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1、,电机及拖动基础 第2版,第一章 变压器,变压器是一种静止的电气设备，它利用电磁感应原理，根据需要可以将一种交流电压和电流等级转变成同频率的另一种电压和电流等级。它对电能的经济传输、灵活分配和安全使用具有重要的意义；同时，它在电气测试、控制和特殊用电设备上也有广泛的应用。 本章主要叙述一般用途的电力变压器的工作原理、分类、结构和运行特性，对特殊用途的变压器只作扼要的介绍。,第一节 变压器的基本工作原理和结构,一、变压器的基本工作原理 变压器是利用电磁感应原理工作的，主要由铁心和套在铁心上的两个(或两个以上)互相绝缘的绕组所组成，绕组之间有磁的耦合，但没有电的联系，如图1-1所示。通常一个绕组接
2、交流电源，称为一次绕组；另一个绕组接负载，称为二次绕组。当在一次绕组两端加上合适的交流电源时，在电源电压u1的作用下，一次绕组中就有交流电流i0流过，产生一次绕组磁通势，于是铁心中激励起交变的磁通，这个交变的磁通同时交链一、二次绕组，根据电磁感应定律，便在一、二次绕组中产生感应电动势e1、e2。二次绕组在感应电动势e2的作用下，便可向负载供电，实现能量传递。,在以后的分析中可知一、二次绕组感应电动势之比等于一、二次绕组匝数之比，而一次侧感应电动势e1的大小接近于一次侧外加电源电压u1，二次侧感应电动势e2的大小则接近于二次侧输出电压u2。因此只要改变一次或二次绕组的匝数，便可达到变换输出电压u
3、2大小的目的。这就是变压器利用电磁感应原理，将一种电压等级的交流电源转换成同频率的另一种电压等级的交流电源的基本工作原理。 二、变压器的应用和分类 1.变压器的应用 变压器除了能够变换电压外，在以后的分析中还可以知道，变压器还能够变换电流和阻抗，因此在电力系统和电子设备中得到广泛的应用。,电力系统中使用的变压器称作电力变压器，它是电力系统中的重要设备。由交流电功率P=3UIcos可知，如果输电线路输送的电功率P及功率因数cos一定，电压U越高时，则输电线路上的压降损耗和功率损耗也就越小；同时还可以减小输电线的截面积，节省材料，达到减小投资和降低运行费用的目的。由于发电厂的交流发电机受绝缘和工艺
4、技术的限制，通常输出电压为10.5kV或16kV，而一般高压输电线路的电压为110kV、220kV、330kV或500kV，因此需用升压变压器将电压升高后送入输电线路。当电能输送到用电区后，为了用电安全，又必须用降压变压器将输电线路上的高电压降为配电系统的配电电压，然后再经过降压变压器降压后供电给用户。电力系统的多次升压和降压，使得变压器的应用相当广泛。,电机及拖动基础第一章变压器另外，变压器的用途还很多，如测量系统中使用的仪用互感器，可将高电压变换成低电压或将大电流变换成小电流，以隔离高压和便于测量；用于实验室的自耦调压器，则可任意调节输出电压的大小，以适应负载对电压的要求；在电子线路中，除
5、了电源变压器外，变压器还用来耦合电路、传递信号、实现阻抗匹配等。,2.变压器的分类 为了达到不同的使用目的并适应不同的工作条件，变压器可以从不同的方面进行分类。 (1)按用途分类变压器可以分为电力变压器和特种变压器两大类。电力变压器主要用于电力系统，又可分为升压变压器、降压变压器、配电变压器和厂用变压器等。特种变压器根据不同系统和部门的要求，提供各种特殊电源和用途，如电炉变压器、整流变压器、电焊变压器、仪用互感器、试验用高压变压器和调压变压器等。 (2)按绕组构成分类变压器可分为双绕组、三绕组、多绕组变压器和自耦变压器。,(3)按铁心结构分类变压器可分为壳式变压器和心式变压器。 (4)按相数分
6、类变压器可分为单相、三相和多相变压器。 (5)按冷却方式分类变压器可分为干式变压器、油浸式变压器(油浸自冷式、油浸风冷式和强迫油循环式等)、充气式变压器。 尽管变压器的种类繁多，但它们皆是利用电磁感应的原理制成的。,三、变压器的基本结构 变压器的主要部分是铁心和绕组(合称为器身)。为了改善散热条件，大、中容量的电力变压器的铁心和绕组浸在盛满变压器油的封闭油箱中，各绕组与外线路的连接由绝缘套管引出。为了安全、可靠地运行，变压器还设有储油柜、安全气道和气体继电器等附件，如图1-2所示。,1.铁心 铁心是变压器的主磁路，又作为绕组的支撑骨架。铁心分铁心柱和铁轭两部分，铁心柱上装有绕组，铁轭是连接两个
7、铁心柱的部分，其作用是使磁路闭合。为了提高铁心的导磁性能，减小磁滞损耗和涡流损耗，铁心多采用厚度为0.35mm、表面涂有绝缘漆的热轧或冷轧硅钢片叠装而成。 铁心的基本结构型式有心式和壳式两种，如图1-3所示。心式结构的特点是绕组包围铁心，如图1-3a所示，这种结构比较简单，绕组的装配及绝缘也比较容易，适用于容量大而电压高的变压器，国产电力变压器均采用心式结构。,壳式结构的特点是铁心包围绕组，如图1-3b所示，这种结构的机械强度较好，铁心容易散热，但外层绕组的铜线用量较多，制造工艺又复杂，一般多用于小型干式变压器中。,大、中型变压器的铁心，一般先将硅钢片裁成条形，然后采用交错叠片的方式叠装而成，
8、如图1-4所示。交错叠片的目的是使各层磁路的接缝互相错开以免接缝处的间隙集中，从而减小磁路的磁阻和励磁电流。,叠装好的铁心其铁轭用槽钢(或焊接夹件)及螺杆锁紧。当铁心的叠片上有冲孔以便采用螺杆锁紧时，则穿心螺杆要加绝缘套管，以保证螺杆与叠片间的绝缘。 小型变压器为了简化工艺和减小接缝处间隙，常采用E形、F形冲片交错叠装而成，如图1-5所示。,2.绕组 绕组是变压器的电路部分，常用绝缘铜线绕制而成。变压器中，工作电压高的绕组称为高压绕组，工作电压低的绕组称为低压绕组。同心式绕组是将高、低压绕组同心地套在铁心柱上。为了便于绕组与铁心之间的绝缘，通常将低压绕组装在里面，而把高压绕组装在外面，如图1-
9、6所示。在高、低压绕组之间及绕组与铁心之间都加有绝缘。同心式绕组具有结构简单、制造方便的特点，国产变压器多采用这种结构。,3.其他结构附件 (1)油箱油浸式变压器的外壳就是油箱，它起着机械支撑、冷却散热和保护的作用。变压器的器身放在装有变压器油的油箱内。变压器油既是绝缘介质，又是冷却介质，它使铁心和绕组不被潮湿所侵蚀，同时通过变压器油的对流，将铁心和绕组所产生的热量传递给油箱和散热管，再往空气中散发热量。 (2)储油柜储油柜亦称油枕，它是安装在油箱上面的圆筒形容器，它通过连通管与油箱相连，柜内油面高度随油箱内变压器油的热胀冷缩而变动，以保证器身始终浸在变压器油中。 (3)分接开关变压器运行时，
10、为了使输出电压控制在允许的变化范围内，通过分接开关改变一次绕组匝数，从而达到调节输出电压的目的。通常输出电压的调节范围是额定电压的5%。,(4)绝缘套管变压器的引出线从油箱内穿过油箱盖时，都要通过瓷质绝缘套管，以使带电的引出线与接地的油箱绝缘。 四、变压器的铭牌和额定值 为使变压器安全、经济、合理地运行，每一台变压器上都安装了一块铭牌，上面标注了变压器型号及各额定数据等。只有理解铭牌上各种数据的含义，才能正确、安全地使用变压器。图1-7所示为三相电力变压器的铭牌。,三相电力变压器铭牌 下面介绍铭牌上的主要内容： 1.变压器的型号及冷却方式 电力变压器的型号包括变压器结构性能特点的基本代号、额定
11、容量和高压侧额定电压等级(kV)，其型号具体意义如下：,电力变压器的冷却方式包括变压器中与绕组接触的内部冷却介质、循环方式；变压器外部冷却介质、循环方式，其冷却方式具体意义如下：,与绕组接触的内部冷却介质(O为变压器油，G为空气，C为成型固体)内部冷却介质的循环方式(N为变压器油自然热对流循环，F为强迫循环)外部冷却介质(A为空气，W为水)外部冷却介质的循环方式N为自然对流，F为强迫循环(风扇、泵等) 目前我国生产的电力变压器，绕组均用铜线，铝线变压器SL已不生产；代表性能水平的代号都是9以上，数字越大代表空载损耗、负载损耗越小，是节能型变压器，因此SJ系列、S7系列等已淘汰，S9系列已广泛生
12、产，S11、S13等油浸式三相变压器系列也不断上市。同时SC系列(三相环氧树脂浇注干式变压器)也大量生产。 2.变压器的额定值 (1)额定电压U1N和U2N一次绕组的额定电压U1N(kV)是根据变压器的绝缘强度和允许发热条件规定的一次绕组正常工作电压值。二次绕组的额定电压U2N指一次绕组加上额定电压，分接开关位于额定分接头时，二次绕组的空载电压值。对三相变压器，额定电压指线电压。,(2)额定电流I1N和I2N额定电流I1N和I2N(A)是根据允许发热条件而规定的绕组长期允许通过的最大电流值。对三相变压器，额定电流指线电流。 (3)额定容量SN额定容量SN(kVA)指额定工作条件下变压器输出能力
13、(视在功率)的保证值。三相变压器的额定容量是指三相容量之和。由于电力变压器的效率很高，忽略压降损耗时有,对三相变压器,对单相变压器,第二节 单相变压器的空载运行,变压器的一次绕组接在额定电压的交流电源上，而二次绕组开路，这种运行方式称为变压器的空载运行，如图1-8所示。其中N1和N2分别为一、二次绕组的匝数。,一、空载运行时的物理状况 由于变压器中电压、电流、磁通及电动势的大小和方向都随时间作周期性变化，为了能正确表明各量之间的关系，要规定它们的正方向。一般采用电工惯例来规定其正方向(假定正方向)： 1)同一条支路中，电压u的正方向与电流i的正方向一致。 2)电流i与其产生的磁通势所建立的磁通
14、的正方向符合右手螺旋法则。 3)由磁通产生的感应电动势e，其正方向与产生磁通的电流i正方向一致，,以上各瞬时量正方向的规定，同样适用于图1-8中各相量的正方向确定。 当一次绕组加上交流电源电压U1时，一次绕组中就有电流产生，由于变压器为空载运行，此时称一次绕组中的电流为空载电流I0。由I0产生空载磁通势F0=I0N1，并建立空载时的磁场。由于铁心的磁导率比空气(或油)的磁导率大得多，所以绝大部分磁通通过铁心闭合，同时交链一、二次绕组，并产生感应电动势E1和E2。如果二次绕组与负载接通，则在电动势作用下向负载输出电功率，所以这部分磁通起着传递能量的媒介作用，称为主磁通；另有一小部分磁通(约为主磁
15、通的0.25%)主要经非磁性材料(空气或变压器油等)形成闭路，只与一次绕组交链，不参与能量传递，称为一次绕组的漏磁通1，它在一次绕组中产生漏磁电动势E1。另外，I0将在一次绕组中产生绕组压降I0r1，此过程可表示为,二、感应电动势和漏磁电动势 1.感应电动势 在变压器的一次绕组加上正弦电压u1时，e1和e2也按正弦规律变化。假设主磁通=msint。根据电磁感应定律，一次绕组的感应电动势e1为,由式(1-3)可知，当主磁通按正弦规律变化时，由它产生的感应电动势也按正弦规律变化，但在时间相位上滞后于主磁通90，且e1的有效值为,e1和e2用相量表示为,同理，二次绕组的感应电动势的有效值为,式(1-
16、4)表明，变压器一、二次绕组感应电动势的大小与电源频率f、绕组匝数N及铁心中主磁通的最大值m成正比，而在相位上比产生感应电动势的主磁通滞后90。 2.漏磁电动势 变压器一次绕组的漏磁通1也将在一次绕组中感应产生一个漏磁电动势E1。根据前面的分析，同样可得出,为简化分析或计算，由电工基础知识，引入参数L1或X1，L1和X1分别为一次绕组的漏电感和漏电抗，从而把式(1-5)漏磁电动势的电磁表达形式转换成我们习惯的电路表达形式,从物理意义上讲，漏电抗反映了漏磁通对电路的电磁效应。由于漏磁通的主要路径是非铁磁物质，磁路不会饱和，是线性磁路。因此对已制成的变压器，漏电感L1为一个常数，当频率f一定时，漏电抗X1也是常数。,三、空载运行时的等效电路和电动势平衡方程式 除了前面引入的漏电抗参数X1，这里再引入参数Zm，就可把图1-8所示的单相变压器空载运行时电与磁的相互关系用纯电路的形式“等效”地表示出来，以简化对
