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1、 第四章变压器的基本原理变压器的基本原理 变压器：是一种静止的电机，它利用电磁感变压器：是一种静止的电机，它利用电磁感应原理将一种电压、电流的交流电能转换成同频应原理将一种电压、电流的交流电能转换成同频率的另一种电压、电流的电能。换句话说，变压率的另一种电压、电流的电能。换句话说，变压器就是实现电能在不同等级之间进行转换。器就是实现电能在不同等级之间进行转换。一、变压器的用途变压器的用途第一节第一节 变压器的用途、工作原理与结构变压器的用途、工作原理与结构二、变压器的基本原理二、变压器的基本原理 由于变压器是利用电磁感应原理工作的，因此由于变压器是利用电磁感应原理工作的，因此它主要由铁心和套在
2、铁心上的两个（或两个以上）它主要由铁心和套在铁心上的两个（或两个以上）互相绝缘的线圈所组成，线圈之间有磁的耦合，但互相绝缘的线圈所组成，线圈之间有磁的耦合，但没有电的联系，如图所示。没有电的联系，如图所示。 按图中标明的变量关系，变压器的电动势平衡按图中标明的变量关系，变压器的电动势平衡方程可写成方程可写成 假定变压器两边绕组的电压和电动势的瞬时值都假定变压器两边绕组的电压和电动势的瞬时值都按正弦规律变化，由上两式可得一次、按正弦规律变化，由上两式可得一次、 二次绕组中二次绕组中电压和电动势的有效值与匝数的关系为电压和电动势的有效值与匝数的关系为 式中，式中，k k 称为称为匝比匝比，亦称为，
3、亦称为电压比电压比。 如果忽略铁磁损耗，根据能量守恒原理，变压如果忽略铁磁损耗，根据能量守恒原理，变压器的输入与输出电能相等，即器的输入与输出电能相等，即 由此可得变压器一次、二次绕组中电压和电流有效由此可得变压器一次、二次绕组中电压和电流有效值的关系值的关系 也就是也就是 因因此此，只只要要改改变变一一次次、二二次次绕绕组组的的匝匝数数比比 k k ，便便可可达达到到变变换换输输出出电电压压 u u2 2 或或 i i2 2 大大小小的的目目的的，这这就就是是变变压压器器利利用用电电磁磁感感应应原原理理，将将一一种种电电压压等等级级的的交交流流电电源源转转换换成成同同频频率率的的另另一一种种
4、电电压压等等级级的的交交流流电电源源的的基基本工作原理。本工作原理。 三、变压器的分类三、变压器的分类 按用途分：电力变压器和特种变压器。按用途分：电力变压器和特种变压器。按绕组数目分：单绕组（自耦）变压器、双绕组变按绕组数目分：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。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。按调压方式分：无励磁调压变压器和有载调压变压器。 按
5、冷却介质和冷却方式分：干式变压器、油浸式变压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。器和充气式变压器。 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四、变压器的结构简介四、变压器的结构简介铁心铁心变压器中主要的磁路部分，变压器中主要的磁路部分，分为铁心柱与铁轭两部分。分为铁心柱与铁轭两部分。 单相芯式变压器单相芯式变压器11铁心柱铁心柱 22铁轭铁轭33高压线圈高压线圈 44低压线圈低压线圈三相芯式变压器三相芯式变压器11铁心柱铁心柱 22铁轭铁轭33高压线圈高压线圈 44低压线圈低压线圈单相壳式变压器单相壳式变压器11铁心柱铁心柱 22铁轭铁轭 33绕组绕组
6、绕组绕组变压器中的电路部分。变压器中的电路部分。 11低压绕组低压绕组 22高压绕组高压绕组交叠式绕组交叠式绕组油浸式电力变压器油浸式电力变压器11信号式温度计信号式温度计22吸湿器吸湿器33储油柜储油柜44油位计油位计55安全气道安全气道66气体继电器气体继电器77高压套管高压套管88低压套管低压套管99分接开关分接开关1010油箱油箱1111铁心铁心1212线圈线圈1313放油阀门放油阀门 (1)(1)、额定容量、额定容量S SN N 额额定定容容量量是是指指额额定定运运行行时时的的视视在在功功率率。以以 VAVA、kVAkVA或或MVAMVA表表示示。由由于于变变压压器器的的效效率率很很
7、高高，通通常常一一、二次侧的额定容量设计成相等。二次侧的额定容量设计成相等。 (2) (2)、额定电压额定电压U U1N1N和和U U2N2N 正正常常运运行行时时规规定定加加在在一一次次侧侧的的端端电电压压称称为为变变压压器器一一次次侧侧的的额额定定电电压压U U1N1N。二二次次侧侧的的额额定定电电压压U U2N2N 是是指指变变压压器器一一次次侧侧加加额额定定电电压压时时二二次次侧侧的的空空载载电电压压。额额定定电电压压以以V V或或kVkV表表示示。对对三三相相变变压压器器，额额定定电电压是指线电压。压是指线电压。 (3)(3)、 额定电流额定电流I I1N1N和和I I2N2N五、五
8、、 变压器变压器额定值额定值 根根据据额额定定容容量量和和额额定定电电压压计计算算出出的的线线电电流流，称称为为 额定电流，以额定电流，以A A表示。表示。对单相变压器对单相变压器对三相变压器对三相变压器 (4)(4)、额定频率、额定频率 f fN N 除除额额定定值值外外，变变压压器器的的相相数数、绕绕组组连连接接方方式式及及联联结结组组别别、短短路路电电压压、运运行行方方式式和和冷冷却却方方式式等等均均标标注注在在铭铭牌牌上上。额额定定状状态态是是电电机机的的理理想想工工作作状状态态，具具有有优优良的性能，可长期工作。良的性能，可长期工作。 例例 有一台三相油浸自冷式铝线电力变压器，有一台
9、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。试求一次、二次绕组的额定电流。解解：联结联结空载运行：是指变压器原绕组接到额定电压、额定空载运行：是指变压器原绕组接到额定电压、额定频率的电源上，副绕组开路时的运行状态。频率的电源上，副绕组开路时的运行状态。一、空载运行的物理现象一、空载运行的物理现象如图所示：如图所示：主磁通：主磁通：漏磁通：漏磁通：1 1第二节 变压器的空载运行空载运行 主磁通和漏磁通在性质上的不同：主磁通和漏磁通在性质上的不同： 1 1）由由于于铁铁磁磁材材料料有有饱饱和和现现象象，所所以以主主磁磁路路的的磁磁阻阻不不是是常常数数，主主磁磁通通与与建建立立它它的
10、的电电流流之之间间呈呈非非线线性性关关系系。而而漏漏磁磁通通的的磁磁路路大大部部分分是是非非铁铁磁磁材材料料组组成成，所所以以漏漏磁磁路路的的磁磁阻阻基基本本上上是是常常数数，漏漏磁磁通通与与产生它的电流呈线性关系产生它的电流呈线性关系 2 2）主主磁磁通通在在原原、副副绕绕组组中中均均感感应应电电动动势势，当当副副方方接接上上负负载载时时便便有有电电功功率率向向负负载载输输出出，故故主主磁磁通通起起传传递递能能量量的的作作用用。而而漏漏磁磁通通仅仅在在原原绕绕组组中中感感应应电电动动势势，不不能能传传递递能能量量，仅仅起起压压降降作作用用。因因此此，在在分分析析变变压压器器和和交交流流电电机
11、机时时常常将将主主磁磁通通和和漏漏磁磁通通分开处理。分开处理。空载运行时的电磁关系 二、变压器中各量正方向的规定：二、变压器中各量正方向的规定： 从从理理论论上上讲讲，正正方方向向可可以以任任意意选选择择，因因各各物物理理量量的的变变化化规规律律是是一一定定的的，并并不不依依正正方方向向的的选选择择不不同同而而改改变变。但但正正方方向向规规定定不不同同，列列出出的的电电磁磁方方程程式式和和绘绘制制的的相相量量图图也也不不同同。在在电电机机方方向向的的学学科科中中通通常常按习惯方式规定正方向，称为惯例按习惯方式规定正方向，称为惯例。具体原则如下：具体原则如下：（1 1）原边按电动机惯例：）原边按
12、电动机惯例：U U正方向与正方向与I I正方向相同。正方向相同。（2 2）副边按发电机惯例：与正方向相同。）副边按发电机惯例：与正方向相同。（3 3）电流与它产生的磁通方向符合右手螺旋定则；）电流与它产生的磁通方向符合右手螺旋定则；磁通与它产生的电势的正方向符合右手螺旋定则。磁通与它产生的电势的正方向符合右手螺旋定则。 电电压压u u1 1, ,u u2 2的的正正方方向向表表示示电电位位降降低低，电电动动势势e e1 1,e,e2 2的的正正方方向向表表示示电电位位升升高高。在在原原方方，u u1 1由由首首端端指指向向末末端端，i i1 1从从首首端端流流入入。当当u u1 1与与i i1
13、 1同同时时为为正正或或同同时时为为负负时时，表表示示电电功功率率从从原原方方输输入入，称称为为电电动动机机惯惯例例。在在副副方方，u u2 2和和i i2 2的的正正方方向向是是由由e e2 2的的正正方方向向决决定定的的，即即i i2 2沿沿e e2 2的的正正方方向向流流出出。当当u u2 2和和i i2 2同同时时为为正正或或同同时时为为负负时时，电电功功率率从从副副方方输输出出，称为发电机惯例。称为发电机惯例。 1.1.磁通磁通 假定主磁通按正弦规律变化，即假定主磁通按正弦规律变化，即 =m msintsint 2.2.电动势电动势e e1 1和和e e2 2 根根据据 根根据据电电
14、磁磁感感应应定定律律和和对对正正方方向向规规定定，一、二次绕组中感应电动势的瞬时值为一、二次绕组中感应电动势的瞬时值为 ： 三、磁通、电动势与空载电流三、磁通、电动势与空载电流注意：从上面的表达式中我们可以看出，注意：从上面的表达式中我们可以看出， 电动势总是滞后与产生的他的磁通电动势总是滞后与产生的他的磁通9090式中：3.3.空载电流和空载损耗：空载电流和空载损耗： 变变压压器器空空载载运运行行时时原原绕绕组组中中的的电电流流 0 0主主要要用用来来产产生生磁磁场场，又又称称为为励励磁磁电电流流，所所以以对对于于这这个个电电流流我我们们要要重重点点看看一一下下：如如果果我我们们先先不不考考
15、虑虑铁铁心心饱饱和和以以及及磁磁滞滞的的影影响响，磁磁通通与与空空载载电电流流之之间间的的关关系系是是线线性的。性的。1 1）当当不不考考虑虑铁铁心心损损耗耗时时，励励磁磁电电流流是是纯纯磁磁化化电电流流，用用 来来表表示示。由由于于磁磁路路有有饱饱和和现现象象，磁磁化化电电流流 与产生它的磁通与产生它的磁通之间的关系是非线性的。之间的关系是非线性的。 当当磁磁通通按按正正弦弦 规规律律变变化化时时，励励磁磁电电流流为为尖尖顶顶波波，根根据据谐谐 波波分分析析方方法法，尖尖顶顶波波可可分分解解为为基基波波和和3 3、5 5、77次次谐谐波波。除除基基波波外外，三三次次谐谐波波分分量量最最大大。
16、这这就就是是说说，由由于于铁铁磁磁材材料料磁磁化化曲曲线线的的非非线线性性关关系系，要要在在变变压压器器中中建建立立正正弦弦波波磁磁通通，励励磁磁电电流必须包含三次谐波分量。流必须包含三次谐波分量。 为为了了在在相相量量图图中中表表示示励励磁磁电电流流 ，可可以以用用等等效效正正弦弦波波电电流流来来代代替替非非正正弦弦波波励励磁磁电电流流，其其有有效效值为值为从上图中，可以看出励磁电流从上图中，可以看出励磁电流 与磁通与磁通 是同相位的。是同相位的。 2 2）当当考考虑虑铁铁心心磁磁滞滞回回线线，励励磁磁电电流流 0 0中中还还必必须包含铁耗分量，即须包含铁耗分量，即 或或 =这时激磁电流这时激磁电流 将超前磁通一相位角将超前磁通一相位角 四、四、电动势平衡方程式、等效电路及相量图电动势平衡方程式、等效电路及相量图1 1、电势平衡方程式、电势平衡方程式根据对正方向的规定，根据对正方向的规定，可以得到空载时电动可以得到空载时电动势平衡方程式：势平衡方程式：与主磁通的感应电势同理，与主磁通的感应电势同理，漏磁通感应的漏磁通感应的电动势电动势将漏感电动势写成压降的形式将漏感电动势写成压降的形
