自动化元件-05变压器1

第三章变压器

用途、工作原理及结构

变压器运行三相变压器和特殊变压器一、变压器的用途变压器是一种静止电机，利用电磁感应原理，将一种电压等级的交流电能变换为同频率的另一种电压等级的交流电能。第一节用途、工作原理及结构二、变压器的工作原理

变压器的主要部件是铁心和套在铁心上的两个绕组。如果在一次绕组中施加交变电压，在磁路中将产生交变磁通，该磁通交链一、二次绕组，分别在两绕组中产生感应电动势。

如果不计一、二次绕组的内阻以及铁耗，切不计漏磁通，则耦合系数kc=1（理想变压器）。根据电磁定律，可写出电动势平衡方程式：变压器变比，改变匝数比即可改变电压。电炉变压器整流变压器电焊变压器电压互感器电流互感器降压变压器升压变压器电力变压器特殊变压器仪用互感器用途心式变压器壳式变压器单相变压器三相变压器铁心结构相数双绕组变压器三绕组变压器绕组数目多绕组变压器自耦变压器油浸式变压器干式变压器冷却方式充气式变压器三、变压器的分类四、变压器的基本结构⒈铁心

变压器的主磁路，为了提高磁路导磁性能和减少铁耗，通常用0.35mm或0.5mm厚、表面涂有绝缘漆的硅钢片叠装而成。

铁心分为铁心柱：铁心柱上套装有绕组。铁轭：形成闭合磁路。

铁心结构的基本形式分为：心式和壳式两种。单相心式变压器心式：铁轭靠着绕组的顶面和底面。而不包围绕组侧面，结构简单，装配及绝缘容易，国产变压器大多采用心式结构。（电力变压器常采用的结构）

单相壳式变压器壳式：铁轭包围绕组的顶面和底面，也包围侧面，这种结构机械强度较好，但制造工艺复杂，用材料较多。⒊其他结构部件油浸式变压器还有油箱（包括散热器或冷却器）、绝缘套管、储油柜、吸湿器、安全气道、净油器和气体继电器等。⒉绕组变压器的电路部分，一般用漆包线或绝缘纸包的扁铜线绕制而成。可分为同心式和交叠式两类。同心式：高低压绕组同心的套在铁心柱上。为便于绝缘，一般低压绕组在里面高压绕组在外面。交叠式：高低压绕组互相交叠放置，为便于绝缘，上下两组为低压。中等容量油浸式电力变压器的外形结构1－铁心2－高压绕组3－低压绕组4－散热器5－油箱6－高压套管7－低压套管8－变压器油

油浸式电力变压器大容量电力变压器五.变压器的额定值⑴额定容量SN：指变压器的视在功率。对三相变压器指三相容量之和。以伏安（VA）千伏安（kVA）单位。⑵额定电压UN：一次侧额定端电压为一次侧额定电压，二次侧指一次侧加额定电压时二次侧的空载电压。三相变压器指的是线电压。以伏（V）千伏（kV）单位。⑶额定电流IN：以SN

和UN计算出来的线电流值，即为额定电流。

此外，额定值还有额定频率、效率、温升等。额定值通常标注在铭牌上。一次侧接额定电压U1N，二次侧开路的运行状态称为空载运行（i2=0）。第二节变压器的空载运行N1N2φ1σ2e一、空载运行物理状况一次侧绕组中的电流为空载电流（激磁电流），磁势为励磁磁势。主磁通：以铁心为磁路（主磁路），同时与一次绕组和二次侧绕组

交链，并在两个绕组中产生电势

和

，是传递能量的主要媒介，属于工作磁通。漏磁通：仅与一次绕组匝链，通过油或空气形成闭路，属于非工作磁通。二、变压器中各量正方向的规定变压器的一次绕组相当于用电电器，按用电惯例（发动机惯例）规定各量的正方向：

i0的正方向与产生它的电源电压u1正方向相同；i0产生的磁通正方向Φ和Φσ1与i0符合右手螺旋定则；e和Φ正方向也符合右手螺旋定则，即

e1与i0同方向:一次绕组的电压方程式:

变压器二次绕组对外相当于电源，按发电惯例（发电机惯例）规定各量的正方向：与符合右手螺旋定则；

正方向与

正方向一致；

输出电压

的正方向与

相同。空载时:三、磁通及感应电势（1）磁通（

）假定磁通是正弦量：（2）原绕组感应电势：

幅值：有效值：（3）原绕组漏感电势：由于漏磁通路径由非铁磁材料组成，导磁系数恒定，所以漏磁链与电流成正比。

为原绕组漏感系数，简称漏感。

有效值：幅值：假设则原绕组漏感电势可表示为

为原绕组漏电抗，简称漏抗，常数。

有效值：（4）副绕组感应电势（5）向量表示：

有效值：幅值：一次绕组和二次绕组感应电势之比：空载时，和很小，，。二次绕组无电流，，，因此有：一次绕组和二次绕组电压比等于匝数比。

（6）变压器变比

三.电势平衡方程式

原绕组：电压瞬时值方程写出相量形式：

为原绕组漏阻抗，为常数。

因、和都很小，分析中可忽略，因而有：

副绕组：

四.空载电流

空载电流I0由两个分量组成：一个是建立磁场的无功分量，称为磁化电流Iµ；一个是克服变压器损耗的有功分量，包括铁心铁耗（磁滞和涡流）和原绕组铜耗（一般可忽略），将这部分分量称为铁耗电流IFe。

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——也称励磁电流Im。电力变压器空载电流只占额定电流的（0.5～5）%，随着容量增大，空载电流相对越小。空载电流中磁化电流一般比铁耗电流约大10倍。

忽略铁心损耗时空载电流空载电流i0为建立铁芯主磁通的磁化电流iµ，由于反映铁芯材料磁化性能的是平均磁化曲线为非线性，在一定电压下,iµ大小取决于铁芯饱和程度，变压器实际工作时铁芯一般处于饱和状态。

当磁通按正弦规律变化时，励磁电流为尖顶波。基波分量与磁通同相位，无功电流

考虑铁心损耗时空载电流空载电流i0为不对称尖顶波，超前磁通为磁滞角。分解可得包含与主磁通同相位的磁化电流iµ，以及比主磁通超前90度的克服磁滞损耗电流ic,若考虑涡流损耗，有。因此：一般，将空载电流认为是磁化电流五.等效电路和向量图对主磁通在原绕组的感应电势引入阻抗，将的作用看作是电流流过阻抗的压降。

励磁阻抗，励磁电抗，励磁电阻

变压器空载等效电路（1）

、为一次绕组阻抗和漏电抗，与匝数和几何尺寸有关，为常数。（2）与表征铁芯损耗和主磁路磁化性能，与铁芯的发热和饱和程度有关，随电压变化，为计算引入的虚拟量。（3）若电压不变，可认为不变。

变压器空载向量图

考虑铁耗（磁滞、涡流），激磁电流超前主磁通一个磁滞角。

N1N2AXaxφ1σφ2σ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，称为负载运行。第三节变压器的负载运行

负载运行时，二次绕组有电流通过，将产生磁动势F2=I2N2，使主磁通Φ发生变化，从而引起E1、E2的变化。E1的变化又使一次绕组从空载电流I0变化为负载电流I1，产生磁动势F1=I1N1，它一方面建立主磁通Φ，另一方面抵消F2对主磁通的影响,主磁通由合成磁动势产生。

一、负载运行时的物理状况二、负载运行时的基本方程⒈磁动势平衡方程式

变压器负载运行时磁路上有两个磁动势,将一次侧磁动势分解为两部分，一部分用于产生主磁通，另一部分用于抵消二次侧产生的磁通，则有：一般认为：当电源电压与频率不变时，由于一次绕组漏阻抗压降比较小，即电势变化不大，可以不考虑主磁通Φ的变化，即Φ为常数，这样，负载运行励磁磁势为空载时的磁势。将磁动势方程用电流表示：

变压器负载后一次绕组电流有两个分量，一个是励磁分量，用来产生负载时主磁通。另一个为负载分量，借助电磁耦合提供给负载。二次绕组电流改变必将引起一次绕组电流变化。

由于负载运行时励磁电流远比小，因此忽略I0有：⒉电动势平衡方程式式中：

Z1、Z2——

一、二次绕组的漏阻抗；

r1、r2——

一、二次绕组的电阻；

x1、x1——

一、二次绕组的漏电抗。由于

Z1、Z2较小，漏阻抗压降可以忽略，有：

三、绕组折算

变压器负载运行方程式：

绕组折算是指将变压器的二次（或一次）绕组的匝数用另一个绕组的匝数来代替，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。

将二次绕组向一次绕组折算。即将变压器的一次绕组匝数来代替二次绕组的匝数。折算原则：1）保持二次侧磁动势不变；2）保持二次侧各种功率或损耗不变。

折算后一次侧和二次侧匝数相等：保持二次侧磁动势不变，即N2′I2′=N2I2可得保持二次侧各种功率或损耗不变，即I2′2r2′=I22r2，I2′2x2′=I22x2，可以得出：折算后的方程式为：四、等效电路

根据折算后的方程，可以作出变压器的等效电路。r1x1rmxm21EE¢=&&1U&1I&mI&2I¢&2r¢2x¢LZ¢2U¢&T型等效电路Γ型等