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1、第3章 变 压 器,3.1 变压器的工作原理与结构,3.2 单相变压器的空载运行,3.3 单相变压器的负载运行,3.4 变压器的运行特性,3.5 三相变压器,3.6 自耦变压器和仪用互感器,电能,机械能,电能,？,电动机,变压器,问题: 为什么将变压器的原边接到交流电源上，灯泡就会发光呢？,变压器就是按照“动电生磁，动磁生电” 的电磁感应原理制成的。,灯泡将电能转换成了光能,变压器是一种将一个等级的交流电压变换成另一个等级的交流电压的静止交流电机。,变压器在电力系统中起着重要作用,变压器(transformer，Tr),它是由叠片组成的闭合铁心和环绕在铁心上的两个（或多个）绕组组成，两个绕组匝
2、数不同。其中一个绕组与电源相接，其电压由电源电压决定，接受电源电能，称为一次绕组（又称原边绕组或初级绕组），其匝数用N1表示；另一个绕组与负载相接、其电压由变压器绕组匝数决定，并向负载提供电能，称为二次绕组（又称副边绕组或次级绕组），其匝数用N2表示。,它是由叠片组成的闭合铁心和环绕在铁心上的两个（或多个）绕组组成，两个绕组匝数不同。其中一个绕组与电源相接，其电压由电源电压决定，接受电源电能，称为一次绕组（又称原边绕组或初级绕组），其匝数用N1表示；另一个绕组与负载相接、其电压由变压器绕组匝数决定，并向负载提供电能，称为二次绕组（又称副边绕组或次级绕组），其匝数用N2表示。,3.1.1 变压器
3、工作原理,初级侧 一次侧 原边,次级侧 二次侧 副边,右手螺旋定则,法拉第电磁感应定律,交流电,楞次定律,图中各量规定正方向,若二次绕组与负载接通，则电动势e2 在二次侧闭合电路内引起电流 i2， 在负载上的压降即是变压器二次侧端电压u2 。这样，电源送入一次侧的电能u1i1 ，通过一、二次绕组磁耦合的联系，使负载上获得了电能 u2i2。当然，二次侧是另一种等级的电压和电流。从而实现了能量的传输。,变压器变比,N1N2降压变压器,N1N2升压变压器,3.1.2 变压器的分类,按用途分类, 电力变压器, 仪用互感器, 特种变压器,按绕组数目分类, 双绕组变压器 单相, 三绕组变压器 三相, 多绕
4、组变压器, 自耦变压器 调压器,按铁心结构分类, 芯式变压器, 壳式变压器,按相数分类, 单相变压器, 三相变压器,按冷却方式分类, 油浸式变压器, 干式变压器, 充气式变压器,按容量大小分类, 小容量：10630kVA, 中容量：8006300kVA, 大容量：800063000kVA, 特大容量：90000kVA以上,（一）电力变压器,试验、仪用等变压器,(二) 特种变压器,电炉、整流变压器,干式变压器,油浸式变压器,电力变压器类别-冷却方式,强迫油循环电力变压器,电力变压器类别-相数,单相变压器,三相变压器,电力变压器类别-调压方式,有载调压变压器,无载调压变压器,电力变压器的用途：,本
5、章研究对象：油浸电力变压器,3.1 变压器的基本工作原理和结构,3.1.2 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。,变压器的电路，一般用绝缘铜线或铝线绕制而成。,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）。,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。,二、绕组,三、油箱,四、绝缘套管,此外，还有储油柜、吸湿器、安全气道、净油器和气体继电器。,一、铁芯变压器的磁路,电力变压器的铁心是由0.35mm厚的冷轧硅钢片叠成。减少涡流损耗，提高导
6、磁系数。,铁心柱,铁轭,图3.1.3 变压器的铁芯平面,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 3.1.4 铁芯结构示意图,二、绕组变压器的电路,变压器绕组一般为绝缘扁铜线或绝缘圆铜线在绕线模上绕制而成。 为便于制造、在电磁力作用下受力均匀以及机械性能良好，绕组线圈作成圈形。 按照绕组在铁芯中的排列方法分类，变压器可分为铁芯式和铁壳式两类 基本型式根据高低压绕组在铁芯柱上排列方式不同可分为同芯式和交叠式,2.电路部分绕组 用的是绝缘线包 原端线圈: - 接到电源电压上 - 符号：AX - 一次线圈，一次绕组 副端线圈： - 接到负载
7、上 - 符号：ax - 二次线圈，二次绕组,24,为了画图简单和分析方便，图中将变压器一、二次绕组画在单独的铁心柱上，而实际的变压器一、二次绕组是放在同一铁心柱上的。,3. 结构分类, 壳式： - 以铁心为壳,26, 芯式： - 以铁心为芯 - 用的最多, 铁壳式变压器,变压器的铁芯柱在中间，铁轭在两旁环绕，且把绕组包围起来 结构比较坚固、制造工艺复杂，高压绕组与铁芯柱的距离较近，绝缘也比较困难 通常应用于电压很低而电流很大的特殊场合，例如，电炉用变压器。这时巨大的电流流过绕组将使绕组上受到巨大的电磁力，铁壳式结构可以加强对绕组的机械支撑，使能承受较大的电磁力。,图3.1.8 壳式变压器的结构
8、示意图, 芯式变压器绕组和铁芯的装配示意图,绕组同芯套装在变压器铁心柱上，低压绕组在内层，高压绕组套装在低压绕组外层，以便于绝缘。,图3.1.9 芯式变压器的铁芯和绕组的装配示意图, 绕组的基本型式同心式, 同芯式铁芯式变压器常用。高压绕组和低压绕组均做成圆筒形，然后同芯地套在铁芯柱上 ，为便于绝缘，通常低压绕组在里面，高压绕组在外面 ，中间加绝缘纸筒绝缘,三相心式变压器外观示意图,高压,低压,绕组的基本型式交叠式,交叠式 铁壳式变压器常用。高压绕组和低压绕组各分为若干个线饼，沿着铁芯柱的高度交错地排列着,图3.1.9 交叠式绕组,三、油箱和冷却装置,变压器油冷却、绝缘 绝缘：绕组与绕组、绕组
9、与铁心及油箱之间 散热：热量通过油箱壳散发，油箱有许多散热油管，以增大散热面积。采用内部油泵强迫油循环，外部用变压器风扇吹风或用自来水冲淋变压器油箱,油箱 机械支撑、冷却散热、,变压器运行时产生热量，使变压器油膨胀，储油柜中变压器油上升，温度低时下降。 储油柜使变压器油与空气接触面较少， 减缓了变压器油的氧化过程及吸收空气中的水分的速度。呼吸,保护作用,当变压器出现故障时，产生的热量使变压器油汽化，气体继电器动作，发出报警信号或切断电源。 如果事故严重，变压器油大量汽化，油气冲破安全气道管口的密封玻璃，冲出变压器油箱，避免油箱爆裂。,平板式 小容量 排管式 较大容量 散热气式 大容量 强迫油循
10、环大容量,气体继电器, 冷却装置,油泵为了加快散热，有的大型变压器采用内部 油泵强迫油循环 风扇外部用变压器风扇吹风 自来水冲淋变压器油箱。这些都是变压器的冷却装置。,四、绝缘套管,绝缘套管由中心导电杆与瓷套组成。导电杆穿过变压器油箱、在油箱内的一端与线圈的端点联接，在外面的一端与外线路联接。 低压引比线一般用纯瓷套管，高压引线一般用充油或电容式套管 套管外形常做成伞形，电压越高、级数愈多。,图3.1.21绝缘套管,五、保护装置,储油柜储油柜使变压器油与空气接触面变小，减缓了变压器油的氧化和吸收空气水分的速度。从而减缓了油的变质。 气体继电器故障时,热量会使变压器油汽化，触动气体继电器发出报警
11、信号或切断电源 安全气道（防爆筒）如果是严重事故，变压器油大量汽化，油气冲破安全气道管口的密封玻璃，冲出变压器油箱，避免油箱爆裂。 吸湿器 （呼吸器）内装硅胶（活性氧休铝），用以吸收进入储油柜中空气的水分 净油器过滤油中杂质，改善变压器油的性能,3.1.4 额定值,主要有：SN, UN1, UN2, IN1, IN2, fN等,额定电压,变压器在空载运行时，高、低压绕组电压的额定值(V、kV)。,额定电流,变压器在满载运行时，允许的电流(A、kA),三相变压器中 UN1, UN2, IN1, IN2都为线有效值,额定容量,变压器视在功率的额定值(VA、kVA),单相双绕组变压器：,三相双绕组变
12、压器：,视在功率包括有功功率和无功功率,有功功率的符号用P表示，单位有瓦(W)、千瓦(kW)、兆瓦(MW)。无功功率的符号用Q表示，单位为乏(Var)或千乏(kVar),功率因数角为有功功率与视在功率的夹角。,型号、相数、温升、组号、效率等,例31 三相变压器Y，y接， SN=180kVA， UN1/ UN2=10/0.4kV,求IN1、 IN2、,3.1.5 变压器的型号,变压器的型号由汉语拼音字母和数字按确定的顺序组合起来构成。例如：S L1000/10 S表示三相；L表示铝线；1000表示额定容量为1000kVA；10表示高压侧额定电压10kV。,3.1.6 变压器的图形符号,型号表示一
13、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有载调压，额定容量250000kVA，高压额定电压220kV电力变压器。,六、理想变压器 1. 变压器的运行过程 原端线圈加电压 电流i1（电阻上铜损） 磁势F1 磁场、 磁通（主、漏磁通） 电势（原端、副端，必须交变，铁芯铁 损） 副端电流i2（电阻上铜损） 最后：电磁平衡,41,第一部分 电机原理,第三章 变压器,2. 无用的因素,（1）铜损-原因：绕组有电阻 （2）铁损-原因：铁心有磁阻 （3）漏磁-原因：绕组的耦合 程度不够,2. 无用的因素 主磁通和
14、漏磁通的区别 （1）作用不同 - 主磁通传递能量,交链原副方 - 漏磁通只消耗磁势，只起磁压降作用 （2）特性不同 - 主磁通和电流非线性关系（B、H，铁芯） - 漏磁通和电流线性关系（空气）,43,44,3. 理想变压器的条件 无铜损 - 绕组电阻为 0 无铁损 - 铁心磁阻为 0，即磁导为无穷大 无漏磁通，原、副全耦合 - 耦合系数为 1，或者漏磁系数为 0,45,4. 正方向原则： - 只有定出来正方向，才能列出电压平衡方程式。 - 一般采用电动机惯例 主要内容： （1）电压源方向 电流方向 （2）电流方向 磁通方向（右手定则） （3）磁通方向 感应电势方向（右手定则）, 关键： 在电流
15、磁通电势的情况下，电流方向即电势方向！,46,相量图和相量法求解电路,(1).正弦量和相量之间的关系； (2). 正弦量的相量差和有效值的概念 (3). R、L、C各元件的电压、电流关系的相量形式 (4). 电路定律的相量形式及元件的电压电流关系的相量形式。,复数 相量法是建立在用复数来表示正弦量的基础上的，因此，必须掌握复数的四种表示形式及运算规则。,复数的四种表示形式,1.代数形式 A = a +jb,复数的实部和虚部分别表示为： ReA=a ImA=b 。,2.复数的三角形式：,两种表示法的关系：,3.根据欧拉公式可将复数的三角形式转换为指数表示形式,4.极坐标形式,注意：要熟练掌握复数
16、的四种表示形式及相互转换关系，这对复数的运算非常重要。,2. 复数的运算,(1) 加减运算 采用代数形式比较方便。,复数的加、减运算满足实部和实部相加减，虚部和虚部相加减。 复数的加、减运算也可以在复平面上按平行四边形法用向量的相加和相减求得,(2) 乘除运算 采用指数形式或极坐标形式比较方便。,即复数的乘法运算满足模相乘，辐角相加。除法运算满足模相除，辐角相减,(3) 旋转因子： 由复数的乘除运算得任意复数 A 乘或除复数,相当于 A 逆时针或顺时针旋转一个角度，而模不变，故把,称为旋转因子,故 +j, j, -1 都可以看成旋转因子。,3. 复数运算定理,定理1,式中 K 为实常数。,定理2,
