第二讲变压器结构及空载运行

1、第二章 变压器的基本工作原理 学习目的：学习目的： l熟悉变压器的作用、基本结构及工作原理。 l掌握变压器的运行原理、等效电路及平衡方程式。 l熟悉变压器参数确定方法。 l变压器的运行性能 第一节第一节 电力变压器的基本结构和额定值电力变压器的基本结构和额定值 一、 概述： 变压器是一种常见的静止电气设备，它利用电磁感应原理，将某一数值的交变电压变换为同 频率的另一数值的交变电压。变压器不但用在输配电系统中，而且还广泛应用于电气控制领域、 电子技术领域、测试技术领域以及焊接技术领域等等。根据统计资料显示，在输配电系统中， 1kW的发电设备需88.5 kVA变压器容量与之配套，由此可见，在电力系

2、统中变压器是容量最 多最大的电气设备。我们知道电能在传输过程中会有能量的损耗，主要是输电线路的损耗及变压 器的损耗，它占整个供电容量的59，这是一个相当可观的数字。例如我国2000年发电设备 的总装机容量约为3.16亿千瓦，则输电线路及变压器损耗的部分约为16002800万千瓦，它相当 于目前我国10到20个装机容量最大的火力发电厂的总和。在这个能量损耗中，变压器的损耗最大， 约占60左右，因此变压器效率的高低成为输、配电系统中一个突出的问题，我国从20世纪70年 代末期开始研制高效节能变压器，其换代过程为SJS5S7S9SCBSHll。目前大批量生产 的是S9低损耗节能变压器，同时要求逐步淘

3、汰正在使用中的旧型号变压器，据初步估算采用低损 耗变压器所需的投资费用可在4 5年时间内从节约的电费中收回。变压器可用于改变电压、电 流、阻抗和相位等。 电力系统组实体示意图 二、变压器的分类二、变压器的分类 变压器种类很多，通常可按其用途、绕组结构、铁心结构、相数、冷却方式等进行分类。 1 1按用途分类按用途分类 （1）电力变压器。用作电能的输送与分配，上面介绍的即属于电力变压器，这是生产数量最多、 使用最广泛的变压器。按其功能不同又可分为升压变压器、降压变压器、配电变压器等。电力变压 器的容量从几十千伏安到几十万千伏安，电压等级从几百伏到几百千伏。 （2）特种变压器。在特殊场合使用的变压器

4、，如作为焊接电源的电焊变压器；专供大功率电炉 使用的电炉变压器；将交流电整流成直流电时使用的整流变压器等。 （3）仪用互感器。用于电工测量中，如电流互感器、电压互感器等。 （4）控制变压器。容量一般比较小，用于小功率电源系统和自动控制系统。如电源变压器、输 入变压器、输出变压器等。 （5）其他变压器。如试验用的高压变压器；输出电压可调的调压变压器；产生脉冲信号的脉冲 变压器等。 2按绕组构成分类按绕组构成分类 有双绕组变压器、三绕组变压器、多绕组变压器和自耦变压器等。 3按铁心结构分类按铁心结构分类 有叠片式铁心、卷制式铁心、非晶合金铁心。 2 2按相数分类按相数分类 有单相变压器、三相变压器

5、、多相变压器。 3 3按铁心结构分类按铁心结构分类 有叠片式铁心、卷制式铁心、非晶合金铁心。 4 4按相数分类按相数分类 有单相变压器、三相变压器、多相变压器。 5 5按冷却方式分类按冷却方式分类 有干式变压器、油浸自冷变压器、油浸风冷变压器、强迫油循环变压器、充气式变压器等。 三、单相变压器的基本结构三、单相变压器的基本结构 （一）铁心（一）铁心 铁心构成变压器磁路系统，并作为变压器的机械骨架。铁心由铁心柱和铁轭两部分组成，铁心 柱上套装变压器绕组，铁轭起连接铁心柱使磁路闭合的作用。对铁心的要求是导磁性能要好，磁滞 损耗及涡流损耗要尽量小，因此均采用0.35 mm厚的硅钢片制作。目前国产硅钢

6、片有热轧硅钢片、冷 轧无取向硅钢片、冷轧晶粒取向硅钢片。20世纪6070年代我国生产的电力变压器主要用热轧硅钢 片，由于其铁损耗较大，导磁性能相应地比较差，且铁心叠装系数低（因硅钢片两面均涂有绝缘 漆），现已不用。目前国产低损耗节能变压器均用冷轧晶粒取向硅钢片，其铁损耗低，且铁心叠装 系数高（因硅钢片表面有氧化膜绝缘，不必再涂绝缘漆）。 根据变压器铁心的结构形式可分为心式变压器和壳式变压器两大类。心式变压器是在两侧的铁 心柱上放置绕组，形成绕组包围铁心的形式。壳式变压器则是在中间的铁心柱上放置绕组，形成铁 心包围绕组的形状。 单相小容量变压器铁心形式 （二）绕组（二）绕组 1同心式绕组同心式绕

7、组 2交叠式绕组交叠式绕组 四、变压器的铭牌和额定值四、变压器的铭牌和额定值 （一）、铭牌（一）、铭牌 为了使变压器安全、经济、合理地运行，同时让用户对变压器的性能有所了解，制造厂家 对每一台变压器都安装了一块铭牌，上面标明了变压器型号及各种额定数据，只有理解铭牌上 各种数据的含义，才能正确地使用变压器。 电力变压器 产品型号 S7-50010 标准代号XXXX 额定容量 500kVA 产品代号XXXX 额定电压 10kV 出厂序号XXXX 额定频率 50Hz 3相 联结组标号 Y，yn0 阻抗电压 4 冷却方式 油冷 使用条件 户外 开关 位置 高压 低压 电压V电流A电压V电流/A 105

8、00 275 10000 289 4007217 9500 304 XX变压器厂 XX年XX月 电力变压器铭牌 （二）、额定值（二）、额定值 下图所示的变压器是配电站用的降压变压器，将10kV的高压降为400V的低压，供 三相负载使用。铭牌中的主要参数说明如下： 1型号型号 2 2额定电压额定电压U U1N1N和和U U2N 2N 高压侧（一次绕组）额定电压U1N是指加在一次绕组上的正常工作电压值。它是根据变压器的绝 缘强度和允许发热等条件规定的。高压侧标出的三个电压值，可以根据高压侧供电电压的实际况额 定值的5范围内加以选择，当供电电压偏高时可调至10500V，偏低时则调至9500V，以保证

9、低压 侧的额定电压为400 V左右。 低压侧（二次绕组）额定电压U2N是指变压器在空载时，高压侧加上额定电压后，二次绕组两端 的感应的电压值。变压器接上负载后，二次绕组的输出电压U2将随负载电流的增加而下降，为保证 在额定负载时能输出380V的电压，考虑到电压调整率为5，故该变压器空载时二次绕组的额定电压 U2N为400 V。在三相变压器中，额定电压均指线电压。 1000 2N2N N IU S 1000 3 2N2N N IU S 3 3额定电流额定电流I I1N 1N和 和I I2N 2N 额定电流是指根据变压器允许发热的条件而规定的满载电流值。在三相变压器中额定电流 是指线电流。 4 4

10、额定容量额定容量S SN N 额定容量是指变压器在额定工作状态下，二次绕组的视在功率，其单位为kVA。单相变压 器的额定容量为 三相变压器的额定容量为 kVA kVA 5 5联结组标号联结组标号 指三相变压器一、二次绕组的连接方式。 Y（高压绕组作星形联结）、y（低压绕组作星形联结）；D（高压绕组作三角形联结）、d （低压绕组作三角形联结）；N（高压绕组作星形联结时的中性线）、n（低压绕组作 星形联结时的中性线）。 6 6阻抗电压阻抗电压 阻抗电压又称为短路电压标么值或短路阻抗标么值。 五、五、 变压器的基本工作原理变压器的基本工作原理 变压器是利用电磁感应原理工作的，变压器的主要部件是铁心和

11、绕组。两个互相绝缘且匝 数不同的绕组分别套装在铁心上，两绕组间只有磁的耦合而没有电的联系，其中接电源u1的绕 组称为一次绕组，用于接负载的绕组称为二次绕组。 电动势e1和e2分别为： 由上式可知，一、二次绕组感应电动势的大小（近似于各自的电压ul及u2）与绕组匝数成 正比，故只要改变一、二次绕组的匝数，就可达到改变电压的目的，这就是变压器的基本工作 原理。 变压器基本工作原理图 第二节第二节 单相变压器的空载运行单相变压器的空载运行 一、空载运行时各物理量正方向的规定一、空载运行时各物理量正方向的规定 变压器一次绕组接在额定频率和额定电压的电网上，而二次绕组开路，即2 I=0 的工作方式称 变

12、压器的空载运行。 按照“电工惯例”来规定参考方向： （1）电压的参考方向：在同一支路中，电压的参考方向与电流的参考方向一致。 （2）磁通的参考方向：磁通的参考方向与电流的参考方向之间符合右手螺旋定则。 （3）感应电动势的参考方向：由交变磁通 产生的感应电动势 E，其参考方向与产生该磁 E 与产生它的磁通之间符合右手螺旋定则），通的电流参考方向一致（即感应电动势 。 单相变压器空载运行图 按此参考方向列出的电磁感应定律方程为按此参考方向列出的电磁感应定律方程为 二、感应电动势和变比二、感应电动势和变比 1 U 1 E2 E 空载时，在外加交流电压 作用下，一次绕组中通过的电流称为空载电流i0。在

13、电流i0的作用下， （称为主磁通），主磁通同时穿过一、二次绕组，分别在其中产生感 和 铁心中产生交变磁通 应电动势 dt d Ne dt d Ne dt d Ne 1 11 22 11 e1：主磁通在原绕组内感应电动势的瞬时值 e2：主磁通在副绕组内感应电动势的瞬时值； e1：漏磁通 1在原绕组内感应电动势的瞬时值 主磁通按正弦规律，t m sin )90 sin()90 sin( cos ) sin( 0 1 0 1 1111 tEtN tNt dt d N dt d Ne mm mm m：主磁通的幅值；E1m：原绕组感应电动势的幅值。 )90 sin( 0 11 tEe m 当主磁通按正弦

14、规律变化时，原绕组中感应电动势也按正弦规律变 化， 但相位比主磁通落后900。 mm NE 11 原边电动势幅值： mm NfEE 11m1111 44.42/Nf 22/ 有效值： m NfjE 111 44.4 相量表示： 原边电势分析原边电势分析 副边电势分析副边电势分析 副边绕组链接同一磁链，副边电动势幅值： mm NE 22 mm NfEE 2122 44.42/有效值： 相量表示：m NfjE 12 44.4 原边漏电势由原边绕组链接漏磁链得到， m NfjE dt d Ne 11 0 m11 1 11 1144. 4 )90- tsin(N 相量表示： 漏电势分析：漏电势分析：

15、漏磁通1通过的磁路是线性的，漏磁链1 与产生漏磁链的电流 i0呈线性关系，漏电势可表示为： dt di L dt d dt d Ne 0 1 11 11 若励磁电流i0按正弦规律变化， 即 tsin2 00 Ii 10101 L XI jI jE 结论：结论： （1）L1为原绕组的漏感系数；X1是原绕组的漏电抗。表征漏磁通对电 流的电磁效应。两者与匝数和几何尺寸有关，均为常数。 （2）漏电感电动势与电流同频率，相位上落后I0 900。 m NfjEU 1111 44. 4（3）空载时，漏阻抗压降小， （4）主磁通大小， 取决于电网电压、频率和匝数。 三、变压器的空载电流和空载损耗三、变压器的空

16、载电流和空载损耗 0 I 0 I 变压器空载运行时，空载电流一方面用来产生主磁通，另一方面用来补偿变压器空载时的 分解成两部分，损耗。为此，将 空载电流空载电流 主要用来建立主磁通，故近似称作励磁电流。变压器空载时没有输 出功率，它从电源获取的全部功率都消耗在其内部，称为空载损耗。空载损耗绝大部分 是铁心损耗P0，即磁滞损耗与流损耗，只有极少部分是一次绕组电阻上的铜损耗I02R， 它只占空载损耗的2，故可认为变压器的空载损耗就是变压器的铁心损耗。 0 I iu 建立空载运行时的磁场 空载电流 iFe 引起损耗 变压器中磁性材料的磁化曲线为非线性， 在一定电压下， 空载电流大小、波形 取决于饱和

17、度。 忽略空载损耗： （1）当主磁通为正弦波时， 磁路越饱和， 电流波形畸变严重。 （2）空载电流与主磁通同相位。 不考虑空载损耗时空载电流的波形：不考虑空载损耗时空载电流的波形： I 0 I Fe I m 0 I 空载电流（考虑空载损耗）空载电流（考虑空载损耗） 考虑空载损耗时： （1）考虑铁耗（包含磁滞、涡流）， 将磁化曲线改为磁滞回线。 因此， 将激磁电流分解为两个分量： （1）与同相的磁化电流iu； （2）导前900有功分量iFe III Fe 0 m （2）激磁电流不再与主磁通同相， 而是导前一个磁滞角 四、电压平衡式四、电压平衡式 变压器中，原、副绕组电动势E1和E2之比称为变压器

18、的变比k. 2 1 m12 m11 2 1 44. 4 44. 4 N N fN fN E E k 由于. 22 11 EU EU 2 1 2 1 2 1 N N U U E E k N N 对于三相变压器，变比指相电势之比。 考虑漏磁通， 变压器空载运行时相量形式表示的电压平衡方程式： 220 1101110 1101011101 )()()( )()()( EU EZIEjxrI ExI jrIEErIU r1：原绕组电阻；Z1r1jx1为原绕组漏阻抗 五、空载运行的等效电路和相量图五、空载运行的等效电路和相量图 根据相量形式的电压平衡式， )( 1101 EZIU 把 和 之间的关系直接用参数形式反映