电机学变压器的基本作用原理

电机学变压器的基本作用原理第一页，共九十九页，编辑于2023年，星期一第二章变压器的基本作用原理

与理论分析第二页，共九十九页，编辑于2023年，星期一本章的主要内容：1、变压器的类别和结构2、变压器的空载运行3、变压器的负载运行4、标幺值5、参数的测定6、变压器的运行性能第三页，共九十九页，编辑于2023年，星期一电力变压器变压器的总容量大致相当于发电机容量的三倍。输电过程中，通常将电压升高，通过高压输电线传送到远方的城市，经过降压变压器降为10kv电压，再经过配电降压变压器分配给用户。输送同样的功率，电压低则电流大，一方面由于大电流在输电线路上引起损耗，另一方面大电流在线路阻抗上产生大的压降，受电端电压很低，电能传送不出去。只有高电压能将电能输送到远方。配电变压器第四页，共九十九页，编辑于2023年，星期一第一节电力变压器的基本结构

和额定值第五页，共九十九页，编辑于2023年，星期一一、变压器的主要类别第六页，共九十九页，编辑于2023年，星期一变压器的主要分类：一种静止的电机将一种电压的电能转换为另一种电压的电能。用途分类：电力变压器:电力系统传输电能电炉变压器:专给炼钢炉供电整流变压器:大型电解电镀、直流电力机车供电仪用变压器:控制变压器无线电变压器:仅传输信号。第七页，共九十九页，编辑于2023年，星期一按电压分类：升压变压器、降压变压器；按相数分类：单相变压器、三相变压器；按绕组数分类：双绕组变压器、三绕组变压器和自耦变压器；按铁心结构分类：心式变压器和组式变压器；按调压方式分类：无载调压变压器、有载调压变压器；按冷却介质和冷却方式分类：油浸式变压器和干式变压器等；按容量大小分类：小型变压器、中型变压器、大型变压器和特大型变压器。第八页，共九十九页，编辑于2023年，星期一二、电力变压器的基本结构（主要结构部件）铁芯

铁芯带有绝缘的绕组绕组变压器油油油箱油箱绝缘套管

套管第九页，共九十九页，编辑于2023年，星期一第十页，共九十九页，编辑于2023年，星期一第十一页，共九十九页，编辑于2023年，星期一第十二页，共九十九页，编辑于2023年，星期一（一)、铁芯——变压器的磁路电力变压器的铁心是由0.35mm厚的冷轧硅钢片叠成。减少涡流损耗，提高导磁系数。铁心柱铁轭第十三页，共九十九页，编辑于2023年，星期一第十四页，共九十九页，编辑于2023年，星期一第十五页，共九十九页，编辑于2023年，星期一铁芯的交叠装配单相变压器铁心叠法，偶数层刚好压着奇数层的接缝，从而减少了磁路和磁阻，使磁路便于流通——接逢处气隙小可以避免涡流在钢片之间流通第十六页，共九十九页，编辑于2023年，星期一三相芯式变压器的铁心排列法，主要使叠缝相互交叠，从而减少磁路的磁阻第十七页，共九十九页，编辑于2023年，星期一(二)绕组——变压器的电路变压器绕组一般为绝缘扁铜线或绝缘圆铜线在绕线模上绕制而成。为便于制造、在电磁力作用下受力均匀以及机械性能良好，绕组线圈作成圈形。按照绕组在铁芯中的排列方法分类，变压器可分为铁芯式和铁壳式两类基本型式：同芯式，交叠式

第十八页，共九十九页，编辑于2023年，星期一单相芯式变压器铁心及绕组：绕组同芯套装在变压器铁心柱上，低压绕组在内层，高压绕组套装在低压绕组外层，以便于绝缘。

第十九页，共九十九页，编辑于2023年，星期一铁壳式变压器

变压器的铁芯柱在中间，铁轭在两旁环绕，且把绕组包围起来结构比较坚固、制造工艺复杂，高压绕组与铁芯柱的距离较近，绝缘也比较困难通常应用于电压很低而电流很大的特殊场合，例如，电炉用变压器。这时巨大的电流流过绕组将使绕组上受到巨大的电磁力，铁壳式结构可以加强对绕组的机械支撑，使能承受较大的电磁力。第二十页，共九十九页，编辑于2023年，星期一(三)变压器油——冷却、绝缘变压器油起两个作用：

①绝缘：绕组与绕组、绕组与铁心及油箱之间

②散热:

(内部油泵强迫油循环，外部用变压器风扇吹风或用自来水冲淋变压器油箱)第二十一页，共九十九页，编辑于2023年，星期一(四)油箱——

主油箱：机械支撑、冷却散热油箱形式：平滑油箱——50kVA波形油箱管形油箱——~200kVA散热器油箱——2500—6300kVA第二十二页，共九十九页，编辑于2023年，星期一

(四)油箱——

主油箱：机械支撑、冷却散热

保护作用：1、当变压器出现故障时，产生的热量使变压器油汽化，气体继电器动作，发出报警信号或切断电源。2、如果事故严重，变压器油大量汽化，油气冲破安全气道管口的密封玻璃，冲出变压器油箱，避免油箱爆裂。返回第二十三页，共九十九页，编辑于2023年，星期一3、变压器运行时产生热量，使变压器油膨胀，储油柜中变压器油上升，温度低时下降。储油柜使变压器油与空气接触面较少，减缓了变压器油的氧化过程及吸收空气中的水分的速度。——呼吸第二十四页，共九十九页，编辑于2023年，星期一第二十五页，共九十九页，编辑于2023年，星期一(五)绝缘套管

绝缘套管由中心导电杆与瓷套组成。

(导电杆穿过变压器油箱、在油箱内的一端与线圈的端点联接，在外面的一端与外线路联接。)在瓷套和导电杆间留有一道充油层——充油套管套管外形常做成伞形，电压愈高、级数愈多。返回第二十六页，共九十九页，编辑于2023年，星期一第二十七页，共九十九页，编辑于2023年，星期一第二十八页，共九十九页，编辑于2023年，星期一三、变压器的额定值

额定容量SN——额定条件下使用时输出能力的保证值。单位为VA或kVA。对三相变压器指三相的总容量。额定电压——变压器在空载时额定分接头上的电压保证值。单位为V或kV。（当变压器初级侧在额定分接头处接有额定电压U1N，次级侧空载电压即为次级侧额定电压U2N。）注：对三相变压器，铭牌上的额定电压指线电压第二十九页，共九十九页，编辑于2023年，星期一额定电流——额定容量除以各绕组的额定电压所计算出来的线电流值。单位用A或kA。

电力变压器的额定频率是50Hz

第三十页，共九十九页，编辑于2023年，星期一额定值的关系单相变压器三相变压器返回第三十一页，共九十九页，编辑于2023年，星期一变压器电路理论及其运行特性版权所有，2000©SoutheastUniversityElectricalEngineeringDepartment.第三十二页，共九十九页，编辑于2023年，星期一第二节变压器空载运行第三十三页，共九十九页，编辑于2023年，星期一空载运行：

空载指一侧绕组接到电源（初级1），另一侧绕组（次级2）开路。1电磁物理现象2

励磁电流

4

电路方程等效电路相量图3

励磁特性的电路模型第三十四页，共九十九页，编辑于2023年，星期一一、电磁物理现象空载电流i0，i1＝i0。全部用以励磁——励磁电流im，i0＝im励磁电流产生励磁磁势imN1，建立交变磁场第三十五页，共九十九页，编辑于2023年，星期一磁场的磁通与1

都是交变磁通在绕组中感应交变电势

第三十六页，共九十九页，编辑于2023年，星期一磁场的磁通：分为主磁通和漏磁通两部分①磁路不同，因而磁阻不同。 主磁通同时交链初级、次级绕组，又称为互磁通，路径为沿铁芯而闭合的磁路，磁阻较小。 漏磁通1只交链初级绕组，称初级侧漏磁通，它所行经的路径大部分为非磁性物质，磁阻较大。②功能不同。主磁通通过互感作用传递功率，漏磁通不传递功率。第三十七页，共九十九页，编辑于2023年，星期一二、正方向的规定箭头方向表示正方向规定电流的正方向与该电流所产生的磁通正方向符合“右手螺旋”定则，规定磁通的正方向与其感应电势的正方向符合“右手螺旋”定则。电流正方向与电势正方向一致。第三十八页，共九十九页，编辑于2023年，星期一方向规定：电压u1与电流i0同方向，磁通正方向与电流正方向符合右手螺旋定则，e的正方向与电流同方向。这样e1=－N1dФ/dt成立。例如正在增加，dФ/dt为正，e1＝－N1dФ/dt＜0为负，若外电路能使e1产生电流，其电流方向必与i0正方向相反，该电流产生磁通Ф′，与Ф方向相反，起阻止Ф增加的作用，即符合楞次定律。

第三十九页，共九十九页，编辑于2023年，星期一三、感应电势，电压变比图2-8第四十页，共九十九页，编辑于2023年，星期一变比——初级电压与次级空载时端点电压之比。电压变比k

决定于初级、次级绕组匝数比。略去电阻压降和漏磁电势

2、电压变比第四十一页，共九十九页，编辑于2023年，星期一四、励磁电流的三个分量忽略电阻压降和漏磁电势，则U1＝E1＝4.44fN1m。m∝U1即：当外施电压U1为定值，主磁通m也为一定值问题：一台结构已定的变压器当外施电压为已知，需要电源提供多大的励磁电流呢?励磁电流包括哪些成分呢?答：决定于变压器的铁芯材料及铁芯几何尺寸。因为铁芯材料是磁性物质，励磁电流的大小和波形将受磁路饱和、磁滞及涡流的影响。第四十二页，共九十九页，编辑于2023年，星期一励磁电流实际包含I、Ih和Ie三个分量：1、磁化电流I：I与m同相位，I滞后于-E190I具有无功电流性质，它是励磁电流的主要成分。2、磁滞电流分量Ih：Ih与-E1同相位，是有功分量电流。3、涡流电流分量Ie：Ie与-E1同相位Ie由涡流引起的，与涡流损耗对应，所以：又由于Ih和Ie同相位，合并称为铁耗电流分量，用IFe表示。第四十三页，共九十九页，编辑于2023年，星期一空载时励磁电流Iu——磁化电流，无功性质，为主要分量Ife——铁耗电流，有功性质，产生磁滞（Ih）和涡流损耗（Ie）第四十四页，共九十九页，编辑于2023年，星期一五、励磁特性的电路模型Xm是主磁通Φ引起的电抗，为励磁电抗第四十五页，共九十九页，编辑于2023年，星期一6、漏抗描述漏磁电势的电路参数。由于漏磁通所经路径主要为非磁性物质（空气），磁阻为常数。即漏磁通与产生该漏磁通的电流成正比且同相位，漏电感亦为常数。第四十六页，共九十九页，编辑于2023年，星期一7、空载电路方程第四十七页，共九十九页，编辑于2023年，星期一等效电路rm+jXm上的压降表示主磁通对变压器的作用（随外施电压的增加而减小——由于饱和影响）X1表示漏磁通对电路的影响，近似为常数第四十八页，共九十九页，编辑于2023年，星期一相量图U2（参考方向）、E2E1与U2方向一致Φm超前E190度Im超前Φm一个角度U1第四十九页，共九十九页，编辑于2023年，星期一第三节变压器的负载运行第五十页，共九十九页，编辑于2023年，星期一变压器负载运行

负载运行：指一侧绕组接电源，另一侧绕组接负载运行。1负载时的电磁物理过程2基本方程式3归算4归算后的分析返回第五十一页，共九十九页，编辑于2023年，星期一1、负载时的电磁物理现象变压器的初级、次级绕组没有电的联系，功率传递依靠互感。在功率传递过程中应满足能量守恒，在电路上需满足电压平衡、磁路上需满足磁势平衡。mN1N2Next第五十二页，共九十九页，编辑于2023年，星期一次级电流的影响次级电流的存在、建立起次级磁势，它也作用在铁芯磁路上。改变了原有的磁势平衡状态，迫使主磁通变化，导致电势也随之改变。电势的改变又破坏已建立的电压平衡，迫使原电流随之改变，直到电路和磁路又达到新的平衡为止。（磁势平衡式）负载时作用在主磁路上的全部磁势应等于产生磁通所需的励磁磁势。第五十三页，共九十九页，编辑于2023年，星期一初级、次级电流间的约束关系表明当有负载电流时。初级电流I1应包含有二个分量。其中Im用以激励主磁通。I1L所产生负载分量磁势I1LN1，用以抵消次级磁势I2N2对主磁路的影响。励磁电流的值决定于主磁通

m，即决定于E1。u1≈E1=4.44fN1Φm第五十四页，共九十九页，编辑于2023年，星期一电磁现象返回第五十五页，共九十九页，编辑于2023年，星期一2、基本方程式返回第五十六页，共九十九页，编辑于2023年，星期一3、归算绕组归算——用一假想的绕组替代其中一个绕组使成为k＝1的变压器。归算量在原符号加上标号区别，归算后的值称为归算值或折算值。原则：归算不改变实际变压器内部的电磁平衡关系第五十七页，共九十九页，编辑于2023年，星期一归算方法一次级侧归算到初级侧保持初级绕组匝数N1不变．设想有一个匝数为N2=N1的次级绕组，用它来取代原有匝数为N2的次级绕组。满足变比：k＝N1/N2＝1。第五十八页，共九十九页，编辑于2023年，星期一归算方法二初级侧归算到次级侧保持次级绕组匝数N2不变，设想有一个匝数为N1＝N2的初级绕组，用它来取代初级有匝数为N1的初级绕组。k＝N1/N2＝1第五十九页，共九十九页，编辑于2023年，星期一一)次级电流的归算值物理意义：当用N2＝N1替代了N2，其匝数增加了k倍。为保持磁势不变。次级电流归算值减小到原来的1／k倍。归算前后磁势应保持不变第六十页，共九十九页，编辑于2023年，星期一二)次级电势的归算值归算前后次级边电磁功率应不变

E2I2＝E2I2 物理意义：当用N2替代了N2，其匝数增加到k倍。而主磁通m及频率f均保持不变，归算后的次级电势应增加k倍。第六十一页，共九十九页，编辑于2023年，星期一三)电阻的归算值归算前后铜耗应保持不变物理意义：当用N2替代N2后，匝数增加到k倍，次级绕组长度增加到k倍；次级电流减到为原来的l/k倍，归算后的次级绕组截面积应减到原来的l／k倍，故归算后的次级电阻应增加到原来的k2倍。（绕组本身没有变化）第六十二页，共九十九页，编辑于2023年，星期一四)漏抗的归算值归算前后次级漏磁无功损耗应保持不变物理意义：绕组的电抗和绕组的匝数平方成正比。由于归算后次级匝数增加了k倍，故漏抗应增加到k2倍。返回第六十三页，共九十九页，编辑于2023年，星期一4、归算后的基本方程第六十四页，共九十九页，编辑于2023年，星期一归算后的T形等效电路第六十五页，共九十九页，编辑于2023年，星期一相量图注意：相量图的作法必须与方程式的写法一致，而方程式的写法又必须与所规定的正方向一致。变压器的相量图包括三个部分：①次级侧电压相量图；②电流相量图或磁势平衡相量图；③初级侧电压相量图。第六十六页，共九十九页，编辑于2023年，星期一相量图——作图步骤首先选定一个参考相量、且只能有一个参考相量。常以U2为参考相量，根据给定的负载画出负载电流相量I2。根据次级侧电压平衡式E2＝U2+I2Z2可画出相量E2，由于E1＝E2，因此也可画出相量E1。主磁通m应超前E190，激磁电流又超前m一铁耗角。由磁势平衡式I1=Im+(-I2)求得I1。由初级侧电压平衡式U1=-E2+I1Z1求得I1。第六十七页，共九十九页，编辑于2023年，星期一变压器的实用相量图第六十八页，共九十九页，编辑于2023年，星期一近似等效电路把激磁支路移至端点处。计算时引起的误差不大：变压器的激磁电流(即空载电流)为额定电流的3％-8％，（大型变压器不到1％）。第六十九页，共九十九页，编辑于2023年，星期一简化等效电路略去激滋电流（支路）常用于定性分析注意简化的近似假设返回第七十页，共九十九页，编辑于2023年，星期一第四节标幺值第七十一页，共九十九页，编辑于2023年，星期一对各个物理量选一个固定的数值作为基值，取实际值与基值之比称为该物理量的标么值 标么值用下标“*”基值（采用下标“b”）

电压基值——额定电压 U1b=U1N,U2b=U2N电流基值——额定电流I1b=I1N,I2b=I2N功率基值——额定容量Sb＝SN阻抗基值——额定电压与额定电流之商初级、次级侧各物理量应采用不同基值标幺值=实际值/基值

第七十二页，共九十九页，编辑于2023年，星期一标么值的优点：1．计算方便，容易判断计算错误因为取额定值作为基值，当实际电压为额定电压和实际电流为额定电流时，用标么值计算就作为1。2．采用标么值计算同时也起到了归算作用这是由于初级、次级侧分别采用了不同基值，且已包含有变比关系。3．采用标么值更能说明问题标幺值=实际值/基值返回第七十三页，共九十九页，编辑于2023年，星期一第五节参数测定方法第七十四页，共九十九页，编辑于2023年，星期一参数测定方法空载试验： 测定励磁电阻rm和励磁电抗xm短路试验： 计算参数短路电阻rk和短路电抗xk第七十五页，共九十九页，编辑于2023年，星期一一、空载试验试验可在高压侧测量也可在低压侧测量，视实际测量方便而定。如令高压侧开路，在低压侧进行测量，测得的数据是低压侧的值，计算的励磁阻抗也是归算至低压侧的值。

第七十六页，共九十九页，编辑于2023年，星期一空载特性曲线u0=f(I0)

方法：一侧加压，另一侧开路通过调压器给变压器供电，调压器输出电压U10,从1.2UN到0.3UN取8--9点，每点均测出P0，I0，U20空载试验时电压较高，电流较小故电流要精确测量，电流表及功率表电流接线图中流过的电流为实际空载电流第七十七页，共九十九页，编辑于2023年，星期一空载试验参数计算励磁参数值随饱和而变化。为反映变压器运行时的磁路饱和情况，空载试验时应调整外施电压等于额定电压。令U0为外施每相电压，I0为每相电流，P0为每相输入功率即等于每相的空载损耗p0。第七十八页，共九十九页，编辑于2023年，星期一二、短路试验方法：将变压器一侧短路。外施电压全部降落在内部阻抗上。短路试验应降低电压进行。控制短路电流不超过额定值。短路试验可以在高压侧测量而把低压侧短路，也可在低压侧测量而把高压侧短路。二者测得的数值不同，用标么值计算则相同。第七十九页，共九十九页，编辑于2023年，星期一短路特性曲线uk=f(Ik)试验开始时应注意调压器输出应调到零，然后从0开始，慢慢调节，并监视电流表，使短路电流Ik≈1.25IN时停止升压，防止过大电流产生，对变压器不利。记录数据Uk，Ik，从1.25IN到0.5IN测5∽6点。由于Uk低，铁心中Ф低，故Pk中所含铁耗较小，可忽略铁耗，故Pk中只含铜耗。第八十页，共九十九页，编辑于2023年，星期一短路试验参数计算Uk表示每相电压，Ik表示每相电流，Pk表示每相输入功率即等于每相短路损耗pk电阻随温度而变化，如短路试验时的室温为(℃)，按标准规定应换算到标准温度75℃时的值。第八十一页，共九十九页，编辑于2023年，星期一三、短路电压百分数短路试验时，使短路电流恰为额定电流的外施电压uk，称为ukN。UKN=INZK以额定电压百分数表示，称为短路电压百分数短路电压百分数去掉100％符号，就是短路电压标么值uk不能太小，也不能太大。uk太大时，变压器空载时电压高，负载时电压压降较多。uk太小时，变压器接额定电压短路时电流太大。第八十二页，共九十九页，编辑于2023年，星期一短路电压的有功与无功分量

uk不能太小，也不能太大。uk太大时，变压器空载时电压高，负载时电压压降较多。uk太小时，变压器接额定电压短路时电流太大。第八十三页，共九十九页，编辑于2023年，星期一第六节变压器的运行性能第八十四页，共九十九页，编辑于2023年，星期一一、 电压变化率电压变化程度——由于变压器内部存在着电阻和漏抗，负载时产生电阻压降和漏抗压降，导致次级侧电压随负载电流变化而变化。设外施电压为额定电压，取空载与额定负载两种情况下的次级侧电压的算术差与空载电压之比定义为电压变化率(又称电压调整率)第八十五页，共九十九页，编辑于2023年，星期一电压变化率U%的分析用副边量表示用原边量表示第八十六页，共九十九页，编辑于2023年，星期一简化计算前提条件：电流为额定电流，即I2N*=1第八十七页，共九十九页，编辑于2023年，星期一电压变化率与负载大小额定负载时（感性负载）：

一般负载时

定义负载率第八十八页，共九十九页，编辑于2023年，星期一电压变化率与负载性质U与负载电流的功率因数有关第八十九页，共九十九页，编辑于2023年，星期一电阻性负载时功率因数等于1，即2＝O，cos2=1，sin2＝O，U％=ua*。电压降落不大。电阻电感性负载时功率因数为滞后，2取正值，随着2增大，ua*cos2减小，ur*sin2增大，U随之增大。但不是直线关系。U％有一最大值，用d(U％)／d2＝0求极值条件，求得当U％达到最大，当继续增大，U％又趋于减小。电阻电容性负载时功率因数为超前，2取负值，这时U％为两项之差。当满足条件ua*cos2=ur*sin2时U=0。当电阻电容性负载功率因数继续减小，则ua*cos2＜ur*sin2，U％变为负值、这时负载电压反而大于空载电压。第九十页，共九十九页，编辑于2023年，星期一影响端电压的因素小结①负载大小β=I1／I1N=I2／I2N②漏阻抗rk，xk③负载性质2，容性负载ΔU＜0，感性负载ΔU＞0即：输出端电压可能超过额定电压第九十一页，共九十九页，编辑于2023年，星期一二、变压器的效率效