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1、变压器的基本工作原理 1.基本原理：利用电磁感应原理，实现能量的传递。2.特点：（1）只能传递交流电能；（2）只能改变交流电压或电流的大小而不能改变频率。,1.1.2 变压器的工作原理,一、基本工作原理,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。在原绕组中加上交变电压，产生交链原、副绕组的交变磁通，在两绕组中分别感应电动势。,只要原、副绕组的匝数不同，就能达到改变电压的目的。,空载运行：是指当变压器原绕组接交流电源，副绕组开路，即i2=0时的状态。空载时原绕组中的交变电流称为空载电流,单相变压器的空载运行,单相变压器的空载运行,电磁关系,主磁通和漏磁通在性质上的不
2、同：1）由于铁磁材料有饱和现象，所以主磁路的磁阻不是常数，主磁通与建立它的电流之间呈非线性关系。而漏磁通的磁路大部分是非铁磁材料组成，所以漏磁路的磁阻基本上是常数，漏磁通与产生它的电流呈线性关系 2）主磁通在原、副绕组中均感应电动势，当副方接上负载时便有电功率向负载输出，故主磁通起传递能量的作用。而漏磁通仅在原绕组中感应电动势，不能传递能量，仅起压降作用。因此，在分析变压器和交流电机时常将主磁通和漏磁通分开处理。,单相变压器的空载运行,讨论：,1）性质上：与 成非线性关系；与 成线性关系；2）数量上：占99%以上，仅占1%以下；3）作用上：起传递能量的作用，起漏抗压降作用。,主磁通与漏磁通的区
3、别？,变压器的感应电动势和变比,1、正方向的规定：,1）在负载支路，电流的正方向与电压降的正方向一致，而在电源支路，电流的正方向与电动势的正方向一致,2）磁通的正方向与产生它的电流的正方向符合右手螺旋定则,3）感应电动势的正方向与产生它的磁通的正方向符合右手螺旋定则,电压u1,u2的正方向表示电位降低，电动势e1,e2的正方向表示电位升高。在原方，u1由首端指向末端，1从首端流入。当u1与1同时为正或同时为负时，表示电功率从原方输入，称为电动机惯例。在副方，u2和2的正方向是由e2的正方向决定的，即2沿e2的正方向流出。当u2和2同时为正或同时为负时，电功率从副方输出，称为发电机惯例,变压器的
4、感应电动势和变比,2、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,同理，副边主电动势也有同样的结论。,可见，当主磁通按正弦规律变化时，所产生的原边主电动势也按正弦规律变化，时间相位上滞后主磁通。主电动势的大小与电源频率、绕组匝数及主磁通的最大值成正比。,2、感应电动势分析,2)、漏磁通感应的电动势漏电动势,漏电动势也可以用漏抗压降来表示，即,根据主电动势的分析方法，同样有,由于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 很小且为常数,它不随电源电压负载情况而变.,3、电压平衡方程式,（1）一次侧电动势平衡方程,忽略很小的漏阻抗压降，,则,可
5、见，影响主磁通 大小的因素有电源电压、电源频率 和原边线圈匝数。,并写成有效值形式，有,在副边，由于电流为零，则副边的感应电动势等于副方的空载电压，即：,重要公式,4、变压器的变比,定义,对三相变压器，变比为原、副边的相电动势之比，近似为额定相电压之比。,定义：在变压器中，原、副绕组的感应电动势E1和E2之比称为变压器的变比，用 K 表示,变压器的变比等于原、副绕组的匝数比。当变压器空载运行时，由于U1E1，U20E2，故可近似地用空载运行时原、副边的电压比来作为变压器的变比,是变压器中一个很重要的参数，若NlN2，则U1U2，是降压变压器；若N1N2，则U1U2，是升压变压器,讨论：,一台2
6、20/110伏的变压器，变比，能否原边线圈用2匝，副边线圈用1匝，为什么？,答：不能。由可知，由于匝数太少，主磁通将剧增，磁密过大,磁路过于饱和，磁导率降低，磁阻 增大。于是，根据磁路欧姆定律可知,产生该磁通的激磁电流必将大增。再由可知，磁密过大,导致铁耗大增，铜损耗也显著增大，变压器发热严重，可能损坏变压器。,讨论：,一台结构已定的变压器当外施电压为已知，需要电源提供多大的激磁电流呢?激磁电流包括哪些成分呢?,答：决定于变压器的铁芯材料及铁芯几何尺寸。因为铁芯材料是磁性物质，激磁电流的大小和波形将受磁路饱和、磁滞及涡流的影响。,补充：高低压绕组的判别,用万用表的电阻档测量变压器的四个端子，相
7、通的端子间对应一个绕组。其中电阻大的对应高压绕组，电阻小的对应低压绕组。,变压器的空载电流,1、作用与组成,2、性质和大小,性质：由于空载电流的无功分量远大于有功分量，所以空载电流主要是感性无功性质也称励磁电流I0Q=I0P；,空载电流 包含两个分量，一个是励磁分量，作用是建立磁场，产生主磁通,它不消耗有功功率无功分量；另一个是铁损耗分量，作用是供变压器铁心损耗有功分量,大小：,空载时相量图和等效电路,1、空载时的相量图,（1）以 为参考相量,（3）与 同相，超前，,（2）滞后，且空载时,讨论:,1、变压器空载运行时功率因数？,接近900，因此变压器空载运行时功率因数很低，一般COS 0 0.
8、10.2故应避免变压器空载运行,3空载时的相量图和等效电路,1、等值电路,一次侧的电动势平衡方程为,基于 表示法，感应的 也用电抗压降表示，由于 在铁心中引起，所以还要引入一个电阻，用 等效，即,空载时等效电路为,由于，所以有时忽略漏阻抗，空载等效电路只是一个 元件的电路。在 一定的情况下，大小取决于 的大小。从运行角度讲，希望 越小越好，所以变压器常采用高导磁材料，增大，减小，提高运行效率和功率因数。,例：低压照明变压器一次绕组匝数N1=660匝，一次绕组电压U1=220V，现要求二次绕组输出电压U2=36V，求二次绕组匝数N2及变比K。,由公式,可得 N2=,K=,匝=108匝,1、有一台
9、D-50/10单相变压器，试求变压器原、副线圈的额定电流？,解：一次绕组的额定电流,补充习题：,二次绕组的额定电流,2、有一台SSP-125000/220三相电力变压器，YN，d接线，求变压器额定电压和额定电流；变压器原、副线圈的额定电流和额定电流。,解：.原、副边额定电压,原线圈额定电流（线电流）,副线圈额定电流（线电流）,（2）由于YN，d接线原绕组的额定电压 U1N=,原绕组的额定电流,副绕组的额定电压,副绕组的额定电流I2N=,单相变压器的空载运行,小结,（1）原边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，则原边主电势的大小由外施电压决定.,（2）主磁通大小由电源电压、
10、电源频率和原线圈匝数决定，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。,（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。,讨论：,1、变压器原绕组的电阻一般很小，为什么在原绕组上加额定的交流电压，线圈不会烧毁？若在原绕组加上与交流电压数值相同的直流电压，会产生什么后果？这时副绕组有无电压输出？,答：当变压器原边加额定交流电压时，原绕组内将感应有较高的反电势，尽管变压器原绕组电阻较小，线圈不会烧毁。当原绕组加相同的直流电时，因电
11、压不会交变，因而绕组内没有感应电势，副边无电压输出。时间较长变压器将发热烧毁,2、变压器绕组匝间短路，会出现什么现象？产生的原因？处理方案？,变压器绕组匝间短路，会出现电流增大、发热、压力增大。原因:绝缘损坏、短路、雷击过电压等。处理方案:通过瓦斯保护动作与跳闸，再检查、修复。,变压器原绕组接在额定频率、额定电压的交流电源上，副绕组接上负载的运行状态，称为负载运行。,变压器的负载运行,负载运行原理图,如图所示，副绕组中有电流I2通过，由于该电流是依据电磁感应原理由原绕组感应而产生，因此原绕组中的电流也由空载电流I0变为负载电流I1，,变压器的负载电流分成两个分量,一个是励磁电流,用来产生主磁通
12、,另一个是负载分量,用来抵消副边磁动势的作用。电磁关系将原、副边联系起来,副边电流增加或减少必然引起原边电流的增加或减少.可见，负载后副边得到的能量其实还是由原边提供的。,负载后，副边产生电流I2，其大小随负载变化,负载前后，励磁电流I0几乎不变,变压器效率一般都很高，因此可以近似认为，变压器的输入功率与输出功率相等，即U1I1=U2I2，则,式中表明：变压器原、副绕组中的电流与原、副绕组的匝数成正比，即变压器不仅能变电压，同时也能变电流，且电流的大小与匝数成反比。,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；反之低压绕组匝数烧，通过的电流大，所以的导线较粗。,讨论：,变压器
13、铁心中的磁动势，在空载和负载时比较，有哪些不同？,答：空载时的励磁磁动势只有原边磁动势，负载时的励磁磁动势是一次侧和副边的合成磁动势，即,也就是。,变压器负载时电动势平衡方程式（略）,2.等效电路及相量图(略）,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）保持二次侧磁动势不变；2）保持二次侧各功率或损耗不变。,方法：（将二次侧折算到一次侧),2、等效电路及相量图（略）,一、折算,折算后的方程式为,二、等效电路,根据折算后的方程，可以作出变压器的等效电路。,T型等效电路
14、：,近似等效电路,（略）,（略）,二、等效电路,简化等效电路：,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。,负载运行相量图（略）,作相量图的步骤对应T型等效电路，假定变压器带感性负载。,负载运行相量图（略）,作相量图的步骤（假定变压器带感性负载）-对应简化等效电路,由等效电路可知,根据方程可作出简化相量图,变压器的阻抗变比,变压器不但具有电压变换和电流变换的作用，还具有阻抗变换的作用，当变压器副绕组接上阻抗为Z的负载后，则,式中 相当于直接接在原绕组上的等效阻抗，故,接在变压器副绕组上的负载Z与不经过变压器直
15、接接在电源上的负载 相比小了 1/K2 倍，,讨论：,生活中有没有类似的变压器？,为了能在扬声器中获得最好的音响效果（或得最大得功率输出），要求音响设备输出得阻抗与扬声器得阻抗尽量相等。但实际上扬声器得阻抗往往只有几欧到几十欧，而音响设备等信号得输出阻抗恰恰很大，在几百欧、几千欧以上，为此通常在两者之间加接一个变压器（称输出变压器、线间变压器）来达到阻抗匹配得目的。,音响设备：,补充例题：,例：某晶体管扩音机输出电路得输出阻抗为，接入得扬声器阻抗为Z8，现加接一个输出变压器使两者实现阻抗匹配，求该变压器得变比K;若该变压器原绕组匝数N1560匝，问副绕组匝数N2为多少？,解：,1、型号,型号表
16、示一台变压器的结构、额定容量、电压等级、冷却方式等内容，表示方法为,如OSFPSZ-250000/220表明自耦三相强迫油循环风冷三绕组铜线有载调压，额定容量250000kVA，高压额定电压220kV电力变压器。,变压器的铭牌数据,2、额定值,此外，额定值还有额定频率f=50HZ、效率、温升等。,指长期运行时所能承受的工作电压,三者关系：,接：,Y接：,UN为相电压IN为相电流,1.1.5 变压器的外特性和额定值,U20,U2,当电源电压U1不变时，对电阻性和电感性负载而言，副绕组上的端电压U2随着负载电流I2的增加而下降。,对感性负载而言，功率因数COS2越低，U2下降得越快。,电压变化率,
17、定义：是指原绕组加50Hz额定电压、变压器从空载到额定负载，副绕组电压U2的变换程度，即,电压变化率是表征变压器运行性能的重要指标之一,它大小反映了供电电压的稳定性。,在一般变压器中，由于其电阻和漏磁感抗均很小，电压变化率不大，约5%左右，故变压器上装有调压分接开关，可在（-5%+5%）范围内调压,调压分接开关,变压器的损耗、效率,铁损耗与外加电压大小有关，而与负载大小基本无关，又因外加电压U1不变，故也称为不变损耗。,1、变压器的损耗,铜损耗是是电流在一、二次绕组电阻上产生的损耗之后。,变压器的损耗主要是铁损耗PFe和铜损耗PCu两种。,铁损耗是主磁通在铁芯中产生的磁滞损耗和涡流损耗之和。,
18、铜损耗大小与负载电流平方成正比，故也称为可变损耗。,变压器从电源输入的有功功率P1和向负载输出的有功功率P2之差为变压器的损耗P,效率大小反映变压器运行的经济性能的好坏，是表征变压器运行性能的重要指标之一。,2、效率,效率是指变压器的输出功率与输入功率的比值。,其中,1.1.6 变压器的参数测定,1 空载实验,1、目的：通过测量空载电流I0和原、副绕组电压及空载功率P0来计算变比K、励磁参数rm、Xm、Zm。,2、接线图,3、试验方法,1）低压侧加电压，高压侧开路；,由于外加电压U20=U2N，则磁通达到正常工作值，铁损PFE也为正常工作值，变压器空载电流I20很小，则绕组铜耗PCU=I202
19、R2 PFE，那么PCU可忽略不计，因此，副边从电网吸收来的功率P0=PFE,4、励磁参数得计算,2）空载电流和空载功率必须是额定电压时的值，并以此求取励磁参数；,3）空载试验是在低压边加压进行，若要得到高压侧参数，须把求出得励磁参数值乘以K2；,4）对三相变压器，各公式中的电压、电流和功率均为相值；,1）求出参数,2 短路实验,1、目的：通过测量短路电流、短路电压及短路功率来计算变压器的短路电压百分数、铜损和短路阻抗。,2、接线图,3、要求及分析,1）高压侧加电压，低压侧短路；,3）同时记录实验室的室温；,4）由于外加电压很小，主磁通很少，铁损耗很少，忽略铁损，认为。,5）参数计算,对T型等
20、效电路：,6）温度折算：电阻应换算到基准工作温度时的数值。,8）对三相变压器，各公式中的电压、电流和功率均为相值；,7）若要得到低压侧参数，须折算；,4、短路参数：,短路电压常用百分值表示。,短路电压的大小直接反映短路阻抗的大小，而短路阻抗又直接影响变压器的运行性能。,从正常运行角度看，希望它小些，这样可使副边电压随负载波动小些；从限制短路电流角度，希望它大些,相应的短路电流就小些。,短路时，当短路电流为额定值时原绕组所加的电压，称为短路电压，记作,短路电压也称为阻抗电压。,补充：三相变压器,1、组式磁路变压器,特点是：三相磁路彼此无关联。,2、心式磁路变压器,特点是：三相磁路彼此有关联。,将三个单相铁心并成一体，如图所示。当三相变压器外加三相对称交流电压时，三相主磁通之和为零，因此中间的铁心无磁通流过，故可取消中间铁心，于是就成了目前广泛使用的三相心式变压器.,实例分析：,某居民小区共有居民300户，小区电网进线10KV，选择合适的供电变压器？,变压器分类,考虑到居民生活水平的提高，各种家电产品应用广泛，综合考虑同时使用率以及今后的发展，该小区按照2KVA/户的用电负荷进行测算，同时为了便于维护，拟使用可移动组合型干式变压器，型号为ZB-F-630/10,额定容量630KVA，额定电压10000/380V,均匀分相后给居民供电。,
