电机控制与拖动第章变压器

1第1章

变压器

2.单相变压器3.变压器的运行特性

本章重点：1.变压器的结构与工作原理4.三相变压器5.变压器的应用21831年，法拉第采用左图所示的实验装置进行磁生电的实验。通过这个实验发现了电磁感应现象。法拉第进行这个实验的装置，实际上是世界上第一只变压器雏形，如右图所示。变压器发展历史：31850年德国技师鲁姆科尔夫(H.D.Ruhmkorff,1803～1877)制成第一只感应线圈(Inductorium)。鲁姆科尔夫感应线圈是第一个有实用价值的变压器。1881年，法国人L.戈拉尔与英国人J.D.吉布斯首先制成一台变压器样品，如右图所示。并设计了第一条2000伏单相配电线路，于1883年开始为伦敦一些铁路车站提供交流电。41912年，油浸变压器诞生了，它较好地解决了变压器高电压的绝缘问题和大容量的散热问题，迅速成为变压器领域的主流产品，直至今天都得到了广泛的应用。1965年德国T.U公司生产了第一台环氧树脂绝缘干式变压器，具有绝缘强度高、不会燃烧爆炸、无需保养维修、环保等优点，在世界范围尤其是欧洲迅速得到了广泛的应用。51.1变压器的结构及工作原理1.变压器的分类

变压器是一种静止的电机，它利用电磁感应原理将一种电压、电流的交流电能转换成同频率的另一种电压、电流的电能。换句话说，变压器就是实现电能在不同等级电压之间进行转换。1)按用途分类：电力变压器：升压、降压、配电特种变压器：电焊、电炉、整流仪用互感器：电流、电压控制变压器：电源、输入、输出、脉冲其他变压器：高压、调压6782.变压器的结构

变压器的形式多种多样，但它们的基本结构相同，都由铁心和绕组所组成

1：放油阀门；2：绕组；3：铁心；4：油箱5：分接开关；6：低压套管；7：高压套管；8：气体继电器；9：安全气道；10：油表；11：储油柜；12：吸湿器；13：湿度计

91)心式

根据铁心和绕组的相对位置不同，变压器可以分为心式和壳式两种。

特点是铁心在绕组里面，绕组包围铁心。心式变压器的结构简单，用铁量少，绕组的安装和绝缘比较容易。容量较大的单相变压器和三相电力变压器都采用这种结构。2)壳式

特点是绕组在铁心里面，即铁心包围绕组。壳式变压器用铜量少，散热比较容易，而且可以不要专门的变压器外壳。容量较小的单相变压器和某些特殊用途的变压器采用这种结构。103.变压器的工作原理单相双绕组变压器原理图如下图所示两个绕组之间只有磁的耦合，而没有电的联系。与电源相连的绕组，接受交流电能，称为一次绕组(初级绕组、原边绕组)；与负载相连的绕组，送出交流电能，称为二次绕组(次级绕组、副边绕组)。1112当一次绕组接入交流电压u1时，一次绕组中便有交流电流i1通过，并在磁动势作用下产生交变磁通。磁通的绝大部分通过铁心而闭合，称为主磁通。由于主磁通同时与一、二次绕组相交链，因此当主磁通交变时，同时在一次绕组、二次绕组中产生感应电动势e1、e2。如果二次绕组接有负载，便有电流i2流过负载，并向负载输出电功率。负载上的电流和功率是通过变压器铁心中的交变磁通，利用电磁感应作用，从一次绕组传送到二次绕组的，这就是变压器的基本工作原理。13

此外，一、二次绕组磁动势产生的磁通还有一小部分只经过绕组自身和周围的空气而闭合，这部分磁通称为漏磁通。漏磁通用和表示。漏磁通在各自绕组中产生的感应电动势分别用和表示14

变压器的各电磁量都是交流量，为分析和计算方便，必须规定出其正方向。变压器各量的正方向遵循惯例，按下面所述的相应电磁规律来规定的。(1)u1、u2

：u1与i1正方向符合电动机惯例，对于一次绕组而言，方向一致；u2与i2正方向符合发电机惯例，对于二次绕组而言，方向相反。15(2)、

：其正方向与产生它们的电流符合右手螺旋定则。因此，判定磁通的正方向时必须注意绕组的绕向。16(3)、和、

：。正方向与产生它们的磁通符合右手螺旋定则，根据电磁感应定律：

17(4强)i1、i2：宇正方泳向与循相应匠的电正势方承向一贤致。184.变压违器的壶铭牌挂数据电力变压器产品型号

S7-500／10

标准代号XXXX额定容量

500kV.A

产品代号XXXX额定电压

10kV

出厂序号XXXX额定频率

50Hz3相联结组标号

Y，yn0阻抗电压

4％冷却方式

油冷使用条件

户外开关位置

高压

低压

电压／V

电流／A电压／V电流/A

Ⅰ

10500

27．5

Ⅱ

10000

28．9400721．7

Ⅲ

9500

30．4

XX变压器厂

XX年XX月三相案变压览器的救铭牌S7-500／10高压侧电压（KV）变压器容量（KVA）设计序号三相变压器5.变压池器的那额定毯值上表详所示涝变压幅器是愿配电倚站用改的降蛙压变箱压器盖，将10辅kV的高脚压降驾为40电0V的低两压，陆供三辛相负蔬载使剑用。集铭牌尾中的捉主要咱参数后说明疾如下半：1)型号19202)额定电压：加在一次绕组上的正常工作电压值：变压器在空载时，高压侧加上额定电压后，二次绕组两端的电压值。

3）额定电流和4）额定容量例：一台苏三相湾油浸瓣自冷那式铝倘线变还压器贪，已店知SN=5肝60附kV朽·A，U1N/U2N=1龟00扫00旱V/古40捕0V，试飞求一抬次、另二次岸绕组调的额耽定电落流I1N、I2N各是杨多大?解：211.坚2单相听变压溜器1单相指变压报器的震空载它运行变压均器的义原边乌绕组达接在奏电网敬上，副边奔绕组陵开路时的科运行呆状态正，称出为空载设运行。此时宽，I2=0，变处压器河内部廊的物薯理过寻程比睛较简逐单，骂先从鹅变压车器这如样一够个最素简单幅的情利况来甚研究亚其电群磁过黑程。变压器空载运行原理图22根据KV早L及电复磁感么应定容律，包可得等一次界侧回双路和联二次玻侧回陡路KV永L方程祥（r1为原社边绕扛组等来效电忽阻）留：变压器空载运行原理图23如果俗各物线理量尖均按智正弦仪规律津变化红，便丛可用巩如下年的相冈量形读式来逗表示慨：变压器空载运行原理图24（1）主测感应阁电动蛮势设则变压器空载运行原理图25e1、e2的有侵效值描为：相应远的相出量表档达式好为：26

和在相位上都滞后于产生它们的磁通90°，在大小上具有，K为变压器的变比。考虑到u1≈e1(内阻和漏磁通均很小)，则有能体现变压器电压变换作用的原副边电压变换关系为

可见评只要赶选择检适当偏的原基边、李副边桨绕组适匝数挠，就蹦可以番产生芬所需栏要的抹电压甘。变李压器鞭铭牌踢上以劳分数垄形式举标出勾的额与定电蒸压，砍通常糠都是巨指变啄压器鬼在空食载运姿行时棍高、抓低压夫绕组嘱的电福压。27（2）漏俘磁感量应电塘动势漏磁通产生的感应电动势为（为原边漏电感）

当i0按正弦规律变化时，上式可以写成相量形式（为原边漏电抗）

变压器空载运行原理图28（3）空故载电镇流变压穷器的扎空载貌电流i0一方缘瑞面建壁立磁驾场，蔑另一惑方面忽要补舟偿空界载运逐行时愿变压阔器的伟损耗训。前串者仅尿起磁面化作枣用，阅称为康励磁捞电流竟或磁组化电晨流，断是i0中的晚无功珍分量供，以im表示芳；后瓣者是富有功肢分量忽，以iFe表示充。因肃此，i0=im+iFe。一产般来冲说，快为简滔化起里见，柿常忽骨略iFe，将i0看成灶励磁再电流腐，即i0≈im。变压器空载运行原理图29（4）电派动势姐平衡嗽方程刃式引入表示原边阻抗，如果忽略不考虑空载电流（很小），那么原边回来的KVL方程为：变压器空载运行原理图302单相都变压德器的样负载侧运行变压器空载运行的基础上，如果原边绕组接通额定电压，副边绕组接上负载时，称为变压器的负载运行。变压器空载运行原理图31无论茫变压唤器工夜作在而空载岗状态皇还是赴负载如状态妥，其显主磁虫通近羡似保兼持不叙变。阻正是害由于惕这一房诚原理哑，负尸载与农空载幸时，柔产生卡主磁惑通的煎总磁马动势副应该巡寿相同即

上式表明变压器从空载到负载，副边绕组中便会有电流产生，与此同时，原边绕组中必定产生一个电流增量，来抵消对主磁通的影响，以保持恒磁通关系，这样才能把电能从原边绕组传递到副边绕组。32由于炸空载娱电流i0比额如定电手流小鸦得多朱，故垦在满典载或稳接近骂满载凳时i0可忽请略不掉计。亚于是书，原闻、副逢绕组蜓电流召的有漏效值朱之比判近似立与它挺们的盖匝数殊成反稳比，吸即变嚷压器梢的电蛋流变孔换关减系为贿：上式鲜表明变压督器原皂、副童绕组巾的电翼流之盾比近闹似等鼓于它赚们的雾匝数笑比的享倒数。可见煌，变疲压器劈燕中的首电流焰虽然棚由负乞载的休大小凤确定把，但任是原碧、副更绕组露中电炸流的权比值详是差股不多县不变再的；冶因为瞒当负则载增鞭加时设，I2和N2I2随着译增大纠、而I1和N1I1也必斤须相抚应增议大，有以补钓偿副鹊绕组炕电流杂的去屯磁作五用，从而匹维持师主磁间通的去最大虾值近军似不旅变。33变压头器的阻抗钟变换作用变压器的阻抗变换当负押载阻衬抗等旨于电搅源内赚阻时裕，负铲载能雕从电搞源获嘱得最引大功讽率，梳这种于情况能称为“匹跃配”。如图所示，当变压器副边绕组接有模为的负载阻抗时，如果一次、二次绕组的漏阻抗可忽略不计，则：34变压器的阻抗变换U1与I1之比率相当限于从丛变压板器一老次绕乎组看爱进去乒的等蚊效阻咏抗的咐模驱，如挨图（b）所安示，办故可见，该负载直接接电源时，阻抗模为；通过变压器接电源时，阻抗模为，其值相当于将阻抗模增加到的倍。我们转可以召采用村不同毙的匝欣数比K，把填负载盗阻抗笨模变绒换为拜所需吹要的钱、比顿较合截适的雕数值徒，这鸡种做桌法通碑常称剧为阻抗造匹配。在薯电子煎技术左中，帐经常坝利用马变压耐器的隐这一茎阻抗比变换衣作用报来实恢现阻末抗匹刷配。35单相守变压凶器负榴载运捧行时役的基形本方苦程式（1）磁叶动势激平衡订方程佣式（2）电切动势保平衡筐方程闷式或36371.电3变压单器的豪运行旗特性1变压贡器的竟外特百性及呼电压叛变化狸率变压茎器空剪载运孝行时败，若窗一次盐绕组屡电压U1不变娇，则妄二次运绕组命电压U2也是知不变真的。变压愧器加家上负啄载之锐后，宴随着帖负载残电流I2的变肝化，喝使二郑次绕愿组输身出的饲电压U2随之耳发生孔变化雁。变压语器的雅外特护性是苹用来冠描述借输出贸电压U2随负即载电雅流I2的变纯化而蒸变化秧的情虏况。负载嗓的功婆率因政数对欢变压化器外盼特性谣的影续响是至很大僚的38一般惩情况御下，扣变压脂器的康负载爹大多航数是昼感性父负载垒，因没而当采负载汗增加仇时，编输出砌电压U2总是怕下降羽的，截其下遇降的龙程度敬常用电压尘变化乳率来描劫述:U2N为变限压器鸡空载红时二炊次绕姻组的检电压跨（称向为额矮定电犬压）寻；U2为二漏次绕起组输涉出额舒定电债流时显的电袜压。电压惰变化失率反贪映了冲供电坡电压罚的稳秃定性厘，是视变压钓器的垂一个重要穷性能狮指标。要求竖变压怎器的忌△U％越篇小越樱好。常用华的电修力变垄压器局从空撑载到璃满载瓦，电劫压变傻化率赢约为3％～5％。39402变压斯器的倚损耗绿与效盆率变压哀器从腔电源离输入添的有驰功功立率P1和向遵负载杜输出词的有咐功功粒率可P2分别棍用下侍式计骗算两者颜之差变为变避压器影的损跌耗△P，它丘包括铜损俱耗PCu和铁损甘耗PFe两部词分，友即:41（1）铁沾损耗PFe（不乳变损甲耗）馅，基梁本铁糖损耗袜和附讲加铁竞损耗（2）铜诸损耗Pcu（可西变损忘耗），基本按铜损醉耗和蚁附加腔铜损姑耗基本衰铁损灭耗：刚铁心催中的捆磁滞丢损耗廊和涡输流损芒耗决定夏因素直：铁枪心中鸦的磁顾通密诉度、正磁通塞交变剧频率菜、硅过钢片拔的质倚量等迈。附加近铁损赔耗：嘱铁心指叠片旨间因占绝缘抚损伤潜而产帜生的技局部餐涡流损损耗奋、主插磁通糖在变电压器欣的心披之外招的结助构部才件中狡引起轮的涡何流损馒耗等末。约初为基杨本铁牲损的15禾%～20症%基本校铜损叨耗：糠电流螺在一日、二香次绕惜组上管产生沿的损慎耗附加斥铜损坊耗：语由漏虾磁通用产生职集镜肤效被应使爪电流相在导府体内钓颁不帖均匀象而产柏生的惧额外治损耗刃。约沫为基睬本铜鸽损耗发的3%～20辨%42（3）效杰率变压源器的什效率纱指的景是输模出的希有功府功率扮与输忧入的室有功水功率偷之比宪，即（4）效尾率特支性变压骡器的仿效率斥也随汽负载异电流I2的变堪化而怀变化负载穴系数示：43441.稼4三相即变压腰器三相能变压昏器的睁磁路撤系统戒，可区分为拆各相圈磁路膨彼此改无关乡丰和彼滑此相椒关的涂两类描。1三相会变压五器的宴磁路念系统（1）三巾相组挣式变倒压器三相末组式香变压隆器是币由3个磁察路相写互独返立的者单相晴变压辱器所除组成液的，三相桃之间泊只有辉电的博联系干而无都磁的教联系。虽矩然各弊磁路捎相互的独立容，原峰边、窃副边虽绕组奇可根启据要误求接奴成星盒形(Y振)或三压角形(△锈)。但讽当对粱原边丢绕组躬施加菌对称言的三皱相电字压时析，空今载电断流也朱是对买称的邀。45（2）三顽相心李式变处压器与三闹相组架式变蜘压器盏不同枪，三霞相心缴式变白压器充的磁味路相侍互关父联。堂它是冶通过盐铁轭预把3个铁与心柱死连在储一起雕的。和同帅容量狱的三唱相组篮式变双压器撑相比拍，三贝相心太式变驶压器醉所用哄的材仪料较惕少、观质量卷轻。虏但它策的缺算点在恒于：1)采用腥三相工心式圾变压坑器供溜电时燥，任何何一泛相发句生故紧障，明整个泡变压婆器都茶要进禽行更恐换，究如果肯采用片三相潜组式痛变压甘器，轧只要钓更换删出现姥故障夏的一晶相即刃可。座所以客三相欢心式抽变压属器的深备用锹容量追为组躲式变包压器森的3倍；2)对于败大型铃变压弟器来逝说，辫如果旅采用谅心式私结构孔，体哪积较盏大，滋运输毫不便掘。基于误以上逃考虑殃，为躬节省改材料象，多菌数三绸相变袄压器龟采用贝心式屿结构棉。但虚对于墨大型饱变压劈燕器而裹言，睛为减望少备浪用容鸭量以冲及确哄保运筐输方抱便，穗一般霉都是霉三相类组式伏变压部器。462三相辈变压余器的从电路符系统变压少器原马边、毛副边赴绕组辆首末碑端标破记及谦连接意方法单相填变压某器原线边绕员组的越首、矿末端惨被标们记为U、X；把存副边值绕组暮的首海、末选端标盒记为u、x。对薪三相令变压令器而坚言，碰为研扔究方谱便，积也对炮其首徐、末照端加崇以标券记，要如表居所示蜘。绕组名称首端末端中点原边绕组U、V、WX、Y、ZO副边绕组u、v、wx、y、zO471仪用劣互感安器1.们5特殊握用途近变压台器仪用珍互感纲器是环配电饺系统晴中供紧测量降和保治护用翼的设饱备，块分为纳电流慰互感旬器和殃电压狮互感跟器两灭类。夺它们匀的工备作原嗽理和秘变压静器相仇似。（1）电垒压互月感器电压遥互感彼器又督称仪睡表变址压器队，也况称PT或TV。电压套互感常器原楚边绕段组并阳接于劣被测穷量线勿路。崭副边尊接有农电压里表，容相当磁于一虫个副朴边开各路的秆变压历器。为了斯安全误起见难，副捕边绕才组必惨须有绵一点商可靠藏接地验，并弊且副虾边绕猎组绝参对不生能短校路。48（2）电蜓流互炸感器电流辅互感陶器也捞是按雅电磁敌感应栏原理冻制成裹的，婶也称CT或TA。原边鼻绕组降串接膀于被崭测线风路中野，副音边绕五组与慌测量您仪表恳或继摧电器减的电殿流线尖圈串得联，娇副边仍绕组礼的电岛流按袄一定见的变给比反奸应原矮边电经路的轰电流年。电流晨互感夜器的腊副边闷绕组驼必须挑有一双点接民地。由于胆作为隐电流组互感梳器负电载的柳电流娱表或逢继电置器的窑电流棵线圈药阻抗蒸都很株小，谱所以电流肺互感疮器在桌正常借运行耻时接至近于态短路陆状态。492自耦增变压崖器自耦火变压嘴器也分有单蝴相和绳多相午之分跃，但僚与普风通双西绕组芝变压馆器的落区别贪在于枯：只有滤一个吃绕组，副棍边绕表组是稼原边毫绕组播的一碎部分详，因梢此，原边管、副初边绕述组之光间不姻但有己磁的显耦合雁，还蜂有电晕的联理系。（1）工拾作原拌理（轿单相斥）50忽略哪励磁耍电流得，上鸽式可饲以变友成即

说明：与反相，并且I2＞I1

由于愚原边摆、副隙边绕凑组为泼同一叮绕组现，存管在电沃的联哈系，倚在副思边绕馒组的腹抽头泛处可异以看乓成是拥电路肯的一柔个节旷点。药自耦以变压拖器的督输出嘴功率食为51自耦画变压嘴器的唐输出杜功率素有两逐部分垮组成历，一台部分科为U2艰I1，称街为传忍导功申率；御另一催部分脏为U2劝I1商2，称谋为电成磁功么率。另外著，自警耦变个压器凝也通犬常设屯计的班原边堪、副服边容宅量相个等，裂即（2）优国缺点1)在同钥样容嫩量的付前提边下，乱自耦火变压禁器所妈用材领料要晶比普违通变昼压器呼少、疫体积