第1章 变压器1

1、电机与电气控制技术电机与电气控制技术 电气与电子工程系电气与电子工程系 董彦宗董彦宗 第一章第一章 变压器变压器 什么是变压器？什么是变压器？ （工作原理、应用范围） 第一节第一节 变压器的工作原理和结构变压器的工作原理和结构 1.磁路的基本概念 2.变压器的工作原理 工作原理：工作原理： 原绕组：原边、初级、一次绕组原绕组：原边、初级、一次绕组 副绕组：副边、次级、二次绕组副绕组：副边、次级、二次绕组 铁心铁心 电源：交流电源电源：交流电源交变磁通交变磁通副边感应出副边感应出 电动势电动势 3、变压器分类 （1） 电力变压器电力变压器 用于电力系统，升压、降压。用于电力系统，升压、降压。 （

2、2） 特种变压器特种变压器 （整流变压器、电炉变压器、电焊变压（整流变压器、电炉变压器、电焊变压 器等）专用变压器。器等）专用变压器。 1） 按用途分：按用途分： （3）仪用、控制用变压器）仪用、控制用变压器电压、电流互感器，旋转变压器电压、电流互感器，旋转变压器 （4）试验变压器）试验变压器 高压实验、低压实验变压器等。高压实验、低压实验变压器等。 （5）调压器）调压器 自耦变压器自耦变压器 2 ） 按相数分：按相数分： （1） 单相变压器单相变压器 （2） 三相变压器三相变压器 3） 按冷却条件分：按冷却条件分： （2）油浸式变压器）油浸式变压器 （3） 充气式冷却变压器充气式冷却变压器

3、（1）干式变压器）干式变压器 4) 按铁心结构分：按铁心结构分： （1）壳式变压器）壳式变压器 （2）心式变压器）心式变压器 壳式变压器壳式变压器 变压器的铁芯柱在中间，铁轭在两旁环绕，且把绕 组包围起来 结构比较坚固、制造工艺复杂，高压绕组与铁芯柱 的距离较近，绝缘也比较困难 通常应用于电压很低而电流很大电压很低而电流很大的特殊场合，例如， 电炉用变压器电炉用变压器。这时巨大的电流流过绕组将使绕组 上受到巨大的电磁力（类似电磁铁），铁壳式结构 可以加强对绕组的机械支撑，使能承受较大的电磁 力。 4、变压器的结构 1铁芯铁芯 2绕组绕组 3油箱及冷却装置油箱及冷却装置 4绝缘套管绝缘套管 5其

4、它附件其它附件(保护装置等保护装置等) 油箱和冷却装置 变压器油变压器油冷却、绝缘 绝缘绝缘：绕组与绕组、绕组与铁心及油箱之间 散热散热：热量通过油箱壳散发，油箱有许多散 热油管，以增大散热面积。采用内部油泵强迫 油循环（强迫油循环电力变压器强迫油循环电力变压器），外部用变 压器风扇吹风或用自来水冲淋变压器油箱 油箱油箱 机械支撑、冷机械支撑、冷 却散热、却散热、 变压器运行时产生热量，使变 压器油膨胀，储油柜中变压器 油上升，温度低时下降。 储油柜使变压器油与空气接触 面较少， 减缓了变压器油的氧 化过程及吸收空气中的水分的 速度。呼吸呼吸 保护作用 当变压器出现故障时，产生的 热量使变压器

5、油汽化，气体继 电器动作，发出报警信号或切 断电源。 如果事故严重，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。 气 体 继 电 器 绝缘套管 绝缘套管由中心导电杆与瓷套组成。导电 杆穿过变压器油箱、在油箱内的一端与线 圈的端点联接，在外面的一端与外线路联 接。 低压引线一般用纯瓷套管，高压引线一般 用充油或电容式套管 套管外形常做成伞形，电压越高、级数愈电压越高、级数愈 多多。 变压器的允许温升变压器的允许温升 变压器中某一部位的温度与冷却介质温度之差。对于空气冷却式，系指周围 空气的温度；对于水冷却方式，则指冷却设备入口处的水温。 稳定的条件是在3

6、个小时内前后温差不超过2，此时测得导体表面的温度为 导体的最终温度。 油浸变压器的绕组均用油浸变压器的绕组均用A级绝缘级绝缘。根据我国的气候情况，国家标准。根据我国的气候情况，国家标准 规定以规定以+40作为周围环境空气的最高温度，并据此规定变压器各作为周围环境空气的最高温度，并据此规定变压器各 部分的容许温升部分的容许温升 绕组最高允许温度为105 变压器部分最高温升()测量方法 绕组65电阻法 铁芯表面70温度计法 油(顶层)55温度计法 变压器的允许温升 5、变压器的铭牌和额定值、变压器的铭牌和额定值 变压器型号：变压器型号： 变压器的结构、额定容量、电压等级、冷却方式等变压器的结构、额

7、定容量、电压等级、冷却方式等 如如SLSL500/10:500/10:三相油浸式自冷双绕组铝线，额定容量三相油浸式自冷双绕组铝线，额定容量500kV.A500kV.A， 高压绕组额定电压：高压绕组额定电压：10kV10kV。 OSFPSZ-250000/220OSFPSZ-250000/220表明自耦三相强迫油循环风冷三绕组铜线有表明自耦三相强迫油循环风冷三绕组铜线有 载调压，额定容量载调压，额定容量250000kVA250000kVA，高压额定电压，高压额定电压220kV220kV电力变压器。电力变压器。 1）额定容量）额定容量SN：变压器输出的视在功率。变压器输出的视在功率。VA或KVA

8、2） 额定电压额定电压U1N/U2N：单位：单位：V或或KV U1N：变压器原边的额定电压；变压器原边的额定电压； U2N ：原边：原边U1N、 、空载时的副边电压 空载时的副边电压 。 注意：注意： 三相变压器的额定电压是指三相变压器的额定电压是指线电压线电压。 不论是不论是Y接还是接还是接。星型连接接。星型连接 的线电压的大小为相电压的的线电压的大小为相电压的1.73倍。倍。 三角形电源的相电压等于线电压三角形电源的相电压等于线电压 2、额定值、额定值 3）额定电流）额定电流I1N/I2N： 在额定容量下，允许长期通过的电流在额定容量下，允许长期通过的电流， 三相变压器为线电流。单位：三相

9、变压器为线电流。单位：A A 注意：注意：单相变压器与三相变压器的计算公式有所不同。单相变压器与三相变压器的计算公式有所不同。 单相变压器单相变压器 N U N S N I N U N S N I 2 2 ; 1 1 三相变压器三相变压器 N U N S N I N U N S N I 2 3 2 ; 1 3 1 4） 额定频率额定频率fN：原边交流电源的频率。原边交流电源的频率。单位：单位：Hz 我国为我国为50Hz50Hz。 例例 三相变压器，三相变压器， SN=200kVA, U1N/U2N=10/0.4kV, 求：求： I1N/I2N 解：三相变压器解：三相变压器 N U N S N

10、I N U N S N I 2 3 2 ; 1 3 1 A N U N S N I A N U N S N I 68.288 4 . 0*3 200 2 3 2 55.11 10*3 200 1 3 1 l 电力系统三相电压是对称的电力系统三相电压是对称的 频率相同频率相同 大小相等大小相等 相位互差相位互差120度度 l 只需分析一相即可。只需分析一相即可。 l 只分析稳定运行状态只分析稳定运行状态 原绕组原绕组 副绕组副绕组 铁心铁心 电源电源 负载负载 N N1 1 N N2 2 一、空载运行时的电磁关系一、空载运行时的电磁关系 1 、主磁通和漏磁通、主磁通和漏磁通 *I2=0,磁通由磁

11、通由I0建立建立 *主磁通主磁通0与原边匝链，感应与原边匝链，感应 电动势为电动势为E1。 *原边原边漏磁通漏磁通1 与原边匝链， 与原边匝链， 感应电动势为感应电动势为E1 。 *主磁通主磁通0与副边匝链，感应电与副边匝链，感应电 动势为动势为E2 *主磁通主磁通0是传递能量的媒介是传递能量的媒介 1 1）性质上：）性质上： 与与 成非线性关系；成非线性关系； 与与 近似成线性近似成线性 关系；关系； 2 2）数量上：）数量上： 占占99%99%以上，以上， 仅占仅占1%1%以下；以下； 3 3）作用上：）作用上： 起传递能量的作用，起传递能量的作用， 起漏抗压降作用。起漏抗压降作用。 0

12、0 0 I 0 I 1 1 0 1 主磁通与漏磁通的区别主磁通与漏磁通的区别 2 、 正方向的规定正方向的规定 的正方向先规定 1 *U 的正方向：)(* 0 1 I I 由电压的正方向决定，由电压的正方向决定， “正电压产生正电流正电压产生正电流” 的正方向： 0 * 与与I1符合右手螺旋法则，符合右手螺旋法则，“正电流产生正磁通正电流产生正磁通” 强调：磁通与产生它的电流之间符合右手螺旋定则；强调：磁通与产生它的电流之间符合右手螺旋定则； 磁通与它感应的磁通与它感应的电动势符合右手螺旋定则电动势符合右手螺旋定则。 的正方向： 2 *U 从负载看，二次绕组相当于电源，电压从负载看，二次绕组相

13、当于电源，电压U2的正方向应的正方向应 由由u2指向指向u1。 的正方向： 2 *I I2的正方向与磁通符合右手螺旋定则。的正方向与磁通符合右手螺旋定则。 2 1 22 11 , I * I E E E E 的正方向：与磁通符合右手螺旋定则。 即正方向与一致， 正方向与一致。 11 4.44 m EfN 二、感应电动势分析二、感应电动势分析 1 1、主磁通感应的电动势主磁通感应的电动势主电动势主电动势 有效值有效值 相量相量 m的大小同外施电压、频率、一次绕组匝数决定的大小同外施电压、频率、一次绕组匝数决定 主磁通按正弦规律变化，产生的一次主电动势也按正弦规律变化，主磁通按正弦规律变化，产生的

14、一次主电动势也按正弦规律变化， 时间相位上滞后主磁通时间相位上滞后主磁通 90 。 11 4.44 m EjfN 同理，二次主电动势同理，二次主电动势 ： m fNE 22 44. 4 有效值有效值 m fNjE 22 44. 4 相量相量 2、漏磁通感应的电动势、漏磁通感应的电动势 推导方法同上：推导方法同上： 结论：磁路不饱和，磁阻很大，且为常数，因此 X1很小，且为常数，X1X1不随电源电压不随电源电压U1U1和负载变化和负载变化 二、变压器空载运行时的电动势平衡方程式和电压比二、变压器空载运行时的电动势平衡方程式和电压比 一次绕组电动势平衡方程式一次绕组电动势平衡方程式 二次绕组的端电

15、压等于其感应电动势二次绕组的端电压等于其感应电动势 变压器一次绕组的匝数变压器一次绕组的匝数Nl与二次绕组匝数与二次绕组匝数N2之比称为变压之比称为变压 器的电压比器的电压比k，即，即 空载电流的作用与组成空载电流的作用与组成 空载电流包含两个分量 励磁分量励磁分量，作用是建立主磁通，相 位与主磁通 相同，为无功分量 铁损耗分量铁损耗分量，作用是供给铁磁材料 铁损（磁滞和涡流损耗），为有功分量。 空载运行时从电源输入少量电功率 ，主要 用来补偿铁心中的铁损耗 101010QP III m 10 Q I 10 P I 主要作用是在铁心中建立磁场， 产生主磁通 空载损耗空载损耗 变压器空载运行时，

16、只从电源吸收少量有功功 率P0，用来供给铁芯中铁损PFe和少量绕组铜 损R1I102 P0 = PFe + Pcu PFe PFe的求取的求取 测试法（空载试验空载试验） P0 (0.2%1%)SN 容量越大，空载损耗越小 问题: 某单相变压器额定电压为380伏/220伏,额定频率为 50HZ。如误将低压边接到380伏电源，变压器将会发生 一些什么异常现象？ 答案： 由于 U24.44fN2m U2由220伏变到380伏，增加了 倍，则主磁通m也增 加了 倍，磁路饱和程度增加，因而励磁电流I0大大增 加，有可能烧毁线圈。（励磁电流随磁路饱和程度增加而 急剧增大） 3 3 2.3 单相变压器的负

17、载运行 一次侧接在额定频率、额定电压的交流电源上，二次接上负一次侧接在额定频率、额定电压的交流电源上，二次接上负 载的运行状态。载的运行状态。 一、负载运行时的电磁关系一、负载运行时的电磁关系 常常数数 1 U EU11 保保持持不不变变 0 IN222F 二二次次： 试图改变试图改变磁通量磁通量 IN111F 一一次次： 阻止阻止I2改变改变磁通量磁通量 负载时：负载时： 。电流引起的磁通量变化，大部分用来抵抗副边 II01 变为 L1010IIII 不变。，才能使，抵消了只有 INL0221122ININ F210FF 11 NI L 22N I 负载负载 10N I 原绕组原绕组副绕组副

18、绕组 空载空载 0 0 二、负载运行时的基本方程式二、负载运行时的基本方程式 1、磁通势平衡方程式、磁通势平衡方程式 11N I 22N I 10N I 抵削对主磁通的影响。抵削对主磁通的影响。 102211 NININI L III N N II 102 1 2 01 原、副绕组磁势的向量和原、副绕组磁势的向量和 合成磁势合成磁势 励磁分量励磁分量 负载分量负载分量 产生主磁通产生主磁通0。 ：变比 N N II k I k I N N I N N II 2 1 01 22 1 2 2 1 2 01 1 一、二次电流比近似与匝数成反比。 2.电动势平衡方程式电动势平衡方程式 二次绕组中漏磁电

19、动势二次绕组中漏磁电动势 即即 。 2 E 2 2 2 22XIjLIjE 负载运行时的一、二次绕组的电动势平衡方程式为负载运行时的一、二次绕组的电动势平衡方程式为 综上所述，变压器负载运行时的基本方程式有综上所述，变压器负载运行时的基本方程式有 变压器的作用变压器的作用 通过对变压器负载运行的分析，可以清楚地看出变通过对变压器负载运行的分析，可以清楚地看出变 压器具有变电压、变电流、变阻抗的作用。压器具有变电压、变电流、变阻抗的作用。 （一）变换电压（一）变换电压 U1/U2E1/E2=k=N1/N2 （二）变换电流（二）变换电流 I1/I2N2/N1=1/k （三）变换阻抗（三）变换阻抗