變壓器結(jié)構(gòu)與原理課件

變壓器結(jié)構(gòu)與原理了解變壓器的基本組成結(jié)構(gòu)以及工作原理,為進(jìn)一步學(xué)習(xí)電力系統(tǒng)及電機(jī)原理打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。課程目標(biāo)1深入理解變壓器的基本結(jié)構(gòu)掌握變壓器的主要組成部分及其功能。2學(xué)習(xí)變壓器的工作原理了解變壓器的電磁感應(yīng)過(guò)程和二次電壓的產(chǎn)生機(jī)理。3分析變壓器的性能指標(biāo)探討變壓器的變比、效率、損耗等關(guān)鍵特性。4掌握變壓器的等效電路了解變壓器的內(nèi)部阻抗和短路特性。什么是變壓器變壓器的定義變壓器是一種利用電磁感應(yīng)原理來(lái)改變交流電壓和電流參數(shù)的電力設(shè)備,是電力系統(tǒng)中不可或缺的重要元件之一。變壓器的構(gòu)造變壓器由鐵芯、初級(jí)繞組和二次繞組三大部分組成,通過(guò)電磁感應(yīng)實(shí)現(xiàn)電壓和電流的變換。變壓器的功能變壓器可以將電網(wǎng)輸電電壓從高壓降至低壓,或?qū)⒌蛪荷粮邏?從而實(shí)現(xiàn)電力的高效傳輸和利用。變壓器的組成部分繞組變壓器的核心部件,由細(xì)密的導(dǎo)線繞制而成,用于電磁感應(yīng)。鐵芯由優(yōu)質(zhì)的電工鋼片疊層而成,提供磁路,促進(jìn)磁通回路閉合。外殼裝載和保護(hù)變壓器內(nèi)部結(jié)構(gòu),通常由鋼板或鋁合金制成。變壓器的工作原理1電磁感應(yīng)變壓器利用電磁感應(yīng)原理工作2初級(jí)繞組初級(jí)繞組接收交流電輸入3鐵芯鐵芯產(chǎn)生變化的磁通量4次級(jí)繞組次級(jí)繞組感應(yīng)出交流電輸出變壓器的工作原理是基于電磁感應(yīng)原理。初級(jí)繞組接收輸入電壓并產(chǎn)生變化的磁通量，鐵芯將磁通量傳遞到次級(jí)繞組，最終在次級(jí)繞組感應(yīng)出所需的輸出電壓。這一過(guò)程利用了電磁感應(yīng)的基本規(guī)律。變壓器電磁感應(yīng)現(xiàn)象變壓器工作時(shí),初次繞組產(chǎn)生交流電磁場(chǎng),通過(guò)磁性材料(鐵芯)傳遞到二次繞組,從而在二次繞組中產(chǎn)生感應(yīng)電磁力,使其產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。這就是變壓器的電磁感應(yīng)現(xiàn)象,是變壓器工作的基礎(chǔ)。電磁感應(yīng)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的大小與初次繞組的電流變化率和兩繞組的匝數(shù)比有關(guān)。這種感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)可用于改變電壓等級(jí),實(shí)現(xiàn)電能的變換。變壓器二次電壓的產(chǎn)生1電磁感應(yīng)原理變壓器的工作依賴(lài)于電磁感應(yīng)原理,即當(dāng)電流通過(guò)初級(jí)繞組時(shí)會(huì)產(chǎn)生變化的磁場(chǎng)。2磁通鏈接二次繞組這個(gè)變化的磁場(chǎng)會(huì)穿過(guò)二次繞組,導(dǎo)致二次繞組中產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。3感應(yīng)電壓的大小感應(yīng)電壓的大小取決于磁通的變化率以及二次繞組匝數(shù),遵循法拉第電磁感應(yīng)定律。變壓器變比定義變壓器變比是指變壓器原邊和二邊的電壓之比。是決定變壓器輸出電壓大小的重要參數(shù)。計(jì)算變壓器變比等于原邊電壓與二邊電壓的比值。公式為：變比=原邊電壓/二邊電壓。作用通過(guò)調(diào)整變壓器變比可以實(shí)現(xiàn)電壓的升降變換,滿足實(shí)際應(yīng)用中對(duì)電壓水平的需求。變壓器的電壓和電流關(guān)系主回路電壓(U1)主回路電流(I1)次回路電壓(U2)次回路電流(I2)變壓器的輸入電壓流過(guò)變壓器初級(jí)繞組的電流變壓器的輸出電壓流過(guò)變壓器二次繞組的電流由電網(wǎng)供給取決于負(fù)載大小由變壓器變比決定取決于負(fù)載大小U1=N1/N2*U2I1=N2/N1*I2U2=N2/N1*U1I2=N1/N2*I1理想變壓器的特性無(wú)損耗理想變壓器假設(shè)鐵芯和繞組沒(méi)有任何損耗,因此輸入功率等于輸出功率,效率為100%。電壓和電流比例理想變壓器的一次和二次電壓及電流成正比,即電壓變比等于匝數(shù)變比。相位關(guān)系理想變壓器的一次和二次電壓/電流相位呈180°的相位差。頻帶特性理想變壓器對(duì)頻帶的傳輸沒(méi)有限制,可以傳輸任意頻率的交流電。實(shí)際變壓器的特性磁芯損耗實(shí)際變壓器在工作時(shí)會(huì)產(chǎn)生磁芯損耗,主要包括渦流損和磁滯損,這會(huì)降低變壓器的效率。繞組損耗實(shí)際變壓器的繞組存在電阻,會(huì)產(chǎn)生電阻損耗,同時(shí)還會(huì)產(chǎn)生皮膚效應(yīng)和臨近效應(yīng)帶來(lái)的附加損耗。散熱特性實(shí)際變壓器需要通過(guò)合理的散熱設(shè)計(jì)來(lái)確保繞組和磁芯不會(huì)因發(fā)熱過(guò)高而損壞。變壓器的效率鐵耗損銅耗損泄漏損其他損耗有效功率從上述餅狀圖可以看出,變壓器的有效功率占到總功率的65%,其余部分為各種損耗。要提高變壓器的效率,需要降低這些損耗,如提高鐵芯和繞組材料的質(zhì)量,減小散熱損耗等。變壓器的損耗銅損銅損是由于變壓器線圈電阻產(chǎn)生的熱量損失。應(yīng)選用導(dǎo)電性能優(yōu)良的銅線以減小銅損。鐵損鐵損是由于變壓器鐵芯交流磁場(chǎng)產(chǎn)生的渦流和磁滯損耗。應(yīng)選用優(yōu)質(zhì)硅鋼片制作鐵芯以減小鐵損。散熱損耗變壓器運(yùn)行過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生熱量,需要通過(guò)冷卻裝置及時(shí)散出以保持正常工作。變壓器的激磁電流激磁電流概念當(dāng)變壓器一次繞組接通電源時(shí),會(huì)產(chǎn)生一種電磁場(chǎng)。這種電磁場(chǎng)會(huì)導(dǎo)致鐵芯中產(chǎn)生渦流和鋼鐵的磁滯損耗,從而產(chǎn)生一些電流。這些電流就是變壓器的激磁電流。激磁電流特點(diǎn)激磁電流在無(wú)負(fù)載時(shí),占用變壓器全部電流的10%~20%。隨著負(fù)載增大,激磁電流比例會(huì)逐漸降低。激磁電流主要由鐵芯的磁滯損耗和渦流損耗組成。變壓器的勵(lì)磁特性磁極性變壓器勵(lì)磁時(shí)，一次繞組和二次繞組中會(huì)產(chǎn)生磁場(chǎng),使核心磁極產(chǎn)生正負(fù)磁極。磁通量變壓器勵(lì)磁時(shí),磁通量隨電壓和電流的變化而變化。磁通量是決定變壓器性能的關(guān)鍵因素。磁滯回線變壓器的磁滯回線反映了核心材料的磁性特性,決定了勵(lì)磁電流和損耗。飽和特性隨著電壓的增加,變壓器會(huì)進(jìn)入飽和狀態(tài),此時(shí)磁通量無(wú)法繼續(xù)增加,勵(lì)磁電流迅速增大。變壓器的飽和特性1磁芯過(guò)度飽和當(dāng)變壓器的工作磁通密度過(guò)大時(shí),磁芯會(huì)進(jìn)入飽和狀態(tài),導(dǎo)致磁導(dǎo)率下降,電感變小。2輸出電壓下降變壓器進(jìn)入磁飽和區(qū)域后,二次側(cè)的輸出電壓會(huì)明顯下降,影響變壓器的性能。3電流急劇增大當(dāng)變壓器進(jìn)入磁飽和區(qū)域時(shí),初級(jí)電流會(huì)急劇增大,威脅變壓器的安全運(yùn)行。4損耗增大磁飽和會(huì)導(dǎo)致變壓器的鐵損和電流損耗急劇增大,降低變壓器的效率。變壓器的負(fù)載特性1電壓調(diào)整率負(fù)載增加會(huì)導(dǎo)致二次側(cè)電壓下降,電壓調(diào)整率反映了二次側(cè)電壓的變化程度。2功率因數(shù)負(fù)載的功率因數(shù)會(huì)影響二次側(cè)電流和變壓器的容量,需要合理選擇變壓器。3短路電流在二次側(cè)短路時(shí),變壓器會(huì)產(chǎn)生較大的電流,需要及時(shí)切斷以免損壞。4溫升變壓器負(fù)載過(guò)重會(huì)導(dǎo)致繞組和鐵芯溫升過(guò)高,縮短使用壽命,需要合理選型。變壓器的等效電路為了更好地分析變壓器的特性和性能,我們通常會(huì)用等效電路來(lái)表示變壓器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和工作過(guò)程。等效電路包括了變壓器繞組的電阻和電感,以及磁路的磁阻等重要參數(shù),能夠反映變壓器的電磁特性。通過(guò)分析變壓器的等效電路,我們可以計(jì)算出變壓器的輸入輸出電壓電流關(guān)系、損耗、效率等重要性能指標(biāo),為變壓器的設(shè)計(jì)和應(yīng)用提供理論依據(jù)。變壓器的內(nèi)部阻抗0.1內(nèi)部電阻變壓器繞組內(nèi)部的電阻一般很小,約為0.1歐姆。0.5內(nèi)部電抗變壓器繞組產(chǎn)生的磁通感應(yīng)所造成的電抗約為0.5歐姆。1總內(nèi)部阻抗變壓器的總內(nèi)部阻抗約為1歐姆,是內(nèi)部電阻和內(nèi)部電抗的矢量和。變壓器的內(nèi)部阻抗主要來(lái)自于繞組內(nèi)部的電阻和變壓器所產(chǎn)生的磁通感應(yīng)引起的電抗。這些阻抗值較小,但對(duì)變壓器的性能和工作特性有重要影響。變壓器的短路特性短路電流短路是指變壓器二次側(cè)發(fā)生短路,這將導(dǎo)致二次側(cè)電流驟增。短路電流可達(dá)額定電流的數(shù)十倍甚至更高,這對(duì)變壓器會(huì)造成嚴(yán)重?fù)p壞。短路試驗(yàn)為了測(cè)試變壓器的短路特性,需要進(jìn)行短路試驗(yàn),施加一個(gè)很大的電流,觀察變壓器的行為。這有助于設(shè)計(jì)變壓器的短路保護(hù)。短路阻抗變壓器的短路阻抗是指變壓器在二次側(cè)發(fā)生短路時(shí),一次側(cè)所測(cè)到的阻抗。這一參數(shù)反映了變壓器在短路條件下的性能。變壓器的級(jí)聯(lián)連接1串聯(lián)接線將多個(gè)變壓器的一次繞組串聯(lián)連接2二次并聯(lián)將多個(gè)變壓器的二次繞組并聯(lián)連接3提高供電可靠性通過(guò)級(jí)聯(lián)可以提高系統(tǒng)的供電可靠性級(jí)聯(lián)連接是將多個(gè)變壓器串聯(lián)連接在一起的方法。這種方式可以提高供電電壓等級(jí),同時(shí)也可以提高系統(tǒng)的供電可靠性。在實(shí)際應(yīng)用中,通常將變壓器的一次繞組串聯(lián),而二次繞組則并聯(lián)連接。這種級(jí)聯(lián)連接方式可廣泛應(yīng)用于電力系統(tǒng)中。變壓器的并聯(lián)連接同等額定電壓并聯(lián)變壓器的二次電壓必須保持相同的額定電壓。同等額定功率并聯(lián)變壓器的容量也必須保持相同,否則會(huì)影響負(fù)載分擔(dān)。相位同步變壓器的相位和頻率必須完全一致,以確保平穩(wěn)并聯(lián)運(yùn)行。變壓器的旁路連接1主變壓器承擔(dān)主要負(fù)荷2旁路變壓器提供額外支持3負(fù)載切換從主變切換至旁路變壓器的旁路連接通常用于需要提高供電可靠性的場(chǎng)合。主變壓器承擔(dān)主要負(fù)荷,而旁路變壓器作為備用電源,在主變出現(xiàn)故障時(shí)可快速切換負(fù)載,確保供電不間斷。這種連接方式可提高整個(gè)變壓器系統(tǒng)的可靠性和靈活性。干式變壓器干式變壓器是一種重要的電力變壓器,其主要特點(diǎn)是使用干燥的絕緣材料,不使用液體絕緣油。它具有體積小、重量輕、安全性高等優(yōu)點(diǎn),廣泛應(yīng)用于工業(yè)、商業(yè)和居民用電系統(tǒng)中。干式變壓器采用環(huán)氧樹(shù)脂或硅鋼片進(jìn)行絕緣和構(gòu)造,不需要碎油等維護(hù),便于安裝和維修。它特別適用于環(huán)境要求較高的場(chǎng)合,如醫(yī)院、地鐵等。與油浸式變壓器相比,干式變壓器更加節(jié)能環(huán)保。油浸變壓器油浸變壓器是一種將絕緣油浸潤(rùn)變壓器核心和繞組的變壓器類(lèi)型。絕緣油具有優(yōu)良的絕緣和散熱性能,可以有效防止繞組和鐵芯過(guò)熱。這種變壓器廣泛應(yīng)用于電力系統(tǒng),是電網(wǎng)中重要的電力設(shè)備之一。油浸變壓器的結(jié)構(gòu)緊湊,可承受較高的電壓,運(yùn)行穩(wěn)定可靠,維修成本較低。但它也存在一些缺點(diǎn),如對(duì)環(huán)境有一定污染,需要定期更換絕緣油等。變壓器的保護(hù)過(guò)載保護(hù)通過(guò)設(shè)置合適的斷路器或熔斷器,可以防止變壓器在過(guò)電流情況下被損壞。短路保護(hù)采用合理的接線方式和保護(hù)措施,可以降低變壓器在發(fā)生短路時(shí)的損壞風(fēng)險(xiǎn)。溫度保護(hù)通過(guò)監(jiān)測(cè)變壓器的油溫或繞組溫度,可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)異常情況并采取措施。油位保護(hù)確保變壓器的油位保持在合理范圍內(nèi),以防止因油位變化而造成的故障。變壓器的檢修與維護(hù)定期保養(yǎng)對(duì)變壓器進(jìn)行定期的清潔、油位檢查和絕緣性能檢測(cè),確保設(shè)備處于良好的工作狀態(tài)。故障診斷通過(guò)監(jiān)測(cè)溫度、振動(dòng)、油品等指標(biāo),及時(shí)發(fā)現(xiàn)并診斷可能存在的故障隱患。維修保養(yǎng)依據(jù)診斷結(jié)果,對(duì)變壓器進(jìn)行必要的維修保養(yǎng),包括更換損壞零件、補(bǔ)充絕緣油等。預(yù)防性維護(hù)采取合理的運(yùn)行管理措施,降低變壓器受損風(fēng)險(xiǎn),延長(zhǎng)設(shè)備使用壽命。變壓器的應(yīng)用領(lǐng)域電力系統(tǒng)變壓器廣泛應(yīng)用于電力傳輸和配電系統(tǒng)中,調(diào)節(jié)輸電電壓和配電電壓,確保電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行。工業(yè)設(shè)備變壓器用于工業(yè)生產(chǎn)設(shè)備,如電機(jī)、焊機(jī)、電爐等,調(diào)節(jié)電壓滿足設(shè)備運(yùn)行需求。家用電器變壓器應(yīng)用于許多家用電器,如電視機(jī)、電腦、充電器等,將交流電轉(zhuǎn)換為直流電或調(diào)整電壓。特殊應(yīng)用變壓器還用于醫(yī)療設(shè)備、實(shí)驗(yàn)儀器等領(lǐng)域,提供安全可靠的電源供應(yīng)。變壓器的發(fā)展趨勢(shì)智能化變壓器正朝著智能化的方向發(fā)展,具有實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、遠(yuǎn)程控制、故障診斷等功能,提高了運(yùn)行效率和安全性。綠色化新型環(huán)保材料的應(yīng)用,如無(wú)油干式變壓器和環(huán)保冷卻技術(shù),使變壓器更加節(jié)能減排、環(huán)?？煽俊?shù)字化數(shù)字化技術(shù)的廣泛應(yīng)用,使變壓器的狀態(tài)監(jiān)測(cè)、故障診斷和預(yù)