變壓器的基本原理和結構

關于變壓器的基本原理和結構目錄緒論第一篇變壓器第二篇異步電動機第三篇同步電機第四篇直流電機第2頁,共76頁，2024年2月25日，星期天緒論

主要內容：（1）電機及電力拖動系統(tǒng)概述（2）電機及電力拖動在國民經濟中的作用（3）本課程的性質、任務、內容和特點（4）本課程常用的電磁定律與公式

第3頁,共76頁，2024年2月25日，星期天

電機常用的分類方式有兩種：一是按功能分，有發(fā)電機、電動機、變壓器和控制電機四大類；二是按電機結構或轉速分，有變壓器和旋轉電機。0.1電機及電力拖動系統(tǒng)概述第4頁,共76頁，2024年2月25日，星期天電機變壓器直流電機直流發(fā)電機直流電動機交流電機控制電機同步電機

同步發(fā)電機異步電機異步發(fā)電機異步電動機靜止電機旋轉電機

同步電動機第5頁,共76頁，2024年2月25日，星期天

■電機拖動系統(tǒng)是用電動機來拖動機械運行的系統(tǒng)。包括：電動機、傳動機構、生產機械、控制設備和電源五個部分。它們之間的關系如下

電動機傳動機構生產負載控制設備電源第6頁,共76頁，2024年2月25日，星期天0.2電機及電力拖動在國民經濟中的作用

■電能是國民經濟中應用最為廣泛的能源，而電能的產生、傳輸、分配和使用等各個環(huán)節(jié)都依賴于各種各樣的電機;

■用電機來拖動生產機械稱為電力拖動，它是生產過程電氣化、國民經濟各部門中采用最多最普遍的拖動方式自動化的重要前提。由此可見，電機及電力拖動在國民經濟中起著極其重要的作用。第7頁,共76頁，2024年2月25日，星期天0.3本課程的性質、任務、內容和特點

■本課程是工業(yè)電氣自動化、電氣技術和供用電技術、輸配電線路等專業(yè)的一門專業(yè)基礎課。

■本課程的任務是讓學生掌握電機基本結構和工作原理，以及拖動系統(tǒng)的運行性能、分析計算、電機選擇及試驗方法，培養(yǎng)在電機及電力拖動方面分析和解決問題的能力，為今后學習和工作打下堅實的基礎?！霰菊n程的內容有變壓器、異步電動機、同步電機、直流電機、電動機的選擇、實驗等部分。

第8頁,共76頁，2024年2月25日，星期天本課程怎么學？1、記住各種所講類型電機的典型結構。2、記住一些典型的結論、公式和各個元件的含義。對于結論推導過程根據自己實際情況加以理解。如變壓器的T型等值電路、異步電動機的T型等值電路等。3、多練。應用結論分析具體問題。這一點往往是大家容易忽略的。俗話說“熟能生巧”。這一點在這門課體現(xiàn)的比較突出。第9頁,共76頁，2024年2月25日，星期天0.2電機運行原理

電機是利用電磁感應原理工作的機械。

什么是電磁感應原理？第10頁,共76頁，2024年2月25日，星期天電磁感應定律（磁生電效應）導體切割磁力線或穿過線圈的磁場發(fā)生變化時，會在導體或線圈中產生感應電動勢，即所謂“磁變生電”或電磁感應現(xiàn)象。它包括:

線圈的自感現(xiàn)象

線圈間的互感現(xiàn)象導體的切割電動勢

第11頁,共76頁，2024年2月25日，星期天

按慣例規(guī)定：電動勢與磁通符合右手螺旋關系。第12頁,共76頁，2024年2月25日，星期天

（2）導體的切割電動勢如果磁場恒定不變，導體或線圈與磁場的磁力線之間有相對切割運動時，在線圈中產生的感應電動勢稱為切割電動勢，其方向的判斷方法如圖0-4所示，用右手定則來判斷。

第13頁,共76頁，2024年2月25日，星期天

若磁力線、導體與切割運動方向三者互相垂直，則由電磁感應定律的電動勢公式可以推導出切割電動勢的公式為

在△t時間內穿過線圈磁通量變化為△φ=B·△S=BLV△tE=△φ/△t第14頁,共76頁，2024年2月25日，星期天式中B為磁場的磁感應強度;

l為導體切割磁力線部分的有效長度;

ｖ為導體切割磁力線的線速度。第15頁,共76頁，2024年2月25日，星期天電磁力定律（電磁生力）載流導體在磁場當中會受到電磁力的作用。電磁力F方向的判斷如圖0-5所示，用左手定則來判斷。第16頁,共76頁，2024年2月25日，星期天

當磁力線和導體方向互相垂直時，載流導體所受電磁力的公式為式中F為載流導體所受的電磁力;B為載流導體所在處的磁感應強度;

l為載流導體處在磁場中的有效長度;I為載流導體中流過的電流。

磁場對電流的作用力通常稱為安培力第17頁,共76頁，2024年2月25日，星期天注意：磁生電或者電生磁用右手（右手螺旋）定則；電磁生力用左手定則導體線圈第18頁,共76頁，2024年2月25日，星期天第一章變壓器的基本原理和結構

第一節(jié)變壓器的工作原理及分類第二節(jié)變壓器的基本結構第三節(jié)變壓器的型號和額定值第19頁,共76頁，2024年2月25日，星期天1、變壓器有何作用？變壓器是一種靜止的電氣設備，它利用電磁感應原理，把一種電壓等級的交流電能轉換成頻率相同的另一種電壓等級的交流電能。

思考：變壓器能變換大小和方向均保持不變的直流電嗎？為什么？

電源側負載側第20頁,共76頁，2024年2月25日，星期天理想變壓器不能轉變直流。原因是因為原邊如果接直流電，通過根據螺線管法則原邊繞組產生恒定磁場，由E=dφ/dt可以知道，磁場變化率為0是，副邊也就無感應電勢，不能完成變壓輸出的目的。第21頁,共76頁，2024年2月25日，星期天

2、在電力系統(tǒng)為什么需要變壓器？發(fā)電廠發(fā)電機出口的電壓受絕緣條件限制，通常僅為6.3～20KV，幾乎不能進行大功率遠距離輸送。因為低電壓大電流輸電，會在輸電線路上產生很大的功率損耗和電壓降落，為此，必須用變壓器將電壓升高至110KV或更高的電壓等級進行輸電，以求輸電的經濟。當電能送到用電區(qū)，再用變壓器將電壓降低至35KV或更低的電壓，供給用戶使用，以求用電的安全。

第22頁,共76頁，2024年2月25日，星期天第一節(jié)變壓器的工作原理及分類

一、變壓器的基本工作原理

圖1-1變壓器的基本工作原理

電源側負載側

電源側的線圈稱為原邊繞組或一次繞組,匝數(shù)為N1；

負載側的線圈稱為副邊繞組或二次繞組,匝數(shù)為N2。鐵芯原邊繞組副邊繞組第23頁,共76頁，2024年2月25日，星期天

當原邊繞組接到交流電源時，繞組中便有交流電流流過，并在鐵芯中產生與外加電壓頻率相同的交變磁通φ。這個交變磁通同時交鏈著原邊繞組和副邊繞組。依照慣例，當感應電動勢用右手螺旋法則來標定其方向時，圖1-1變壓器的基本工作原理

電源側負載側鐵芯原邊繞組副邊繞組第24頁,共76頁，2024年2月25日，星期天原、副邊繞組的感應電勢分別為：原邊繞組的感應電勢副邊繞組的感應電勢

由于，則

電源側負載側N1N2思考：變壓器變壓的條件：是鐵心中有

磁通；一、二次繞組的

不等交流

匝數(shù)第25頁,共76頁，2024年2月25日，星期天思考：試從物理意義上分析，若減少變壓器一次繞組匝數(shù)（二次繞組匝數(shù)不變），二次電壓將如何變化？電源電壓不變，變壓器一次繞組匝數(shù)減少，則每匝線圈的電壓增大。由于二次繞組匝數(shù)不變，故二次電壓將增高。第26頁,共76頁，2024年2月25日，星期天

（1）k稱為變壓器的變比，它等于原、副繞組的匝數(shù)比，也等于原邊繞組的感應電勢與副邊繞組的感應電勢之比，也近似等于原邊繞組的電壓與副邊繞組的電壓之比。

（2）近似計算變比時，常用變壓器原、副邊額定電壓之比來計算。

（3）當原邊所加電壓不變時，由于，所以只要改變變壓器的變比或線圈的匝數(shù)（通常是改變高壓側匝數(shù)），就能達到改變副邊電壓的目的。第27頁,共76頁，2024年2月25日，星期天

變比計算的具體方法對于單相變壓器第28頁,共76頁，2024年2月25日，星期天【例1.1】一臺三相油浸自冷式電力變壓器：，Y,d連接方式.、試求

（1）變比k解：（1）變比第29頁,共76頁，2024年2月25日，星期天

變比計算的具體方法對于單相變壓器對于三相變壓器第30頁,共76頁，2024年2月25日，星期天

三相變壓器額定電壓與一相繞組額定電壓的關系第31頁,共76頁，2024年2月25日，星期天

二、變壓器的分類

按用途分類：

電力變壓器調壓變壓器儀用互感器礦用變壓器實驗用變壓器特殊變壓器（特殊變壓器如整流變壓器、電焊變壓器等）

按相數(shù)分類：

單相變壓器三相變壓器；

按繞組數(shù)分類：

雙繞組變壓器三繞組變壓器自耦變壓器

第32頁,共76頁，2024年2月25日，星期天

按鐵心結構分類：

心式變壓器組式變壓器

按調壓方式分類：

無載調壓變壓器有載調壓變壓器

按冷卻介質和冷卻方式分類：

油浸式變壓器干式變壓器等

按容量大小分類：

小型變壓器（容量在10～630KVA）中型變壓器（容量在800～6300KVA）大型變壓器（容量在8000～63000KVA）特大型變壓器（容量在90000KVA及以上）。第33頁,共76頁，2024年2月25日，星期天第二節(jié)變壓器的基本結構信號式溫度計吸濕器儲油柜油表安全氣道氣體繼電器

高壓套管

低壓套管

分接開關冷卻器鐵芯

繞組及絕緣

放油閥門油箱第34頁,共76頁，2024年2月25日，星期天

其中，鐵芯和繞組是變壓器的主要部件，稱為器身，放在油箱內部。

圖1-3心式變壓器的鐵芯和繞組布置高壓繞組鐵心柱下鐵軛上鐵軛低壓繞組(a)三相(b)單相第35頁,共76頁，2024年2月25日，星期天

鐵芯是變壓器的主磁路（1）鐵芯的材料采用高磁導率的鐵磁材料（硅鋼片疊成）以提高磁路的導磁性能，減小鐵芯中的磁滯、渦流損耗，即減少鐵芯的發(fā)熱。鐵芯硅鋼片的兩面均涂以絕緣漆，使疊裝在一起的硅鋼片相互之間絕緣。

思考：如果該層絕緣被破壞，有什么后果？

一、鐵芯第36頁,共76頁，2024年2月25日，星期天磁滯損耗：鐵磁材料在磁化過程中由磁滯現(xiàn)象引起的能量損耗。磁滯指鐵磁材料的磁性狀態(tài)變化時，磁化強度滯后于磁場強度，它的磁通密度B與磁場強度H之間呈現(xiàn)磁滯回線關系。這部分能量轉化為熱能，使設備升溫，效率降低，這在交流電機一類設備中是不希望的。軟磁材料的磁滯回線狹窄，其磁滯損耗相對較小硅鋼片因此而廣泛應用于電機、變壓器、繼電器等設備中。第37頁,共76頁，2024年2月25日，星期天磁滯損耗：鐵磁材料在磁化過程中由磁滯現(xiàn)象引起的能量損耗。磁滯指鐵磁材料的磁性狀態(tài)變化時，磁化強度滯后于磁場強度，它的磁感應強度（磁通密度）B與磁場強度H之間呈現(xiàn)磁滯回線關系。第38頁,共76頁，2024年2月25日，星期天渦流損耗：變壓器的硅鋼片表面的絕緣層，是為了不使各個片變成一個緊密的整體，一個大塊的硅鋼體，目的是降低渦流損耗。當線圈中有交變的電流時，在線圈中的鐵心里會產生交變的磁場，該交變磁場也會在鐵心中產生交變的感應電勢，進而產生感應電流，即渦流。如果鐵心是一整個大塊，其渦流就大，如果是許多互相絕緣的薄片，渦流的路徑就是在片內了，路徑加長了，其電阻加大了，渦流變小了，渦流的損耗變小了。思考：如果該層絕緣被破壞，有什么后果？第39頁,共76頁，2024年2月25日，星期天變壓器鐵芯用的硅鋼片表面增加了涂層的，以此來增加鐵芯渦流方向的電阻，減小渦流的大小。如果表面的絕緣被破壞了，相當于鐵芯是采用了一整塊，渦流損耗會變的很大，而引起鐵芯發(fā)熱，嚴重的可能會燒紅，甚至熔掉，或者在此之前，線圈的絕緣先被破壞，而導致變壓器短路燒毀。思考：如果該層絕緣被破壞，有什么后果？第40頁,共76頁，2024年2月25日，星期天

（2）鐵芯形式電力變壓器的鐵芯主要采用心式結構，如上所示。

第41頁,共76頁，2024年2月25日，星期天

三相變壓器是將A、B、C三相的繞組分別放在三個鐵芯柱上，三個鐵芯柱由上、下兩個鐵軛連接起來，構成閉合磁路。

圖1-3心式變壓器的鐵芯和繞組布置高壓繞組鐵心柱下鐵軛上鐵軛低壓繞組(a)三相(b)單相第42頁,共76頁，2024年2月25日，星期天

二、繞組

繞組是變壓器的電路部分，它是銅或鋁導線包繞絕緣紙以后繞制而成。線圈結構形式：圓筒式、螺旋式、連續(xù)式、糾結式等。為了便于絕緣，低壓繞組（工作電壓低的繞組）靠近鐵芯柱，高壓繞組（工作電壓高的繞組）套在低壓繞組外面，兩個繞組之間留有油道。變壓器繞組外形如圖1-4所示。

兩個繞組之間留有油道，是為了變壓器油能夠順利地流過各繞組，達到均勻散熱的目的。第43頁,共76頁，2024年2月25日，星期天為了安裝方便。通常鐵芯對地（外殼）隔離不嚴格，也就是說鐵芯相當于接地。如果高壓繞組在里面，那么對鐵芯的絕緣就要求很高，而低壓繞組在里面相對絕緣要求可以降低。10000v以上和400v的絕緣要求成本肯定不是一個級別。那高壓繞組在外面也要考慮絕緣嗎，不管高壓繞組在里在外都要考慮它和低壓繞組之間的絕緣。但是，這樣設計后，高低壓之間絕緣一樣，而對鐵芯（相當于對地）絕緣成本大大下降?？傊?，這樣做既為了安全可靠也為了節(jié)約成本。第44頁,共76頁，2024年2月25日，星期天導線絕緣支架撐條圖1-4繞組思考：高、低壓繞組的位置能交換嗎？第45頁,共76頁，2024年2月25日，星期天

三、油箱及其他附件

1.油箱變壓器的油箱是用質量好的鋼板焊接而成。

★油箱的作用：裝入變壓器油，并將組裝好的器身裝入其中，以保證變壓器正常工作。

★變壓器油的作用：（1）絕緣油的絕緣性能比空氣好，可以提高繞組的絕緣強度；（2）冷卻通過油箱中油的對流作用或強迫油循環(huán)流動，使繞組及鐵芯中因功率損耗而產生的熱量得到逸散，起到冷卻作用。

第46頁,共76頁，2024年2月25日，星期天

思考：對于運行中的變壓器，油箱中繞組、鐵芯、油三者誰的溫度最高？應該監(jiān)視油箱中上層油的溫度還是下層油的溫度？

變壓器的上層油溫高，因為熱油的質量輕，上浮到變壓器油箱的上部，并進入冷卻器，通過與外部空氣交換而冷卻后，有質量變重下沉指變壓器底部，來冷卻變壓器發(fā)熱元件變壓器在正常運行時三者溫度之高低次序是鐵芯、繞組、頂層油。第47頁,共76頁，2024年2月25日，星期天

2.儲油柜（油枕）與吸濕器（呼吸器）變壓器在運行中，隨著油溫的變化，油的體積會膨脹或收縮，所以通常由儲油柜提供變壓器油熱脹冷縮的空間，并在儲油柜上裝一個吸濕器（又稱呼吸器），與外界大氣相通。

儲油柜的作用：儲油柜可減少油與外界空氣的接觸面積，減小變壓器油受潮和氧化的幾率。

吸濕器的作用：當變壓器油因熱脹冷縮而使油面高度發(fā)生變化時，空氣通過吸濕器進出儲油柜，形成“呼吸”現(xiàn)象，以平衡變壓器油箱的內外壓力。

第48頁,共76頁，2024年2月25日，星期天

吸濕器硅膠的作用：吸濕器內裝有硅膠，用以過濾吸入儲油柜內空氣中的雜質和水分。硅膠干燥狀態(tài)為藍色，吸潮飽和后變?yōu)榉奂t色。吸潮的硅膠可以再生。

第49頁,共76頁，2024年2月25日，星期天

3.安全氣道（防爆管）安全氣道裝在油箱頂蓋上。它是一個長鋼管，其出口封以一定厚度的防爆膜。

安全氣道的作用：當變壓器內部發(fā)生嚴重事故而產生大量氣體，使油箱內壓力達到一定數(shù)值時，氣體和油將沖破防爆膜噴出，防止油箱爆裂。大型變壓器通常安裝壓力釋放器來取代防爆管。

第50頁,共76頁，2024年2月25日，星期天

4.氣體繼電器（瓦斯繼電器）氣體繼電器，是變壓器的一種保護裝置，安裝在油箱與儲油柜的連接管道中。

氣體繼電器的作用：當變壓器內部發(fā)生故障時（如絕緣擊穿、匝間短路、鐵心事故、油箱漏油使油面下降較多等）產生的氣體和油流，迫使氣體繼電器動作：

輕者發(fā)出信號，以便運行人員及時處理；

重者使斷路器跳閘，將變壓器退出運行，以保護變壓器。

第51頁,共76頁，2024年2月25日，星期天

5.冷卻器

（1）油浸風冷式變壓器

冷卻器通常是指直接裝配在變壓器油箱壁上的散熱器管簇，當熱油自上而下流過散熱器時，利用周圍的冷空氣將熱量帶走。

（2）油浸風冷式變壓器除了有散熱器管簇外，還加裝風扇以加強冷卻。

（3）強迫油循環(huán)風冷變壓器除了有散熱器管簇外，還加裝風扇和油泵，散熱效果更好。

第52頁,共76頁，2024年2月25日，星期天

6.絕緣套管

作用：變壓器繞組的引出線從油箱內部引到箱外時必須經過絕緣套管，使引線與油箱絕緣。

材料、結構：絕緣套管一般是陶瓷的，其結構包括實心磁套管、采用空心充氣或充油式套管、電容式套管。為了增大外表面放電距離，套管外形做成多級傘形裙邊。電壓等級越高，級數(shù)越多。

第53頁,共76頁，2024年2月25日，星期天

7.分接開關（調壓開關）

作用：在電源電壓不變的條件下，利用分接頭改變高壓繞組匝數(shù)的方法來調節(jié)二次側電壓，以滿足供電的要求。

思考：二次側工作電壓小于一次側工作電壓的變壓器稱為降壓變壓器，今欲提高二次側的工作電壓，一次側線圈匝數(shù)該增加還是減少？

第54頁,共76頁，2024年2月25日，星期天

通常，從變壓器的高壓繞組引出若干抽頭，稱為分接頭，用以切換分接頭的裝置叫分接開關，安裝在油箱內，其控制箱在油箱外。

調壓類型：無載調壓、有載調壓兩種，前者必須在變壓器停電的情況下切換，后者可以在變壓器帶負載情況下進行切換。

如果是升壓變壓器呢？不論是降壓變壓器還是升壓變壓器，調壓的分接頭一定在高壓側第55頁,共76頁，2024年2月25日，星期天

第三節(jié)變壓器的型號和額定值

一、型號變壓器的型號是由字母和數(shù)字組成的。例如某變壓器型號為SL9-200／10。

★第一個字母表示相數(shù)；

★后面的字母分別表示導線材料、冷卻介質和方式等；

★斜線前面的數(shù)字表示額定容量(KVA)，斜線后面的數(shù)字表示高壓繞組的額定電壓(KV)。

第56頁,共76頁，2024年2月25日，星期天

例如，變壓器型號SL9-200／10的含義為：

S——

表示三相；

200——

表示額定容量為200kVA；

L——

表示鋁導線；

10——

表示高壓繞組電壓等級為10kV；

9——

表示設計序號。新標準的中小型變壓器的容量等級為：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。

思考：VA、W、var或KVA、KW、Kvar或MVA、MW、Mvar分別是什么量的單位？

第57頁,共76頁，2024年2月25日，星期天3.2.5變壓器的基本技術特性1、型號表示一臺變壓器的結構、額定容量、電壓等級、冷卻方式等內容，表示方法為如OSFPSZ-250000/220表明自耦三相強迫油循環(huán)風冷三繞組銅線有載調壓，額定容量250000kVA，高壓額定電壓220kV電力變壓器。第58頁,共76頁，2024年2月25日，星期天代表符號排列順序分類類別代表符號1繞組耦合方式自耦O2相數(shù)單相D三相S3冷卻方式油浸自冷—干式空氣自冷G干式澆注式絕緣C油浸風冷F油浸水冷S強迫油循環(huán)風冷FP強迫油循環(huán)水冷SP第59頁,共76頁，2024年2月25日，星期天4繞組數(shù)雙繞組—三繞組S5繞組導線材質銅—鋁L6調壓方式無勵磁調壓—有載調壓Z第60頁,共76頁，2024年2月25日，星期天

二、額定值

額定運行情況：制造廠根據國家標準和設計、試驗數(shù)據規(guī)定變壓器的正常運行狀態(tài)。

額定值：額定運行情況下各物理量的數(shù)值。額定值通常標注在變壓器的銘牌上，主要有：

1.額定容量

2.原邊額定電壓

3.副邊額定電壓

4.原邊額定電流

5.副邊額定電流

6額定頻率第61頁,共76頁，2024年2月25日，星期天

1.額定容量：銘牌規(guī)定在額定使用條件下所輸出的視在功率,單位為VA、KVA、MVA。

2.原邊額定電壓：正常運行時規(guī)定加在一次側的端電壓，對于三相變壓器，額定電壓為線電壓，單位V、KV。

3.副邊額定電壓：一次側加額定電壓，二次側空載時的端電壓，對于三相變壓器，額定電壓為線電壓，單位V、KV。

第62頁,共76頁，2024年2月25日，星期天4.原邊額定電流：變壓器額定容量下原邊繞組允許長期通過的電流，對于三相變壓器，為原邊額定線電流，單位A、KA。

5.副邊額定電流：變壓器額定容量下副邊繞組允許長期通過的電流，對于三相變壓器，為副邊額定線電流，單位A、KA。

單相變壓器額定值的關系式：

三相變壓器額定值的關系式：

第63頁,共76頁，2024年2月25日，星期天雙繞組降壓變壓器高壓繞組的額定容量、額定電壓、額定電流分別為

、

、

，低壓繞組分別為

、

、

，它們之間的關系是

。

(A)(B)(C)(D)B第64頁,共76頁，2024年2月25日，星期天

6.額定頻率：我國工頻為50Hz；除上述額定值外，銘牌上還標明了溫升、連接組別、阻抗電壓等?！纠?.1】一臺三相油浸自冷式電力變壓器：，,Y,d連接方式.和。、試求：（1）原副邊額定電流

（2）變比k第65頁,共76頁，2024年2月25日，星期天解：（1）原、副邊的額定電流（2）變比【例1.1】一臺三相油浸自冷式電力變壓器：，和。、試求：（1）原副邊額定電流

（2）變比k,Y,d連接方式.第66頁,共76頁，2024年2月25日，星期天

本次課小結1、變壓器是一種靜止的電氣設備，它利用電磁感應原理，把一種電壓等級的交流電能轉換成頻率相同的另一種電壓等級的交流電能。2、變壓器基本原理圖1-1變壓器的基本工作原理

電源側負載側鐵芯N2N1原邊繞組副邊繞組第67頁,共76頁，2024年2月25日，星期天一臺SSP-63000/220三相電力變壓器接線YN,d，

求

（1）變壓器一、二次側的額定電壓和額定電流。（2）變壓器一、二次繞組的額定電壓和額定電流。（1）額定電壓

額定電流