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1、1,第四章 变压器 Transformers,2,本章教学基本要求,1.了解变压器的主要结构、基本工作原理及主要额定值的意义； 2. 学习变压器的负载运行分析，理解负载运行时变压器各物理量之间的关系，绕组折算的物理意义及其计算方法 3.熟悉三相变压器的联接组别，并能根据绕组接线图判别其联接组别或按照已知的联接组别画出绕组的接线图。,3,本章教学重点和难点,重点： 1.理解在不同运行状态下I0、I1和I2等参数的物理意义； 2.变压器的基本方程式、等值电路等 3.三相变压器的联接组别。 难点：负载运行时各量之间的关系。,4,4.1变压器的结构和工作原理,普通变压器是一种静止电器设备，其功能是通过
2、电磁感应将电能或电信号从一个电路传递到另一个与之不直接相连的电路中，在电力系统的输配电、工业自动控制和电子技术中都得到广泛的应用。 本章主要介绍普通双绕组配电变压器。,5,一、变压器的用途与分类,1.变压器按用途可分为： 输配电用的电力变压器，包括升、降压变压器等； 供特殊电源用的特种变压器，包括电焊变压器、整流变压器、电炉变压器、中频变压器等； 供测量用的仪用变压器，包括电流互感器、电压互感器、自耦变压器（调压器）等； 用于自动控制系统的小功率变压器； 用于通信系统的阻抗变换器等等。,6,2.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； 3.按相数分：单相变
3、压器、多相变压器； 4.按铁芯结构分：心式变压器、壳式变压器；,7,5.按调压方式分：无励磁调压变压器、有载调压变压器； 6.按冷却介质和冷却方式分：干式变压器、油浸变压器（油浸自冷式、油浸风冷式、油浸强迫油循环式和签批油循环导向冷却式）、充气式冷却变压器。,8,二、变压器的主要结构,油浸式电力变压器,9,二、变压器主要结构,变压器主要有： 铁芯、绕组、油箱、附件等组成。,硅钢片叠法,10,主要结构1,铁芯（磁路部分，用涂漆硅钢片叠压而成） 是变压器的磁路部分，由铁芯柱（柱上套 装绕组）、铁轭（连接铁芯以形成闭合磁路） 组成，为了减小涡流和磁滞损耗，提高磁路的 导磁性，铁芯采用0.35mm0.
4、5mm厚的硅钢片 涂绝缘漆后交错叠成。 小型变压器铁芯截面为矩形或方形，大型 变压器铁芯截面为阶梯形，这是为了充分利用 空间。,11,主要结构2,绕组（线圈） 是变压器的电路部分，采用铜线或铝线绕 制而成，原、副绕组同心套在铁芯柱上。 为便于绝缘，一般低压绕组在里，高压绕 组在外，但大容量的低压大电流变压器，考虑 到引出线工艺困难，往往把低压绕组套在高压 绕组的外面。,12,13,14,主要结构3,器身 是指铁芯和绕组装在一起的整体。 油箱 是装器身和变压器油的，为了便于散 热，有的箱壁上焊有散热管。 变压器油的作用是绝缘和冷却。,15,三、变压器基本工作原理,在同一铁芯上分别绕有匝数为N1和
5、N2的两个高、低压绕组，其中接电源的、从电网吸收电能的AX绕组称为原绕组（一次绕组），接负载的、向外电路输出电能的ax绕组称为副绕组（二次绕组）。,16,原理,根据电磁感应定律则有：,式中k为变压器变比。,若忽略绕组内阻和漏磁通，原、副绕组端电压近似为：,17,四、变压器铭牌数据和主要系列,1.变压器铭牌数据,每台变压器都有一铭牌，上面标注着型号、额定值及其它数据，便于用户了解变压器的运行性能。主要有额定容量、额定电压、额定电流、额定频率以及额定效率、额定温升等,电力变压器 产品型号 SL7315/10 产品编号 额定容量 315kVA 使用条件 户外式 额定电压 10000/400V 冷却条
6、件 ONAN 额定电流 18.2/454.7A 短路电压 4% 额定频率 50 Hz 器身吊重 765kg 相 数 三相 油 重 380kg 联接组别 Y yno 总 重 1525kg 制 造 厂 生产日期 电力变压器铭牌示意图,18,额定容量SN 额定工作条件下输出能力的保证值，是额定视在功率，单位：伏安（VA）或千伏安（kVA）或兆伏安（MVA）。 630kVA以下的为小型电力变压 8006300kVA的为中型电力变压器； 800063000kVA为大型电力变压器； 90000kVA及以上的为特大型电力变压器。,19,额定电压U1N/U2N 均指线值电压。 原边额定电压U1N指电源加在原绕
7、组上的额定电压 副边额定电压U2N指原边加额定电压副边空载时副绕组的端电压（副边空载电压）， 单位有：伏（V）或千伏（kV）。 额定电流I1N/I2N 均指线值电流。原、副边额定电流是指在额定容量和额定电压时所长期允许通过的电流，单位有：安（A） 额定频率fN 指工业用电频率，我国规定为50Hz。,20,各量之间关系,变压器的额定容量、额定电压、额定电流之间的关系为：,单相变压器,三相变压器,21,2.主要系列,(1)型号说明 变压器型号包括：基本代号、额定容量、额定电压以及结构性能特点。 例如型号为：SL7-630/10，其中“S”代表三相，“L”代表铝导线，“7”代表设计序号，“630”代
8、表额定容量为630kVA，“10”代表高压绕组额定电压为10kV。 (2)主要系列 我国生产的各种变压器系列产品有：S7、SL7、S9、SC8等。其中SC8型为环氧树脂浇注干式变压器。,22,4.2单相变压器的空载运行,一、电磁关系 变压器空载运行也称无载运行，它是指 原边加电源电压，副边开路的运行状况。,23,N1、N2分别为原、副绕组匝数；U1为电源 电压；I0为原边空载电流；m、s1分别为主 磁通和漏磁通； E1、Es1、E2分别为原边感应 电势、漏感电 势和副边感应 电势；U20为副 边空载电压。,24,说明,漏磁通s1只占主磁通的(0.10.2)%，主磁通m与i0之间呈非线性关系，能
9、向副边传递能量；而漏磁通s1与i0之间呈线性关系，不能向副边传递能量。,25,各电磁量的正方向,规定各电磁量的正方向原则为：原绕组是电源的 负载，则原边各量按电动机惯例；副绕组是电源，则 副边各量按发电机惯例。具体规定如下： 1.由于u1是交流电，先任意规定1的正方向； 2.正方向的1确定了0的正方向； 3.m、s1正方向与0的正方向之间符合右手螺旋定则； 4.E1、Es1正方向分别与m、s1正方向之间符合右手螺旋定则； 5.E2正方向与m正方向之间符合右手螺旋定则； 6.E2正方向与2的正方向相反。,26,27,28,29,30,三、电压、电势与主磁通的关系,1.电势与主磁通的关系,电源电压
10、为正弦交流量，则主磁通也是正弦交流量，设主磁通瞬时值为：,式中：,根据电磁感应定律，原边感应电势为：,31,同理可得副边感应电势为：,用相量式表示为：,可见，感应电势的大小与匝数和主磁通幅值成正比，相位滞后于主磁通相量90。,32,2.忽略绕组内阻和漏磁通时原副边电压关系,设忽略原绕组内阻r1和原边漏磁通s1，则有：,当k1为降压变压器；k1为升压变压器。,33,忽略绕组内阻和漏磁通时空载运行相量图,34,3.考虑绕组内阻和漏磁通时的电压方程式,设原绕组内阻为r1，当绕组内通过电流时会产生压降I0r1，同时考虑漏磁通的影响，原边电压方程为：,式中,漏感电势,35,漏感电势计算,漏感电势计算如下
11、： 根据 则有： 又根据电感定义可得： 式中Ls1为原绕组漏电感，由于漏磁路中变压器油和空气这些非导磁物质，所以磁阻基本为常数，即漏磁路为线性磁路，则漏电感也为常数。,36,电压方程式,式中x1=Ls1为原绕组的漏电抗，它是一个常数。所以，z1=r1+jx1为原边的漏阻抗，它也是个常数。一般电力变压器中，存在I0r1E1，则1-1，在研究1和1时，为了分析问题方便，往往忽略I0r1的影响。,37,4、变压器的空载电流,问题： 由于电源电压1为正弦交流电，所 以在单相变压器中1和m也是按正弦 规律变化的。但变压器磁路是由铁磁材 料组成的，是非线性磁路。在非线性磁 路中铁磁材料具有饱和现象，所以当
12、主 磁通为正弦变化，空载电流应如何变化 呢？,38,1.不考虑空载损耗时的空载电流,在交流磁路中由于磁滞和涡流 的存在会产生铁芯损耗，在原绕组 内阻上会产生铜损耗，铁损和铜损 之和即为变压器空载损耗。如果不 考虑空载损耗时，变压器空载电流 I0即为建立空载磁场的磁化电流 I，只起励磁作用，不消耗有功功 率，它滞后-190，与主磁通同方 向。,39,不考虑空载损耗时的空载电流,一般变压器铁芯工作在具有一定饱和程度的状态下，所以当电源电压为正弦波，感应电势为正弦波，主磁通为正弦波时，磁化电流为尖顶波，可通过平均磁化曲线=(i)和主磁通曲线=(t)，画出磁化电流曲线i=(t)，证明磁化电流为尖顶波。
13、,40,2.考虑空载损耗时的空载电流,空载损耗中主要是铁损，铜损只占空载 损耗的2%。考虑空载损耗时，变压器的空载 电流I0包含两个分量：一个是磁化电流I起 励磁作用，另一个是铁损电流IFe，是有功分 量,它与-1同相位。空载电流用相量表示为：,41,说明,空载电流、主磁通和感应电势的相量图如下图所示。电力变压器空载电流只占额定电流的（0.55）%，随着容量增大，空载电流相对越小。,空载电流中磁化电流是主要的，它一般约比铁损电流大10倍，所以铁损角Fe很小。,42,43,等值电路的推导,由原边AX端看存在：,式中,其中zm称为励磁阻抗；rm称为励磁电阻，它表示铁芯中的损耗；xm称为励磁电抗，它
14、表示铁芯中主磁通产生的电抗。zm、rm、xm统称为变压器励磁参数。,44,等值电路,45,励磁参数,可通过实验测得，由于铁芯有饱和现象，rm和xm不是常数，是随铁芯饱和程度增大而减小的参数，但实际上，电源电压可近似认为稳定，故励磁参数也可近似认为常数。,46,本节内容、重点,内容： 变压器负载运行电磁状况、基本方程 式、等值电路、绕组折算、变压器参数测定。 重点： 负载运行时方程式、等值电路、折算。,47,4.3单相变压器的负载运行,变压器负载运行是指原边接电源，副边接负载 zL时的工作状态。如下图所示，这时副边有负载电 流I2通过，原边电流为I1，各量正方向规定与空载运 行时相同。,48,4
15、9,变压器负载运行时电磁关系,50,51,负载运行时的磁势平衡方程式,副边负载电流I2，在副边要产生磁势F2=I2N2，使主磁通变化，而引起E1、E2的变化，E1的变化又使原边从空载电流I0变 化为负载电流I1，产生的磁势为F1=I1N1，它 一方面要建立主磁通m，另一方面要抵消F2 对主磁通的影响。由于负载时的I1z1很小，约 占6%U1N，忽略I1z1时有1-1，则可认为 空载时主磁通与负载时主磁通近似相等。,52,磁势平衡方程式,磁势方程式：,将上式两边同除于N1，得：,53,说明,负载时原边负载电流由两部分组成：一部分是励磁分量0，用以产生负载时的主磁通，它基本不随负载变化；另一部分是
16、负载分量-2/k，用以抵消副边电流2对主磁通产生的影响，它随负载变化而变化。由于01，忽略时，原、副边电流关系为：,或用有效值表示为：,上式表明，负载运行时，原、副边电流与它们的匝数成反比，说明变压器在变电压的同时，也能变电流。,54,55,3.负载运行时的基本方程式,原边：,副边：,原、副边： 、,式中r2、x2、z2分别为副绕组的内阻、漏电抗和漏阻抗，zL为负载阻抗。,56,二、变压器的参数折算,1.折算的目的 在对变压器进行定量计算时可用上述6个方程联立求解，但计算复杂，为了方便计算，引入折算法。变压器折算目的是：简化定量计算和得出变压器原、副边之间有电的联系的等值电路。,2.折算原则 变压器折算原则：折算前后变压器中的主磁通、原、副边的漏磁通的数量和空间分布情
