《电机与电气控制技术》李益民+电子课件-第二章变压器

学习目标:第二章变压器熟悉变压器的作用、基本结构及工作原理掌握变压器的运行原理、等效电路及平衡方程式熟悉变压器空载和短路试验的目的、线路、试验方法和技巧掌握变压器同名端的判定方法及三相变压器连接组别和时钟表示法的判定掌握自耦变压器、电流互感器、电压互感器的特点及使用注意事项案例1：电能的产生、输送与分配第二章变压器电力系统组成的方框图三相电力系统第二章变压器案例2：高压输电:电能升压输电降压用户第一节：概述一、变压器的用途作用：静止电气设备，它利用电磁感应原理，将某一数值的交变电压变换为同频率的另一数值的交变电压。还可用来改变电流、变换阻抗以及产生脉冲等。用途：主要用于输配电系统，而且还广泛应用于电气控制领域、电子技术领域，测试技术领域以及焊接技术领域等。二、变压器分类1．按用途分类（1）电力变压器。用作电能的输送与分配。（2）特种变压器。在特殊场合使用的变压器，如作为焊接电源的电焊变压器；专供大功率电炉使用的电炉变压器；将交流电整流成直流电时使用的整流变压器等。（3）仪用互感器。用于电工测量中，如电流互感器、电压互感器等。（4）控制变压器。容量一般比较小，用于小功率电源系统和自动控制系统。（5）其他变压器。如试验用的高压变压器；输出电压可调的调压变压器；产生脉冲信号的脉冲变压器。2．按绕组构成分类有双绕组变压器、三绕组变压器、多绕组变压器和自耦变压器等。3．按铁心结构分类有叠片式铁心、卷制式铁心、非晶合金铁心。4．按相数分类有单相变压器、三相变压器、多相变压器。5．按冷却方式分类有干式变压器、油浸自冷变压器、油浸风冷变压器、强迫油循环变压器、充气式变压器等。第二节：变压器的铭牌和额定值一、铭牌正确地使用变压器的依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

28．9

400721．7

Ⅲ

9500

30．4

XX变压器厂XX年XX月二、额定值（一）型号（二）额定电压U1N和U2N

U1N：加在一次绕组上的正常工作电压值。它是根据变压器的绝缘强度和允许发热等条件规定的U2N：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。U2N不等于额定负载时的负载电压。有一个电压降使空载电压大于负载电压。额定电压在三相变压器中是指线电压。（三）额定电流I1N和I2N

根据变压器容许发热的条件而规定的满载电流值。在三相变压器中额定电流是指线电流。（四）额定容量SN

变压器在额定工作状态下，二次绕组的视在功率，其单位为kV·A。单相变压器的额定容量三相变压器的额定容量（五）联结组标号三相变压器一、二次绕组的连接方式

Y（高压绕组作星形联结）、y（低压绕组作星形联结）；D（高压绕组作三角形联结）、d（低压绕组作三角形联结）；N（高压绕组作星形联结时的中性线）、n（低压绕组作星形联结时的中性线）。（六）阻抗电压又称为短路电压。它标志在额定电流时变压器阻抗压降的大小。通常用它与额定电压U1N的百分比来表示。例2－1：一台三相油浸自冷式铝线变压器，已知SN＝560kV·A，U1N/U2N=10000V/400V，试求一次、二次绕组的额定电流I1N

、I2N各是多大?解：第三节：单相变压器基本结构及工作原理案例3：生活中有很多电器从单相电源取电，如计算机、收音机、充电器等。计算机工作时，内部需要的电源有的很低如DC5V、DC12V等，其内部的单相变压器就是将220V交流电源变为较低等级电压的一种设备，然后再经整流设备将交流整流为直流供给各部件如CPU、CPU风扇等使用。单相变压器：接在单相交流电源上用来改变单相交流电压的变压器，其容量一般都比较小，主要用作控制及照明。一、单相变压器的基本结构（一）铁心构成变压器磁路系统，并作为变压器的机械骨架。

铁心柱

磁轭0.35mm厚的硅钢片，减小铁耗。国产硅钢片有热轧硅钢片、冷轧无取向硅钢片、冷轧晶粒取向硅钢片心式变压器壳式变压器单相小容量变压器铁心形式为了减小铁心磁路的磁阻以减小铁心损耗，要求铁心装配时，接缝处的空气隙应越小越好。（二）绕组变压器中的电路部分，小型变压器一般用具有绝缘的漆包圆铜线绕制而成，对容量稍大的变压器则用扁铜线或扁铝线绕制。

1．同心式绕组高、低压绕组同心地套装在铁心柱上。为了便于与铁心绝缘，把低压绕组套装在里面，高压绕组套装在外面。按其绕制方法的不同又可分为圆筒式、螺旋式和连续式

2．交叠式绕组将高压绕组及低压绕组分成若干个线饼，沿着铁心柱的高度交替排列着。为了便于绝缘，一般最上层和最下层安放低压绕组又称饼式绕组漏抗小、机械强度高、引线方便。这种绕组形式主要用在低电压、大电流的变压器上，如容量较大的电炉变压器、电阻电焊机（如点焊、滚焊和对焊电焊机）变压器优点:二、变压器的基本工作原理互相绝缘且匝数不同只有磁的耦合而没有电的联系二、变压器的基本工作原理根据电磁感应原理：改变一、二次绕组的匝数，就可达到改变电压的目的。第四节：单相变压器的空载运行及负载运行一、变压器的空载运行（一）空载运行时各物理量正方向的规定二次绕组开路按照“电工惯例”规定参考方向：（1）电压的参考方向：在同一支路中，电压的参考方向与电流的参考方向一致。（2）磁通的参考方向：磁通的参考方向与电流的参考方向之间符合右手螺旋定则。（3）感应电动势的参考方向：由交变磁通Ф产生的感应电动势e，其参考方向与产生该磁通的电流参考方向一致（即感应电动势e与产生它的磁通

Ф之间符合右手螺旋定则）。参考方向的规定按此参考方向列出的电磁感应定律方程：（二）感应电动势和变比设Φ＝Φmsinωte滞后于Φ900结论：有效值：E1=4.44fN1ФmE2=4.44fN2Фm略去一次绕组中的阻抗不计U1≈E1＝4.44fN1Фm

U2＝E2=4.44fN2Фm

变压比，简称变比U1恒定时，变压器铁心中的磁通Фm基本上保持不变（三）变压器的空载电流和空载损耗空载电流（2～10）％IN

无功分量Iq，用来建立磁场，起励磁作用有功分量Id，用来供给变压器铁心损耗<10％I0

空载损耗绝大部分是铁心损耗P0，即磁滞损耗与涡流损耗，只有极少部分是一次绕组电阻上的铜损耗I02R

可认为变压器的空载损耗就是变压器的铁心损耗

（四）空载运行时相量图单相变压器电路原理图理想变压器空载运行相量图

例2—2：如图所示，低压照明变压器一次绕组匝数N1＝660匝，一次绕组电压Ul＝220V，现要求二次绕组输出电压U2＝36V，求二次绕组匝数N2及变比Ku解：降压变压器：Ku>1升压变压器:Ku<1二、变压器的负载运行单相变压器负载运行二次绕组中有电流一次绕组中电流变为i1

变压器负载运行时的磁通势平衡方程式:因为电源电压不变，故负载时的磁势和空载时相同：N1I1≈N2I2忽略I0:变压器的变流比变压器的高压绕组匝数多，而通过的电流小，因此绕组所用的导线细；反之低压绕组匝数少，通过的电流大，所用的导线较粗。结论：三、变压器的阻抗变换相当于直接接在一次绕组上的等效阻抗输出变压器、线间变压器阻抗匹配作用。在电子电路中，为了获得较大的功率输出往往对输出电路的输出阻抗与所接的负载阻抗之间有一定的要求。例如对音响设备来讲，为了能在扬声器中获得最好的音响效果（获得最大的功率输出），要求音响设备输出的阻抗与扬声器的阻抗尽量相等。利用输出变压器可以达到阻抗匹配的作用。例2—3：某晶体管收音机输出电路的输出阻抗为Z/=392Ω，接入的扬声器阻抗为Z=8Ω，现加接一个输出变压器使两者实现阻抗匹配，求该变压器的变比K；若该变压器一次绕组匝数N1=560匝，问二次绕组匝数N2为多少?解：四、变压器参数的测定作用：利用参数、基本方程式、等效电路、相量图求变压器的运行性能。（一）变压器的空载试验求变比k、空载电流I0、空载损耗P0以及等效电路中的励磁阻抗Zm，从而判断铁心和线圈质量。试验时，一般在变压器低压侧加电压，测量高压侧对应的电压、电流和功率。目的：

（一）变压器的空载试验空载试验线路图计算时，采用电压为额定点的参数，因为空载电流很小，此时的铜损耗很小，故可近似认为额定电压点测得的空载损耗即为变压器额定运行时的空载损耗即铁耗。（一）变压器的空载试验计算：计算：总阻抗Z0=Z1+Zm此处U20指高压侧电压，U1指低压侧电压。即试验电压。注意：若空载试验在低压侧进行，要获得高压侧参数时，必须进行折算。空载时功率因数很低，一般采用0.2的功率因数表。求负载时的铜损耗和短路阻抗。试验时，一般在变压器高压侧加电压，低压侧直接短路，测量高压额定电流点对应的电压、电流和功率。目的：

（二）变压器的短路试验短路试验线路图（二）变压器的短路试验计算时，采用电流为额定点的参数，因为此时短路电压很低，铁损耗很小，故可近似认为额定电流点测得的短路损耗即为变压器额定运行时的铜损耗。计算：（二）变压器的短路试验温度换算：由于线圈电阻随温度而变化，试验时的温度和实际变压器运行时的温度不同，国家标准规定，变压器的短路电阻应换算到工作温度750C时的值。（二）变压器的短路试验短路电压（或阻抗电压）：短路试验时，使短路电流为额定电流时加在一次侧的电压称为短路电压，即USN=ISNZS75,它为额定电路在短路阻抗上的压降，亦称作阻抗电压。短路电压通常用与额定电压的百分值来表示，即标么值：短路电压的大小直接反映短路阻抗的大小，而短路阻抗直接影响变压器的运行性能，所以正常运行时希望它小些，这样负载变化时二次电压波动小，但从短路故障的角度，为限制短路电流，又希望阻抗电压大些。小型变压器的US为4～10.5，大型变压器为12.5～17.5％第五节变压器的运行特性案例4：配电站中的变压器将高压（10000V）变为用户电气设备使用的电压等级，一般其变压器二次侧的额定电压为400V，而我们知道，低压动力负荷的三相额定电压一般为380V，照明的单相电压为220V，为什么变压器二次侧的额定电压不是380V呢？一、变压器的外特性及电压变化率外特性:一次绕组电压U1和负载的功率因数cosφ2一定时，二次绕组电压U2与负载电流I2的关系.滞后的无功电流产生去磁作用使电压下降超前的无功电流产生增磁作用使电压上升用标么值表示，便于不同变压器之间比较电压变化率：用ΔU％来表示二次侧空载电压额定负载时二次侧电压ΔU％反映供电电压的稳定性。ΔU％越小，说明变压器二次绕组输出的电压越稳定。常用变压器ΔU％为3％～5％

例2—4：某台供电电力变压器将U1N=10000V的高压降压后对负载供电，要求该变压器在额定负载下的输出电压为U2=380V，该变压器的电压变化率ΔU％＝5％，求该变压器二次绕组的额定电压U2N及变比K。解：U2N=400VK=U1N/U2N=10000/400=25二、变压器的损耗及效率P1=U1I1COSφ1P2=U2I2COSφ2损耗ΔP

＝P1-P2=Pcu+PFe1．铁损耗PFe基本铁损耗附加铁损耗与U1有关，与负载电流无关，当U1不变时，铁耗基本不变。故铁耗称为不变损耗。2．铜损耗PCu基本铜损耗附加铜损耗电流在一次、二次绕组电阻上产生的损耗漏磁通产生的集肤效应使电流在导体内分布不均匀而产生的额外损耗铜损耗与负载电流的平方成正比，所以铜损耗又称为“可变损耗”3．效率中小型电力变压器效率在95％以上，大型电力变压器效率可达99％以上.例2－5：S9－500/10低损耗三相电力变压器额定容量500kV·A，设功率因素为1,二次电压U2N=400V，铁损耗PFe=0.98KW，额定负载时铜损耗PCu＝4.1kW，求二次额定电流I2N及变压器效率η。P2=SNCOSφ=500kW解：4．效率特性效率η也随负载电流I2的变化而变化的关系负载系数不变损耗等于可变损耗时，变压器的效率最高。通常最高效率位于β=0.5∽0.6之间

第六节三相变压器一、三相变压器的基本结构三相变压器组三相心式变压器三相绕组接入对称的三相交流电源时，三相绕组中产生的主磁通也是对称的，故三相磁通之和等于零，因此中间铁心柱可以省略三相变压器外形1．铁心铁心是三相变压器的磁路部分，与单相变压器一样，它也是由0.35mm厚的硅钢片叠压（或卷制）而成，新型电力变压器铁心均用冷轧晶粒取向硅钢片制作，以降低其损耗。三相电力变压器铁心均采用心式结构。阶梯形的级数越多，则变压器结构越紧凑，但叠装工艺越复杂。铁心柱截面形状2．绕组绕组是三相电力变压器的电路部分。一般用绝缘纸包的扁铜线或扁铝线绕成，当前新型的绕组结构为箔式绕组电力变压器，绕组用铝箔或铜箔氧化技术和特殊工艺绕制，使变压器整体性能得到较大的提高，我国已开始批量生产。交叠式绕组同心式绕组绕组的结构形式：3．油箱和冷却装置油箱内装变压器油扁形散热油管或片式散热器帮助散热10000kV·A的电力变压器，采用风吹冷却或强迫油循环冷却装置。储油柜：通过连接管与油箱相通使变压器油与空气的接触面积大为减小，从而减缓了变压器油的老化速度新型的全充油密封式电力变压器则取消了储油柜，运行时变压器油的体积变化完全由设在侧壁的膨胀式散热器（金属波纹油箱）来补偿。4．保护装置在油箱和储油柜之间的连接管中装有气体继电器，当变压器发生故障时，内部绝缘物汽化，使气体继电器动作，发出信号或使开关跳闸。（1）气体继电器。装在油箱顶部，它是一个长的圆形钢筒，上端用酚醛纸板密封，下端与油箱连通。若变压器发生故障，使油箱内压力骤增时，油流冲破酚醛纸板，以免造成变压器箱体爆裂。近年来，国产电力变压器已广泛采用压力释放阀来取代防爆管。（2）防爆管（安全气道）。二、三相变压器的极性（一）变压器的极性同极性端或同名端：变压器的一、二次绕组绕在同一个铁心上，都被磁通Ф交链，故当磁通交变时，在两个绕组中感应出的电动势有一定的方向关系，即当一次绕组的某一端点瞬时电位为正时，二次绕组也必有一电位为正的对应端点。这两个对应的端点，我们称为同极性端或同名端，通常用符号“·”表示。变压器绕组的正确连接图绕组的错误连接绕组电压为110V，电源电压为220V时的连接方法绕组电压为110V，电源电压为110V时的连接方法无感应电动势，将烧毁绕组（二）变压器极性的判定1．对两个绕向已知的绕组绕向不同时，同名端不同（二）变压器极性的判定2．对一台已经制成的变压器交流法测定同名端U13＝U12—U34，则说明N1、N2组为反极性串联，故1和3为同名端。如果U13＝U12＋U34，则1和4为同名端。（二）变压器极性的判定2．对一台已经制成的变压器直流法测定同名端直流电源接在高压绕组上，而直流毫伏表接在低压绕组两端。当开关S合上的一瞬间，如毫伏表指针向正方向摆动，则接直流电源正极的端子与接直流毫伏表正极的端子为同名端。（一）三相变压器绕组的连接方法绕组名称单相变压器三相变压器中性点首端末端首端末端高压绕组

U1

U2

U1、V1、W1

U2、V2、W2

N低压绕组

U1

U1

U1、v1、w1

U2、v2、w2

n中压绕组

U1m

U2m

U1m、V1m、Wlm

U2m、V2m、W2m

Nm绕组的首端和末端的标记三、三相变压器的连接组三相绕组连接方法字母表示：旧标准：Y和△高压Y，D，N低压y,d，n新标准：联结组别表示一次绕组线电压与二次绕组线电压之间的相位关系。一、二次绕组线电动势的相位差总是300的整数倍。因此，国际上规定，标志三相变压器一、二次绕组线电动势的相位关系用时钟表示法。规定一次绕组线电势为长针，永远指向钟面上的“12”，二次绕组线电势为短针，它指向钟面上的哪个数字，该数字则为该三相变压器联结组别的标号。三相变压器一、二次绕组不同接法的组合形式有：Y，y；YN，d；Y，d；Y，yn；D，y；D，d等，其中最常用的组合形式有三种，即Y，yn；YN，d和Y，d

。大容量的变压器通常采用Y，d或YN，d联结。容量不太大而且需要中性线的变压器，广泛采用Y，yn联结，以适应照明与动力混合负载需要的两种电压。相电压只有线电压的1／，当中性点引出接地时，绕组对地的绝缘要求降低了Y,y0联结组（二）Y，y联结组

Y,y6联结组（二）Y，y联结组

Y,d11联结组（三）Y，d联结组

Y,d1联结组（三）Y，d联结组为了制造及运行方便的需要，国家标准规定了三相电力变压器只采用五种标准联结组，即Y，yn0、YN，d11、YN，y0、Y，y0和Y，dll。常用，它用于容量不大的三相配电变压器，低压侧电压为400～230V，用以供给动力和照明的混合负载。一般这种变压器的最大容量为1800kV·A，高压侧的额定电压不超过35kVY，yn0四、三相变压器的并联运行并联运行：几台三相变压器的高压绕组及低压绕组分别连接到高压电源及低压电源母线上，共同向负载供电的运行方式。在变电站中，总的负载经常由两台或多台三相电力变压器并联供电（1）一、二次绕组电压应相等，即变比应相等。（2）联结组别必须相同。（3）短路阻抗（即短路电压）应相等。并联运行的变压器必须满足以下条件：（一）变比不等时的并联运行K1<K2E1>E2

两个二次绕组之间形成环流Ic，这个电流称为平衡电流。

短路阻抗小平衡电流大电流大，可能超过额定值电流小于额定值并联运行的变压器，其变压比误差不允许超过±0.5％（二）联结组别不同时变压器的并联运行线电压的相位差至少为300，因此会产生很大的电压差ΔU2

如Y，y0和Y，dll两台变压器并联，二次绕组中产生比额定电流大得多的空载环流，导致变压器损坏.后果：（三）短路阻抗（短路电压）不等时变压器的并联运行ZS1I1=Zs2I2E2相等，U2相等

容量相同、变比相等、联结组别也相同，但短路阻抗不等：负载电流的分配与各台变压器的短路阻抗成反比，短路阻抗小的变压器输出的电流要大，短路阻抗大的输出电流较小，则其容量得不到充分利用.并联运行的变压器其短路电压比不应超过10％。为合理分配负载，防止小容量的变压器过载，大容量的变压器得不到充分利用，要求投入并联运行的各变压器，最大容量与最小容量之比不宜超过三比一第七节其他用途变压器一、自耦变压器（一）结构特点及用途一二次绕组不仅有磁耦合还有电的直接连接（二）电压、电流及容量关系U1≈E1＝4.44fN1ФmU2＝E2＝4.44fN2Фm负载时的磁势平衡方程式：忽略空载磁通势，则自耦变压器一、二次绕组中的电流大小与匝数成反比，在相位上互差1800.结论：流经公共绕组中的电流I的大小为:I=I2－I1I总是小于输出电流I2。当变比K接近于1时，则I1与I2的数值相差不大，即公共绕组中的电流I很小，因而这部分绕组可用截面积较小的导线绕制，以节约用铜量，并减小自耦变压器的体积与重量。结论：（二）电压、电流及容量关系S2=U2I2=U2（I+I1）=U2I+U2I1自耦变压器输出的视在功率为（二）电压、电流及容量关系S2=U2I2=U2（I+I1）=U2I+U2I1自耦变压器输出的视在功率为由电磁感应原理从一次绕组传递到二次绕组的视在功率通过电路的直接联系从一次绕组直接传递到二次绕组的视在功率I1只在一部分绕组的电阻上产生铜损耗，因此自耦变压器的损耗比普通变压器要小，效率较高，因而较为经济。K一般介于1.2～2间，此时变压器优势较明显。应用举例：电力系统中，用自耦变压器把110kV、150kV、220kV和330kV的高压电力系统连接成大规模的动力系统。自耦变压器的缺点：一、二次绕组的电路直接连在一起，造成高压侧的电气故障会波及到低压侧，很不安全。因此要求自耦变压器在使用时必须正确接线，且外壳必须接地，并规定安全照明变压器不允许采用自耦变压器结构形式。（二）电压、电流及容量关系自耦调压器输出电压可调，可稍高于一次绕组电压例：实验室中常用的单相调压器，一次绕组输入电压U1＝220V，二次绕组输出电压U2＝0～250V二、仪用互感器（一）结构特点及用途作用：①为了测量人员的安全，使测量回路与高压电网相互隔离；②扩大测量仪表（电流表及电压表）的测量范围。电压互感器电流互感器分类：

1．电流互感器在电工测量中用来按比例变换交流电流的仪器串在电路中，流过被测电流匝数少，导线粗。二次电流表量程一般为5A。实际中已换算成一次电流，其标度尺即按一次电流分度，这样可以直接读数，不必再进行换算电流互感器使用注意事项：二次绕组绝对不允许开路电流互感器的铁心及二次绕组一端必须可靠接地钳形电流表利用电流互感器原理如被测电流过小，可将被测导线在钳口内多绕几圈，然后将读数除以所绕匝数用电流互感器进行电流测量时存在一定的误差，根据误差的大小，电流互感器分下列各级：0.2、0.5、1.0、3.0、10.0。如0.5级的电流互感器表示在额定电流时，测量误差最大不超过±0.5％

2．电压互感器在电工测量中用来按比例变换交流电压的仪器实际上是一台降压变压器二次电压表量程一般为100