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） 特种变压器特种变压器

2、（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（1）干式变压器）干式变压器4) 按铁心结构分：按铁心结

3、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、变压器的结构铁芯铁芯绕组绕组油箱及冷却装置油箱及冷却装置绝缘套管绝缘套管其它附件其它附件(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

4、：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

5、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

6、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：

7、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KVA2） 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：

8、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NUNSNINUNSNI22 ;11三相变压器三相变压器NUN

9、SNINUNSNI232 ;1314） 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NUNSNINUNSNI232 ;131ANUNSNIANUNSNI68.288 4 . 0*320023255.11 10*3200131l 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

10、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 1N 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：

11、）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。000I0I1101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：)(*01II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； 磁通与它感应的电动势符合右手

12、螺旋定则磁通与它感应的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*II2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。212211,I*IEEEE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。114.44mEfN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

13、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 。114.44mEjfN 同理，二次主电动势同理，二次主电动势 ：mfNE2244. 4有效值有效值mfNjE2244. 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

14、平衡方程式二次绕组的端电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 101010QPIIIm10QI10 PI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，只从电

15、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 U24.44fN2mU2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）332.3 单相变压器的负载运行 一次侧接在额定频

16、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1UEU11保保持持不不变变 0IN222F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=FF210FF11NIL22NI负载负载10NI原绕组原绕组副绕组副绕组空载空载F0二、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

17、衡方程式、磁通势平衡方程式11NI22NI10NI抵削对主磁通的影响。抵削对主磁通的影响。102211NININILIIINNII1021201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NNIIkIkINNINNII21012212212011一、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动势二次绕组中漏磁电动势 即即 。 2E22222XIjLIjE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 下式表明，经变压