变压器的结构和原理及种类

Answer 1

变压器是闭合铁心上绕有初级和次级线圈的装置,初级线圈通交流电,交流电就在铁心内产生交变的磁场,这个磁场在次级线圈感应出感生电动势,就将电流由初级传送到了次级.由于是磁场变化(由初级变化电流产生),在次级产生电流.所以直流电就不能通过变压器传送.由于初、次级线圈圈数不同，就可以产生电压的变化，这是简单的原理

一.变压器的工作原理

变压器---利用电磁感应原理，从一个电路向另一个电路传递电能或传输信号的一种电器是电能传递或作为信号传输的重要元件

1.变压器 ---- 静止的电磁装置

变压器可将一种电压的交流电能变换为同频率的另一种电压的交流电能
电压器的主要部件是一个铁心和套在铁心上的两个绕组。

变压器原理图（图3.1.2）

与电源相连的线圈，接收交流电能，称为一次绕组
与负载相连的线圈，送出交流电能，称为二次绕组

设

一次绕组的 二次绕组的

电压相量 U1 电压相量 U2

电流相量 I1 电流相量 I2

电动势相量 E1 电动势相量 E2

匝数 N1 匝数 N2

同时交链一次，二次绕组的磁通量的相量为 φm ,该磁通量称为主磁通
请注意 图3.1.2 各物理量的参考方向确定。

2.理想变压器

不计一次、二次绕组的电阻和铁耗，
其间耦合系数 K=1 的变压器称之为理想变压器
描述理想变压器的电动势平衡方程式为

e1(t) = -N1 d φ/dt

e2(t) = -N2 d φ/dt

若一次、二次绕组的电压、电动势的瞬时值均按正弦规律变化，
则有

不计铁心损失，根据能量守恒原理可得

由此得出一次、二次绕组电压和电流有效值的关系

令 K=N1/N2，称为匝比（亦称电压比），则

二.变压器的结构简介

1.铁心

铁心是变压器中主要的磁路部分。通常由含硅量较高，厚度为 0.35 或 0.5 mm，

表面涂有绝缘漆的热轧或冷轧硅钢片叠装而成

铁心分为铁心柱和铁轭俩部分，铁心柱套有绕组；铁轭闭合磁路之用

铁心结构的基本形式有心式和壳式两种
心式变压器结构示意图(图3.1.6)

2.绕组

绕组是变压器的电路部分，

它是用纸包的绝缘扁线或圆线绕成

变压器的基本原理是电磁感应原理，现以单相双绕组变压器为例说明其基本工作原理（如上图）：当一次侧绕组上加上电压�0�31时，流过电流�0�11，在铁芯中就产生交变磁通�0�11，这些磁通称为主磁通，在它作用下，两侧绕组分别感应电势�0�71，�0�72，感应电势公式为：E=4.44fN�0�1m
式中：E--感应电势有效值
f--频率
N--匝数
�0�1m--主磁通最大值
由于二次绕组与一次绕组匝数不同，感应电势E1和E2大小也不同，当略去内阻抗压降后，电压�0�31和�0�32大小也就不同。
当变压器二次侧空载时，一次侧仅流过主磁通的电流（�0�10），这个电流称为激磁电流。当二次侧加负载流过负载电流�0�12时，也在铁芯中产生磁通，力图改变主磁通，但一次电压不变时，主磁通是不变的，一次侧就要流过两部分电流，一部分为激磁电流�0�10，一部分为用来平衡�0�12，所以这部分电流随着�0�12变化而变化。当电流乘以匝数时，就是磁势。
上述的平衡作用实质上是磁势平衡作用，变压器就是通过磁势平衡作用实现了一、二次侧的能量传递。
变压器工作原理动画演示

三、变压器的类型

变压器是一种静止电机，它可以将一种电压的电能转换为另一种电压的电能。

一、变压器分类及用途
电力变压器：电力系统传输电能的升压变压器/降压变压器/配电变压器等。

问题5-1 远距离输电为什么必须采用高压输电？

电炉变压器(专用)
给电炉(如炼钢炉)供电。

电焊变压器(专用)

给电焊机供电。

整流变压器(专用)：
给直流电力机车供电。

仪用变压器：用在测量设备中。

电子变压器：用在电子线路中。

二、变压器的工作原理

(1)原理图
一个铁心:提供磁通的闭合路径。
两个绕组:1次侧绕组(原边)N1,2次侧绕组(副边)N2。

(2)工作原理
当1次绕组接交流电压后，电流i0,该电流在铁心中产生一个交变的主磁通Φ。
Ф在两个绕组中分别产生感应电势e1和e2
e1=－N1dФ/dt�e2=－N2dФ/dt

如果略去绕组电阻和漏抗压降，则
u1/u2≈(-e1)/(-e2)=N1/N2�
u1/u2≈(-e1)/(-e2)=N1/N2=k, k定义为变压器的变比。

5-2 变压器的类型和结构

1、类型
除了按以上用途分类外，变压器还可以按相数/绕组数目/铁心形式/冷却方式等特征分类。
按相数分：单相/三相/多相等
按绕组数：双绕组/自耦/三绕组/多绕组
铁心形式：心式/壳式
冷却方式：干式/油浸式等

2、结构(电力变压器)
变压器主要部件是绕组和铁心(器身)。
绕组是变压器的电路，铁心是变压器的磁路。二者构成变压器的核心即电磁部分。
除了电磁部分，还有油箱/冷却装置/绝缘套管/调压和保护装置等部件。
(1)铁心

型式：心式(结构简单工艺简单应用广泛)/壳式(用在小容量变压器和电炉变压器)。
材料：一般由0.35mm/0.5mm冷轧(也用热轧)硅钢片叠成。
铁心交叠：相邻层按不同方式交错叠放，将接缝错开。偶数层刚好压着奇数层的接缝，从而减少了磁阻，便于磁通流通。

铁心柱截面形状：小型变压器做成方形或者矩形；大型变压器做成阶梯形。容量大则级数多。叠片间留有间隙作为油道(纵向/横向)。（纵向油道见课本图5.13）

(2)绕组

一般用绝缘扁铜线或圆铜线在绕线模上绕制而成。
绕组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。
(3)油/油箱/冷却/安全装置

器身装在油箱内，油箱内充满变压器油。
变压器油是一种矿物油，具有很好的绝缘性能。变压器油起两个作用：①在变压器绕组与绕组、绕组与铁心及油箱之间起绝缘作用。②变压器油受热后产生对流，对变压器铁心和绕组起散热作用。
油箱有许多散热油管，以增大散热面积。
为了加快散热，有的大型变压器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。这些都是变压器的冷却装置。

1油箱/2储油柜/3气体继电器/4为安全气道。
变压器运行时产生热量，使变压器油膨胀，并流进储油柜中。
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。

故障时,热量会使变压器油汽化,触动气体继电器发出报警信号或切断电源。
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。

5-3 变压器的额定值

(1)额定电压U1N/U2N

单位为V或者kV。U1N为正常运行时1次侧应加的电压。U2N为1次侧加额定电压、2次侧处于空载状态时的电压。

三相变压器中，额定电压指的是线电压。

(2)额定容量SN

单位为VA/kVA/MVA

SN为变压器的视在功率。通常把变压器1、2次侧的额定容量设计为相同。

(3)额定电流I1N/I2N

单位为A/kA。是变压器正常运行时所能承担的电流，在三相变压器中均代表线电流。

对单相：I1N=SN/U1N I2N=SN/U2N

对三相：

I1N=SN/[sqrt(3)U1N]

I2N=SN/[sqrt(3)U2N]

(3)额定频率fN

单位为Hz,fN=50Hz

此外，铭牌上还会给出三相联接组以及相数m/阻抗电压Uk/型号/运行方式/冷却方式/重量等数据。

Answer 2

Answer 3

根据容量和电压选择不同的变压器绕组结构形式。常见情况如下：
1. 圆柱形 　　
这是一种简单的同心绕组形式。加工性能好，易缠绕，层间油路散热效率高，但端部支撑稳定性差。一般用于三相容量630kVA及以下，电压1kV及以下的低压绕组。
2.分段式
这相当于将多层圆柱绕组沿轴向分成若干线段。在线段之间放置绝缘纸环。这种绕组可以降低层间绝缘所承受的工作电压，但其制造比圆柱形绕组复杂。适用于电压互感器或高压试验变压器的高压绕组。
3.连续
它能适应大范围的容量和电压要求。它具有较高的机械强度和良好的散热性能，但对缠绕工艺要求较高。一至六根扁平导体固定在绝缘圆筒上，或放置在绕组模具的支架上，并绕成一个饼状的段。分段数通常是偶数。这些段由油道或交错的油道和纸环分开。两端有油道和绝缘环。可用于三相容量630kVA及以上，电压3~110kV的绕组。当油路和纸环在段间错开时，可用于三相容量630~6300KVA、电压3~35kV的绕组。
4.双饼式
与连续型相似，它以两个线段为单位，即所谓的双饼。双层蛋糕在包装后串联或并联焊接。用于电压35kV及以下的电炉、整流器等特种变压器的绕组。
5.缠结型
它类似于连续型，但有许多焊接接头。当电线匝由一根电线组成时，两根电线应缠绕在一起。当两根电线并联时，应将四根电线缠绕在一起。为了增加绕组的匝间电容，使遇到过电压时的电压分布更加合理，导线匝不是按顺序排列，而是通过交叉整流连接。可用于三相容量6300KVA及以上，电压110~330kV的绕组。
6.螺旋式
形状类似于连续型，一圈相当于连续型的一段（单螺旋型）、两段（双螺旋型）或四段（四螺旋型）。绕组简单，但由于绕组高度的限制，不能使用稍多匝的绕组。可用于三相容量800kVA及以上、电压35kV及以下的大电流绕组和有载调压变压器的调压绕组。 　　7.铝箔圆筒
它类似于多层圆柱形，但每层为一圈，铝箔的宽度等于绕组的高度。这种绕线方式具有空间利用率高、自动绕线、生产效率高等优点。可用于中小型变压器绕组。