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1、,变压器工作原理介绍杜 洋,变 压 器 及 其 工 作 原 理,变压器是利用电磁感应原理传输电能或电信号的器件, 它具有变压、 变流和变阻抗的作用。 变压器的种类很多, 应用十分广泛。 比如在电力系统中用电力变压器把发电机发出的电压升高后进行远距离输电, 到达目的地后再用变压器把电压降低以便用户使用, 以此减少传输过程中电能的损耗; 在电子设备和仪器中常用小功率电源变压器改变市电电压, 再通过整流和滤波, 得到电路所需要的直流电压; 在放大电路中用耦合变压器传递信号或进行阻抗的匹配等等。 变压器虽然大小悬殊, 用途各异, 但其基本结构和工作原理却是相同的。, 变压器由铁心和绕组两个基本部分组成
2、, 如图 2 - 34所示, 在一个闭合的铁心上套有两个绕组, 绕组与绕组之间以及绕组与铁心之间都是绝缘的。 ,变 压 器 的 结 构,图2-35 变压器的铁心,变 压 器 的 结 构,图2-36 变压器的结构形式,变 压 器 的 结 构,骨架在变压器中的作用主要有以下几点： 1 、为变压器中的铜线提供缠绕的空间， 2、 固定变压器中的磁芯。 3 、骨架中的线槽为变压器生产绕线时提供过线的路径。 4 、骨架中的金属针脚为变压器之铜线缠绕的支柱；经过焊锡后与PCB板相连接，在变压器工作时起到导电的作用。 5 、骨架底部的挡墙，可使变压器与PCB板产生固定的作用；为焊锡时产生的锡堆与PCB板，和磁
3、芯与PCB板，提供一定距离空间；隔离磁芯与锡堆，避免发生耐压不良。 6 、骨架中的凸点、凹点或倒角，可决定变压器使用时放置方向或针脚顺序,空载运行和电压变换如图 2 - 37所示, 将变压器的原边接在交流电压1上, 副边开路, 这种运行状态称为空载运行。此时副绕组中的电流i2=0, 电压为开路电压u20, 原绕组通过的电流为空载电流i10, 电压和电流的参考方向如图所示。图中为原绕组的匝数, 为副绕组的匝数。,变 压 器 原 理 及 应 用,变 压 器 原 理 及 应 用,副边开路时, 通过原边的空载电流i10就是励磁电流。磁动势i10N1在铁心中产生的主磁通既穿过原绕组, 也穿过副绕组, 于
4、是在原、 副绕组中分别感应出电动势和。且和与的参考方向之间符合右手螺旋定则, 由法拉第电磁感应定律可得,变 压 器 原 理 及 应 用,和的有效值分别为,（2.34） (2.35),式中为交流电源的频率, m为主磁通的最大值。 如果忽略漏磁通的影响并且不考虑绕组上电阻的压 降时, 可认为原、 副绕组上电动势的有效值近似等于原、 副绕组上电压的有效值, 即,变 压 器 原 理 及 应 用,因此,由式（2.36）可见, 变压器空载运行时, 原、 副绕组上电压的比值等于两者的匝数之比, 称为变压器的变比。 若改变变压器原、 副绕组的匝数, 就能够把某一数值的交流电压变为同频率的另一数值的交流电压,当
5、原绕组的匝数1比副绕组的匝数多时, , 这种变压器为降压变压器; 反之, 当的匝数少于的匝数时, , 为升压变压器。,(2.36),变 压 器 原 理 及 应 用,例 1 已知某变压器铁心的截面积为 20cm2, 铁心中磁感应强度的最大值不能超过0., 若要用它把220工频交流电变换成为20的同频率交流电, 原、副绕组的匝数应为多少？ 解 铁心中磁通的最大值,原绕组的匝数应为,应 用 举 例,副绕组的匝数应为,或,应 用 举 例,如图 2 - 38所示, 变压器的原绕组接交流电压u, 副绕组接上负载L, 这种运行状态称为负载运行。 这时副边的电流为, 原边电流由10增大为, 且u略有下降, 这
6、是因为有了负载后, 、会增大, 原、 副绕组本身的内部压降也要比空载时增大, 使副绕组电压比低一些。 因为变压器内部压降一般小于额定电压的, 因此变压器有无负载对电压比的影响不大, 可以认为负载运行时变压器原、 副绕组的电压比仍然基本上等于原、 副绕组匝数之比。,负 载 运 行 和 电 流 变 换,负 载 运 行 和 电 流 变 换,变压器负载运行时, 由形成的磁动势对磁路也会产生影响, 即铁心中的主磁通是由i1N1和i2N2共同产生的。由式 UE4.44fNm可知, 当电源电压和频率不变时, 铁心中的磁通最大值应保持基本不变, 那么磁动势也应保持不变, 即,负 载 运 行 和 电 流 变 换
7、,由于变压器空载电流很小, 一般只有额定电流的百分之几, 因此当变压器额定运行时, 可忽略不计。 则有 。 可见变压器负载运行时, 原、 副绕组产生的磁动势方向相反, 即副边电流对原边电流产生的磁通有去磁作用。 因此, 当负载阻抗减小, 副边电流增大时, 铁心中的磁通m将减小, 原边电流必然增加, 以保持磁通m基本不变, 所以副边电流变化时, 原边电流也会相应地变化。原、副边电流有效值的关系为,负 载 运 行 和 电 流 变 换,(2.37),由式（2.37）可见, 当变压器额定运行时, 原、 副边的电流之比近似等于其匝数之比的倒数。若改变原、 副绕组的匝数, 就能够改变原、 副绕组电流的比值
8、, 这就是变压器的电流变换作用。 不难看出， 变压器的电压比与电流比互为倒数, 因此匝数多的绕组电压高, 电流小; 匝数少的绕组电压低, 电流大。,负 载 运 行 和 电 流 变 换,例 2 已知某一变压器 1000, 100, 20, 2, 负载为纯电阻, 忽略变压器的漏磁和损耗, 求变压器的副边电压、原边电流和输入、输出功率。,解 变压比：,副边电压：,原边电流：,输入功率：,输出功率,应 用 举 例,由此可见, 当变压器的功率损耗忽略不计时, 它的输入功率与输出功率相等, 符合能量守恒定律。 在远距离输电线路中, 线路损耗l与电流l的平方乘以线路电阻l的积成正比, 因此在输送同样功率的情
9、况下, 如果所用电压越高, 电流就会越小, 输电线上的损耗越小, 可以减小输电导线的截面积, 从而大大降低了成本。 所以电厂在输送电能之前, 必须先用升压变压器将电压升高, 传输到用户后, 电压不能太高, 通常为380或220, 因此要用降压变压器再进行降压。 ,应 用 举 例,变压器除了具有变压和变流的作用外, 还有变换阻抗的作用。 如图 2 - 39所示, 变压器原边接电源1, 副边接负载阻抗|ZL|, 对于电源来说, 图中虚线框内的电路可用另一个阻抗|Z/L|来等效。所谓等效, 就是它们从电源吸取的电流和功率相等。当忽略变压器的漏磁和损耗时, 等效阻抗由下式求得,阻 抗 变 换,式中 为
10、变压器副边的负载阻抗。可见, 对于变比为且变压器副边阻抗为|ZL|的负载, 相当于在电源上直接接一个阻抗|Z/L|=K2|ZL|的负载。也可以说变压器把负载阻抗L变换为|Z/L|。因此, 通过选择合适的变比, 可把实际负载阻抗变换为所需的数值, 这就是变压器的阻抗变换作用。,阻 抗 变 换,在电子电路中, 为了提高信号的传输功率, 常用变压器将负载阻抗变换为适当的数值,使其与放大电路的输出阻抗相匹配, 这种做法称为阻抗匹配。,阻 抗 变 换,例 3 某交流信号源的电动势120V, 内阻0=800, 负载电阻l。试求: （1） 若将负载与信号源直接相连, 如图 2- 40（）所示, 信号源输出的
11、功率有多大？ （2） 若要信号源输给负载的功率达到最大, 负载电阻应等于信号源内阻。 今用变压器进行阻抗变换, 则变压器的匝数比应选多少？阻抗变换后信号源的输出功率有多大？,应 用 举 例,应 用 举 例,解 (1) 由图()可知, 若将负载直接与信号源连接, 信号源的输出功率为,(2) 如图(b)所示, 用变压器把负载变换为等效电阻, 使其阻值与电源内阻相等。,信号源的输出功率为,可见, 阻抗匹配后输出功率为最大。 ,应 用 举 例,变压器的简介,变压器的功能主要有：电压变换；电流变换，阻抗变换；1隔离；稳压（磁饱和变压器）;自耦变压器；高压变压器（干式和油浸式）等，变压器常用的铁芯形状一般
12、有E型和C型铁芯，XED型，ED型CD型。 变压器按用途可以分为：配电变压器、电力变压器、 全密封变压器、组合式变压器、干式变压器、 单相变压器、电炉变压器、整流变压器、电抗器、抗干扰变压器、防雷变压器、箱式变电器 试验变压器 转角变压器 大电流变压器 励磁变压器 。,变压器的最基本型式，包括两组绕有导线之线圈，并且彼此以电感方式称合一起。当一交流电流(具有某一已知频率)流于其中之一组线圈时，于另一组线圈中将感应出具有相同频率之交流电压，而感应的电压大小取决于两线圈耦合及磁交链之程度。 一般指连接交流电源的线圈称之为一次线圈(Primary coil);而跨于此线圈的电压称之为一次电压.。在二
13、次线圈的感应电压可能大于或小于一次电压，是由一次线圈与二次线圈间的匝数比所决定的。因此，变压器区分为升压与降压变压器两种。,因此，变压器之匝数比，一般可作为变压器升压或降压的参考指标。由于此项升压与降压的功能，使得变压器已成为现代化电力系统之一重要附属物，提升输电电压使得长途输送电力更为经济，至于降压变压器，它使得电力运用方面更加多元化，可以这样说，没有变压器，现代工业实无法达到目前发展的现况。,大功率高压配电变压器,油浸式电力变压器,箱式变压器,箱式变压器,SCB10型脱硫干式变压器 干式电力变压器型号及含义 SCB101600/6 SC:三相固体成型 （环氧树脂） B:低压箔式线圈 10:
14、设计序号 1600kVA:额定容量 6kV:额定高压电压,SCB10型脱硫干式变压器,干式电力变压器特点 图 干式变 干式电力变压器承受热冲击能力强，过负载能力大、难燃、防火性能高、低损耗、局部放电量小、 噪声低、不产生有害气体、不污染环境、对湿度、灰尘不敏感、体积小、不开裂、维护简便。因此，最适宜用于防火要求高，负荷波动大以及污秽潮湿的恶劣环境中。如：机场、发电厂、冶金作业、医院、高层建筑、购物中心、居民密集区以及石油化工、核电站、核潜艇等特殊环境中。,干式电力变压器结构 绕组是变压器的电路部分。高、低压线圈按额定容量大小分别采用干式变压器高、低压线圈采用德国MKM公司进口的优质铜箔ECu5
15、8绕制。绕组优化设计，使得电流和温度沿绕组均匀分布，并使绕组在雷电冲击全波试验时得到最佳的电位分布。变压器的高压端连接6kV/10kV电缆，低压绕组端子连接低压动力中心的主母线。低压绕组中性点端子根据不同的接地方式引接至高阻箱或通过绝缘铜绞线连接到外壳的接地母线。 圆铜线，扁铜线，铜箔绕制，采用瑞士汽巴嘉基带填料环氧树脂系统，玻璃丝纤维增强，在真空状态下实现无气泡浇注。 铜带从德国进口，两边缘呈圆弧形，消除了由于边缘毛刺破坏线圈匝间绝缘的危险，使得线圈匝间绝缘更可靠。蜂窝式冷却气道设置均匀密集合理，散热好，过载能力强。 铁芯是变压器的磁路部分。铁芯采用优质高导磁低损耗冷轧晶粒取向硅钢片制造、4
16、5全斜接缝，步进叠装结构。芯柱采用高强度绝缘带绑扎紧实牢固，平板式夹件具有良好的通风效果。 高、低压线圈与铁芯组装时，均有弹性支承。整体具有减振功能和很好的抗短路冲击性能。,变压器及进线开关保护原理介绍 WB跳开关WB图 差动保护原理 差动保护 差动保护主要保护被保护设备内部发生相间短路时的故障类型。其工作原理如下： 把元件两侧的电流互感器按差接法接线，在正常和外故障时，流入继电器的电流为两侧电流之差，其值接近于零，继电器不动作。内部故障时，流入继电器的电流为两侧电流之和，其值为短路电流，继电器动作。纵差动保护不但能正确区别内外故障，而且由于不需要与其它元件的保护配合，可以无延时地切除故障。因此，纵差动保护可以作为变压器、线路、发电机、电动机的主保护。 右图为双绕组变压器纵差动保护的单相原理接线图。正常情况和外部故障时，有许多因素使得流入差动继电器的电流不等于零。该电流叫不平衡电流，用Iunp表示。为了保证动作的选择性，继电器的动作电流应躲开外部故障时出现的最大不平衡电流来整定.
