第四章 变压器,第一节 变压器的用途、工作原理及结构,第二节 变压器空载运行,第三节 变压器负载运行,第四节 变压器运行特性,第五节 三相变压器,第六节 特殊变压器,一、 变压器的用途,变压器：是一种静止的电机，它利用电磁感应原理将一种电压、电流的交流电能转换成同频率的另一种电压、电流的电能。换句话说，变压器就是实现电能在不同等级之间进行转换。,发电,升压,降压,用户,2019/10/24,3,二、变压器的简单工作原理,一次绕组,二次绕组,铁芯,负载,2019/10/24,4,简单的单相变压器：在两个线圈没有电的直接联系，只有磁的耦合。,原绕组：也称一次绕或初级绕组。是变压器的两个线圈中接交流电源的线圈，其匝数为N1,副绕组：也称二次绕组或次级绕组。是变压器接到用电设备上的线圈，其匝数为N2,交变磁通同时与原、副绕组交链，在原、副绕组内产生感应电动势。,2019/10/24,5,三、变压器的分类,变压器的种类很多，可按其用途、结构、相数、冷却方式等不同来进行分类。 1、按用途分类，可分为电力变压器（主要用在输配电系统中，又分为升压变压器、降压变压器、联络变压器和厂用变压器）、仪用互感器（电压互感器和电流互感器）、特种变压器（如调压变压器、试验变压器、电炉变压器、整流变压器、电焊变压器等）。,2019/10/24,6,2、按铁心结构分类，有心式变压器和壳式变压器。 3、按绕组数目分类:可分为双绕组变压器,三绕 组变压器、多绕组变压器和自耦变压器。 4、按相数分类，有单相变压器、三相变压器。 5、按冷却介质和冷却方式分类，可分为油浸式变压器（包括油浸自冷式、油浸风冷式、油浸强迫油循环式）、干式变压器、充气式变压器。 6、电力变压器按容量大小通常分为小型变压器（容量为10630kVA）、中型变压器（容量为8006300kVA）、大型变压器（容量为800063000kVA）和特大型变压器（容量在90000kVA及以上）。,2019/10/24,7,电力变压器,电源变压器,环形变压器,接触调压器,控制变压器,三相干式变压器,2019/10/24,8,铁心和绕组：是构成变压器的器身的主要部 件，。 1）铁心：构成了变压器的磁路，同时又是套装绕组的骨架。铁心由铁心柱和铁轭两部分构成。铁心柱上套绕组，铁轭将铁心柱连接起来形成闭合磁路。 铁心材料：为了提高磁路的导磁性能，减少铁心中的磁滞、涡流损耗，铁心一般用高磁导率的磁性材料硅钢片叠成。硅钢片有热轧和冷轧两种，其厚度为0.350.5mm，两面涂以厚0.020.23mm的漆膜，使片与片之间绝缘。,变压器的主要结构：铁心和绕组。铁心是变压器的磁路部分；绕组是变压器的电路部分。,四、变压器基本结构,2019/10/24,9,铁芯,绕组,单相壳式变压器,铁轭,铁芯柱,2019/10/24,10,2）绕组：绕组是变压器的电路部分，它由铜或 铝绝缘导线绕制而成 。 一次绕组（原绕组）：输入电能 二次绕组（副绕组）：输出电能 他们通常套装在同一个心柱上，一次和二次绕组具有不同的匝数，通过电磁感应作用，一次绕组的电能就可传递到二次绕组，且使一、二次绕组具有不同的电压和电流。 其中，两个绕组中，电压较高的我们称为高压绕组，相应的电压较低的称为低压绕组。从高、低压绕组的相对位置来看，变压器的绕组又可分为同心式、交迭式。由于同心式绕组结构简单，制造方便，所以，国产的均采用这种结构，交迭式主要用于特种变压器中。 2、其他部件：除器身外，典型的油锓电力变压 器中还有油箱、变压器油、绝缘套管及继电保护装置等部件。,2019/10/24,11,绕组是变压器的电路部分， 一般用铜或铝的绝缘导线绕成。,绕组有同心式和交叠式两种。,高压绕组,低压绕组,2019/10/24,12,心式结构比较简单，绕组的装配及绝缘比较容易，电力变压器的铁心主要采用心式结构。 铁心叠装 ：变压器的铁心一般是由剪成一定形状的硅钢片叠装而成。为了减小接缝间隙以减小激磁电流，一般采用交错式叠法，使相邻层的接缝错开。 铁心截面:铁心柱的截面一般作成阶梯形，以充分利用绕组内圆空间。容量较大的变压器，铁心中常设有油道，以改善铁心内部的散热条件，如图所示。,2019/10/24,13,四、变压器基本结构,变压器铁心的结构有心式、壳式等形式。壳式结构的特点是铁心包围绕组的顶面、底面和侧面，心式结构的特点是铁心柱被绕组包围，壳式结构的机械强度较好，但制造复杂，,图4-3心式变压器,图4-5壳式变压器,2019/10/24,14,2019/10/24,15,变压器其它附件,1.温度计； 2.吸湿器； 3.储油柜； 4.油表； 5.安全气道； 6.气体继电器； 7.高压套管； 8.低压套管； 9.分接开关； 10.油箱； 11.铁芯； 12.线圈； 13.放油阀,2019/10/24,16,额定值是制造厂对变压器在指定工作条件下运行时所规定的一些量值。额定值通常标注在变压器的铭牌上。变压器的额定值主要有： 1、额定容量SN 额定容量是指额定运行时的视在功率。以 VA、kVA或MVA表示。由于变压器的效率很高，通常一、二次侧的额定容量设计成相等。,五、变压器额定值,2019/10/24,17,2、额定电压U1N和U2N 正常运行时规定加在一次侧的端电压称为变压器一次侧的额定电压U1N。二次侧的额定电压U2N 是指变压器一次侧加额定电压时二次侧的空载电压。额定电压以V或kV表示。对三相变压器，额定电压是指线电压。 3、额定电流I1N和I2N 根据额定容量和额定电压计算出的线电流，称为额定电流，以A表示。,2019/10/24,18,对单相变压器 对三相变压器 4、额定频率 fN 我国工业标准50Hz 除额定值外，变压器的相数、绕组连接方式及联结组别、短路电压、运行方式和冷却方式等均标注在铭牌上。额定状态是电机的理想工作状态，具有优良的性能，可长期工作。,2019/10/24,19,1空载运行时的电磁状况 2变压器中各量正方向的规定 3磁通、电动势和空载电流 4. 电动势平衡方程式，等效电路图和相量图,第二节 单相变压器的空载运行,2019/10/24,20,一、 电磁关系,2019/10/24,21,主磁通与漏磁通的区别,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。,空载电流 很小，仅为额定电流的百分之几,2019/10/24,22,二、各量参考方向的规定,一次侧遵循电动机惯例，二次侧遵循发电机惯例。,一次绕组的电压方程式为：,二次绕组：,2019/10/24,23,三、磁通、电动势和空载电流,1、磁通,一次绕组的电压方程式为：,可近似写成：,因此，可以假定磁通是正弦量，写成：,即 基本上和 大小相等，相位相反，或者说 是 的倒影。,2019/10/24,24,由前面的正方向规定，依据电磁感应定律：,式中，,4.44公式,可见，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 。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。,有效值,2019/10/24,25,同理，二次主电动势也有同样的结论：,写成相量的形式：,一次绕组与二次绕组产生的感应电动势与匝数成正比，即,一次绕组与二次绕组产生的电压比也是二者的匝数比,2019/10/24,26,（三）空载电流： 变压器空载运行时原绕组中的电流 主要用来产生磁场，又称为励磁电流，分析它的波形： 1）当不考虑铁心损耗时，励磁电流是纯磁化电流，用 来表示。由于磁路有饱和现象，磁化电流 与产生它的磁通之间的关系是非线性的。当磁通按正弦规律变化时，励磁电流为尖顶波。,2019/10/24,27,i0,i0,只考虑饱和时的励磁电流,t,2019/10/24,28,2019/10/24,29,2019/10/24,30,i0,i0,考虑磁滞回线时的励磁电流,i0,励磁电流可分解为两个分量： （1）与同相的磁化电流 （2）导前900有功分量IFe,t,2019/10/24,31,从上图中，可以看出磁化电流 与磁通 是同相位的。 2）当考虑铁心损耗时，励磁电流 0中还必须包含铁耗分量，即 这时励磁电流 将超前磁通一相位角,32,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,2019/10/24,33,根据对正方向的规定，得到空载时电动势平衡方程式：,四、电动势平衡方程式、等效电路及相量图,34,漏磁通感应的电动势漏抗电动势,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.,根据主电动势的分析方法，同样有,漏抗电动势也可以用漏抗压降来表示，即,2019/10/24,35,1、等效电路,一次侧的电动势平衡方程为,空载时等效电路为,2019/10/24,36,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。,2019/10/24,37,对于电力变压器，空载时原绕组的漏阻抗压降I0Z1很小， 其数值不超过U1的0.2%，将I0Z1忽略，则上式变成： 在副方，由于电流为零，则副方的感应电动势等于副方 的空载电压，即：,2019/10/24,38,2、相量图,根据前面所学的方程，可作出变压器空载时的相量图：,（1）以 为参考相量,（2） 与 同相， 滞后 ，,（3） 滞后 ， ；,（4）,（5）,2019/10/24,39,而变压器空载时从原侧看进去的等效阻抗Z0为 式中 ： 称为变压器的励磁阻抗。 这样,变压器原方的电动势方程可写成,2019/10/24,40,变压器等值电路,等值电路综合了空载时变压器内部的物理情况， 在等值电路中r1、x1是常量；rm、xm是变量， 它们随铁心磁路饱和程度的增加而减少。,电压方程：,2019/10/24,41,（1）r1为原绕组的电阻；x1是原绕组的漏电抗，与匝数和几何尺寸有关，表征漏磁通对电流的电磁效应。 （2） rm：变压器的励磁电阻，反映铁耗： Zm：变压器的励磁阻抗。 xm:变压器的励磁电抗，反映励磁过程 （3）主磁通大小， 取决于电网电压、频率和匝数。,等值电路参数,2019/10/24,42,空载运行小结,（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。,（4）气隙对空载电流的影响很大，气隙越大，空载电流越大。因此，要严格控制铁心叠片接缝之间的气隙。,2019/10/24,43,第三节 变压器的负载运行,在前面我们通过分析了解了变压器的空载运行情况，当变压器原方接入交流电源，副方接上负载时的运行方式称为变压器的负载运行。 一、负载运行时的电磁情况： 如图所示,2019/10/24,44,一、负载运行时的电磁关系,2019/10/24,45,参照图中正方向，电动势平衡方程式为,（一）电动势平衡方程式,二、基本方程式,2019/10/24,46,一次侧从空载电流 I 0变为负载时的