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1、3.1 变压器的工作原理、分类和结构,3.2 变压器的空载运行,3.3 变压器的负载运行,3.4 变压器的等效电路及相量图,3.5 变压器参数的测定和标么值,3.6 变压器的运行特性,3.7 三相变压器,3.8 其它用途的变压器,变压器是一种静止电器,它通过线圈间的电磁感应,将一种电压等级的交流电能转换成同频率的另一种电压等级的交流电能.,第三章 变压器,只要一、二次绕 组的匝数不同， 就能达到改变压 的目的。,3.1 变压器的工作原理、分类和结构,3.1.1 变压器的工作原理,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
2、组的交变磁通，在两绕组中分别感应电动势。,3.1.2 变压器的基本结构,变压器结构上的分类：,心式变压器,壳式变压器,一、铁心,变压器的主磁路，为了提高导磁性能和减少铁损，用0.35mm厚、表面涂有绝缘漆的硅钢片叠成。,铁心的分类：,叠接式铁心,渐开线式铁心,卷式铁心,叠接式铁心的叠片次序：,变压器的电路，一般用绝缘铜线或铝线绕制而成。,二、绕组,三、其它结构部件,油箱 油浸式变压器的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）。 绝缘套管 将线圈的高、低压引线引到箱外，是引线对地的绝缘，担负着固定的作用。 此外还有储油柜、吸湿器、安全气道、净
3、油器和气体继电器。,四、变压器的额定值,指铭牌规定的额定使用条件下所能输出的视在功率。,符号：SN；单位：VA或kVA。,三相变压器：三相容量之和。,S1N = S2N = SN,额定电压,指长期运行时所能承受的工作电压。,符号：U1N / U2N ；单位：V或kV。,三相变压器：额定值为线电压。,U1N是指加在一次侧的额定电压；,U2N是指一次侧加额定电压，二次侧的空载电压；,额定容量,额定电流,指在额定容量下，允许长期通过的额定电流。,符号：IN1 / IN2 ；单位：A。,三相变压器：额定值为线电流,其数值是根据额定容量和额定电压计算出的值。,额定频率,此外，额定值还有额定频率、效率、温
4、升等。 额定频率：工频50Hz。 温升：电机某部分温度和周围冷却介质的温度之差。,对单相变压器: 对单相变压器:,3.2 变压器的空载运行,3.2.1 空载运行时的物理情况,性质上： 与 成非线性关系； 与 成线性关系； 数量上： 占99%以上， 仅占1%以下； 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,感应电动势分析,主磁通感应的电动势主电动势,设,则,有效值,相量,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。,漏磁通感应的电动势漏电动势,漏电动势也可以
5、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.,空载运行的电压方程,3.2.2 空载电流和空载损耗,一、空载电流,作用与组成,性质和大小,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；,空载电流 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 ；另一个是铁损耗分量，作用是供变压器铁心损耗有功分量 。,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
6、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。,二、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。,变压器空载时，一次侧从电源吸收少量的有功功率 ，用来供给铁损 和绕组铜损 。由于 和 均很小，所以 ，即空载损耗近似等于铁损。,3.2.3 空载时的相量图和等效电路,一、相量图,根据前
7、面所学的方程，可作出变压器空载时的相量图：,（1）以 为参考量,（2） 与 同相， 滞后 ，,（3） 滞后 ， ；,（4）,（5）,一次侧的电动势平衡方程为,由右图空载时等效电路可知,二、等效电路,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。,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.,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。,空载电流大小
8、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。,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。,综上所述,3.3 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，二次接上负载的运行状态，称为负载运行。,负载运行示意图,忽略了漏阻抗压降， 主磁通 不变。从空载到负载，初级绕组电流 增加一个分量 以平衡次级绕组的作用，,原边绕组从电网吸收的功率传递给副边绕组。 副边绕组电流增加或减小的同时，引起原边电流的增加或减小，吸收的功率也增大或减小。,3.3.1 负载运行时的物理情况
9、,3.3.2 负载运行时的基本方程式,一、磁动势平衡方程式,空载时,由一次磁动势 产生主磁通 ,负载时,产生 的磁动势为一、二次的合成磁动势 。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：,用电流形式表示,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.,二、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,可得出变压器负载运行的基本方程式,综上所述,3.4 变压器的等效电路及相量图,3.4.1
10、 绕组折算,折 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。,目 的：用一个等效的电路代替实际的变压器。,折算原则：保持二次侧磁动势不变； 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),折算后 变压器的负载运行基本方程式为,T型等效电路,3.4.2 等效电路,根据折算后的方程，可以作出变压器的等效电路。,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。,作相量图的步 骤-对应T型等 效电路,假定变压
11、器带感性负载,3.4.3 相量图,作相量图的步骤（假定变压器带感性负载）-对应简化等效电路,由等效电路可知,已知 、 、 、 和 便可画出简化相量图,3.5 变压器参数的测定和标么值,3.5.1 空载实验,一、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。,二、接线图,三、要求及分析,1）低压侧加电压，高压侧开路；,V,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；,4）求出参数,一、目的：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
12、电压百分数、铜损和短路阻抗。,二、接线图,三、要求及分析,1）高压侧加电压，低压侧短路；,3）同时记录实验室的室温；,4）由于外加电压很小，主磁通很少，铁损耗很少，忽略铁损，认为 。,3.5.2 短路实验,5）参数计算:,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；,四、短路电压：,短路时，当短路电流为额定值时一次所加的电压，称为短路电压,短路电压也称为阻抗电压。,短路电压常用百分值表示,短路电压的大小直接反映短路阻抗的大小,而短路阻抗又直接影响变压器的运行性能。,从正常运行角度看,希望它小些,这样可
13、使副边电压随负载波动小些;从限制短路电流角度,希望它大些,相应的短路电流就小些.,3.5.3 标么值,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,即,一、定义,通常以各物理量的额定值作为基准值,二 、基准值的确定,当以额定值为基值时，一、二次电压、电流的标么值为,一、二次绕组阻抗的标么值为,不论变压器的容量大小和电压高低，用标么值表示时，所有电力变压器的性能数据变化范围很小，这就便于对不同容量的变压器进行分析和比较。,用标么值表示时，无论从高压侧或低压看进去的阻抗标么值都是相等的，故不必进行折算，使运算大为简便。,以上各式中，电压、电流及阻抗均为一相的数值。,三、标么值的优
14、点,由上式可见，短路阻抗的标么值 就是短路电压的标么值 ，短路电阻的标么值 就是短路电压有功分量的标么值 ，短路电抗的标么值 就是短路电压无功分量的标么值 。,3.6 变压器的运行特性,3.6.1变压器的电压调整率和外特性,由于变压器内部存在电阻和漏电抗，因此负载运行时，当负载电流流过二次侧时，变压器内部将产生阻抗压降，使二次侧端电压随负载电流的变化而变化，这种变化关系可用变压器的外特性来描述。 变压器的外特性：指一次侧的电源电压和二次侧负载的功率因数均为常数时，二次侧端电压随负载电流变化的规律，即 U2 = f ( I2 ) 。,变压器带负载运行时，二次侧端电压的变化程度通常用电压调整率来表
15、示。,电压调整率：指当一次侧接在额定频率额定电压的电网上，负载功率因数为常值时，空载与负载时二次侧端电压变化的相对值，用U*表示，即,或,若需要精细计算，则电压的调整率为：,一般情况下，在 （感性）时，额定负载的电压调整率约为（4-5.5）%左右。 当 二次侧端电压随负载电流变化的规律U2=f(I2)，称为变压器的外特性，如图所示。变压器在纯电阻和感性负载时，外特性是下降的而容性负载时，外特性可能上翘。,电压调整率与变压器的参数、负载的性质和大小有关，可由简化相量图求出，下图重绘了变压器感性负载时简化相量图。,3.6.2变压器的损耗与效率,变压器在能量传递过程中会产生损耗。变压器的损耗分为铜损
16、耗和铁损耗两大类，每一类损耗中又包括基本损耗和附加损耗两种。,基本铜耗是电流在绕组中产生的直流电阻损耗。 附加损耗包括因集肤效应、导体中电流分布不均匀而使电阻变大所增加的铜耗以及漏磁通在结构部件中引起的涡流损耗等。,基本铁耗是变压器铁心中的磁滞和涡流损耗。磁滞损耗与硅钢片材料的性质、磁通密度的最大值以及频率有关。 附加铁损耗包括铁心叠片间由于绝缘损伤而引起的局部涡流损 耗以及主磁通在结构部件中所引起的涡流损耗等。附加铁损耗难以准确计算，一般取基本损耗的（15-20）%。,变压器效率是指变压器的输出功率P2与输入功率P1之比，用百分数表示，即,由于变压器效率很高，用直接负载法测量输出功率P2和输入功率P1来确定效率，很难得到准确的结果，工程上常用间接法计算效率，即通过空载试验和短路试验，求出变压器的铁心损耗PFe和
