變壓器基本知識課件

變壓器基本知識課件第一頁，共87頁。案例：電能的產生、輸送與分配

第一章變壓器圖1-1電力輸送過程示意圖

第一頁第二頁，共87頁。變壓器電源變壓器電力變壓器環(huán)形變壓器自耦調壓器控制變壓器三相干式變壓器第二頁第三頁，共87頁。第三頁第四頁，共87頁。作用：

變壓器是用來改變交流電壓大小的電氣設備。它是根據電磁感應原理，把某一等級的交流電壓變化成頻率相同的另一等級的交流電壓，以滿足不同負載的需要。還可用來改變電流、變換阻抗以及產生脈沖等。

1.1變壓器的用途與結構

1.1.1變壓器的用途及其分類用途：

主要用于輸配電系統(tǒng)，而且還廣泛應用于電氣控制領域、電子技術領域，測試技術領域以及焊接技術領域等。第四頁第五頁，共87頁。1．按用途分類（1）電力變壓器:用作電能的輸送與分配。（2）特種變壓器。

在特殊場合使用的變壓器，如作為焊接電源的電焊變壓器；專供大功率電爐使用的電爐變壓器；將交流電整流成直流電時使用的整流變壓器等。（3）儀用互感器:用于電工測量中，如電流互感器、電壓互感器等。（4）控制變壓器:容量一般比較小，用于小功率電源系統(tǒng)和自動控制系統(tǒng)。（5）其他變壓器

如高壓變壓器、調壓變壓器；脈沖變壓器第五頁第六頁，共87頁。雙繞組變壓器、三繞組變壓器、多繞組變壓器和自耦變壓器等。疊片式鐵心、卷制式鐵心、非晶合金鐵心。2．按繞組構成分類3．按鐵心結構分類4．按相數分類有單相變壓器、三相變壓器、多相變壓器。5．按冷卻方式分類有干式變壓器、油浸自冷變壓器、油浸風冷變壓器、強迫油循環(huán)變壓器、充氣式變壓器等。第六頁第七頁，共87頁。1.1.2變壓器的結構根據用途不同，變壓器的結構也有所不同，大功率電力變壓器的結構比較復雜，而多數電力變壓器是油浸式的。油浸式變壓器由繞組和鐵芯組成器身，為了解決散熱、絕緣、密封、安全等問題，還需要油箱、絕緣套管、儲油柜、冷卻裝置、壓力釋放閥、安全氣道、濕度計、氣體繼電器等附件，其結構如圖1-2所示。圖1-2油浸式電力變壓器第七頁第八頁，共87頁。1．變壓器繞組

變壓器中的電路部分，小型變壓器一般用具有絕緣的漆包圓銅線繞制而成，對容量稍大的變壓器則用扁銅線或扁鋁線繞制。(1)．同心式繞組高、低壓繞組同心地套裝在鐵心柱上。為了便于與鐵心絕緣，把低壓繞組套裝在里面，高壓繞組套裝在外面。按其繞制方法的不同又可分為圓筒式、螺旋式和連續(xù)式

第八頁第九頁，共87頁。(2)．交疊式繞組將繞組分成若干個線餅交替排列又稱餅式繞組漏抗小、機械強度高、引線方便。主要用在低電壓、大電流的變壓器上，如容量較大的電爐變壓器、電阻電焊機（如點焊、滾焊和對焊電焊機）變壓器等。優(yōu)點:第九頁第十頁，共87頁。2．變壓器鐵芯構成變壓器磁路系統(tǒng)，并作為變壓器的機械骨架

鐵心柱

磁軛0.35mm厚的硅鋼片，減小鐵耗。國產硅鋼片有熱軋硅鋼片、冷軋無取向硅鋼片、冷軋晶粒取向硅鋼片第十頁第十一頁，共87頁。心式變壓器殼式變壓器第十一頁第十二頁，共87頁。單相小容量變壓器鐵心形式為了減小鐵心磁路的磁阻以減小鐵心損耗，要求鐵心裝配時，接縫處的空氣隙應越小越好。第十二頁第十三頁，共87頁。（1）油箱和冷卻裝置油箱內裝變壓器油扁形散熱油管或片式散熱器幫助散熱10000kV·A的電力變壓器，采用風吹冷卻或強迫油循環(huán)冷卻裝置。3．變壓器的主要附件第十三頁第十四頁，共87頁。儲油柜：通過連接管與油箱相通使變壓器油與空氣的接觸面積大為減小，減緩了變壓器油的老化速度新型的全充油密封式電力變壓器則取消了儲油柜，運行時變壓器油的體積變化完全由設在側壁的膨脹式散熱器（金屬波紋油箱）來補償。第十四頁第十五頁，共87頁。（2）保護裝置在油箱和儲油柜之間的連接管中裝有氣體繼電器，當變壓器發(fā)生故障時，內部絕緣物汽化，使氣體繼電器動作，發(fā)出信號或使開關跳閘。（a）氣體繼電器（b）防爆管（安全氣道）

裝在油箱頂部，它是一個長的圓形鋼筒，上端用酚醛紙板密封，下端與油箱連通。若變壓器發(fā)生故障，使油箱內壓力驟增時，油流沖破酚醛紙板，以免造成變壓器箱體爆裂。近年來，國產電力變壓器已廣泛采用壓力釋放閥來取代防爆管。第十五頁第十六頁，共87頁。1.2變壓器的銘牌和額定值

1.2.1銘牌正確地使用變壓器的依據電力變壓器產品型號S7-500／10標準代號XXXX額定容量500kV.A產品代號XXXX額定電壓10kV出廠序號XXXX額定頻率50Hz3相聯(lián)結組標號Y，yn0阻抗電壓4％冷卻方式油冷使用條件戶外開關位置

高壓

低壓

電壓／V電流／A電壓／V電流/AⅠ1050027．5Ⅱ1000028．9400721．7Ⅲ950030．4XX變壓器廠XX年XX月第十六頁第十七頁，共87頁。1.2.2額定值1.型號第十七頁第十八頁，共87頁。2.額定電壓U1N和U2N

U1N：加在一次繞組上的正常工作電壓值。根據變壓器的絕緣強度和允許發(fā)熱等條件規(guī)定U2N：變壓器空載時，高壓側加上額定電壓后，二次繞組兩端的電壓值。U2N不等于額定負載時的負載電壓。有一個電壓降使空載電壓大于負載電壓。額定電壓在三相變壓器中是指線電壓。第十八頁第十九頁，共87頁。3.額定電流I1N和I2N

根據變壓器容許發(fā)熱的條件而規(guī)定的滿載電流值。在三相變壓器中額定電流是指線電流。4.額定容量SN

變壓器在額定工作狀態(tài)下，二次繞組的視在功率，其單位為kV·A。單相變壓器的額定容量三相變壓器的額定容量第十九頁第二十頁，共87頁。5.聯(lián)結組標號三相變壓器一、二次繞組的連接方式

Y（高壓繞組作星形聯(lián)結）、y（低壓繞組作星形聯(lián)結）；D（高壓繞組作三角形聯(lián)結）、d（低壓繞組作三角形聯(lián)結）；N（高壓繞組作星形聯(lián)結時的中性線）、n（低壓繞組作星形聯(lián)結時的中性線）。第二十頁第二十一頁，共87頁。6.阻抗電壓又稱為短路電壓。它標志在額定電流時變壓器阻抗壓降的大小。通常用它與額定電壓U1N的百分比來表示。第二十一頁第二十二頁，共87頁。例1－1：一臺三相油浸自冷式鋁線變壓器，已知SN＝560kV·A，U1N/U2N=10000V/400V，試求一次、二次繞組的額定電流I1N

、I2N各是多大?解：第二十二頁第二十三頁，共87頁?；ハ嘟^緣且匝數不同只有磁的耦合而沒有電的聯(lián)系1.3單相變壓器的空載運行及負載運行1.3.1單相變壓器的空載運行1．單相變壓器的基本工作原理第二十三頁第二十四頁，共87頁。根據電磁感應原理：改變一、二次繞組的匝數，就可達到改變電壓的目的。1．單相變壓器的基本工作原理第二十四頁第二十五頁，共87頁。第四節(jié)：單相變壓器的空載運行及負載運行2.空載運行時各物理量正方向的規(guī)定二次繞組開路第二十五頁第二十六頁，共87頁。按照“電工慣例”規(guī)定參考方向：（1）電壓的參考方向：在同一支路中，電壓的參考方向與電流的參考方向一致。（2）磁通的參考方向：磁通的參考方向與電流的參考方向之間符合右手螺旋定則。（3）感應電動勢的參考方向：由交變磁通Ф產生的感應電動勢e，其參考方向與產生該磁通的電流參考方向一致（即感應電動勢e與產生它的磁通

Ф之間符合右手螺旋定則）。參考方向的規(guī)定按此參考方向列出的電磁感應定律方程：第二十六頁第二十七頁，共87頁。3.感應電動勢和變比設Φ＝Φmsinωte滯后于Φ900結論：第二十七頁第二十八頁，共87頁。有效值：E1=4.44fN1ФmE2=4.44fN2Фm略去一次繞組中的阻抗不計U1≈E1＝4.44fN1Фm

U2＝E2=4.44fN2Фm

變壓比，簡稱變比U1恒定時，變壓器鐵心中的磁通Фm基本上保持不變第二十八頁第二十九頁，共87頁。4.變壓器的空載電流和空載損耗空載電流（2～10）％IN

無功分量Iq，用來建立磁場，起勵磁作用有功分量Id，用來供給變壓器鐵心損耗<10％I0

第二十九頁第三十頁，共87頁。4.變壓器的空載電流和空載損耗空載損耗絕大部分是鐵心損耗P0，即磁滯損耗與渦流損耗，只有極少部分是一次繞組電阻上的銅損耗I02R

。可認為變壓器的空載損耗就是變壓器的鐵心損耗

第三十頁第三十一頁，共87頁。5.空載運行時相量圖單相變壓器電路原理圖理想變壓器空載運行相量圖第三十一頁第三十二頁，共87頁。

例1—2：如圖所示，低壓照明變壓器一次繞組匝數N1＝660匝，一次繞組電壓Ul＝220V，現要求二次繞組輸出電壓U2＝36V，求二次繞組匝數N2及變比Ku解：降壓變壓器：Ku>1升壓變壓器:Ku<1第三十二頁第三十三頁，共87頁。1.3.2單相變壓器的負載運行單相變壓器負載運行二次繞組中有電流一次繞組中電流變?yōu)閕1

1．磁動勢平衡方程及變流比第三十三頁第三十四頁，共87頁。變壓器負載運行時的磁通勢平衡方程式:因為電源電壓不變，故負載時的磁勢和空載時相同：N1I1≈N2I2忽略I0:變壓器的變流比變壓器的高壓繞組匝數多，而通過的電流小，因此繞組所用的導線細；反之低壓繞組匝數少，通過的電流大，所用的導線較粗。結論：1．磁動勢平衡方程及變流比第三十四頁第三十五頁，共87頁。外特性:一次繞組電壓U1和負載的功率因數cosφ2一定時，二次繞組電壓U2與負載電流I2的關系.滯后的無功電流產生去磁作用使電壓下降超前的無功電流產生增磁作用使電壓上升用標么值表示，便于不同變壓器之間比較2．變壓器的外特性及電壓變化率第三十五頁第三十六頁，共87頁。電壓變化率：用ΔU％來表示

二次側空載電壓額定負載時二次側電壓ΔU％反映供電電壓的穩(wěn)定性。ΔU％越小，說明變壓器二次繞組輸出的電壓越穩(wěn)定。常用變壓器ΔU％為3％～5％

第三十六頁第三十七頁，共87頁。例1—3：某臺供電電力變壓器將U1N=10000V的高壓降壓后對負載供電，要求該變壓器在額定負載下的輸出電壓為U2=380V，該變壓器的電壓變化率ΔU％＝5％，求該變壓器二次繞組的額定電壓U2N及變比K。

解：U2N=400VK=U1N/U2N=10000/400=25第三十七頁第三十八頁，共87頁。3.變壓器的損耗及效率P1=U1I1COSφ1P2=U2I2COSφ2損耗ΔP

＝P1-P2=Pcu+PFe（1）．鐵損耗PFe基本鐵損耗附加鐵損耗與U1有關，與負載電流無關，當U1不變時，鐵耗基本不變。故鐵耗稱為不變損耗。第三十八頁第三十九頁，共87頁。（2）．銅損耗PCu基本銅損耗附加銅損耗電流在一次、二次繞組電阻上產生的損耗漏磁通產生的集膚效應使電流在導體內分布不均勻而產生的額外損耗銅損耗與負載電流的平方成正比，所以銅損耗又稱為“可變損耗”（3）．效率中小型電力變壓器效率在95％以上，大型電力變壓器效率可達99％以上.第三十九頁第四十頁，共87頁。例1－4：S9－500/10低損耗三相電力變壓器額定容量500kV·A，設功率因素為1,二次電壓U2N=400V，鐵損耗PFe=0.98KW，額定負載時銅損耗PCu＝4.1kW，求二次額定電流I2N及變壓器效率η。P2=SNCOSφ=500kW解：第四十頁第四十一頁，共87頁。（4）．效率特性效率η也隨負載電流I2的變化而變化的關系負載系數不變損耗等于可變損耗時，變壓器的效率最高。通常最高效率位于β=0.5∽0.6之間第四十一頁第四十二頁，共87頁。相當于直接接在一次繞組上的等效阻抗1.3.3變壓器的阻抗變換作用第四十二頁第四十三頁，共87頁。輸出變壓器、線間變壓器阻抗匹配作用：如使音響設備輸出的阻抗與揚聲器的阻抗盡量相等，以獲得最大的輸出功率。第四十三頁第四十四頁，共87頁。例1—5：某晶體管收音機輸出電路的輸出阻抗為Z/=392Ω，接入的揚聲器阻抗為Z=8Ω，現加接一個輸出變壓器使兩者實現阻抗匹配，求該變壓器的變比K；若該變壓器一次繞組匝數N1=560匝，問二次繞組匝數N2為多少?解：第四十四頁第四十五頁，共87頁。1.4三相變壓器

三相變壓器組1.4.1三相變壓器磁路結構

第四十五頁第四十六頁，共87頁。三相心式變壓器三相繞組接入對稱的三相交流電源時，三相繞組中產生的主磁通也是對稱的，故三相磁通之和等于零，因此中間鐵心柱可以省略第四十六頁第四十七頁，共87頁。1.變壓器的極性同極性端或同名端：變壓器的一、二次繞組繞在同一個鐵心上，當同時交鏈的磁通Ф交變時，兩個繞組中感應出電動勢，當一次繞組的某一端點瞬時電位為正時，二次繞組也必有一電位為正的對應端點。這兩個對應的端點，稱為同極性端或同名端，通常用符號“·”表示。1.4.2三相變壓器的極性與連接組第四十七頁第四十八頁，共87頁。變壓器繞組的正確連接圖繞組的錯誤連接繞組電壓為110V，電源電壓為220V時的連接方法繞組電壓為110V，電源電壓為110V時的連接方法無感應電動勢，將燒毀繞組第四十八頁第四十九頁，共87頁。2.變壓器極性的判定(1)對兩個繞向已知的繞組繞向不同時，同名端不同第四十九頁第五十頁，共87頁。2.變壓器極性的判定(2)對一臺已經制成的變壓器

交流法測定同名端U13＝U12—U34，則說明N1、N2組為反極性串聯(lián)，故1和3為同名端。如果U13＝U12＋U34，則1和4為同名端。第五十頁第五十一頁，共87頁。2.變壓器極性的判定(2)對一臺已經制成的變壓器直流法測定同名端開關S合上的一瞬間，如毫伏表指針向正方向擺動，則接直流電源正極的端子與接直流毫伏表正極的端子為同名端。第五十一頁第五十二頁，共87頁。（1）三相變壓器繞組的連接方法

繞組名稱

單相變壓器

三相變壓器

中性點

首端

末端

首端

末端

高壓繞組U1U2U1、V1、W1U2、V2、W2N

低壓繞組U1U1U1、v1、w1U2、v2、w2n

中壓繞組U1mU2mU1m、V1m、WlmU2m、V2m、W2mNm

繞組的首端和末端的標記3.三相變壓器的連接組第五十二頁第五十三頁，共87頁。三相繞組連接方法字母表示：舊標準：Y和△高壓Y，D，N低壓y,d，n新標準：第五十三頁第五十四頁，共87頁。聯(lián)結組別表示一次繞組線電壓與二次繞組線電壓之間的相位關系。一、二次繞組線電動勢的相位差總是300的整數倍。因此，國際上規(guī)定，標志三相變壓器一、二次繞組線電動勢的相位關系用時鐘表示法。第五十四頁第五十五頁，共87頁。規(guī)定一次繞組線電勢為長針，永遠指向鐘面上的“12”，二次繞組線電勢為短針，它指向鐘面上的哪個數字，該數字則為該三相變壓器聯(lián)結組別的標號。聯(lián)結組別標號為3123第五十五頁第五十六頁，共87頁。三相變壓器一、二次繞組不同接法的組合形式有：Y，y；YN，d；Y，d；Y，yn；D，y；D，d等，其中最常用的組合形式有三種，即Y，yn；YN，d和Y，d

。大容量的變壓器通常采用Y，d或YN，d聯(lián)結。容量不太大而且需要中性線的變壓器，廣泛采用Y，yn聯(lián)結，以適應照明與動力混合負載需要的兩種電壓。

相電壓只有線電壓的1／，當中性點引出接地時，繞組對地的絕緣要求降低了.第五十六頁第五十七頁，共87頁。Y,y0聯(lián)結組（2）Y，y聯(lián)結組第五十七頁第五十八頁，共87頁。Y,y6聯(lián)結組（2）Y，y聯(lián)結組第五十八頁第五十九頁，共87頁。Y,d11聯(lián)結組（3）Y，d聯(lián)結組第五十九頁第六十頁，共87頁。Y,d1聯(lián)結組（3）Y，d聯(lián)結組第六十頁第六十一頁，共87頁。為了制造及運行方便的需要，國家標準規(guī)定了三相電力變壓器只采用五種標準聯(lián)結組，即Y，yn0、YN，d11、YN，y0、Y，y0和Y，dll。常用，它用于容量不大的三相配電變壓器，低壓側電壓為400～230V，用以供給動力和照明的混合負載。一般這種變壓器的最大容量為1800kV·A，高壓側的額定電壓不超過35kVY，yn0第六十一頁第六十二頁，共87頁。并聯(lián)運行：幾臺三相變壓器的高壓繞組及低壓繞組分別連接到高壓電源及低壓電源母線上，共同向負載供電的運行方式。在變電站中，總的負載經常由兩臺或多臺三相電力變壓器并聯(lián)供電1.4.3三相變壓器并聯(lián)運行第六十二頁第六十三頁，共87頁。（1）一、二次繞組電壓應相等，即變比應相等。（2）聯(lián)結組別必須相同。（3）短路阻抗（即短路電壓）應相等。并聯(lián)運行的變壓器必須滿足以下條件：第六十三頁第六十四頁，共87頁。電流大，可能超過額定值1.變比不等時的并聯(lián)運行K1<K2E1>E2

兩個二次繞組之間形成環(huán)流Ic，這個電流稱為平衡電流。短路阻抗小平衡電流大電流小于額定值變壓比誤差不允許超過±0.5％第六十四頁第六十五頁，共87頁。2.聯(lián)結組別不同時變壓器的并聯(lián)運行線電壓的相位差至少為300，因此會產生很大的電壓差ΔU2

如Y，y0和Y，dll兩臺變壓器并聯(lián)，二次繞組中產生比額定電流大得多的空載環(huán)流，導致變壓器損壞。后果：第六十五頁第六十六頁，共87頁。3.短路阻抗（短路電壓）不等時變壓器的并聯(lián)運行ZS1I1=Zs2I2E2相等，U2相等

容量相同、變比相等、聯(lián)結組別也相同，但短路阻抗不等：負載電流的分配與各臺變壓器的短路阻抗成反比.并聯(lián)運行的變壓器其短路電壓比不應超過10％。為合理分配負載，防止小容量的變壓器過載，大容量的變壓器得不到充分利用，要求投入并聯(lián)運行的各變壓器，最大容量與最小容量之比不宜超過三比一第六十六頁第六十七頁，共87頁。1.5特殊用途變壓器1.5.1自耦變壓器1.結構特點及用途一二次繞組不僅有磁耦合還有電的直接連接第六十七頁第六十八頁，共87頁。2.電壓、電流及容量關系U1≈E1＝4.44fN1ФmU2＝E2＝4.44fN2Фm負載時的磁勢平衡方程式：忽略空載磁通勢，則自耦變壓器一、二次繞組中的電流大小與匝數成反比，在相位上互差1800.結論:第六十八頁第六十九頁，共87頁。流經公共繞組中的電流I的大小為:I=I2－I1當變比K接近于1時，I很小，這部分繞組可用截面積較小的導線繞制，以節(jié)約用銅量，并減小自耦變壓器的體積與重量。結論：2.電壓、電流及容量關系第六十九頁第七十頁，共87頁。2.電壓、電流及容量關系S2=U2I2=U2（I+I1）=U2I+U2I1自耦變壓器輸出的視在功率為：I1只在一部分繞組的電阻上產生銅損耗，因此自耦變壓器的損耗比普通變壓器要小，效率較高，因而較為經濟。K一般介于1.2～2間，此時變壓器優(yōu)勢較明顯。應用舉例：電力系統(tǒng)中，用自耦變壓器把110kV、150kV、220kV和330kV的高壓電力系統(tǒng)連接成大規(guī)模的動力系統(tǒng)。第七十頁第七十一頁，共87頁。自耦變壓器的缺點：高壓側的電氣故障會波及到低壓側，很不安全。因此自耦變壓器在使用時必須正確接線，且外殼必須接地，并規(guī)定安全照明變壓器不允許采用自耦變壓器結構形式。2.電壓、電流及容量關系第七十一頁第七十二頁，共87頁。自耦調壓器輸出電壓可調，可稍高于一次繞組電壓例：實驗室中常用的單相調壓器，一次繞組輸入電壓U1＝220V，二次繞組輸出電壓U2＝0～250V第七十二頁第七十三頁，共87頁。1.5.2電流互感器在電工測量中用來按比例變換交流電流的儀器串在電路中，流過被測電流匝數少，導線粗。第七十三頁第七十四頁，共87頁。量程及讀數：二次電流表量程一般為5A。實際中已換算成一次電流，其標度尺即按一次電流分度，這樣可以直接讀數，不必再進行換算。第七十四頁第七十五頁，共87頁。電流互感器使用注意事項：二次繞組絕對不允許開路電流互感器的鐵心及二次繞組一端必須可靠接地第七十五頁第七十六頁，共87頁。鉗形電流表利用電流互感器原理如被測電流過小，可將被測導線在鉗口內多繞幾圈，然后將讀數除以所繞匝數第七十六頁第七十七頁，共87頁。用電流互感器進行電流測量時存在一定的誤差，根據誤差的大小，電流互感器分下列各級：0.2、0.5、1.0、3.0、10.0。如0.5級的電流互感器表示在額定電流時，測量誤差最大不超過±0.5％精度：第七十七頁第七十八頁，共87頁。1.5.3電壓互感器在電工測量中用來按比例變換交流電壓的儀器實際上是一臺降壓變壓器二次電壓表量程一般為100V。實際中已換算成一次電壓，其標度尺即按一次電壓分度，可以直接讀數，不需換算。第七十八頁第七十九頁，共87頁。電壓互感器使用注意事項：二次繞組絕對不允許短路電壓互感器的鐵心及二次繞組一端必須可靠接地使用時二次繞組回路不宜接入