变压器的工作原理

AAaaAAaa第三章变压器第一节变压器的工作原理、分类及结构一、结构1．铁心如图，分铁心柱、磁轭两部分。材料：0.35mm的冷轧有取向硅钢片，如：DQ320,DQ289,Z10,Z11等。工艺：裁减、截短、去角、叠片、固定。=三==三用-I--U二I-IL三相芯式变压器1-铁心柱 2=三==三用-I--U二I-IL三相芯式变压器1-铁心柱 2—铁辄3—高压级圈4—低压线图=======过,至二单相芯式变压器1--铁心柱 2--铁械3单相芯式变压器1--铁心柱 2--铁械3—高压级图4—低压线图2.绕组分同2式彳。交叠式商人市。交叠式3右⑥O同2式包施⑥筒式、色漆式、蜴援式篝，见2与材料：铜（铭）漆包旗，篇旗。3名：磴旗包、金旗包。3.其©部分油箱（油浸式）、金管、分携行关篝。交叠式绕组1—低压绕蛆2—高压统蛆4 5 6 7 8 94 5 6 7 8 9油浸式电力变压器4．额定值额定容量SN额定电压UiN5n额定电流IiNI2N对于单相变压器，有S=UI=UINiNiN 2N2N对于三相变压器，有s=.J3UI=工3。IN 1N1N 2N2N注意一点：变压器的二次绕组的额定电压是指一次绕组接额定电压的电源，二次绕组开路时的线电压。［讨论题］一台三相电力变压器，额定容量1600^^,额定电压10kV/6.3kV,Y,d接法，求一次绕组和二次绕组的额定电流和相电流。自己看［例3-1］。总结：熟悉变压器额定值的规定。二、变压器的工作原理按照上图规定变压器各物理量的参考方向，有e=-N"e=-N皿

1 1dt2 2dtEN定义变比 k=-i--1-EN22工作原理：变压器正常工作时，一次绕组吸收电能，二次绕组释放电能；变压器正常工作时，两侧绕组电压之比近似等于它们的匝数之比；变压器带较大的负载运行时，两侧绕组的电流之比近似等于它们匝数的反比；变压器带较大的负载运行时，两侧绕组所产生的磁通，在铁心中的方向相反。总结：牢记变压器的四条原理。第二节单相变压器的空载运行

一、文投已当时的扬理情况我压器一次磴困携额定电压，二次磴困行路，身为我压器官数色打。此M,我压器一次磴困流过一个很J的电流，叙为空教电流i0，大约占额定电流的2%~5%，因此空载时变压器的铜损耗是很小的。为什么？又，U氏E=4.44仲N1 1 m1U=E=4.44仲N2 2 m2空载时，由于电压是额定电压，因此铁心中的磁通幅值已经是额定运行时的数值(其实还要略高些)，此时变压器的铁损就已经达到额定运行时的数值。［讨论题］一台电力变压器，一次绕组的额定电压是35kV,额定频率是50Hz,把它接在38kV,50Hz的电网上运行，则电机铁心中磁通的幅值、空载电流和铁损耗有什么变化？如果把它接在35kV,60Hz的电网上运行呢？总结：空载，空载电流，铁损、文投已当时的电压力程、和矍密彳。等效电路他提⑥中的物理矍立方向的视定，将电压方程式：U=-£+jfX+/RTOC\o"1-5"\h\z1 1 0 1 0 1U=力2 2领明X］的定义。曷定义励磁电随彳。励磁电扰，一次磴困的电压方程我为I)=/(r+jX+R+jX)0m m1 1得等效电路如图。解释励磁电阻和励磁阻抗的物理意义。根据一次绕组的电压方程式，得相量图。出何画和矍⑥？为画磁通，落画电动变。锡明各相矍的和色关色的耒历。对於名£习翘3-9。总稔：一次磴困漏扰，励磁随扰第三节单相变压器的负载运行负载运行的定义。一、负载运行时的物理情况

不管是空载运行还是负载运行，可以认为绕组中的感应电动势基本不变，因此铁心中的主磁通基本不变，这是我们分析负载运行的一个基本出发点。根据变压器的原理，当二次绕组中有了电流，一次绕组的电流也将发生变化，但由于铁心中的主磁通基本不变，因此一次绕组和二次绕组的合成磁势也基本不变。总结：空载时变压器铁心中的磁势是由一次绕组电流单独建立的；负载时铁心内的磁势是由一次绕组和二次绕组电流共同产生的，但合成磁势与空载时相比基本不变。二、负载运行时的方程式1．磁势平衡式根据图中的参考方向，有IN+1N=IN2.也任平衡式TOC\o"1-5"\h\z11 22m12.也任平衡式U=-E+fz<1111U=月—/z'2 2 2 2其中，Z=R+jX,Z=R+jX1 1 1 2 2 2XL一次绕组漏抗；乂2：二次绕组漏扰。总结：磁势平衡式，二次绕组漏抗。第四节变压器的等效电路和相量图一、绕组的归算定义：把变压器的二次（一次）绕组用另一个绕组来代替，同时保持该绕组的某些物理量不变。变压器中常把二次绕组用一次绕组来代替（代替后两侧绕组变成一样），同时令该绕组的磁势不变，功率不变，损耗不变。称为把二次绕组归算到一次绕组。1．电流的归算因为磁势不变，有NI=NI',I'=^2-1=—I2 12 2N2k212．电压（电动势）的归算因为二次绕组的匝数已经变成一次绕组，所以有E=E=kE,U=kU2 1 22 23．阻抗的归算由二次绕组的铜损耗不变，得I'2R=12R,R=k2R22 22 2 2由于漏抗与匝数的平方成正比，故有X'=k2X22［思考题］如果把一次绕组归算到二次绕组，一次绕组的物理量和参数如何变化？总结：归算的两条原则。把二次绕组归算到一次绕组，二次绕组的电压和电动势变为原来的k倍，电流变为原来的k分之一，阻抗变为原来的k2倍。等效电路力算后，磁强平布式专为f+i=r1 2m团此可将T型篝微电路3⑥，区有他包.篝微电路彳。简4篝微电路。其中，VR.+R2,Xk=Xi+X2从简化等效电路得之。其中，总结：短路阻抗。三、相量图如图，先画磁通，再画电动势。［讨论题］一台单相变压器，U1N/U2N=220V/110V，折算到高压侧的短路阻抗是ZS=0.3+j0.4（。）。把低压侧短路，在高压侧加20V电压，向高压侧电流多大？把高压侧短路，在低压侧加10V电压，向低压侧电流多大？（提示：可以用简化等效电路做）总结：会画相量图。第五节等效电路参数的测定以上公式中的参数均为相参数。总结：空载实验一般在低压侧加电和测量，所得到的参数是折算到低压侧的参数。负载实验（短路实验）T+75

r=r—o s75 sT+00总结：负载实验一般在高压侧加电和测量，所得参数是折算到高压侧的参数。三、关于标幺值的定义标幺值：某个物理量的实际值与基准值的比值基准值对孑建压器耒锡，一般选取额定值的相值做基准值。例如，电压的基准值是额定相电压，电流的基准值是额定相电流，阻抗的基准值是额定相电压除于额定相电流。［讨论题］一台三相变压器，Y,d接法，630kVA,10kV/3.15kV,2卜=7.14^。求短路阻抗的标幺值。总结：标幺值，熟悉变压器各物理量的基准值的规定。第六节三相变压器三相变压器对称运行时，各相情况相同，因此以上所述的单相变压器的原理可以适用三相变压器对称运行的情况。但是，三相变压器根据铁心结构和绕组接法的不同，在某些方面仍然显示出与单相变压器不同之处。一、三相变压器的铁心结构三相变压器的铁心结构大致分为两类：1．心式结构：三相绕组公用一个铁心，磁路彼此相关；2．组式结构：由三台单相变压器组成一台三相变压器，每相绕组有各自的铁心，磁路彼此无关。总结：三相心式变压器，三相组式变压器。二、三相变压器的绕组接法三相变压器的绕组接法大致分三类：.星形接法（Y或y接）：三相绕组的末端并在一起，首端引出；.三角形接法（D或d接）：三相绕组的首、末端分别相接，接点引出；.曲折接法（Z或z接）：每相绕组分成两部分，其中一部分做三角形接法，另外一部分做星形接法。总结：熟悉星形接法和三角形接法。三、连接组标号首末端：用A、B、C（a、b、©）表示首端，用X、Y、Z（x、y、2）表示末端，是一种人为的规定。同名端：属于同一相的两侧绕组同时感应出相同电位的两个端子，用“”表示，同名端是由物理定律决定的。AAaaAAaaAA时钟表示法：表示变压器一次绕组和二次绕组线电压相位差的一种方法。把一次绕组线电压相量指向时钟的0（12）刻度，则二次绕组线电压相量所指的刻度就是该变压器的连接组号。1．单相变压器共有两种标号：I,I0和1,16,分别见图a和b。［讨论题］书上习题3-11。2．三相变压器共有12种标号：如果一次绕组和二次绕组的接法相同，标号为偶数：0、2、4、6、8、10；如果一次绕组和二次绕组的接法不同，标号为奇数：1、3、5、7、9、11。£而左⑥为Y,yO色握织，右⑥为Y,dll色搓织，可以用三傕彩量2注判断。£而左⑥为Y,yO色握织，右⑥为Y,dll色搓织，可以用三傕彩量2注判断。［对施翘］判断下列我压器的色握织考：总稔：金用三傕砂毒2注判断我压器色握织考。三、三相变压器的绕组接法和铁心结构对电动势波形的影响老虎例念，为声生立电波磁通，励磁电流波砂应该奥火顶波。分析：.老虎物彳。微应，为在帙2中声生正电波磁遏,我压器各和励磁电流波募左核聂史顶波。.对垣个史顶波也流选名■分解，可得到壅波，三次褚波，2次褚波篝，其中三次将波分矍在的有将波中聂星大的。.3果我压器搓成Y,y或Y,yn能稔，效励磁电流中的三次褚波分矍羌壮流遏，&果我压器搓成Y,d或D,y能稔困，效三次褚波分矍可以法通。.3果我压器的励磁电流中的三次谐波分量无法流通，那么铁心中的磁通的波形是什么波?可能是平顶波，也可能是正弦波，这要看铁心的结构。如图，平顶波磁通可以分解成基波、三次谐位、2次褚波篝。假定我压器磴困中的三次褚波电流羌壮流通，励磁电流波砂他包.为立电波，效3果聂三和我压器困，各相帙2中的磁遏波衫奥平顶波。出果弱三和/式我压器，出孑三次褚波磁通羌注在帙2中法通，各相铁心中的磁通仍然近似为正弦波。如果铁心中的磁通是平顶波，则感应电动势的波形就不是正弦波，会发生畸变，产生瞬时过电压现象，对变压器的绝缘产生一定的危害。从我们的主观愿望来说，我们希望变压器铁心中的磁通是正弦波，那么，在磁路饱和的情况下，我们希望励磁电流波形是尖顶波。因此,我们希望变压器绕组中至少有一侧接成三角形接法。总结：由于变压器铁心的饱和，由于绕组接法和铁心结构的不同，使得三相变压器的磁通波形和感应电动势的波形可能发生畸变。第七节变压器的稳态运行1．变压器的电压调整率变压器的电压调整率：变压器一次侧接额定电压的电源，二次侧接负载，负载功率因数一定，此时二次侧电压与空载时二次侧电压之差除以二次侧额定电压的百分比即为变压器的电压调整率，即U—U U—U U—U'Au二-^0——2义100%=-2N——2x100%;f——2义100%U U U2N 2N 1N根据左上图的变压器简化等效电路，可得Ircos①+1xsin5

Au=B1Ns -2 1Nt 2x100%U1NAAAA上式中P=I1/I1N为负载系数。根据理论分析和实际运行实践，得变压器在不同的功率因数时的电压调整率如右上图。可见变压器电压调整率的正负和大小与负载的大小、性质和变压器本身的参数有关。说明：.当负载为纯电阻,变压器的电压变化率为正,即随着负载电流的增大,变压器的二次侧电压下降;.当负载为感性,变压器的电压变化率为正,即随着负载电流的增大,变压器的二次侧电压下降,并且比纯电阻负载时下降得更多;.当负载为容性,变压器的电压变化率可能为负,即随着负载电流的增大,变压器的二次侧电压有可能上升。总结：变压器的电压调整率的定义和计算公式。2．变压器的效率变压器的损耗主要是铁耗和铜耗。变压器的铁耗分为基本铁耗和附加铁耗。基本铁耗指正常情况下主磁通在铁心中引起的磁滞损耗和涡流损耗；附加铁耗包括因为硅钢片绝缘损伤在铁心中引起的局部涡流损耗和结构部件中产生的涡流损耗等。变压器的铁耗与电压有关，与负载大小基本无关，故可称为不变损耗。变压器的铜耗也分为基本铜耗和附加铜耗。基本铜耗指一次绕组和二次绕组电流在绕组中引起的直流电阻损耗；附加铜耗指由于趋肤效应和邻近效应使绕组电阻增大所额外增加的铜耗。变压器的铜耗与电流的平方成正比，故可称为可变损耗。变压器的效率的表达式：当变压器的可变损耗与不变损耗相等时，变压器的效率最大。自己看例3-2，注意用相参数求解。总结：不变损耗，可变损耗。第八节自耦变压器与互感器VVAAaaT3。的郛挈鱼蓼技'引舒碧匕侬召二C®省砂。旌舱翻缪修(z)彩券能可他也。囹"召郛'篇?孽?检另一£半”篇密至孙争1鬣簟乏