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1、第二章 变压器,第二章 变压器,第二章小结,2-1 变压器的结构和铭牌,2-2 变压器工作原理及特性,2-3 三相变压器,2-4 自耦、仪用互感器,说 明,变压器 (Transformer): 是利用电磁感应原理进行工作的，所以将它划在电机的范畴内。由于它没有转动部件，是静止的，因而有人称之为“静止电机”。,变压器是一种常见的电气设备，在电力系统和电子线路中应用广泛。,变压器的主要功能有：,在能量传输过程中，当输送功率P =UI cos 及负载功率因数cos 一定时：,电能损耗小,节省金属材料（经济）,概述：,U I,P = I Rl,I S,电力工业中常采用高压输电低压配电，实现节能并保证用
2、电安全。具体如下：,变压器的应用,在陆上： 变压器广泛应用于电力传输、电气控制、电气检测等方面。 电力传输： 升、降压。原因减小损耗。电气控制：提供合适的电源。电气检测：得到所需的信号。 在船上： 主要有：照明变压器和控制变压器。要求安全、可靠。,学习本章目的：, 学习变压器结构原理，平衡方程，运行特性及参数； 学习三相变压器极性和判别方法； 学习自耦变压器结构原理和互感器使用注意事项。 能够进行变压器的基本计算。,2-1 变压器的基本结构和铭牌数据,主要知识点 变压器的结构 变压器的铭牌数据,变压器的分类：,按用途分：电力（包括照明）、电源、控制、仪用、特殊（电解、电焊等）。 按相数分：单相
3、、三相。 按连接方式分：/、/、/、/等。 按结构形式分：线圈：筒式、盘式， 铁心：心式、壳式。 按冷却方式分：自冷、它冷，风冷、油冷等。,注意：,船用变压器为B级绝缘(工作温度130C )。 船用变压器应该采用干式。,变压器的具体分类（补充）,绝缘等级（C ）,Y-90 A-105 E-120 B-130 F-155 H-180 C-180,组成：变压器由铁心和绕组组成。 铁心：构成磁路。 绕组：构成电路。 位置：低压在里、在边。 绕组按一定规律连接的线圈。,变压器的结构,变压器的结构,变压器的磁路,变压器的电路,变压器的结构,芯式每一块铁心上都有原副边绕组,壳式外铁心柱起保护绕组的作用,变
4、压器的结构示意图及电路符号,降压变压器原边绕组匝数多，副边绕组匝数少。 符号：a)原理图符号；b)单线图符号；c)国外图纸符号。,变压器的铭牌数据,铭牌数据主要有：Sn、U1n/U2n、I1n/I2n、fn等。 额定容量Sn：注意：因为没有气隙，励磁功率小，没有机械损耗(不动)。所以总损耗小，效率高，输出与输入功率相差较小。因此，Sn既是输入额定值，也是输出额定值。 三相额定电压/电流：注意：额定值都是“线”的量。 三相功率计算：不论是三角形还是星形，“线”量与“相”量关系是电压或电流总有一个相等，一个相差 。 所以不论是三角形还是星形其三相功率计算：用线电压和线电流的乘积再在前面乘 。,1）
5、变压器的型号,变压器的铭牌和技术数据,2）额定值,额定电压 U1N、U2N ： 变压器二次侧开路（空载）时，一次、二次侧绕组允许的电压值。,额定电流 I1N、I2N ： 变压器满载运行时，一次、二次侧绕组允许的电流值。,额定容量 SN ：传送功率的最大能力。,容量 SN 输出功率 P2,一次侧输入功率 P1 输出功率 P2,注意：变压器几个功率的关系(单相),效率,变压器运行时的功率取决于负载的性质。,日常维护,1、运行前绝缘、短断路情况 2、保持清洁、避免漏电 3、记录（温度、电压、电流、过载、偏载）,结构（作用）； 铭牌数据（容量、电压、电流）； 注意：冷却方式（不能用油浸式）。,第一节要
6、点,2-2 变压器的工作原理及运行特性,本节的主要内容 变压器的空载运行及变压原理； 变压器的负载运行及磁势平衡关系； 变压器的运行特性。,2.2.1 变压器的空载运行及变压原理,变压器的工作原理：原边绕组N1通入交流电，有励磁电流I0流过原绕组，在磁路中产生交变磁通1m。交变磁通分别在原、副绕组感应电势e1和e2。,感应电势公式： E1 = 4.44 f N11m； （4.44公式） E2 = 4.44 f N21m。,变压器的工作原理,(1),(2),(3),(4),变压器的工作原理,一次、二次绕组互不相连，能量的传递靠磁耦合。,空载运行情况,一次侧接交流电源， 二次侧开路。,空载时，铁心
7、中主磁通是由一次绕组磁动势产生的。,电压变换（设加正弦交流电压）,有效值:,同 理：,主磁通按正弦规律变化，设为 则,(1) 一次、二次侧主磁通感应电动势,根据KVL：,变压器一次侧等效电路如图,由于电阻 R1 和感抗 X1 (或漏磁通)较小，其两端的电压也较小，与主磁电动势 E1比较可忽略不计，则,(2) 一次、二次侧电压,式中 R1 为一次侧绕组的电阻; X1=L1 为一次侧绕组的感抗(漏磁感抗，由漏磁产生)。,对二次侧，根据KVL：,结论：改变匝数比，就能改变输出电压。,式中 R2 为二次绕组的电阻; X2=L2 为二次绕组的感抗； 为二次绕组的端电压。,变压器空载时:,式中U20为变压
8、器空载电压。,故有,平衡方程式（电压关系）,变压器的磁通：主磁通与漏磁通。 主磁通(working flux)：同时与原、副绕组交链的磁通。是主磁通。磁路是铁磁材料（会饱和）。 漏磁通 (leakage flux )：只与一个绕组交链的磁通，非工作磁通。磁路主要是空气（不会饱和）。 感应电动势： 主磁通感应电动势：E1和E2。 漏磁通感应电动势：E1和E2。 处理：Xm和X1 。注意： Xm和Zm不是常数。,定量考虑,1、原、副边绕组铜电阻I0r1 2、漏磁通的存在 1 = - jİ0X1 3、主磁电势 1 = -İ0(rm+ jXm),首先必须清楚：交流电量方向与直流电量方向的区别： 正方向
9、只是一种参考方向，实际上是有相位差的。,变压器惯例正方向： 原边是电源的负载，以电压为参考，电流与电压相同，磁通与电流符合右螺旋定则，电势在电路上要满足： = - jİ X ，所以从高电位指向低电位。 副边是负载的电源：则以电势为参考。,电磁物理量的正方向,电压平衡方程式（正方向的说明）,图2-2 变压器的负载运行,原边电压平衡方程根据基尔霍夫电压定律直接列出，其中： 1 = - j İ1X1 满足电磁感应定律,说明：绕组电势1若采用电抗表示，则带铁心线圈的电抗为非线性的，不是常数，只有进行小范围线性处理后才能采用电抗Xm表示。,小范围线性处理：在工作点附近进行。,注意：电势此时的性质是被当作
10、电压降处理(电抗压降)。,电压平衡方程（电动势的处理）,图2-2 变压器的负载运行,电压平衡方程式：P.20，式2-8,漏阻抗 励磁阻抗 忽略漏阻抗，即可得E1U1,2.2.2 变压器的负载运行及磁势平衡关系,本小节要点： 变压器的磁势（电流）平衡方程式； 变压器的负载运行原理； 变压器的等效电路。 另外补充说明变压器的功能。,当İ20，则原、副绕组产生磁势的矢量和为励磁磁势，共同在磁路中产生磁通（UE 定m定） İ0N1基本不变，才能保证磁通不变。 İ0N1= İ1N1+ İ2N2 矢量和 İ0很小，İ1N1 - İ2N2 ，（负号去磁）也就是： İ1 - İ2N2 / N1 = - İ2k
11、 I（负号表示方向相反）。 其中k I = N2 / N1 = 1/k 称为变流比 （见P.24式2-18）。 注意：副边磁势具有去磁性质（E2具有障碍磁通经过的性质）。,磁势平衡关系（变流原理）,İ 1：副边电流等效到原边时的等效电流。可以理解为：副边带负载后对原边电流的影响。,注意：因为变压器对电流的变换作用，磁势平衡方程实际上就是电流平衡方程。 P.20.式（2-10）。若令电流İ 1= -（N/N）İ2，则：İ1=İ0+İ 1 就是电流的平衡方程。,磁势的实质（电流平衡）,图2-2 变压器的负载运行,变压器副边接上负载后，副边绕组有电流流过。负载电流是由穿过副绕组交变磁通感应副边电势产
12、生的，根据电磁感应定律负载电流也会建立负载磁势，具有去磁性质（阻碍穿过副边绕组磁通变化）。 结论：虽然正方向已经设定，但是负载磁势与励磁磁势的实际方向相反。 负载磁势具有去磁性质，为了保证磁路中的磁通不变（才能平衡电源电压），原绕组中将增大电流（电流从I0变化到I1）。,负载运行原理（说明）,带负载运行情况,一次侧接交流电源； 二次侧接负载。,有载时，铁心中主磁通是由一次、二次绕组磁通势共同产生的合成磁通。,原边接u1后，原绕组有 i0流过，在铁心中产生并与原、副绕组交链，副绕组将感应e2，产生u2 。接上负载后，副边绕组有i2 流过。i2 建立负载磁势F2 ，对磁路中有去磁性质。为了保证不变
13、（才能平衡u1 ），原边电流将增大（从i0变化到i1），i2 越大，i1增加越多。变压器就是这样通过磁路磁通将原边的电能传输到副边而工作的。,工作过程说明：副边电流增大时，副边磁势的去磁作用增大；这将使主磁通出现减少的趋势。但主磁通的这一趋势，立即引起原边电势的减少，立即使其电流增加，从而使主磁通保持基本不变，反之亦然（若副边电流减小，原边电流也会减小）。也就是说，只要原边电压不变，主磁通是基本不变的。正是主磁通能保持基本不变，原边电流才能随副边电流的增减而增减。,为什么原副边无电的联系，但电流却相应变化？,总的平衡方程： P.21，式2-11，6个 原副边电压平衡：2个（说明电路关系）； 电
14、动势关系：2个（说明原边电动势等效处理及原副边电动势关系）； 负载电路：1个（说明与负载电路的关系）； 磁势（电流）平衡：1个（说明原副边之间，功率传递的关系）。,变压器总的方程组（6个）,方程组,以上的方程组及等效电路综合反映了变压器负载运行时内部的电磁关系。利用这一方程组和等效电路，并结合各个量的具体的物理意义就能分析变压器的各种运行特性。但是由于变压器原副边之间没有直接的电的联系，因而等效电路是两个相互独立的电回路，它们之间的各个量是通过磁势平衡方程式联系起来的，这就给分析、计算带来不便。,变压器的折算及简化等效电路,磁势平衡关系、能量传递等物理过程不变,图2-3 变压器的负载运行时的等
15、效电路,各个量的关系：,简化等效电路 I1I0,(a) (b) 图2-4 变压器的T形等效电路及简化等效电路,变压器等效电路的推导（理解即可）,变压器的等效电路可以通过平衡方程式得到，设：Z为从变压器原边绕组两端看到的整个等效阻抗。,观看电路图,继续其它内容,这就是“变压器的等效电路” 。,采用电路图表示为,返回说明,继续,变压器的等效电路变换过程,变压器的等效电路变换过程,返回说明,继续,等效电路的种类,T形,形,近似,1.T形等效电路： 比较精确，但运算较复杂，形状象T。,2.形等效电路：运算较简单，但较不精确，形状象。,3.近似等效电路：运算最为简单，但也是最不精确的，主要用来估算变压器
16、的参数及定性分析变压器。,2.2.3 变压器的运行特性,本小节要点： 变压器的效率特性； 变压器的外特性及电压变化率； 变压器的短路电压及短路阻抗； 变压器的变流作用及阻抗变换作用。,变压器的效率特性,一般变压器或电机，铁损= 铜损时效率最高。 效率特性(条件)：cos2 不变， 2=(P2)。 说明：,没有机械损耗，变压器的效率比较高。 铁损等于铜损(60%80%P2N)时效率最高。 与电机的效率特性的形状基本相同。,变压器的损耗包括两部分：,铜损 (PCu) ：绕组导线电阻的损耗。与负载大小（正比于电流平方）有关。,铁损(PFe )：,变压器的效率为,一般 95%。 负载为额定负载的(50
