变压器的应用、结构和基本工作原理.ppt
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1、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。,4.1.2 变压器的基本工作原理,变压器的主要部件
2、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,在两绕组中分别感应电动势。,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,(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,(3)副线圈(次级线圈) 其匝数用n2表示 与负载相连,(4)输入电压U1 输出电压U2,原线圈,副线圈,铁芯,U1,U2,互感现象,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),变压器的工作原理,t1,t2,t3,t4
3、,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,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。,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:,若不考虑原副线圈的内阻有 U1=E1
4、 U2=E2,理想变压器的电压规律,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?,生活中需要各种电压的交流或直流电,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、n2 n1 U2U1升压变压器,3、n2 n1 U2 U1降压变压器,2、n2 =n1 U2=U1等压变压器,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。,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
5、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,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
6、道、净油器和气体继电器。,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,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:SL7500/10 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:SFPL63000/110 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1
7、10KV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。,一、变压器型号,二、额定值,三者关系:,此外,额定值还有额定频率fN、效率、温升T等。,4.3.1、空载运行时的物理情况,4.3 单相变压器的空载运行,空载运行:原边接额定电压 的电源,副边开路。 原边绕组电流 为空载电流,产生空载励磁磁势 产生主磁通 。,主磁通流径闭合铁心,磁阻小,同时匝链了原边和副边绕组,并感应出电势 和 。是变压器传递能量的主要媒介 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,磁通分为两部分,各电磁量参考方向的规定,
8、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。,主磁能与漏磁通的区别:,在性质上磁路不同,因而磁阻不同。 0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,0 与 I0 呈非线性关系。 1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, 1 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 0 99% 总磁通, 1 1%总磁通,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
9、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,d/dt为正,e1 N1d/dt0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0,与0方向相反,起阻止0增加的作用,即符合楞次定律,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:,若不考虑原副线圈的内阻有 U1=E1 U2=E2,4.3.2 磁通和感应电动势分析,若 u1 随时间按正弦规律变化,则 0 也按正弦规律变化,设:,主磁通与感应电势的关系,(a) 波形图,(b) 向量图,磁通与电动势之间的关系图形,结论: 0 为正弦
10、波时,e 也为正弦波 e滞后0 相位900,电动势有效值、相量表示法,有效值 相量,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: ,因此变压器原边漏 磁通链克表示为: ,式中 是原绕组 的漏电感,为常数。故漏感应电动势可表示如下:,式中:,=常数,为一次绕组的漏电抗。,设 代入上式得(并考虑 ):,和 分别称为一次和二次绕组的漏磁电抗,简称漏抗,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:,二次绕组的漏磁通:由电流 产生且仅与二次绕组相交链的磁通,用 表示。,根据KVL:,变压器一次侧等效电路如图,由于电阻 R1 和感抗
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