电机学件汤蕴璆编著 变压器PPT课件

1、1 1、变压器的工作原理、变压器的工作原理一次一次绕组绕组二次二次绕组绕组 变压器的主要部件变压器的主要部件铁心和套在铁心上的两个绕组。两绕组铁心和套在铁心上的两个绕组。两绕组只有磁耦合没电联系。在一次绕组中加上交变电压，产生交链一、只有磁耦合没电联系。在一次绕组中加上交变电压，产生交链一、二次绕组的交变磁通，在两绕组中分别感应电动势。二次绕组的交变磁通，在两绕组中分别感应电动势。111111UIEuie222222UIEuie第第2.12.1节节 变压器的工作原理和基本结构变压器的工作原理和基本结构第1页/共89页理想变压器，即满足以下三个条件的变压器：(1)一次绕组和二次绕组为完全耦合，即

2、链过一次和二次绕组的磁通为同一磁通。(2)铁心磁路的磁阻为零，铁心损耗也等于零。(3)一次和二次绕组的电阻都等于零。第2页/共89页图2-1理想变压器正方向的规定正方向的规定tNeudd111tNeudd222第3页/共89页41122eNkeNk匝数比、电压比、变比匝数比、电压比、变比1122uNkuN kNNii1122102211mFeRiNiNF121 1222 221NNu iuiu iNN 第4页/共89页LLZkIUkkIUkIUZ22222211/LZ1u1e1i2e2u2i第5页/共89页6电源变压器电力变压器控制变压器接触调压器三相干式变压器第6页/共89页7 S9 型配电

3、变压器型配电变压器（10 kV） 第7页/共89页82 2、变压器的基本结构、变压器的基本结构铁心铁心变压器中主要的磁路部分，变压器中主要的磁路部分，分为铁心柱与铁轭两部分。分为铁心柱与铁轭两部分。 单相芯式变压器单相芯式变压器1 1铁心柱铁心柱 2 2铁轭铁轭3 3高压线圈高压线圈 4 4低压线圈低压线圈三相芯式变压器三相芯式变压器1 1铁心柱铁心柱 2 2铁轭铁轭3 3高压线圈高压线圈 4 4低压线圈低压线圈第8页/共89页9单相壳式变压器单相壳式变压器1 1铁心柱铁心柱 2 2铁轭铁轭 3 3绕组绕组绕组绕组变压器中的电路部分。变压器中的电路部分。 1 1低压绕组低压绕组 2 2高压绕组

4、高压绕组交叠式绕组交叠式绕组第9页/共89页10油浸式电力变压器油浸式电力变压器1 1信号式温度计信号式温度计2 2吸湿器吸湿器3 3储油柜储油柜4 4油位计油位计5 5安全气道安全气道6 6气体继电器气体继电器7 7高压套管高压套管8 8低压套管低压套管9 9分接开关分接开关1010油箱油箱1111铁心铁心1212线圈线圈1313放油阀门放油阀门第10页/共89页11图2-4三相油浸电力变压器a)外形图b)器身装配图第11页/共89页123.3. 额定值额定值额定容量为变压器的视在功率（用额定容量为变压器的视在功率（用SN 表示，单位表示，单位 kVA ，VA）额定电压（一次和二次绕组上分别

5、为额定电压（一次和二次绕组上分别为U1N 和和U2N ，单位单位V, kV）额定电流（一次和二次绕组上分别为额定电流（一次和二次绕组上分别为I1N 和和I2N ，单位单位 A , kA）对于三相变压器而言指的是对于三相变压器而言指的是第12页/共89页13单相变压器单相变压器N2N2N1N1NIUIUS三相变压器三相变压器N2N2N1N1N33IUIUS额定频率额定频率fN 我国的规定为我国的规定为50Hz3/3/NNNNIIUUIIUU相相相相三角形星型三相变压器相相IUSN 3NNNNNIUIUS333第13页/共89页14 例例 有一台三相油浸自冷式铝线电力变压器，有一台三相油浸自冷式铝

6、线电力变压器，AkV160NSkV4 . 0/kV35/2NN1UU试求一次、二次绕组的额定电流。试求一次、二次绕组的额定电流。解解：A.AUSI1NNN64210353101603331A9 .230A104 . 03101603332NNN2USIY,y0联结联结第14页/共89页一、一次和二次绕组的感应电动势，电压比:1.物理情况2-2 2-2 变压器的空载运行变压器的空载运行变压器的一次绕组接交流电源变压器的一次绕组接交流电源, ,二次绕组开路二次绕组开路, ,负载负载电流为零电流为零( (即空载即空载) )时的运行时的运行, ,称为空载运行。称为空载运行。1u1e2e20u02i1N

7、2N10i 第15页/共89页dtdNeudtdNRieRiu2220111011101 2.电压方程第16页/共89页3.变压器的变比及变压原理KNNeeuu2121201k二、主磁通和激磁电流 通过铁心并与一次、二次绕组相交链的磁通，用 表示.1主磁通第17页/共89页ttNEtdtENdteNmcoscos2sin211111111mmfNEfNUfNEfNE44. 444. 444. 4221111111或第18页/共89页2激磁电流产生主磁通所需要的电流，用 表示。空载运行时，空载电流就是激磁电流，即激磁电流包括两个分量，一个是磁化电流 , ,一个是铁耗电流 。mimii10iFei

8、第19页/共89页20空载电流空载电流 包含两个分量包含两个分量: : 一个是一个是磁化电流磁化电流，作用是建立磁场，产生主磁通，作用是建立磁场，产生主磁通无功无功分量；分量； 另一个是另一个是铁耗分量铁耗分量 （实际上还有一次绕组的铜耗，由于（实际上还有一次绕组的铜耗，由于铜耗远小于铁耗，所以忽略），作用是供变压器铁心损耗铜耗远小于铁耗，所以忽略），作用是供变压器铁心损耗有功分量。有功分量。 性质：由于空载电流的无功分量远大于有功分量，所以空性质：由于空载电流的无功分量远大于有功分量，所以空载电流主要是感性无功性质载电流主要是感性无功性质也称也称激磁电流激磁电流。IFeI22FemIIImI

9、第20页/共89页磁化电流 用于激励铁心中的主磁通，属于无功电流。 i)(if（1）磁化电流:)(1)(1ii ti ,1t90180i1i1 第21页/共89页由于铁心中存在铁心损耗，故激磁电流 中除无功的磁化电流 外，还有一个与铁心损耗相对应的铁耗电流 ，与 同相位。于是用复数表示时，激磁电流 为:miiFei1emI.FemIII（）铁耗电流:mImI2E1E11UEFeI 第22页/共89页 三、激磁阻抗 1.磁化电抗与铁耗电阻 121111111mdididmdtdtdtN ieNNLEj L IjI XEIjX 或第23页/共89页又：所以有铁心线圈的并联等效电路。)11(1jXR

10、EIIIFeFem磁化电抗：式中 称为变压器的磁化电抗，是表征铁心磁化性能的一个参数。另外： 铁耗电阻：称为铁耗电阻，是表征铁心损耗的一个参数。12 fLXFeFeFeFeREIRIE11或2FeFeFeIpR第24页/共89页25FeREFeImIUIX 2.2.激磁电抗与激磁电阻激磁电抗与激磁电阻)(mmmmmjXRIZIE1mIUmRmXE 第25页/共89页激磁电抗：激磁电抗：是表征铁心的磁化性能的一个等效参数是表征铁心的磁化性能的一个等效参数;激磁电阻：激磁电阻：是表征铁心损耗的一个等效参数。是表征铁心损耗的一个等效参数。激磁阻抗：激磁阻抗：222XRRXXFeFem222XRXRR

11、FeFemmmmjXRZ第26页/共89页2-3 2-3 变压器的负载运行变压器的负载运行变压器的一次绕组接到交流电源，二次绕组接到负载阻抗 时，二次绕组中便有电流流过，这种情况称为变压器的负载运行。一、磁动势平衡和能量传递1.磁动势平衡关系02211iNiNLLZLmiii11第27页/共89页 2能量传递2211ieieL式中，左端的负号表示输入功率，右端的正号表示输出功率。上式说明，通过一次、二次绕组的磁动势平衡和电磁感应关系，一次绕组从电源吸收的电功率就传递到二次绕组，并输出给负载。这就是变压器进行能量传递的原理。第28页/共89页二、磁动势方程 正常负载时，i i1 1和i i2 2

12、都随时间正弦变化，此时磁动势方程可用复数表示为：miNiNiN12211 上式表明负载时用以建立主磁通的激磁磁上式表明负载时用以建立主磁通的激磁磁动势是一次和二次绕组的合成磁动势。动势是一次和二次绕组的合成磁动势。mINININ12211第29页/共89页三、漏磁通和漏磁电抗 1.漏磁通 在实际变压器中，除了通过铁心、并与一次和二次绕组相交链的主磁通之外，还有少量仅与一个绕组交链且主要通过空气或油而闭合的漏磁通。一次绕组的漏磁通：由电流 产生且仅与一次绕组相交链的磁通，用 表示；1i1第30页/共89页二次绕组的漏磁通：由电流 产生且仅与二次绕组相交链的磁通，用 表示。2i2dtdiLdtdN

13、edtdiLdtdNe2222211111第31页/共89页 和 分别称为一次和二次绕组的漏磁电抗，简称漏抗漏抗是表征绕组漏磁效应的一个参数,且都为常值。2.漏磁电抗1X2X222222212111112211,;NiNLNiNLLXLX2222211111IjXILjEIjXILjE第32页/共89页四、变压器的基本方程11iN1miN1dtdNedtdNe221122iN2NoImagedtdiLe111磁动势磁通感应电动势一次绕组二次绕组dtdiLe212第33页/共89页121111122222didiui RLeei RLudtdt若各电压、电流均随时间正弦变化，则相应的复数形式 :

14、根据基尔霍夫第二定律，有:2222222211111111)()(UZIUjXRIEEZIEjXRIU第34页/共89页变压器的基本方程为： kEEZIEINININUZIEEZIUmmm2111221122221111第35页/共89页2-4 变压器的基本方程和等效电路 1.绕组归算 （A）方法 通常是把二次绕组归算到一次绕组，也就是假想把二次绕组的匝数变换成一次绕组的匝数，而不改变一次和二次绕组原有的电磁关系。（B）原则 只要归算前后二次绕组的磁动势保持不变，则对一次绕组来说,变换是等效的；即一次绕组将从电网吸收同样大小的功率和电流，并有同样大小的功率传递给二次绕组。第36页/共89页.(

15、1)电流的归算: 归算前、后二次绕组的磁动势保持不变，可得：221221IkINNI(2)电势的归算: 归算前、后二次绕组的磁动势保持不变，则铁心中的主磁通保持不变，可得：212222,:ENkEkEEN即第37页/共89页 (3)阻抗的归算: 归算前、后二次绕组的传输功率、损耗保持不变，得：222222,XkXRkR归算后，变压器的基本方程变为 :mmmZIEEIIIUZIEEZIU212122221111第38页/共89页2.T形等效电路 mIIIEE2121,mmmZIEEIIIUZIEEZIU2121222211111R1X2R2XLZ1E1ImImRmX2I2U2E1U 第39页/共

16、89页40变压器的变压器的T形等效电路图形等效电路图第40页/共89页41等效电路的形成等效电路的形成图中，二次绕组各量均已经归算到一次绕组，即图中，二次绕组各量均已经归算到一次绕组，即12NN 图中图中a、b和和c、d分别是等电位点，可连接起来而不改变运分别是等电位点，可连接起来而不改变运行情况。行情况。12EE第41页/共89页3.近似和简化等效电路 近似等效电路简化等效电路第42页/共89页 在简化等效电路中，变压器的等效阻抗表现为一串联阻抗： 称为等效漏阻抗, 可由短路实验测出,故亦称短路阻抗； 和 分别称为短路电阻和短路电抗。kZkRkXkZ212121,XXXRRRjXRZZZkk

17、kkk第43页/共89页 亦称空载试验。 试验方法：二次绕组开路，一次绕组加以额定电压，测量此时的输入功率 、电压 和电流 。 一、开路试验 2.5 2.5 等效电路参数的测定等效电路参数的测定0P1U0I为试验方便和安全，通常在低压侧加电压，高压侧开路。为试验方便和安全，通常在低压侧加电压，高压侧开路。WAVV第44页/共89页222201200mmmmmPUZkRkXZRII数据处理：1U0P0I第45页/共89页二、短路试验 亦称为负载试验试验方法：试验方法：二次绕组短路，一次绕组上加一可调的低电压。调节外加的低电压，使短路电流达到额定电流，测量此时的一次电压 输入功率和电流，由此即可确

18、定等效漏阻抗。短路试验常在高压侧加电压，低压侧短路。kUkPkI第46页/共89页kUkPkI222kkkkkkkkkUPZRXZRII数据处理：数据处理：第47页/共89页%100%1001111NKNNKKUZIUUu 短路电压（阻抗电压）短路电压（阻抗电压）：短路是试验时短路是试验时,使电流使电流达到额定值时所加的电压。达到额定值时所加的电压。电阻应折算到电阻应折算到：若为铜线，则：若为铜线，则：5 .234755 .234)75(kCkRR第48页/共89页HZKVKVUUKVASNNN50,11/127,2000021C15一台单相变压器，在 时开路和短路试验数据如下【例题 2-1】

19、试验名称电压电流功率备注开路试验11KV45.5A47KW电压加在低压侧短路试验9.24KV 157.5A129KW电压加在高压侧试求：(1)归算到高压侧时激磁阻抗和等效漏阻抗的值(2)已知设21)175(,9 . 3XXRC，画出T形等效电路。第49页/共89页解 一次和二次绕组的额定电流为AAUSINNN7 .1571272000011AAUSINNN2 .1818112000022 电压比 55.111112721NNUUk1.归算到高压侧时的激磁阻抗和等效漏阻抗322575 .45101155.11322022(2）（）（低压）IUkZkZmm30285 .45104755.11232

20、220202(2）（）（低压）IPkRkRmm321103028322572222mmmRZX 7 .585 .157924011KKKIUZ第50页/共89页2 . 55 .1571012923211KKKIPR5 .582 . 57 .582222KKKRZX换算到C7545. 6155 .234755 .2342 . 5)75(CKR9 .585 .5845. 62222)75()75(KCKCKXRZ9 . 3)75(1R55. 2)75(1)75()75(2RRRK25.292121KXXX（2）T形等效电路图第51页/共89页2-6 2-6 三相变压器三相变压器三相变压器对称运行时

21、，其各相的电压，电流大小相等，三相变压器对称运行时，其各相的电压，电流大小相等，相位相差相位相差 ，因此在在运行原理的分析与计算时，可，因此在在运行原理的分析与计算时，可以取三相中一相来研究，即三相问题可以转化为单相问以取三相中一相来研究，即三相问题可以转化为单相问题。题。120第52页/共89页ABCXYZA B C 一、三相变压器的磁路1.三相变压器组第53页/共89页2.三相心式变压器 如果把三台单相变压器的铁心拼成星形磁路，则当三相绕组外施三相对称电压时，由于三相主磁通也对称，故三相磁通之和将等于零，即 这样，中间心柱将无磁通通过，可省略。进而把三个心柱安排在同一平面内，可得三相心式变

22、压器。0ABC 第54页/共89页ABCCBAABC 三相心式变压器的磁路 a)三相星形磁路 b)三相磁通的相量图 第55页/共89页ABC 三相心式变压器的磁路 c)实际心式变压器的磁路 第56页/共89页571 1、联结法、联结法a)星形联结星形联结 b)三角形联结三角形联结二、三相变压器绕组的联结 第57页/共89页58abcyxz1 1、联结法、联结法a)星形联结星形联结b)三角形联结三角形联结 联结方式联结方式 高压绕组高压绕组 低压绕组低压绕组 星形有中性线星形有中性线 YN yn 星形无中性线星形无中性线 Y y 三角形三角形 D d联结法：联结法：高压绕组联结符号高压绕组联结符

23、号 ，低压绕组联结符号，低压绕组联结符号有有Y,yn、Y,d、YN,d、Y,y、YN,y最常用的三种最常用的三种逗号可以省略第58页/共89页59按一次、二次线电压的相位关系把变压器绕组的联结分成按一次、二次线电压的相位关系把变压器绕组的联结分成各种联结组。各种联结组。第59页/共89页60a)I/I-0联结组联结组b)I/I-6联结组联结组电压相量相位的确定电压相量相位的确定同名端同名端+第60页/共89页 A B CBUbUCUcUAUaUXYZ x y zabc图2-23 Y,y0联结组 a)绕组联结图 第61页/共89页62Y y0 联结联结组组第62页/共89页BUbUCUcUAUa

24、UXYZ x y zbcA B Ca图2-22 Y,y11联结组 a)绕组联结图 第63页/共89页64Yd11 联结联结组组第64页/共89页1.基值的选取应用标幺值时，首先要选定基值(用下标b表示)。对于电路计算而言，四个基本物理量U、I、Z和S中，有两个量的基值可以任意选定，其余两个量的基值可根据电路的基本定律导出。bbbbbbIUZIUS,2-7 2-7 标幺值标幺值所谓标幺值就是某一物理量的实际值与选定的基值之比。基值实际值标幺值 第65页/共89页 2. 2.标幺值标幺值 计算变压器或电机的稳态问题时，常用其额定值 作为相应的基值。此时一次和二次相电压的标幺值为:NbNbUUUUU

25、UUUUU2222*21111*1,一次和二次相电流的标幺值为:NbNbIIIIIIIIII2222*21111*1,第66页/共89页归算到一次侧时，等效漏阻抗的标幺值为：NkNbkkUZIZZZ111*相电压和线电压的标幺值相等，相电流和线电流亦相等。三相功率的基值取为变压器(电机 )的三相额定容量，即：NNNNNbIUIUSS33第67页/共89页3.应用标幺值的优点 (1) 便于比较和分析 (2) 标幺值计算时不必再进行归算(3) 缺点是没有量纲，无法用量纲关系来检查 第68页/共89页对于例2-1的单相20000KVA变压器，试求出激磁阻抗和漏阻抗的标幺值。从【例题 2-1】可知，一

26、次和二次绕组电压分别为127KV和11KV，额定电流分别为157.5A和1818.2A。由此可得：1.激磁阻抗标幺值归算到低压侧时 401011824121818322.(*NmNmUZIZ低压）低压）83101172221818322.(*NmNmURIR低压）低压）8 .3910117 .2402 .181832(2*NmNmUXIX低压） 解：【例题例题 2-22-2】第69页/共89页归算到高压侧时4010127322575157311.(*NmNmUZIZ高压）高压）831012730285157311.(*NmNmURIR高压）高压）83910127321105157311.(*N

27、mNmUXIX高压）高压）由于归算到低压侧的激磁阻抗是归算到高压侧的k的平方倍低压）(2mmZkZ而高压侧的阻抗基值亦是低压侧的k的平方倍，所以从高压侧或低压侧算出的激磁阻抗标幺值恰好相等；故用标幺值计算时，可以不再进行归算。第70页/共89页（2）漏阻抗的标幺值073. 0101279 .585 .15731)75(1*)75(NkNkUZIZ008. 01012745. 65 .15731)75(1*)75(NkNkURIR0725. 0101275 .585 .157311*NkNkUXIX 若短路试验在额定电流下进行，亦可以把实试验数据化成标幺值来计算，即0727. 012724. 9

28、*KKKIUZ000645. 020000129*2*KKKKPIPR725. 000645. 00727. 0222*2*KKKRZX第71页/共89页【例题 2-3】一台三相变压器，Y，d联结， 当外施额定电压时，变压器的空载损耗 ，空载电流为额定电流的5%。当短路电流为额定电流时，短路损耗 （已换算到75 度时的值），短路电压为额定电压的5.5%。试求归算到高压侧的激磁阻抗和漏阻抗的实际值和标幺值. kVkVUUkVASNNN3.6/10/,100021kwp9.40kwpk15解:(1)激磁阻抗和漏阻抗标幺值: *1*101200.05mUZI*10*2104.91.961000 (0

29、.05)mpRI2* 222201.9619.9mmmXZR*0.055kkkkUZUI000*(75 )*2(75 )(75 )150.0151000kkkkpRpI02*222(75 )(0.055)(0.015)0.053kkkXZR第72页/共89页归算到高压侧时激磁阻抗和漏阻抗的实际值高压侧的额定电流 和阻抗基值为:10074.5731010374.5710310003311111NNbNNNIUZAAUSI于是归算到高压侧时各阻抗的实际值:5 . 5100055. 01991009 .1919610096. 12000100201*1*1*1*bkkbmmbmmbmmZZZZXXZ

30、RRZZZ3 . 5100053. 05 . 1100015. 01*1*)75()75(00bkkbkkZXXZRR第73页/共89页一、外特性和电压调整率 2-8 2-8 变压器的运行性能变压器的运行性能电压调整率定义：定义：当当一次侧电压保持为额一次侧电压保持为额定，负载功率因数为定，负载功率因数为常值，从空载到负载常值，从空载到负载时二次侧电压变化的时二次侧电压变化的百分值，用百分值，用u u表示。表示。%100%1001212220NNNUUUUUUu额定电压调整率的概念第74页/共89页2I2U1U22ABCKRI2KXI j2abh2222cossinKKabI RI X2222

31、cossinKKhI XI R2122222222222212cossin(cossin)12KKKKhUUabUI RI XI XI RU11NUU12122222222211*22100%cossincossin1() 100%2(cossin) 100%NNKKKKNNkkUUuUI RI XI XI RUUIRX 第75页/共89页 基本铜耗：是指电流流过绕组时所产生的直流电阻损耗。1.铜耗杂散铜耗：杂散铜耗：主要指漏磁场引起电流集肤效应，主要指漏磁场引起电流集肤效应，使绕组的有效电阻增大而增加的铜耗，以及使绕组的有效电阻增大而增加的铜耗，以及漏磁场在结构部件中引起的涡流损耗等。漏磁场

32、在结构部件中引起的涡流损耗等。铜耗与负载电流的平方成正比，因而也称为铜耗与负载电流的平方成正比，因而也称为可变损耗。可变损耗。二、效率和效率特性二、效率和效率特性第76页/共89页2.铁耗 基本铁耗：是变压器铁心中的磁滞和涡流损耗。杂散铁耗：包括叠片之间的局部涡流损耗和主磁通在结构部件中引起的涡流损耗等。铁耗可近似认为与 或 成正比，由于变压器的一次电压保持不变,故铁耗可视为不变损耗。 2mB21U第77页/共89页效率效率 : 输出功率与输入功率之比。输出功率与输入功率之比。pPPPP2212 3.效率特性21PpP 222222coskFeFeCuRmIppppImUP其中其中: 2222

33、202220coscoskFeRmIpImUImU第78页/共89页从效率特性可见从效率特性可见, ,当当负载达到某一数值时负载达到某一数值时, ,效率将达到最大值。效率将达到最大值。最大效率：变压器的最大效率：变压器的铜耗恰好等于铁耗。铜耗恰好等于铁耗。FeKpRmI22效率特性：效率特性：)(2If工程计算：KNNKNPIPISPIPPp2*2202*222*201coscoscos1第79页/共89页【例题 2-4】已知例2-1中变压器的参数和损耗为 求此变压器带上额定负载 (滞后)时的额定电压调整率和额定效率,并确定最大效率和达到最大效率时的负载电流.%99. 4%100)60. 00725. 08 . 008. 0(%100)sincos(2*2*KKXRIu02047 1601198.75%cos2000 0.847 160KNnNKNPPSPP （2）最大效率和达到最大效率时的负载%92.984728 . 02000542. 047212cos2102*0maxPSIPNNkwpkwpXRkNkk160,47,0725. 0,008. 0)75(0*)75(008 . 0cos2解:额定电压调整率和额定效率: kwpkwp