电机与电器——变压器

1、第二章第二章 变变 压压 器器 变压器：是一种静止的电机，它利用电磁感应原变压器：是一种静止的电机，它利用电磁感应原理将一种电压、电流的交流电能转换成同频率的另一理将一种电压、电流的交流电能转换成同频率的另一种电压、电流的电能种电压、电流的电能起着传递电能的作用。起着传递电能的作用。 变压器变压器变压器的分类变压器的分类1 1、按用途分：电力变压器和特种变压器。、按用途分：电力变压器和特种变压器。2 2、按相数分：单相变压器、三相变压器和多相、按相数分：单相变压器、三相变压器和多相变压器。变压器。 3 3、 按冷却介质和冷却方式分：干式变压器、油按冷却介质和冷却方式分：干式变压器、油浸式变压器

2、和充气式变压器。浸式变压器和充气式变压器。 变压器的分类变压器的分类电力变压器电力变压器配电变压器配电变压器升压变压器升压变压器降压变压器降压变压器试验、仪用等变压器试验、仪用等变压器电炉、整流变压器电炉、整流变压器变压器的分类变压器的分类特种变压器特种变压器变压器的分类变压器的分类按冷却方式按冷却方式干式变压器干式变压器油浸式变压器油浸式变压器强迫油循环电力变压器强迫油循环电力变压器变压器的分类变压器的分类按相数按相数单相变压器单相变压器三相变压器三相变压器变压器的分类变压器的分类电源变压器环形变压器控制变压器变压器的分类变压器的分类变压器的结构变压器的结构- -油浸式电力变压器油浸式电力变

3、压器变压器的结构变压器的结构1 1、 铁心铁心。构成变压器磁路的主要部分。为了减。构成变压器磁路的主要部分。为了减小交变磁通在铁心中引起的损耗，铁心通常用厚小交变磁通在铁心中引起的损耗，铁心通常用厚度为度为0.3 mm0.3 mm0.5mm0.5mm、表面具有绝缘膜的硅钢片、表面具有绝缘膜的硅钢片叠装而成，分为铁心柱和铁轭两部分。叠装而成，分为铁心柱和铁轭两部分。2 2、 绕组绕组。构成变压器电路的主要部分。构成变压器电路的主要部分。 原、副边绕组一般用铜或铝的绝缘导线缠绕原、副边绕组一般用铜或铝的绝缘导线缠绕在铁心柱上。在铁心柱上。 在单相变压器中，高、低压绕组均分为两部在单相变压器中，高、

4、低压绕组均分为两部分，分别缠绕在两个铁心柱上分，分别缠绕在两个铁心柱上 三相变压器属于同一相的高、低压绕组全部三相变压器属于同一相的高、低压绕组全部缠绕在同一铁心柱上。为了绝缘方便，低压绕组缠绕在同一铁心柱上。为了绝缘方便，低压绕组紧靠着铁心，高压绕组则套装在低压绕组的外面。紧靠着铁心，高压绕组则套装在低压绕组的外面。变压器的结构变压器的结构3 3、绝缘套管绝缘套管 将线圈的高、低压引线引到箱外，是引线对将线圈的高、低压引线引到箱外，是引线对地的绝缘，担负着固定的作用。地的绝缘，担负着固定的作用。4 4、油箱油箱 油浸式变压器的器身浸在变压器油的油箱中。油浸式变压器的器身浸在变压器油的油箱中。

5、油是冷却介质，又是绝缘介质。油箱侧壁有冷却油是冷却介质，又是绝缘介质。油箱侧壁有冷却用的管子（散热器或冷却器）。用的管子（散热器或冷却器）。变压器的结构变压器的结构5 5、储油柜、储油柜储油柜使变压器油与空气接触面变小，减缓了变压器油储油柜使变压器油与空气接触面变小，减缓了变压器油的氧化和吸收空气水分的速度。从而减缓了油的变质。的氧化和吸收空气水分的速度。从而减缓了油的变质。6 6、气体继电器、气体继电器故障时故障时, ,热量会使变压器油汽化，触动气体继电器发出报热量会使变压器油汽化，触动气体继电器发出报警信号或切断电源警信号或切断电源7 7、安全气道、安全气道防爆筒）如果是严重事故，变压器油

6、大量汽化，油气冲防爆筒）如果是严重事故，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。箱爆裂。8 8、吸湿器、吸湿器 （呼吸器）内装硅胶（活性氧休铝），用以吸收进入储（呼吸器）内装硅胶（活性氧休铝），用以吸收进入储油柜中空气的水分。油柜中空气的水分。变压器的结构变压器的结构变压器的工作原理变压器的工作原理n以单相双绕组变压器为例分析其工作原理：以单相双绕组变压器为例分析其工作原理： 与电源相连的绕组，接受交流电能，通常称为原与电源相连的绕组，接受交流电能，通常称为原边绕组边绕组( (初级绕组、原边绕组初级绕组、原

7、边绕组) ) 与负载相连的绕组，送出交流电能，通常称为副与负载相连的绕组，送出交流电能，通常称为副边绕组边绕组( (次级绕组、副边绕组次级绕组、副边绕组) ) 当原边绕组接通电源，便会在铁心中产生与电源当原边绕组接通电源，便会在铁心中产生与电源电压同频率的交变磁通电压同频率的交变磁通 。忽略漏磁，该磁通便同。忽略漏磁，该磁通便同时与原、副边绕组相交链。时与原、副边绕组相交链。变压器的工作原理变压器的工作原理变压器的工作原理变压器的工作原理 根据电磁感应定律，在原、副边绕组便会感根据电磁感应定律，在原、副边绕组便会感应出电动势，分别为应出电动势，分别为 于是可得电动势比：于是可得电动势比： 若磁

8、通、电动势均按正弦规律变化，若磁通、电动势均按正弦规律变化，k k 称为称为变压器的变比，也称为匝比，通常用有效值之间变压器的变比，也称为匝比，通常用有效值之间的比值来表示的比值来表示：1122deNdtdeNdt 12eke12EkE当副边绕组开路当副边绕组开路( (即空载即空载) )时，则有：时，则有： 不计铁心中由磁通不计铁心中由磁通 交变所引起的损交变所引起的损耗，根据能量守恒原理，可得耗，根据能量守恒原理，可得由此可以看出：由此可以看出：变压器的工作原理变压器的工作原理1122ueue1122U IUI112221EUIkEUI变压器的额定值变压器的额定值额定容量额定容量 （KVA)

9、KVA)铭牌规定的在额定铭牌规定的在额定条件下所能输出的条件下所能输出的视在功率视在功率，单位为，单位为VAVA或或kVAkVA。对对三相变压器指三相的总容量。三相变压器指三相的总容量。NS功率因数功率因数：任意二端网络两端电压：任意二端网络两端电压U U与其中电流与其中电流I I之之间的相位差的余弦间的相位差的余弦cos100电阻性负载： =0 cos 纯电感负载：电压超前电流 /2 cos 纯电容负载：电流超前电压 /2 cos因为：因为：功率因数取决于负载性质功率因数取决于负载性质cosPIU因此，若功率因数很小，就需要较大电流来保障电器因此，若功率因数很小，就需要较大电流来保障电器正常

10、工作，从而使损耗加大正常工作，从而使损耗加大变压器的额定值变压器的额定值有功功率有功功率：cosPUI 无功功率无功功率：在交流电路中，有些设备（变压器、电动：在交流电路中，有些设备（变压器、电动机等）在工作时产生交变磁场或者交变电场（电容），机等）在工作时产生交变磁场或者交变电场（电容），这种交变磁场和电场的能量并没有转换为其他能量而这种交变磁场和电场的能量并没有转换为其他能量而做功，还会返回给电源，只是在电网和电路的磁场和做功，还会返回给电源，只是在电网和电路的磁场和电场之间进行往复交换，所以称之为无功功率：电场之间进行往复交换，所以称之为无功功率：视在功率视在功率：有功功率、无功功率、视

11、在功率三者之间满足直角三角有功功率、无功功率、视在功率三者之间满足直角三角形关系：形关系：sinQUISUI222SPQ变压器的额定值变压器的额定值额定电压（额定电压（UN)UN)指变压器长期运行时所能承受的额定指变压器长期运行时所能承受的额定电压。单位为电压。单位为V V或或kVkV。 U1NU1N是指规定加到一次侧的电压，是指规定加到一次侧的电压， U2NU2N变压器一次侧加额定电压，二次侧空载时的二变压器一次侧加额定电压，二次侧空载时的二次端电压。次端电压。 对三相变压器，铭牌上的额定电压指线电压。对三相变压器，铭牌上的额定电压指线电压。额定电流额定电流(IN)(IN)指变压器在额定容量

12、下，允许长期通指变压器在额定容量下，允许长期通过的电流，三相变压器指的是线电流值。单位用过的电流，三相变压器指的是线电流值。单位用A A或或kAkA。额定频率（额定频率（HZ)HZ)电力变压器的额定频率是电力变压器的额定频率是50Hz50Hz变压器的额定值变压器的额定值变压器的额定值变压器的额定值单相变压器单相变压器三相变压器三相变压器NNNNNNIUSIUS2211NNNNNNIUSIUS221133变压器的额定值变压器的额定值空载空载指一次绕组接到电源，二次绕组开路。指一次绕组接到电源，二次绕组开路。变压器的空载运行变压器的空载运行 空载运行时的物理情况空载运行时的物理情况磁通与产生它的电

13、流之间符合右手螺旋定则；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。电动势与感应它的磁通之间符合右手螺旋定则。变压器的空载运行变压器的空载运行 空载运行时的物理情况空载运行时的物理情况1U0I01 0FN I原边接额定电压原边接额定电压 的电源，副边开路。的电源，副边开路。原边绕组电流原边绕组电流 为空载电流，产生空载励磁为空载电流，产生空载励磁磁势磁势 产生主磁通产生主磁通 和漏磁通和漏磁通0101主磁通主磁通流径闭合铁心，同时匝链了原边和流径闭合铁心，同时匝链了原边和副边绕组副边绕组, ,并感应出电势。是变压器传递能量并感应出电势。是变压器传递能量的主

14、要媒介的主要媒介原边绕组漏磁通原边绕组漏磁通，仅与原边绕组匝链，仅与原边绕组匝链，通过变压器油或空气形成闭路，不传递功率。通过变压器油或空气形成闭路，不传递功率。变压器的空载运行变压器的空载运行 空载运行时的物理情况空载运行时的物理情况变压器的空载运行变压器的空载运行 感应电动势分析感应电动势分析若若 u1 u1 随时间按正弦规律变化，则随时间按正弦规律变化，则 0 也按也按正弦规律变化，设：正弦规律变化，设： )90sin(cos)90sin(cossin.22022110110tNtNdtdNetNtNdtdNe感应应电动势瞬时值为为mtmmmmm磁通幅值主磁通mmmmmmfNfNEEfN

15、fNEE2222111144. 422/44. 422/有效值：有效值：变压器的空载运行变压器的空载运行 感应电动势分析感应电动势分析漏磁通感应的电动势漏磁通感应的电动势变压器的空载运行变压器的空载运行 电动势平衡方程电动势平衡方程一次侧：一次侧：mm的大小由外施的大小由外施电压、频率、电压、频率、一次绕组一次绕组匝数匝数决定。决定。变压器的空载运行变压器的空载运行 电动势平衡方程电动势平衡方程二次侧：二次侧：忽略电阻压降和漏磁电势，忽略电阻压降和漏磁电势， 则则U1E14.44fN1 m。 m mUU1 1即即：当外当外施电压施电压U1U1为定值，主磁通为定值，主磁通 m m也为一定值也为一

16、定值变压器的空载运行变压器的空载运行 电压变比电压变比NNUUUUNNEEK212012121变压器的空载运行变压器的空载运行 空载电流和空载损耗空载电流和空载损耗空载电流空载电流包含两个分量：包含两个分量：励磁分量励磁分量作用是建立主磁通，相位与主磁通相作用是建立主磁通，相位与主磁通相同，为无功分量。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涡流损耗），为有功分量。空载运行时从电源输入少量电功率入少量电功率 ，主要用来补偿铁心中的铁损耗。，主要用来补偿铁心中的铁损耗。 变压器空载运行时，只从电源吸

17、收少量有功变压器空载运行时，只从电源吸收少量有功功率功率P0，用来供给铁芯中铁损用来供给铁芯中铁损PFe和少量绕组铜和少量绕组铜损损R1I02 P0 = PFe + Pcu PFe变压器的空载运行变压器的空载运行 空载电流和空载损耗空载电流和空载损耗变压器的空载运行变压器的空载运行 空载时的等效电路空载时的等效电路等效电路等效电路将运行中的变压器的将运行中的变压器的电电和和磁磁之间的之间的相互关系用一个模拟电路的型式来等效相互关系用一个模拟电路的型式来等效1、漏抗电路模型、漏抗电路模型X1X1表示漏磁通对电路的影响，近似为常数表示漏磁通对电路的影响，近似为常数变压器的空载运行变压器的空载运行

18、空载时的等效电路空载时的等效电路2、励磁电路模型、励磁电路模型R Rm m励磁电阻，并非实质电阻、是为计算励磁电阻，并非实质电阻、是为计算铁损耗引进的模拟电阻。铁损耗引进的模拟电阻。XmXm励磁电抗，励磁电抗，是主磁通是主磁通引起的电抗引起的电抗ZmZm励磁阻抗励磁阻抗变压器的空载运行变压器的空载运行 空载时的等效电路空载时的等效电路 一次绕组电动势平衡方程一次绕组电动势平衡方程变压器的负载运行变压器的负载运行负载运行负载运行是指一侧绕组接额定频率、额定电压的是指一侧绕组接额定频率、额定电压的电源上，另一侧绕组接负载的运行状态。电源上，另一侧绕组接负载的运行状态。带负载带负载一次侧接电源一次侧

19、接电源1 1，二次侧接负载，二次侧接负载Z ZL L，此时二次侧流过电流此时二次侧流过电流i i2 2。一次侧电流不再是。一次侧电流不再是i i0 0， 而是变为而是变为i i1 1。负载后负载后二次侧电流产生磁势二次侧电流产生磁势F F2 2=N=N2 2i i2 2，该磁势，该磁势将力图改变磁通将力图改变磁通0 0，而磁通是由电源电压决，而磁通是由电源电压决定的，定的， 也就是说也就是说0 0基本不变。基本不变。要要维持维持0 0不变不变，一次绕组产生一个附加电流，一次绕组产生一个附加电流i i1L1Li i1L1L 产生磁势产生磁势N N1 1i i1L1L=N=N2 2i i2 2（与

20、二次磁动势相抵（与二次磁动势相抵消消）一次电流变为一次电流变为 i i1 1=i=i0 0+i+i1L1L总磁势总磁势 F F1 1+F+F2 2=N=N1 1i i1 1+N+N2 2i i2 2 产生产生0 0变压器的负载运行变压器的负载运行 状态分析状态分析变压器的负载运行变压器的负载运行 状态分析状态分析变压器的负载运行变压器的负载运行 磁动势平衡方程式磁动势平衡方程式因为：因为：F F1 1+F+F2 2=F=F0 0 N N1 1i i1 1+N+N2 2i i2 2=i=i0 0N N1 1 i i1 1=i=i0 0(-i(-i2 2/k)=i/k)=i0 0+i+i1L1L

21、变比：变比：K=NK=N1 1/N/N2 2 在满载时，在满载时，I I0 0只占只占I I1L1L的（的（2 28 8），固可将），固可将I I0 0忽略，则忽略，则 i i1 1=i=i0 0(-i(-i2 2/k) -i/k) -i2 2/k/k I I1 1/I/I2 2 N N2 2/N/N1 1 一、二次侧电流之比与匝数之比成反比。一、二次侧电流之比与匝数之比成反比。改变一、二次侧匝数不仅能变压，而且能变电流。改变一、二次侧匝数不仅能变压，而且能变电流。变压器的负载运行变压器的负载运行 电动势平衡方程电动势平衡方程一次侧一次侧 U1=-E1-E1+i1R1 =-E1+i1(R1+j

22、X1) = -E1+i1Z1 二次侧二次侧 U2=E2+E2-i2R2 =E2-i2(R2+jX2) = E2-i2Z2变压器的负载运行变压器的负载运行 变压器的等效电路变压器的等效电路变压器的等效电路变压器的等效电路：一个便于工程计算的单纯电：一个便于工程计算的单纯电路，代替无电路联系、但有磁路耦合作用的实路，代替无电路联系、但有磁路耦合作用的实际变压器，这个电路能正确反映变压器内部电际变压器，这个电路能正确反映变压器内部电磁过程。磁过程。获取该电路前提条件：进行绕组折算获取该电路前提条件：进行绕组折算 变压器的负载运行变压器的负载运行 折算折算绕组折算绕组折算就是把二次绕组的匝数变换成一次

23、绕组的匝就是把二次绕组的匝数变换成一次绕组的匝数或者将一次绕组的匝数变换成二次绕组的匝数来数或者将一次绕组的匝数变换成二次绕组的匝数来进行运算，使之成为进行运算，使之成为K=1K=1的变压器的变压器但不改变其电磁但不改变其电磁效应的一种分析方法，折算量在原符号加上标号效应的一种分析方法，折算量在原符号加上标号“ “ ”区别，折算后的值称为折算值。区别，折算后的值称为折算值。原则原则折算不改变实际变压器内部的电磁平衡关系。折算不改变实际变压器内部的电磁平衡关系。 即：即：1 1）保持二次磁动势）保持二次磁动势F2F2不变不变 2 2）保持二次侧各功率（或损耗）不变）保持二次侧各功率（或损耗）不变

24、变压器的负载运行变压器的负载运行 二次侧折算到一次侧二次侧折算到一次侧保持初级绕组匝数保持初级绕组匝数N N1 1不变设想有一个匝数为不变设想有一个匝数为N N 2 2 =N=N1 1的次级绕组，用它来取代原有匝数为的次级绕组，用它来取代原有匝数为N N2 2的次的次级绕组级绕组。满足变比：满足变比：k kN N1 1/N/N 2 21 1变压器的负载运行变压器的负载运行 二次侧折算到一次侧二次侧折算到一次侧1 1、二次电流的折算值、二次电流的折算值II2 2折算前后磁势应保持不变折算前后磁势应保持不变kINNINNIININI/212222222222当用当用N N 2 2N N1 1替代了

25、替代了N N2 2，其匝数增加了，其匝数增加了k k倍。倍。为保持磁势不变。次级电流减小到原来的为保持磁势不变。次级电流减小到原来的1 1k k倍。倍。变压器的负载运行变压器的负载运行 二次侧折算到一次侧二次侧折算到一次侧2 2、二次电动势的折算值、二次电动势的折算值EE2 2折算前后二次侧电磁功率应不变折算前后二次侧电磁功率应不变22222kEEIIE变压器的负载运行变压器的负载运行 二次侧折算到一次侧二次侧折算到一次侧二次电阻值的折算二次电阻值的折算RR2 2二次漏电抗的折算值二次漏电抗的折算值XX2 2折算前后铜耗应保持不变折算前后铜耗应保持不变2222222RkRIIR2222222x

26、kxIIx变压器的负载运行变压器的负载运行 二次侧折算到一次侧二次侧折算到一次侧二次电压的折算值二次电压的折算值UU2 2222222222222)(/kUIZEkkIZkkEIZEU变压器的负载运行变压器的负载运行 二次侧折算到一次侧二次侧折算到一次侧负载阻抗的折算值负载阻抗的折算值ZZL LLLZkkIkUIUZ22222/变压器的负载运行变压器的负载运行 等效电路等效电路变压器的负载运行变压器的负载运行 等效电路等效电路把励磁支路移至端点处。把励磁支路移至端点处。计算时引起的误差不大：计算时引起的误差不大：变压器的励磁电流变压器的励磁电流( (即空载电流即空载电流) )为额定电流的为额定

27、电流的2 2-10-10，（大型变压器不到，（大型变压器不到1 1）。）。变压器的负载运行变压器的负载运行 等效电路等效电路短路电阻短路电阻RS=R1+R2短路电抗短路电抗XS=X1+X2短路阻抗短路阻抗ZS=RS+jXS略去励滋电流略去励滋电流（支路）（支路）常用于定性分析常用于定性分析变压器的负载运行变压器的负载运行 变压器的运行特性变压器的运行特性电压变化率电压变化率：是指一次侧加：是指一次侧加50Hz50Hz额定电压、二次额定电压、二次空载电压与带负载后在某功率因数下的二次电空载电压与带负载后在某功率因数下的二次电压之差，与二次额定电压的比值，即压之差，与二次额定电压的比值，即 电压变

28、化率是表征变压器运行性能的重要指标之一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。它大小反映了供电电压的稳定性。NNNUUUUUUU2222220变压器的负载运行变压器的负载运行 变压器的运行特性变压器的运行特性)sincos(2*2*ssXRU式中式中NII22称为负载系数称为负载系数 由表达式可知，电压变化率的大小与负载大小、由表达式可知，电压变化率的大小与负载大小、负载性质及变压器的本身参数有关。负载性质及变压器的本身参数有关。变压器的负载运行变压器的负载运行 变压器的运行特性变压器的运行特性.,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*2U)(*2I1.001.01cos28 .0cos28 . 0)cos(2变压器的负载运行变压器的负载运行 变压器的运行特性变压器的运行特性.),(,22称为变压器的外特性即变化的规