电机与电器2变压器

1、第二章,变压器,主要内容：,?,本章主要讲述变压器的电磁关系。,?,变压器的应用、工程计算。,重点：,1,、变压器工程计算。,2,、对变压器电磁关系、电压平衡方程式的理解。,难点：变压器电磁关系、电压平衡方程式。,1,变压器简介,?,变压器是一种静止的电机，它将一种电压的电能转换为另,一种电压。,?,变压器分类：,按相数的不同,：单相变压器、三相变压器、多相变压器,按绕组数目不同,：双绕组变压器、三绕组变压器、多绕组,变压器、,自耦变,压器,。,按冷却方式不同,：油浸式变压器，充气式变压器、干式变,压器。,按用途不同：,电力变压器,、,特种变压器（,电炉变压器,、,整,流变压器,、,电焊变压器

2、,等）、仪用变压器（,电压互感器和,电流互感器,、,小型电子整流变压器,）等。,2,电力变压器,3,电子变压器,4,5,自耦变压器,互感器,6,电炉变压器：,给高频感应电炉,(,如炼钢,炉,),供电。,7,电焊变压器,：漏阻抗大，电压降大。,8,整流变压器,(,专用,),：,给直流电力机车供电。,9,2.1,变压器的结构和工作原理,2.1.1,变压器的结构：由一个,铁心,和高、低压两套,绕组,组成。,1.,铁芯,是变压器的磁路部分，分叠片式和渐开线式两种。叠片式一,般由,0.35mm/0.5mm,冷轧,(,也用热轧,),硅钢片叠成。相邻层按不,同方式交错叠放，将接缝错开。偶数层刚好压着奇数层的

3、接,缝，从而减少磁阻，便于磁通流通。,10,铁心截面形状：小,型变压器做成,方形,或者,矩形,；大型变,压器做成,阶梯形,。,容量大则级数多。,叠片间留有间隙作,为油道,(,纵向,/,横向,),。,11,?,2.,绕组（线圈）,是变压器的,电路,部分。一般用绝缘扁铜线或圆铜线在绕线,模上绕制而成。,绕组套装在变压器铁心柱上，低压绕组在,内层，高压绕组套装在低压绕组外层，以便于绝缘。根据,绕组与铁心的配置方式不同有心式和壳式之分。,12,3.,除了电磁部分，还有冷却部分，最常用的是油冷，包括：,油箱,/,冷却装置,/,绝缘套管,/,调压和保护装置等部件。,油箱内充满变压器油。变压器油是一种矿物油

4、，具有很好的,绝缘性能。变压器油起两个作用：绝缘和散热。,13,三、额定值,(1),额定电压：,U,1N,/U,2N,单位为,V,或者,kV,。,U,1N,为正常运行时,1,次侧应加的电压。,U,2N,为,1,次侧加额定电压、,2,次侧处于空载状态时的电压。,三,相变压器中，额定电压指的是线电压。,(2),额定容量：,S,N,单位为,VA/kVA/MVA,。,S,N,为变压器的视在功率。通常把,变压器,1,、,2,次侧的额定容量设计为相同。,(3),额定电流：,I,1N,/I,2N,单位为,A/kA,。是变压器正常运行时所能承担的电流，在三,相变压器中均代表线电流。,对单相：,I,1N,=S,

5、N,/U,1N,，,I,2N,=S,N,/U,2N,14,对于三相变压器：,I,1,N,?,S,N,/,3,U,1,N,I,2,N,?,S,N,/,3,U,2,N,(4),额定频率：,f,N,单位为,Hz,我国规定，,f,N,=50Hz,此外，铭牌上还会给出型号、三相联接组号、连接图、,阻抗电压,U,k,、运行方式、冷却方式、重量等数据。,15,2.1.2,变压器的工作原理,原边绕组接交流电压后，原边的空载电流,i,0,在铁心中产生,一个交变的主磁通,，分别在一次绕组和二次绕组（副边、,副绕组、次级绕组）中感应电势,e,1,和,e,2,：,e,1,=,N,1,d/dt,?,原边绕组从电源吸取电

6、功率，,借助磁场为媒介，通过电磁,感应，将电功率传递到副边,绕组的负载。,?,e,?,2,=,N,2,d/dt,16,1,、变压器的空载运行,一、空载运行物理分析：,1,次侧接额定电压,U,1N,，,2,次侧开路，称,为空载运行。,?,空载时,1,次侧绕组中的电流,i,0,为空载电流,?,磁通,感生,e,1,和,e,2,e,10,?,?,N,1,d,?,0,/,dt,e,20,?,?,N,2,d,?,0,/,dt,?,漏磁通,1,只感生,e,1,e,1,?,?,?,N,1,d,?,1,?,/,dt,17,二、变压器空载运行原边副边感生电势,?,0,?,?,?,e,10,、,e,20,u,1,?

7、,i,0,(,N,1,I,0,),?,设,?,0,?,?,0,m,sin,?,t,0,0,则,e,10,?,?,N,1,d,?,0,m,/,dt,?,?,?,N,1,?,0,m,sin(,?,t,?,90,)=-,E,10,m,sin,（,?,t,?,90,）,E,10,m,?,N,1,?,0,m,2,?,fN,1,?,0,m,其中,E,1,?,?,?,?,4.44,fN,1,?,0,m,2,2,2,?,?,10,?,?,e,?,10,写成相量形式：,E,10,?,?,j,4.44,fN,1,?,0,m,18,?,?,同理，对于副边，铰链的磁通相同，因此,0,0,e,20,?,?,N,2,d,

8、?,0,m,/,dt,?,?,?,N,2,?,0,m,sin(,?,t,?,90,)=-,E,20,m,sin,（,?,t,?,90,）,其中,E,E,20,m,?,N,2,?,0,m,2,?,fN,2,?,0,m,2,?,?,?,?,4.44,fN,2,?,0,m,2,2,2,?,?,E,20,?,?,j,4.44,fN,2,?,0,m,写成相量形式：,19,再看原边漏电势：,设,?,?,10,?,?,?,10,m,sin,?,t,同样可以类似的得出：,E,?,10,?,4.44,fN,1,?,?,10,m,写成相量的形式：,?,E,?,?,10,?,?,j,4.44,fN,1,?,?,10

9、,m,写成阻抗压降的形式：,E,?,?,?,10,=,?,j,?,L,?,1,I,0,20,各个电势的相量表达式为,E,?,?,j,4.44,fN,.,1,1,?,0,m,E,.,j,4.44,fN,.,2,?,?,2,?,0,m,E,?,10,?,?,j,4.44,fN,.,1,?,?,10,m,21,三、空载运行的基本电压方程,?,u,?,?,e,10,?,e,?,10,?,i,0,r,1,?,1,?,u,20,?,e,20,写成相量的形式：,U,1,?,?,E,10,?,E,?,10,?,I,0,r,1,?,?,E,10,?,j,I,0,X,?,10,?,I,0,r,1,?,?,E,1,

10、?,I,0,(,R,1,?,jX,?,1,),?,?,E,1,?,I,0,Z,?,1,U,20,?,E,20,22,2,、变压器的负载运行,负载运行是指副边接负载的运行。,一、负载运行的物理过程,?,瞬态过程：变压器接通负载的瞬间，副边电势使副边有了电,流和磁势，副边磁势减弱了主磁通的变化，导致原边电势变,小，破坏了空载时已建立的电压电势平衡关系，迫使原边电,流一直增加。,?,?,稳态过程：原边电流一直增加，直到原边电流产生的主磁通,重新恢复至足够大，变压器又达到新的平衡。,负载后，虽然副边有了电流，但铁心主磁通变化量很小。,（为什么？）,23,二、负载后变压器的,磁势平衡,?,?,负载前，原

11、边空载电流建立空载磁势为,F,?,i,N,0,1,1,负载后，设副边电流为,i,2,，副边电流磁势,i,2,N,2,。原边电流为,i,1,，原边电流磁势为,i,1,N,1,。负载前后磁通近似相等，则总磁,动势近似相等，即,i,1,N,1,?,i,2,N,2,?,i,0,N,1,对应的相量形式：,I,1,N,1,?,I,2,N,2,?,I,0,N,1,称为磁势平衡方程式。,表明变压器负载运行时，由原边和副边共同作用,产生的磁势等于产生主磁通所需的激磁磁势。,24,?,?,?,?,?,?,由,I,1,N,1,?,I,2,N,2,?,I,0,N,1,得：,I,?,?,N,2,?,N,I,?,1,2,

12、?,I,0,?,1,I,?,1,?,I,2,?,K,?,I,0,?,I,?,?,1,?,I,0,?,(,?,I,2,?,?,K,),?,I,0,?,I,1,L,上式表明：,?,变压器负载后，原边电流由两个分量构成，一个是励磁电流分,?,量,I,?,，一个是负载电流分量,I,?,I,2,0,1,L,?,?,。,K,25,?,当副方流通电流,I,2,，原方就会自动流入负载电流分,?,I,2,量,I,1,L,(,?,?,),，两者磁势相互抵消，磁路中仍然只有,K,?,励磁磁势,I,0,N,1,。因此，副边电流起到,去磁,作用，使得主,?,?,磁通,m,仍然（基本）满足,U,?,4,.,44,fN,1

13、,?,m,26,三、负载后电压电流方程,设负载后，原边、副边绕组电势表达式：,E,?,?,1,?,?,j,4.44,fN,1,?,m,?,?,?,?,E,2,=,?,j,4.44,fN,?,2,?,m,电流除了共同产生主磁通以外，也产生漏磁通、漏磁感应电势。,?,E,?,?,?,?,1,?,?,j,I,1,?,L,?,?,1,?,?,j,I,1,X,?,1,?,E,?,I,?,?,?,2,?,?,j,2,?,L,?,2,?,?,j,I,2,X,?,2,原边、副边电流还在各自绕组中产生电阻压降：,?,?,I,1,r,1,?,I,?,?,2,r,2,27,原边电压平衡方程式：,U,?,?,E,?,

14、?,1,?,?,E,1,?,?,1,?,I,1,r,?,?,E,?,?,I,?,1,1,1,(,r,1,?,jX,?,1,),?,?,?,?,E,1,?,I,1,Z,?,1,副边电压平衡方程式：,?,U,E,?,?,I,?,2,?,2,?,E,?,2,?,2,r,2,?,E,?,?,2,?,I,2,(,r,2,?,jX,?,2,),?,E,?,?,2,?,I,2,Z,?,2,副边阻抗压降平衡方程式：,U,?,?,2,?,I,2,Z,L,28,四、变压器负载运行的方程式归纳,?,电流方程：,I,?,?,?,(,?,I,2,?,?,1,?,I,m,K,),?,I,m,?,I,1,L,磁势方程：,I

15、,?,?,?,1,N,1,?,I,2,N,2,?,I,0,N,1,原边电压方程：,U,?,?,?,1,?,?,E,1,?,I,1,(,r,1,?,jX,?,?,?,1,),?,?,E,1,?,I,1,Z,1,副边电压方程：,U,?,?,?,?,?,2,?,E,2,?,I,2,(,r,2,?,jX,?,2,),?,E,2,?,I,2,Z,?,2,U,?,2,?,I,?,2,Z,L,五、变压器负载运行的相量图,29,2.2,变压器的功能及外特性,2.2.1,电压变换,U,1,?,E,01,?,4.44,fN,1,?,m,，,U,2,?,E,02,?,4.44,fN,2,?,m,变压器的变比,K,：

16、指变压器,1,、,2,次绕组的电压之比，约等,K,?,U,1,/,U,2,?,E,1,/,E,2,?,(4.44,f,N,1,?,m,),/,(4.44,f,N,2,?,m,),?,N,1,/,N,2,若,K1,，是降压变压器；若,K1,，是升压变压器；,30,2.2.2,电流变换,?,?,?,I,1,N,?,I,2,N,2,?,I,0,N,1,空载（励磁）电流,I,?,0,I,?,1,N,1,?,?,I,?,2,N,2,或,I,1,N,1,?,I,2,N,2,得到变压器的电流关系为,I,N,2,N,I,1,1,?,2,?,I,2,1,K,31,2.2.3,阻抗变换,指同一个阻抗，从变压器的另

17、一边来说，阻抗会变化。,反之亦然。,例如，阻抗,Z,接在变压器副边，从原边看过去，阻值就,变化了，是等效电阻,Z,等效,i,i,2,Z,1,等效,?,u,N,1,e,1,1,e,N,2,Z,2,Z,?,U,1,KU,2,2,U,2,2,等效,I,?,?,K,?,K,Z,1,I,2,/,K,I,2,32,例,设信号电压的有效值：,U,1,= 10V,；信号内阻：,R,s,=800,?,；负,载为扬声器，电阻,R,L,=8,?,，,（,1,）求负载电阻上的功耗；,（,2,）为了使扬声器获得最大电阻功率，用变压器匹配阻抗，,求变压器的变比和负载上得到的功率。,i,u,1,R,s,R,L,u,1,R,

18、s,i,1,N,1,N,2,i,2,u,2,R,L,信号源,变压器阻抗变换,33,解：,（,1,）扬声器功率,2,（,2,）要想获得最大电阻功率，阻抗必须匹配，则,P,2,?,U,?,?,10,?,2,L,?,I,R,?,?,?,R,?,?,R,L,?,?,8=1.22mW,S,?,R,L,?,800,?,8,?,?,R,?,K,2,R,R,S,800,S,L,则,K,?,R,?,8,?,10,L,变换后的负载阻抗,R,K,2,R,2,等效,?,L,?,10,?,8=800,?,负载阻抗功率,2,2,P,2,R,?,?,?,U,?,?,10,?,L,?,I,?,R,?,R,等效,?,?,S,?

19、,R,等效,?,?,800,?,800,?,?,800=32.5mW,i,N,1,N,2,i,R,2,R,u,s,s,i,1,1,R,L,u,1,u,2,R,L,34,信号源,变压器阻抗变换,2.2.4,变压器的外特性,指原边电压不变，副边输出电压和输出电流的关系。,U,2,=,f,（,I,2,）,?,一般供电系统希望变压器要有硬（的电压）特性，电焊变压器,除外。,?,副边绕组的电压变化程度用电压变化率表示,U,20,?,U,2,?,U,?,?,100,%,U,20,由于变压器的漏阻抗很小，,电压变化率一般在,5%,左右。,35,2.2.5,变压器的损耗与效率,变压器也是铁心线圈，有铜耗和铁耗

20、。铁耗只和磁通大小,有关，因此又称为不变损耗；铜耗和电流大小有关，是可,P,2,P,2,?,?,?,P,1,P,2,?,?,p,Fe,?,?,p,Cu,?,当变压器的铜耗等于铁耗（可变损耗等于不变损耗）时，,变压器的效率最大。通常在,95%,以上,。此时变压器的负载,为额定负载的,5075%,。,变损耗。,36,2.3,三相变压器及特种变压器,2.3.1,三相变压器,三个单相变压器转变成三相变压器,37,?,三相变压器的优点：节省材料，效率高，可靠性好。,?,三相变压器的组别：,Y/Y,0,、,Y,0,/,、,Y/,Y/Y,0,：适合低压配电，高压,10-35kV,，低压,400V,，容量不,

21、很大，有中性线引出，适合动力、照明负载。容量一般小,于,1800kVA,。,Y/,：适合变电，一般高压在,35,110kV,之间，高压侧无,中性线，变压器是大容量。,Y,0,/,：适合变电，电压范围广，一般高压在,110kV,以上，,变压器是超大容量。,?,注意两种接法电压和电流的关系。,38,2.3.2,仪表用互感器,电压互感器接线图。,电压互感器：被测电压,=,电压表读数,?,K,通常最大示数为,100V,，电压表按原边电压刻度。,使用注意：,1,、副边不能短路，以防产生过流；,2,、铁心、低压绕组的一端接地，以防在绝缘损时，在副边出,现高压。,3,、高压侧装熔断器。,u,（被测电压）,保

22、险丝,N,1,（匝数多）,N,2,（匝数少）,V,R,39,电流互感器接线图,电流互感器：被测电流,=,电流表读数,?,N,2,/,N,1,副边额定电流为,1A,或,5A,。,电流表的表盘按原边电流刻度，以便直读。,使用注意：,1,、副边不能开路，以防过大的励磁电流产生绕组高电压、铁心,高温；,2,、铁心、低压绕组的一端接地，以防在绝缘损坏时，在副边出,现过压。,3,、副边不能装熔断器。,i,（被测电流）,1,N,1,（匝数少）,R,N,2,（匝数多）,i,2,A,电流表,40,41,钳形表,钳形漏电流表,i,（被测电流）,1,N,1,（匝数少）,R,N,2,（匝数多）,i,2,A,电流表,42,2.3.3,自耦变压器,U,1,N,1,?,?,K,U,N,2,2,I,N,1,1,2,?,?,I,2,N,1,K,i,1,u,1,N,1,B,A,P,i,2,u,2,R,L,?,使用注意事项,N,2,1,、注意线圈的额定电流,2,、注意高压传入的危险,3,、原、副边不能对调使用，因为此时线圈匝数小，磁通增大，,电流增加，导致变压器损坏。,43,2.3.4,脉冲变压器,传输脉冲信号。,1,、脉冲变压器的应用,作为间歇振荡器线路的主要元件，在脉冲技术和可控硅触,发电路中得到广泛应用。,脉冲变压器采用特殊材料、