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1、2023/7/11,电机学 第三章 变压器,1,第三章 变压器,3-1 变压器的分类、基本结构、额定值3-2 变压器的空载运行3-3 变压器负载运行3-4 变压器的等效电路3-5 变压器的参数测定3-6 标幺值3-7 变压器的运行特性,2023/7/11,电机学 第三章 变压器,2,学习目标,熟悉变压器的作用、基本结构及工作原理 掌握变压器的运行原理、等效电路及平衡方程式熟悉变压器空载和短路试验的目的、线路、试验方法和技巧掌握变压器同名端的判定方法及三相变压器连接组别和时钟表示法的判定了解自耦变压器、电流互感器、电压互感器的特点及使用注意事项,2023/7/11,电机学 第三章 变压器,3,一
2、种静止的电机将一种电压的电能转换为另一种电压的电能。用途分类：电力变压器，电力系统传输电能电炉变压器，专给炼钢炉供电整流变压器，直流电力机车供电仪用变压器、控制变压器无线电变压器，仅传输信号。,3.1 变压器的分类、基本结构、额定值一、变压器的分类,2023/7/11,电机学 第三章 变压器,4,电力变压器,变压器的总容量大致相当于发电机容量的三倍。输电过程中，通常将电压升高，通过高压输电线传送到远方的城市，经过降压变压器降为10kv电压，再经过配电降压变压器分配给用户。输送同样的功率，电压低则电流大，一方面由于大电流在输电线路上引起损耗，另一方面大电流在线路阻抗上产生大的压降，受电端电压很低
3、，电能传送不出去。只有高电压能将电能输送到远方。,2023/7/11,电机学 第三章 变压器,5,（中间一般要经过45次，甚至是89次变压器的升降压）,2023/7/11,电机学 第三章 变压器,6,配电变压器,输电变压器,2023/7/11,电机学 第三章 变压器,7,变压器类别-变压方式,升压变压器升高电压的变压器降压变压器降低电压的变压器特殊变压器，如试验用高压变压器、电炉用变压器、电焊用变压器、晶闸管线路中的变压器、用于测量仪表的电压互感器和电流互感器等等,2023/7/11,电机学 第三章 变压器,8,变压器类别-线圈数目,双绕组变压器，在铁芯中有两个绕组，一个为初级绕组，一个为次级
4、绕组 自耦变压器，初级、次级绕组合为一个 三绕组变压器，三个绕组连接三种不同电压的线路多绕组变压器，如分裂变压器,2023/7/11,电机学 第三章 变压器,9,变压器类别-冷却方式,油浸式变压器铁芯和绕组都一起浸入灌满了变压器油的油箱中，可以加强绝缘和改善冷却散热条件干式变压器，能满足特殊要求，如安全油浸风冷变压器、强迫油循环变压器、充气式变压器等,2023/7/11,电机学 第三章 变压器,10,变压器类别-相数,单相变压器三相变压器,2023/7/11,电机学 第三章 变压器,11,二、电力变压器的基本结构,基本结构：油浸式变压器的主要结构部件：铁心、绕组、油箱、绝缘套管等。,2023/
5、7/11,电机学 第三章 变压器,12,（一）铁心,由心柱和铁轭两部分组成，心柱用来套装绕组，铁轭将心柱连接 起来，使之形成闭合磁路为减少铁心损耗，铁心用厚0.300.50mm的硅钢片叠成，片上涂以绝缘漆，以避免片间短路。,心柱,铁轭,2023/7/11,电机学 第三章 变压器,13,1、心式 心柱被绕组所包围,心式结构的绕组和绝缘装配比较容易，所以电力变压器常常采用这种结构。,特点,2023/7/11,电机学 第三章 变压器,14,铁心包围绕组的顶面、底面和侧面。,壳式变压器的机械强度较好，常用于低压、大电流的变压器或小容量电讯变压器。,特点,2、壳式,2023/7/11,电机学 第三章 变
6、压器,15,（二）绕组,定义：变压器的电路部分，用纸包或纱包的绝缘扁线或圆线绕成。一次绕组输入电能的绕组二次绕组输出电能的绕组同异点：一次和二次绕组具有不同的匝数、电压和电流，其中电压较高的绕组称为高压绕组，电压较低的称为低压绕组。,2023/7/11,电机学 第三章 变压器,16,从高低压绕组的相对位置来看，变压器绕组可以分为同心式和交叠式两类。,同心式：高低压绕组同心的套在铁心柱上。为了便于与铁心绝缘，一般低压绕组在里面高压绕组在外面。交叠式：又称饼式，将高压绕组及低压绕组分成若干个线饼，沿着铁心柱的高度交替排列着。为了便于绝缘，最上层和最下层安放低压绕组。,2023/7/11,电机学 第
7、三章 变压器,17,（三）油箱,油浸式变压器的器身浸在变压器油的油箱中。油是冷却介质，又是绝缘介质。油箱侧壁有冷却用的管子（散热器或冷却器）。机械支撑、冷却散热,当变压器出现故障时，产生的热量使变压器油汽化，气体继电器动作，发出报警信号或切断电源。如果事故严重，变压器油大量汽化，油气冲破安全气道管口的密封玻璃，冲出变压器油箱，避免油箱爆裂。,2023/7/11,电机学 第三章 变压器,18,（四）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，担负着固定的作用。（瓷质）套管外形常做成伞形，电压愈高、级数愈多。,2023/7/11,电机学 第三章 变压器,19,聚氨酯绝缘变压器套管,2
8、023/7/11,电机学 第三章 变压器,20,变压器的主要部件是铁心和套在铁心上的两个绕组。两绕组只有磁耦合没电联系。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。,只要一、二次绕组的匝数不同，就能达到改变压的目的。,变压器简单工作原理,2023/7/11,电机学 第三章 变压器,21,三、变压器的额定值,1、额定容量SN：额定视在功率 SUI双绕组变压器，一、二次侧额定容量S1N=S2N；三绕组变压器三侧容量不一定相等。三相变压器指三相的总容量。单位：VA、KVA、MVA。容量在630kVA以下的为小型电力变压器；8006300kVA的为中型电力变压器
9、；800063000kVA为大型电力变压器；90000kVA及以上的为特大型电力变压器。,2023/7/11,电机学 第三章 变压器,22,2、额定电压UN一次侧额定电压U1N：根据变压器的绝缘强度和允许发热等条件规定二次侧额定电压U2N：一次侧外加额定电压U1N时的二次侧空载电压。额定电压均指线电压。单位：V、KV,2023/7/11,电机学 第三章 变压器,23,4、额定频率fN：我国规定为50HZ。,单相变压器三相变压器,3、额定电流IN：一次侧额定电流I1N，二次侧额定电流I2N。额定电流均指线电流。单位：A,2023/7/11,电机学 第三章 变压器,24,了解：变压器铭牌数据正确地
10、使用变压器的依据,每台变压器都有一铭牌，上面标注着型号、额定值及其它数据，便于用户了解变压器的运行性能。,电力变压器产品型号 SL7315/10 产品编号 额定容量 315kVA 使用条件 户外式额定电压 10000/400V 冷却条件 ONAN额定电流 18.2/454.7A 短路电压 4%额定频率 50 Hz 器身吊重 765kg相 数 三相 油 重 380kg联接组别 Yyno 总 重 1525kg制 造 厂 生产日期 图 电力变压器铭牌示意图,2023/7/11,电机学 第三章 变压器,25,型号说明,2023/7/11,电机学 第三章 变压器,26,注意下面几个公式：,对于三相对称电
11、路，无论何种接法：,2023/7/11,电机学 第三章 变压器,27,A,2023/7/11,电机学 第三章 变压器,28,3-2 变压器的空载运行,电磁关系,图3-7 单相变压器的空载运行,2023/7/11,电机学 第三章 变压器,29,一、空载运行时的物理情况,N1、N2分别为原、副绕组匝数；U1为电源电压；i0为原边空载电流；0、1分别为主磁通和漏磁通；e1、e1、e2分别为原边感应电势、漏感电势和副边感应电势；u2为副边空载电压。,2023/7/11,电机学 第三章 变压器,30,主磁通与漏磁通的区别,性质：0与i0成非线性关系；1与i0成线性关系；路径：0流径闭合铁心，磁阻小，同时
12、匝链了原边和副边绕组,并感应出电势e1和e2；1与原边绕组匝链，通过变压器油或空气形成闭路，磁阻大。,2023/7/11,电机学 第三章 变压器,31,作用：0起传递能量的作用，1起漏抗压降作用。数量：变压器铁心由高导磁材料硅钢片制成（导磁系数20000)，大部分磁通都在铁心中流动，0约占总磁通的99强，1占总磁通的1弱。,2023/7/11,电机学 第三章 变压器,32,二、变压器各电磁量正方向,变压器中的电压、电流、磁通和感应电势的大小和方向都是随时间变化的，正方向原则是可以任意选择的，但变压器内部电磁规律却是一定的，表示电磁规律的方程式必须与选定的正方向相配合。,2023/7/11,电机
13、学 第三章 变压器,33,电路中（强调）：在同一支路内，电压降u的正方向与电流i的正方向一致；磁通的正方向与电流i的正方向之间遵循右手螺旋定则；磁通的正方向与它所感生的感应电势e正方向之间遵循右手螺旋定则。,2023/7/11,电机学 第三章 变压器,34,一次侧：电动机惯例 i0按u1正向流入一次侧二次侧：发电机惯例 i2与u2方向相同i、交链，与i成右手关系；感应e，e与成右手关系。e1=-N1d/dt e2=-N2d/dt e1=-N1d1/dt e与i同方向：e1与i0同方向；e2与i2同方向。,2023/7/11,电机学 第三章 变压器,35,完整的变压器空载电磁关系,2023/7/
14、11,电机学 第三章 变压器,36,三、感应电动势分析,1、主磁通感应的电动势主电动势,设,则,有效值,相量,当主磁通按正弦规律变化时，所产生的一次主电动势也按正弦规律变化，时间相位上滞后主磁通90。E1 f、N1、m,2023/7/11,电机学 第三章 变压器,37,同理,可得副边感应电势:,相量,2023/7/11,电机学 第三章 变压器,38,2、漏磁通感应的电动势漏电动势,根据主电动势的分析方法，有,漏电动势也可以用漏抗压降表示，即,漏电抗,漏电感,2023/7/11,电机学 第三章 变压器,39,1主要经过非铁磁路径，磁路不饱和，故磁阻很大且为常数漏电抗X1很小且为常数，它不随电源电
15、压负载情况而变。,变压器制成后，匝数N1确定，f确定漏电抗X1主要取决于1,磁导,2023/7/11,电机学 第三章 变压器,40,四、电压平衡方程、变比,1、电压方程,漏阻抗,一次侧,2023/7/11,电机学 第三章 变压器,41,请注意：“电压决定磁通”,对电力变压器，Z1很小，产生的漏阻抗的压降I0Z1很小U1E1 or 11,U1、E1大小相等，方向相反。有的把E1称为反电势。,电压决定磁通,2023/7/11,电机学 第三章 变压器,42,2、变比,当k1为降压变压器；k1为升压变压器。对于三相变压器变比k是指原、副绕组的相电势(或相电压)之比。,忽略原绕组内阻R1和原边漏磁通1,
16、一次侧电压U1E1；U20=E2,2023/7/11,电机学 第三章 变压器,43,例：一台三相变压器，Yd连接，U1N/U2N=35/6.3kV，求变压器变比,解：,例：若一次侧加额定电压U1N，此时二次侧空载电压U2定义为二次侧额定电压U2N，则变比为：,解：,2023/7/11,电机学 第三章 变压器,44,五、变压器的空载电流,空载电流波形问题：因为电源电压1为正弦交流电，所以在单相变压器中1和也是按正弦规律变化的。但变压器磁路是由铁磁材料组成的，是非线性磁路。在非线性磁路中铁磁材料具有饱和现象，所以当主磁通为正弦变化，空载电流i0应如何变化呢？,2023/7/11,电机学 第三章 变
17、压器,45,（1）当Bm1.3T，磁路末饱和状态,磁化曲线f(i)呈线性，导磁率是常数。当按正弦变化，i亦按正弦变化。,2023/7/11,电机学 第三章 变压器,46,（2）Bm1.4T1.73T，磁路饱和,f(i)呈非线性,随i增大导磁率逐渐变小。磁通为正弦波，i为尖顶波，尖顶的大小取决于饱和程度。,2023/7/11,电机学 第三章 变压器,47,波形分析,对尖顶波进行波形分析，除基波分量外，包含有各奇次谐波。其中以3次谐波幅值最大。用等效正弦波电流替代实际尖顶波电流。等效原则：令等效正弦波与尖顶波有相同的有效值，与尖顶波的基波分量有相同频率且同相位。,PUIcos90电流为无功电流,2
18、023/7/11,电机学 第三章 变压器,48,2、激磁电流(励磁电流)成分,产生主磁通所需的电流叫励磁电流，用im表示，空载时i0全部用以产生主磁通即：,励磁分量，建立磁场，产生主磁通无功分量,铁耗分量，供变压器铁心损耗有功分量,2023/7/11,电机学 第三章 变压器,49,2、变压器空载运行时相量图,铁耗角I不再与同相位,图 3-9 p124,2023/7/11,电机学 第三章 变压器,50,3、空载等效电路,变压器中既有电路、磁路问题，又有电与磁之间相互联系问题。为了分析问题方便，在不改变变压器电磁关系条件下，工程上常用一个线性电路来代替变压器这种复杂的电磁关系，这个线性电路就称为等
19、值电路。纯电路表示电磁问题,2023/7/11,电机学 第三章 变压器,51,变压器空载时，原绕组可看成是一个带铁心的电感线圈，从AX看进去其等值阻抗:,等值电路推导,Zm 励磁阻抗；Rm 励磁电阻，表示铁耗；pFe=I02RmXm 励磁电抗，表示铁芯中主磁通产生的电抗。,2023/7/11,电机学 第三章 变压器,52,2023/7/11,电机学 第三章 变压器,53,1.问题：Rm与Xm随铁心的饱和程度增高而减小的原因?,当f一定，U1升高时，由于原绕组漏阻抗压降不大，E1近似随U1成正比增大，铁心饱和程度上升而使励磁电导下降，故Xm减小；,励磁阻抗,Xm=2fN12m,铁心饱和程度mXm
20、,2023/7/11,电机学 第三章 变压器,54,主磁通增加,Bm增加，使铁耗增加，但铁耗增加的速度比不上I2m增大的速度，故励磁电阻Rm将变小。,饱和程度m BmpFe=HdBmim(i0),pFe=I02Rm,饱和时I0比增加快，U1，I0比U1增加快Zm随U1减小。,or 这样解释,2023/7/11,电机学 第三章 变压器,55,由于，所以有时忽略漏阻抗，空载等效电路只是一个Zm元件的电路。,由于磁路具有饱和特性，所以不是常数，随磁路饱和程度增大而减小。但实际上，电源电压可近似认为稳定，故励磁参数也可近似认为常数。,在U1一定的情况下，I0大小取决于Zm的大小。从运行角度讲，希望I0
21、越小越好，所以变压器常采用高导磁材料，增大Zm，减小I0，提高运行效率和功率因数。,Xm=2fN12m,2023/7/11,电机学 第三章 变压器,56,磁化电抗和铁耗电阻,磁化电抗,主磁路磁导,铁心线圈磁化电感,2023/7/11,电机学 第三章 变压器,57,铁耗电阻,结合,有功电流,2023/7/11,电机学 第三章 变压器,58,a）b）,2023/7/11,电机学 第三章 变压器,59,六、铁心中的磁滞和涡流损耗,磁滞损耗与电源频率和铁心材料的磁滞回线面积有关，磁滞回线面积又与铁心中最大磁密的平方成正比。涡流损耗是交流磁场在铁心内部感应的涡流所引起的损耗。铁心中的铁耗（包括磁滞和涡流
22、损耗）,2023/7/11,电机学 第三章 变压器,60,变压器空载时，一次侧从电源吸收少量的有功功率P0，用来供给铁损pFe和绕组铜损I02R1。由于I0和R1均很小，所以p0pFe，即空载损耗近似等于铁损。,对于已制成变压器，铁损与磁通密度幅值的平方成正比，与电流频率的1.3次方成正比，即,2023/7/11,电机学 第三章 变压器,61,空载损耗约占额定容量的0.2%1%，而且随变压器容量的增大而下降。为减少空载损耗，改进设计结构的方向是采用优质铁磁材料：优质硅钢片、激光化硅钢片或应用非晶态合金。,2023/7/11,电机学 第三章 变压器,62,*变压器空载运行时相量图,2023/7/
23、11,电机学 第三章 变压器,63,小结,（1）一次侧主电动势与漏阻抗压降总是与外施电压平衡,若忽略漏阻抗压降，则一次主电势的大小由外施电压决定。,（2）主磁通大小由电源电压、电源频率和一次线圈匝数决定，与磁路所用的材质及几何尺寸基本无关。,（3）空载电流大小与主磁通、线圈匝数及磁路的磁阻有关，铁心所用材料的导磁性能越好，空载电流越小。空载电流I0主要是无功性质。,2023/7/11,电机学 第三章 变压器,64,（4）电抗是交变磁通所感应的电动势与产生该磁通的电流的比值，线性磁路中，电抗为常数，非线性电路中，电抗的大小随磁路的饱和而减小。,(5)变压器空载时既吸收无功功率，也吸收有功功率，无
24、功功率主要用于建立主磁通，有功功率主要用于铁耗。,2023/7/11,电机学 第三章 变压器,65,3-3 变压器负载运行,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。（I20）各量正方向规定与空载运行时相同。,2023/7/11,电机学 第三章 变压器,66,负载运行时的电磁关系,磁动势平衡和能量传递,2023/7/11,电机学 第三章 变压器,67,副边出现负载电流I2副边产生磁势F2=I2N2主磁通发生变化E1、E2变化。E1变化原边：空载电流I0负载电流I1I1产生磁势F1=I1N1（一方面建立主磁通m，另一方面抵消F2对主磁通的影响）从空载到
25、负载，由于变压器所接的电源电压U1不变，且U1E1，所以主磁通不变。（负载时的I1Z1很小，约占6%U1N，忽略I1Z1时有1-1）即认为空载时主磁通与负载时主磁通近似相等。,2023/7/11,电机学 第三章 变压器,68,空载负载短路,2023/7/11,电机学 第三章 变压器,69,通过一、二次绕组磁动势平衡和电磁感应关系，一次绕组从电源吸收的电功率传递到二次绕组，并输出给负载能量传递的原理,分析一次侧电流,2023/7/11,电机学 第三章 变压器,70,一、磁动势平衡方程,将上式两边同除于N1，得：,（一次侧电流负载分量）,2023/7/11,电机学 第三章 变压器,71,说明,变压
26、器一次侧电流分成两个分量，一个是励磁电流，用来产生主磁通,另一个是负载分量，用来抵消二次磁动势的作用。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。,2023/7/11,电机学 第三章 变压器,72,二、电压平衡方程式,根据e=u,写出一二次侧电动势平衡方程,2023/7/11,电机学 第三章 变压器,73,X1和X2分别称为一次和二次绕组的漏磁电抗，简称漏抗,X1和X2都是常值,2023/7/11,电机学 第三章 变压器,74,按照磁路性质的不同，把磁通分成主磁通和漏磁通两部分，把不受铁心饱和影响的漏磁通分离出来，用常值参数X1和X2来表征，而把受铁心饱和影响的
27、主磁路及其参数Zm作为局部的非线性问题，再加以线性化处理，这是分析变压器和旋转电机的重要方法之一。这样做，一方面可以简化分析；另一方面可以提高测试和计算的精度。,2023/7/11,电机学 第三章 变压器,75,小节,2,2023/7/11,电机学 第三章 变压器,76,变压器的基本方程式综合了变压器内部的电磁过程，利用这组方程可以分析计算变压器的运行情况。但解联立方程相当复杂，且由于K很大，使原付方电压电流相差很大，计算精确度很差，所以一般不直接计算，常常采用折算计算的方法，其目的是为了简化等量计算和得出变压器一、二次侧有电的联系的等效电路。,2023/7/11,电机学 第三章 变压器,77
28、,三、绕组折算,折算：将变压器的二次（或一次）绕组用另一个绕组来等效，同时对该绕组的电磁量作相应的变换，以保持两侧的电磁关系不变。目的：用一个等效的电路代替实际的变压器。折算原则：1）保持二次侧磁动势F2不变；2）保持二次侧各功率或损耗不变。,2023/7/11,电机学 第三章 变压器,78,保持N1不变，设N2二次绕组代替N2二次绕组（二次归算到一次）方法：将二次侧折算到一次侧，假想把二次绕组的匝数变换成一次绕组的匝数，而不改变一次和二次绕组原有的电磁关系。折算后的各物理量右上角都加“”。如：E2E2；R2R2保持N2不变，设N1一次绕组代替N1绕组（一次归算到二次）,2023/7/11,电
29、机学 第三章 变压器,79,1、电流的归算,保持副边磁势F2不变则有：,物理意义：当用N2N1替代了N2，其匝数增加了k倍。为保持磁势不变。次级电流归算值减小到原来的1k倍。,2023/7/11,电机学 第三章 变压器,80,2、电势的归算,根据归算前后主磁通和漏磁通均保持不变,物理意义：当用N2 替代了N2，其匝数增加到k倍。而主磁通m及频率f均保持不变，归算后的次级电势应增加k倍。,(E=4.44fN),2023/7/11,电机学 第三章 变压器,81,第二种解释,电磁功率折算后不会变。,2023/7/11,电机学 第三章 变压器,82,2023/7/11,电机学 第三章 变压器,83,3
30、、阻抗的折算,归算前后有功功率和无功功率都不变,物理意义：当用N2替代N2后，匝数增加到k倍，次级绕组长度增加到k倍；次级电流减到为原来的l/k倍，归算后的次级绕组截面积应减到原来的lk倍，故归算后的次级电阻应增加到原来的k2倍。（绕组本身没有变化）,2023/7/11,电机学 第三章 变压器,84,物理意义：绕组的电抗和绕组的匝数平方成正比。由于归算后次级匝数增加了k倍，故漏抗应增加到k2倍。,归算前后有功功率和无功功率都不变,2023/7/11,电机学 第三章 变压器,85,其余验证：,2023/7/11,电机学 第三章 变压器,86,归算后的基本方程（公式3.15 p128）,2023/
31、7/11,电机学 第三章 变压器,87,四、相量图,已知：U2、I 2、cos2、K和参数R1、X1、R2、X2、Rm、Xm,a、画2、2（2已知）b、22+2Z2c、12 d、m-1/Zme、1+2 m f、11Z1-1,2023/7/11,电机学 第三章 变压器,88,3-4 变压器的等效电路,一、T形等效电路,注意：E1、E2为电势，箭头方向为电势正方向。,2023/7/11,电机学 第三章 变压器,89,2023/7/11,电机学 第三章 变压器,90,2023/7/11,电机学 第三章 变压器,91,二、型等效电路,额定负载时一次绕组的漏阻抗压降I1NZ1很小ImI1N将励磁支路左移
32、到电源端，使其成为型等值电路，近似后所引起的误差，工程上允许。,2023/7/11,电机学 第三章 变压器,92,2023/7/11,电机学 第三章 变压器,93,三、简化等效电路,由于I0I1，当忽略I0时，励磁支路可忽略，则等值电路变成了“一”字形，称为简化等值电路,2023/7/11,电机学 第三章 变压器,94,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。,其中,短路电阻短路电抗短路阻抗,2023/7/11,电机学 第三章 变压器,95,相量图,已知：U2、I2、cos2、Rk、Xk,作2、21-2（简化等效电路，略去I0）由公式作1,2023/7/11,电机学 第三章 变压器,96,2023/7/11,电机学 第三章 变压器,97,2023/7/11,电机学 第三章 变压器,98,2023/7/11,电机学 第三章 变压器,99,
