2n1U2U1——升压变压器3、n2n1U2U1——降压变压器2121nnUU2、n2=n1U2=U1——等压变压器4.1.3、变压器的结构及类型简介按用途分：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。●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铁芯结构示意图基本结构一、铁心变压器的主磁路，为了提高导磁性能和减少铁损，用0.35mm厚、表面涂有绝缘漆的硅钢片叠成。变压器的电路，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。4.2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-250000/220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250000kVA，高压额定电压220kV电力变压器。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、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η、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4.3.1、空载运行时的物理情况1U1E1E20U0I)(2I11U2U1u2u02E10RI1U0I100NIF1E011E2E4.3单相变压器的空载运行空载运行：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。1U0I0F0010INF——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1磁通分为两部分01E2E各电磁量参考方向的规定强调：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：●在性质上——磁路不同，因而磁阻不同。Φ0——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，Φ0与I0呈非线性关系。Φ1δ——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，Φ1δ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——Φ0＞99%总磁通，Φ1δ＜1%总磁通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，dФ/dt为正，e1＝－N1dФ/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Ф0′，与Ф0方向相反，起阻止Ф0增加的作用，即符合楞次定律原、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：2121nnEEdtdNdtdedtdNdtdNdtdedtdNdtdNdtde1111020222010111若不考虑原副线圈的内阻有U1=E1U2=E22121nnUU4.3.2磁通和感应电动势分析若u1随时间按正弦规律变化，则φ0也按正弦规律变化，设：)90sin()90sin(2)90sin(cos)90sin(E)90sin(2)90sin(cossin222202211110110tEtfNtNtNdtdNettfNtNtNdtdNe感应应电动势瞬时值为为mtmmmmmmmmm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：●φ0为正弦波时，e也为正弦波●e滞后φ0相位900０电动势有效值、相量表示法•有效值•相量mmmmmmfNfNEEfNfNEE2222111144.422/44.422/mmfNjEfNjE221144.444.4)90sin(2101tXIemRNfX2112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。10011XIjILjENiL101Li1LdtdiLdtLiddtde011011)(设代入上式得（并考虑）：tIisin20011LX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：1X2X222111IjXEIjXE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。2i2根据KVL：1111111111jEIXIREEIRUσ变压器一次侧等效电路如图1m1111444Nf.EUEU由于电阻R1和感抗X1σ(或漏磁通)较小,其两端的电压也较小,与主磁电动势E1比较可忽略不计，则1E1R1I1U1E–––+++4.3.3一次、二次侧电压式中R1为一次侧绕组的电阻;X1=L1为一次侧绕组的感抗(漏磁感抗，由漏磁产生)。4.3.1、空载运行时的物理情况1U1E1E20U0I)(2I11U2U1u2u02E10RI1U0I100NIF1E011E2E4.3单相变压器的空载运行KNNEEUU2121201（匝比）K为变比对二次侧，根据KVL：2m220224440Nf.EUU,I结论：改变匝数比，就能改变输出电压。2222222222jUIXIRUEIRE式中R2为二次绕组的电阻;X2=L2为二次绕组的感抗；为二次绕组的端电压。2U变压器空载时:+–u21u+–1σe+–1e+–1N2Ni1i2+–e2+–e2式中U20为变压器空载电压。故有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。１．单相自耦变压器（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）自耦变压器可以降压，也可以升压．（3）调压变压器是一种自耦变压器．(a)符号(b)外形(c)实际电路U1n1n2U2手柄接线柱自耦变压器的工作原理RLI1+－E1+－E2N1N2I2+U1－－U2+≈U1U2E1E2=N1N2=k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180º。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。自耦变压器QZB系列QZB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。自耦