电机及拖动基础课件第三章综述

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1、1 第三章 变压器 第一节 变压器的工作原理、分类及结构 一、变压器的工作原理 变压器主要部件铁心和 套在铁心上的两个绕组。两 绕组只有磁耦合没有电联系 。在一次绕组中加上交变电 压，产生交链一、二次绕组 的交变磁通，在两绕组中分 别感应电动势。 一次绕组（原绕组或初级绕组）：与电源相连的线圈 二次绕组（副绕组或次级绕组）：与负载相连的线圈 2 按电工惯例规定正方向（习惯正方向）： 1）在同一支路内，电压与电流的正方向一致； 2）磁通量正方向与电流正方向符合右手螺旋定则； 3）由交变磁通量产生的感应电动势正方向与产生该磁通 量的电流正方向一致，并符合 关系。 k电压比 忽略铁心中的损耗，根据能

2、量守恒定律，有： 电压、电动势有效值与匝数关系： 3 二、变压器的分类 按用途分：电力变压器和特种变压器。 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：干式变压器、油浸式变压器 和充气式变压器。 4 电源变压器 电力变压器控制变压器 接触调压器 三相干式变压器 5 三、变压器的结构简介 铁心 绕组 其他部件 变压器的基本结构 变压器的磁路 变压器的电路 为了减少铁心内的磁滞损耗和涡流损耗，铁心通常

3、 用0.35mm或0.5mm厚表面涂有绝缘漆的硅钢片冲成一 定形状叠装而成。 1、铁心 6 铁心变压器主要磁路部分，分铁心柱与铁轭两部分。 三相芯式变压器 1铁心柱 2铁轭 3高压线圈 4低压线圈 按照铁心的结构，变压器 可分为芯式和壳式两种。 芯式变压器: 结构：心柱被绕组所包围。 特点：绕组和绝缘装配比较 容易，电力变压器常常采用 这种结构。 7 单相芯式变压器 1铁心柱 2铁轭 3高压线圈 4低压线圈 8 单相壳式变压器 1铁心柱 2铁轭 3绕组 壳式变压器: 结构：铁心包围绕组的 顶面、底面和侧面。 特点：机械强度较好， 常用于低电压、大电流 的变压器或小容量电讯 变压器。 9 2.

4、绕组变压器中的电路部分，一般用纸包的绝缘扁线 或绝缘圆线绕成。 1低压绕组 2高压绕组 交叠式绕组 高压绕组的匝数多,导线细； 低压绕组的匝数少,导线粗。 从高、低压绕组的相对位置来看, 变压器绕组分为同心式和交叠式。 同心式 结构 高、低压绕组同心地套装在心柱上。 特点 结构简单、制造方便，国产电力 变压器均采用这种结构。 交叠式 结构 高、低压绕组沿心柱高度方向互相交叠地放置。 漏电抗小，机械强度高，多用于特种变压器中。 特点 10 油浸式电力变压器 1信号式温度计 2吸湿器 3储油柜 4油位计 5安全气道 6气体继电器 7高压套管 8低压套管 9分接开关 10油箱 11铁心 12线圈 1

5、3放油阀门 3、其他结构部件 11 4、变压器的额定值 额定容量：额定工作状态下的视在功率（用SN表示，单位 V.A）三相变压器指三相容量之和。 额定电压U1N/U2N:U1N是电源加到一次绕组上的额定电压， U2N是一次绕组加上额定电压后二次绕组开路即空载时二次 绕组的端电压。对于三相变压器额定电压指线电压。 额定电流I1N、I2N：变压器额定容量分别除以原、副边额定 电压计算出来的线电流值。 额定频率fN 我国规定工业用电的频率为50Hz 此外还有额定效率、额定温升等。 单相变压器 三相变压器 12 例3-1 有一台三相油浸自冷式铝线电力变压器， 试求一次、二次绕组的额定电流。 解： Yy

6、0联结 13 第二节 单相变压器的空载运行 一、空载运行时的物理情况 变压器匝数为N1的一次绕组加上 交流电压，变压器匝数为N2的二 次绕组开路，这种情况即为变压 器的空载运行。 主磁通和漏磁通在性质上的不同： 1）由于铁磁材料有饱和现象，主磁路磁阻不是常数，主磁 通与建立它的电流之间呈非线性关系。而漏磁通的磁路大部分 是非铁磁材料组成，磁路磁阻基本上是常数，漏磁通与产生它 的电流呈线性关系。 2）主磁通在原、副绕组中均感应电动势，当接上负载时就 有电功率向负载输出，故主磁通起传递能量的作用。而漏磁通 仅在一次或二次绕组中感应电动势，不能传递能量，仅起压降 作用。因此，在分析变压器时常将主磁通

7、和漏磁通分开处理。 14 一次绕组和二次绕组 的电动势平衡方程式 I0:空载电流；u20:二次绕组的空载电压；R1:一次绕组的电阻。 :主磁通；1 :一次绕组漏磁通。 15 1、感应电动势与主磁通 空载运行时，忽略i1R1和 。 设： 感应电动势e1 和e2 均滞后于 电角度90，其有效值为 E1和E2的相量表达式 16 2.空载电流 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。在一定电压下 ，空载电流大小、波形取 决于饱和度。 磁通按正弦规律变化，空载电流 呈尖顶波形。空载电流按正弦规 律变化时，主磁通呈平顶波形。 实际空载电流不是正弦波，但为了计算 方便，在相量图和计算式中常

8、用正弦的 电流代替实际的空载电流。 空载电流波形 忽略空载损耗：当主磁通为正弦波时，磁路越饱和，电流波形 畸变严重。 17 空载电流 空载电流就是励磁电流，包含两个分量，一个是励磁分量， 作用是建立磁场，产生主磁通无功分量；另一个是铁心 损耗分量，作用是供变压器铁心损耗有功分量。 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。 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。 励磁电流 损耗电流，引起铁心损耗 磁化电流，建立空载磁场 18 空载损耗 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，一般采用

9、优质铁磁材料 ：优质硅钢片、激光化硅钢片或应用非晶态合金。 变压器空载时，一次侧从电源吸收少量的有功功率 ，用来供 给铁耗 和绕组铜耗 。由于 和 均很小，所以 ，即 空载损耗近似等于铁耗。 19 3、漏磁通和漏电抗 漏电动势E1 一次绕组漏自感一次绕组漏电抗 20 二、空载运行时的电动势平衡方程式、相量图及等效电路 其中: Z1 一次绕组漏阻抗 Zm 变压器的励磁阻抗 Xm 变压器的励磁电抗 Rm 变压器的励磁电阻 21 式中 变压器的励磁电导 变压器的励磁电纳 在等效电路中R1、X1是常量；Rm、Xm是变量，随铁心磁路饱和程 度的增加而减少。Rm是表征铁心损耗的一个参数，Xm是表征铁心 磁

10、化性能的一个参数。 22 小结 （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 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、线圈匝数及磁路磁阻 有关，铁心所用材料的导磁性能越好，空载电流越小。 （4）电抗是交变磁通所感应的电动势与产生该磁通 的电流的比值，线性磁路中，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。 23 第三节 单相变压器的基本方程式 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。

11、一、负载运行时的物理情况 由于电源电压恒定，即U1=常数，则E1常数，m常数。因此 ，达到新的电动势平衡的条件是使一次绕组的电流增量所产生的 磁动势与二次绕组电流所产生的磁动势相抵消，以维持主磁通基 本不变，以及由主磁通所感应产生的电动势基本不变。 磁动势平衡关系 24 二、负载运行时的基本方程式 1、磁动势平衡方程式 2、电动势平衡方程式 25 基本方程式 26 第四节 变压器的等效电路及相量图 一、绕组归算 归算：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的变换，以保持两侧的电 磁关系不变。 归算原则：1）磁动势平衡关系不变；2）各功率和损耗不变。 二次

12、绕组归算后，变压器一次和二次绕组具有同样的匝数，即 （一）电动势和电压的归算 则 27 （二）电流的归算 （三）阻抗的归算 阻抗归算的原则：归算前后电阻铜耗及漏感中无功功率不变。 归算后变压器负载运行时的基本方程式变为如下形式： 28 二 、等效电路 右图中，二次绕 组各量均已经归 算到一次绕组， 即 图中a、b和c、d分别是等电 位点，可连接起来而不改变 运行情况。于是作出变压器 的T形等效电路。 29 三 、相量图 相量图的画法，视变压器给定的和求解的具体条件。 给定量和求解量不同，画图步骤也不一样。 根据变压器的T形等效电路，可画出相应的相量图。 变压器接感性负载，负载阻抗由电阻和电感组

13、成， 为滞后； 变压器接容性负载，负载阻抗由电阻和电容组成， 为超前。 30 相量图的画法 （1）画出 ； 假定给定U2、I2、cos2及各个参数 （2）在 相量上加上 得到 ； （3） （6）画出 与 的相量和 ； （7）画出 ，加 得 到 。 （4）画出领先 的主磁通 ； （5）根据 画出 ， 领先 一个铁耗角； 31 四 、近似等效电路 考虑到ZmZ1，当负载变化时，认为励磁电流不随负载的 变化而变化。这样就得到T形等效电路。 32 电压方程为 由于INIm，励磁电流可忽略不计，去掉励磁支路就得到变压 器近似等效电路。 Rk、Xk和Zk分别称为短路电阻、短路电抗和短路阻抗。 33 第五节

14、 等效电路的参数测定 一、空载试验 通过测量空载电流和一、二 次电压及空载功率来计算变 比、空载电流百分数、铁耗 和励磁阻抗。 3、要求及分析 1）低压侧加电压，高压侧开路； 1.目的 2、接线图 34 4、求出参数 5、空载电流和空载功率必须是额定电压时的值，并以此求取 励磁参数； 6、若要得到高压侧参数，须折算； 7、对三相变压器，各公式中的电压、电流和功率均为相值； 等效电路图 35 36 二、负载试验(又称短路试验） 通过测量短路电流、短路 电压及短路功率来计算变压器 的短路电压百分数、铜耗和短 路阻抗。 1、目的 2、接线图 3、要求及分析 1）高压侧加电压，低压侧短路； 3）同时记

15、录实验室的室温； 等效电路图 37 4、由于外加电压很小，主磁通很小，铁耗很小，忽略铁耗。 折算到75时的数值 6、温度折算：电阻应换算到基准工作温度时的数值。 8、对三相变压器，各公式中的电压、电流和功率均为相值。 7、若要得到低压侧参数，须折算。 5、参数 例 对上例的变压器在高压方做短路实验：Uk=400V， Ik=11.55A，Pk=3500W，求短路参数。 38 标么值,就是指某一物理量的实际值与选定的同一单位的基 准值的比值（通常以额定值为基准值）,即 阻抗电压负载试验时，绕组中电流达到额定值，加在 一次绕组上的短路电压。用一次侧额定电压百分值表示。 各侧的物理量以各自侧的额定值为基准；线值以额定线值 为基准值，相值以额定相值为基准值；单相值以额定单相 值为基准值，三相值以额定三相值为基准值。 39 阻抗电压标么值 其中,为短路阻抗的相对值。 优点: 1、额定值的标么值为1。 2、百分值=标么值100%； 3、折算前、后的标么值相等。线值的标么