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1、第三章第三章 变压器变压器1变压器的工作原理、分类及结构2单相变压器的空载运行3单相变压器的负载运行4变压器等效电路参数的测定5三相变压器6变压器稳态运行的性能指标7自耦变压器与互感器电机与拖动教案 第三章 变压器 3-13-1变压器的工作原理、分类及结构变压器的工作原理、分类及结构变压器是一种静止的电器，它通过线圈间的电磁感应作用，把一种电压的电能转换为同频率的另一种电压的电能，故称变压器。实际上，它在变压的同时还能改变电流，还可改变阻抗和相数。电机与拖动教案 第三章 变压器一变压器的工作原理变压器的主要部件是一个铁心和套在铁心上的两个绕组，如图所示。电机与拖动教案 第三章 变压器理想状况如
2、下（不计电阻、铁耗和漏磁），原绕组加电压 ，产生电流 ，建立磁通 ，沿铁心闭合，分别在原副绕组中感应电动势 和 。电机与拖动教案 第三章 变压器二变压器的分类按用途分：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。按铁心结构分：心式变压器和壳式变压器。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。电机与拖动教案 第三章 变压器三变压器的结构（一）铁心作用:变压器的主磁路;材料:为了提高导磁性能和减少铁损，用0.35mm厚、表面涂有绝缘漆的硅钢片叠成;基本形式:心式和壳式。（二
3、）绕组变压器的电路，一般用绝缘铜线或铝线绕制而成。高压绕组和低压绕组同心式和交叠式（三）油箱及其附件油箱、储油柜、散热器、分接开关、套管、气体继电器等电机与拖动教案 第三章 变压器油箱: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）。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。电机与拖动教案 第三章 变压器四型号与额定值型号型号表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，
4、高压额定电压220kV电力变压器。电机与拖动教案 第三章 变压器额定值三者关系：此外，额定值还有额定频率、效率、温升等。指长期运行时所能承受的工作电压指铭牌规定的额定使用条件下所能输出的视在功率。指在额定容量下，允许长期通过的额定电流。在三相变压器中指的是线电流电机与拖动教案 第三章 变压器3-2 单相变压器的空载运行空载运行：原绕组加额定电压，副绕组开路的运行情况称为空载运行电机与拖动教案 第三章 变压器一空载运行时的物理情况（电磁关系）电机与拖动教案 第三章 变压器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
5、作用。主磁通与漏磁通的区别各电磁量参考方向的规定一次侧遵循电动机惯例，二次侧遵循发电机惯例。强调强调：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。电机与拖动教案 第三章 变压器根据基尔霍夫电压定律，原绕组电动势平衡方程式由于，故，同时也很小，故可认为。（一）感应电动势和变比电机与拖动教案 第三章 变压器如果随时间按正弦规律变化，则亦按正弦规律变化，根据可知，主磁通也按正弦规律变化。设则同理电机与拖动教案 第三章 变压器由此可知及在相位上均滞后于电角度，它们的有效值分别是写成相量表达式为电机与拖动教案 第三章 变压器同理，二次主电动势也有同样的结论。可见，当
6、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。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。电机与拖动教案 第三章 变压器由于故有k称为变压器的变比，通常。电机与拖动教案 第三章 变压器(二)空载电流和空载损耗空载电流，又称励磁电流，包含两个分量，分别承担两项不同的任务。一个分量叫磁化电流，其任务是建立幅值为的主磁通，为无功电流分量。另一个分量叫铁耗分量，其任务为补偿空载损耗（铁耗），为有功分量。空载励磁电流电机与拖动教案 第三章 变压器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；空载电流大小与电源电压和频
7、率、线圈匝数、磁路材质及几何尺寸有关，用空载电流百分数I0%来表示：电机与拖动教案 第三章 变压器由于磁路饱和，空载电流与由它产生的主磁通 呈非线性关系。当磁通按正弦规律变化时，空载电流呈尖顶波形。当空载电流按正弦规律变化时，主磁通呈尖顶波形。实际空载电流为是正弦波，但为了分析、计算和测量的方便，在相量图和计算式中常用正弦的电流代替实际的空载电流。电机与拖动教案 第三章 变压器空载损耗对于已制成变压器，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
8、、激光化硅钢片或应用非晶态合金。变压器空载时，一次侧从电源吸收少量的有功功率 ，用来供给铁损 和绕组铜损 。由于 和 均很小，所以 ，即空载损耗近似等于铁损。21（三）漏电动势与漏电抗漏磁通1主要沿非铁磁性物质闭合的，磁路不会饱和，所以由漏磁通感应的漏电动势相量关系式式中一次绕组的漏电抗,表征漏磁通对电路的电磁效应,为一常数。电机与拖动教案 第三章 变压器二空载运行时的电动势平衡方程式二空载运行时的电动势平衡方程式相量图及等效电路相量图及等效电路变压器空载运行时的电动势平衡方程式式中原绕组的漏阻抗电机与拖动教案 第三章 变压器前面我们用了电抗压降表示漏磁压降（），从而引出漏电抗。如果主磁路也能
9、如此处理，把电动势也看成一个电抗压降，从而引出励磁电抗的概念，将对变压器的分析和计算带来许多方便。但考虑其主磁路与漏磁路不同，主磁通会在铁心中引起铁耗。故还应引入一电阻，亦即应引入一个阻抗，即电机与拖动教案 第三章 变压器根据可以画出相应的等效电路，如下图所示。电机与拖动教案 第三章 变压器相应的空载运行的相量图如图所示电机与拖动教案 第三章 变压器小结（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
10、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。电机与拖动教案 第三章 变压器3-3 变压器的负载运行变压器的负载运行一负载运行时的物理情况一负载运行时的物理情况负载运行时的物理情况可用下表表示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。电机与拖动教案 第三章 变压器二负载运行时的基本方程式二负载运行时的基本方程式单相变压器负载运行示意图电机与拖动教案 第三章 变压器（一）磁通势平衡方程式上式表明，负载时原边绕组电流由两个分量
11、组成：一个是维持主磁通的励磁分量，另一个是用以补偿二次绕组去磁磁通势的负载分量。空载时,由一次磁动势产生主磁通,负载时,产生的磁动势为一、二次的合成磁动势。由于的大小取决于，只要保持不变，由空载到负载，基本不变，因此有磁动势平衡方程用电流形式表示电机与拖动教案 第三章 变压器（二）电动势平衡方程式由基尔霍夫电压定律可得电机与拖动教案 第三章 变压器综合前面的分析，可得变压器的基本方程式为电机与拖动教案 第三章 变压器变压器的等效电路及相量图变压器的等效电路及相量图一。绕组归算一。绕组归算归算：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
12、不变。或将一个匝数与一次绕组相等，电磁效应与二次绕组相同的绕组去代替的二次绕组。归算的目的：导出等效电路折算原则：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。电机与拖动教案 第三章 变压器（一）电动势和电压的归算电动势和电压的归算是乘以变比电机与拖动教案 第三章 变压器（二）电流的归算电流的归算是除以变比电机与拖动教案 第三章 变压器（三）阻抗的归算阻抗的归算是乘以变比的平方电机与拖动教案 第三章 变压器变压器归算的基本方程式（1）（2）（3）（4）（5）电机与拖动教案 第三章 变压器二二.等效电路等效电路根据经过归算以后的基本方程式，不难导出负载运行时的等效电路，如图所示，称为
13、T形等效电路。电机与拖动教案 第三章 变压器三三.相量图相量图根据基本方程式和T形等效电路，不难画出相应的相量图，如图所示电机与拖动教案 第三章 变压器四四.近似等效电路近似等效电路考虑到一般变压器中，、，为简化计算，可将励磁支路前移，即把近似看成常数，不受负载影响，并忽略在、上的压降，从而得到“”形等效电路电机与拖动教案 第三章 变压器在分析变压器的许多负载问题时，如副边电压变化，并联运行的负载分配等，由于，在工程实际中，可以忽，即去掉励磁支路，从而得到更为简单的电路。如图所示，称为变压器的近似等效电路电机与拖动教案 第三章 变压器3-4等效电路参数的测定等效电路参数的测定用基本方程式，等效
14、电路或向量图分析计算变压器的运行性能时，必须知道变压器的参数。对用户来说，这些参数可以通过试验方法测定。电机与拖动教案 第三章 变压器一空载试验从空载试验可以求出变压器的变比k，铁耗及励磁阻抗。单相变压器空载试验的接线图如图，在工频正弦的额定电压下测取电机与拖动教案 第三章 变压器变压器的变比（电压比）：k=/变压器的铁耗：由于空载运行时空载电流很小，产生的铜耗可以忽略不计。为此近似认为=.变压器的励磁阻抗：由空载运行时等效电路可得由于故可认为电机与拖动教案 第三章 变压器由于的数值与磁路的饱和程度有关，一般应以额定电压下测得的数据计算励磁参数。空载试验一般在低压测取，测得的数据应归算到高压侧
15、。电机与拖动教案 第三章 变压器二短路试验短路试验可以测出变压器的铜耗和短路阻抗。单相变压器短路试验的接线图如图所示，在高压侧做。电机与拖动教案 第三章 变压器高压侧加低电压，约为额定电压的510%，使低压侧电流等于额定电流，测取、和。变压器的铜耗：由于施加电压很低，铁耗很小可忽略，所以变压器的短路参数电机与拖动教案 第三章 变压器绕组的电阻随温度变化，而短路试验一般在室温下进行。按国家标准规定，油浸式变压器电阻应折算到时的数值。短路试验时，当绕组中电流达到额定时，加在一次绕组的短路电压应为电机与拖动教案 第三章 变压器此电压称为阻抗电压或短路电压。通常用相对值表示：（阻抗电压相对值）阻抗电压
16、相对值是变压器很重要的参数之一。一般中小型电力变压器的为410.5%，大型的为12.517.5%。电机与拖动教案 第三章 变压器 3-5 变压器的稳态运行变压器的稳态运行一变压器的运行特性一变压器的运行特性变压器运行特性的主要指标有两个：电压变化（调整）率和效率。（一）电压调整率变压器的外特性：、常数时的变压器带不同性质负载时的外特性如图所示。纯电阻负载时，端电压变化较小；感性负载时，变化较大，但外特性都是下降的；容性负载时，外特性可能上翘，上翘程度随容性的增大而增大。电机与拖动教案 第三章 变压器电机与拖动教案 第三章 变压器电压调整率：，常数，从空载到负载时输出电压之差与副边额定电压之比，
17、它的大小反映了供电电压的稳定性。用百分数表示：式中称为负载系数电机与拖动教案 第三章 变压器由公式也可看出：电压变化率的大小与负载大小、负载性质及变压器本身参数有关电阻性负载：且较小；感性负载时：且较大；电容性负载时：，且故往往（都可能）。电机与拖动教案 第三章 变压器（二）效率变压器的损耗：变压器的损耗包含铁耗和铜耗。铁耗包括基本铁耗（涡流损耗和磁滞损耗）和附加铁耗；铜耗包括基本铜耗（直流电阻损耗）和附加铜耗两部分。铁耗可视为不变损耗。铜耗为可变损耗。电机与拖动教案 第三章 变压器变压器的效率：与负载大小及功率因数有关电机与拖动教案 第三章 变压器变压器的效率特性如图所示最高时的最高效率电机
18、与拖动教案 第三章 变压器3-6三相变压器三相变压器三相变压器有两种型式：三相变压器组和三相心式变压器。三相变压器对称运行时，可以只分析其中的一相。犹如单相变压器，但也有其特殊问题电路系统和磁路系统电机与拖动教案 第三章 变压器一三相变压器的磁路系统一三相变压器的磁路系统铁心的结构形式铁心的结构形式三相变压器的磁路系统分两种，三相变压器随之分为两种（一）三相组式变压器由三台单相变压器组成，如图322所示。三相变压器互相独立互不相关，三相空载电流对称。费材料，价格较贵，运输方便，备用容量小电机与拖动教案 第三章 变压器电机与拖动教案 第三章 变压器（二）三相心式变压器三相公用同一铁心，如图323
19、C)所示。可以看成是由三单相心式铁心经图323a)、b)演变而来。三相磁路互相关联，互成通路。三相磁路不完全对称，三相空载电流也不完全对称，B相的小，A、C相的大。但不致影响变压器的运行情况。特点是材料省，价格便宜，维护简单，应用较广电机与拖动教案 第三章 变压器电机与拖动教案 第三章 变压器一三相变压器的电路系统一三相变压器的电路系统联结组联结组（一）联结法高低压绕组分别可以采用星形和三角形联结方法。分别用Y(y)和D(d)表示。Y接有中线的用表示。（二）联结组三相变压器原副绕组不同的联结方法，绕组出线端的标法，绕组的绕法均会使三相变压器原副绕组线电动势之间出现不同的相位差，对使用变压器有重
20、要影响。为此，必须确定每台变压器的联结组。联结组含有两个内容：原副绕组的联结方法和反映相位差的联结组标号。电机与拖动教案 第三章 变压器单相变压器的联结组通常同一相的原、副绕组套在同一个铁心柱上，设绕组的绕法相同。出线端的标号如图a所示，电动势的正方向总是由首端指向末端。当A点的电位高于X时，a点的电位高于x（楞次定律）,即A和a同处于高电位或同处于低电位，称为同极端，用“”标记。电机与拖动教案 第三章 变压器电机与拖动教案 第三章 变压器画相量图和同相，用“时钟表示法”相当于12点，标号为“0”或“12”，其联结组为I/I-12。图b和反相，差，相当于6点，其联结组为I/I-6。规则：同极性
21、端同为首端，电动势同相；反之反相。电机与拖动教案 第三章 变压器2三相变压器联结组Y,y联结方法Y,或Y,联结组或，联结组电机与拖动教案 第三章 变压器三三相变压器电路系统和磁路系统对电动势波形的影响三三相变压器电路系统和磁路系统对电动势波形的影响考虑到磁路饱和的影响时，磁路中的磁通与励磁电流的关系为非线性的磁化曲线。为此，如果磁通随时间按正弦规律变化，则励磁电流的波形为尖顶波。如图3-24所示、除基波外还包含各奇数次谐波，当磁化电流作正弦变化时，可得主磁通的波形为平顶波，除基波外，也含有奇次高次谐波，其中主要为三次谐波。谐波对电动势、电流的大小影响不大，但对原、副绕组电动势的波形有明显影响，
22、必须加以注意。电机与拖动教案 第三章 变压器变压器并联运行在现代电力系统中，常采用多台变压器并联运行的方式。并联运行是将变压器原、副绕组分别接到公共的母线上共同对负载供电，如图a所示，b为它的简化图。电机与拖动教案 第三章 变压器电机与拖动教案 第三章 变压器并联运行的优点：提高供电的可靠性；提高系统的运行效率；减少备用容量；分期分批投资电机与拖动教案 第三章 变压器并联运行的理想情况：1负载时，各变压器之间无环流；2负载时，各变压器能合理分担负载，即负载与容量成正比分配。电机与拖动教案 第三章 变压器变压器并联运行的理想条件：1.原、副绕组的额定电压相等，变比相等；2.变压器的联结组相同；3
23、.变压器阻抗电压的相对值相等。前两个条件之一不满足时会产生环流，第三个不满足时负载分配不合理。电机与拖动教案 第三章 变压器下面简要分别加以说明1电压比不等，则产生环流为=电机与拖动教案 第三章 变压器式中,为变压器I,II归算到二次侧的短路阻抗。由于短路阻抗很小，所以KI,KII稍有不等，就可能产生较大的环流。环流必须增加空载时的损耗，负载时影响每台变压器的均衡性。国家标准规定，空载环流不超过额定电流的0.5%，为此要求变压器的电压比的误差=0.5%电机与拖动教案 第三章 变压器2、联结组不同，将产生很大的环流，导致变压器的损坏。3、阻抗电压的相对值不等，负载就不能合理分配电机与拖动教案 第
24、三章 变压器自耦变压器与互感器自耦变压器与互感器一自耦变压器一自耦变压器（一）结构特点每只只有一个绕组，原绕组的一部分兼作副绕组。如图所示。图中标出了每个物理量的正方向。其主要特点是原边和副边不但有磁的联系，还有电的联系。绕组的Aa部分称为串联部分，ax部分称为公共部分。电机与拖动教案 第三章 变压器电机与拖动教案 第三章 变压器（二）工作原理绕组AX加上原边输入额定电压，铁心中产生主磁通，在绕组中感应电动势，每匝电势均为，原绕组的电动势副绕组的电动势电压比与双绕组变压器相同电机与拖动教案 第三章 变压器绕组公共部分电流忽略励磁电流时，由磁通势平衡关系，可得前式代入上式可得则有 可见，公共部分
25、的电流比额定负载电流还要小电机与拖动教案 第三章 变压器（三）容量关系自耦变压器的额定容量由两部分组成：一部分为电磁容量。另一部分为传导容量，直接通过电的联系由原边传导副边。（四）优缺点及适用场合绕组容量（电磁容量）小于额定容量。用材料少，体积小，重量轻，成本低。铁耗，铜耗小，效率高。缺点是内部绝缘和过电压保护均需加强。适用于k3的电力变压器，实验室的调压和异步电动机降压起动等。电机与拖动教案 第三章 变压器二互感器二互感器（一）电压互感器功能是将高电压变为低电压进行测量。结构特点是原绕组匝数很多，副绕组匝数很少，相当于特殊的降压变压器。工作时副边接电压表，一般为100V，相当于开路。互感器的
26、电压比有误差，相位亦有误差，误差的大小与励磁电流的大小和漏阻抗的大小有关，为减少误差，铁心采用高度硅钢片，且使铁心工作在不饱和状态。根据实际误差的大小，精度分0.5、1.0和3.0三级。电机与拖动教案 第三章 变压器使用注意事项：1二次侧有一端可靠接地；2二次侧不能短路；3负载不能超过规定值电机与拖动教案 第三章 变压器（二）电流互感器功能是将大电流变为小电流进行测量。结构特点是原绕组的匝数很少，副绕组的匝数很多。工作时副边接电流表或其他测量仪表的电流线圈，相当于工作在短路状态的升压变压器。一次侧电流可为52500A，二次侧电流为5A.电机与拖动教案 第三章 变压器工作原理：原绕组为一匝（穿心）或几匝，串接于被侧电路。副绕组接电流表，测得电流，则被测电流电流互感器的电流变化比根据，可知，如用配套的电流表，可直接读取的数值。电流互感器亦有变化比和相位误差，按电流比误差的大小，精度分0.2、0.5、1.0、3.0、10.0五级。电机与拖动教案 第三章 变压器使用注意事项：1二次侧有一端可靠接地；2副边不准开路；3负载不能超过规定值。电机与拖动教案 第三章 变压器本章结束!电机与拖动教案 第三章 变压器