第二章 变压器(8)

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1、2.1 变压器的基本工作原理和结构,2.2 单相变压器的空载运行,2.3 单相变压器的负载运行,2.5 变压器的参数测定,2.4 标么值,2.8 变压器的并联运行,第二章 变压器,2.7 三相变压器,2.6 变压器的运行特性,教学目的和要求,1了解变压器的分类、主要结构及额定数据；,2掌握变压器的工作原理；,3熟知单相变压器的运行特性；,4掌握三相变压器联结组标号的确定；,5熟知变压器并联运行的条件。,重点难点：,变压器的工作原理，单相变压器的运行分析及三相变压器联结组标号的确定。,2.1 变压器的基本工作原理和结构,一、电压器的用途,变压器的主要功能是把一种等级的电压与电流变成同频率另一种等

2、级的电压和电流。,变压器作用能使电能经济地传输、合理地分配以及安全地使用。,2.1 变压器的基本工作原理和结构,二、变压器的基本工作原理,变压器主要组成：铁心和绕组,一次绕组（原边）：接到交流电源的绕组；,二次绕组（副边）：接到负载的绕组。,只要一、二次绕组的匝数不同，就能达到改变电压的目的。,三、分类,按用途分：电力变压器和特种变压器；,三、分类,按绕组数目分：单绕组（自耦）变压器、双绕组变压器、三绕组变压器和多绕组变压器；,按相数分：单相变压器、三相变压器和多相变压器；,按铁心结构分：芯式变压器和壳式变压器；,按调压方式分：无励磁调压变压器和有载调压变压器；,按冷却介质和冷却方式分：干式变

3、压器、油浸式变压器和充气式变压器。,1. 铁心,变压器的主磁路； 材料：一般由0.35mm或0.5mm冷轧(也用热轧)表面涂有绝缘漆的硅钢片叠成； 铁心交叠：相邻层按不同方式交错叠放，将接缝错开。偶数层刚好压着奇数层的接缝，从而减少了磁阻，便于磁通流通； 铁心柱截面形状：小型变压器做成方形或者矩形；大型变压器做成阶梯形。容量大则级数多。叠片间留有间隙作为油道。,三、变压器基本结构,变压器的电路； 一般用绝缘扁铜线或圆铜线在绕线模上绕制而成；,器身浸在变压器油的油箱中； 油是冷却介质，又是绝缘介质。油箱侧壁有冷却用的管子（散热器或冷却器）。,此外，还有储油柜、吸湿器、安全气道、净油器和气体继电器

4、。,2. 绕组,将线圈的高、低压引线引到箱外，使引线对地绝缘，并担负着固定的作用。,4. 绝缘套管,3. 油箱,四、型号,型号表示一台变压器的结构、额定容量、电压等级、冷却方式等内容，表示方法为,如OSFPSZ-250000/220表明自耦三相强迫油循环风冷三绕组铜线有载调压，额定容量250000kVA，高压额定电压220kV电力变压器。,五、额定值,指长期运行时所能承受的工作电压。,指规定的额定使用条件下所能输出的视在功率。,由于变压器的效率很高，通常一、二侧绕组的额定容量设计成相等。,额定值是制造厂对变压器在指定工作条件下运行时所规定的一些量值，通常标注在变压器的铭牌上。,U2N是指一次侧

5、加U1N时，二次侧的开路电压。,根据额定容量和额定电压计算出的线电流称为额定电流。在三相变压器中指的是线电流。,此外，铭牌上还标注有相数、联结组标号、效率、温升、短路电压标幺值、使用条件、冷却方式等。,4.额定频率f ：标准工业用电频率50HZ。,六、变压器的发热与温升,决定变压器运行时温度高低的因素有二：一是变压器产生的总损耗；另外是变压器的散热能力。,温升：变压器中某部分的温度与周围冷却介质温度之差称为该部分的温升。,我国规定了环境最高温度为。温升都是指比环境温度高出的温度值,2.2 单相变压器的空载运行,空载运行：变压器一次绕组接在交流电源上，二次绕组开路的运行方式。,注：对单相变压器电

6、磁关系的分析结论完全适合对称负载情况下的三相变压器的每一相。,主磁通：同时链着一、二次绕组的磁通称为主磁通。,漏磁通：只链一次绕组或二次绕组本身的磁通称为漏磁通,一、空载运行时的物理情况,二、电磁量参考方向的规定,正方向的规定（惯例）： （1）在一次绕组，电流的正方向与电源电压正方向一致；在二次绕组，电流正方向与电压降的正方向一致。 （2）磁通的正方向与产生它的电流的正方向符合右手螺旋定则。 （3）感应电动势的正方向与产生它的磁通的正方向符合右手螺旋定则。,强调：规定正方向只起坐标作用，不能与该量瞬时实际方向混为一谈。,三、感应电动势分析,1、主磁通感应的电动势主电动势,设,则,有效值,相量,

7、主电动势的大小与电源频率、绕组匝数及主磁通的最大值成正比；时间相位上滞后主磁通90o 同理，二次主电动势也有同样的结论。,2、漏磁通感应的电动势漏电动势,漏电动势也可以用漏抗压降来表示，即,根据主电动势的分析方法，同样有,的大小与磁路的材料、一二次绕组相对位置及磁路的几何尺寸有关； 漏电抗 很小且为常数,它不随电源电压负载情况而变。,四、空载运行电压方程式,1、电动势平衡方程,（1）一次侧电动势平衡方程,忽略很小的漏阻抗压降，并写成有效值形式，有,则：,可见，影响主磁通 大小的因素有电源电压 、电源频率 和一次侧线圈匝数 。,（2）二次侧电动势平衡方程,2、变比,一次电动势E1与二次电动势E2

8、之比,对三相变压器，变比为一、二次侧的相电动势之比，近似为额定相电压之比，具体为,Y，d接线,D，y接线,（单相）,由于磁路饱和，空载电流 与由它产生的主磁通 呈非线性关系。,当磁通按正弦规律变化时，空载电流呈尖顶波形。,五、 空载电流和空载损耗,1、铁心饱和对空载电流的影响,1）性质上： 与 成非线性关系； 与 成线性关系； 2）数量上： 占99%以上， 仅占1%以下(0.1%-0.2%)； 3）作用上： 起传递能量的作用， 起漏抗压降作用。,主磁通与漏磁通的区别,2、铁损耗对空载电流的影响,磁滞损耗：由于磁滞现象在铁心中引 起的损耗；,涡流损耗：交变的磁通在铁心中产生涡流损耗；,铁损耗：磁

9、滞损耗+涡流损耗(有功分量 )。,铁耗角：由于铁损耗的存在，使励磁电流波形超前主磁通波形的角度称铁耗角。,3、空载电流,性质：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；,一个是励磁分量，作用是建立磁场，产生主磁通无功分量 ； 另一个是铁损耗分量，作用是供变压器铁心损耗有功分量 。,组成与作用,注：实际空载电流不是正弦波，但为了分析、计算和测量的方便，在相量图和计算式中常用正弦的电流代替实际的空载电流。,大小：与电源电压和频率、线圈匝数、磁路材质及几何尺寸有关，用空载电流百分数I0%来表示：,4、空载损耗,成品变压器，铁损与磁通密度幅值的平方成正比，与电流

10、频率的1.3次方成正比，即：,空载损耗约占额定容量的0.2%1%，而且随变压器容量的增大而下降； 为减少空载损耗，改进的方向是采用优质的铁磁材料：优质硅钢片、激光化硅钢片或应用非晶态合金。,空载时，一次侧从电源吸收少量的有功功率 ，用来供给铁损 和绕组铜损 。由于 和 均很小，所以空载损耗近似等于铁损，即：,六、变压器空载运行的相量图,根据前面所学的方程，可作出变压器空载时的相量图：,（1）以 为参考相量,（4）,（2） 与 同相， 超前,（3） 滞后,（5）,七、变压器空载运行的等效电路,变压器空载运行的等效电路，从一次边看进去的等效阻抗 那么,由于磁路具有饱和特性，所以 不是常数，随磁路饱

11、和程度增大而减小。,一次侧电压平衡方程：,空载等效电路：,电路中 ，忽略漏阻抗，空载等效电路只是一个Zm元件的电路。 在U1一定的情况下，I0大小取决于Zm的大小。 从运行角度，希望 I0越小越好，所以，变压器常采用高导磁材料，增大Zm，减小 I0，提高运行效率和功率因数。,结论：,（1）一次侧主电动势与漏阻抗压降总是与外施电压平衡,若 忽略漏阻抗压降，则一次主电势的大小由外施电压决定；,（2）主磁通大小由电源电压、电源频率和一次线圈的匝数决 定，与磁路所用的材质及几何尺寸基本无关；,（3）空载电流大小与主磁通、线圈匝数及磁路的磁阻有关， 铁心所用材料的导磁性能越好，空载电流越小；,（4）线性

12、磁路中，电抗为常数，非线性电路中，电抗的大小 随磁路的饱和而减小。,2.3 单相变压器的负载运行,变压器一次侧接在额定频率、额定电压的交流电源上，二次侧接上负载的运行状态，称为负载运行。,一、负载时磁动势及一、二次电流关系,变压器带负载时，负载上电压方程为,式中， 是二次电流， 又称负载电流。,由于 的大小取决于 ，只要 保持不变，由空载到负载， 基本不变，因此有磁动势平衡方程,负载时产生的磁动势为一、二次的合成磁动势 。,为一次绕组磁动势。,为二次绕组磁动势。,为负载时的励磁磁动势。,表明:变压器的负载电流分成两个分量,一个是励磁电流 , 用来产生主磁通,另一个是负载分量 , 用来抵消二次磁

13、动势的作用。电磁关系将一、二次联系起来,二次电流增加或减少必然引起一次电流的增加或减少。,用电流形式表示,可改写为,忽略空载电流有:,二、电磁关系,三、二次回路电压方程式,参考空载时一次漏磁动势的表达形式，二次漏磁动势可写成,称为二次绕组漏电抗,根据基尔霍夫定律及二次回路各电量正方向的规定，二次回路电压方程式为,四、变压器的基本方程式,电磁关系:,强调：,（1）方程式中各量的正方向如上图所示；,（2）各方程式不仅适用于单相变压器的稳定运行，也适用 三相变压器的对称、稳态运行，全部电磁量都是指单相的；,（4）励磁电抗很大，漏电抗很小；,（5）变压器属于恒压源性质；当减小负载阻抗，则能增大二次电流

14、，而一次电流也相应增加（反之亦然）。,（3）主磁通幅值 是由励磁磁动势 或励磁电流 产生， 但其数值大小却取决于端电压 的大小；,四、折合算法,折算：保持两侧绕组的电磁关系不变, 将变压器的二次（或一次）绕组用另一个绕组来等效，同时对该绕组的电磁量作相应变换的方法。,目的：用一个等效的电路代替实际的变压器。,折算原则：1）保持二次侧磁动势不变；2）保持二次侧各功率或损耗不变。,二次绕组折合成一次绕组或简称二次向一次折合,五、折算后的方程式 及等效电路,T型等效电路,根据T型等效电路可以作出变压器的近似等效电路。,T型等效电路,近似等效电路,简化等效电路,短路阻抗起限制短路电流的作用； 由于短路

15、阻抗值很小，所以短路电流值较大，一般可达额定电流的1020倍。,六、相量图,假定变压器带感性负载。 已知U2，I2，cos2，k等参数。,作相量图的步骤,七、功率关系,一次侧的有功功率,上式表明：一次侧输入有功功率=铁损耗+传给二次侧的电磁功率+一次铜损耗。,上式表明：二次侧输出有功功率=一次侧传递给二次侧的电磁功率-二次铜损耗。,二次侧的有功功率,变压器的功率关系,上式表明：变压器一次侧输入有功功率减去铁损耗及一、二侧的铜损耗等于二次侧输出给负载的电功率。,无功功率：一次侧从电源吸收的无功功率，减去励磁电抗，一、二次漏电抗上需要的无功功率，等于二次侧负载所需要的无功功率。,例2-1 一台单相

16、变压器，,一次侧外加电压为额定电压并保持不变，副方负载阻抗,试分别用T型、近似和简化等效电路计算下列各项：,(1) 原、副方电流及副方电压； (2) 原、副方功率因数及输入功率、输出功率和效率； (3) 励磁电流、铁耗和铜耗。,解: 先计算额定电流及变比,用T形等效电路计算 （1）电流、电压,选 ，则,（2）功率因数、功率及效率,（3）损耗,同样可以采用近似和简化等效电路进行计算，三种等效电路计算的结果列于下表，可以看出三种等效电路的计算结果相差很小。,2.4 标么值,某一物理量的实际值与选定的同一单位的固定值的比值。,一、定义,二、基准值的确定,1、通常以额定值为基准值；,2、各侧的物理量以各自侧的额定值为基准；,3、线值以额定线值为基准值，相值以额定相值为基准值；,三、优点,1、额定值的标么值，可以直观地看出变压器的运行情况