变压器基本原理和结构

1、关于变压器的基本原理和结构第1页，共76页，2022年，5月20日，3点7分，星期四目 录绪 论第一篇 变压器第二篇 异步电动机第三篇 同步电机第四篇 直流电机第2页，共76页，2022年，5月20日，3点7分，星期四绪 论 主要内容：（1）电机及电力拖动系统概述（2）电机及电力拖动在国民经济中的作用（3）本课程的性质、任务、内容和特点（4）本课程常用的电磁定律与公式 第3页，共76页，2022年，5月20日，3点7分，星期四 电机常用的分类方式有两种：一是按功能分，有发电机、电动机、变压器和控制电机四大类；二是按电机结构或转速分，有变压器和旋转电机。 0.1 电机及电力拖动系统概述第4页，共

2、76页，2022年，5月20日，3点7分，星期四电机变压器直流电机直流发电机直流电动机交流电机控制电机同步电机 同步发电机异步电机异步发电机异步电动机静止电机旋转电机 同步电动机第5页，共76页，2022年，5月20日，3点7分，星期四 电机拖动系统是用电动机来拖动机械运行的系统。包括：电动机、传动机构、生产机械、控制设备和电源五个部分。它们之间的关系如下 电动机传动机构生产负载控制设备电源第6页，共76页，2022年，5月20日，3点7分，星期四0.2 电机及电力拖动在国民经济中的作用 电能是国民经济中应用最为广泛的能源，而电能的产生、传输、分配和使用等各个环节都依赖于各种各样的电机; 用电

3、机来拖动生产机械称为电力拖动，它是生产过程电气化、国民经济各部门中采用最多最普遍的拖动方式自动化的重要前提。 由此可见，电机及电力拖动在国民经济中起着极其重要的作用。第7页，共76页，2022年，5月20日，3点7分，星期四0.3 本课程的性质、任务、内容和特点 本课程是工业电气自动化、电气技术和供用电技术、输配电线路等专业的一门专业基础课。 本课程的任务是让学生掌握电机基本结构和工作原理，以及拖动系统的运行性能、分析计算、电机选择及试验方法，培养在电机及电力拖动方面分析和解决问题的能力，为今后学习和工作打下坚实的基础。 本课程的内容有变压器、异步电动机、同步电机、直流电机、电动机的选择、实验

4、等部分。 第8页，共76页，2022年，5月20日，3点7分，星期四本课程怎么学？1、记住各种所讲类型电机的典型结构。2、记住一些典型的结论、公式和各个元件的含义。对于结论推导过程根据自己实际情况加以理解。如变压器的T型等值电路、异步电动机的T型等值电路等。3、多练。应用结论分析具体问题。这一点往往是大家容易忽略的。俗话说“熟能生巧”。这一点在这门课体现的比较突出。第9页，共76页，2022年，5月20日，3点7分，星期四 0.2 电机运行原理 电机是利用电磁感应原理工作的机械。 什么是电磁感应原理？第10页，共76页，2022年，5月20日，3点7分，星期四电磁感应定律（磁生电效应） 导体切

5、割磁力线或穿过线圈的磁场发生变化时，会在导体或线圈中产生感应电动势，即所谓“磁变生电” 或电磁感应现象。它包括: 线圈的自感现象 线圈间的互感现象 导体的切割电动势 第11页，共76页，2022年，5月20日，3点7分，星期四 按惯例规定：电动势与磁通符合右手螺旋关系。第12页，共76页，2022年，5月20日，3点7分，星期四 （2）导体的切割电动势 如果磁场恒定不变，导体或线圈与磁场的磁力线之间有相对切割运动时，在线圈中产生的感应电动势称为切割电动势，其方向的判断方法如图0-4所示，用右手定则来判断。 第13页，共76页，2022年，5月20日，3点7分，星期四 若磁力线、导体与切割运动方

6、向三者互相垂直，则由电磁感应定律的电动势公式可以推导出切割电动势的公式为 在t时间内穿过线圈磁通量变化为=BS=BLVt E=/t 第14页，共76页，2022年，5月20日，3点7分，星期四 式中 B为磁场的磁感应强度; l为导体切割磁力线部分的有效长度; 为导体切割磁力线的线速度。第15页，共76页，2022年，5月20日，3点7分，星期四电磁力定律（电磁生力） 载流导体在磁场当中会受到电磁力的作用。 电磁力F方向的判断如图0-5所示，用左手定则来判断。第16页，共76页，2022年，5月20日，3点7分，星期四 当磁力线和导体方向互相垂直时，载流导体所受电磁力的公式为 式中 F为载流导体

7、所受的电磁力; B为载流导体所在处的磁感应强度; l为载流导体处在磁场中的有效长度; I为载流导体中流过的电流。 磁场对电流的作用力通常称为安培力第17页，共76页，2022年，5月20日，3点7分，星期四注意：磁生电或者电生磁用右手（右手螺旋）定则； 电磁生力用左手定则导体线圈第18页，共76页，2022年，5月20日，3点7分，星期四第一章 变压器的基本原理和结构 第一节 变压器的工作原理及分类第二节 变压器的基本结构 第三节 变压器的型号和额定值 第19页，共76页，2022年，5月20日，3点7分，星期四1、变压器有何作用？ 变压器是一种静止的电气设备，它利用电磁感应原理，把一种电压等

8、级的交流电能转换成频率相同的另一种电压等级的交流电能。 思考：变压器能变换大小和方向均保持不变的直流电吗？为什么？ 电源侧负载侧第20页，共76页，2022年，5月20日，3点7分，星期四 理想变压器不能转变直流。原因是因为原边如果接直流电，通过根据螺线管法则原边绕组产生恒定磁场，由E=d/dt可以知道，磁场变化率为0是，副边也就无感应电势，不能完成变压输出的目的。第21页，共76页，2022年，5月20日，3点7分，星期四 2、在电力系统为什么需要变压器？ 发电厂发电机出口的电压受绝缘条件限制，通常仅为6.320KV，几乎不能进行大功率远距离输送。因为低电压大电流输电，会在输电线路上产生很大

9、的功率损耗和电压降落，为此，必须用变压器将电压升高至110KV或更高的电压等级进行输电，以求输电的经济。当电能送到用电区，再用变压器将电压降低至35KV或更低的电压，供给用户使用，以求用电的安全。 第22页，共76页，2022年，5月20日，3点7分，星期四第一节 变压器的工作原理及分类 一、变压器的基本工作原理 图1-1 变压器的基本工作原理 电源侧负载侧 电源侧的线圈称为原边绕组或一次绕组,匝数为N1； 负载侧的线圈称为副边绕组或二次绕组,匝数为N2。铁芯原边绕组副边绕组第23页，共76页，2022年，5月20日，3点7分，星期四 当原边绕组接到交流电源时，绕组中便有交流电流流过，并在铁芯

10、中产生与外加电压频率相同的交变磁通。这个交变磁通同时交链着原边绕组和副边绕组。依照惯例，当感应电动势用右手螺旋法则来标定其方向时，图1-1 变压器的基本工作原理 电源侧负载侧铁芯原边绕组副边绕组第24页，共76页，2022年，5月20日，3点7分，星期四原、副边绕组的感应电势分别为：原边绕组的感应电势副边绕组的感应电势 由于 ，则 电源侧负载侧N1N2思考：变压器变压的条件：是铁心中有 磁通；一、二次绕组的 不等 交流匝数 第25页，共76页，2022年，5月20日，3点7分，星期四思考：试从物理意义上分析，若减少变压器一次绕组匝数（二次绕组匝数不变），二次电压将如何变化？ 电源电压不变，变压

11、器一次绕组匝数减少，则每匝线圈的电压增大。由于二次绕组匝数不变，故二次电压将增高。 第26页，共76页，2022年，5月20日，3点7分，星期四 （1）k称为变压器的变比，它等于原、副绕组的匝数比，也等于原边绕组的感应电势与副边绕组的感应电势之比，也近似等于原边绕组的电压与副边绕组的电压之比。 （2）近似计算变比时，常用变压器原、副边额定电压之比来计算。 （3）当原边所加电压 不变时，由于 ，所以只要改变变压器的变比或线圈的匝数（通常是改变高压侧匝数） ，就能达到改变副边电压的目的。第27页，共76页，2022年，5月20日，3点7分，星期四 变比计算的具体方法对于单相变压器第28页，共76页

12、，2022年，5月20日，3点7分，星期四 【例1.1】 一台三相油浸自冷式电力变压器：，Y,d连接方式.、试求 （1）变比k解：（1）变比第29页，共76页，2022年，5月20日，3点7分，星期四 变比计算的具体方法对于单相变压器对于三相变压器第30页，共76页，2022年，5月20日，3点7分，星期四 三相变压器额定电压与一相绕组额定电压的关系第31页，共76页，2022年，5月20日，3点7分，星期四 二、变压器的分类 按用途分类： 电力变压器 调压变压器 仪用互感器 矿用变压器 实验用变压器 特殊变压器 （特殊变压器如整流变压器、电焊变压器等） 按相数分类： 单相变压器 三相变压器；

13、 按绕组数分类： 双绕组变压器 三绕组变压器 自耦变压器 第32页，共76页，2022年，5月20日，3点7分，星期四 按铁心结构分类： 心式变压器 组式变压器 按调压方式分类： 无载调压变压器 有载调压变压器 按冷却介质和冷却方式分类： 油浸式变压器 干式变压器等 按容量大小分类： 小型变压器 （容量在10630KVA） 中型变压器 （容量在8006300KVA） 大型变压器 （容量在800063000KVA） 特大型变压器（容量在90000KVA及以上）。第33页，共76页，2022年，5月20日，3点7分，星期四第二节 变压器的基本结构信号式温度计吸湿器储油柜油表安全气道气体继电器 高压

14、套管 低压套管 分接开关冷却器铁芯 绕组及绝缘 放油阀门油箱第34页，共76页，2022年，5月20日，3点7分，星期四 其中，铁芯和绕组是变压器的主要部件，称为器身，放在油箱内部。 图1-3 心式变压器的铁芯和绕组布置高压绕组铁心柱下铁轭上铁轭低压绕组(a)三相(b)单相第35页，共76页，2022年，5月20日，3点7分，星期四 铁芯是变压器的主磁路 （1）铁芯的材料 采用高磁导率的铁磁材料（硅钢片叠成）以提高磁路的导磁性能，减小铁芯中的磁滞、涡流损耗，即减少铁芯的发热。 铁芯硅钢片的两面均涂以绝缘漆，使叠装在一起的硅钢片相互之间绝缘。 思考：如果该层绝缘被破坏，有什么后果？ 一、铁芯第3

15、6页，共76页，2022年，5月20日，3点7分，星期四磁滞损耗 ：铁磁材料在磁化过程中由磁滞现象引起的能量损耗。磁滞指铁磁材料的磁性状态变化时，磁化强度滞后于磁场强度，它的磁通密度B与磁场强度 H之间呈现磁滞回线关系。这部分能量转化为热能，使设备升温，效率降低，这在交流电机一类设备中是不希望的。软磁材料的磁滞回线狭窄，其磁滞损耗相对较小硅钢片因此而广泛应用于电机、变压器、继电器等设备中。第37页，共76页，2022年，5月20日，3点7分，星期四磁滞损耗 ：铁磁材料在磁化过程中由磁滞现象引起的能量损耗。磁滞指铁磁材料的磁性状态变化时，磁化强度滞后于磁场强度，它的磁感应强度（磁通密度）B与磁场

16、强度 H之间呈现磁滞回线关系。第38页，共76页，2022年，5月20日，3点7分，星期四涡流损耗：变压器的硅钢片表面的绝缘层，是为了不使各个片变成一个紧密的整体，一个大块的硅钢体，目的是降低涡流损耗。当线圈中有交变的电流时，在线圈中的铁心里会产生交变的磁场，该交变磁场也会在铁心中产生交变的感应电势，进而产生感应电流，即涡流。如果铁心是一整个大块，其涡流就大，如果是许多互相绝缘的薄片，涡流的路径就是在片内了，路径加长了，其电阻加大了，涡流变小了，涡流的损耗变小了。思考：如果该层绝缘被破坏，有什么后果？第39页，共76页，2022年，5月20日，3点7分，星期四变压器铁芯用的硅钢片表面增加了涂层

17、的，以此来增加铁芯涡流方向的电阻，减小涡流的大小。 如果表面的绝缘被破坏了，相当于铁芯是采用了一整块，涡流损耗会变的很大，而引起铁芯发热，严重的可能会烧红，甚至熔掉，或者在此之前，线圈的绝缘先被破坏，而导致变压器短路烧毁。思考：如果该层绝缘被破坏，有什么后果？第40页，共76页，2022年，5月20日，3点7分，星期四 （2）铁芯形式电力变压器的铁芯主要采用心式结构，如上所示。 第41页，共76页，2022年，5月20日，3点7分，星期四 三相变压器是将A、B、C三相的绕组分别放在三个铁芯柱上，三个铁芯柱由上、下两个铁轭连接起来，构成闭合磁路。 图1-3 心式变压器的铁芯和绕组布置高压绕组铁心

18、柱下铁轭上铁轭低压绕组(a)三相(b)单相第42页，共76页，2022年，5月20日，3点7分，星期四 二、绕组 绕组是变压器的电路部分，它是铜或铝导线包绕绝缘纸以后绕制而成。 线圈结构形式：圆筒式、螺旋式、连续式、纠结式等。 为了便于绝缘，低压绕组（工作电压低的绕组）靠近铁芯柱，高压绕组（工作电压高的绕组）套在低压绕组外面，两个绕组之间留有油道。变压器绕组外形如图1- 4所示。 两个绕组之间留有油道，是为了变压器油能够顺利地流过各绕组，达到均匀散热的目的。第43页，共76页，2022年，5月20日，3点7分，星期四为了安装方便。通常铁芯对地（外壳）隔离不严格，也就是说铁芯相当于接地。如果高压

19、绕组在里面，那么对铁芯的绝缘就要求很高，而低压绕组在里面相对绝缘要求可以降低。10000v以上和400v的绝缘要求成本肯定不是一个级别。那高压绕组在外面也要考虑绝缘吗，不管高压绕组在里在外都要考虑它和低压绕组之间的绝缘。但是，这样设计后，高低压之间绝缘一样，而对铁芯（相当于对地）绝缘成本大大下降。总之，这样做既为了安全可靠也为了节约成本。 第44页，共76页，2022年，5月20日，3点7分，星期四导线绝缘支架撑条图1-4 绕组思考：高、低压绕组的位置能交换吗？第45页，共76页，2022年，5月20日，3点7分，星期四 三、油箱及其他附件 1.油箱 变压器的油箱是用质量好的钢板焊接而成。 油

20、箱的作用：装入变压器油，并将组装好的器身装入其中，以保证变压器正常工作。 变压器油的作用： （1）绝缘 油的绝缘性能比空气好，可以提高绕组的绝缘强度； （2）冷却 通过油箱中油的对流作用或强迫油循环流动，使绕组及铁芯中因功率损耗而产生的热量得到逸散，起到冷却作用。 第46页，共76页，2022年，5月20日，3点7分，星期四 思考：对于运行中的变压器，油箱中绕组、铁芯、油三者谁的温度最高？应该监视油箱中上层油的温度还是下层油的温度？ 变压器的上层油温高，因为热油的质量轻，上浮到变压器油箱的上部，并进入冷却器，通过与外部空气交换而冷却后，有质量变重下沉指变压器底部，来冷却变压器发热元件变压器在正

21、常运行时三者温度之高低次序是铁芯、绕组、顶层油。第47页，共76页，2022年，5月20日，3点7分，星期四2.储油柜（油枕）与吸湿器（呼吸器）变压器在运行中，随着油温的变化，油的体积会膨胀或收缩，所以通常由储油柜提供变压器油热胀冷缩的空间，并在储油柜上装一个吸湿器（又称呼吸器），与外界大气相通。储油柜的作用：储油柜可减少油与外界空气的接触面积，减小变压器油受潮和氧化的几率。吸湿器的作用：当变压器油因热胀冷缩而使油面高度发生变化时，空气通过吸湿器进出储油柜，形成“呼吸”现象，以平衡变压器油箱的内外压力。 第48页，共76页，2022年，5月20日，3点7分，星期四 吸湿器硅胶的作用：吸湿器内装

22、有硅胶，用以过滤吸入储油柜内空气中的杂质和水分。 硅胶干燥状态为蓝色，吸潮饱和后变为粉红色。吸潮的硅胶可以再生。 第49页，共76页，2022年，5月20日，3点7分，星期四3.安全气道（防爆管） 安全气道装在油箱顶盖上。它是一个长钢管，其出口封以一定厚度的防爆膜。 安全气道的作用：当变压器内部发生严重事故而产生大量气体，使油箱内压力达到一定数值时，气体和油将冲破防爆膜喷出，防止油箱爆裂。大型变压器通常安装压力释放器来取代防爆管。 第50页，共76页，2022年，5月20日，3点7分，星期四 4.气体继电器（瓦斯继电器） 气体继电器，是变压器的一种保护装置，安装在油箱与储油柜的连接管道中。 气

23、体继电器的作用：当变压器内部发生故障时（如绝缘击穿、匝间短路、铁心事故、油箱漏油使油面下降较多等）产生的气体和油流，迫使气体继电器动作： 轻者发出信号，以便运行人员及时处理； 重者使断路器跳闸，将变压器退出运行，以保护变压器。 第51页，共76页，2022年，5月20日，3点7分，星期四 5.冷却器 （1）油浸风冷式变压器冷却器通常是指直接装配在变压器油箱壁上的散热器管簇，当热油自上而下流过散热器时，利用周围的冷空气将热量带走。 （2）油浸风冷式变压器除了有散热器管簇外，还加装风扇以加强冷却。 （3）强迫油循环风冷变压器除了有散热器管簇外，还加装风扇和油泵，散热效果更好。 第52页，共76页，

24、2022年，5月20日，3点7分，星期四 6.绝缘套管 作用：变压器绕组的引出线从油箱内部引到箱外时必须经过绝缘套管，使引线与油箱绝缘。 材料、结构：绝缘套管一般是陶瓷的，其结构包括实心磁套管、采用空心充气或充油式套管、电容式套管。 为了增大外表面放电距离，套管外形做成多级伞形裙边。电压等级越高，级数越多。 第53页，共76页，2022年，5月20日，3点7分，星期四 7.分接开关（调压开关） 作用：在电源电压不变的条件下，利用分接头改变高压绕组匝数的方法来调节二次侧电压，以满足供电的要求。 思考：二次侧工作电压小于一次侧工作电压的变压器称为降压变压器，今欲提高二次侧的工作电压，一次侧线圈匝数

25、该增加还是减少？ 第54页，共76页，2022年，5月20日，3点7分，星期四 通常，从变压器的高压绕组引出若干抽头，称为分接头，用以切换分接头的装置叫分接开关，安装在油箱内，其控制箱在油箱外。 调压类型：无载调压、有载调压两种，前者必须在变压器停电的情况下切换，后者可以在变压器带负载情况下进行切换。 如果是升压变压器呢？不论是降压变压器还是升压变压器，调压的分接头一定在高压侧第55页，共76页，2022年，5月20日，3点7分，星期四 第三节 变压器的型号和额定值 一、型号 变压器的型号是由字母和数字组成的。例如某变压器型号为SL9-20010。 第一个字母表示相数； 后面的字母分别表示导线

26、材料、冷却介质和方式等； 斜线前面的数字表示额定容量(KVA)，斜线后面的数字表示高压绕组的额定电压(KV)。 第56页，共76页，2022年，5月20日，3点7分，星期四 例如，变压器型号SL9-20010的含义为： S 表示三相； 200 表示额定容量为200kVA； L 表示铝导线； 10 表示高压绕组电压等级为10kV； 9 表示设计序号。 新标准的中小型变压器的容量等级为：10、20、30、50、63、80、100、125、160、200、250、315、400、500、630、800、1000、1250、1600、2000、2500、3150、4000、5000、6300KVA 。

27、 思考：VA、W、var或KVA、KW、Kvar或MVA、MW、Mvar分别是什么量的单位？ 第57页，共76页，2022年，5月20日，3点7分，星期四3.2.5变压器的基本技术特性 1、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。 第58页，共76页，2022年，5月20日，3点7分，星期四代表符号排列顺序分类类别代表符号1绕组耦合方式自耦O2相数单相D三相S3冷却方式油浸自冷干式空气自冷G干式浇注式绝缘C油浸风冷F油

28、浸水冷S强迫油循环风冷FP强迫油循环水冷SP第59页，共76页，2022年，5月20日，3点7分，星期四4绕组数双绕组三绕组S5绕组导线材质铜铝L6调压方式无励磁调压有载调压Z第60页，共76页，2022年，5月20日，3点7分，星期四 二、额定值 额定运行情况：制造厂根据国家标准和设计、试验数据规定变压器的正常运行状态。 额定值：额定运行情况下各物理量的数值。 额定值通常标注在变压器的铭牌上，主要有： 1.额定容量 2.原边额定电压 3.副边额定电压 4.原边额定电流 5.副边额定电流 6 额定频率第61页，共76页，2022年，5月20日，3点7分，星期四 1.额定容量 ：铭牌规定在额定使

29、用条件下所输出的视在功率,单位为VA、KVA、MVA。 2.原边额定电压 ：正常运行时规定加在一次侧的端电压，对于三相变压器，额定电压为线电压，单位V、KV。 3.副边额定电压 ：一次侧加额定电压，二次侧空载时的端电压，对于三相变压器，额定电压为线电压，单位V、KV 。 第62页，共76页，2022年，5月20日，3点7分，星期四 4.原边额定电流 ：变压器额定容量下原边绕组允许长期通过的电流，对于三相变压器，为原边额定线电流，单位A、KA。 5.副边额定电流 ：变压器额定容量下副边绕组允许长期通过的电流，对于三相变压器，为副边额定线电流，单位A、KA。 单相变压器额定值的关系式： 三相变压器

30、额定值的关系式： 第63页，共76页，2022年，5月20日，3点7分，星期四双绕组降压变压器高压绕组的额定容量、额定电压、额定电流分别为 、 、 ，低压绕组分别为 、 、 ，它们之间的关系是 。 (A)(B)(C)(D)B第64页，共76页，2022年，5月20日，3点7分，星期四 6.额定频率 ：我国工频为50Hz； 除上述额定值外，铭牌上还标明了温升、连接组别、阻抗电压等。 【例1.1】 一台三相油浸自冷式电力变压器：， ,Y,d连接方式.和 。 、试求：（1）原副边额定电流 （2）变比k第65页，共76页，2022年，5月20日，3点7分，星期四解：（1）原、副边的额定电流（2）变比 【例1.1】 一台三相油浸自冷式电力变压器：，和 。 、试求：（1）原副边额定电流 （2）变比k ,Y,d连接方式.第66页，共76页，2022年，5月20日，3点7分，星期四 本次课小结1、变压器是一种静止的电气设备，它利用电磁感应原理，把一种电压等级的交流电能转换成频率相同的另一种电压等级的交流电能。2、变压器基本原理图1-1 变压器的基本工作原理 电源侧负载侧铁芯N2N1原边绕组副边绕组第67页，共76页，2022年，5月20日，3点7分，星期四一台SSP-63000/220三相电力变压器接线YN,d， 求 （1）变压器一、二次侧的额定电压