变压器基本知识课件ppt课件

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第一章 变压器

学习目标:

1.掌握变压器的结构。

2.掌握变压器的工作原理。

3.掌握三相变压器的结构及连接组别。

4.能判断变压器故障,对一般故障能进行 修理与试验。 第一章 变压器

案例:电能的产生、输送与分配

图1-1 电力输送过程示意图 变压器

电源变压器

电力变压器

环形变压器

自耦调压器

控制变压器

三相干式变压器 1.1 变压器的用途与结构

1.1.1 变压器的用途及其分类作用:

变压器是用来改变交流电压大小的电气设备。

它是根 据电磁感应原理,把某一等级的交流电压变化成频率相同 的另一等级的交流电压,以满足不同负载的需要。

还可用 来改变电流、变换阻抗以及产生脉冲等。用途:

主要用于输配电系统,而且还广泛应用于电气控制领 域、电子技术领域,测试技术领域以及焊接技术领域等。 1.按用途分类

(1)电力变压器:用作电能的输送与分配。

(2)特种变压器。

在特殊场合使用的变压器,如作为焊接电源的电焊变压器;

专供大功率电炉使 用的电炉变压器;将交

流电整流成直流电时使用的整流变压器等。

(3)仪用互感器: 用于电工测量中,如电流 互感 器、电 压互感器等。

(4)控制变压器: 容量一般比较小,用于小功率电 源系统和自动控制系统。

(5)其他变压器

如高压变压器、调压变压器;

脉冲变压器 2.按绕组构成分类

双绕组变压器、三绕组变压器、多绕组变 压器和自耦变压器等。

3.按铁心结构分类 叠片式铁心、卷制式铁心、非晶合金铁心。

4.按相数分类 有单相变压器、三相变压器、多相变压器。

5.按冷却方式分类

有干式变压器、油浸自冷变压器、油浸风冷变 压器、强迫油循环变压器、充气式变压器等。 1.1.2 变压器的结构

根据用途不同,变压 器的结构也有所不同, 大功率电力变压器的 结构比较复杂,而多 数电力变压器是油浸 式的。

油浸式变压器 由绕组和铁芯组成器 身,为了解决散热、 绝缘、密封、安全等 问题,还需要油箱、 绝缘套管、储油柜、 冷却装置、压力释放 阀、安全气道、湿度 计、气体继电器等附 件,其结构如图1-2所 示。

图1-2 油浸式电力变压器 1.变压器绕组

变压器中的电路部分,小型变压器一般用具有 绝缘的漆包圆铜线绕制而成,对容量稍大的变 压器则用扁铜线或扁铝线绕制。(1).同心式绕组 按其绕制方法的不同又可分为 圆筒式、螺旋式和连续式

高、低压绕组同心地套 装在铁心柱上。

为了便 于与铁心绝缘,把低压 绕组套装在里面,高压 绕组套装在外面。 (2).交叠式绕组

将绕组分成若干 个线饼交替排列

又称饼式绕组优点:

漏抗小、机械强度高、 引线方便。

主要用在 低电压、大电流的变 压器上,如容量较大 的电炉变压器、电阻 电焊机(如点焊、滚 焊和对焊电焊机)变 压器等。 2.变压器铁芯

0.35 mm厚的硅钢片,减小铁耗。

构成变压器磁路系统,并作为变压器的机械骨架

磁轭 铁心柱

国产硅钢片 有热轧硅钢 片、冷轧无 取向硅钢片、 冷轧晶粒取 向硅钢片 心式变压器

壳式变压器 为了减小铁心 磁路的磁阻以 减小铁心损耗, 要求铁心装配 时,接缝处的 空气隙应越小 越好。

单相小容量变压器铁心形式 3.变压器的主要附件

(1)油箱和冷却装置

油箱内装变压器油

扁形散热油管 或片式散热器 帮助散热

10 000 kV·A的电力变压器,采用风吹冷却或强迫油 循环冷却装置。 储油柜:

通过连接管与 油箱相通使变 压器油与空气 的接触面积大 为减小,减缓 了变压器油的 老化速度

新型的全充油密封式电力变压器则取消了储油柜, 运行时变压器油的体积变化完全由设在侧壁的膨 胀式散热器(金属波纹油箱)来补偿。 (2)保护装置 (a)气体继电器

在油箱和储油柜之间的连接管中装有气体继电器, 当变压器发生故障时,内部绝缘物汽化,使气体继 电器动作,发出信号或使开关跳闸。

(b)防爆管(安全气道)

装在油箱顶部,它是一个长的圆形钢筒,上端 用酚醛纸板密封,下端与油箱连通。

若变压器发生 故障,使油箱内压力骤增时,油流冲破酚醛纸板, 以免造成变压器箱体爆裂。

近年来,国产电力变压 器已广泛采用压力释放阀来取代防爆管。 1.2 变压器的铭牌和额定值

1.2.1 铭 牌

正确地使用变压器的依据

电力变压器

产品型号 S7-500/10 标准代号XXXX 额定容量 500kV.A 产品代号XXXX 额定电压 10kV 出厂序号XXXX

额定频率 50Hz 3相 联结组标号 Y,

yn0 阻抗电压 4% 冷却方式 油冷 使用条件 户外开关 位置Ⅰ Ⅱ Ⅲ高压低压

电压/V 电流/A 电压/V 电流/A

10500 10000 950027.5 28.9 400 721.7 30.4

XX变压器厂 XX年XX月 1.2.2 额 定 值1.型号 2.额定电压U1N和U2NU1N:

加在一次绕组上的正常工作电压值。

根据 变压器的绝缘强度和允许发热等条件规定U2N:

变压器空载时,高压侧加上额定电压后, 二次绕组两端的电压值。

U2N不等于额定负载时的负载电压。

有一个电 压 额降定使电空压载在电三压相大变于压负器载中电是压指。线电压。 3.额定电流I1N和I2N

根据变压器容许发热的条件而规定的满载电流 值。

在三相变压器中额定电流是指线电流。

4.额定容量SN

变压器在额定工作状态下,二次绕组的视在 功率,其单位为kV·A。

单相变压器的额定容量 三相变压器的额定容量SNU2N I2N 1000kV?ASN

3U 2 N I2 N kV ? A 1000 5.联结组标号

三相变压器一、二次绕组的连接方式

Y(高压绕组作星形联结)、y(低压绕组作 星形联结);

D(高压绕组作三角形联结)、d(低压绕组作 三角形联结);

N(高压绕组作星形联结时的中性线)、 n(低压绕组作星形联结时的中性线)。 6.阻抗电压

又称为短路电压。

它标志在额定电流时变压器阻抗压降的大小。

通常用它与额定电压U1N的百分比来表示。 例1-1:一台三相油浸自冷式铝线变压器,

已知SN=560kV·A,U1N/U2N=10000V/400V, 试求一次、二次绕组的额定电流I1N 、I2N各是多大?解:I1N SN

560 103

32.33A

3U1N 3 10000I2N SN

560 103A 808.29A

3U2N 3 400 1.3 单相变压器的空载运行及负载运行

1.3.1 单相变压器的空载运行

1.单相变压器的基本工作原理

互相绝缘且匝数不同 只有磁的耦合而没有 电的联系 1.单相变压器的基本工作原理

根据电磁感应 原理 :e1=-N 1dΦ dte2=-N 2dΦ dt

改变一、二次绕组的匝数,就可达到 改变电压的目的。 第2四.空节载:运单行相时各变物压理器量的正空方载向运的规行定及负载运行

二次绕组开路 按照“电工惯例” 规定参考方向:

(1)电压的参考方向:在同一支路

中,电压的参考方向与电流的参考

方向一致。

(2)磁通的参考方向:磁通的参

考方向与电流的参考方向之间符合

右手螺旋定则。

(3)感应电动势的参考方向:由交

变磁通Ф产生的感应电动势e,其参考

方向与产生该磁通的电流参考方向一

致(即感应电动势e与产生它的磁通

Ф之间符合右手螺旋定则)。

参考方向的规定

按此参考方向列出的电磁感应定律方程: e=-N dΦdt 3.感应电动势和变比

设Φ=Φmsinωte==-dΦ=dt-Nd dt(Φmsinωt)ωNΦmcosωt= 2πfNΦm sin(ωt - 900)= Emsin(ωt 900)结论: e滞后于Φ900 有效值 :U1恒定时,变压器 铁心中的磁通ФmEEm = 2fN m22

4.44 fN m

基本上保持不变E1=4.44fN1Фm E2=4.44fN2ФmE1 N1 E2 N2

略去一次绕组中的阻抗不计 U1≈E1=4.44fN1ФmU1 U2E1 E2N1 N2KuKU2=E2=4.44fN2Фm

变压比,简称变比 4.变压器的空载电流和空载损耗???

I0 Iq Id

空载电流 (2~10)%IN

无功分量Iq,用

来建立磁场,起 励磁作用

有功分量Id,

用来供给变压 器铁心损耗

<10%I0 4.变压器的空载电流和空载损耗

空载损耗绝大部分是铁心损耗P0,即磁滞

损耗与涡流损耗,只有极少部分是一次绕

组电阻上的铜损耗I02R 。

可认为变压器的空载损耗就是变压器的 铁心损耗 5.空载运行时相量图

单相变压器电路原理图

理想变压器空载 运行相量图 例1—2:如图所示,低压照明变压器一次绕组

匝数N1=660匝,一次绕组电压Ul=220V,现 要求二次绕组输出电压U2=36V,求二次绕组 匝数N2及变比Ku解:N2U2 U1N1

36 220

660匝60匝=1KuU1 U2220 36 6.1

降压变压器: Ku>1 升压变压器: Ku<1 1.3.2 单相变压器的负载运行

1.磁动势平衡方程及变流比

一次绕组中电流变为i1

二次绕组中有电流

单相变压器负载运行 1.磁动势平衡方程及变流比

变压器负载运行时的磁通势平衡方程式:

因为电源电压不变,故负载时的磁势和空载时相同: ???N1 I1 N2 I2 N1 I0

忽略I0: N1I1 ≈ N2I2I1 I2N2 N11 KuKI

变压器的变流比结论:

变压器的高压绕组匝数多, 而通过的电流小,因此绕 组所用的导线细;

反之低 压绕组匝数少,通过的电 流大,所用的导线较粗。 2.变压器的外特性及电压变化率外特性:

一次绕组电压U1和负载的功率因数cosφ2一 定时,二次绕组电压U2与负载电流I2的关系.

超前的无功电 流产生增磁作 用使电压上升

滞后的无功电 流产生去磁作 用使电压下降

用标么值表示,便于不 同变压器之间比较 电压变化率:

用ΔU%来表示 额定负载时二次侧电压

ΔU% U2 N U2 100% U2N

二次侧空载电压 ΔU%反映供电电压的稳定性。

ΔU%越小,说明变压器二次绕组输出的电压越稳定。

常用变压器ΔU%为3%~5% 例1—3:某台供电电力变压器将U1N=10000V的高压降压后对负载供电,要求该变压器在额定

负载下的输出电压为U2=380V,该变压器的电压 变化率ΔU%=5%,求该变压器二次绕组的额

定电压U2N及变比K。解:

ΔU U2N 380 100% 5% U2NU2N=400V K=U1N/U2N=10000/400=25 3.变压器的损耗及效率

P1=U1I1COSφ1 P2=U2I2COSφ2 损耗ΔP =P1-P2=Pcu+PFe (1).铁损耗PFe

基本铁损耗 附加铁损耗

与U1有关,与负载电流无关,当U1不变时,

铁耗基本不变。

故铁耗称为不变损耗。 (2).铜损耗PCu

基本铜损耗

附加铜损耗

电流在一次、二次绕组 电阻上产生的损耗

漏磁通产生的集肤效应 使电流在导体内分布不 均匀而产生的额外损耗

铜损耗与负载电流的平方成正比, 所以铜损耗又称为“可变损耗” (3).效率ηP2 P1 100% P2P2 ΔP 100% P2P2Pcu+PFe 100%

中小型电力变压器效率在95%以上, 大型电力变压器效率可达99%以上. 例1-4:S9-500/10低损耗三相电力变压器额定

容量500kV·A,设功率因素为1,二次电压U2N= 400V,铁损耗PFe=0.98KW,额定负载时铜损耗PCu =4.1kW,求二次额定电流I2N及变压器效率η。解:I 2N SN 5001000 A 722A3U 2N3 400P2=SNCOSφ=500kWηP2 P1 100% P2P2 ΔP 100% P2P2Pcu+P Fe 100%500500

0 .98+ 4.1100%99% (4).效率特性

效率η也随负载电流I2的变化而变化的关系

不变损耗等于可变 损耗时,变压器的 效率最高。

通常最高效率位于

β=0.5∽0.6之间 I2I2N负载系数 1.3.3 变压器的阻抗变换作用Z U2 I2N2 N1U1N1 N2I1(N2 N1

)2 U1 I11 K2Z'Z' U1 I1

相当于直接接在 一次绕组上的等 效阻抗Z' K 2Z 输出变压器、线间变压器

阻抗匹配作用: 如使音响设备输出 的阻抗与扬声器的 阻抗尽量相等,以 获得最大的输出功 率。 例1—5:某晶体管收音机输出电路的输出阻抗

为Z/=392Ω,接入的扬声器阻抗为Z=8Ω,现

加接一个输出变压器使两者实现阻抗匹配,求

该变压器的变比K;

若该变压器一次绕组匝数 N1=560匝,问二次绕组匝数N2为多少?解:Z' 392K 7Z8N2N1 K

560 匝 = 8 0 匝 7 1.4 三相变压器

1.4.1 三相变压器磁路结构

三相变压器组 三相绕组接入对称的三相交流电源时,三相 绕组中产生的主磁通也是对称的,故三相磁 通之和等于零,因此中间铁心柱可以省略

三相心式变压器 1.4.2 三相变压器的极性与连接组

1.变压器的极性

同极性端或同名端: 变压器的一、二次绕组绕在同一个铁心上,当

同时交链的磁通Ф交变时,两个绕组中感应出

电动势,当一次绕组的某一端点瞬时电位为正 时,二次绕组也必有一电位为正的对应端点。

这两个对应的端点,称为同极性端或同名端, 通常用符号“· ”表示。 绕组电压为110V,电源电压为220V 时的连接方法 绕组电压为110V,电源电压为110V

时的连接方法

变压器绕组的正确连接图

绕组的错误连接

无感应电动势,将烧毁绕组 2.变压器极性的判定 (1)对两个绕向已知的绕组

绕向不同时, 同名端不同 2.变压器极性的判定(2)对一台已经制成的变压器U13=U12—U34,

则说明N1、N2组为 反极性串联, 故1和3为同名端。

如果U13=U12+U34,

则1和4为同名端。

交流法测定同名端 2.变压器极性的判定(2)对一台已经制成的变压器

直流法测定同名端

开关S合上的一瞬 间,如毫伏表指 针向正方向摆动, 则接直流电 源正极的端子与 接直流毫伏表正 极的端子为同名 端。 3.三相变压器的连接组

(1)三相变压器绕组的连接方法

绕组名称 高压绕组 低压绕组 中压绕组

单相变压器首端末端U1U2U1U1U1mU2m

三相变压器首端末端中性点U1、V1、 U2、V2、W1W2NU1、v1、 U2、v2、w1w2nU1m、U2m、

V1m、Wlm V2m、W2mNm

绕组的首端和末端的标记 三相绕组连接方法

字母表示: 旧标准:Y和△ 新标准: 高压Y,D,N 低压y ,d,n 联结组别

表示一次绕组线电压与二次绕组线电压之间的 相位关系。

一、二次绕组线电动势的相位差总是300的整 数倍。

因此,国际上规定,标志三相变压器 一、二次绕组线电动势的相位关系用时钟表 示法。 联结组别

规定一次绕组线电势E?UV

为长针,永远指向钟

面上的“12”,二次绕组线电势 E?uv为短针,

它指向钟面上的哪个数字,该数字则为该三

相变压器联结组别的标号。12?EUV标号为33 ?Euv 三相变压器一、二次绕组不同接法的组合形式有: Y,y;

YN,d;Y,d;

Y,yn;D,y;

D,d等, 其中最常用的组合形式有三种,即Y,yn;

YN,d 和Y,d 。

大容量的变压器通常采用Y,d或YN,d联结。

相电压只有线电压的1/ 3 ,当中性点引出接 地时,绕组对地的绝缘要求降低了.

容量不太大而且需要中性线的变压器,广泛 采用Y,yn联结,以适应照明与动力混合负 载需要的两种电压。 (2)Y,y联结组 Y,y0联结组 (2)Y,y联结组 Y,y6联结组 (3) Y,d联结组 Y,d11联结组 (3) Y,d联结组 Y,d1联结组 为了制造及运行方便的需要,国家标准规定了 三相电力变压器只采用五种标准联结组, 即Y,yn0、YN,d11、YN,y0、Y,y0和Y,dll。

Y,yn0

常用,它用于容量不大的三相配电变压器,低 压侧电压为400~230 V,用以供给动力和照明 的混合负载。

一般这种变压器的最大容量为 1800kV·A,高压侧的额定电压不超过35kV 1.4.3 三相变压器并联运行

并联运行: 几台三相变压器的高压绕组及低压绕组分别 连接到高压电源及低压电源母线上,共同向 负载供电的运行方式。

在变电站中,总的负载经常由两台或多台 三相电力变压器并联供电 并联运行的变压器必须满足以下条件:

(1)一、二次绕组电压应相等,即变比 应相等。

(2)联结组别必须相同。

(3)短路阻抗(即短路电压)应相等。 1.变比不等时的并联运行

电流大, 可能超过 额定值

电流小于额定值K1<K2 E1>E2???

E E1 E2

两个二次绕组之间形成环流Ic,

这个电流称为平衡电流。E IC ZS1 ZS2

平衡电流大 短路阻抗小

变压比误差不允许超过±0.5% 2.联结组别不同时变压器的并联运行后果:

线电压的相位差至少 为300,因此会产生很

大的电压差ΔU2

如Y,y0和Y,dll两台 变压器并联,ΔU 22U 2Nsin300 2=

0.518U2N

二次绕组中产生比额定电流大得多 的空载环流,导致变压器损坏。 3.短路阻抗(短路电压)不等时变压器的 并联运行

容量相同、变比相等、联结组别 也相同,但短路阻抗不等:ZS1I1=Zs2I2E2相等,U2相等

负为载合电理流分的配分负配载与,各防台止变小压容器量的 短变路压阻器抗过成载反,比大.容量的变压器得 并不联到运充行分的利变用压,器要其求短投路入电并压联比运 不行应的超各过变1压0%器。

,最大容量与最小

容量之比不宜超过三比一 1.5 特殊用途变压器 1.5.1 自耦变压器

1.结构特点及用途

一二次绕组不仅有磁耦合 还有电的直接连接 2.电压、电流及容量关系U1≈E1=4.44fN1Фm U2=E2=4.44fN2ФmU1 U2E1 E2N1 N2KuK

负载时的磁势平衡方程式:???N1 I1 N2 I2 N1 I0

忽略空载磁通势,则??N1 I1 N2 I2 0??I1N2 N1?I2I2 K

结论: 自耦变压器一、二次绕组中的电流大小与 匝数成反比,在相位上互差1800. 2.电压、电流及容量关系

流经公共绕组中的电流I的大小为 :

I=I2-I1结论:

当变比K接近于1时, I很小,这部分绕组

可用截面积较小的 导线绕制,以节约 用铜量,并减小自 耦变压器的体积与 重量。 2.电压、电流及容量关系

自耦变压器输出的视在功率为:

S2=U2I2=U2(I+I1)=U2I+U2I1I1只在一部分绕组的电阻上产生铜损耗,因此自耦变

压器的损耗比普通变压器要小,效率较高,因而较为经济。

K一般介于1.2~2间,此时变压器优势较明显。

应用举例:

电力系统中,用自耦变压器把110 kV、150 kV、220 kV和 330kV的高压电力系统连接成大规模的动力系统。 2.电压、电流及容量关系

自耦变压器的缺点:高压侧的电气故障会波及到低压侧,很不 安全。

因此自耦变压器在使用时必须正确 接线,且外壳必须接地,并规定安全照明 变压器不允许采用自耦变压器结构形式。 例:实验室中常用的单相调压器,一次绕组输入

电压U1=220V,二次绕组输出电压U2=0~250V

自耦调压器 输出电压可调,可稍高于 一次绕组电压 1.5.2电流互感器

在电工测量中用来按比例变换交流电流的仪器

串在电路中, 流过被测电流 匝数少,导线 粗。I1 I2N2 N1 KII1 KII2 量程及读数:

二次电流表量程一般为5A。

实际中已换算成 一次电流,其标度尺即按一次电流分度,这 样可以直接读数,不必再进行换算。 电流互感器使用注意事项:

电流互感器的铁 心及二次绕组一 端必须可靠接地

二次绕组绝对 不允许开路 利用电流互感器原理

钳形电流表 如被测电流过小,可将被测导线在钳口内多绕 几圈,然后将读数除以所绕匝数 精度:

用电流互感器进行电流测量时存在一定的 误差,根据误差的大小,电流互感器分下 列各级:0.2、0.5、1.0、3.0、10.0。

如0.5级的电流互感器表示在额定电流时, 测量误差最大不超过±0.5% 1.5.3电压互感器 在电工测量中用来按比例变换交流电压的仪器

实际上是一台降压变压器K=uU U1 2N1 N2

二次电压表量程 一般为100V 。

实际中已换算成 一次电压,其标 度尺即按一次电 压分度,可以直 接读数,不需换 算。 电压互感器使用注意事项:

二次回路应串 入熔体电流小 二于次2A绕的组熔绝断对器 不允许短路 电压互使感用器时的二铁次绕组回路不宜 心及二接次入绕过组多一的仪表,以免影 端必须响可电靠压接互地感器的测量精度 例1—6: 用变压比为10 000/100 V的电压互 感器,变流比为100/5 A的电流互感器扩大量 程,其电流表读数为3.5 A,电压表读数为96V, 试求被测电路的电流、电压各为多少?解: 因为电流互感器负载电流等于电流表读数乘上 电流互感器电流比,即I1N2 N1I2KII2

100 3.5A 570A

电压互感器所测高电压等于电压表读数乘上变比,即U1N1 N2U2K uU 2

10000 96V 100

9600V

被测电路的电流为70A,电压为9600V 1.5.4 电焊变压器

电焊变压器是交流弧焊机的主要组成部分, 它实质上是一台特殊的降压变压器。

为了保证焊接质量和电弧的稳定燃烧,对电 焊变压器的要求:12..电在焊负变载压时器,在电空压载应时随,负应 有载一的定增的大空而载急电剧压下,降通,常即

U应o=有6陡0~降7的5 外V左特右性,。

以通保常证

起在弧额容定易负。

载另时一的方输面出,电为压了 操约作30者V左的右安全,空载起弧电 4.为了适应不同的焊接工件和不同压焊又不能太高,最高不宜超

3条.短的路需电要流,I要SC不求应电过焊大变,压器输出的过电85V

以流免能损在坏一电定焊范机围内进行调节 电焊变压器的结构特点 : 电焊变压器必须具有较大的漏抗,而且可以进 行调节故铁心的气隙比较大,一次、二次绕组 分装在不同的铁心柱上,用磁分路法、串联可 变电抗器法及改变二次绕组的接法等来调节焊 接电流。

常用形式:

抽头式 可动铁心式 可动线圈式 综合式 BXl系列磁分路动 铁心式弧焊机外形图 二次绕组分为两部分。

一部分和一次绕组接在同一侧, 另一部分绕在铁心的另一侧,相当于电感。

焊接电流粗调

串电及次串二及入抗一抗绕入次一所线半线组所绕半有圈二圈有组电

焊接电流的细调节:通过手轮移动铁心的位置, 改变漏抗,从而得到均匀的电流调节。