电机学2变压器

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1、第1篇 变压器,变压器的结构和工作原理变压器的运行分析三相变压器其它形式变压器,第1章 变压器的用途、分类基本结构和额定1.1变压器的用途和分类,变压器是一种静止的电机。利用电磁耦合把电能或信号从一个电路传到另一个电路中，它对电能的经济传输，灵活分配和安全使用起着重要作用，在电能测试、控制和特殊用电设备上应用广泛。在电力系统中，把一种电压的交流电变成同一频率的另一电压交流电，在通讯系统中，主要用于传递信息及阻抗变换，此外在调压，变压，变流等都有其用处。常用的变压器有用于电力系统传输电能的电力变压器、给锅炉供电的电炉变压器，用于电力机车供电的整流变压器，及电压互感器，电流互感器等。变压器在电能传

2、输过程中的地位。变压器的总容量大致相当于发电机容量的6_8倍。输电过程中，通常先将电压升高，通过高压电线传到远方的城市，然后经过降压变压器降为10KV电压，在经配电变压器送给分配给用户，电压为6KV或380/220V。,按用途分：电力变压器、特种变压器、互感器。,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：心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。,1.2 变压器的结构,一 主要结构部件（油浸式电力变

3、压器） 主要由铁芯、线圈、油箱和绝缘套管等组成。 铁芯：主磁通经过的磁路部分，用硅钢片涂绝缘漆（可提高磁路的导磁性能和减少涡流损耗）叠压或卷压而成，分叠片和渐开线式两种，叠片又分为芯式和壳式。芯式用铁量少，结构简单，散热好，大多数采用此种结构，壳式用铜量少，适用于小容量变压器。渐开线式（规格渐开线形状硅钢片插装而成），优点节省硅钢片。硅钢片也采用不同的排法，因为铁心磁回路不能有间隙，这样才能减少变压器的励磁电流，即相邻两层铁心叠片的接缝要互相错开。 线圈：变压器的电路部分，用绝缘的铜线和铝线制成，用同心式和交迭式两种，根据绕制特点又分为很好。 油箱：机械支撑，冷却散热和保护作用。 油：绝缘和冷

4、却作用。 套管：绝缘作用。 用作高压线圈：电压高，电流小，导线细，匝数多，圆线绕成多层圆筒式线圈。 用作低压线圈：电压低，电流大，导线截面大，匝数少，采用扁线绕成单层或双层。,连接发电机与电网的升压变压器,返回,三相干式变压器,接触调压器,电源变压器,环形变压器,控制变压器,1.3、型号与额定值,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,额定值,此外，额定值还有额定频率、效率、温升等。,是指一次侧所加的额定电压，

5、是指一次侧加额定电压时二次侧的开路电压。在三相变压器中额定电压为线电压。,1.4、基本工作原理,变压器的主要部件是铁心和套在铁心上的两个绕组。两绕组只有磁耦合没电联系。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。,只要(1)磁通有变化量;(2)一、二次绕组的匝数不同，就能达到改变压的目的。,原边：一次绕组，原绕组副边：二次绕组（次级线圈），副边绕组注感应电动势的正方向与磁通正方向符合右手螺旋关系。原理：原边从电源吸取电功率，通过磁场（电磁感应）传到付边绕组，然后后将电功率传送到负载 原、副过感应电动势之比等于匝数之比，其与原、副边电压比接近，所以改变匝数

6、就可以变换电压。变压器的工作原理；原边绕组从电源吸取电功率，借助磁场媒介，根据电磁感应原理，传递到副过绕组，然后在将电功率传递到负载,第2章变压器的运行分析,变压器空载运行变压器的负载运行变压器参数的测定标幺值变压器的运行特性,2.1 变压器的空载运行,1物理情况,变压器空载运行时的物理情况 空载运行状态：原边接电压，副边开路的运行状态，此时为空载运行状态，原边的电流为空载电流i。，空载磁动势i0N1，建立空载磁场。 主磁通，在铁芯中闭合流通，同时交链原、副绕组，是实现能量转换和传递的主要因素。 漏磁通通过非磁性介质（空气或变压器油）只与原边相交链，占一小部分。交变的磁通会产生感应电动势。,各

7、电磁量参考方向的规定,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；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,一次侧遵循电动机惯例，二次侧遵循发电机惯例。,强调：磁通与产生它的电流之间符合右手螺旋定则；电动势与感应它的磁通之间符合右手螺旋定则。,2感应电动势,（1）主磁通感应的电动势主电动势,设,则,有效值,相量,同理，二次主电动势也有同样的结论。,可见，当主磁通按正弦规律变化时，所产生的一次主电动势也按正弦规律变化，时间相位上滞后主磁通 。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。,（2）漏磁通感

8、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,由于漏磁通主要经过非铁磁路径,磁路不饱和,故磁阻很大且为常数,所以漏电抗 很小且为常数,它不随电源电压负载情况而变.,3电动势平衡方程和变比,(1)电动势平衡平衡方程,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和频率，以及一次线圈的匝数。,重要公式,二次侧电动势平衡方程,(2)变比,定义,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,4.励磁电流 空载运行时，由空载电流建立主磁场，所以空载电

9、流又叫激磁电流。空载电流即励磁电流：电流和磁通的关系（1）铁心磁路不饱和且无铁损时B-H线性关系，B（）-H（I）线性关系。（2）磁路饱和，不计铁损时，磁通为正弦波，电流为尖顶波。（3）磁路饱和且考虑铁损时，为尖顶波且励磁电流超前磁通一个小角度,空载电流波形,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。,当空载电流按正弦规律变化时，主磁通呈尖顶波形。,实际空载电流为非正弦波，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。,实际的磁通与磁化电流曲线是一条磁滞回线。励磁电流为不对称的尖顶波，超前于主磁通一个

10、角度，励磁电流可以分解为两个分量：磁化电流与主磁通同相位用以建立磁场；另一分量为超前主磁通900，即与外施电压同相位的有功电流，即原边绕组向电源吸收电功率用以供给磁滞损耗。实际电路中还有涡流损耗即还有一个有功电流分量iW，则iFe=ih+iW ， 实际空载电流 i0=iU+iFe。 实际中用正弦波代替尖顶波，等效条件为两者的频率相等；有效值相等；等效电流的相位应保证向电源吸取的有功功率等于铁耗。,(1)iU磁化电流：空载电流的无功分量，单纯的磁化作用。 当外加正弦电压时，感应电动势为正弦波，主磁通为正弦波时，磁化电流的波形畸变为尖顶波。磁化电流的大小和波形取决于铁芯的饱和程度，即取决于磁通密度

11、Bm的大小。 (2)iFe铁耗电流：空载电流的有功分量，对应磁滞损耗和涡流损耗。铁损包括磁滞损耗和涡流损耗 一般的电力变压器磁化电流远大于铁耗电流。,空载损耗,对于已制成变压器，铁损与磁通密度幅值的平方成正比，与电流频率的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，改进设计结构的方向是采用优质铁磁材料：优质硅钢片、激光化硅钢片或应用非晶态合金。,5空载时的等效电路和相量图,(1)等效电路,一次侧的电动势平衡方程为,空载时等效电路为,由于 ，所以有时忽略漏阻抗，空载等效电路只是一个 元件的电路。在 一定的情况下， 大小取决于 的大小。从

12、运行角度讲，希望 越小越好，所以变压器常采用高导磁材料，增大 ，减小 ，提高运行效率和功率因数。,(2)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,（2） 与 同相， 滞后 ，,（3） 滞后 ， ；,（4）,（5）,空载运行小结,（1）一次绕组漏抗Z1=R1+jX1，X反映感应电动势的作用。是常数,（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）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，

13、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。,变压器的外特性：指副边端电压与负载电流的关系叫做变压器的外特性。 实际运行中，电力变压器带的负载通常都是电感性负载，所以端电压通常下降的。电压变化率：反应供电电压稳定性的指标。变压器原边接额定电压，副边开路时，副边端电压U20就是副边额定电压U2N，接上负载之后，副边电压为U2，与U20的差与U2N的比值就叫电压变化率。用简化等效电路表示变压器在额定负载下的工作情况其电压变化率为，当不在额定负载下运行时，,2.2 单相变压器的负载运行,1 负载运行时的电磁关系,变压器一次侧接在额定频率、额定电压的交流电源上，二次接上负载的运行状态，称为

14、负载运行。,用图示负载运行时的电磁过程,2 基本方程,磁动势平衡方程,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.,电动势平衡方程,根据基尔霍夫电压定律可写出一、二次侧电动势平衡方程,负载运行时,忽略空载电流有:,表明，一、二次电流比近似与匝数成反比。可见，匝数不同，不仅能改变电压，同时也能改变电流。,3折算,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。,方法：（将二次侧折算到一次侧),折算：将变压器的二次（或一次）绕组用另一个绕组(N2=N1)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,用一个等效的电路代替实际的

15、变压器。,折算后的方程式为,4等效电路,根据折算后的方程，可以作出变压器的等效电路。,T型等效电路：,近似等效电路,简化等效电路：,由简化等效电路可知，短路阻抗起限制短路电流的作用，由于短路阻抗值很小，所以变压器的短路电流值较大，一般可达额定电流的1020倍。,5相量图,作相量图的步骤对应T型等效电路， 假定变压器带感性负载。已知：U2，I2,R2,X2,作相量图的步骤（假定带感性负载）对应简化等效电路,由等效电路可知,根据方程可作出简化相量图,铁损耗与外加电压大小有关，而与负载大小基本无关，故也称为不变损耗。,6 变压器的损耗,铜损耗分基本铜损耗和附加铜损耗。基本铜损耗是在电流在一、二次绕组直流电阻上的损耗；附加损耗包括因集肤效应引起的损耗以及漏磁场在结构部件中引起的涡流损耗等。,变压器的损耗主要是铁损耗和铜损耗两种。,铁损耗包括基本铁损耗和附加铁损耗。基本铁损耗为磁滞损耗和涡流损耗。附加损耗包括由铁心叠片间绝缘损伤引起的局部涡流损耗、主磁通在结构部件中引起的涡流损耗等。,铜损耗大小与负载电流平方成正比，故也称为可变损耗。,2.3变压器的参数测定,1 空载实验,(1)目的：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、铁损和励磁阻抗。,(2)接线图,(3) 要求及分析,1）低压侧加电压，高压侧开路；,