第三章-变压器

1、淮北职业技术学院机电工程系3.1 3.1 变压器的基本工作原理和结构变压器的基本工作原理和结构3.1.1 3.1.1 基本工作原理和分类基本工作原理和分类一、基本工作原理一、基本工作原理 变压器的主要部件是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、二次绕组的交变磁通，在两绕组中分别感应电动势。1u1e2e2u1i2i1U2U1u2uLZdtdNedtdNe2211 只要一、二只要一、二次绕组的匝数不次绕组的匝数不同，就能达到改同，就能达到改变压的目的。变压的目的。淮北职业技术学院机电工程系二、分类二、分类 按用途分：电力变压器和特种变压器。 按

2、绕组数目分：单绕组（自耦）变压器、双绕组变压器、三绕组变压器和多绕组变压器。 按相数分：单相变压器、三相变压器和多相变压器。 按铁心结构分：心式变压器和壳式变压器。 按调压方式分：无励磁调压变压器和有载调压变压器。 按冷却介质和冷却方式分：干式变压器、油浸式变压器和充气式变压器。 淮北职业技术学院机电工程系3.1.2 基本结构一、铁心一、铁心 变压器的主磁路，为了提高导磁性能和减少铁损，用0.35mm厚、表面涂有绝缘漆的硅钢片叠成。 变压器的电路，一般用绝缘铜线或铝线绕制而成。 油浸式变压器的器身浸在变压器油的油箱中。油是冷却介质，又是绝缘介质。油箱侧壁有冷却用的管子（散热器或冷却器）。 将线

3、圈的高、低压引线引到箱外，是引线对地的绝缘，担负着固定的作用。二、绕组二、绕组三、油箱三、油箱四、绝缘套管四、绝缘套管此外，还有储油柜、吸湿器、安全气道、净油器和气体继电器。淮北职业技术学院机电工程系3.1.3 型号与额定值一、型号一、型号 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，表示方法为 如OSFPSZ-250000/220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250000kVA，高压额定电压220kV电力变压器。淮北职业技术学院机电工程系二、额定值二、额定值NNNNNNNNNNIUIUS:IUIUS:2211221133三相单相此外，额定值还有额定频

4、率、效率、温升等。)kV(UUNN21和额定电压指长期运行时所能承受的工作电压.,UU,U1NN1N电压对三相变压器指的是线二次的开路电压是指一次侧加电压是指加在一次侧的额定2)kVA(SN额定容量指铭牌规定的额定使用条件下所能输出的视在功率。)A(IINN21和额定电流指在额定容量下，允许长期通过的额定电流。在三相变压器中指的是线电流淮北职业技术学院机电工程系3.2.1 3.2.1 电磁关系电磁关系一、空载运行时的物理情况一、空载运行时的物理情况0I1U2U1u2u010RI1U1E1E20U)(2I12E1U0I100NIF1E011E2E3.2 3.2 单相变压器的空载运行单相变压器的空

5、载运行淮北职业技术学院机电工程系主磁通与漏磁通的区别主磁通与漏磁通的区别二、各电磁量参考方向的规定二、各电磁量参考方向的规定强调强调：磁通与产生它的电流之间符合右手螺旋定则；电动势与感应它的磁通之间符合右手螺旋定则。1）性质上： 与 成非线性关系； 与 成线性关系；2）数量上： 占99%以上， 仅占1%以下；3）作用上： 起传递能量的作用， 起漏抗压降作用。000I0I1101淮北职业技术学院机电工程系三、感应电动势分析三、感应电动势分析1、主磁通感应的电动势主电动势tmsin0设)90sin()90sin(20101011tEtfNdtdNemm则mfNE1144.4有效值mfNjE1144

6、.4相量同理，二次主电动势也有同样的结论。 可见，当主磁通按正弦规律变化时，所产生的一次主电动势也按正弦可见，当主磁通按正弦规律变化时，所产生的一次主电动势也按正弦规律变化，时间相位上滞后主磁通规律变化，时间相位上滞后主磁通 。主电动势的大小与电源频率、绕组。主电动势的大小与电源频率、绕组匝数及主磁通的最大值成正比。匝数及主磁通的最大值成正比。090淮北职业技术学院机电工程系2、漏磁通感应的电动势漏电动势漏电动势也可以用漏抗压降来表示，即根据主电动势的分析方法，同样有mfNjE11144.411144.4fNE10011XI jILjE 由于漏磁通主要经过非铁磁路径,磁路不饱和,故磁阻很大且为

7、常数,所以漏电抗 很小且为常数,它不随电源电压负载情况而变.1X淮北职业技术学院机电工程系3.2.2 空载电流和空载损耗一、空载电流一、空载电流1、作用与组成2、性质和大小性质：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也称励磁电流；0I 空载电流 包含两个分量，一个是励磁分量，作用是建立磁场，产生主磁通无功分量 ；另一个是铁损耗分量，作用是供变压器铁心损耗有功分量 。rI0aI0大小：与电源电压和频率、线圈匝数、磁路材质及几何尺寸有关，用空载电流百分数I0%来表示：%100%00NIII淮北职业技术学院机电工程系3、波形由于磁路饱和，空载电流 与由它产生的主磁通 呈

8、非线性关系。0i0t0i3211230i当磁通按正弦规律变化时，空载电流呈尖顶波形。当空载电流按正弦规律变化时，主磁通呈平顶波形。实际空载电流为是正弦波，但为了分析、计算和测量的方便，在相量图和计算式中常用正弦的电流代替实际的空载电流。淮北职业技术学院机电工程系二、空载损耗二、空载损耗对于已制成变压器，铁损与磁通密度幅值的平方成正比，与电流频率的1.3次方成正比，即 空载损耗约占额定容量的0.2%1%，而且随变压器容量的增大而下降。为减少空载损耗，改进设计结构的方向是采用优质铁磁材料：优质硅钢片、激光化硅钢片或应用非晶态合金。变压器空载时，一次侧从电源吸收少量的有功功率 ，用来供给铁损 和绕组

9、铜损 。由于 和 均很小，所以 ，即空载损耗近似等于铁损。0PFePP 00I1RFeP120RI3 . 12fBPmFe淮北职业技术学院机电工程系小结小结（1 1）一次侧主电动势与漏阻抗压降总是与外施电压平衡）一次侧主电动势与漏阻抗压降总是与外施电压平衡, ,若忽略漏阻抗若忽略漏阻抗压降，则一次主电势的大小由外施电压决定压降，则一次主电势的大小由外施电压决定. .（2 2）主磁通大小由电源电压、电源频率和一次线圈匝数决定，与磁路）主磁通大小由电源电压、电源频率和一次线圈匝数决定，与磁路所用的材质及几何尺寸基本无关。所用的材质及几何尺寸基本无关。（3 3）空载电流大小与主磁通、线圈匝数及磁路的

10、磁阻有关，铁心所用）空载电流大小与主磁通、线圈匝数及磁路的磁阻有关，铁心所用材料的导磁性能越好，空载电流越小。材料的导磁性能越好，空载电流越小。（4 4）电抗是交变磁通所感应的电动势与产生该磁通的电流的比值，线）电抗是交变磁通所感应的电动势与产生该磁通的电流的比值，线性磁路中，电抗为常数，非线性电路中，电抗的大小随磁路的饱和而性磁路中，电抗为常数，非线性电路中，电抗的大小随磁路的饱和而减小。减小。淮北职业技术学院机电工程系3.3 3.3 单相变压器的负载运行单相变压器的负载运行3.3.1 负载运行时的电磁关系 变压器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，称为负载运行

11、负载运行。1U1I2I2U111INF222INF010INF01E1E11E11IR22E22IR淮北职业技术学院机电工程系3.4 变压器基本方程式、等效电路和相量图一、空载运行一、空载运行1、电动势平衡平衡方程（1）一次侧电动势平衡方程0111010110111IZEXI jRIERIEEUmfNEU11144. 4忽略很小的漏阻抗压降，并写成有效值形式，有1111444444fN.UfN.Em则 可见，影响主磁通 大小的因素有电源电压 、电源频率 和一次侧线圈匝数 。m1U1f1N淮北职业技术学院机电工程系（2）二次侧电动势平衡方程220EU2、变比定义NNUUUUNNEEk212012

12、121 对三相变压器，变比为一、二次侧的相电动势之比，近似为额定相电压之比，具体为Y，d接线NNUUk213NNUUk213D，y接线淮北职业技术学院机电工程系2、等效电路mmmZIjXRIE001)(一次侧的电动势平衡方程为101XI jE 基于 表示法， 感应的 也用电抗压降表示，由于 在铁心中引起 ，所以还要引入一个电阻 ，用 等效 ，即1EFepmRmRI20Fep01101011)()(IjXRIjXRZIEUmm所以所以,空载时等效电路为空载时等效电路为mRmX1X1R由于磁路具有饱和特性，所以 不是常数，随磁路饱和程度增大而减小。mmmjXRZmmmZXR, 为励磁电阻、 励磁电

13、抗、励磁阻抗。 由于 ，所以有时忽略漏阻抗，空载等效电路只是一个 元件的电路。在 一定的情况下， 大小取决于 的大小。从运行角度讲，希望 越小越好，所以变压器常采用高导磁材料，增大 ，减小 ，提高运行效率和功率因数。 11,XXRRmmmZ1U0ImZ0I0ImZ淮北职业技术学院机电工程系3、相量图根据前面所学的方程，可作出变压器空载时的相量图：（1）以 为参考相量mmaI0rI00I1E1E2E1001,XI jIR（4）10XI j01IR1U（2） 与 同相， 超前 marIII000,900aI0rI0rI0超前1E（3） 滞后,900m21,EE,900m（5）100111EUXI

14、jIR淮北职业技术学院机电工程系 空载时,由一次磁动势 产生主磁通 ,负载时,产生 的磁动势为一、二次的合成磁动势 。由于 的大小取决于 ，只要 保持不变，由空载到负载， 基本不变，因此有磁动势平衡方程0021FF01U1U00F021FFF或012211INININ用电流形式表示LIIkIIINNII102021201)()( 表明:变压器的负载电流分成两个分量,一个是励磁电流 , 用来产生主磁通,另一个是负载分量 , 用来抵消二次磁动势的作用。电磁关系将一、二次联系起来,二次电流增加或减少必然引起一次电流的增加或减少。0IkIIL/21二、负载运行二、负载运行淮北职业技术学院机电工程系负载

15、运行时,忽略空载电流有:1221211NNkIIkII或 表明，一、二次电流比近似与匝数成反比。可见，匝数不同，不仅能变电压，同时也能变电流。1、电动势平衡方程根据基尔霍夫电压定律可写出一二次侧电动势平衡方程111111111ZIEXI jRIEU222222222ZIEXI jRIEULZIU22淮北职业技术学院机电工程系2、折算折算：将变压器的二次（或一次）绕组用另一个绕组来等效，同时对该绕组的电磁量作相应的变换，以保持两侧的电磁关系不变。目的：用一个等效的电路代替实际的变压器。折算原则：1）保持二次侧磁动势不变；2）保持二次侧各功率或损耗不变。22122kUUEkEEkII2222222

16、22222ZkZRkRXRkR方法：（将二次侧折算到一次侧）淮北职业技术学院机电工程系3、折算后的方程式及等效电路111111111ZIEXI jRIEU222222222ZIEXI jRIEU021III12EE01IZEmLZIU22淮北职业技术学院机电工程系根据折算后的方程，可以作出变压器的根据折算后的方程，可以作出变压器的等效电路等效电路。T型等效电路近似等效电路简化等效电路其中其中sssssjXRZXXXRRR2121为短路电阻；为短路电抗；为短路阻抗。 由简化等效电路可知，短路阻抗起限制短由简化等效电路可知，短路阻抗起限制短路电流的作用，由于短路阻抗值很小，所以变路电流的作用，由于

17、短路阻抗值很小，所以变压器的短路电流值较大，一般可达额定电流的压器的短路电流值较大，一般可达额定电流的1020倍。倍。淮北职业技术学院机电工程系4、相量图作相量图的步骤对应T型等效电路， 假定变压器带感性负载。21 U)22 I ) 223RI )224IXj )12)5EE0190)6Em超前0)7 I)()8201III1)9E11)10RI11)11IjX1)12 U淮北职业技术学院机电工程系3.5 3.5 变压器的参数测定变压器的参数测定一、空载实验一、空载实验1、目的：通过测量空载电流和一、二次电压及空载功率来计算变比、空载电流百分数、铁损和励磁阻抗。2、接线图WAVV*淮北职业技术

18、学院机电工程系5）空载电流和空载功率必须是额定电压时的值，并以此求取励磁参数；6）若要得到高压侧参数，须折算；7）对三相变压器，各公式中的电压、电流和功率均为相值；%100%100120NNIIIUUK2220001mmmmNmRZXIPRIUZ4）求出参数3、要求及分析1）低压侧加电压，高压侧开路；曲线和画出和测出向调节范围内单方在电压)()(,2 . 10) 2101000201UfPUfIPIUUUNFepPXR011,)3即和忽略淮北职业技术学院机电工程系二、短路实验二、短路实验1、目的：通过测量短路电流、短路电压及短路功率来计算变压器的短路电压百分数、铜损和短路阻抗。2、接线图3、要

19、求及分析1）高压侧加电压，低压侧短路；WAV*;)()(,3 . 10,)2曲线和画出和测出对应的范围内变化在让电流通过调节电压sssssssNSUfPUfIPIUII3）同时记录实验室的室温；4）由于外加电压很小，主磁通很少，铁损耗很少，忽略铁损，认为 。CusPP 淮北职业技术学院机电工程系5）参数计算222121sssNSNssSNsNsssRZXIPIPRIUIUZ6）温度折算：电阻应换算到基准工作温度时的数值。8）对三相变压器，各公式中的电压、电流和功率均为相值。7）若要得到低压侧参数，须折算；4、短路电压：当短路电流为额定值时一次所加的电压，称为短路电压，记作NCSSNIZU175

20、0短路电压常用百分值表示： %100%u1751s0NCSNUZI 短路电压的大小直接反映短路阻抗的大小，而短路阻抗又直接影响变压器的运行性能。 从正常运行角度看，希望它小些，这样可使副边电压随负载波动小些；从限制短路电流角度，希望它大些,相应的短路电流就小些。淮北职业技术学院机电工程系3.6 3.6 三相变压器三相变压器3.6.1 磁路系统一、组式磁路变压器二、心式磁路变压器特点是：三相磁路彼此无关联。特点是：三相磁路彼此有关联。1W2Ww1V2Vv1U2Uu1U2U1u2u1V2V1v2v1W2W1w2wuvw淮北职业技术学院机电工程系3.6.2 电路系统一、变压器的端头标号一、变压器的端

21、头标号绕组绕组名称名称单相变压器三相变压器中性点首端首端末端末端首端首端末端末端高压高压绕组绕组U1U2U1、V2、W1U2、V2、W2N低压低压绕组绕组u1u2u1、v1、w1u2、v2、w2n中压中压绕组绕组U1mU2mU1m、V1m、W1mU2m、V2m、W2mNm淮北职业技术学院机电工程系二、单相变压器的极性二、单相变压器的极性*1U2U1u2u*1U2U1u2u1U2U1u2u)I , I(I/I012连接组别为)I ,I(I/I66连接组别为一、二次绕组的同极性端同标志时，一、二次绕组的电动势同相位。*1u2u1U2U1u2u*1U2U*1U2U1u2u一、二次绕组的同极性端异标志

22、时，一、二次绕组的电动势反相位。淮北职业技术学院机电工程系三、三相变压器的连接组别三、三相变压器的连接组别连接组别：反映三相变压器连接方式及一、二次线电动势（或线电压）的相位关系。三相变压器的连接组别不仅与绕组的绕向和首末端标志有关，而且还与三相绕组的连接方式有关。理论和实践证明，无论采用怎样的连接方式，一、二次侧线电动势（可电压）的相位差总是300的整数倍。因此可以采用时钟表示法 作为时钟的分针，指向12点， 作为时钟的时针，其指向的数字就是三相变压器的组别号。组别号的数字乘以300，就是二次绕组的线电动势滞后于一次侧电动势的相位角。UVEuvE淮北职业技术学院机电工程系连接组别可以用相量图

23、来判断：若高压绕组三相标志不变，低压绕组三相标志依次后移，可以得到Y,y4、Y,y8连接组别。1、Y，y连接UVEuvE同名端在对应端，对应的相电动势同相位，线电动势 和 也同相位，连接组别为Y，y0。同理，若异名端在对应端，可得到Y，y6、Y,y10和Y,y2连接组别。淮北职业技术学院机电工程系若高压绕组三相标志不变，低压绕组三相标志依次后移，可以得到Y,d3、Y,d7连接组别。2、Y，d连接UVEuvE同理，若异名端在对应端，可得到Y，d5、Y,d9和Y,d1连接组别。同名端在对应端，对应的相电动势同相位，线电动势 和 相差3300，连接组别为Y，d11。UVEuvE同名端在对应端，对应的

24、相电动势同相位，线电动势 和 相差300，连接组别为Y，d1。若高压绕组三相标志不变，低压绕组三相标志依次后移，可以得到Y,d5、Y,d9连接组别。同理，若异名端在对应端，可得到Y，d7、Y,d11和Y,d3连接组别。淮北职业技术学院机电工程系 总之，对于Y，y（或D，d）连接，可以得到0、2、4、6、8、10等六个偶数组别；而Y，d（或D，y）连接，可以得到1、3、5、7、9、11等六个奇数组别。 变压器的连接组别很多，为了便于制造和并联运行，国家标准规定，Y，yn0、Y，d11、YN，d11、YN，y0和Y，y0连接组为三相双绕组电力变压器的标准连接组别。 其中前三种最为常用：Y,yn0

25、连接的二次绕组可以引出中线，成为三相四线制，用作配电变压器时可兼供动力和照明负载。Y,d11连接用于低压侧电压超过400V的线路中。YN,d11连接主要用于高压输电线路中，使电力系统的高压侧可以接地。淮北职业技术学院机电工程系3.7 3.7 标么值标么值 标么值,就是指某一物理量的实际值与选定的同一单位的基准值的比值,即基准值实际值标么值 一、定义一、定义二、基准值的确定二、基准值的确定1、通常以额定值为基准值。 2、各侧的物理量以各自侧的额定值为基准； 线值以额定线值为基准值，相值以额定相值为基准值； 单相值以额定单相值为基准值，三相值以额定三相值为基准值； .,.,.UBBBSSQPZZX

26、REU的基准值为和的基准值为和的基准值为和3、淮北职业技术学院机电工程系三、优点三、优点1、额定值的标么值为1。 2、百分值=标么值100% ；3、折算前、后的标么值相等。线值的标么值=相值的标么值； 单相值的标么值=三相值的标么值； 4、某些意义不同的物理量标么值相等*0*1IZm2*0*0*IPRm*SNsUZ*SNsPR NNPcos*NNQsin*四、缺点四、缺点标么值没有单位，物理意义不明确。淮北职业技术学院机电工程系3.8 3.8 变压器的运行特性变压器的运行特性3.8.1 电压变化率用相量图可以推导出电压变化率的表达式：定义：是指一次侧加50Hz额定电压、二次空载电压与带负载后在

27、某功率因数下的二次电压之差，与二次额定电压的比值，即 电压变化率是表征变压器运行性能的重要指标之一,它大小反映了供电电压的稳定性。NNNUUUUUUU2222220)sincos(2*2*ssXRU式中NII22称为负载系数 由表达式可知，电压变化率的大小与负载大小、性质及变压器的本身参数有关。淮北职业技术学院机电工程系.,cossin.,)0(;,)0()0(2*2*222载时高说明二次电压比空为负值时当也可能为负值可能为正时带阻容性负载时低这时二次端电压比空载为正值时和阻感性负载当变压器带阻性负载URXUUss.),(,22称为变压器的外特性即变化的规律二次端电压随负载电流时因数一定当电源

28、电压和负载功率IfU *2U)(*2I1.001.01cos28 .0cos28 . 0)cos(2淮北职业技术学院机电工程系 为了保证二次端电压在允许范围之内,通常在变压器的高压侧设置抽头,并装设分接开关,调节变压器高压绕组的工作匝数,来调节变压器的二次电压。3.8.2 电压调整 分接开关有两种形式：一种只能在断电情况下进行调节，称为无载分接开关-这种调压方式称为无励磁调压；另一种可以在带负荷的情况下进行调节，称为有载分接开关-这种调压方式称为有载调压。 中、小型电力变压器一般有三个分接头，记作UN 5%。大型电力变压器采用五个或多个分接头,例UN 2x2.5%或UN 8x1.5%。淮北职业

29、技术学院机电工程系3.8.3 损耗、效率及效率特性 铁损耗与外加电压大小有关，而与负载大小基本无关，故也称为不变损耗。一、变压器的损耗一、变压器的损耗 铜损耗也分基本铜损耗和附加铜损耗。基本铜损耗是在电流在一、二次绕组直流电阻上的损耗；附加损耗包括因集肤效应引起的损耗以及漏磁场在结构部件中引起的涡流损耗等。变压器的损耗主要是铁损耗和铜损耗两种。 铁损耗包括基本铁损耗和附加铁损耗。基本铁损耗为磁滞损耗和涡流损耗。附加损耗包括由铁心叠片间绝缘损伤引起的局部涡流损耗、主磁通在结构部件中引起的涡流损耗等。 铜损耗大小与负载电流平方成正比，故也称为可变损耗。淮北职业技术学院机电工程系二、效率及效率特性二

30、、效率及效率特性效率是指变压器的输出功率与输入功率的比值。%10012PP 效率大小反映变压器运行的经济性能的好坏，是表征变压器运行性能的重要指标之一。CuFeCuFeppPppPp211122222220cos)(NSNSNNCuFeSPPPIIpPp其中淮北职业技术学院机电工程系%100)cos1 (20220SNNSNPPSPP变压器效率的大小与负载的大小、功率因数及变压器本身参数有关。效率特性：在功率因数一定时，变压器的效率与负载电流之间的关系=f(),称为变压器的效率特性。0max淮北职业技术学院机电工程系 即当铜损耗等于铁损耗(可变损耗等于不变损耗)时,变压器效率最大：:, 0率的条件则有变压器产生最大效令dd02PPSNm或SNmPP0%100)2cos21 (020maxPSPNm为了提高变压器的运行效益，设计时应使变压器的铁损耗小些。淮北职业技术学院机电工程系3.9 变压器的并联运行并联运行的理想条件并联运行的理想条件并联运行的优点：1、提高供电的可靠性；2、提高供电的经济性。 并联运行是指将几台变压器的一、二次绕组分别接在一、二次侧的公共母线上，共同向负载供电的运行方式。并联运行的理想情况是： 1、空载时各变压器绕组之间无环流； 2