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1、第3章 变 压 器,3.1 变压器的基本结构、分类与额定值 3.2 变压器的工作原理 3.3 变压器的等效电路和相量图 3.4 标幺值 3.5 变压器的参数测定 3.6 变压器的运行特性 3.7 三相变压器的联结组 3.8 三相变压器的并联运行 3.9 特殊变压器,3.1 变压器的基本结构、分类与额定值,3.1.1 变压器的基本结构 3.1.2 变压器的分类 3.1.3 变压器的额定值,3.1.1 变压器的基本结构,铁心由铁心柱和铁轭两部分组成。变压器的主磁路，为了提高导磁性能和减少铁损，用厚为0.35-0.5mm、表面涂有绝缘漆的热轧或冷轧硅钢片叠成。,变压器的基本结构分为四个部分：1 铁心
2、变压器的磁路；2 绕组变压器的电路；3 油箱等其它部分。,（一）铁心,变压器的铁心中，每片硅钢片为拼接片。在叠片时，采用叠接式，即将上下两层叠片的接缝错开，可缩小接缝间隙，以减小励磁电流。如下图所示。,铁轭,铁心柱,铁心柱的截面在小型变压器中采用方形。在容量较大的变压器中，采用阶梯形截面。,绕组是变压器的电路，一般用绝缘铜线或铝线（扁线或圆线）绕制而成。,（二）绕组,铁轭的截面有矩形及阶梯形的，其截面一般比铁心柱截面大（510）%，以减小空载电流和空载损耗。,叠装好的铁心其铁轭用槽钢（或焊接夹件）及螺杆固定。铁心柱则用环氧无纬玻璃丝粘带绑扎。,当采用冷轧硅钢片时，应用斜切钢片的叠装方法，可提高
3、导磁系数，降低损耗。,一次侧接电源,二次侧接负载,如下图所示有两组：一个绕组与电源相连，称为一次绕组（或原绕组），这一侧称为一次侧（或原边）；另一个绕组与负载相连，称为二次绕组（或副绕组），这一侧称为二次侧（或副边）。,同心式绕组,交迭式绕组,对于三相变压器，根据两组绕组的相对位置，绕组可分为同心式和交叠式两种，如以下两图所示。,根据绕组和铁心的相对位置，变压器有壳式结构和心式结构两种，如以下两图所示。,（三）其它结构部件,如下图所示，油浸式电力变压器的结构中还包括油箱、绝缘套管、储油柜、安全气道等。,3.1.2 变压器的分类,按用途不同，变压器可分为电力变压器、配电变压器(10 kV及10
4、kV以下电压等级的变压器)、整流变压器、电焊变压器、电炉变压器、船用变压器、电源变压器以及仪用变压器等。 按相数分类不同，变压器可分为单相变压器、三相变压器以及多相变压器。 按每相绕组的个数不同，变压器可分为双绕组变压器、三绕组变压器、自耦变压器(即单绕组变压器)。 按冷却方式不同，变压器可分为干式变压器、油浸式变压器。 按结构形式不同，变压器可分为芯式变压器、壳式变压器,连接发电机与电网的升压变压器,三相干式变压器,接触调压器,电源变压器,环形变压器,控制变压器,3.1.3 变压器的额定值,1.额定容量SN 2.额定电压U1N/U2N 3.额定电流I1N/I2N 4.额定频率fN,单位：VA
5、、KVA、MVA,其实际输出功率取决于负载的大小和性质，即P=Scos。,U1N是指根据绝缘强度和允许发热所规定的应加在一次绕组上的正常电压有效值。,U2N是指一次侧加额定电压时二次侧的开路电压。,在三相变压器中额定电压为线电压。,单位：A,此外，额定值还有效率、温升等。除额定值外，铭牌上还标有变压器的相数、联结组和接线图、短路电压（或短路阻抗）的标么值、变压器的运行方式及冷却方式等。,额定频率fN,指电源频率，我国规定标准工频为50Hz。,为考虑运输，有时铭牌上还标有变压器的总重、油重、器身重量和外形尺寸等附属数据。,3.2 变压器的工作原理,3.2.1 变压器各电磁量的参考方向 3.2.2
6、 变压器的空载运行 3.2.3 变压器的负载运行,3.2.1 变压器各电磁量的参考方向,3.2.2 变压器的空载运行,1.变压器空载运行的电磁关系 2.主磁通、漏磁通与感应电动势 3.变压器空载运行时的电压方程 4.主磁通与励磁电流 5.变压器空载运行的等效电路,空载运行时的物理情况,变压器的空载运行是指变压器一次绕组接在额定电压的交流电源上，而二次绕组开路时的工作情况。,u1,i0,主磁通,当变压器的一次绕组加上交流电压u1时，一次绕组内便有一个交变电流i0（即空载电流）流过,并建立交变磁场。,N1,N2,1漏磁通,根据电磁感应原理，分别在一、二次绕组产生电动势e1、e1和e2。,e1,e1
7、,e2,u02,i2=0,u02,根据基尔霍夫电压定律，按上图所示电压、电流和电动势的正方向，可写出一、二次绕组的电动势方程式为：,u1=i0R1-e1-e1i0R1+N1d/dt,u02=e2=N2d/dt,在一般变压器中，电阻压降i0R1很小，仅占一次绕组电压的0.1%以下，故可近似认为u1e1。,设,则,有效值,同理，e2=2fN2msin(t-90)=E2msin（t-90）,有效值 E2=4.44fN2m,相量表达式,因此，可得出：E1/E2=N1/N2U1/U2=k,定义,式中k为变压器的电压比，即变比。,根据主电动势e1的分析方法，同样有,漏电动势也可以用漏抗压降来表示，即,由于
8、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.,K1变压器为降压变压器；K1变压器为升压变压器。,（1）一次侧电动势平衡方程,变压器空载运行时电动势平衡方程：,忽略很小的漏阻抗压降，并写成有效值形式，有,则,重要公式,可见，影响主磁通大小的因素有电源电压和频率，以及一次线圈的匝数。,（2）二次侧电动势平衡方程,空载电流和空载损耗,1. 作用与组成,（一）空载电流,空载电流i0包含两个分量：,2、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。,另一个是铁损耗分量iFe,称为铁耗
9、电流，主要作用是供铁损耗（磁滞损耗和涡流损耗），超前于主磁通90度，即与E1反相。,一个是励磁分量(无功分量) i，称为磁化电流，作用是建立磁场，与主磁通同相；,大小：与电源电压和频率、线圈匝数、磁路材质及几何尺寸有关，用空载电流百分数I0%来表示：,与两个分量的相量关系：I0=I+IFE 通常IFE10%I0，故I0I,3、空载电流波形,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。,因此，当主磁通按正弦规律变化时，空载电流呈尖顶波形。,实际空载电流为非正弦波，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。,三、空载时的相量图和等效电路,1、相量图
10、,（1）以 为参考相量,（2） 与 同相， 超前 ，,可作出变压器空载时的相量图：,根据一次侧电动势平衡方程：,二次侧电动势平衡方程：,（3） 滞后 ， ；,（4）,（5）,2、等效电路,其中一个是没有铁心的线圈，其阻抗为Z =R1+jX ; 另一个是带有铁心的线圈，其阻抗为Zm=Rm+jXm,即,一次侧的电动势平衡方程为,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。,3.2.3 变压器的负载运行,1.变压器负载运行时的电磁关系 2.变压器
11、负载运行时的磁动势平衡方程,一、负载运行时的物理情况,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。,用图示负载运行时的电磁过程,二、负载运行时的基本方程式,（一）磁动势平衡方程式,或,用电流形式表示,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.,负载运行时,忽略空载电流有:,表明，一、二次电流比近似与匝数成反比。可见，匝数不同，不仅能改变电压，同时也能改变电流。,（二）电动势平衡方程式,根据基尔霍夫定律可得:,或,综上所述，变压器负载运行方程式总结为:,3.3 变压器的等效电路和相量图,3.3.1 绕组折算 3.3.2
12、T形等效电路 3.3.3 近似和简化等效电路 3.3.4 变压器负载运行时的相量图,3.3.1 绕组折算,1.电动势折算 2.电流折算 3.阻抗折算 4.电压折算,绕组折算,由于变压器一、二次侧绕组的匝数为，绕组的感应电动势12，这就给分析变压器的工作特性和绘制相量图增加了困难。为了克服这个困难，常用一假想的绕组来代替其中一个绕组，使之成为变比k=的变压器，这样就可以把一、二次侧绕组联成一个等效电路，从而大大简化变压器的分析计算。这种方法称为绕组折算。折算后的量在原来的符号上加一个上标号“”以示区别。折算只是人为地处理问题的方法，它不会改变变压器运行时的电磁本质。,需要注意的一点是：习惯上，我
13、们都是将变压器二次侧数据折算到一次测。,（一）二次侧电动势和电压的折算值,由于折算后的二次绕组和一次绕组有相同的匝数，根据电动势与匝数成正比的关系可得：,（二）二次侧电流的折算值,根据折算前后一二次绕组磁动势不变的原则，可得：,（三）二次侧阻抗的折算值,根据折算前后二次绕组的铜损耗不变的原则，可得：,负载阻抗的折算值：,3.3.2 T形等效电路,3.3.3 近似和简化等效电路,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， 假定变压器带感性负载。,3
14、.3.4 变压器负载运行时的相量图,3.4 标幺值,3.4.1 标幺值的定义 3.4.2 采用标幺值的优点,3.4.1 标幺值的定义,标幺值是指某一物理量的实际值与选定的基值之比，即 标幺值实际值基值(3-42) 由于标幺值是两个具有相同单位的物理量之比，所以它是没有量纲的物理量。一般，标幺值用原符号加“*”来表示，例如：U*、I* 等。,3.4.2 采用标幺值的优点,1)各种电力变压器的容量、电压和电流相差非常悬殊，其阻抗等参数也相差很大。 2)采用标幺值表示电压和电流时，便于直观地表示变压器的运行情况。 3)对称三相电路中任一点处，相电压和线电压的标幺值恒定相等，相电流和线电流的标幺值恒定
15、相等。 4)用标幺值表示时，折算到高压侧或低压侧变压器的参数恒定相等，故用标幺值计算时不必再进行折算，也不用考虑是折算到哪一侧。 5)方程式和算式中某些系数可以省略，简化了方程和计算，另外，某些物理量的标幺值将具有相同的数值。,3.5 变压器的参数测定,3.5.1 变压器的空载试验 3.5.2 变压器的短路试验,3.5.1 变压器的空载试验,1.铁损耗PFe 2.励磁电阻Rm、励磁电抗Xm和励磁阻抗Zm 3.电压比k,空载试验,（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）为了便于测量和安全，通常在低压
16、侧加电压，高压侧开路；,4）求出参数,3.5.2 变压器的短路试验,1.额定铜损耗PCuN 2.短路电阻RS、短路电抗XS和短路阻抗ZS 3.阻抗电压US,短路试验,（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；,短路试验所测得的功率PS包括变压器的铁损耗和铜损耗。根据简化等效电路，变压器短路时，外加电压仅用于克服变压器内部的漏阻抗压降，该电压一般只有额定电压U1N的(5 10)%左右。因此，短路试验时变压器铁心内的主磁通很小，使得铁损耗PFe很小，故PFe可以忽略不计。,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：,5）参数计算,数据结果：在短路情况下， 短路阻抗： 短路电阻
