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1、学习目标:,第一章 变压器,1掌握变压器的结构。2掌握变压器的工作原理。3掌握三相变压器的结构及连接组别。4能判断变压器故障，对一般故障能进行修理与试验。,案例：电能的产生、输送与分配,第一章 变压器,图1-1 电力输送过程示意图,变压器,电源变压器,电力变压器,环形变压器,自耦调压器,控制变压器,三相干式变压器,作用：,变压器是用来改变交流电压大小的电气设备。它是根据电磁感应原理，把某一等级的交流电压变化成频率相同的另一等级的交流电压，以满足不同负载的需要。还可用来改变电流、变换阻抗以及产生脉冲等。,1.1 变压器的用途与结构,1.1.1 变压器的用途及其分类,用途：,主要用于输配电系统，而
2、且还广泛应用于电气控制领域、电子技术领域，测试技术领域以及焊接技术领域等。,1按用途分类,（1）电力变压器:用作电能的输送与分配。（2）特种变压器。在特殊场合使用的变压器，如作为焊接电源的电焊变压器；专供大功率电炉使 用的电炉变压器；将交流电整流成直流电时使用的整流变压器等。（3）仪用互感器:用于电工测量中，如电流 互感器、电 压互感器等。（4）控制变压器:容量一般比较小，用于小功率电源系统和自动控制系统。（5）其他变压器 如高压变压器、调压变压器；脉冲变压器,双绕组变压器、三绕组变压器、多绕组变压器和自耦变压器等。,叠片式铁心、卷制式铁心、非晶合金铁心。,2按绕组构成分类,3按铁心结构分类,
3、4按相数分类,有单相变压器、三相变压器、多相变压器。,5按冷却方式分类,有干式变压器、油浸自冷变压器、油浸风冷变压器、强迫油循环变压器、充气式变压器等。,1.1.2 变压器的结构,根据用途不同，变压器的结构也有所不同，大功率电力变压器的结构比较复杂，而多数电力变压器是油浸式的。油浸式变压器由绕组和铁芯组成器身，为了解决散热、绝缘、密封、安全等问题，还需要油箱、绝缘套管、储油柜、冷却装置、压力释放阀、安全气道、湿度计、气体继电器等附件，其结构如图1-2所示。,图1-2 油浸式电力变压器,1变压器绕组,变压器中的电路部分，小型变压器一般用具有绝缘的漆包圆铜线绕制而成，对容量稍大的变压器则用扁铜线或
4、扁铝线绕制。,(1)同心式绕组,高、低压绕组同心地套装在铁心柱上。为了便于与铁心绝缘，把低压绕组套装在里面，高压绕组套装在外面。,按其绕制方法的不同又可分为圆筒式、螺旋式和连续式,(2)交叠式绕组,将绕组分成若干个线饼交替排列,又称饼式绕组,漏抗小、机械强度高、引线方便。主要用在低电压、大电流的变压器上，如容量较大的电炉变压器、电阻电焊机（如点焊、滚焊和对焊电焊机）变压器等。,优点:,2变压器铁芯,构成变压器磁路系统，并作为变压器的机械骨架,铁心柱,磁轭,0.35 mm厚的硅钢片，减小铁耗。,国产硅钢片有热轧硅钢片、冷轧无取向硅钢片、冷轧晶粒取向硅钢片,心式变压器,壳式变压器,单相小容量变压器
5、铁心形式,为了减小铁心磁路的磁阻以减小铁心损耗，要求铁心装配时，接缝处的空气隙应越小越好。,（1）油箱和冷却装置,油箱内装变压器油,扁形散热油管或片式散热器帮助散热,10 000 kVA的电力变压器，采用风吹冷却或强迫油循环冷却装置。,3变压器的主要附件,储油柜：,通过连接管与油箱相通使变压器油与空气的接触面积大为减小，减缓了变压器油的老化速度,新型的全充油密封式电力变压器则取消了储油柜，运行时变压器油的体积变化完全由设在侧壁的膨胀式散热器（金属波纹油箱）来补偿。,（2）保护装置,在油箱和储油柜之间的连接管中装有气体继电器，当变压器发生故障时，内部绝缘物汽化，使气体继电器动作，发出信号或使开关
6、跳闸。,（a）气体继电器,（b）防爆管（安全气道）,装在油箱顶部，它是一个长的圆形钢筒，上端用酚醛纸板密封，下端与油箱连通。若变压器发生故障，使油箱内压力骤增时，油流冲破酚醛纸板，以免造成变压器箱体爆裂。近年来，国产电力变压器已广泛采用压力释放阀来取代防爆管。,1.2 变压器的铭牌和额定值,1.2.1 铭 牌,正确地使用变压器的依据,1.2.2 额 定 值,1.型号,2.额定电压U1N和U2N,U1N：,加在一次绕组上的正常工作电压值。根据变压器的绝缘强度和允许发热等条件规定,U2N：,变压器空载时，高压侧加上额定电压后，二次绕组两端的电压值。,U2N不等于额定负载时的负载电压。有一个电压降使
7、空载电压大于负载电压。,额定电压在三相变压器中是指线电压。,3.额定电流I1N和I2N,根据变压器容许发热的条件而规定的满载电流值。在三相变压器中额定电流是指线电流。,4.额定容量SN,变压器在额定工作状态下，二次绕组的视在功率，其单位为kVA。,单相变压器的额定容量,三相变压器的额定容量,5.联结组标号,三相变压器一、二次绕组的连接方式,Y（高压绕组作星形联结）、y（低压绕组作星形联结）；D（高压绕组作三角形联结）、d（低压绕组作三角形联结）；N（高压绕组作星形联结时的中性线）、n（低压绕组作星形联结时的中性线）。,6.阻抗电压,又称为短路电压。它标志在额定电流时变压器阻抗压降的大小。通常用
8、它与额定电压U1N的百分比来表示。,例11：一台三相油浸自冷式铝线变压器，已知SN560kVA，U1N/U2N=10000V/400V，试求一次、二次绕组的额定电流I1N、I2N各是多大?,解：,互相绝缘且匝数不同只有磁的耦合而没有电的联系,1.3 单相变压器的空载运行及负载运行,1.3.1 单相变压器的空载运行,1单相变压器的基本工作原理,根据电磁感应原理：,改变一、二次绕组的匝数，就可达到改变电压的目的。,1单相变压器的基本工作原理,第四节：单相变压器的空载运行及负载运行,2.空载运行时各物理量正方向的规定,二次绕组开路,按照“电工惯例”规定参考方向：,（1）电压的参考方向：在同一支路 中
9、，电压的参考方向与电流的参考 方向一致。（2）磁通的参考方向：磁通的参 考方向与电流的参考方向之间符合 右手螺旋定则。（3）感应电动势的参考方向：由交 变磁通产生的感应电动势e，其参考 方向与产生该磁通的电流参考方向一 致（即感应电动势e与产生它的磁通 之间符合右手螺旋定则）。,参考方向的规定,按此参考方向列出的电磁感应定律方程：,3.感应电动势和变比,设msint,e滞后于900,结论：,有效值：,E1=4.44fN1m,E2=4.44fN2m,略去一次绕组中的阻抗不计,U1E14.44fN1m,U2E2=4.44fN2m,变压比，简称变比,U1恒定时，变压器铁心中的磁通m基本上保持不变,4
10、.变压器的空载电流和空载损耗,空载电流（210）IN,无功分量Iq，用来建立磁场，起励磁作用,有功分量Id，用来供给变压器铁心损耗 10I0,4.变压器的空载电流和空载损耗,空载损耗绝大部分是铁心损耗P0，即磁滞损耗与涡流损耗，只有极少部分是一次绕组电阻上的铜损耗I02R。可认为变压器的空载损耗就是变压器的铁心损耗,5.空载运行时相量图,单相变压器电路原理图,理想变压器空载运行相量图,例12：如图所示，低压照明变压器一次绕组匝数N1660匝，一次绕组电压Ul220V，现要求二次绕组输出电压U236V，求二次绕组匝数N2及变比Ku,解：,降压变压器：Ku1 升压变压器:Ku1,1.3.2 单相变
11、压器的负载运行,单相变压器负载运行,二次绕组中有电流,一次绕组中电流变为i1,1磁动势平衡方程及变流比,变压器负载运行时的磁通势平衡方程式:因为电源电压不变，故负载时的磁势和空载时相同：,N1I1 N2I2,忽略I0:,变压器的变流比,变压器的高压绕组匝数多，而通过的电流小，因此绕组所用的导线细；反之低压绕组匝数少，通过的电流大，所用的导线较粗。,结论：,1磁动势平衡方程及变流比,外特性:,一次绕组电压U1和负载的功率因数cos2一定时，二次绕组电压U2与负载电流I2的关系.,滞后的无功电流产生去磁作用使电压下降,超前的无功电流产生增磁作用使电压上升,用标么值表示，便于不同变压器之间比较,2变
12、压器的外特性及电压变化率,电压变化率：,用U来表示,二次侧空载电压,额定负载时二次侧电压,U反映供电电压的稳定性。U越小，说明变压器二次绕组输出的电压 越稳定。常用变压器U为35,例13：某台供电电力变压器将U1N=10000V的高压降压后对负载供电，要求该变压器在额定负载下的输出电压为U2=380V，该变压器的电压变化率U5，求该变压器二次绕组的额定电压U2N及变比K。,解：,U2N=400VK=U1N/U2N=10000/400=25,3.变压器的损耗及效率,P1=U1I1COS1P2=U2I2COS2,损耗P P1-P2=Pcu+PFe,（1）铁损耗PFe,基本铁损耗,附加铁损耗,与U1
13、有关，与负载电流无关，当U1不变时，铁耗基本不变。故铁耗称为不变损耗。,（2）铜损耗PCu,基本铜损耗,附加铜损耗,电流在一次、二次绕组电阻上产生的损耗,漏磁通产生的集肤效应使电流在导体内分布不均匀而产生的额外损耗,铜损耗与负载电流的平方成正比，所以铜损耗又称为“可变损耗”,（3）效率,中小型电力变压器效率在95以上，大型电力变压器效率可达99以上.,例14：S9500/10低损耗三相电力变压器额定容量500kVA，设功率因素为1,二次电压U2N=400V，铁损耗PFe=0.98KW，额定负载时铜损耗PCu4.1kW，求二次额定电流I2N及变压器效率。,P2=SNCOS=500kW,解：,（4
14、）效率特性,效率也随负载电流I2的变化而变化的关系,负载系数,不变损耗等于可变损耗时，变压器的效率最高。通常最高效率位于=0.50.6之间,相当于直接接在一次绕组上的等效阻抗,1.3.3 变压器的阻抗变换作用,输出变压器、线间变压器,阻抗匹配作用：如使音响设备输出的阻抗与扬声器的阻抗尽量相等，以获得最大的输出功率。,例15：某晶体管收音机输出电路的输出阻抗为Z/=392，接入的扬声器阻抗为Z=8，现加接一个输出变压器使两者实现阻抗匹配，求该变压器的变比K；若该变压器一次绕组匝数N1=560匝，问二次绕组匝数N2为多少?,解：,1.4 三相变压器,三相变压器组,1.4.1 三相变压器磁路结构,三
15、相心式变压器,1.变压器的极性,同极性端或同名端：,变压器的一、二次绕组绕在同一个铁心上，当同时交链的磁通交变时，两个绕组中感应出电动势，当一次绕组的某一端点瞬时电位为正时，二次绕组也必有一电位为正的对应端点。这两个对应的端点，称为同极性端或同名端，通常用符号“”表示。,1.4.2 三相变压器的极性与连接组,变压器绕组的正确连接图,绕组的错误连接,绕组电压为110V，电源电压为220V时的连接方法,绕组电压为110V，电源电压为110V时的连接方法,无感应电动势，将烧毁绕组,2.变压器极性的判定,(1)对两个绕向已知的绕组,绕向不同时，同名端不同,2.变压器极性的判定,(2)对一台已经制成的变
16、压器,交流法测定同名端,U13U12U34，则说明N1、N2组为反极性串联，故1和3为同名端。如果U13U12U34，则1和4为同名端。,2.变压器极性的判定,(2)对一台已经制成的变压器,直流法测定同名端,开关S合上的一瞬间，如毫伏表指针向正方向摆动，则接直流电源正极的端子与接直流毫伏表正极的端子为同名端。,（1）三相变压器绕组的连接方法,绕组的首端和末端的标记,3.三相变压器的连接组,三相绕组连接方法,联结组别,表示一次绕组线电压与二次绕组线电压之间的相位关系。,一、二次绕组线电动势的相位差总是300的整数倍。因此，国际上规定，标志三相变压器一、二次绕组线电动势的相位关系用时钟表示法。,规
17、定一次绕组线电势 为长针，永远指向钟面上的“12”，二次绕组线电势 为短针，它指向钟面上的哪个数字，该数字则为该三相变压器联结组别的标号。,联结组别,三相变压器一、二次绕组不同接法的组合形式有：Y，y；YN，d；Y，d；Y，yn；D，y；D，d等，其中最常用的组合形式有三种，即Y，yn；YN，d和Y，d。,大容量的变压器通常采用Y，d或YN，d联结。,容量不太大而且需要中性线的变压器，广泛采用Y，yn联结，以适应照明与动力混合负载需要的两种电压。,相电压只有线电压的1，当中性点引出接地时，绕组对地的绝缘要求降低了.,Y,y0联结组,（2）Y，y联结组,Y,y6联结组,（2）Y，y联结组,Y,d
18、11联结组,（3）Y，d联结组,（3）Y，d联结组,为了制造及运行方便的需要，国家标准规定了三相电力变压器只采用五种标准联结组，即Y，yn0、YN，d11、YN，y0、Y，y0和Y，dll。,常用，它用于容量不大的三相配电变压器，低压侧电压为400230 V，用以供给动力和照明的混合负载。一般这种变压器的最大容量为1800kVA，高压侧的额定电压不超过35kV,Y，yn0,并联运行：,几台三相变压器的高压绕组及低压绕组分别连接到高压电源及低压电源母线上，共同向负载供电的运行方式。,在变电站中，总的负载经常由两台或多台三相电力变压器并联供电,1.4.3 三相变压器并联运行,（1）一、二次绕组电压
19、应相等，即变比 应相等。（2）联结组别必须相同。（3）短路阻抗（即短路电压）应相等。,并联运行的变压器必须满足以下条件：,电流大，可能超过额定值,1.变比不等时的并联运行,K1E2,两个二次绕组之间形成环流Ic，这个电流称为平衡电流。,短路阻抗小,平衡电流大,电流小于额定值,变压比误差不允许超过0.5,2.联结组别不同时变压器的并联运行,线电压的相位差至少为300，因此会产生很大的电压差U2,如Y，y0和Y，dll两台变压器并联，,二次绕组中产生比额定电流大得多的空载环流，导致变压器损坏。,后果：,3.短路阻抗（短路电压）不等时变压器的并联运行,ZS1I1=Zs2I2,E2相等，U2相等,容量
20、相同、变比相等、联结组别也相同，但短路阻抗不等：,负载电流的分配与各台变压器的短路阻抗成反比.并联运行的变压器其短路电压比不应超过10。,为合理分配负载，防止小容量的变压器过载，大容量的变压器得不到充分利用，要求投入并联运行的各变压器，最大容量与最小容量之比不宜超过三比一,1.5 特殊用途变压器,1.5.1 自耦变压器,1.结构特点及用途,一二次绕组不仅有磁耦合还有电的直接连接,2.电压、电流及容量关系,U1E14.44fN1mU2E24.44fN2m,负载时的磁势平衡方程式：,忽略空载磁通势，则,自耦变压器一、二次绕组中的电流大小与匝数成反比，在相位上互差1800.,结论:,流经公共绕组中的
21、电流I的大小为:,I=I2I1,当变比K接近于1时，I很小，这部分绕组可用截面积较小的导线绕制，以节约用铜量，并减小自耦变压器的体积与重量。,结论：,2.电压、电流及容量关系,2.电压、电流及容量关系,S2=U2I2=U2（I+I1）=U2I+U2I1,自耦变压器输出的视在功率为：,I1只在一部分绕组的电阻上产生铜损耗，因此自耦变压器的损耗比普通变压器要小，效率较高，因而较为经济。K一般介于1.22间，此时变压器优势较明显。,应用举例：电力系统中，用自耦变压器把110 kV、150 kV、220 kV和330kV的高压电力系统连接成大规模的动力系统。,自耦变压器的缺点：,高压侧的电气故障会波及
22、到低压侧，很不安全。因此自耦变压器在使用时必须正确接线，且外壳必须接地，并规定安全照明变压器不允许采用自耦变压器结构形式。,2.电压、电流及容量关系,输出电压可调，可稍高于一次绕组电压,例：实验室中常用的单相调压器，一次绕组输入电压U1220V，二次绕组输出电压U20250V,电流互感器,在电工测量中用来按比例变换交流电流的仪器,串在电路中，流过被测电流匝数少，导线粗。,量程及读数：,二次电流表量程一般为5A。实际中已换算成一次电流，其标度尺即按一次电流分度，这样可以直接读数，不必再进行换算。,电流互感器使用注意事项：,二次绕组绝对不允许开路,电流互感器的铁心及二次绕组一端必须可靠接地,钳形电
23、流表,利用电流互感器原理,如被测电流过小，可将被测导线在钳口内多绕几圈，然后将读数除以所绕匝数,用电流互感器进行电流测量时存在一定的误差，根据误差的大小，电流互感器分下列各级：0.2、0.5、1.0、3.0、10.0。如0.5级的电流互感器表示在额定电流时，测量误差最大不超过0.5,精度：,电压互感器,在电工测量中用来按比例变换交流电压的仪器,实际上是一台降压变压器,二次电压表量程一般为100V。实际中已换算成一次电压，其标度尺即按一次电压分度，可以直接读数，不需换算。,电压互感器使用注意事项：,二次绕组绝对不允许短路,电压互感器的铁心及二次绕组一端必须可靠接地,使用时二次绕组回路不宜接入过多
24、的仪表，以免影响电压互感器的测量精度,二次回路应串入熔体电流小于2A的熔断器,例16：用变压比为10 000100 V的电压互感器，变流比为1005 A的电流互感器扩大量程，其电流表读数为3.5 A，电压表读数为96V，试求被测电路的电流、电压各为多少？,解：因为电流互感器负载电流等于电流表读数乘上电流互感器电流比，即,电压互感器所测高电压等于电压表读数乘上变比，即,被测电路的电流为70A，电压为9600V,1.5.4 电焊变压器,电焊变压器是交流弧焊机的主要组成部分，它实质上是一台特殊的降压变压器。,为了保证焊接质量和电弧的稳定燃烧，对电焊变压器的要求：,1.电焊变压器在空载时，应有一定的空
25、载电压，通常Uo6075 V左右，以保证起弧容易。另一方面，为了操作者的安全，空载起弧电压又不能太高，最高不宜超过85V,2.在负载时，电压应随负载的增大而急剧下降，即应有陡降的外特性。通常在额定负载时的输出电压约30V左右,3.短路电流ISC不应过大，以免损坏电焊机,4.为了适应不同的焊接工件和不同焊条的需要，要求电焊变压器输出的电流能在一定范围内进行调节,电焊变压器的结构特点：,电焊变压器必须具有较大的漏抗，而且可以进行调节故铁心的气隙比较大，一次、二次绕组分装在不同的铁心柱上，用磁分路法、串联可变电抗器法及改变二次绕组的接法等来调节焊接电流。,常用形式：,抽头式,可动铁心式,可动线圈式,综合式,BXl系列磁分路动铁心式弧焊机外形图,二次绕组分为两部分。一部分和一次绕组接在同一侧，另一部分绕在铁心的另一侧，相当于电感。,焊接电流粗调,焊接电流的细调节：通过手轮移动铁心的位置，改变漏抗，从而得到均匀的电流调节。,串入所有电抗线圈及一半二次绕组,串入所有二次绕组及一半电抗线圈,
