變壓器結構與原理了解變壓器的基本組成結構以及工作原理,為進一步學習電力系統及電機原理打下堅實的基礎。課程目標1深入理解變壓器的基本結構掌握變壓器的主要組成部分及其功能。2學習變壓器的工作原理了解變壓器的電磁感應過程和二次電壓的產生機理。3分析變壓器的性能指標探討變壓器的變比、效率、損耗等關鍵特性。4掌握變壓器的等效電路了解變壓器的內部阻抗和短路特性。什么是變壓器變壓器的定義變壓器是一種利用電磁感應原理來改變交流電壓和電流參數的電力設備,是電力系統中不可或缺的重要元件之一。變壓器的構造變壓器由鐵芯、初級繞組和二次繞組三大部分組成,通過電磁感應實現電壓和電流的變換。變壓器的功能變壓器可以將電網輸電電壓從高壓降至低壓,或將低壓升至高壓,從而實現電力的高效傳輸和利用。變壓器的組成部分繞組變壓器的核心部件,由細密的導線繞制而成,用于電磁感應。鐵芯由優質的電工鋼片疊層而成,提供磁路,促進磁通回路閉合。外殼裝載和保護變壓器內部結構,通常由鋼板或鋁合金制成。變壓器的工作原理1電磁感應變壓器利用電磁感應原理工作2初級繞組初級繞組接收交流電輸入3鐵芯鐵芯產生變化的磁通量4次級繞組次級繞組感應出交流電輸出變壓器的工作原理是基于電磁感應原理。初級繞組接收輸入電壓并產生變化的磁通量，鐵芯將磁通量傳遞到次級繞組，最終在次級繞組感應出所需的輸出電壓。這一過程利用了電磁感應的基本規律。變壓器電磁感應現象變壓器工作時,初次繞組產生交流電磁場,通過磁性材料(鐵芯)傳遞到二次繞組,從而在二次繞組中產生感應電磁力,使其產生感應電動勢。這就是變壓器的電磁感應現象,是變壓器工作的基礎。電磁感應產生感應電動勢的大小與初次繞組的電流變化率和兩繞組的匝數比有關。這種感應電動勢可用于改變電壓等級,實現電能的變換。變壓器二次電壓的產生1電磁感應原理變壓器的工作依賴于電磁感應原理,即當電流通過初級繞組時會產生變化的磁場。2磁通鏈接二次繞組這個變化的磁場會穿過二次繞組,導致二次繞組中產生感應電動勢。3感應電壓的大小感應電壓的大小取決于磁通的變化率以及二次繞組匝數,遵循法拉第電磁感應定律。變壓器變比定義變壓器變比是指變壓器原邊和二邊的電壓之比。是決定變壓器輸出電壓大小的重要參數。計算變壓器變比等于原邊電壓與二邊電壓的比值。公式為：變比=原邊電壓/二邊電壓。作用通過調整變壓器變比可以實現電壓的升降變換,滿足實際應用中對電壓水平的需求。變壓器的電壓和電流關系主回路電壓(U1)主回路電流(I1)次回路電壓(U2)次回路電流(I2)變壓器的輸入電壓流過變壓器初級繞組的電流變壓器的輸出電壓流過變壓器二次繞組的電流由電網供給取決于負載大小由變壓器變比決定取決于負載大小U1=N1/N2*U2I1=N2/N1*I2U2=N2/N1*U1I2=N1/N2*I1理想變壓器的特性無損耗理想變壓器假設鐵芯和繞組沒有任何損耗,因此輸入功率等于輸出功率,效率為100%。電壓和電流比例理想變壓器的一次和二次電壓及電流成正比,即電壓變比等于匝數變比。相位關系理想變壓器的一次和二次電壓/電流相位呈180°的相位差。頻帶特性理想變壓器對頻帶的傳輸沒有限制,可以傳輸任意頻率的交流電。實際變壓器的特性磁芯損耗實際變壓器在工作時會產生磁芯損耗,主要包括渦流損和磁滯損,這會降低變壓器的效率。繞組損耗實際變壓器的繞組存在電阻,會產生電阻損耗,同時還會產生皮膚效應和臨近效應帶來的附加損耗。散熱特性實際變壓器需要通過合理的散熱設計來確保繞組和磁芯不會因發熱過高而損壞。變壓器的效率鐵耗損銅耗損泄漏損其他損耗有效功率從上述餅狀圖可以看出,變壓器的有效功率占到總功率的65%,其余部分為各種損耗。要提高變壓器的效率,需要降低這些損耗,如提高鐵芯和繞組材料的質量,減小散熱損耗等。變壓器的損耗銅損銅損是由于變壓器線圈電阻產生的熱量損失。應選用導電性能優良的銅線以減小銅損。鐵損鐵損是由于變壓器鐵芯交流磁場產生的渦流和磁滯損耗。應選用優質硅鋼片制作鐵芯以減小鐵損。散熱損耗變壓器運行過程中會產生熱量,需要通過冷卻裝置及時散出以保持正常工作。變壓器的激磁電流激磁電流概念當變壓器一次繞組接通電源時,會產生一種電磁場。這種電磁場會導致鐵芯中產生渦流和鋼鐵的磁滯損耗,從而產生一些電流。這些電流就是變壓器的激磁電流。激磁電流特點激磁電流在無負載時,占用變壓器全部電流的10%~20%。隨著負載增大,激磁電流比例會逐漸降低。激磁電流主要由鐵芯的磁滯損耗和渦流損耗組成。變壓器的勵磁特性磁極性變壓器勵磁時，一次繞組和二次繞組中會產生磁場,使核心磁極產生正負磁極。磁通量變壓器勵磁時,磁通量隨電壓和電流的變化而變化。磁通量是決定變壓器性能的關鍵因素。磁滯回線變壓器的磁滯回線反映了核心材料的磁性特性,決定了勵磁電流和損耗。飽和特性隨著電壓的增加,變壓器會進入飽和狀態,此時磁通量無法繼續增加,勵磁電流迅速增大。變壓器的飽和特性1磁芯過度飽和當變壓器的工作磁通密度過大時,磁芯會進入飽和狀態,導致磁導率下降,電感變小。2輸出電壓下降變壓器進入磁飽和區域后,二次側的輸出電壓會明顯下降,影響變壓器的性能。3電流急劇增大當變壓器進入磁飽和區域時,初級電流會急劇增大,威脅變壓器的安全運行。4損耗增大磁飽和會導致變壓器的鐵損和電流損耗急劇增大,降低變壓器的效率。變壓器的負載特性1電壓調整率負載增加會導致二次側電壓下降,電壓調整率反映了二次側電壓的變化程度。2功率因數負載的功率因數會影響二次側電流和變壓器的容量,需要合理選擇變壓器。3短路電流在二次側短路時,變壓器會產生較大的電流,需要及時切斷以免損壞。4溫升變壓器負載過重會導致繞組和鐵芯溫升過高,縮短使用壽命,需要合理選型。變壓器的等效電路為了更好地分析變壓器的特性和性能,我們通常會用等效電路來表示變壓器的內部結構和工作過程。等效電路包括了變壓器繞組的電阻和電感,以及磁路的磁阻等重要參數,能夠反映變壓器的電磁特性。通過分析變壓器的等效電路,我們可以計算出變壓器的輸入輸出電壓電流關系、損耗、效率等重要性能指標,為變壓器的設計和應用提供理論依據。變壓器的內部阻抗0.1內部電阻變壓器繞組內部的電阻一般很小,約為0.1歐姆。0.5內部電抗變壓器繞組產生的磁通感應所造成的電抗約為0.5歐姆。1總內部阻抗變壓器的總內部阻抗約為1歐姆,是內部電阻和內部電抗的矢量和。變壓器的內部阻抗主要來自于繞組內部的電阻和變壓器所產生的磁通感應引起的電抗。這些阻抗值較小,但對變壓器的性能和工作特性有重要影響。變壓器的短路特性短路電流短路是指變壓器二次側發生短路,這將導致二次側電流驟增。短路電流可達額定電流的數十倍甚至更高,這對變壓器會造成嚴重損壞。短路試驗為了測試變壓器的短路特性,需要進行短路試驗,施加一個很大的電流,觀察變壓器的行為。這有助于設計變壓器的短路保護。短路阻抗變壓器的短路阻抗是指變壓器在二次側發生短路時,一次側所測到的阻抗。這一參數反映了變壓器在短路條件下的性能。變壓器的級聯連接1串聯接線將多個變壓器的一次繞組串聯連接2二次并聯將多個變壓器的二次繞組并聯連接3提高供電可靠性通過級聯可以提高系統的供電可靠性級聯連接是將多個變壓器串聯連接在一起的方法。這種方式可以提高供電電壓等級,同時也可以提高系統的供電可靠性。在實際應用中,通常將變壓器的一次繞組串聯,而二次繞組則并聯連接。這種級聯連接方式可廣泛應用于電力系統中。變壓器的并聯連接同等額定電壓并聯變壓器的二次電壓必須保持相同的額定電壓。同等額定功率并聯變壓器的容量也必須保持相同,否則會影響負載分擔。相位同步變壓器的相位和頻率必須完全一致,以確保平穩并聯運行。變壓器的旁路連接1主變壓器承擔主要負荷2旁路變壓器提供額外支持3負載切換從主變切換至旁路變壓器的旁路連接通常用于需要提高供電可靠性的場合。主變壓器承擔主要負荷,而旁路變壓器作為備用電源,在主變出現故障時可快速切換負載,確保供電不間斷。這種連接方式可提高整個變壓器系統的可靠性和靈活性。干式變壓器干式變壓器是一種重要的電力變壓器,其主要特點是使用干燥的絕緣材料,不使用液體絕緣油。它具有體積小、重量輕、安全性高等優點,廣泛應用于工業、商業和居民用電系統中。干式變壓器采用環氧樹脂或硅鋼片進行絕緣和構造,不需要碎油等維護,便于安裝和維修。它特別適用于環境要求較高的場合,如醫院、地鐵等。與油浸式變壓器相比,干式變壓器更加節能環保。油浸變壓器油浸變壓器是一種將絕緣油浸潤變壓器核心和繞組的變壓器類型。絕緣油具有優良的絕緣和散熱性能,可以有效防止繞組和鐵芯過熱。這種變壓器廣泛應用于電力系統,是電網中重要的電力設備之一。油浸變壓器的結構緊湊,可承受較高的電壓,運行穩定可靠,維修成本較低。但它也存在一些缺點,如對環境有一定污染,需要定期更換絕緣油等。變壓器的保護過載保護通過設置合適的斷路器或熔斷器,可以防止變壓器在過電流情況下被損壞。短路保護采用合理的接線方式和保護措施,可以降低變壓器在發生短路時的損壞風險。溫度保護通過監測變壓器的油溫或繞組溫度,可以及時發現異常情況并采取措施。油位保護確保變壓器的油位保持在合理范圍內,以防止因油位變化而造成的故障。變壓器的檢修與維護定期保養對變壓器進行定期的清潔、油位檢查和絕緣性能檢測,確保設備處于良好的工作狀態。故障診斷通過監測溫度、振動、油品等指標,及時發現并診斷可能存在的故障隱患。維修保養依據診斷結果,對變壓器進行必要的維修保養,包括更換損壞零件、補充絕緣油等。預防性維護采取合理的運行管理措施,降低變壓器受損風險,延長設備使用壽命。變壓器的應用領域電力系統變壓器廣泛應用于電力傳輸和配電系統中,調節輸電電壓和配電電壓,確保電網安全穩定運行。工業設備變壓器用于工業生產設備,如電機、焊機、電爐等,調節電壓滿足設備運行需求。家用電器變壓器應用于許多家用電器,如電視機、電腦、充電器等,將交流電轉換為直流電或調整電壓。特殊應用變壓器還用于醫療設備、實驗儀器等領域,提供安全可靠的電源供應。變壓器的發展趨勢智能化變壓器正朝著智能化的方向發展,具有實時監測、遠程控制、故障診斷等功能,提高了運行效率和安全性。綠色化新型環保材料的應用,如無油干式變壓器和環保冷卻技術,使變壓器更加節能減排、環保可靠。數字化數字化技術的廣泛應用,使變壓器的狀態監測、故障診斷和預