第4章 变压器,4.1 变压器的基本工作原理和结构 4.2 单相变压器的空载运行 4.3 单相变压器的负载运行 4.4 变压器的参数测定 4.5 标幺值 4.6 变压器的运行性能和特性 4.7 三相变压器 4.8 变压器的并联运行 4.9 其他用途的变压器,4.1变压器的基本工作原理和结构,4.1.1 变压器的基本工作原理和结构,本节以普通双绕组变压器为例介绍变压器的工作原理，基本结构和额定值。,1、基本结构,变压器的基本部件是铁心和绕组，它们构成了变压器的器身。除此之外，还有放置器身的盛有变压器油的油箱、绝缘套管、分接开关、安全气道和保护装置等。,（a）单相心式 （b）三相心式 图4-1心式变压器,（1）铁心,4.1变压器的基本工作原理和结构,（a）单相壳式 （b）三相壳式 图4-2壳式变压器,4.1变压器的基本工作原理和结构,（2）绕组,（a）同心式 （b）交叠式 图4-3变压器绕组放置,4.1变压器的基本工作原理和结构,2、其它结构部件,图4-4为油浸式电力变压器结构示意图,图4-4为油浸式电力变压器结构示意图。铁心和绕组是变压器的主要结构部件称为变压器的器身，制造好的变压器器身置于装有变压器油的箱体内，变压器油既是一种绝缘介质又是一种冷却介质，它起散热、绝缘和保护器身的作用。为使变压器油能保持良好的状态，在油箱上方装有储油柜用来监测变压器油的运行状况。,4.1变压器的基本工作原理和结构,4.1.2变压器的基本工作原理,1、变压器的工作原理,图4-5单相变压器工作原理示意图,根据电磁感应定律，原、副方绕组分别感应电势,根据基尔霍夫定律可写出原、副方电势方程式为,4.1变压器的基本工作原理和结构,2、变压器各物理量正方向的规定,4.1.3变压器的额定值及分类,1、变压器的额定值,额定值是正确使用变压器的依据，在额定状态下运行，可保证变压器长期安全有效的工作，额定值标注在变压器的铭牌上。,4.1变压器的基本工作原理和结构,1、额定容量 ：指变压器的视在功率，对三相变压器指三相容量之和。 单位伏安（VA）千伏安（KVA）,2、额定电压 ：指线值，单位伏（V）千伏（kV） 指电源加到原绕组上的电压， 是副方开路即空载 运行时副绕组的端电压。,4、额定功率 ：我国规定标准工业用电频率为50赫（HZ）,此外，额定工作状态下变压器的效率、温升等数据均属额定值。,3、额定电流 ：由 和 计算电流，即为额定电流 对单相变压器： 对三相变压器：,4.1变压器的基本工作原理和结构,2、变压器的分类,按用途分 电力变压器： 主要用于输配电系统中，分升压、降压、配电、联络、厂 用变压器；调压变压器： 用来调节电网中的电压。多用于实验室中； 仪用变压器：用于测量，如电压互感器、电流互感器 按结构分 自耦变压器：高低压共用一个绕组 双绕组变压器：每相有高、低压两个绕组 三绕组变压器：每相有高、中、低压三个绕组 多绕组变压器： 按相数分 （1） 单相变压器 （2） 三相变压器 （3） 多相变压器 按冷却方式分 （1） 油浸式 （2） 干式 （3） 充气式,4.2 单相变压器的空载运行,本节介绍变压器空载运行的电磁过程，推出空载运行的等效电路、方程式和相量图,4.2.1变压器的空载运行时的电磁关系,变压器空载运行时一次绕组接电源，二次绕组开路，负载电流为零，这种情况即为变压器的空载运行。,1、空载运行时电动势和电压比,4-6变压器空载运行示意图,一、二次绕组的电压平衡方程式为：,若不计漏磁通，按上图所规定各量正方向，由基尔霍夫第二定律可列出一、二次绕组的 电压平衡方程式,变压器空载运行电磁关系示意图,4.2 单相变压器的空载运行,2、主磁通、励磁电流及励磁阻抗,产生主磁通所需的电流叫激磁电流。用 表示，空载时 全部用以产生主磁通即：,4-8变压器空载运行主磁通、激磁电流和电势之间的相位,此时 中除无功分量 外，还有有功分量,图4-9 变压器空载磁化曲线及电流、磁通波形,4.2 单相变压器的空载运行,Rm：激磁电阻，表征铁心损耗的一个等效参数 Xm：激磁电抗，表征铁心磁化性能的一个等效参数 Zm：激磁阻抗，表征铁心损耗和磁化性能的一个等效参数,式中:,（a）激磁电流等效电路 （b）等效串联电路 图4-10 铁心线圈的等效电路,4.2 单相变压器的空载运行,由于漏磁通是经过空气隙闭合的，而空气的磁导率为常数，所以漏电抗为常值与磁路的饱和程度无关。,4.2 单相变压器的空载运行,4.2.2空载运行时的电压方程式、等效电路及相量图,4.2 单相变压器的空载运行,图4-11变压器空载运行时的等效电路,图4-12 变压器空载运行时的相量图,4.3单相变压器的负载运行,4.3.1变压器负载运行的电磁关系,图4-13变压器负载运行示意图,当接入 也将作用于主磁路上。F2的出现，使 趋于改变,相应的 为常数,因此要达到新的平衡条件是：一次侧绕组中电流增加一个分量 与二次侧绕组中由 产生的磁势相抵消。以维持 不变，即：,4.3单相变压器的负载运行,4.3.2变压器负载运行的基本方程式,4-14 变压器空载运行电磁关系示意图,1、磁势平衡方程式,负载时，用于建立主磁通的激磁磁动势是一、二次绕组的合成磁动势，且为空 载 时的磁动势，即激磁磁动势。,4.3单相变压器的负载运行,2、电压平衡方程式,将式 带入上式得,4.3单相变压器的负载运行,归纳起来变压器的基本方程式为：,式中 ： 一、二次侧绕组漏阻抗 一、二次侧绕组漏电阻 一、二次侧绕组漏电抗,4.3单相变压器的负载运行,4.3.3变压器负载运行的等值电路及相量图,上组方程为变压器的一组基本方程式，利用这组方程式可对变压器的运行性能进行定量计算。但是由于原、副绕组匝数不等，且为复数运算给计算带来很大困难，在分析变压器时不采用联立方式求解的方法，而是寻求一种简便的方法，即等值电路的方法进行计算。,1、变压器的归算,（1） 电流的归算 根据规算前后磁势不变的原则,规算后得量斜上打“”,归算是把二次侧绕组匝数变换成一次测绕组的匝数, 而不改变一、二次侧绕组的电磁关系,4.3单相变压器的负载运行,（2） 电势和电压的归算 根据电势与匝数成正比得关系,可见:,同理,（3） 阻抗的归算,4.3单相变压器的负载运行,规算后的基本方程式为:,以上是将副绕组归算到原绕组，同理也可将原绕组归算到副绕组，即令，按照上述方法，推出原方各物理量的归算值。,4.3单相变压器的负载运行,2、变压器等效电路和相量图,（1）“T”型等效电路,4-16变压器的“T”型等效电路,（2）近似和简化等效电路,4-17变压器的近似等效电路,4-18变压器的简化等效电路,4.3单相变压器的负载运行,4.3单相变压器的负载运行,（3）变压器的相量图,4-19感性负载变压器的相量图,变压器中的参数 ,对变压器的运行性能有直接影响, 已知变压器的参数,就可绘出等效电路, 然后可以运用等效电路分析计算。 可通过空载和短路试验确定,4.4 变压器参数测定,4.4.1空载试验,可近似认为Zo=Zm,图4-20单相变压器空载试验接线图,因短路试验电流大,电压低,一般在高压侧作.从等效电路可见 ,外加电压仅用来克服变压器本身的漏阻抗压降,所以当Uk很低时,电流即到达额定,该电压为(5-10%)UN.,4.4 变压器参数测定,4.4.2 短路试验,图4-21单相变压器短路试验接线图,可按,短路试验时使电流达到额定值时所加电压 称为阻抗电压或短路电压。 阻抗电压用额定电压百分比表示时有: 阻抗电压百分值是铭牌数据之一,是变压器的主要参数. 阻抗电压的大小反映变压器在额定负载下运行时,漏阻抗压降的大小. 从运行性能考虑：希望uk小，使负载时端电压随负载变化波动小 从限制短路电流考虑：希望uk大，可以限制短路电流,4.4 变压器参数测定,在工程计算中电压、电流、阻抗和功率等物理量除了采用实际值来表示和计算外，有时也用标幺值来表示和计算。本节介绍标幺值的概念和计算方法。,此时额定电压，额定电流和额定视在功率的标幺值均为1，这样较用实际值表示时更能说明问题。,4.5 标幺值,4.5.1标幺值的概念,标幺值用符号“*”表示，没有量纲，标幺值乘100便为百分值。,标幺值与百分之之间的关系为,4.5 标幺值,4.5.2基值的选取及标幺值的计算,在变压器和电机中通常选额定电压和额定电流作为基值。则,对于变压器当选定了一、二次侧额定电压和额定电流作为基值时，一、二次侧额定电压和额定电流的标幺值为,4.5 标幺值,在计算变压器的空载和短路参数时，可直接用标幺值的公式进行计算,应用标幺值的优点： （1）不论变压器或电机的容量大小，用标幺值表示，各参数和典型性能 的数据 都在一定的范围内，便于比较。 （2） 用标幺值时，不必再进行归算。（归算到高压侧或低压侧的参数相等） （3）便于计算。短路阻抗标幺值等于阻抗电压的标幺值。,表征变压器运行性能的主要指标有两个，一是副边端电压变化（电压调整率）即外特性，二是效率特性。,变压器一次侧接额定电压，二次侧开路时，二次侧的空载电压U20=U2N。负载后，负载电流在变压器内产生阻抗压降，使二次侧端电压发生变化，变化大小用电压调整率 表示,4.6 变压器的运行性能和特性,4.6.1变压器的电压变化率及外特性,1、变压器的电压变化率,外特性用标幺值表示 其变化的规律由右图所示,图4-24变压器的外特性,当纯电阻负载时和电压性负载时，外特性是下降的，而容性负载时可能上翘。对此曲线可由以下公式推导证明。,4.6 变压器的运行性能和特性,简化等效电路,相量图,4.6 变压器的运行性能和特性,说明：1、从电压调整率看， 小些，端电压随负载变化波动小. 2、当额定负载时，功率因数为定值时的电压调整率为额定 电压调整率。用 表示。 是变压器的主要性能指标 之一。通常 左右。所以电力变压器的高压绕组 均为有+5% 的抽头以便进行电压调整。,4.6 变压器的运行性能和特性,2、变压器的外特性,4.6 变压器的运行性能和特性,为了描述变压器在不同负载下副方端电压的变化，将电源电压和负载的功率因数为常数时，变压器副边端电压与负载电流之间的关系绘制成曲线,图4-24变压器的外特性,可见当负载为纯电阻性质时，变压器的端电压随负载的变化最小，而电感性负载和电容性负载时其端电压随负载的变化要增大。一般变压器所带负载为电感性，所以为了补偿感性负载时端电压的下降，可用并联电容的方法使端电压提高，或采用前述的调节变压器的高压绕组的抽头的方法使变压器二次侧端电压升高。,变压器运行时将产生损耗，变压器的损耗分两大类 铜耗： 1、基本铜耗； 2、杂散铜耗 铁耗： 1、基本铁耗； 2、杂散铁耗,4.6 变压器的运行性能和特性,4.6.2变压器的效率特性,1、变压器的损耗分析,基本铜耗：一、二次绕组内电流所引起的直流电阻损耗。 杂散铜耗：主要是由漏磁通所引起的肌肤效应，使绕组的有效电阻增大 而增加的铜耗。以及漏磁场在结构部件中引起的涡流损耗等。,铜耗与负载电流的平方成正比。因此也称为可变损耗。 铜耗与绕组的温度有关，一般都用75时的电阻值来计算。,4.6 变压器的运行性能和特性,2、变压器的效率,因变压器无转动部分，一般效率都很高，大多数在95%以上。大型变压器可达99%。变压器的效率一般用间接法测量。即测出各种损耗，再计算效率。,4.6 变压器的运行性能和特性,因产生最大