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1、第三章 变压器 本章以普通双绕组电力变压器为主要研究对象。 在阐明变压器的工作原理之后，介绍变压器的分类及主要结构，着重叙述单相变压器的基本原理及运行特性，并针对三相变压器特点对有关问题加以探讨。,2,变压器是电力系统中生产、输送、分配、使用电能中的重要装置，也是电力拖动系统和自动控制系统中电能传递或作为信号传输的重要元件。 变压器也能做特种电源和其他特殊需要。,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 变压器是利用电磁感应原理，从一个电路向另一个电路传递电能或传输信号的一种电器。 变压器可将一种电压的交流电能变换为同频率的另一种电压的交流电能。 变压器是静止的电磁装置。,控
2、制变压器,变压器的主要部件：铁心和套在铁心上的两个绕组。 两绕组只有磁耦合，没电联系，同频率，电压电流不同，相数也可不同。 与电源相连的线圈，接收交流电能，称为一次绕组或输入绕组。 与负载相连的线圈，送出交流电能，称为二次绕组或输出绕组。,.,变压器原理图,正方向按电工惯例,假设无漏磁通,8,一次绕组的参量： 电压相量U1、电流相量I1、电动势相量E1、匝数N1。 二次绕组的参量： 电压相量U2、电流相量I2、电动势相量E2、匝数N2。,.,.,.,.,.,.,.,.,.,9,变压器的两个绕组若套在同一个铁心柱上,以增大其耦合作用。 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
3、两绕组中分别感应电动势。 同时交链一次、二次绕组的磁通量的相量为m,该磁通量称为主磁通,是实现电磁能量转换的介质。 m 和符合右手螺旋定理。,理想变压器:不计一次、二次绕组的电阻和铁耗，无漏磁通，其间耦合系数K=1 的变压器。 描述理想变压器的电动势平衡方程式（根据法拉第电磁感应定律而得）：,11,若一次、二次绕组的电压、电动势的瞬时值均按正弦规律变化，则有效值有：,K：匝比,忽略铁心中的损耗,根据能量守恒定律,视在功率（变压器的容量S ）不变：,令K=N1/N2，称为匝比（亦称电压比），则：,由此得出一次、二次绕组电压和电流有效值的关系：,二、变压器的分类 按用途分：电力变压器和特种变压器。
4、 电力变压器有升压变压器、降压变压器、配电变压器、联络变压器、发电厂用变压器等。 特种变压器有整流变压器、电炉变压器、高压试验变压器、控制变压器、矿用变压器、船用变压器等。 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。 互感器、调压器、电抗器结构、原理同于变压器。,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,电力变压器,控制变压器,特种变压
5、器,三相变压器,表面安装系列变压器,表面安装系列变压器,表面安装系列变压器,转换电源系列变压器,功率型电源变压器,功率型电源变压器,功率型电源变压器,功率型电源变压器,C型变压器,EI型变压器,三.变压器的结构简介 1.铁心 铁心是变压器中主要的磁路部分。 为了减少涡流损耗、磁滞损耗，通常由含硅量较高，厚度为0.35或0.5mm，表面涂有绝缘漆的热轧或冷轧硅钢片叠装而成。 铁心分为铁心柱和铁轭俩部分，铁心柱套有绕组；铁轭闭合磁路之用。,27,铁心结构的基本形式有芯式和壳式两种。 芯式铁心结构的变压器铁轭靠着绕组的顶面和底面，不包围绕组的侧面。结构简单，绕组装配及绝缘容易。 壳式铁心结构的变压器
6、铁轭包围绕组的顶面和底面，也包围绕组的侧面。工艺复杂，材料较多。,三相芯式整流变压器,芯式变压器结构示意图,单相壳式变压器 1铁心柱 2铁轭 3绕组,2.绕组 绕组是变压器的电路部分,它是用纸包的绝缘扁铜线或圆铜线绕成。 接于高压电网的绕组为高压绕组，接于低压电网的绕组为低压绕组。 高压绕组和低压绕组的布置方式有同芯式绕组、交叠式绕组。,33,交叠式绕组的高压绕组和低压绕组互相交叠地放置。 为了绝缘，最上层和最下层的绕组都是低压绕组。 交叠式绕组漏电抗小，机械强度高，引线方便，用于大型电炉变压器。,34,同芯式绕组的低压绕组和高压绕组之间留有油道，用于散热和绝缘。 有圆筒式、螺旋式、连续式等结
7、构。,36,同芯式绕组的低压绕组和高压绕组同心地套在铁心柱上。 为了绝缘，低压绕组套在里面，高压绕组套在外面。 大容量低压大电流变压器由于工艺的困难，往往把低压绕组套在高压绕组外面。 同芯式绕组结构简单，制造方便，多采用。,3.其他结构部件 以典型的油侵式电力变压器为例，其他结构部件有:油箱、储油柜、散热器、高低压绝缘管套以及继电保护装置等外形如下图。,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 13放油阀门,4.变压器的额定值 (1)额定容量SN：变压器视在功率的惯用数值，以V A
8、，KV A，MV A 表示，一次和二次绕组额定容量相同。 稳定负载、额定电压、额定电流、额定频率、额定效率、额定温升即名牌数据下的容量。,41,(2)额定电压UN： 变压器各绕组在空载额定分接下端子间电压的保证值。 对于三相变压器额定电压系指线电压，一次和二次绕组上分别为U1N 和U2N，以V 或KV 表示。,(3)额定电流IN 变压器的额定容量除以各绕组的额定电压所计算出来的线电流值，以A，kA表示。 单相变压器的一次、二次绕组的额定电流： I1N = SN / U1N I2N = SN / U2N 三相变压器的一次、二次绕组的额定电流: I1N = SN / sqrt(3) U1N I2N
9、 = SN / sqrt(3) U2N,(4)额定频率fN 我国工业用电频率为50HZ。,三相变压器:,单相变压器:,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：,Yy0 联结，,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u1，在一次绕组产生空载电流i0。 变压器匝数为N2 的二次绕组开路，没有电流，但产生空载电压u20，这种情况即为变压器的空载运行。,单相变压器空载运行时的各物理量:,磁导率高,磁导率低,空载电流i0 产生一个交变磁通势i0 N1，并建立交变磁场主磁通m，是通过铁心闭合的磁通量，铁芯
10、的磁导率比油或空气的磁导率大得多，所以主磁通m 占绝大部分。 一次绕组的漏磁通1 ,是通过油和空气闭合的磁通量，占少量。二次绕组没电流故没漏磁通。,48,根据电磁感应定律和基尔霍夫第二定律得： 主磁通在一次绕组和二次绕组产生感应电动势： e1(t) = -N1 dm/dt e2(t) = -N2 dm/dt 交链一次绕组的漏磁通在一次绕组中感生漏电动势: e1(t) = -N1 d1/dt,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,1、感应电动势与主磁通 若u1 随时间按正弦规律变化，则m 也按正
11、弦规律变化。 空载运行时，忽略i0 R1 和e1:,设：,51,所以 e1 和 e2 也按正弦规律变化。,或：e2 = -Nm coswt,或：e1 = -N1m coswt,磁通与电势相差90 ,关系图：,。,感应电动势e1 和e2 均滞后于m 的电角度90，其有效值:,54,主磁通m 的大小和波形主要取决于电网电压U1 的大小和波形。U1E1常数 感应电动势e1 和e2 的大小正比于f、N、m 的幅值。,E1和E2 的相量表达式:,磁通m 与电势E1、E2 的相量关系：,变压器变比： 当一次绕组上加上额定电压U1=U1N 时，一般规定此时二次绕组开路电压将是额定电压U20=U2N。 因此:
12、 U1N/U2N E1/E2 = N1/N2,57,可以认为，单相变压器的电压比就是匝数比。 通常电压比取高压绕组的电压与低压绕组的电压之比，即k1。 在三相变压器中，电压比规定为高压绕组的线电压与低压绕组的线电压之比。,2、空载电流 空载时二次侧I2=0，无电能输出。一次侧I=I1o 为空载电流，主要作用是在铁心中建立磁场，产生主磁通。 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。,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； 空载电流大小与电源电压和频率、线圈匝数
13、、磁路材质及几何尺寸有关,用空载电流百分数I00% 来表示：,为了充分利用铁磁材料，变压器铁心总是设计成饱和的。 空载时的变压器实际上就是一个非线性电感器，其磁通量与电流的关系，服从于铁磁材料的磁化曲线=f(i)：,即使电源电压波形是正弦波，由于铁心的非线性及一次绕组电阻、漏磁通的存在，(t)和()不会是正弦波，而是随磁路的饱和程度不同发生变化。 磁滞作用与涡流现象使(t)=fi(t) 的关系复杂化。但简化(t)和()为正弦波。 磁滞作用导致励磁电流有功和无功分量出现。,理想变压器空载时（不计R1、1、pFe)，空载电流可认为是励磁电流，用Im 表示。 实际上，空载运行时从电源输入少量电功率P
14、0(空载损耗)，忽略R1上铜耗，主要用来补偿铁心中的铁损耗PfeP0。 Im 中含有功IFe(损耗电流）和用以建立磁场的无功I(磁化电流）。,磁滞作用导致励磁电流有功和无功分量出现示意图：,正弦波,非正弦波,Im =I + IFe IFe= PFe/E1 PFe/U1 通常,IuIFe,U1与Im 之间相位角0 接近90。,2,2,2,励磁电流有功和无功分量的相量图：,65,3、漏磁通和漏电抗 漏磁通1,随时间交变，在一次绕组感应产生漏电动势E1。 1分布复杂，用漏电抗来描述。 1所通过的途径是非磁性物质(油和空气)，其磁导率是常数。 1的大小与产生此漏磁通的绕组中的电流成正比。,漏电动势E1
15、的有效值与电流Im 关系：,E1滞后1和Im 90 ，1的路径是线性的，和Im 同相位。 式中x1 为一次绕组的漏电抗：,。,67,漏电抗x1 表征了漏磁通对一次绕组电路的电磁效应。 设漏磁通所经磁场磁阻Rm1，则漏电动势:,二、空载运行时的电动势平衡方程式、相量图及等效电路 1.空载运行时电势平衡方程 由主磁通m 产生的电动势E1 与产生主磁通的励磁电流Im 之间存在的关系可用磁化曲线表示,也可以直接用参数形式来表示。,由于Im 中有有功分量与无功分量，故-E1 可表示为Im 流过一个阻抗（不是一个纯电阻）时所引起的阻抗压降。 考虑一次绕组电阻R1 和漏磁通1,空载时的变压器就是一个带铁心的
16、线圈，另加一个开路的绕组。,此时，变压器空载运行时电动势平衡方程式:,所以,因为,Z1 = R1 + jx1 ；Z1:一次绕组漏阻抗 R1:一次绕组漏电阻；X1:一次绕组漏电抗Zm:变压器励磁阻抗；Xm:变压器励磁电抗Rm:变压器励磁电阻。且有：,2,72,由电路理论还可得： IFe = Rm E1/(Rm +Xm )= gm E1 I = Xm E1/(Rm +Xm )= -bm E1 Gm :变压器的励磁电导 Bm :变压器的励磁电纳,2,2,2,2,2.空载运行时等值电路,无铁心的线圈,有铁心的线圈,磁场问题变成电路问题,3.空载运行时相量图,应注意的问题： R1、x1 是常量， Rm、xm 是变量。 因铁心中存在饱和现象，Rm、xm 随着饱和程度的增加而减小。励磁阻抗Zm 的大小和变压器工作点有关。 Rm xm ，都是虚拟值
