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1、变压器的基本工作原理和结构,1-1 变压器在电力系统中的应用,为什么变压器得到广泛应用？,思考：电能如何送到远方？又如何送给用户使用？,一、基本工作原理,结构原则：两个（或两个以上）互相绝缘的线圈套在一个共同的铁心上，如图1-2所示。线圈之间有磁的耦合，一般没有电的直接联系。,变压器的基本工作原理和结构,1-2 变压器的基本工作原理及分类,图1-2 变压器原理示意图,原绕组，一次绕组,副绕组，二次绕组,双绕组变压器,三绕组变压器,基本工作原理：,只要适当改变绕组的匝数，就可以改变原副边电动势之比以达到改变电压的目的。这就是变压器的基本工作原理 。,变压器的基本工作原理和结构,图1-2 变压器原
2、理示意图,原边电动势,副边电动势,变比,降压变压器,升压变压器,二、变压器的分类,按用途分：,按相数分：,变压器的基本工作原理和结构,按绕组形式分：,按铁心形式分：,按冷却介质分:,变压器的基本工作原理和结构,变压器的基本工作原理和结构,1-3 变压器的基本结构,变压器的基本工作原理和结构,一、铁心 磁路的构成部分。为了减少铁心中的磁滞和涡流损耗，铁心均用0.350.5mm厚的冷轧硅钢片叠成，片间涂以0.010.03mm 厚的漆膜，以避免片间短路。,变压器的基本工作原理和结构,二、绕组 电路的组成部分，用纸包、纱包或漆包的绝缘扁线或圆线绕成。感应电势、通过电流、实现机电能量转换。,三、绝缘结构
3、 实现变压器的绝缘，包括外部绝缘和内部绝缘。,四、油箱和其它附件 铁心和绕组组成变压器的器身，器身放置在装有变压器油的油箱内，在油浸变压器中，变压器油既是绝缘介质，又是冷却介质。,1. 额定容量 指在额定状态下变压器的视在功率。额定容量以伏安(VA)、千伏安(KVA)或兆伏安(MVA)为单位。对三相变压器，额定容量指三相的总容量。,1-4 变压器的额定值,变压器的基本工作原理和结构,2. 额定电压 以伏（V）或千伏（kV）为单位。对三相变压器，额定电压指线电压。,3. 额定电流 以安（A）或千安（kA）为单位。对三相变压器，额定电压指线电流。,4. 额定频率 以赫兹（Hz）为单位。我国额定工频
4、为50Hz。,讨论：,1. 双绕组变压器原、副边容量按相等进行设计。,2. U1N指电源加到变压器原边的电压； U2N指原边加上额定电压 时的副边开路电压，空载电压，副边电流为零。,3. 一般情况下，当U1 U1N和I2 I2N时， U2 U2N ，这是由 于变压器有阻抗压降之故，因此，此时一般S2 S2N 。,4. 分析变压器和电机时，所说的负载一般是指电流而不是阻 抗，负载的增 减是指电流的增减。当副边电流为额定电流 时，称为额定负载。,变压器的基本工作原理和结构,例1：有一台S-5000/10型三相变压器，U1N/U2N=10.5/6.3kV， Y,d联结，试求原、副边绕组的额定电流。,
5、变压器的基本工作原理和结构,解：原边电流,副边电流,变压器的运行分析,2-1 变压器各电磁量的规定正方向,规定正方向和惯例正方向,分析变压器采用的惯例正方向,图2-1 变压器各物理量规定正方向,原边：电动机惯例,副边：发电机惯例,根据根据楞次定律 ：,一、磁场分析,主磁通：沿铁心闭合，同时原、副绕组交链，是变压器进行能量传递的媒介，称为主磁通或互感磁通。,变压器的运行分析,2-2 变压器的空载运行,原边接电源，副边开路,1,漏磁通：沿非铁磁材料闭合(变压器油或空气)，仅与原绕组交链，称为原绕组漏磁通。由于铁心是用高导磁材料硅钢片制成的，导磁率远比油或空气的大，所以空载运行时，主磁通占总磁通的绝
6、大部分，而漏磁通只占很小的一部分，约0.1%0.2%。,图2-2 变压器的空载情况,主磁通和漏磁通的性质不同，主要表现在： 由于铁磁材料存在饱和现象，主磁通与建立它的电流 i0之间 成非线性关系；而漏磁通由于主要沿非铁磁材料闭合，它与电流i0保持线性关系。,变压器的运行分析,讨论：,2. 在电磁关系上，主磁通在原、副绕组内感应电动势，副方如 果接上负载，则在电动势作用下向负载输出电功率，所以主 磁通起传递能量的作用；漏磁通仅在原边感应电动势，只起 电压降的作用，不能传递能量。,二、电动势分析,根据电磁感应定律，当磁通和 1交变时，就分别在它们所交链的绕组内感应电动势。其对应关系如下：,变压器的
7、运行分析,1. 主磁通感应的电动势,讨论： 原、副绕组内的感应电动势的有效值与主磁通的幅值、绕组匝数、磁通交变的频率成正比。 当变压器接到额定频率的电网上运行时，由于f 和N1（N2 ） 均为常值，故电动势E1（E2 ）的大小仅由磁通m所决定。,变压器的运行分析,推导：,令,同理可得：,讨论：,变压器的变比等于原、副绕组的匝数比。当变压器空载运行 时，由于原边 U1 E1 ，副边空载时的电压 U20 E2 ，故可近似用原、副边的电压之比作为变压器的变比。,2. 对三相变压器来说，变比是指相电动势的比值，近似为相电 压的比值。务必注意！,变压器的运行分析,2. 漏磁通感应的电动势,推导：,变压器
8、的运行分析,令,同理可得：,讨论：,2. 漏磁通是通过非铁磁物质闭合，磁路不饱和，1是常数， 所以漏抗为一常数，不随电流大小而变化。,变压器的运行分析,1. 漏磁通感应的电动势一般用一负的电抗压降来表示，即 ：,式中：,称为原绕组的漏电感；,称为原绕组的漏电抗（简称漏抗）。,3.电动势平衡方程式,变压器的运行分析,原边,称为原绕组的漏阻抗,副 边,讨论：,变压器在额定电压下空载运行时，空载电流I0不超过额定 电流的十分之一，它产生的电压降对E1来说是很小的，所以在空载时可以认为,若只考虑大小，可写成,2. 当频率和原绕组匝数一定时，主磁通的大小差不多决定于 所加电压的大小，而与磁路的性质、尺寸
9、无关。,三、空载电流分析,空载电流：变压器空载运行时，原绕组的空载电流主要是用来产生主磁通，所以空载电流又称为激磁电流。,变压器的运行分析,1. 空载电流的大小和相位,铁耗分量i0a,空载电流i0,磁化分量i0r,i0r产生主磁通，是空载电流的无功分量，与主磁通同相位。,i0a和电动势作用产生有功功率供给铁耗，是空载电流的有功分量。,图2-3 空载电流相量,变压器的运行分析,综上所述：,空载电流的大小和相位取决于哪些因素呢？,空载电流的大小除决定于外加电压、原绕组匝数外，还取决于铁心材料性质（包括磁导率和损耗）、尺寸及饱和程度。其大小可通过一等效电路来说明。,1）rm称为铁耗等效电阻或激磁电阻
10、。它是表征铁心损耗的一 个等效参数， 不能采用伏安法测量。 空载电流I0 在rm上产 生的损耗等于铁耗，即：,2） xm称为激磁电抗，它是对应于主磁通的 电抗。 Xm与主磁路的磁导成正比，因而 它是表征铁心磁化性能的一个参数。 由于主磁路存在饱和现象， xm不是常数。,变压器的运行分析,图2-4 空载时的等效电路,两个重要的物理量：,结论：,1）I0的大小决定与外加电压和激磁阻抗的大小。但在电压U1 一定的条件下，I0的大小决定于参数rm和xm.。,变压器的运行分析,1）i0的大小,在实际变压器中，由于外施电压U1在额定值左右变化不大，故定量计算时，可认为Zm 基本不变。,由于铁心存在饱和现象
11、， rm和xm不是常数，rm和xm都是随 着外施电压的增加而减小。为什么？,由于主磁通远远多于漏磁通，所以xm x1 ，或ZmZ1 。,5) 当忽略铁耗时，空载电流的大小为：,2）i0的相位,不考虑铁耗时：,变压器的运行分析,2. 空载电流的波形,变压器的运行分析,图2-5 不考虑铁耗和饱和时空载电流波形,磁路饱和程度愈高，激磁电流的波形畸变的愈厉害。,图2-6 考虑饱和而不考虑铁耗时空载电流波形,讨论：,尖顶波的激磁电流可分解为基波及3，5，7等一系列奇次谐 波，除基波外，主要是三次谐波， 如图2-7所示。,变压器的运行分析,图2-7 把尖顶波分解为基波和三次谐波,图2-8 考虑铁耗时的空载
12、电流波形,2）空载电流i0不是正弦波，因此，用相量表示时，必须取它的 基波。工程上为了便于测量和计算，常采用等效正弦波的概 念，即采用一个等效的正弦波来代替实际的空载电流。,变压器的运行分析,等效条件如下： （1）等效正弦波电流的频率等于实际电流i0的频率。,（2）等效正弦波电流的有效值I0等于实际电流i0的有效值， 即,（3） 等效正弦波电流的相位这样来确定：它应使得 与 相作用时被吸收的功率等于铁耗，即,四、变压器空载运行时的方程式、相量图和等效电路,1. 五个基本方程式,2. 相量图,讨论：变压器空载时功率因数很低，这是由于空载电流基本上 是一个感性无功电流，即变压器在工作时要从电网吸收
13、 一个滞后的无功电流进行激磁。,变压器的运行分析,图2-9 空载时相量图,3. 等效电路,结论： 1）在忽略漏阻抗压降的情况下， 主磁通 m的大小取决于电源电 压、频率和原绕组的匝数，而 与磁路所用材料性质和尺寸基 本无关。,变压器的运行分析,图2-10 变压器空载时的等效电路,3) 磁路的饱和程度不仅影响激磁电流i0的大小，而且影响激磁 电流的波形，磁路愈饱和，则激磁电流愈大，而且波形愈尖。,2）磁路的材料性质、尺寸只决定 产生m所需激磁电流I0的大 小，材料的导磁性能愈好，磁 路截面积愈大，则I0愈小。,4) 在铁芯变压器里，由于有铁耗， 与 不同相位，它们之 间的夹角主要决定于铁耗的大小
14、。,一、负载运行时的物理情况与基本方程式,1. 磁动势分析,变压器的运行分析,2-3 变压器的负载运行,原边接电源，副边接负载,磁动势平衡关系,激（励）磁磁势 合成磁势,图2-12 变压器的负载运行,2) 根据,变压器的运行分析,有,说明：变压器负载运行时，原边电流可以看成由两个分量组成，一个是激磁分量 ，它的主要作用是产生主磁通 ，另一个是负载分量 ，它的作用是产生磁动势 ，用以抵消副边磁动势 ，从而基本保证激磁磁动势 不变。,讨论：,1) Fm是负载时铁心中产生主磁通的磁动势，其大小决定了负载情况下主磁通的大小。而mE1 U1，由于变压器原绕组漏阻抗压降很小，故从空载到额定负载时， E1变
15、化很小，主磁通基本不变， Fm F0 ， Im I0 。,3）变压器通过电磁感应作用进行能量传递的原理：,变压器的运行分析,若忽略原绕组的漏阻抗压降，则,表明，负载时原绕组从电网增加输入的一部分电功率 U1I1Lcos1传递到副绕组，变为副绕组获得的电功率 E2I2cos2，这就是变压器通过电磁感应进行能量传递 的原理。,4）变压器负载运行时，通过电磁感应关系，原、副边电流是紧 密联系的，副边电流的增加或减小必然同时引起原边电流的 增加或减小。相应地，副边输出的功率增加或减小时，原边 从电网吸收的功率必须同时增加或减小。,2. 电动势分析及电动势方程式,变压器的运行分析,原边漏阻抗,副边漏阻抗
16、,4. 七个基本方程式,变压器的运行分析,二、变压器的归算值,变压器的运行分析,绕组的归算,用一台副绕组匝数等于原绕组匝数的假想变压器来模拟实际变压器，假想变压器与实际变压器在物理情况上是等效的。,等效条件： 1) 原边电路情况不变， 即主磁场不变； 2) 副边对原边的影响不 变，即副边的磁动势 不变； 3) 有功和无功损耗不变。,变压器的运行分析,1副边电动势的归算值,归算值的表示方法 根据归算条件可求出假想变压器的各物理量，这些量称为由副边归算到原边的值，简称为归算值。归算值用原来副边各物理量的符号上加上一个来表示，如 、 等。,实际变压器主磁通,假想变压器主磁通,由于归算前后主磁场不变，所以,即归算后的副边电动势比实际电动势放大了k倍。,2. 副边电流的归算值,实际变压器副边磁动势,假想
