福州大学_电机学_02变压器的基本作用原理与理论分析

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1、电机学多媒体课件系列电机学多媒体课件系列第一篇第一篇 变变 压压 器器第二章第二章 变压器工作原理和运行分析变压器工作原理和运行分析电气工程与自动化学院主讲 黄灿水2016.3配套教材：配套教材：电机学电机学，林荣文（福州大学），中国电力出版社，林荣文（福州大学），中国电力出版社，2014.122.1 变压器基本结构2.2 变压器空载运行 2.3 变压器负载运行2.4 标么值2.5 变压器参数测定2.6 变压器运行性能第二章第二章 变压器工作原理和运行分析变压器工作原理和运行分析目目 录录3 变压器是一种变压器是一种静止静止电器电器,它通过线圈间的它通过线圈间的电磁感应电磁感应，将，将一种电压

2、等级的一种电压等级的交流电能交流电能转换成转换成同频率同频率的另一种电压等级的另一种电压等级的交流电能。的交流电能。2.12.1 变压器基本结构变压器基本结构变压器的定义：变压器的定义： 4一、一、 变压器的变压器的基本工作原理基本工作原理主要部件是主要部件是铁心铁心和套在铁心上的两个和套在铁心上的两个绕组绕组。两绕组。两绕组只只有磁耦合没电联系有磁耦合没电联系。在一次绕组中加上交变电压，产生交链。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，在两绕组中分别感应电动势。一、二次绕组的交变磁通，在两绕组中分别感应电动势。只要一、二次只要一、二次绕组的匝数不绕组的匝数不同，就能达到同，

3、就能达到改变电压目的改变电压目的N1N25二、二、 变压器的变压器的分类分类 按用途分：按用途分：电力变压器、调压器、仪用互感器、电子变电力变压器、调压器、仪用互感器、电子变压器、特种变压器。压器、特种变压器。 按绕组数目分：按绕组数目分：单绕组（自耦）变压器、双绕组变压单绕组（自耦）变压器、双绕组变压器、三绕组变压器和多绕组变压器。器、三绕组变压器和多绕组变压器。 按相数分：按相数分：单相变压器、三相变压器和多相变压器。单相变压器、三相变压器和多相变压器。 按铁心结构分：按铁心结构分：心式变压器和壳式变压器。心式变压器和壳式变压器。 按冷却介质和冷却方式分：按冷却介质和冷却方式分：干式变压器

4、、油浸式变压器干式变压器、油浸式变压器和充气式变压器。和充气式变压器。 *本课程主要讨论电力系统输配电用电力变压器本课程主要讨论电力系统输配电用电力变压器61、电力变压器、电力变压器干式油浸式72、调压器、调压器83、仪用互感器、仪用互感器4、电子变压器、电子变压器95、特种变压器、特种变压器电炉变压器整流变压器电焊变压器环型变压器（音响）10主要组成主要组成：铁芯、绕组、变压器油、油箱、绝缘套管：铁芯、绕组、变压器油、油箱、绝缘套管三相芯式变压器铁芯绕组单相壳式变压器铁芯绕组三、三、 变压器的变压器的基本结构基本结构11交叠装配交叠装配铁芯叠片装配实物、铁心、铁心: :变压器的主磁路，为了提

5、高导磁性能和减少变压器的主磁路，为了提高导磁性能和减少铁损，用铁损，用0.350.35mm 0.5 0.5mm 0.65mm 0.65mm厚、表面涂有绝缘漆的硅厚、表面涂有绝缘漆的硅钢片叠成。钢片叠成。铁轭铁轭铁芯柱铁芯柱12铁芯各种截面铁芯各种截面充分利用空间充分利用空间提高变压器容量提高变压器容量减小体积。减小体积。13、绕组、绕组 变压器的变压器的电路电路，一般用绝缘，一般用绝缘铜线或铝线铜线或铝线绕制而成。绕制而成。 按照绕组在铁芯中的排列方法分为：按照绕组在铁芯中的排列方法分为：铁芯式和铁壳式铁芯式和铁壳式两类两类按照变压器绕组的基本形式按照变压器绕组的基本形式分为分为：同芯式和交叠

6、式同芯式和交叠式两种两种1、铁芯式、铁芯式: （1 1）、每个铁芯柱上都套有）、每个铁芯柱上都套有高压绕组和低乐绕组。为了绝高压绕组和低乐绕组。为了绝缘方便缘方便, ,低压在内，高压在外低压在内，高压在外 （2 2）、电力系统的各种变压）、电力系统的各种变压器都用铁芯式变压器器都用铁芯式变压器14扁铜线与成形绕组扁铜线与成形绕组1522铁壳式铁壳式（1 1）、铁芯柱在中间，铁轭在两旁环绕，且把绕组包）、铁芯柱在中间，铁轭在两旁环绕，且把绕组包围起来围起来. .高压绕组和低压绕组沿着铁芯柱的高度交错地高压绕组和低压绕组沿着铁芯柱的高度交错地排列着。排列着。(2)(2)、常应用于电压较低而电流很大

7、的持殊场合、常应用于电压较低而电流很大的持殊场合. .例如电炉用变压器。例如电炉用变压器。16铁壳式变压器铁壳式变压器17(四四)油箱油箱 油浸式变压器的器身浸在变压器油的油箱中。油箱侧油浸式变压器的器身浸在变压器油的油箱中。油箱侧壁有冷却用的管子（散热器或冷却器）。壁有冷却用的管子（散热器或冷却器）。 (五五)绝缘套管绝缘套管 将线圈的高、低压引线引到箱外，是引线对地的绝缘，将线圈的高、低压引线引到箱外，是引线对地的绝缘，担负着固定的作用。担负着固定的作用。 ( (三三) )变压器油变压器油 电力变压器的铁芯和绕组都需浸在变压器油中电力变压器的铁芯和绕组都需浸在变压器油中. .变压器油的作用

8、是双重的变压器油的作用是双重的: : 增强绝缘增强绝缘.传递热量散热传递热量散热18电力变压器基本结构图电力变压器基本结构图2、散热管1、油箱3、油枕4、高低压绝缘套管5、油标6、起吊孔7、铭牌19大型电力变压器20五、变压器的额定值五、变压器的额定值指长期运行时所能承受的工作电压指长期运行时所能承受的工作电压（ 线电压线电压） 指铭牌规定的额定使用条件下所能输出的指铭牌规定的额定使用条件下所能输出的视在功率视在功率。 指在额定容量下，允许长期通过的额定电流。在三相指在额定容量下，允许长期通过的额定电流。在三相变压器中指的是变压器中指的是线电流线电流21三者关系：三者关系： 此外，额定值还有额

9、定频率、效率、温升等。此外，额定值还有额定频率、效率、温升等。绕组绕组Y接法：接法：绕组绕组接法：接法：22一、电磁物理现象一、电磁物理现象 2.2 2.2 变压器空载运行变压器空载运行23主磁通与漏磁通的区别主磁通与漏磁通的区别: :二、各电磁量参考方向的规定二、各电磁量参考方向的规定磁通与产生它的电流之间符合右手螺旋定则磁通与产生它的电流之间符合右手螺旋定则电动势与感应它的磁通之间符合右手螺旋定则电动势与感应它的磁通之间符合右手螺旋定则1 1）性质上：）性质上： 与与 成非线性关系；成非线性关系； 与与 成线性关系；成线性关系；2 2）数量上：）数量上： 占占99%99%以上，以上， 仅占

10、仅占1%1%以下；以下；3 3）作用上：）作用上： 起传递能量的作用，起传递能量的作用， 起漏抗压降作用。起漏抗压降作用。主磁通主磁通 : :同时交链两绕组，沿铁芯闭合，磁阻较小同时交链两绕组，沿铁芯闭合，磁阻较小漏磁通漏磁通 : :只交链一个绕组只交链一个绕组, , 沿非磁性物质闭合沿非磁性物质闭合, ,磁阻较大磁阻较大i与与E参考正方向相同参考正方向相同24三、感应电动势、电压变比三、感应电动势、电压变比1 1、主磁通感应的电动势、主磁通感应的电动势-设则:有效值有效值:相量相量:同理，二次侧感应电动势也有同样的结论。同理，二次侧感应电动势也有同样的结论。 可见可见:当主磁通按正弦规律变化

11、时，所产生的一次侧感应当主磁通按正弦规律变化时，所产生的一次侧感应电动势也按正弦规律变化，时间相位上滞后主磁通电动势也按正弦规律变化，时间相位上滞后主磁通9090o o。则:有效值有效值:相量相量:25 E E1 1E E2 2在时间相位上滞后于磁通在时间相位上滞后于磁通 90900 0. .其波形图和相量图如下图所示其波形图和相量图如下图所示26 变压器的变比：变压器的变比： 在在变变压压器器中中，原原、副副绕绕组组的的感感应应电电动动势势E E1 1和和E E2 2之之比比称称为变压器的变比，用为变压器的变比，用 k k 表示，即：表示，即： 上上式式表表明明，变变压压器器的的变变比比等等

12、于于原原、副副绕绕组组的的匝匝数数比比。当变压器空载运行时，由于当变压器空载运行时，由于U U1 1EE1 1 ，U U2020= =E E2 2 ，即，即27四、励磁电流四、励磁电流讨论的问题：讨论的问题： 主磁通的波形取决于励磁电流的波形，而励磁电主磁通的波形取决于励磁电流的波形，而励磁电流的大小和波形决定于变压器的铁芯材料及几何流的大小和波形决定于变压器的铁芯材料及几何尺寸，尺寸，受磁路饱和、磁滞及涡流的影响。受磁路饱和、磁滞及涡流的影响。 主磁通是励磁电流产生的，但是主磁通的量值主磁通是励磁电流产生的，但是主磁通的量值大小受到外施电压大小受到外施电压U U及电路参数的制约及电路参数的制

13、约. .对已制成的变压器对已制成的变压器, 当当N1、f为常数，则：为常数，则：28( (一一) )磁路饱对励磁电流的影响磁路饱对励磁电流的影响磁路末饱和状态磁路末饱和状态:Bm:Bm0.8T0.8T a) a)其磁化曲线其磁化曲线 呈线呈线性关系，导磁率是常数。性关系，导磁率是常数。 b)b)当当 按正弦变化，按正弦变化， 亦亦按正弦变化，如图按正弦变化，如图2 29 929(2)(2)磁路处于饱和状态磁路处于饱和状态:Bm:Bm0.8T0.8Ta)a)磁化曲线磁化曲线0=f(i0)非线性，非线性，随随0增大导磁率逐渐变小。增大导磁率逐渐变小。c) c) 当当0 0为正波时，为正波时，i i

14、0 0顶波。顶波。磁路越饱和，尖顶的幅磁路越饱和，尖顶的幅度越大。度越大。b) b) 当当i i0 0按正弦规律变化时，按正弦规律变化时，0 0呈平顶波形。呈平顶波形。30磁路不饱和磁路不饱和 i0 为正弦m为正弦i0为正弦m为平顶磁路饱和磁路饱和m为正弦 i0 为尖顶磁路饱和磁路饱和31( (二二) )磁滞现象对励磁电流的影响磁滞现象对励磁电流的影响另一为另一为: :磁滞电流分量磁滞电流分量 . 交流磁场作用下，受磁滞影响。其励磁电流是交流磁场作用下，受磁滞影响。其励磁电流是不对称尖顶波。不对称尖顶波。其一为其一为: : 纯磁化电流纯磁化电流分量分量 ，对称的尖顶波对称的尖顶波建立磁场建立磁

15、场, ,无功分量无功分量32( (三三) )涡流对励磁电流的影响涡流对励磁电流的影响 交变磁通在铁芯中产生涡流及涡流损耗。交变磁通在铁芯中产生涡流及涡流损耗。 涡流损耗的电流分量涡流损耗的电流分量 也是一有功分量也是一有功分量 1) 1) 励磁电流实际包含励磁电流实际包含 2) 2)同相位合并同相位合并: :称铁耗电流分量称铁耗电流分量结论：励磁电流的组成结论：励磁电流的组成33 3）当）当考虑铁耗考虑铁耗电流分量时电流分量时，励励磁电流不再与磁电流不再与主磁通同相主磁通同相, ,而是超前一个磁滞角而是超前一个磁滞角m ( (铁耗角铁耗角) )0 0-E-E1 134五、励磁特性的电路模型五、

16、励磁特性的电路模型励磁电流为：励磁电流为：IFe - - 与与-E-E1 1同相位同相位 ( (有功）有功）I - - 滞后滞后-E-E1 1 90 90( (无功无功) )35五、励磁特性的电路模型五、励磁特性的电路模型-励磁阻抗励磁阻抗-励磁电阻，对应铁耗的等效电阻；励磁电阻，对应铁耗的等效电阻；-励磁电抗，对应建立磁场的电抗；励磁电抗，对应建立磁场的电抗；由于主磁通路径铁芯为非线性磁路，由于主磁通路径铁芯为非线性磁路，故故Zm、rm和和xm均不为常数，大小受磁均不为常数，大小受磁路饱和影响。路饱和影响。磁路饱和度磁路饱和度 Zm、rm、xm均均 ？36六、六、漏磁通感应的电动势漏磁通感应

17、的电动势漏电动势及漏抗漏电动势及漏抗用漏抗压降来表示，即：用漏抗压降来表示，即：同理有：同理有：漏磁通主要经过非铁磁路径，磁路不饱和，故磁阻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，所以漏电抗很大且为常数，所以漏电抗 x1 很小且为常数。很小且为常数。思考：变压器的思考：变压器的x1Im，为什么？，为什么？412.2.变压器负载运行时的电磁关系变压器负载运行时的电磁关系42二二基本方程基本方程综合分析，综合分析， 变压器带负载稳态运行时六个基本方程式：变压器带负载稳态运行时六个基本方程式：43三、变压器参数的归算三、变压器参数的归算1 1、为什么要进行归算？、为什么要进行归算？

18、通常变比通常变比k k很大很大, ,两侧物理量相差大，计算精度低且复杂两侧物理量相差大，计算精度低且复杂基本方程组是复数方程，求解麻烦基本方程组是复数方程，求解麻烦变压器两侧绕组间有磁耦合关系，难以用电路等效变压器两侧绕组间有磁耦合关系，难以用电路等效为了简化计算和方便推导出等效电路，对绕组进行归算为了简化计算和方便推导出等效电路，对绕组进行归算2、归算概念：、归算概念： 将变压器二次（或一次）侧绕组用一次（或二次）绕组来将变压器二次（或一次）侧绕组用一次（或二次）绕组来等效，同时对二次（或一次）绕组的电磁量作相应变换，以等效，同时对二次（或一次）绕组的电磁量作相应变换，以保持两侧电磁关系不变

19、保持两侧电磁关系不变443、归、归算原则算原则 1 1）保持二次侧磁动势不变保持二次侧磁动势不变 2 2）保持二次侧各功率或损耗不变）保持二次侧各功率或损耗不变4、归算方法：归算方法：（以二次侧归算到一次侧为例（以二次侧归算到一次侧为例) )1 1）二次侧电流的归算值）二次侧电流的归算值 : :45 归算前后主磁通和漏磁通均未改变，根据电动势归算前后主磁通和漏磁通均未改变，根据电动势与匝数成正比的关系可得与匝数成正比的关系可得: :2 2）二次侧感应电动势的归算值）二次侧感应电动势的归算值E E2 2同理同理: :463 3）二次侧漏阻抗的归算值）二次侧漏阻抗的归算值r2、X2、Z2根据折算前

20、后绕组的铜损耗不变原则：471、归、归算后的基本方程成为：算后的基本方程成为：四四归算后的方程式归算后的方程式等效电路及相量图等效电路及相量图482.2.等效电路等效电路单相变压器负载运行时电磁关系的模拟电路模型如下：单相变压器负载运行时电磁关系的模拟电路模型如下：T T型等值电路型等值电路（1 1）电路参数都是）电路参数都是每相值每相值。一次侧为。一次侧为实际值，二次侧为实际值，二次侧为归算值。归算值。（2 2）等效的是稳态）等效的是稳态对称运行状态。对称运行状态。49（1）画出）画出 ； （2）在）在 相量上加上相量上加上 得得 （3）（6）画出）画出 与与 的相量和的相量和 ；（7）画出

21、）画出 ，加，加 得到得到（4）画出领先）画出领先 的主磁通的主磁通 ；（5）根据）根据 画出画出 ， 领先领先 一个铁耗角了；一个铁耗角了；3 3、相量图、相量图给定量和求解量的不同，给定量和求解量的不同， 相量图画图步骤也不一样。相量图画图步骤也不一样。假假定给定定给定U2、I2、cos2 50五五. . 型型近似近似等效电路和等效电路和简化简化等效电路等效电路实际变压器中，实际变压器中， 很小。很小。负载变化时负载变化时 变化不大。因此假定变化不大。因此假定ImZ1 不随负载变化，不随负载变化，得到得到 型等效电路。型等效电路。1. 型等效电路。型等效电路。512.2.简化的简化的等效电

22、路等效电路负载运行时，负载运行时， Im在在I1N中所占的比例很小。在工程实中所占的比例很小。在工程实际计算中，忽略际计算中，忽略Im，得到简化等效电路。，得到简化等效电路。 rk 为短路电阻；为短路电阻；xk 为短路电抗；为短路电抗；Zk 为短路阻抗。为短路阻抗。空载运行时，空载运行时， 不能用简化的不能用简化的等效电路。等效电路。52rk=r1+r2xk=x1+x2T型等效电路型等效电路近似等效电路近似等效电路简化等效电路简化等效电路532.4 2.4 变压器的标么值变压器的标么值标么值是无量纲。标么值是无量纲。一、定义一、定义 标么值标么值, ,就是指某一物理量的实际值与选定的就是指某一

23、物理量的实际值与选定的同一单位的基准值的比值同一单位的基准值的比值, ,即即: :54二、基准值的确定二、基准值的确定1、通常以通常以额定值额定值为基准值。为基准值。 2 2、各侧的物理量以、各侧的物理量以各自侧的额定值各自侧的额定值为基准；为基准； 线值线值以额定线值为基准值，以额定线值为基准值，相值相值以额定相值为基准值；以额定相值为基准值； 单相值单相值以额定单相值为基准值，以额定单相值为基准值， 三相值三相值以额定三相值为基准值；以额定三相值为基准值； 3 3、,UNNNSSQPZ ZxrEU的基准值为的基准值为和和的基准值为的基准值为 和和 的基准值为的基准值为和和55三三标么值的优

24、点标么值的优点（1）计算方便且容易判断计算错误）计算方便且容易判断计算错误（2）采用标幺值计算同时也起到了归算的作用）采用标幺值计算同时也起到了归算的作用(3) 采用标幺值更能说明问题的实质采用标幺值更能说明问题的实质缺点缺点: 没有量纲，不能用量纲关系来检查结果没有量纲，不能用量纲关系来检查结果 562.5 2.5 变压器的参数测定方法变压器的参数测定方法一、一、 空载实验空载实验1目的目的 通过测量空载电流和一、二次电压及空载功率来计算通过测量空载电流和一、二次电压及空载功率来计算变变比比k、空载电流百分数、铁耗和励磁阻抗、空载电流百分数、铁耗和励磁阻抗Zm、rm、xm。2、接线图、接线图

25、573 3、试验注意事项及、试验注意事项及激磁参数计算：激磁参数计算：1 1）低压侧加电压，高压侧开路。）低压侧加电压，高压侧开路。2）单方向下降调节单方向下降调节U1（1.2UN0） 测取测取U1、U20、I0、p0，可画出各条曲线。，可画出各条曲线。3 3）空载时的等效电路）空载时的等效电路584) 4) 测定测定额定点额定点，以求取励磁参数，以求取励磁参数5) 5) 若要得到高压侧参数，须进行归算若要得到高压侧参数，须进行归算注意：各个物理量化为每相值进行计算59二、二、 短路实验短路实验1、目的：、目的：通过测量短路电流通过测量短路电流Ik、短路电压、短路电压Uk及及短路功率短路功率p

26、k来计算变压器的短路电压百分数、铜来计算变压器的短路电压百分数、铜耗和短路阻抗（耗和短路阻抗（rk、xk、zk）。）。2 2、接线图、接线图空载实验线路空载实验线路短路实验线路短路实验线路613) 短路试验应短路试验应降压降压进行，主磁通小，进行，主磁通小，pFe、Im不计，不计， 则则pcu=pk，用简化的等效电路来分析。，用简化的等效电路来分析。 3 3、试验注意事项及、试验注意事项及参数计算参数计算1) 1) 高压侧加电源电压，低压侧直接短路。高压侧加电源电压，低压侧直接短路。 2）调节输入电压）调节输入电压U1，使得，使得Ik从从01.3IN变化变化 测出测出Uk、Ik、pk4) 4)

27、 测出测出额定点额定点参数进行计算参数进行计算5 5）若要得到低压侧参数，须进行归算）若要得到低压侧参数，须进行归算注意：各个物理量化为每相值进行计算636 6）温度折算：（电阻应换算到基准工作温度）温度折算：（电阻应换算到基准工作温度）铜线：铜线：644 4、短路电压、短路电压1)1)短路电压百分值表示短路电压百分值表示: :当当 Ik=IN 时一次侧所加的电压，称为短路电压时一次侧所加的电压，称为短路电压(也称为阻抗电压也称为阻抗电压) 65 2) 2) 短路电压标么值表示短路电压标么值表示: :3) 3) 短路电阻标么值计算短路电阻标么值计算: :66 2.6 变压器的运行特性变压器的运

28、行特性一一 电压变化率（调整率）电压变化率（调整率）1.定义：定义：是指是指一次侧加额定电压一次侧加额定电压、空载与额定负载空载与额定负载两两种情况下的二次侧电压的算术差与空载电压之比种情况下的二次侧电压的算术差与空载电压之比 变压器运行性能的重要指标之一变压器运行性能的重要指标之一, , 反映了供电反映了供电电电压的稳定性压的稳定性。哪个是U2N？通过简化等效电路相量图求出得： 672 2、电压变化率参数表达式、电压变化率参数表达式( (实用公式实用公式) )忽略 、Im 有268注意：注意：（1 1）感性负载时，）感性负载时， 20， U为正为正 纯阻性负载时，纯阻性负载时， 2 =0，

29、U为正为正 容性负载时，容性负载时， 20， U可正可负可正可负 实际运行中一般是感性负载，端电压下降实际运行中一般是感性负载，端电压下降5 58%8%（2 2）如果不在额定负载时运行，计算）如果不在额定负载时运行，计算 U U公式如下：公式如下：0感性感性容性容性694.4.变压器外特性变压器外特性当当U1、cos2恒定时，恒定时，U2=f(I2)特性特性容性负载容性负载阻性负载阻性负载感性负载感性负载70二、变压器的效率二、变压器的效率 1 1、变压器的损耗、变压器的损耗变压器的损耗主要是变压器的损耗主要是铁耗铁耗和和铜耗铜耗两种。两种。铁耗：铁耗：(磁滞和涡流损耗磁滞和涡流损耗) 外加电

30、压大小有关，外加电压大小有关，而与负载大小基本无关，也称为不变损耗。而与负载大小基本无关，也称为不变损耗。铜耗：铜耗：(两侧绕组直流电阻损耗）铜损耗大小与两侧绕组直流电阻损耗）铜损耗大小与负载电流平方成正比，故也称为可变损耗。负载电流平方成正比，故也称为可变损耗。 71经济性能经济性能重要指标重要指标2 2、效率、效率效率是指变压器的输出功率与输入功率的比值效率是指变压器的输出功率与输入功率的比值其中72与负载的大小、功率因数及变压器参数有关与负载的大小、功率因数及变压器参数有关 3 3 效率特性：效率特性： 当当U U1 1、coscos2 2恒恒定时，定时，=f()=f()特性特性OPcu73 即当铜损耗等于铁损耗即当铜损耗等于铁损耗( (可变损耗等于不变可变损耗等于不变损耗损耗) )时时, ,变压器效率最大：变压器效率最大：或 为了提高变压器的运行效益，设计时应使变压为了提高变压器的运行效益，设计时应使变压器的最大效率发生在器的最大效率发生在=0.5=0.50.60.6747576