合肥工业大学顾绳谷《电机及其拖动基础》第三章ppt讲义

1、第三章第三章 变压器变压器第一节第一节 变压器的工作原理、分类及结构变压器的工作原理、分类及结构一、变压器的工作原理一、变压器的工作原理 变压器的主要部件变压器的主要部件铁心和套在铁心上的两个绕铁心和套在铁心上的两个绕组。两绕组只有磁耦合没电组。两绕组只有磁耦合没电联系。在一次绕组中加上交联系。在一次绕组中加上交变电压，产生交链一、二次变电压，产生交链一、二次绕组的交变磁通，在两绕组绕组的交变磁通，在两绕组中分别感应电动势。中分别感应电动势。tNeudd111tNeudd222机电系2111222UENkUENk匝比匝比忽略铁心中的损耗，根据能量守恒定律，有：忽略铁心中的损耗，根据能量守恒定律

2、，有：2211IUIU二、变压器的分类二、变压器的分类 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。按绕组数目分：单绕组（自耦）变压器、双绕组变压器、三绕组按绕组数目分：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。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：芯式变压器和壳式变压器。按铁心结构分：芯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

3、充气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。式变压器。 机电系3电源变压器电力变压器控制变压器接触调压器三相干式变压器机电系4三、变压器的结构简介三、变压器的结构简介铁心铁心变压器中主要的磁路部分，变压器中主要的磁路部分，分为铁心柱与铁轭两部分。分为铁心柱与铁轭两部分。 单相芯式变压器单相芯式变压器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低压线圈低压线圈机电系5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绕组绕组绕

4、组绕组变压器中的电路部分。变压器中的电路部分。 1 1低压绕组低压绕组 2 2高压绕组高压绕组交叠式绕组交叠式绕组机电系6油浸式电力变压器油浸式电力变压器1 1信号式温度计信号式温度计2 2吸湿器吸湿器3 3储油柜储油柜4 4油位计油位计5 5安全气道安全气道6 6气体继电器气体继电器7 7高压套管高压套管8 8低压套管低压套管9 9分接开关分接开关1010油箱油箱1111铁心铁心1212线圈线圈1313放油阀门放油阀门机电系7变压器的额定值变压器的额定值额定容量为变压器的视在功率（用额定容量为变压器的视在功率（用SN 表示，单位表示，单位 kVA ，VA）额定电压（一次和二次绕组上分别为额定

5、电压（一次和二次绕组上分别为U1N 和和U2N ，单位单位V, kV）额定电流（一次和二次绕组上分别为额定电流（一次和二次绕组上分别为I1N 和和I2N ，单位单位 A , kA）单相变压器单相变压器N2N2N1N1NIUIUS三相变压器三相变压器N2N2N1N1N33IUIUS额定频率额定频率fN 我国的规定为我国的规定为50Hz机电系8 例例3-13-1 有一台三相油浸自冷式铝线电力变压器，有一台三相油浸自冷式铝线电力变压器，AkV160NSkV4 . 0/kV35/2NN1UU试求一次、二次绕组的额定电流。试求一次、二次绕组的额定电流。解解：A64. 2A10353101603331NN

6、N1USIA9 .230A104 . 03101603332NNN2USIY,y0联结联结机电系9第第二节节 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变压器匝数为变压器匝数为N1的一次绕组加上的一次绕组加上交流电压，变压器匝数为交流电压，变压器匝数为N2的二的二次绕组开路，这种情况即为变压次绕组开路，这种情况即为变压器的空载运行。器的空载运行。一次绕组和二次绕组的电动势平衡方程式一次绕组和二次绕组的电动势平衡方程式110 1110111dd()()ddui reei RNNtt 2022ddueNt 其中，其中，i0 空载电流；空载电流；u20

7、二次绕组的空载电压；二次绕组的空载电压；r1 一次绕组的一次绕组的电阻。电阻。 主磁通；主磁通；1 一次绕组漏磁通。一次绕组漏磁通。机电系101 1、感应电动势与主磁通、感应电动势与主磁通空载运行时，忽略空载运行时，忽略i1R1和和e1 11eu sinmt 设：设：1111dsin(90 )sin(/2)dmmeNNtEtt 2222dsin(90 )sin(/2)dmmeNNtEtt 感应电动势感应电动势e1 和和e2 均滞后于均滞后于 的电角度的电角度90，其有效值为其有效值为mmmmfNfNNEE1111144. 42222mmmmfNfNNEE2222244. 42222E1和和E2

8、的相量表达式的相量表达式mfNE1144. 4 jmfNE2244. 4 j机电系112、空载电流、空载电流空载电流包含两个分量，一个是励磁分量，作用是建立磁空载电流包含两个分量，一个是励磁分量，作用是建立磁场，产生主磁通场，产生主磁通无功分量；另一个是铁损耗分量，作无功分量；另一个是铁损耗分量，作用是供变压器铁心损耗用是供变压器铁心损耗有功分量。有功分量。 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流主要是感性无功性质也称励磁电流；也称励磁电流；大小：与电源电压和频率、线圈匝数、磁路材质及几何尺寸有大小：与

9、电源电压和频率、线圈匝数、磁路材质及几何尺寸有关，用空载电流百分数关，用空载电流百分数I I0 0% %来表示：来表示：%100%N00III3、漏磁通和漏电抗、漏磁通和漏电抗漏电动势漏电动势E 1mIE1111jXmEI 漏电抗漏电抗X X1 是一次绕组的一个参数。是一次绕组的一个参数。机电系12二、空载运行时的电动势平衡方程式、二、空载运行时的电动势平衡方程式、相量图及等效电路相量图及等效电路1111111()()j()mmmUI REEI RI XE 11111(jX )()()mmIREI ZE 220EU1(jX )mmmmmEI ZIR其中，其中，Z 1 一次绕组漏阻抗一次绕组漏阻

10、抗 Zm 变压器的励磁阻抗变压器的励磁阻抗 Xm 变压器的励磁电抗变压器的励磁电抗 Rm 变压器的励磁电阻变压器的励磁电阻并且有并且有mmIEZ1FemmpRI22mmmXZR机电系13mmmmZIZIEZIU1111)(机电系14第第三节节 单相变压器的基本方程式单相变压器的基本方程式 变压器一次侧接在额定频率、额定电压的交流电源上，二次侧变压器一次侧接在额定频率、额定电压的交流电源上，二次侧接上负载的运行状态，称为负载运行接上负载的运行状态，称为负载运行。一、负载运行时的物理情况一、负载运行时的物理情况由于电源电压恒定，即由于电源电压恒定，即U1= =常数，则常数，则E1常数，常数，m常数

11、。因此，常数。因此，达到新的电动势平衡的条件是使一次绕组的电流增量所产生的磁动达到新的电动势平衡的条件是使一次绕组的电流增量所产生的磁动势与二次绕组电流所产生的磁动势相抵消，以维持主磁通基本不变，势与二次绕组电流所产生的磁动势相抵消，以维持主磁通基本不变，以及由主磁通所感应产生的电动势基本不变以及由主磁通所感应产生的电动势基本不变。02211NINI2121INNI机电系15二、负载运行时的基本方程式二、负载运行时的基本方程式1 1、磁动势平衡方程式、磁动势平衡方程式2 2、电动势平衡、电动势平衡 方程式方程式0)(22112211NINIININIm12211NININIm和漏电抗和漏电抗。

12、分别为一次和二次绕组的漏阻抗、电阻分别为一次和二次绕组的漏阻抗、电阻121212ZZRRXX、 、 、 、和mmZIE1111111111jUEI RI XEI Z222222222jUEI RI XEI Z1212/EENNk机电系16第四节第四节 变压器的等效电路及相量图变压器的等效电路及相量图一、绕组归算一、绕组归算归算：将变压器的二次（或一次）绕组用另一个绕组来等效，同时，归算：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。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。归算原则：归算原则：1 1）保持二次侧磁动势

13、不变；保持二次侧磁动势不变；2 2）保持二次侧各功率或损）保持二次侧各功率或损耗不变。耗不变。二次绕组归算后，变压器一次和二次绕组具有同样的匝数，即二次绕组归算后，变压器一次和二次绕组具有同样的匝数，即（一）电动势和电压的归算一）电动势和电压的归算12NN 则则221222ENNkENN22EkE 2020EkE 22UkU 机电系17（二）电流的归算（二）电流的归算22IIk （三）阻抗的归算（三）阻抗的归算阻抗归算的原则：归算前后电阻铜耗及漏感中无功功率不变。阻抗归算的原则：归算前后电阻铜耗及漏感中无功功率不变。222222I RI R22222222IRRk RI 222222IXI X

14、 22222222IXXk XI 归算后变压器负载运行时的基本方程式变为如下形式：归算后变压器负载运行时的基本方程式变为如下形式：mIII211111ZIEU2222ZIEU21EEmmZIE1机电系18二二 、等效电路、等效电路右图中，二次绕右图中，二次绕组各量均已经归组各量均已经归算到一次绕组，算到一次绕组，即即12NN 图中图中a、b和和c、d分别是等电位点，分别是等电位点，可连接起来而不改变运行情况。可连接起来而不改变运行情况。于是作出变压器的于是作出变压器的T形等效电路。形等效电路。（由前述的基本方程式也可得出（由前述的基本方程式也可得出该等效电路）该等效电路）12EE机电系19三三

15、 、相量图、相量图 根据根据T T形等效电形等效电路，可以画出相应路，可以画出相应的相量图。的相量图。四四 、近似等效电路图、近似等效电路图 Rk、Xk和和Zk分别称为短路电阻、短路电抗和短路阻抗。分别称为短路电阻、短路电抗和短路阻抗。机电系20第五节第五节 等效电路的参数测定等效电路的参数测定一、空载试验一、空载试验通过测量空载电流和一、二次电压通过测量空载电流和一、二次电压及空载功率来计算变比、空载电流及空载功率来计算变比、空载电流百分数、铁耗和励磁阻抗。百分数、铁耗和励磁阻抗。变压器空载运行时，可以认为输入功率变压器空载运行时，可以认为输入功率p0完全用来抵偿铁耗。完全用来抵偿铁耗。Fe

16、0pp 从空载运行的等效电路得出从空载运行的等效电路得出2210110()()mmUZRRXXImZZ 00mRR0mXX12UkU机电系21二、负载试验二、负载试验 （又称短路试验）（又称短路试验）通过测量短路电流、短路电压通过测量短路电流、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、铜损和短路阻路电压百分数、铜损和短路阻抗。抗。高压侧加电压，低压侧短路；由于外加电压很小，主磁通很少，铁高压侧加电压，低压侧短路；由于外加电压很小，主磁通很少，铁损耗很少，忽略铁损。损耗很少，忽略铁损。kkkUZI2kkkpRI222Cu1122kkkpI RpI RI R22kk

17、kXZR折算到折算到75时的数值时的数值075 C075kkTRRT2275 C75 CkkkZRX机电系22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（通常以额定值为基准值）比值（通常以额定值为基准值）, ,即即基准值实际值标么值 阻抗电压阻抗电压 负载试验时，当绕组中电流达到额定值，加负载试验时，当绕组中电流达到额定值，加在一次绕组上的短路电压。用一次侧额定电压的百分值表在一次绕组上的短路电压。用一次侧额定电压的百分值表示。示。1N175 C1N1N%100%100%kkkI ZUuUU阻抗电压阻抗电压的标么值

18、的标么值1N*175 C75 C75 C1N1N1N1NN/kkkkkkI ZZZUuZUUUIZ*kZ其中其中,为短路阻抗的相对值为短路阻抗的相对值机电系23第六节第六节 三相变压器三相变压器一、三相变压器的电路系统一、三相变压器的电路系统 联结组联结组1 1、联结法、联结法a)星形联结星形联结b)三角形联结三角形联结2 2、联结组、联结组a)I/I-0联结组联结组b)I/I-6联结组联结组机电系24Y y0 联结组联结组Yd11 联结组联结组机电系25二、三相变压器的磁路系统二、三相变压器的磁路系统 铁心的结构形式铁心的结构形式a)单相芯式铁心的合并单相芯式铁心的合并 b)铁心的演变铁心的

19、演变 c)c)三相芯式铁心三相芯式铁心 机电系26 不考虑铁耗时励不考虑铁耗时励磁电流波形确定磁电流波形确定三、三相变压器的电路系统和磁路系统对三、三相变压器的电路系统和磁路系统对电动势波形影响电动势波形影响励磁电流中无三次励磁电流中无三次谐波的主磁通波形谐波的主磁通波形机电系27 三相芯式变压器三相芯式变压器中三次谐波磁通中三次谐波磁通的路径的路径三相变压器绕组三相变压器绕组Y, d联结时，电流联结时，电流I23的作用的作用机电系28第七节第七节 变压器的稳态运行变压器的稳态运行1 1、变压器的电压调整率、变压器的电压调整率变压器二次侧的端电压随负变压器二次侧的端电压随负载变化的程度用电压调

20、整率载变化的程度用电压调整率u来表示。来表示。电压调整率电压调整率u规定为：一次规定为：一次侧加额定负载电压、负载功侧加额定负载电压、负载功率因数为一定值，空载与负率因数为一定值，空载与负载时二次侧端电压之差，用载时二次侧端电压之差，用二次侧额定电压的百分值表二次侧额定电压的百分值表示，即示，即%100%100%100N12N1N22N2N2220UUUUUUUUUu 变压器的近似等变压器的近似等效电路相量图效电路相量图机电系29电压变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。1N21N2

21、1Ncossin100%kkIRIXuU 式中式中 N11/ II为负载系数为负载系数 可见，电压变化率的大小与负载大小、性质及变压器的本身可见，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。参数有关。当I2=I2N, =1时)(2fu机电系302 2、变压器的效率、变压器的效率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。铁耗包括基本铁耗和附加铁耗。基本铁耗为磁滞损耗和涡流损耗。铁耗包括基本铁耗和附加铁耗。基本铁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

22、中引起的涡流损耗等。铁耗与外加电压大小有关，而与在结构部件中引起的涡流损耗等。铁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。负载大小基本无关，故也称为不变损耗。 铜耗也分基本铜耗和附加铜耗。基本铜耗是在电流在一、二次铜耗也分基本铜耗和附加铜耗。基本铜耗是在电流在一、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。漏磁场在结构部件中引起的涡流损耗等。铜耗大小与负载电流平方铜耗大小与负载电流平方成正比，故也称为可变损耗。成正比，故也称为可变损耗。 变压器的效率也是指其输出的有功功率与输入的有功功率之比，变压器的效率也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。%10012PP机电系31式中式中%100)1 (%100)1 (%100%100211112pPpPpPpPPPCuFeppp机电系32第八节第八节 自耦变压器与互感器自耦变压器与互感器一、自耦变压器一、自耦变压器 自耦变压器仅有一个绕组，其一次、自耦变压器仅有一个绕组，其一次、二次绕组之间既有磁的耦合，又有电二次绕组之间既有磁的耦合