变压器基本结构和额定值

1、 第三章 变压器 1.变压器的定义：它是一种静止的电机，通过线圈间的电磁感应关系，将某一等级的交流电压转换为同频率的另一等级的交流电压。2.变压器的用途：3.电力变压器：用于电力系统升、降电压的变压器。3.1 变压器的基本结构和额定值一、 变压器的基本结构1.铁心：构成了变压器的磁路，同时又是套装绕组的骨架。铁心由铁心柱和铁轭两部分构成。铁心柱上套绕组，铁轭将铁心柱连接起来形成闭合磁路。材料：0.35mm厚涂有绝缘漆膜的硅钢片，导磁性能好，可减少铁损；铁心结构：心式和壳式；迭片方式：交迭式迭装2. 绕组： 绕组是变压器的电路部分，它由铜或铝绝缘导线绕制而成。一次绕组（原绕组）：输入电能二次绕组

2、（副绕组）：输出电能它们通常套装在同一个心柱上，一次和二次绕组具有不同的匝数，通过电磁感应作用，一次绕组的电能就可传递到二次绕组，且使一、二次绕组具有不同的电压和电流。其中，两个绕组中，电压较高的称为高压绕组，相应的电压较低的称为低压绕组。从高、低压绕组的相对位置来看，变压器的绕组又可分为同心式、交迭式。由于同心式绕组结构简单，制造方便，所以，国产的均采用这种结构，交迭式主要用于特种变压器中。3.油箱和冷却装置：变压器油的作用：绝缘和冷却4.绝缘套管：用于引线5.保护装置和其他二、变压器的分类1、用途分：升压变压器、降压变压器；2、相数分：单相变压器和三相变压器；3、线圈数：双线圈变压器、三线

3、圈变压器和自耦变压器；4、铁心结构：心式变压器和组式变压器；5、冷却介质和冷却方式：油浸式变压器和干式变压器等；6、容量大小：小型变压器、中型变压器、大型变压器和特大型变压器。三、变压器的型号和额定值1、型号：表示一台变压器的结构、额定容量、电压等级、冷却方式等内容。例如：SL-500/10：表示三相油浸自冷双线圈铝线，额定容量为500kVA，高压侧额定电压为10kV级的电力变压器。2、额定值：额定值是制造厂对变压器在指定工作条件下运行时所规定的一些量值。额定值通常标注在变压器的铭牌上。变压器的额定值主要有：铭牌规定在额定使用条件下所输出的视在功率。：指变压器长时间运行所承受的工作电压。（三相

4、为线电压）：规定加在一次侧的电压；：一次侧加额定电压，二次侧空载时的端电压。：变压器额定容量下允许长期通过的电流有和（三相为线电流）。：我国工频：50Hz；此外，还有额定效率、温升等额定值。3、单相变压器的关系式：三相变压器的关系式：对于双线圈变压器一、二次侧的额定容量相等。（由于其效率高）四、基本工作原理AXu1 i1 0e1axe2i2u2基本原理：其中：； 可见，只要改变线圈的匝数，就能达到改变电压的目的。2.2 单相变压器的空载运行1. 从空载和负载运行时的电磁关系出发，导出基本方程式、等效电路和相量图；2. 分析稳态运行性能（电压变化率、损耗和效率）该方法适用于三相变压器的对称运行。

5、一、一次和二次绕组的感应电动势1. 空载定义：02. 物理过程：AXu1 i0 e1axe21u20由于铁磁材料有饱和现象，所以主磁路的磁阻不是常数，主磁通与建立它的电流之间呈非线性关系。而漏磁通的磁路大部分是非铁磁材料组成，所以漏磁路的磁阻基本上是常数，漏磁通与产生它的电流呈线性关系。主磁通在原、副绕组中均感应电动势，当副方接上负载时便有电功率向负载输出，故主磁通起传递能量的作用。而漏磁通仅在原绕组中感应电动势，不能传递能量，仅起压降作用。因此，在分析变压器和交流电机时常将主磁通和漏磁通分开处理。3.正方向的确定：从理论上讲，正方向可以任意选择，因各物理量的变化规律是一定的，并不依正方向的选

6、择不同而改变。但正方向规定不同，列出的电磁方程式和绘制的相量图也不同。在电机方向的学科中通常按习惯方式规定正方向，称为惯例。具体原则如下：1）在负载支路，电流的正方向与电压降的正方向一致，而在电源支路，电流的正方向与电动势的正方向一致；2）磁通的正方向与产生它的电流的正方向符合右手螺旋定则3）感应电动势的正方向与产生它的磁通的正方向符合右手螺旋定则电压u1,u2的正方向表示电位降低，电动势e1,e2的正方向表示电位升高。在原方，u1由首端指向末端，1从首端流入。当u1与1同时为正或同时为负时，表示电功率从原方输入，称为电动机惯例。在副方，u2和2的正方向是由e2的正方向决定的，即2沿e2的正方

7、向流出。当u2和2同时为正或同时为负时，电功率从副方输出，称为发电机惯例。 4.主磁通感应的电动势设，则 同理可得： 结论：，在相位上滞后90°。5.一次漏感电动势：设，则 又可得： 式中：=常数， 为一次绕组的漏电抗。6.电动势平衡方程：一次侧：忽略I0Z1，则有： 即 * 结论：影响主磁通大小的因素是: 电源电压U1、电源频率f和一次侧线圈匝数N1，与铁心材质及几何尺寸基本无关。二次侧：7. 变压器的变比k和电压比K (1) 变比k:指变压器一、二次绕组的电势之比k=E1/E2=(4.44fN1m)/(4.44fN2m)=N1/N2变比k等于匝数比。1次绕组的匝数必须符合一定条件

8、： U14.44fN1m4.44fN1BmA N1U1/4.44fBmABm的取值与变压器性能有密切相关。Bm热轧硅钢片1.111.5T；冷轧硅钢片1.51.7T(2)电压比K:指三相变压器的线电压之比在做三相变压器联结绕组试验时用到电压比K进行计算。 K=(UAB/uab+UBC/ubc+UCA/uca)/3三相变压器：Y，d接线： D，y接线： Y，y和D，d接线：二、主磁通与励磁电流1、 主磁通与漏磁通在性质上：0与I0非线性关系；1与I0线性关系；在数量上：0占99%以上；1占1%以下；在作用上：0传递能量的媒介；1漏抗压降。2.激磁电流：作用：一是用来激磁，产生主磁通；二是供空载损耗

9、。波形：磁路饱和：尖顶波；磁路不饱和：正弦波。实际需要：将尖顶波的空载电流等效为正弦波。空载损耗 空载损耗约占（0.21）%，随容量的增大而减小。变压器空载运行时，很低，一般在0.10.2之间。三、变压器空载时的相量图:3.3 单相变压器的负载运行一、正方向的规定（同空载运行）二、负载运行时的物理情况1、负载运行定义：在前面我们通过分析了解了变压器的空载运行情况，当变压器原方接入交流电源，副方接上负载时的运行方式称为变压器的负载运行。2、负载时的电磁过程从空载电流变为负载时的电流。原、绕组的磁动势也从空载磁动势F0变为 F1=I1N1。负载时的主磁通m就是由原、副绕组的合成磁动势产生的，即:F

10、1+ F 2= F m。于是变压器在负载时的电磁关系重新达到平衡。单相变压器负载运行示意图 二、 磁动势平衡磁动势平衡方程式：（1）磁动势形式： （2）电流形式 ：若忽略I0，则有： 注意大小和相位。二、电动势平衡方程三、 漏磁通和激磁阻抗1.分析：（以1a为例）1=F1/Rm=N1mi1e1=-N1 d1a/dt=- N12mdi1/dt漏电感L1= N12me1=L1di1/dt则：e1=E1msin(t-90。) E1=-jL1I12.漏磁电动势的表达式E1=-jX1I1E2=-jX1I2 即漏磁电动势可以表示成电流流过漏电抗产生的压降，因为电动势与电压方向相反，故上式中取负号。四、 主

11、磁通和励磁电抗1.分析（1）不考虑铁耗时：E1 =-jXmIm（2）考虑铁耗时：E1 =-(jXm+Rm)Im= -jZmIm2.铁心线圈的等效电路3.4 变压器的基本方程、等效电路图和相量图一、 变压器的基本方程1. 磁动势方程：2. 电流方程：3. 电压方程：二、 变压器的T型等效电路1. 绕组折算由于原、副绕组的匝数 ，原、副绕组的感应电动势1 2，这就给分析变压器的工作特性和绘制相量图增加了困难。为了克服这个困难，常用一假想的绕组来代替其中一个绕组，使之成为变比k=的变压器，这样就可以把原、副绕组联成一个等效电路，从而大大简化变压器的分析计算。这种方法称为绕组折算。折算后的量在原来的符

12、号上加一个上标号“”以示区别。折算方法：N2=N1 折算原则：和二次侧的各功率保持不变折算的物理量：二次侧电流：I2=I2/k二次侧电动势的折算：E2=kE2 E2=kE2 U2=kU2二次侧阻抗的折算： R2=k2R2 X2=k2 X2 RL=k2RL XL=k2XL 2、折算后的方程：三、等效电路和相量图1.“T”形等效电路和相量图“T”形等效电路 R1 X1 R2 X2 Rm Xm ZL 相量图2.近似等效电路（一般I1NZ1<0.08U1N 时采用） R1 X1 R2 X2 Rm ZL Xm3.简化等效电路和相量图简化等效电路：忽略I0 R1 X1 R2 X2 ZL电压方程式：

13、其中： 简化相量图： C B A *说明：ABC为阻抗三角形；对于一台已制成的变压器，其形状是固定的。*短路阻抗大小的意义：从正常运行角度看，希望小些； 从短路角度看，希望大些，可限制短路电流。3.5 变压器参数的测定通过空载和短路试验测取变压器的参数。一、空载实验（开路实验）1.目的：通过测量I0，U1，U20及P0来计算K, I0（），PFe，Zm=rm+jxm 以及判断铁心质量和线圈质量。2.接线：一般低压侧加压，高压侧开路（如下图）3.步骤：低压侧加电压，高压侧开路； 电源电压由01.2UN（或1.2 UN0），测U1、U20、I0和P0值； 可得I0=f(U1)及P0=f(U1)4.

14、计算：变比：由空载简化等效电路，得：；5.注意：rm和Xm是随电压的大小而变化的，故取对应额定电压时的值。 空载试验在任何一侧做均可，高压侧参数是低压侧的k2倍。三相变压器必须使用一相的值。，很低，为减小误差，利用低功率因数表。二、短路实验1.目的：测IK、UK及PK，计算UK（）,pCu, ZK=RK+jXK 。2.接线：通常高压侧加压，低压侧短路（如下图）3.步骤：高压侧接电源，低压侧短接； 电压由0，使IK=01.2IN，分别测IK、UK及PK； 可得IK=f(UK)，线性；PK=f(UK)，抛物线。4.计算： pCupK=PK (PK=pCu+pFepCu，电源电压很低pFe0) 由简

15、化等效电路，得 ； ；一般认为：； 温度折算：线圈电阻与温度有关，国标规定向75换算； 对铜线： 对铝线： 说明：三相变压器必须使用一相的值。短路试验在任何一方做均可，高压侧参数是低压侧的k2倍。5.短路电压（阻抗电压）短路试验时，使短路电流为额定电流时一次侧所加的电压，称为短路电压UK即UKN=I1NzK75 额定电流在短路阻抗上的压降，亦称作阻抗电压。短路电压百分值：uK对变压器运行性能的影响：短路电压大小反映短路阻抗大小 正常运行时希望小些 ，电压波动小 ； 限制短路电流时，希望大些。中、小型变压器：（410.5）%； 大型变压器： （12.517.5）%。3.6 三相变压器一、三相变压

16、器的磁路系统1.组式变压器：将三台相同的单相变压器一次、二次侧绕组，按对称式做三相联结，可组成三相变压器组，各相磁路彼此无关，即三相磁路是独立的； 原边外施三相对称电压三相对称磁通由于磁路对称，产生三相对称的空载电流。2.心式变压器：各相磁路彼此相关，有电和磁的联系； 原边外施三相对称电压三相对称磁通但由于磁路不对称，产生的三相空载电流不对称，且中间电流小。*组式和心式变压器的比较： 组式变压器：受运输条件或备用容量限制采用 心式变压器：省材料，效率高，占地少，成本低，运行维护简单，广泛应 用。二、 三相变压器的联结（一）、高、低压绕组相电压的相位关系1.变压器线圈的首、末端标志线圈名称单相变

17、压器三 相 变 压 器首端末端首端末端中点高压线圈AXA B CX Y ZO低压线圈axa b cx y zo中压线圈AmXmAm Bm CmXm Ym ZmOm极性：指瞬时极性同名端由线圈的绕向和首末端标志决定2.单相变压器的连接组别：I,I0；I,I63.三相变压器线圈的连接组别1.)连接方式：Y或D；（y,d）2.)定义：反映三相变压器对称运行时，高、低压侧对应线电动势（或线电压）之间的相位关系，它与线圈的绕向和首、末端标记及高、低压线圈的连接方式有关。3.)时钟表示法：（相量图）例： B CbcA,a位形图 Y,y0 作图步骤：先画出高压线圈的相量图； 便于比较，将A,a连成等电位点；

18、 画出低压侧的相量图； 将AB,ab连线，得出结论。4.国标规定了五种标准连接组：Y,yn0；Y，d11；YN，d11；YN，y0；Y，y0。* 凡Y,y或D,d连接均为偶数；凡Y,d或D,y连接均为奇数。*本节课将原理讲完后，主要让学生自己练习。3.7 标么值一、标么值的定义 即某一物理量实际值与选定值之比。 *实际值与基准值必须具有相同的单位。二、基值的选取1.通常以额定值为基准值，各侧的物理量以各自侧的额定值为基准例如：变压器一次侧选； 变压器二次侧选； 由于变压器一、二次侧容量相等，均选*额定值的标么值为1；标么值的表示为在原符号右上角加“*”表示；使用标么值表示的基本方程式与采用实际

19、值时的方程式在形式上一致。举例：； ；2.实际值、标么值和百分值的关系 实际值=标么值×基准值 百分值=标么值×100%三、优缺点1.优点：便于分析比较； 直观反映变压器运行情况，如： 物理意义不同的物理量，具有相同的数值； 采用标么值后，不必折算了； 采用标么值后，三相变压器的计算公式与单相变压器的计算公式完全相同。2、缺点:没有单位；物理概念比较模糊。3.8 变压器的运行性能一、电压调整率和外特性1. 电压调整率uU1=U1N，cos2等于常数时，从空载到负载，二次侧电压变化的百分值。定义式：2. 参数表达式：由简化相量图，可得：（推导过程略） 式中： 称为负载系数，直接反应负载的大小，如，表示空载； ，表示满载；*影响u的因素：负载大小；短路阻抗标么值；负载性质三、 效率和效率特性1变压器的损耗：损耗*铁损-不变损耗；铜损-可变损耗。2.效率：*变压器的效率比较高，一般在（9598）%之间，大型可达99%以上。 令： *结论：效率大小与负载大小、性质及空载损耗和短路损耗有关。 效率特性： 最大效率