变压器结构原理)

1、第一节 变压器的用途和工作原理变压器是一种静止的电机，它可以将一种电压的电能转换为另一种电压的电能。变压器分类：1、电力变压器2、电炉变压器3、整流变压器4、仪用变压器5、无线电变压器变压器的用途广泛，大的如电力系统传输电能的电力变压器、配电变压器、专给炼钢炉供电 的电炉变压器、大型电解电镀、直流电力机车供电的整流变压器，小到仪用变压器、控制变压器，直到仅传输信号的非常小的无线电变压器。图示说明变压器在电能传输分配过程中的地位。变压器的总容量大致相当于发电机容量的三倍。输电过程中，通常将电压升高，通过高压输电线传送到远方的城市，经过降压变压器降为10kv电压，再经过配电降压变压器分配给用户，电

2、压为6kv或380v/220v。输送同样的功率，电 压低则电流大，一方面由于大电流在输电线路上引起损耗，另一方面大电流在线路阻抗上产 生大的压降，受电端电压很低，电能传送不出去。因而只有高电压能将电能输送到远方，通常用110kv将5万kw电能输送150公里，500kv750kv可将200万kw电能输送到1000公里的地方图中看到变压器由提供磁通路径的闭合铁心及绕在铁心上的两个线圈绕组组成，其中接电源 的绕组叫一次侧绕组，其匝数为N1，另一个绕组接负载，叫做二次侧绕组，其匝数为N2。一 次侧绕组有时又叫原边绕组，二次侧绕组又叫副绕组。e1=N1d/dte2=N2d/dt当原边绕组接交流电压后，原

3、边绕组产生一个交流电流i0,该电流产生一个交变磁势F0=N1i0，F0在铁心中产生一个交变的磁通。又在两个绕组中感应出交流电势e1和e2，e1与e2可用上面的公式计算，e1、e2的有效值分别为E1和E2,如果略去变压器自身的电阻压降及 漏抗压降：E1/E2=N1/N2变压器的输入输出电压比：U1/U2N1/N2=k, k为变压器的变比。第二节 变压器的结构和类型 一,电力变压器的铁心电力变压器的铁心是由0.35mm厚的冷轧硅钢片叠成。图示是单相变压器铁心叠法，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。图示是三相芯式变压器的铁心排列法，主要使叠缝相互交叠，从而减少磁路的磁

4、阻。图示为常用的铁心斜切叠装法。三相芯式变压器的三个铁心柱在一个平面内，中间一个铁心柱铁轭较短，磁阻更小。下图示为变压器铁心柱的横切面，大型电力变压器多采用第五个图示所示的有油道的多级铁心。二，电力变压器的绕组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。图示为单相芯式变压器铁心及绕组。绕组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。三，变压器油，油箱和冷却装置电力变压器绕组与铁心装配完后用夹件禁固，形成变压器的器芯。变压器器芯装在油箱内，油箱内充满变压器油。变压器油是一种矿物油，具有很好的绝缘性能。变压器油起两个作用：用作变压器绕组与绕组、绕组与

5、铁心及油箱之间的绝缘。变压器运行时各种损耗变为热能，变压器油受热后产生对流，将热量带到油箱壳散发，油箱有许多散热油管，以增大散热面积。为了加快散热，有的大型变压器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。这些都是变压器的冷却装置。图中1为油箱，2为储油柜，3为气体继电器，4为安全气道。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。变压器油的氧化后生成的悬浮物及 吸收的水分影响变压器油的绝缘质量，通常一年至二年要将变压器油过滤一次，以保证变压器的安全运行。

6、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，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。第二章 变压器的运行分析与其它交流电机分析方法一样，变压器是一种交流电机。主要分析方法是从其电压平衡方程、磁势平衡方程，通过折算，推导出其等效电路，正弦电压、电流均用相量计算，通过画出其相量图，各量之间的相位关系一目了然。本章以单相双绕组变压器为例，讲述变压器运行分析方法。 第一节 变压器的空载运行一，什么是空载运行图6.1为变压器空载运行情况。原边接到

7、额定电压u1n的电源上，副边绕组开路-变压器空载运行。原边接电压u1,原边绕组中的电流i0为空载电流，i0产生空载磁势F0=I0×N1, F0产生磁通，所以F0又叫励磁磁势。励磁磁势产生的磁通分为两部分，一部分磁通以闭合铁心为路径流通。它同时匝链了原边绕组N1和副边绕组N2,在这两个绕组中感应出电势e1和e2，是变压器传递能量的主要媒介，属于工作磁通，称它为主磁通。另一部分磁通1，它仅与原边绕组相匝链而不与副边绕组相匝链，通过变压器油，或空气而形成闭路，属于非工作磁通，1为原边绕组的漏磁通。由上一章知，变压器的铁心由高导磁材料硅钢片制成，它的导磁系数约为空气的导磁系数的2000倍以上

8、，所以大部分磁通都在铁心中流动，主磁通约占总磁通的99以上，而漏磁通占总磁通的1以下。从图看出，电压、电流电势符号都是用瞬时值符号，电压、电流、电势、磁通都是交变的，那么图中各物理量的 方向是如何规定的呢？ 方向规定：电压u1与电流i0同方向，磁通正方向与电流正方向符合右手螺旋定则，e的正方向与电流同方向。这样e1=N1d/dt才成立。例如正在增加，那么为正值，e1 N1d/dt0为负值，即此刻A点为高电压,X点为低电流，若外电路能使e1产生电流，其电流方向必与i0正方向相反，该电流若能产生磁通，通过右手螺旋定则判断出向下，与方向相反，起阻止增加的作用，即符合楞次定律。由于磁通在交变，根据电磁

9、感应定律：e1=N1d/dte2=N2d/dte1=N1d1/dt二，磁通，电势，电压的关系公式推导=msinte1=N1d/dt=-N1dmsint/dt=N1mcost=N1msin(t90°)=E1msin(t90°)       (6.5)式中E1m=N1m（最大值）E1m电势最大值，其有效值为式(6.7)所示公式，这是一个非常重要的公式，其中m为磁通最大值。有效值E1=E1m/1.414=2fN1m/1.414=4.44fN1m     (6.7)N1为原绕组匝数，f1为磁通变化的频率

10、，根据同样的原理推导出e2瞬时值公式、最大值及有效值公式。e2=E2msin(t90°)E2m=N2me2=4.44f1N2m同理，漏磁通电势被求出。写成相量形式或电抗压降的形式。那么e1=N1d1/dt=N11msin(t90°)=j4.44fN11m=ji0x1式中x1=L1     E1=4.44f N11m(6.13)x1为对应于漏磁通的漏电抗。e1还有另一种推导过程：其推导过程如下：e1=L1di0/dt=L1d（1.414I0sint）/dt=1.414L1I0cost=1.414L1Iosin(t90°)=E1msin(

11、t90°)最大值为 E1m=1.414L1Io有效值为 E1= E1m/1.414=L1Io=x1Iox1=L1e1=ji0x1E1可用漏电抗压降的形式表示，实际上任何一个电势都可用一个电抗压降来表示。何况1主要通过非磁性磁路形成流通回路，其磁导率o为常数，故其磁路磁阻大、小，L1及x1均为常数。三 变压器的变比k和电压比K1 变比k-指变压器原副绕组的电势之比kE1/E2=(4.44fN1m)/(4.44fN2m)=N1/N2变比k等于原副绕组匝数之比，变压器绕组折算中要用到变比k。2 原绕组的匝数不是任意选定的，他必须符合一定条件：因为U14.44fN1m4.44fN1BmS &

12、#160;   (6.21)N1U1/4.44fBms6.21式中S为变压器铁心柱的截面积（平方米）Bm磁通密度最大值，Bm的取值范围对设计制造、运行检修变压器有密切关系Bm热轧硅钢片1.111.5T；冷轧硅钢片1.51.7T3 电压比K-特指三相变压器的线电压之比在作三相变压器联结绕组试验时用到电压比K进行计算。K=1/3(UAB/uab+UBC/ubc+UCA/uca)     (6.22)四 变压器空载运行时的等值电路图和向量图1 励磁电流与励磁阻抗空载运行时，空载电流i0产生励磁磁势F0，F0建立主磁通，而交变磁通在原绕组内感

13、应电势e1，单独产生磁通的电流为磁化电流i0w，i0w与电势E1之间的夹角是90°，故i0w是一个纯粹的无功电流。铁心中的磁通不变，一定存在损耗，为了供给损耗，励磁电流中除了用来产生磁通的无功电流外，还应包括一个有功电流i0r，即im=i0w+i0r，其向量关系如图。-E1=imRm+jimXm=imZm，Xm是主磁通引起的电抗，为励磁电抗。2 空载等效电路用一个支路Rm+jXm的压降来表示主磁通对变压器的作用，再将原绕组的电阻R1和漏电抗X1的压降在电路图上表示出来，即得到空载时变压器的等效电路。如图R1和1引起的电抗X1 基本上是不变的量，或者说，R1和X1不受饱和程度的影响。但

14、是，由于铁心存在着饱和现象，所以，Rm和Xm都是随着饱和程度的减少而增加的，在实际中应当注意到这个结论。但是，变压器正常工作时，由于电源电压变化范围小，故铁心中主磁通的变化范围也是不大的，励磁阻抗Zm也基本不变。第二节 变压器的负载运行 一 负载运行定义，电压，电流，磁通的正方向如图变压器原边接电源U1，副边接负载阻抗ZL，此时副边绕组流过电流I2，原边绕组电流不再是I0，而是变为I1，这即是变压器的负载运行。 变压器中电流，电压，磁通的正方向是这样规定的：电流与电压同方向，磁通正方向与电流正方向符合右手螺旋关系，电势正方向与电流正方向相同，这样规定后e1=N1d/dt，e2=N2d/dt才成

15、立，也就是说正方向的规定符合楞次定律。副边电流电压、电势正方向也是按上述原则规定的。楞次定律说：感应电势如能产生电流，该电流产生的磁通阻止原来铁心中的磁通变化。负载后，副边绕组流过电流，该电流产生磁势F2N2，该磁势也要产生磁通 ，也就是说F2将改变铁心中的磁通，而铁心中的磁通是由电源电压决定的，如式6.21所示，m基本不变，那么原绕组中的电流不再是而变成了，原绕组产生磁势为F1=I1N1,F1与F2共同作用产生m，F1+F2的作用相当于空载磁势F0，也可视为励磁磁势Fm如式6.24与 6.25所示，二 磁势平衡方程式式6.21 u14.44fN1m式6.24  F1+F2=F0Fm

16、式6.25  I1N1+I2N2=ImN1I0N1式6.24,6.25即变压器的磁势平衡方程式。6.26式  I1=I2（I2/k）=I0+I1L，I1L=I2/k6.28式  I1LI2/k0 从磁势平衡方程式，可推出6.26式。式中I1L为原边绕组中电流的负载分量。从6.26式看出变压器负载后，原边绕组中的电流由两个分量组成，一个是其负载分量，另一个是产生磁通的励磁分量I0，负载分量I1L产生的磁势与副边绕组电流产生的磁势大小相等，方向相反，互相抵消。6.29式：I1/I2=1/k在满载时，I0只占I1L的28，有时可将I0忽略，6.26式变为6.28式，仅从

17、有效值看，则有6.29式，这就是变压器的变流作用，只有在较大负载时才基本成立，用此原理可以设计出电流互感器。三 电势平衡方程式结合规定的正方向得出原边与副边的电压平衡方程式如式6.30和6.31式6.30 U1=-E1+I1R1+jI1X1=-E1+I1(R1+jX1)=-E1+I1Z1式6.31 U2=E2-I2R2+E2=E2-I2R2-jI2X2=E2-I2(R2+jX2)=E2-I2Z2式中Z1-原边绕组漏阻抗；Z2-副边绕组漏阻抗；R1，R2-原副绕组电阻；X1，X2-原副绕组漏电抗第三章 三相变压器 在这之前，我们大都以单相变压器为研究对象来分析，从而得到变压器的分析方法和结论。

18、但几乎世界各国的电力系统均采用三相制，因三相制经济，效率高，故采用最广泛的还是三 相变压器。从运行原理和分析方法来说，三相变压器在对称条件下运行，各相电压，电流，磁通的大小 相等，相位上依次相差120°，故对三相变压器是取某一相进行分析。等值电路，方程式， 相量图也和单相时完全一样。分析方法也和单相没有什么区别了。因此之前得到的分析方法 同样适用于本章的三相变压器对称运行情况。那么该章只讲三相变压器的特殊性问题：(1) 磁路构成；(2)联结组；(3)波形等一、三相变压器组1定义由三台完全相同的单相变压器按三相连接方式连接而成三相组成变压器。2特点 3个铁心独立；三相磁路互不关联；三相电压对称时，三相励磁电流和磁通也对称。二、三相芯式变压器1演变过程把三台单相变压器的一个边(铁心柱)贴合在一起，各相磁路就自然主要通过未贴合的一个柱上。这时，在中央公共铁心柱内的磁通为三相磁通之和。当三相变压器正常运行(三相对称) 时，合成磁通为零，因此中央公共铁心柱可以省去。为了工艺上能制造方便，使中间