《耦合式变压器》课件.ppt

耦合式变压器电力系统中能量传递的核心设备通过电磁感应原理实现电能的高效转换

目录1基本概念变压器定义、历史、应用2结构原理基本结构、工作原理、等效电路3分类与应用主要类型、实际应用场景4参数计算基本公式、性能分析5实验与维护测试方法、故障诊断6发展与展望新技术、未来趋势

什么是耦合式变压器能量传递设备利用电磁感应原理实现电能高效传递电气隔离输入输出回路无直接电气连接电压变换可升压或降压以满足不同系统需求

耦合式变压器的历史发展1831年法拉第发现电磁感应现象19世纪末首次应用于电力系统20世纪初工业化生产奠定电气时代基础当代延伸至电子、通信等多领域

应用领域概览电力系统输电网、配电网工业控制隔离保护、信号处理通信设备信号耦合、阻抗匹配医疗电子安全隔离、电气保护电子电路开关电源、音频设备

基本结构介绍初级线圈连接电源的输入绕组通入交流电流产生交变磁场次级线圈感应电动势的输出绕组与初级线圈磁耦合铁芯提供低阻抗磁路增强初、次级绕组间磁耦合

工作原理概述通电产生磁场初级线圈通入交流电铁芯导磁磁力线在铁芯中集中磁通链接次级绕组被磁通穿过感应电动势次级绕组产生感应电压

理想变压器模型无损耗假设铁损和铜损均为零完全耦合耦合系数k=1无漏磁所有磁通全部链接两个绕组精确比例关系U1/U2=N1/N2，I1/I2=N2/N1

实际变压器与耦合系数理想变压器k=1（完全耦合）零漏磁100%效率理论模型实际变压器k1（不完全耦合）存在漏磁有能量损耗k=M/√(L1·L2)

电磁耦合机理自感与互感互感M决定能量传递效率磁通链接磁路是耦合的物理路径磁导率影响磁通密度与磁场强度关系铁芯结构优化磁路减少磁阻

等效电路模型原边电阻R1初级线圈的电阻铜损的主要来源之一漏感L1与L2不链接对方绕组的磁通反映耦合不完全的程度互感M两绕组间的磁耦合系数理想情况下M=√(L1·L2)铁损等效电阻Rc表示铁芯中的涡流损耗和磁滞损耗

互感与耦合度定量描述M互感系数两绕组间的互感值k耦合系数k=M/√(L1·L2)0~1取值范围0表示无耦合，1表示完全耦合L1·L2自感乘积两绕组自感的几何平均值上限

漏感及对性能的影响漏磁定义不能链接全部绕组的磁通2能效影响降低能量传输效率工作影响引起电压降和波形失真频率影响高频下漏感影响更显著

铁芯材料类型材料类型频率范围磁导率主要应用硅钢片低频(50-60Hz)高电力变压器坡莫合金中频极高信号变压器铁氧体高频(kHz-MHz)中等开关电源非晶合金低频-中频高高效电力变压器

绕组结构与布线方式分层绕组各层线圈平行排布同心绕组初次级绕组同轴套装饼式绕组扁平盘状结构便于散热连续绕组减少层间电压应力

变压器铁芯结构形式铁芯结构多样化设计满足不同应用需求各种形状针对磁路长度、漏磁量、成本进行优化

常见耦合式变压器类型电力变压器电网输配电系统隔离变压器电气安全隔离高频变压器开关电源应用脉冲变压器数字信号传输

电力系统变压器

隔离变压器安全保障有效阻断电源系统故障医疗应用患者安全保障系统3工业控制减少共模干扰设备保护避免地线环路干扰

高频变压器频率特性工作于kHz至MHz范围体积小巧高频下铁芯尺寸减小应用领域开关电源、高频电路材料选择铁氧体、铁粉芯

脉冲变压器与信号传输特点传输方波信号宽频带响应快速上升时间电气隔离能力应用场景数字电路隔离门极驱动电路脉冲触发系统网络接口耦合

双绕组与多绕组结构双绕组结构一个初级和一个次级结构简单三绕组结构一个初级两个次级可提供不同电压输出多绕组结构一个初级多个次级复杂电源系统设计

变压器参数基本公式1电压比U1/U2=N1/N22电流比I1/I2=N2/N13阻抗变换Z1/Z2=(N1/N2)24功率关系P1=P2+损耗

磁通计算与分析磁通公式Φ=B·A磁通密度B=μH磁通饱和Bmax限制最大磁通磁通链ψ=N·Φ

匝数与电感量关系匝数电感值(μH)

损耗与效率铜损PCu=I2R与电流平方成正比绕组电阻引起负载相关损耗铁损PFe=涡流损耗+磁滞损耗与频率相关与磁通密度相关与材料特性相关效率计算η=P输出/P输入×100%η=P输出/(P输出+损耗)×100%

空载试验试验目的测定铁损和励磁电流评估变压器铁芯性能试验方法次级开路额定电压加至初级测量数据输入功率P0（铁损）输入电流I0（励磁电流）结果应用确定等效电路参数评估铁芯磁特性

短路试验试验配置次级短接初级通入降压后的电压测量数据输入功率Psc（铜损）短路电压Usc计算参数短路阻抗Zsc=Usc/In铜损PCu=Psc意义分析评估电压调整率预测满载铜损

负载特性分析负载百分比输出电压(标幺值)效率(%)

瞬态和动态响应涌流现象接通电源时的瞬时大电流高次谐波非线性负载导致波形失真负载突变负载