变压器结构与原理课件

变压器结构与原理了解变压器的基本组成结构以及工作原理,为进一步学习电力系统及电机原理打下坚实的基础。课程目标1深入理解变压器的基本结构掌握变压器的主要组成部分及其功能。2学习变压器的工作原理了解变压器的电磁感应过程和二次电压的产生机理。3分析变压器的性能指标探讨变压器的变比、效率、损耗等关键特性。4掌握变压器的等效电路了解变压器的内部阻抗和短路特性。什么是变压器变压器的定义变压器是一种利用电磁感应原理来改变交流电压和电流参数的电力设备,是电力系统中不可或缺的重要元件之一。变压器的构造变压器由铁芯、初级绕组和二次绕组三大部分组成,通过电磁感应实现电压和电流的变换。变压器的功能变压器可以将电网输电电压从高压降至低压,或将低压升至高压,从而实现电力的高效传输和利用。变压器的组成部分绕组变压器的核心部件,由细密的导线绕制而成,用于电磁感应。铁芯由优质的电工钢片叠层而成,提供磁路,促进磁通回路闭合。外壳装载和保护变压器内部结构,通常由钢板或铝合金制成。变压器的工作原理1电磁感应变压器利用电磁感应原理工作2初级绕组初级绕组接收交流电输入3铁芯铁芯产生变化的磁通量4次级绕组次级绕组感应出交流电输出变压器的工作原理是基于电磁感应原理。初级绕组接收输入电压并产生变化的磁通量，铁芯将磁通量传递到次级绕组，最终在次级绕组感应出所需的输出电压。这一过程利用了电磁感应的基本规律。变压器电磁感应现象变压器工作时,初次绕组产生交流电磁场,通过磁性材料(铁芯)传递到二次绕组,从而在二次绕组中产生感应电磁力,使其产生感应电动势。这就是变压器的电磁感应现象,是变压器工作的基础。电磁感应产生感应电动势的大小与初次绕组的电流变化率和两绕组的匝数比有关。这种感应电动势可用于改变电压等级,实现电能的变换。变压器二次电压的产生1电磁感应原理变压器的工作依赖于电磁感应原理,即当电流通过初级绕组时会产生变化的磁场。2磁通链接二次绕组这个变化的磁场会穿过二次绕组,导致二次绕组中产生感应电动势。3感应电压的大小感应电压的大小取决于磁通的变化率以及二次绕组匝数,遵循法拉第电磁感应定律。变压器变比定义变压器变比是指变压器原边和二边的电压之比。是决定变压器输出电压大小的重要参数。计算变压器变比等于原边电压与二边电压的比值。公式为：变比=原边电压/二边电压。作用通过调整变压器变比可以实现电压的升降变换,满足实际应用中对电压水平的需求。变压器的电压和电流关系主回路电压(U1)主回路电流(I1)次回路电压(U2)次回路电流(I2)变压器的输入电压流过变压器初级绕组的电流变压器的输出电压流过变压器二次绕组的电流由电网供给取决于负载大小由变压器变比决定取决于负载大小U1=N1/N2*U2I1=N2/N1*I2U2=N2/N1*U1I2=N1/N2*I1理想变压器的特性无损耗理想变压器假设铁芯和绕组没有任何损耗,因此输入功率等于输出功率,效率为100%。电压和电流比例理想变压器的一次和二次电压及电流成正比,即电压变比等于匝数变比。相位关系理想变压器的一次和二次电压/电流相位呈180°的相位差。频带特性理想变压器对频带的传输没有限制,可以传输任意频率的交流电。实际变压器的特性磁芯损耗实际变压器在工作时会产生磁芯损耗,主要包括涡流损和磁滞损,这会降低变压器的效率。绕组损耗实际变压器的绕组存在电阻,会产生电阻损耗,同时还会产生皮肤效应和临近效应带来的附加损耗。散热特性实际变压器需要通过合理的散热设计来确保绕组和磁芯不会因发热过高而损坏。变压器的效率铁耗损铜耗损泄漏损其他损耗有效功率从上述饼状图可以看出,变压器的有效功率占到总功率的65%,其余部分为各种损耗。要提高变压器的效率,需要降低这些损耗,如提高铁芯和绕组材料的质量,减小散热损耗等。变压器的损耗铜损铜损是由于变压器线圈电阻产生的热量损失。应选用导电性能优良的铜线以减小铜损。铁损铁损是由于变压器铁芯交流磁场产生的涡流和磁滞损耗。应选用优质硅钢片制作铁芯以减小铁损。散热损耗变压器运行过程中会产生热量,需要通过冷却装置及时散出以保持正常工作。变压器的激磁电流激磁电流概念当变压器一次绕组接通电源时,会产生一种电磁场。这种电磁场会导致铁芯中产生涡流和钢铁的磁滞损耗,从而产生一些电流。这些电流就是变压器的激磁电流。激磁电流特点激磁电流在无负载时,占用变压器全部电流的10%~20%。随着负载增大,激磁电流比例会逐渐降低。激磁电流主要由铁芯的磁滞损耗和涡流损耗组成。变压器的励磁特性磁极性变压器励磁时，一次绕组和二次绕组中会产生磁场,使核心磁极产生正负磁极。磁通量变压器励磁时,磁通量随电压和电流的变化而变化。磁通量是决定变压器性能的关键因素。磁滞回线变压器的磁滞回线反映了核心材料的磁性特性,决定了励磁电流和损耗。饱和特性随着电压的增加,变压器会进入饱和状态,此时磁通量无法继续增加,励磁电流迅速增大。变压器的饱和特性1磁芯过度饱和当变压器的工作磁通密度过大时,磁芯会进入饱和状态,导致磁导率下降,电感变小。2输出电压下降变压器进入磁饱和区域后,二次侧的输出电压会明显下降,影响变压器的性能。3电流急剧增大当变压器进入磁饱和区域时,初级电流会急剧增大,威胁变压器的安全运行。4损耗增大磁饱和会导致变压器的铁损和电流损耗急剧增大,降低变压器的效率。变压器的负载特性1电压调整率负载增加会导致二次侧电压下降,电压调整率反映了二次侧电压的变化程度。2功率因数负载的功率因数会影响二次侧电流和变压器的容量,需要合理选择变压器。3短路电流在二次侧短路时,变压器会产生较大的电流,需要及时切断以免损坏。4温升变压器负载过重会导致绕组和铁芯温升过高,缩短使用寿命,需要合理选型。变压器的等效电路为了更好地分析变压器的特性和性能,我们通常会用等效电路来表示变压器的内部结构和工作过程。等效电路包括了变压器绕组的电阻和电感,以及磁路的磁阻等重要参数,能够反映变压器的电磁特性。通过分析变压器的等效电路,我们可以计算出变压器的输入输出电压电流关系、损耗、效率等重要性能指标,为变压器的设计和应用提供理论依据。变压器的内部阻抗0.1内部电阻变压器绕组内部的电阻一般很小,约为0.1欧姆。0.5内部电抗变压器绕组产生的磁通感应所造成的电抗约为0.5欧姆。1总内部阻抗变压器的总内部阻抗约为1欧姆,是内部电阻和内部电抗的矢量和。变压器的内部阻抗主要来自于绕组内部的电阻和变压器所产生的磁通感应引起的电抗。这些阻抗值较小,但对变压器的性能和工作特性有重要影响。变压器的短路特性短路电流短路是指变压器二次侧发生短路,这将导致二次侧电流骤增。短路电流可达额定电流的数十倍甚至更高,这对变压器会造成严重损坏。短路试验为了测试变压器的短路特性,需要进行短路试验,施加一个很大的电流,观察变压器的行为。这有助于设计变压器的短路保护。短路阻抗变压器的短路阻抗是指变压器在二次侧发生短路时,一次侧所测到的阻抗。这一参数反映了变压器在短路条件下的性能。变压器的级联连接1串联接线将多个变压器的一次绕组串联连接2二次并联将多个变压器的二次绕组并联连接3提高供电可靠性通过级联可以提高系统的供电可靠性级联连接是将多个变压器串联连接在一起的方法。这种方式可以提高供电电压等级,同时也可以提高系统的供电可靠性。在实际应用中,通常将变压器的一次绕组串联,而二次绕组则并联连接。这种级联连接方式可广泛应用于电力系统中。变压器的并联连接同等额定电压并联变压器的二次电压必须保持相同的额定电压。同等额定功率并联变压器的容量也必须保持相同,否则会影响负载分担。相位同步变压器的相位和频率必须完全一致,以确保平稳并联运行。变压器的旁路连接1主变压器承担主要负荷2旁路变压器提供额外支持3负载切换从主变切换至旁路变压器的旁路连接通常用于需要提高供电可靠性的场合。主变压器承担主要负荷,而旁路变压器作为备用电源,在主变出现故障时可快速切换负载,确保供电不间断。这种连接方式可提高整个变压器系统的可靠性和灵活性。干式变压器干式变压器是一种重要的电力变压器,其主要特点是使用干燥的绝缘材料,不使用液体绝缘油。它具有体积小、重量轻、安全性高等优点,广泛应用于工业、商业和居民用电系统中。干式变压器采用环氧树脂或硅钢片进行绝缘和构造,不需要碎油等维护,便于安装和维修。它特别适用于环境要求较高的场合,如医院、地铁等。与油浸式变压器相比,干式变压器更加节能环保。油浸变压器油浸变压器是一种将绝缘油浸润变压器核心和绕组的变压器类型。绝缘油具有优良的绝缘和散热性能,可以有效防止绕组和铁芯过热。这种变压器广泛应用于电力系统,是电网中重要的电力设备之一。油浸变压器的结构紧凑,可承受较高的电压,运行稳定可靠,维修成本较低。但它也存在一些缺点,如对环境有一定污染,需要定期更换绝缘油等。变压器的保护过载保护通过设置合适的断路器或熔断器,可以防止变压器在过电流情况下被损坏。短路保护采用合理的接线方式和保护措施,可以降低变压器在发生短路时的损坏风险。温度保护通过监测变压器的油温或绕组温度,可以及时发现异常情况并采取措施。油位保护确保变压器的油位保持在合理范围内,以防止因油位变化而造成的故障。变压器的检修与维护定期保养对变压器进行定期的清洁、油位检查和绝缘性能检测,确保设备处于良好的工作状态。故障诊断通过监测温度、振动、油品等指标,及时发现并诊断可能存在的故障隐患。维修保养依据诊断结果,对变压器进行必要的维修保养,包括更换损坏零件、补充绝缘油等。预防性维护采取合理的运行管理措施,降低变压器受损风险,延长设备使用寿命。变压器的应用领域电力系统变压器广泛应用于电力传输和配电系统中,调节输电电压和配电电压,确保电网安全稳定运行。工业设备变压器用于工业生产设备,如电机、焊机、电炉等,调节电压满足设备运行需求。家用电器变压器应用于许多家用电器,如电视机、电脑、充电器等,将交流电转换为直流电或调整电压。特殊应用变压器还用于医疗设备、实验仪器等领域,提供安全可靠的电源供应。变压器的发展趋势智能化变压器正朝着智能化的方向发展,具有实时监测、远程控制、故障诊断等功能,提高了运行效率和安全性。绿色化新型环保材料的应用,如无油干式变压器和环保冷却技术,使变压器更加节能减排、环保可靠。数字化数字化技术的广泛应用,使变压器的状态监测、故障诊断和预