电机与拖动第3章变压器

1、3 31 1 变压器的结构和基本工作原理变压器的结构和基本工作原理3 32 2 单相变压器的空载运行单相变压器的空载运行3 33 3 单相变压器的负载运行单相变压器的负载运行3 34 4 变压器的参数测定变压器的参数测定3 35 5 标么值标么值3 36 6 变压器的工作特性变压器的工作特性3 37 7 三相变压器三相变压器变压器是一种静止的电气设备， 根据电磁感应原理，将一种形态（电压、电流、相数）的交流电能， 转换成另一种形态的交流电能。 变压器的主要结构：铁心和绕组。铁心是变压器的磁路部分；绕组是变压器的电路部分。3 31 1 变压器的结构和基本工作原理变压器的结构和基本工作原理铁心通常

2、用0.35mm厚表面涂有绝缘漆的硅钢片冲成一定的形状叠制而成。心式变压器迭片奇数层偶数层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绕组绕组电源变压器电力变压器环形变压器接触调压器控制变压器环形矩形E型干式油浸式变压器的额定值变压器的额定值单相变压器单相变压器N2N2N1N1NIUIUS三相变压器三相变压器N2N2N1N1N33IUIUS额定电压额定电压U U1N1N/U/U2N2N:U:U1N1N是电源加到原绕组上的额定电压，是电源加到原绕组上的额定电压，U

3、U2N2N是原边绕组加上额定电压后副边开路即空载时副绕组的是原边绕组加上额定电压后副边开路即空载时副绕组的端电压。端电压。( (三相变压器是指线电压三相变压器是指线电压) ) 额定电流额定电流I I1N1N、I I2N2N：变压器额定容量分别除以原、副边：变压器额定容量分别除以原、副边额定电压所计算出来的线电流值。额定电压所计算出来的线电流值。 额定频率：按我国规定，工业用电额定频率：按我国规定，工业用电50Hz50Hz。额定容量额定容量SN：额定工作状态下的视在功率，用伏安（：额定工作状态下的视在功率，用伏安（VA）等表示。等表示。tNedd11tNedd22变压器的工作原理变压器的工作原理

4、正方向规定：正方向规定：（1）同一支路，电压、电流正方向一致；）同一支路，电压、电流正方向一致；（2）磁通量正方向与电流正方向符合右手螺旋关系；）磁通量正方向与电流正方向符合右手螺旋关系；（3）由交变磁通量产生的感应电动势正方向与产生该磁通量的）由交变磁通量产生的感应电动势正方向与产生该磁通量的电流正方向一致，并有电流正方向一致，并有 的关系。的关系。tNedd3 32 2 单相变压器的空载运行单相变压器的空载运行一、空载运行时的物理情况一、空载运行时的物理情况空载运行：变压器匝数为空载运行：变压器匝数为N1的原边绕组加上交流电压，变压器的原边绕组加上交流电压，变压器匝数为匝数为N2的二次绕组

5、开路。的二次绕组开路。 主磁通；主磁通；1 原边绕组漏磁通。原边绕组漏磁通。i0 空载电流；空载电流；u20 二次绕组的空载电压二次绕组的空载电压tNedd111tNedd11tNeudd2220漏磁通感应的电动势漏磁通感应的电动势漏电动势漏电动势tNedd1111011011iNRiNtiLtiNedddd010121110011XI jILjE11LX原边漏电抗原边漏电抗由于漏磁通主要经过非铁磁路径由于漏磁通主要经过非铁磁路径, ,磁路不饱和磁路不饱和, ,故磁阻很大且为常故磁阻很大且为常数数, ,所以漏电抗所以漏电抗 很小且为常数很小且为常数, ,它不随电源电压负载情况而变它不随电源电压

6、负载情况而变. .表征漏磁通对电流的电磁效应表征漏磁通对电流的电磁效应,与匝数和几何尺寸有关与匝数和几何尺寸有关.1X漏电感电动势与电流同频率，相位上落后I0 900。感应电动势与主磁通感应电动势与主磁通原边绕组和副边绕组的电动势平衡方程式原边绕组和副边绕组的电动势平衡方程式tNtiLritNtNrieeriudddddddd)()(101101111011101tNeudd2220tmsin设：设：)90 sin()90 sin( cos ) sin(01011111tEtNtNtdtdNdtdNemmmm当主磁通按正弦规律变化时，原绕组中感应电动势也按正弦规律变化， 但相位比主磁通落后90

7、0。)2/sin(11tEem1112 fNNEm11144. 42fNEEm1144. 4 jfNE)2/sin(22tEem2222 fNNEm22244. 42fNEEm2244. 4 jfNE变比变比NNUUUUNNEEk2120121211）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。0i1110i结论：mNfjEU111144. 4空载时，漏阻抗压降小，空载时，漏阻抗压降小， 4）主磁通大小， 取决于电网电压、频率和匝数。空载电流空载电流t0i3211230i1 1、波形、波形( (不

8、考虑铁耗不考虑铁耗) )（1 1）当磁通按正弦规律）当磁通按正弦规律变化时，空载电流呈尖顶变化时，空载电流呈尖顶波形。波形。（2 2）当空载电流按正弦规）当空载电流按正弦规律变化时，主磁通呈平顶律变化时，主磁通呈平顶波形。波形。（3）实际空载电流不是正弦波，但为）实际空载电流不是正弦波，但为了分析、计算和测量的方便，在相量了分析、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图和计算式中常用正弦的电流代替实际的空载电流。际的空载电流。考虑铁耗考虑铁耗( (需用磁滞回线，见需用磁滞回线，见p82p82 图图3-8)3-8)hiii0Fe0III220FeIII空载电流空载电流 i0磁化

9、电流磁化电流i无功分量无功分量铁耗电流铁耗电流Fei 有功分量有功分量i与与 同相位，即滞后于电压同相位，即滞后于电压 9090 1euhi超前超前 9090 ，即与电压，即与电压 u u同相同相. . IFeIm0I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质也称励磁电流；也称励磁电流；空载运行时的电动势平衡方程空载运行时的电动势平衡方程)()(11101eeriu10111RIEEU011101011IZEXI jRIEUZ Z1 1原边漏阻抗原边漏阻抗空载电流仅为空载电流仅为（28）IN，忽略漏阻

10、抗压降忽略漏阻抗压降11144.4fNjEU可见，影响主磁通可见，影响主磁通 大小的因素有电源电压大小的因素有电源电压 、电源频率、电源频率 和一次侧线圈匝数和一次侧线圈匝数 。1U1f1N五五 空载运行时的等效电路空载运行时的等效电路)j(001mmmxrIZIE01101011)()(IjXRIjXRZIEUmm等值电路综合了空载时变压器内部的物理情况， 在等值电路中r1、x1是常量；rm、xm是变量， 它们随铁心磁路饱和程度的增加而减少。六六 变压器变压器空载运行时的相量图空载运行时的相量图（1 1）以）以 为参考相量为参考相量1E（3 3） 滞后滞后09021,EE1001,XI jI

11、R（4 4）1U（5 5）（2 2） 与与 同相，同相， 超前超前 ，090FeIIFe0IIIm0I1E1E2E10XI j01IR1UFeII3 33 3 单相变压器的负载运行单相变压器的负载运行11IR11E22IR22E1U1I2I2U111INF222INF21FFFmm1E2E一一 负载运行时的电磁关系负载运行时的电磁关系变压器一次侧接在额定频变压器一次侧接在额定频率、额定电压的交流电源率、额定电压的交流电源上，二次接上负载的运行上，二次接上负载的运行状态，称为负载运行。状态，称为负载运行。二二 负载运行时的基本方程负载运行时的基本方程1 1、磁动势平衡方程、磁动势平衡方程21FF

12、Fm111INF222INFmmINF1mINININ12211LmmIIkII12)(2121)(INNIIm忽略了漏阻抗压降， 主磁通 不变。从空载到负载，原边绕组电流 增加一个分量 以平衡副边绕组的作用。11EUm1ILI1原边绕组从电网吸收的功率传递给副边绕组。 副边绕组电流增加或减小的同时，引起原边电流的增加或减小，吸收的功率也增大或减小。2 2、电动势平衡方程、电动势平衡方程111111111ZIEXI jRIEU22222RIEEULZIU2222222222ZIEXI jRIEZ Z2 2副边漏阻抗副边漏阻抗综合分析， 变压器稳态运行时的六个基本方程式LmmZIUZENININ

13、IkEEZIEUZIEU221122112122221111mI各电磁量之间同时满足这六个方程利用 ，k，Z1，Z2，Zm，ZL求解出 ， ， 。1U1I2I2U.变压器的基本方程3 3、变压器的折算、变压器的折算折算：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。变。目的：用一个等效的电路代替实际的变压器。目的：用一个等效的电路代替实际的变压器。折算原则：折算原则：1 1）保持二次侧磁动势不变；保持二次侧磁动势不变；2

14、 2）保持二次侧各功率和）保持二次侧各功率和损耗不变。损耗不变。实际绕组的各个量，称为实际值；假想绕组的各个量，称为折算值；保持副边绕组的磁势不变进行折算， 称为副边向原边折算；保持原边绕组的磁势不变进行折算， 称为原边向副边折算。3 3、变压器的折算、变压器的折算（1）电流折算）电流折算磁动势保持不变磁动势保持不变2212NINIkII22（2）电动势折算）电动势折算 视在功率保持不变视在功率保持不变2222IEIE22kEE22KUU （3）电阻折算）电阻折算 损耗保持不变损耗保持不变222222RIRI副边绕组电阻副边绕组电阻222RKR 副边负载电阻副边负载电阻LLRKR23 3、变压

15、器的折算、变压器的折算（4）阻抗折算）阻抗折算无功功率保持不变无功功率保持不变222xKx222222xIxI副边绕组阻抗副边绕组阻抗负载阻抗负载阻抗LLxKx2折算后的方程式折算后的方程式111111111ZIEXI jRIEU222222222ZIEXI jRIEUmIII2112EE)(1mmmmmjXRIIZELZIU224 4、等效电路（变压器稳态对称运行状态）、等效电路（变压器稳态对称运行状态）T T型等效电路：型等效电路：近似等效电路近似等效电路简化的等效电路简化的等效电路21211)(UZIUjXRIUkkk21RRRk21XXXk21ZZjXRZkkk短路电阻短路电阻短路电抗

16、短路电抗短路阻抗短路阻抗 由简化等效电路可知，短路阻抗起限制短路电流的作用，由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，所以变压器的短路电流值较大，一般可达额于短路阻抗值很小，所以变压器的短路电流值较大，一般可达额定电流的定电流的10201020倍。倍。空载运行时， 不能用简化的等值电路。空载试验可以测出变压器的励磁参数。为了便于测试和安全， 空载试验在低压侧施加电压。 在不同的电压下， 分别记录I和P。空载运行时，总阻抗)()(2222220mmmjxrjxrZZZ2222,xxrrmm所以mZZ20激磁参数：2222m2m2002012Z x; ;mmmrIpr

17、IUZ注意：激磁参数与磁路的饱和度有关， 为使测出的参数符合变压器实际运行， 额定电压点必测。 同时注意折算。3 34 4 变压器的参数测定（空载试验和短路试验）变压器的参数测定（空载试验和短路试验）1 空载试验空载试验NUU21为了便于测试， 短路试验常在高压侧加电源电压，低压侧直接短路。 试验电压从零开始逐渐增加， 短路电流在01.3倍额定电流范围内变化。 短路试验时， 外施电压低，相应主磁通铜小， 铁耗、激磁电流不计， 用简化的等效电路来分析。 2221 ; ;kkkkkkkkrZxIprIUZ参数计算：参数与温度有关，短路试验时温度与实际运行时不同， 需折算。2275ck7575000

18、 Z,5 .234755 .234kckkckxrrr铜线：2 短路试验短路试验短路试验时， 绕组电流达到额定值时， 加于原绕组的电压为UkI1NZk， 此电压称为变压器的阻抗电压或短路电压。 阻抗电压的大小用百分比来表示：%100%100175110NckNNkkUZIUUu阻抗电压的大小反映了变压器在额定负载下运行时漏阻抗压降的大小。从运行观点来看， 阻抗电压小， 代表输出电压受负载变化的影响小。 一般为410.5%. 3 短路电压短路电压阻抗电压的有功分量和无功分量在工程计算中， 各物理量（电压、电流、功率等）除采用实际值来表示和计算外， 有时用这些物理量与所选定的同单位的基值之比，即所

19、谓的标么值表示。用“*”表示。 标么值的认识：（1）标么值是两个具有相同单位的物理量（实际值和选定的固定值）之比， 没有量纲。（2）选定基值时， 对于电路计算U、I、Z和S中， 两个量的基值是任意选定， 其余两个量的基值根据电路的基本定律计算。 （3）功率的基值是指视在功率的基值， 同时也是有功和无功功率的基值。 阻抗基值也是电阻和电抗的基值。（4）计算单台变压器时， 通常以变压器的额定值作为基值。 3-5 变压器的标么值变压器的标么值标么值的优点：（1）不论变压器的容量大小， 标么值表示的各参数和典型的性能数据， 通常都在一定的范围， 便于比较和分析； 如 %52 %;103*0*IZk（2

20、）用标么值表示，归算到原边和副边的变压器参数恒相等。 换言之，用标么值计算时不需要折算。*21212222222*2/rUrIkUrkkIUrIrNNNNNN（3）某些物理量的标么值具有相同的数值， 简化了计算kkNkNkNkuUUUUZIZ*（4）可通过标么值判断运行情况。 6 . 0 ; 0 . 1*1*1II3 36 6 变压器的工作特性变压器的工作特性表征变压器运行特性的主要指标：表征变压器运行特性的主要指标：1 1 变压器副边端电压的变化率变压器副边端电压的变化率反映供电电压的稳定性反映供电电压的稳定性2 2 变压器的效率变压器的效率反映变压器运行的经济性能的好坏反映变压器运行的经济

21、性能的好坏一一 电压变化率（调整率）电压变化率（调整率）u原边施加额定频率的额定电压、负载功率因数为一定值时，副原边施加额定频率的额定电压、负载功率因数为一定值时，副边空载与负载时端电压之差，用副边额定电压的百分值表示，边空载与负载时端电压之差，用副边额定电压的百分值表示，即即%100%100%100N12N1N22N2N2220UUUUUUUUUu计算计算电压变化率电压变化率u%100sincosN12N12N1UXIRIukk额定负载下相量图额定负载下相量图%100N12N1UUUu电压变化率（调整率）电压变化率（调整率）u%100sincosN12N12N1UXIRIukk%100)si

22、ncos(2*2*kkXR感性负载：感性负载：020cos20sin20u容性负载：容性负载：020cos20sin2且且kkRX 2N12N1sincoskkXIRI0u若变压器不在额定负载下运行时，若变压器不在额定负载下运行时，%100)sincos(2*2*kkXRuNNIIII1122负载系数负载系数电压变化率的大小与负载大小、性质及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。变压器的本身参数有关。%100N22N2UUUu二二 变压器的外特性变压器的外特性定义：当定义：当 ， 为常数时，为常数时， 的关系为变压器的关系为变压器的外特性。的外特性。NUU112cos)(22

23、IfU三三 变压器的效率特性变压器的效率特性1 1、变压器的损耗、变压器的损耗变压器的损耗主要是铁耗和铜耗两种。变压器的损耗主要是铁耗和铜耗两种。铁耗铁耗基本铁耗基本铁耗磁滞损耗和涡流损耗磁滞损耗和涡流损耗附加铁耗（很难精确计算）附加铁耗（很难精确计算）铜耗铜耗基本铜耗基本铜耗原、副边绕组电阻上的损耗原、副边绕组电阻上的损耗附加铜耗附加铜耗与外加电压大小有关，与负载大小基与外加电压大小有关，与负载大小基本无关，故也称为不变损耗本无关，故也称为不变损耗空载实验测得空载实验测得与负载电流平方成正比，故也称为与负载电流平方成正比，故也称为可变损耗。可变损耗。短路实验测得短路实验测得三三 变压器的效率

24、特性变压器的效率特性2 2、变压器的效率、变压器的效率 变压器的效率是指其输出的有功功率与输入的有功功率之比，变压器的效率是指其输出的有功功率与输入的有功功率之比，用百分值表示。用百分值表示。%100)1(%100)1(%1002112pPpPpPP式中式中CuFeppp22220)(DDNCuFePPIIpPp1111cosIUP 2222cosIUP 22*22222coscosNNNIIUIU2cosNSu很小很小三三 变压器的效率特性变压器的效率特性%100cos120220DNDPpSPp0max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变压器效率的大小与负载的大小、功率

25、因数及变压器本身参数有关。有关。效率特性：在功率因数一定时，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变压器的效率与负载电流之间的关系关系=f(),称为变压器的效率称为变压器的效率特性。特性。当铜损耗等于铁损耗当铜损耗等于铁损耗( (可变损耗等于可变损耗等于不变损耗不变损耗) )时时, ,变压器效率最大。变压器效率最大。课堂练习课堂练习一台单相变压器，额定值为一台单相变压器，额定值为SN50KVA，U1N/U2N=7200/480V，f=50Hz，其空载、短路实验数据见其空载、短路实验数据见下表：下表：试求试求（1）短路参数）短路参数Rk，Xk，ZK； （2）空载和满载时的铜耗、

26、铁耗；空载和满载时的铜耗、铁耗； （3）额定负载电流、功率因数）额定负载电流、功率因数 （滞后）（滞后）时的电压变化率、副边电压及效率。时的电压变化率、副边电压及效率。实验名称实验名称 电压电压/V 电流电流/A 功率功率/W 电源加压边电源加压边空载空载4805.2245低压边低压边短路短路1577615高压边高压边9 . 0cos2晶体管功率放大器对负载来说相当于一个交流信号电压源，晶体管功率放大器对负载来说相当于一个交流信号电压源，若其等效电动势为若其等效电动势为Es=5.2V,等效内阻为等效内阻为Rs=150 ,现将阻值为现将阻值为8 的扬声器按下述两种方式与放大器相连，试求扬声器所获

27、得的的扬声器按下述两种方式与放大器相连，试求扬声器所获得的功率。（功率。（1）扬声器直接与放大器连接；（）扬声器直接与放大器连接；（2）扬声器通过一台）扬声器通过一台电压比为电压比为5的单相降压变压器与放大器连接；（的单相降压变压器与放大器连接；（3）若要使扬声）若要使扬声器获得最大功率，应采用多大变比的变压器？器获得最大功率，应采用多大变比的变压器？3 37 7 三相三相变压器变压器三相变压器在对称三相负载下运行时，可使用单相变压器三相变压器在对称三相负载下运行时，可使用单相变压器的基本方程、等效电路和相量图进行分析。的基本方程、等效电路和相量图进行分析。一一 三相变压器的绕组联接法和联接组

28、三相变压器的绕组联接法和联接组电路系统电路系统1 1 绕组联接法绕组联接法/),(/YdDYYY0Y有中线有中线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AXA,B,C(U1,V1,W1)X,Y,Z(U2,V2,W2)O低压低压绕组绕组axa,b,c(u1,v1,w1)x,y,z (u2,v2,w2)o变压器的端头标号变压器的端头标号一一 三相变压器的绕组联接法和联接组三相变压器的绕组联接法和联接组2 2 三相变压器的联接组三相变压器的联接组（1 1）单相变压器的极性）单相变压器的极性b) I/I-6a) I/I-12（0）I/I表示原、副边均为

29、单相绕组表示原、副边均为单相绕组2 2 三相变压器的联接组三相变压器的联接组向量图法：1感应电势首端指向末端2以原边为基准，用同名端来确定副边感应电势的方向3若AX与ax同相，让a与A重合，且EAX与Eax在一条线上4若若AX与ax不同相，a与A点重合，将副边向量图平移保持各相与原边平行关系不变5以EAX为12点，查看Eax指向几点2 2 三相变压器的联接组三相变压器的联接组（2 2）三相变压器的联接组）三相变压器的联接组联接组：反映三相变压器连接方式及原、副边线电动势（或线联接组：反映三相变压器连接方式及原、副边线电动势（或线电压）的相位关系。例如：电压）的相位关系。例如：Y/Y-12对于对

30、于Y/ /Y（或或D/D）连接，可以得到连接，可以得到0、2、4、6、8、10等等六个偶数组别；六个偶数组别；Y/d（或或D/ Y ）连接，可以得到连接，可以得到1、3、5、7、9、11等六个等六个奇数组别。奇数组别。国家标准规定，国家标准规定，Y/ Y 12、Y/ D 11、Y0/ D 11、Y0/Y12和和Y/ Y 12连接组为三相双绕组电力变压器的标准连接组连接组为三相双绕组电力变压器的标准连接组别。别。二二 三相变压器的磁路系统三相变压器的磁路系统1W2Ww1V2Vv1U2Uu1 1 组式磁路变压器组式磁路变压器特点：三相磁路彼此无关联。特点：三相磁路彼此无关联。2 2 芯式磁路变压器

31、芯式磁路变压器1U2U1u2u1V2V1v2v1W2W1w2wuvw特点：三相磁路彼此有关联。特点：三相磁路彼此有关联。三三 三相变压器绕组联接法和磁路系统对电动势波形的影响三相变压器绕组联接法和磁路系统对电动势波形的影响若励磁电流若励磁电流按正弦变化按正弦变化则磁通为平顶波则磁通为平顶波若磁通若磁通 按正弦变化按正弦变化则励磁电流为尖顶波则励磁电流为尖顶波三三 三相变压器绕组联接法和磁路系统对电动势波形的影响三相变压器绕组联接法和磁路系统对电动势波形的影响1 Y/Y联接的三相变压器联接的三相变压器1W2Ww1V2Vv1U2Uu1311311111eedtdNdtdNdtdNe23213212

32、12eedtdNdtdNdtdNe111144. 4mfNE3113344. 4mfNE相电动势的最大值升高很多，可能击穿绕组绝缘，线电相电动势的最大值升高很多，可能击穿绕组绝缘，线电动势为正弦波。因此，三相组式变压器不采用动势为正弦波。因此，三相组式变压器不采用Y/YY/Y连接。连接。1 Y/Y联接的三相变压器联接的三相变压器三三 三相变压器绕组联接法和磁路系统对电动势波形的影响三相变压器绕组联接法和磁路系统对电动势波形的影响3 3不能在铁心中流过，只能借助油和油箱壁等形成回路，不能在铁心中流过，只能借助油和油箱壁等形成回路，磁路磁阻很大，磁路磁阻很大， 3 3很小，很小， 基本为正弦波，感应电动势基本为正弦波，感应电动势 e e 也基本为正弦波也基本为正弦波 。但通过油箱壁时将产生涡流损耗，造。但通过油箱壁时将产生涡流损耗，造成局部过热，降低变压器的效率，因此，容量大于成局部过热，降低变压器的效率，因此，容量大于18001800kVAkVA时，不宜采用心式时，不宜采用心式Y Y，y y连接。连接。三三 三相变压器绕组联接法和磁路系统对电动势波形的影响三相变压