第4章单相变压器

河南科技学院机电学院第4章单相变压器4.1变压器的结构与原理4.2单相变压器的空载运行4.6变压器的参数测定4.4变压器的运行特性4.5标幺值第4章单相变压器4.1变压器的结构与原理4.2单相变压器的空载运行4.6变压器的参数测定4.4变压器的运行特性4.5标幺值电机拖动4.3单相变压器的负载运行4.3单相变压器的负载运行第4章单相变压器河南科技学院机电学院

4.1变压器的工作原理

变压器是利用电磁感应原理，将某一数值交流电压或电流转为另一数值的交流电压或电流(相同频率)的电磁转换装置，是进行电能传递的静止电器。4.1.1变压器的应用及分类

1.变压器的应用作为电能传输或信号传输的装置，变压器在电力系统和自动化控制系统中得到了广泛的应用。（1）在电力系统中，变压器是电能输配的主要电气设备.。（2）在电子线路中，变压器还用来耦合、传递信号，并进行阻抗匹配。

（3）从节能方面考虑，用高压输电较为经济。

（4）从输电电压等级方面考虑，电网电压等级有35、110、220、500kV等，而发电机端电压因受绝缘及制造技术上的限制，远远不能达到这样高的电压等级。

（5）从用电安全、降低用电设备的绝缘等级及降低制造成本方面考虑，必须用降压变压器将输电线路上的高电压降低到配电系统的电压等级，然后再经过配电变压器将电压降低到用电器的额定电压以供使用。大型动力负荷一般采用3kV或6kV，而小型动力负荷采用380V，单相动力负荷和照明采用220V。

第4章单相变压器4.1变压器的工作原理4.1.1变压器的应用及分类

河南科技学院机电学院2.变压器的分类

容量小的只有几伏安，大的可达到数十万千伏安；电压低的只有几伏，高的可达几十万伏。如按变压器的用途来分类，几种应用最广泛的变压器为：(1)电力变压器：供输配电系统中升压或降压用的变压器，这种变压器在工矿企业中用得最多，是常见而又十分重要的电气设备，有单相和三相之分。(2)特殊电源用变压器：如电炉变压器、电焊变压器和整流变压器。(3)仪用互感器：供测量和继电保护用的变压器，如电压互感器和电流互感器。(4)试验变压器：供电气设备作耐压试验用的变压器，如做高压实验的高压变压器。

(5)调压器：能均匀调节输出电压的变压器，如自耦调压器。(6)控制用变压器。用于自动控制系统中的小功率变压器。4.1.2单相变压器的工作原理

变压器是转换交流电能的一种电气设备，它通过磁路的耦合作用将交流电从一次侧送到二次侧，利用一次侧和二次侧绕组（或相同，但一般是不同的）使二次侧输出的电压和电流等级与一次侧的不一样。如图4.1所示，两个绕组之间只有磁的耦合，而没有电的联系。

＋

u2－＋u1－i1i2Φ12一次绕组二次绕组

施加：u1→i1→N1

i1

1Φ

→e1e1e2u2→i2→N2i2→2→e

2

→L1→L2ZL第4章单相变压器4.1变压器的工作原理e2e2e1e1河南科技学院机电学院0106河南科技学院机电学院第4章单相变压器单相变压器0106河南科技学院机电学院第4章单相变压器变压器线圈4.1.2单相变压器的工作原理1.主磁通既交链一次绕组又交链二次绕组的磁通称为主磁通

,作用是把一次侧的能量传递到二次侧，是能量传递的媒介。主磁通的量值一般都很大。2.漏磁通

仅交链于自身绕组的磁通称为漏磁通，其作用是把电源或信号源的能量转换成磁能，储存在线圈中，然后再转换成电能返回去。漏磁通的量值一般相对主磁通小得多。3.工作原理根据电磁感应定律，在原、副边绕组便会感应出电动势，分别为：

电动势比为：，，若磁通、电动势均按正弦规律变化，用有效值之间的比值来表示，则k称为变压器的变比，也称为匝比。若不计铁心以及导线电阻损耗，根据能量守恒原理，可得则第4章单相变压器4.1变压器的工作原理河南科技学院机电学院＋

u2－＋u1－i1i2Φ12一次绕组二次绕组ZLe2e2e1e14.1.3变压器的结构铁心和绕组两个基本部分组成的器身，确保变压器运行安全的辅助器件。1.变压器器铁心

由硅钢片叠成或非晶合金制成。

2.绕组

绕组是能量转换的重要部件,用绝缘圆导线或扁导线绕成。3.其他

外壳、油箱、油、油枕、绝缘套管等。

12341432奇数层偶数层第4章单相变压器4.1变压器的工作原理河南科技学院机电学院0106

E形硅钢片

绝缘纸

I形硅钢片

纸板支架河南科技学院机电学院第4章单相变压器变压器铁心及绕组0106CD型铁心ED型铁心SD型铁心XCD型铁心铁心河南科技学院机电学院第4章单相变压器0106C型浇注立式变压器河南科技学院机电学院第4章单相变压器变压器绕组0106R型变压器大电流变压器河南科技学院机电学院第4章单相变压器0106壳式变压器磁心变压器河南科技学院机电学院第4章单相变压器0106插片式变压器磁心环形变压器河南科技学院机电学院第4章变压器0106电源变压器河南科技学院机电学院第4章单相变压器0106各种小型变压器河南科技学院机电学院第4章单相变压器铁心柱铁心柱铁轭铁轭11112222(1)心式变压器低压绕组高压绕组(a)单相心式变压器示意图(b)单相心式变压器示意图第4章单相变压器4.1变压器的工作原理4.1.3变压器的结构河南科技学院机电学院铁铁铁心轭柱轭1122

(2)单相壳式变压器

单相式壳变压器示意图河南科技学院机电学院第4章单相变压器特种变压器第4章单相变压器河南科技学院机电学院隔离变压器第4章单相变压器河南科技学院机电学院电源用变压器单相变压器第4章变压器河南科技学院机电学院3.其他

外壳、油箱、油、油枕、绝缘套管等。大容量变压器的器身放在盛有绝缘油的油箱中，这样的变压器称为油浸式变压器。

第4章单相变压器4.1变压器的工作原理4.1.3变压器的结构河南科技学院机电学院图4.4油浸式变压器外形图第4章单相变压器4.1变压器的工作原理河南科技学院机电学院4.1.4变压器的额定值(铭牌数据)1.变压器型号

按照国家标准规定，变压器的型号由汉语拼音字母和数字组成，表明变压器的系列和规格。如某变压器型号为SL7-1000/10，其中，S表示三相，L表示铝线，7表示第7次统一设计，1000表额定容量为1000kVA，10表示高压边额定电压为10kV。2.变压器铭牌数据（1）额定电压U1N/U2N指空载电压的额定值。即当U1=U1N时,U20=U2N，如铭牌上标注:电压10000/230V。三相变压器是指线电压。（2）额定电流I1N/I2N指满载电流值，即长期工作所允许的最大电流。三相变压器是指线电流。（3）额定功率（额定容量）SN

指视在功率的额定值。

单相变压器：SN=U2NI2N=U1NI1N

。三相变压器：

（4）额定频率fN

一般工频fN=50Hz。SN=√3U2NI2N=√3U1NI1N第4章单相变压器4.2单相变压器的空载运行4.2.1空载运行时的物理状况1.空载电流2.空载磁势（1）当铁心未饱和时如图4.6。＋

u2－＋u1－i0i2=0Φm1e2e1e1图4.5单相变压器空载运行原理图图4.6铁心未饱和时励磁电流和磁通波形河南科技学院机电学院（2）当铁心饱和时如图4.7。(a)磁通为正弦波，励磁电流为尖顶波

(b)励磁电流为正弦波，磁通为平顶波

图4.7当磁路饱和时励磁电流和磁通波形图第4章单相变压器4.2单相变压器的空载运行河南科技学院机电学院4.2.1空载运行时的物理状况3.感应电动势(1)主磁通感应电动势：设则有效值为有效值相量形式为(2)漏磁通感应电动势为一次侧绕组的漏电抗。4.电动势平衡方程式一次侧

二次侧第4章单相变压器4.2单相变压器的空载运行河南科技学院机电学院4.2.2空载运行等效电路1.空载时一次侧绕组电路图2.励磁电流相量图3.空载运行等效电路4.变压器恒磁通原理一次侧阻抗Z1一般是很小，即便是在额定运行时，I1NZ1也只占到U1的2%～6%，所以因此只要一次绕组所加电压U1不变，就可以认为Φm基本保持不变。即无论变压器工作在空载状态还是负载状态，其主磁通近似保持不变。图4.8空载时原边绕组电图图4.9励磁电流相量图图4.10空载等效电路图图4.11变压器空载运行时的等效电路图

第4章单相变压器河南科技学院机电学院4.3单相变压器的负载运行4.3.1磁动势平衡方程式励磁磁动势一次侧磁动势二次侧磁动势

恒磁通原理磁动势平衡方程式实质上应为

磁动势平衡方程式相量形式即可得

=励磁分量+负载分量4.3.2电动势平衡方程式＋

u2－＋u1－i1i2Φm12ZLe2e2e1e1第4章单相变压器河南科技学院机电学院图4.14单相变压器一次侧、二次侧电路图4.3.3等效电路的分析1.等效电路的等效条件

（1）磁动势平衡不能变;（2）能量平衡不能变。2.绕组折算

（1）电流折算磁平衡不变则（2）电动势与电压折算

（3）阻抗折算能量平衡不变。则即同理图4.15单相变压器二次侧等效电路图第4章单相变压器河南科技学院机电学院4.3.3等效电路的分析3.等效电路

（1）T形等效电路方便于电磁工作原理的分析。（2）Г型等效电路方便于变压器实际负载时粗略分析。

（3）近似等效电路方便负载性能分析。4.3.4单相变压器的相量图

图4.16单相变压器的T形等效电路图4.15单相变压器的Г形等效电路图图4.18单相变压器的近似等效电路图4.19单相变压器负载运行时的相量图第4章单相变压器河南科技学院机电学院4.4变压器的运行特性（外特性和效率特性）

U2

I2OU2Ncosφ2

=1cosφ2

=0.8(电感性)cosφ2=0.8(电容性)

I2N

U2图4.20变压器不同负载时端电压的变化率4.4.1变压器的外特性1.外特性当U1、cos2为常数时，U2=f(I2)。

2.变压器外特性的曲线3.变压器的调整率（变化率）一次侧施加额定电压，负载功率因数一定，变压器从空载到负载时，二次侧端电压之差(U20-U2)与额定电压U2N之比的百分值。以感性负载为例，，

－U2'I1=－

I2'2RkI1jXkI1U1N0abc图4.21变压器负载运行简化等效电路相量图4.影响变压器电压变化率的因素（1）变压器内部短路阻抗属于内因；（2）负载电流，即与成正比；（3）负载的性质，即功率因素，属于外因。

第4章单相变压器4.4变压器的运行特性河南科技学院机电学院4.4.2效率特性1.变压器的损耗（1）变压器的铁耗（2）变压器的铜耗2.变压器的输出功率

3.变压器的效率

输出的有功功率与输入的有功功率之比。

当不变损耗(铁耗)等于可变损耗(铜耗)时，具有最高效率。第4章单相变压器河南科技学院机电学院4.5标幺值4.5.1标幺值的定义指某一物理量的实际值与所选基值（具有相同量纲）之间的比值。即：标幺值=实际值/基值。基值一般选择为额定值。

（1）电压

（2）电流

（3）电抗，其中

（4）功率，4.5.2标幺值的应用特点1.直观表现变压器的运行状况2.根据标幺值判定变压器的性能是否正常3.方便绕组折算的分析4.方便实际运行中的计算低压侧高压侧

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