变压器结构和基本原理

二、额定值
额定容量SN ( kVA )
额定电流I1N 和I 2 N ( A )
指铭牌规定的额定使用条 指在额定容量下，允许长期通 件下所能输出的视在功率。 过的额定电流。在三相变压器中指 的是线电流
额定电压U1N 和U2 N ( kV ) 指长期运行时所能承受的工作电压
U1N是指加在一次侧的额定电压,U 2 N 是指一次侧加 U1N , 二次的开路电压.对三相变压器指的是线电压
1 1 1 1
U 1
–
E E 1 1
式中 R1 为一次侧绕组的电阻; X1 =L1 为一次侧绕组的感抗(漏磁感抗，由漏 磁产生)。 由于电阻 R1 和感抗 X1σ (或漏磁通)较小,其两端 的电压也较小,与主磁电动势 E1比较可忽略不计， 则 U E U E 4.44 f N
原、副线圈中通过的磁通量始终相同，因 此产生的感应电动势分别是：
dN1 0 d 0 d 1 N1 dt dt dt dN2 0 d 0 d 2 e2 N2 dt dt dt d 1 d1 e1 N1 dt dt e1
变压器的工作原理 铁芯 副 线 U2 圈
——互感现象
e
0
t1 t2 t3 t4
原 ∽U1线 圈
n1 n 2
t
变压器通过闭合铁芯，利用互感现象实现了： 电能 → 磁场能 → 电能转化 (U1、I1) (变化的磁场) ( U2、I2)
理解： （ 1 ）互感现象：在变压器原、副线圈中由于有交变电 流而发生互相感应的现象，叫做互感现象． （2）互感现象是变压器工作的基础． 变压器通过闭合铁芯，利用互感现象实现了电能到磁 场能再到电能的转化． （3）变压器只能工作在交流电路． 如果变压器接入直流电路，在铁芯中不会产生交变的 磁通量，没有互感现象出现，所以变压器仅工作于交 流电路．
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。 二、绕组 变压器的电路，一般用绝缘铜线或铝线绕制而成。 三、油箱 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）。 四、绝缘套管 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。 此外，还有储油柜、吸湿器、安全气道、净油器和 气体继电器。
U1 n1 U 2 n2
1、n2 >n1 U2>U1——升压变压器 2、n2 =n1 U2=U1——等压变压器 3、n2 <n1 U2 <U1——降压变压器
4.1.3、 变压器的结构及类型简介 按用途分：电力变压器（升压变压器、降压变压 器 ）和特种变压器。 按绕组数目分：单绕组（自耦）变压器、双绕组变压器、 三绕组变压器和多绕组变压器。
磁通分为两部分
1 和 E 2 。是变压器传 边和副边绕组,并感应出电势 E 递能量的主要媒介 1 ——原边绕组漏磁通，仅与原边绕组匝链，通过变 压器油或空气形成闭路，磁阻大，不传递功率
0 ——主磁通流径闭合铁心，磁阻小，同时匝链了原
主磁能与漏磁通的区别： ●在性质上——磁路不同，因而磁阻不同。 Φ0——同时交链一、二次绕组，路径为沿铁芯而闭合的磁路， 磁阻较小，具有饱和特性，Φ0 与 I0 呈非线性关系。 Φ1δ——只交链一次绕组，它所经的路径大部分为非磁性物质， 磁阻较大， Φ1δ 与 I0 呈线性关系，不具饱和特性。 ●在作用上——功能不同。主磁通通过互感作用传递功率， 漏磁通不传递功率，仅起漏抗压降的作用。 ●在数量上—— Φ0 ＞ 99% 总磁通， Φ1δ ＜1%总磁通 各电磁量参考方向的规定
• 相量
j 4.44 fN E 1 1 m j 4.44 fN E
2 2
m
漏磁感应电动势： 因为电流通过绕组产生的磁通链等于电流和该绕组 电感的乘积，即： iL N ，因此变压器原边漏 磁通链克表示为： ，式中 L1是原绕组 1 i0 L1 的漏电感，为常数。故漏感应电动势可表示如下： d 1 d (i0 L1 ) di0 e1 L1 dt dt dt 设 i0 2 I 0 sin t 代入上式得（并考虑 X 1 L1 ）：
按相数分：单相变压器、三相变压器和多相变压器。 按铁心结构分：芯式变压器和壳式变压器。
按冷却介质和冷却方式分：干式变压器、油浸式变压器和 充气式变压器。
●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 铁芯结构示意图
源自文库
基本结构
第四章
变压器
变压器是一种静止电机，它通过线圈间的电磁 感应，将一种形式的电信号（或电能）转换成同频 率的另一种形式的电信号（或电能）。
4.1 变压器的应用、结构和基本工作原理
4.1.1、变压器的用途简介 在自动控制系统中常用的变压器有小功率电源变 压器和作为信号传递的信号变压器：脉冲变压器、输 入输出变压器等。 在电力系统中用的变压器是作为电能之间的转换， 为电力变压器。 在控制系统中用的变压器的容量小，多为不超过几 千伏安的单相变压器；电力变压器的容量大，为几千伏 安以上。 本章已自动控制系统中用的单相变压器为例介绍变 压器的基本理论。
E1 n1
E 2 n2
I1
I2
~U
1
t
ΔΦ Δt
n1
U2 R
n2
E1 n1 E 2 n2
铁芯
若不考虑原副线圈的内阻有
U1 =E1
U2 =E2
U 1 n1 U 2 n2
原 U1线 ∽ 圈
n1 n2
副 线 U2 圈
生活中需要各种电压的交流或直流电
额定工作电 额定工作电 用电器 用电器 压 压 随身听 机床上的照明灯 3V 36V
三者关系： 单相 : S N U1N I1N U 2 N I 2 N
三相 : S N 3U1N I1N 3U 2 N I 2 N
此外，额定值还有额定频率fN、效率η、温升T等。
4.3 单相变压器的空载运行
4.3.1、空载运行时的物理情况
U1
I 0
E 1
0
) (I 2
E1 n1 E 2 n2
若不考虑原副线圈的内阻有
U1 =E1
U2 =E2
U 1 n1 U 2 n2
4.3.2 磁通和感应电动势分析
若 u1 随时间按正弦规律变化，则 φ0 也按正弦规 律变化，设：
主磁通 0 m sin t
— 为磁通幅值 m
感应应电动势瞬 时值为
d 0 e1 N1 N1 m cost N1 m sin(t 90) dt 2fN1 m sin(t 90) E1m sin(t 90) e2 N 2 d 0 N 2 m cost N 2 m sin(t 90) dt 2fN 2 m sin(t 90) E2 m sin(t 90)
ZL
1
1
u2
只要一、二次绕组的匝数不同，就能达到改变压 的目的。
1、构造示意图
铁芯
原 ∽U1线 圈
n 1 n2
(1)闭合铁芯 (绝缘硅钢片叠合而成) (2)原线圈(初级线圈) 其匝数用n1表示 与交变电源相连 副 (3)副线圈(次级线圈) U 线 2 其匝数用n2表示 圈 与负载相连 (4)输入电压U1 输出电压U2
扫描仪
手机充电 器
防身器 12V 4.2V 4.4V 黑白电视机显像 管 5.3V
3000V
几万伏
录音机
彩色电视机显像 6V 9V 12V 管 十几万伏
但我们国家民用统一供电均为220V，那么如何使这 些额定电压不是220V的电器设备正常工作的呢？
理想变压器原副线圈的端电压之比等于 这两个线圈的匝数之比
1
u1
U 1
U2
E 2
U 20
u2
E 1
U 1
I 0
I N F 0 0 1
0
1
E 1
E 2
E 1 R I 0 1
1 的电源，副边开路。 空载运行：原边接额定电压 U 0 为空载电流，产生空载励磁磁势 原边绕组电流 I 0 。 0 N1I 0 → F 0 产生主磁通 F
1 1 1 1 m 1
1
4.3 单相变压器的空载运行
4.3.1、空载运行时的物理情况
U1
I 0
E 1
0
) (I 2
1
u1
U 1
U2
E 2
主磁通与感应电势的关系
０
（a) 波形图
（b) 向量图
磁通与电动势之间的关系图形
结论：
●φ0
为正弦波时，e 也为正弦波 ● e滞后φ0 相位900
电动势有效值、相量表示法
• 有效值
E1 E1m / 2 2fN1 m 4.44 fN1 m E2 E2 m / 2 2fN 2 m 4.44 fN 2 m
• 型号——可反映出变压器的结构、额定容量、电压等 级、冷却方式等内容 • 例一：SL7—500/10 低损耗三相油浸自冷双绕组铝 线，额定容量500KVA，高压侧额定电压10KV级电力 变压器 • 例二：SFPL——63000/110 三相强迫油循环风冷双绕 组铝线，额定容量63000KVA，高压侧额定电压110KV 级电力变压器 • 此外，铭牌上还会给出三相联结组以及相数m、阻抗 电压Uk、型号、运行方式、冷却方式和重量等数据。
e1 2I 0 X1 sin( t 90)
jL I E 1 1 0 jI 0 X 1
式中： X 1
N12 2f =常数，为一次绕组的漏电抗。 Rm
二次绕组的漏磁通：由电流 链的磁通，用 2 表示。
i2 产生且仅与二次绕组相交
X 1 和 X 2 分别称为一次和二次绕组的漏磁电抗，简
4.2
变压器型号与额定值
一、型号 型号表示一台变压器的结构、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。
3.1.3 变压器的型号与额定值
一、变压器型号
称漏抗，漏抗是表征绕组漏磁效应的一个参数,且都 为常值。则一二次绕组的漏磁电动势可表示为：
jX I E 1 1 1 jX I E 2 2 2
4.3.3 一次、二次侧电压
变压器一次侧等效电路如图 根据KVL：
R I 1 1
+
– +
–
+
RI E E U 1 1 1 σ1 1 jX I E RI
强调：磁通与产生它的电流之间符合右手螺旋定则；电
动势与感应它的磁通之间符合右手螺旋定则，电流正方向 与电势正方向一致。
变压器各电磁量参考方向的规定
一次绕组（负载）——按电动机惯例 ——同方向 与 ——符合右手螺旋定则 与 ——同方向 二次绕组（电源）——按发电机惯例 ——与 之间关系用 右手螺旋定则确定 ——与 同方向 ——与 同方向 例如正在增加，dФ/dt为正，e1＝－ N1dФ/dt＜0为负， 若外电路能使e1产生电流，其电流方向必与I0正方向相 反，该电流产生磁通Ф0′，与Ф0方向相反，起阻止Ф0 增加的作用，即符合楞次定律
4.1.2 变压器的基本工作原理
变压器的主要部件是铁心和套在铁心上的两个绕组。 两绕组只有磁耦合没电联系。在一次绕组中加上交变电 压，产生交链一、二次绕组的交变磁通，在两绕组中分 d 别感应电动势。 e N
U1
i1
i2
u1
U2
e1
e2 u 2
dt u1 e N d 2 2 dt
理想变压器 如果在能量转化的过程中能量损失很小，能够略去 原、副线圈的电阻，以及各种电磁能量损失，这样的 变压器我们称之为理想变压器.这是物理学中又一种理 想化模型。
理想变压器的电压规律 原、副线圈中通过的磁通量始终 相同(无漏磁),因此产生的感应电动势 分别是：
d e1 N1 dt d e2 N 2 dt