变压器结构和基本原理_能源/化工_工程科技_专业资料。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
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 d? 别感应电动势。 ? e ? ?N U1 i1 i2 u1 U2 e1 e2 u 2 dt u1 e ? ? N d? 2 2 dt ZL 1 1 u2 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 铁芯 原 ∽U1线)闭合铁芯 (绝缘硅钢片叠合而成) (2)原线圈(初级线表示 与交变电源相连 副 (3)副线圈(次级线表示 圈 与负载相连 (4)输入电压U1 输出电压U2 变压器的工作原理 铁芯 副 线 圈 ——互感现象 e 0 t1 t2 t3 t4 原 ∽U1线 t 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) 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。 理想变压器的电压规律 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： d? e1 ? ? N1 dt d? e2 ? ? N 2 dt E1 ? n1 E 2 ? n2 I1 I2 ~U 1 ?? ?t ΔΦ Δt n1 U2 R n2 E1 n1 ? E 2 n2 铁芯 若不考虑原副线 原 U1线 副 线 圈 生活中需要各种电压的交流或直流电 额定工作电 额定工作电 用电器 用电器 压 压 随身听 机床上的照明灯 3V 36V 扫描仪 手机充电 器 防身器 12V 4.2V 4.4V 黑白电视机显像 管 5.3V 3000V 几万伏 录音机 彩色电视机显像 6V 9V 12V 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？ 理想变压器原副线圈的端电压之比等于 这两个线U1——升压变压器 2、n2 =n1 U2=U1——等压变压器 3、n2 n1 U2 U1——降压变压器 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。 二、绕组 变压器的电路，一般用绝缘铜线或铝线绕制而成。 三、油箱 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）。 四、绝缘套管 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。 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kVA，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 一、变压器型号 ? 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KVA，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KVA，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。 二、额定值 额定容量SN ( kVA ) 额定电流I1N 和I 2 N ( A ) 指铭牌规定的额定使用条 指在额定容量下，允许长期通 件下所能输出的视在功率。 过的额定电流。在三相变压器中指 的是线 N ( kV ) 指长期运行时所能承受的工作电压 U1N是指加在一次侧的额定电压,U 2 N 是指一次侧加 U1N , 二次的开路电压.对三相变压器指的是线电压 三者关系： 单相 : S N ? U1N I1N ? U 2 N I 2 N 三相 : S N ? 3U1N I1N ? 3U 2 N I 2 N 此外，额定值还有额定频率fN、效率η、温升T等。 4.3 单相变压器的空载运行 4.3.1、空载运行时的物理情况 U1 ? I 0 ? E 1 ? ? 0 ?) (I 2 ? ? 1? u1 ? U 1 U2 ? E 2 ? U 20 u2 ? E 1? ? U 1 ? I 0 ? ?I ?N F 0 0 1 ? ? 0 ? ? 1? ? E 1 ? E 2 ? E 1? ?R I 0 1 ?1 的电源，副边开路。 空载运行：原边接额定电压 U ?0 为空载电流，产生空载励磁磁势 原边绕组电流 I ?0 。 ?0 ? N1I ?0 → F ?0 产生主磁通 ? F 磁通分为两部分 ?1 和 E ? 2 。是变压器传 边和副边绕组,并感应出电势 E 递能量的主要媒介 ? 1 ——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 ? 0 ——主磁通流径闭合铁心，磁阻小，同时匝链了原 ? 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δ——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 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。 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： dN1? 0 d? 0 d? 1 ?? ? ? N1 dt dt dt dN2 ? 0 d? 0 d? 2 e2 ? ? ?? ? ?N2 dt dt dt d? 1? d?1? e1? ? ? ? ? N1 dt dt e1 ? ? E1 n1 ? E 2 n2 若不考虑原副线 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： 主磁通? 0 ? ? m sin ?t — ? 为磁通幅值 m 感应应电动势瞬 时值为 d? 0 e1 ? ? N1 ? ? N1?? m cos?t ? N1?? m sin(?t ? 90?) dt ? 2?fN1? m sin(?t ? 90?) ? E1m sin(?t ? 90?) e2 ? ? N 2 d? 0 ? ? N 2?? m cos?t ? N 2?? m sin(?t ? 90?) dt ? 2?fN 2 ? m sin(?t ? 90?) ? E2 m sin(?t ? 90?) 主磁通与感应电势的关系 ０ （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900 电动势有效值、相量表示法 ? 有效值 E1 ? E1m / 2 ? 2?fN1? m ? 4.44 fN1? m E2 ? E2 m / 2 ? 2?fN 2? m ? 4.44 fN 2? m ? 相量 ? ? ? j 4.44 fN ? ? E 1 1 m ? ? ? j 4.44 fN ? ? E 2 2 m 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： ? ? iL ? N? ，因此变压器原边漏 磁通链克表示为： ，式中 L1?是原绕组 ? 1? ? i0 L1? 的漏电感，为常数。故漏感应电动势可表示如下： d? 1? d (i0 L1? ) di0 e1? ? ? ?? ? ? L1? dt dt dt 设 i0 ? 2 I 0 sin ?t 代入上式得（并考虑 X 1? ? ?L1? ）： e1? ? 2I 0 X1? sin( ?t ? 90?) ? ? ? j?L I ? ? E 1? 1? 0 ? ? jI 0 X 1? 式中： X 1? N12 ? 2?f =常数，为一次绕组的漏电抗。 Rm? 二次绕组的漏磁通：由电流 链的磁通，用? 2 ? 表示。 i2 产生且仅与二次绕组相交 X 1? 和 X 2? 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： ? ? ? jX I? E 1? 1? 1 ? ? ? jX I? E 2? 2? 2 4.3.3 一次、二次侧电压 变压器一次侧等效电路如图 根据KVL： ? R I 1 1 + – + – + ? ?RI ? ?E ? ?E ? U 1 1 1 σ1 1 ? ? jX I ? ?E ? ?RI 1 1 1? 1 ? U 1 – ? ? E E 1 ?1 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)。 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 U ? ??E ? ? U ? E ? 4.44 f ? N 1 1 1 1 m 1 1 4.3 单相变压器的空载运行 4.3.1、空载运行时的物理情况 U1 ? I 0 ? E 1 ? ? 0 ?) (I 2 ? ? 1? u1 ? U 1 U2 ? E 2 ? U 20 u2 ? E 1? ? U 1 ? I 0 ? ?I ?N F 0 0 1 ? ? 0 ? ? 1? ? E 1 ? E 2 ? E 1? ?R I 0 1 对二次侧，根据KVL： + + – e 2 u + e1 –+ 2 u1– + e e 式中 R2 为二次绕组的电阻; – +σ 1 –2? – N2 N1 X2 ? =?L2? 为二次绕组的感抗； ? 为二次绕组的端电压。 U 2 变压器空载时: I 2 ? 0 , U 2 ? U 20 ? E2 ? 4.44 f ?m N 2 式中U20为变压器空载电压。 故有 ? ?R I ? ?E ? ?U ? E 2 2 2 2? 2 ? ? jX I ? ?U ? ? R2 I 2 2? 2 2 i1 ? i2 U 1 E1 N 1 ? ? ?K U 20 E 2 N 2 K为变比（匝比） 结论：改变匝数比，就能改变输出电压。 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）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． U1 n1 n 2 U2 (a)符号 (b)外形 (c)实际电路 手 柄 接 线 柱 自耦变压器的工作原理 U1 E1 N1 ≈ = =k U2 E2 N2 I1 + U1 N1 － － － E1 I2 － E2 + + N2 U2 RL + 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180? 。 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11315KW鼠笼型电动机自耦减压起动，起动完毕应将变压器 切除。 自耦变压器QZB系列 变压器SG/SBK系列 SG、SBK系列产品三相干式变压器 SG、SBK系列产品为三相干式变压器、它弥补了电力变压器输出电压单 一的不足，可满足各种电器设备不同电压的要求。根据用户的需要，提 供输出交流或直流电源( 加整流器)，分有箱体和无箱体两种。 额定容量有：300、500、750、1000、2500、3000、4000、5000、6000、 800 0VA 10KVA～300KVA 输入电压：660、380、220、127V 输出电压：380、220、127、110、36、24、12、6V 变压器DDG/DSG系列 DDG、DSG低电压大电流变压器 适用于负载试验，温升试验、加热等，可使电流升至数千或万余安培。本 产品初级电压一般为2 20、380或660V，次级电压及电流根据需要而选择。 本产品可配串、并联铜排、操作台、调压器等，使产品成套化，次级达到 无级调节。 变压器JMB/BK/JBK/BKC系列 变压器BK系列 用于50Hz的交流电路中，作为机床和机械设备中一般电器的控 制局部照明及指示灯等的电源之用。本变压器在额定负载下能长期工 作。 变压器初、次级绕组分开，当次级只有一个绕组时，它担负变压 器的全部额定容量；如次级兼有控制、照明及指示绕组时，则各绕组 容量之和等于变压器的额定容量，只有最大值电压等同于变压器的额 定容量。 变压器JBK系列 用于50-6Hz的交流电路中，作为机床和机械设备中一般电器的 控制局部照明及指示灯等的电源之用。变压器在额定负载下能长期工 作。 变压器初、次级绕组分开，当次级只有一个绕组时，它担负变压 器的全部额定容量；如次极兼有控制、照明及指示绕组时，则各绕组 容量之和等于变压器的额定容量。 变压器BKC系列 用于50Hz的交流电路中，作为机床和机械设备中一般电器的控制 局部照明及指示灯等的电源之用。变压器在额定负载下能长期工作。 变压器初、次级绕组分开，当次级只有一个绕组时，它担负变压器 的全部额定容量；如次极兼有控制、照明及指示绕组时，则各绕组容 量之和等于变压器的额定容量。 变压器R系列 R型变压器是当代国际上最新型的变压器产品此种变压器打破了传统 的C型、E型、环型变压器铁芯截面为方型的结构型式，采用了由一根由 窄到宽，由宽到窄均匀过渡的优质硅钢带连续卷绕而成，铁芯无切割，截 面近似圆形的结构型式。与传统的C 型、E型相比较具有漏磁小，温升低， 体积小，重量轻，无噪音等显著特点。R 型变压器可广泛应用于音响电视 广播设备、卫星接收机、复印机、计算机、医疗仪器、电子天平及各种电 子仪器设备等方面。 变压器BKZ系列 BKZ系列整流装置是由BK变压器和整流元件组合而成。 变压器适用于原边电压为220V或380V交流50Hz的电源，付 边经晶体管整流元件整流输出直流，用于蓄电池充电，以 及将交流变这直流电源整流设备上。 调压器TDGC2、TDGC2J系列 具有波形下不失真、体积小、重量轻、效率高、使用方便、可靠， 能长期运行等特点，可广泛用于工业（如化工、冶金、仪器仪表、 机电制造、轻工等），科学实验，工用设备，家用电器、控温调速、 调光、及功率控制等目的，是一种理想的交流调压源。 三相自耦变压器 2. 仪用互感器 互感器也是一种变压器，它可以 把不能直接测量的高电压，大电流 变换成低电压、小电流后再测量。 (一) 电压互感器 实现用低量程的电压表测量高电压 ~u（被测电压） R （匝数多） （匝数少） N1 N2 V 电压表 被测电压=电压表读数 ? N1/N2 电压互感器：把高电压变成低电压， 变压比U1／U2，在电路中的连接如 右图所示。 使用电压互感器时的注意事项 （1）电压互感器的二次绕组在使用时绝不允许短 路。如二次绕组短路，将产生很大的短路电流， 导致电压互感器烧坏。 （2）为保证操作人员的安全，电压互感器的铁心 和二次绕组的一端必须可靠接地以防在绝缘损坏 时，在二次侧出现高压。 （3）电压互感器具有一定的额定容量，在使用时， 二次侧不宜接入过多的仪表，否则超过电压互感 器的定额，使电压互感器内部阻抗压降增大，影 响测量的精确度。 (二) 电流互感器 实现用低量程的电流表测量大电流 i1 （被测电流） N1 N2 R 电流互感器的作用 电流互感器也属于仪 用互感器的范畴。同样用 来与仪表和继电器等低压 电器组成二次回路，对一 次回路进行测量、控制、 调节和保护。在电工测量 中主要用来按比例变换交 流电流。 电流互感器的基本结 构与工作原理和单相变压 器相类似。 （匝数少） （匝数多） i2 A 电流表 被测电流=电流表读数 ? N2/N1 把大电流变成小电流，变流比 I1 ／I2，在电 路中的连接如下图所示． 电流互感器的外形图和原理图 使用电流互感器的注意事项 （1）电流互感器的二次侧绝不允许开路。 因为如果二次侧开路，则电流互感器处于空载 运行状态，这时电流互感器一次绕组通过的电流就 成为励磁电流，使铁心中的磁通和铁耗猛增，导致 铁心发热烧坏绕组； 另外电流互感器产生的很大的磁通将在二次绕组 中感应出很高的电压，危及人身安全或破坏绕组绝 缘。因此在二次绕组中装卸仪表时，必须先将二次 绕组短路。 （2 ） 电流互感器的二次侧必须可靠接地，以防在 绝缘损坏时，在二次侧出现过压，以保证工作人员 及设备的安全。 3. 电焊变压器 对电焊变压器的要求 （1）电焊变压器应具有60~75V的空载电压， 以保证容易起弧，为了操作者的安全，电压 一般不超过85V。 （2）电焊变压器应具有迅速下降的外特性， 以适应电弧特性的要求。 （3）为了适应不同的焊件和不同的焊条，还 要求能够调节焊接电流的大小。 （4）短路电流不应过大，一般不超过额定电 流的两倍，在工作中电流要比较稳定，以免 损坏电焊机。 BX1系列交流弧焊机电路接线．构造： 变压器内部 返 回 上一页 下一页 电源用变压器 返 回 上一页 下一页 电源隔离变压器 返 回 上一页 下一页 自耦调压器 返 回 上一页 下一页 单相变压器 返 回 上一页 下一页 全密封配电变压器（10 kV） 返 回 上一页 下一页 S9 型配电变压器（10 kV） 返 回 上一页 下一页 S9 型配电变压器（10 kV） 返 回 上一页 下一页 大型电力油浸变压器 (110 kV) 返 回 上一页 下一页 大 型 电 力 油 浸 变 压 器 返 回 上一页 下一页 树脂浇注干式变压器 返 回 上一页 下一页 干式变压器 返 回 上一页 下一页 整流变压器 返 回 上一页
