第2章 变压器的基本作用原理与理论分析

1 2.1 变压器的基本结构和额定值 2.2 变压器的空载运行 2.3 变压器的负载运行 2.4 标么值 2.5 参数测定 2.6 变压器的运行特性 第二章 变压器变压器的基本作用原理 与理论分析 2 变压器是一种 静止 电器 ,它通过线圈间的 电磁感应 ,将一 种电压等级的 交流 电能转换成 同频率 的另一种电压等级的 交流电能 . 2.1 电力变压器的基本结构和额定值 一、变压器的定义 3 二、 变压器的 基本工作原理 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 。在一次绕组中加上交变电压，产生交链 一、二次绕组的交变磁通，在两绕组中分别感应电动势。 只要一、 二次绕组的匝 数不同，就能 达到改变电压 的目的。 N1 N2 4 三、 变压器的 分类 按用途分： 电力变压器、调压器、仪用互感器、电子变 压器、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。 *本课程主要讨论电力系统输配电用电力变压器 5 1、电力变压器 干式 油浸式 6 2、调压器 7 3、仪用互感器 4、电子变压器 8 5、特种变压器 电炉变压器 整流变压器 电焊变压器 环型变压器（音响） 9 主要组成 ：铁芯、绕组、变压器油、油箱、绝缘套管 三相芯式变压器 铁芯 绕组 单相壳式变压器 铁芯 绕组 四、 电力 变压器的 基本结构 10 交叠装配 铁芯叠片 装配实物 、铁心 :变压器的主磁路，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。 铁轭 铁芯柱 11 铁芯各种截面 充分利用空间 提高变压器容量 减小体积。 12 、绕组 变压器的 电路 ，一般用绝缘 铜线或铝线 绕制而成。 按照绕组在铁芯中的排列方法分为： 铁芯式和铁壳式 两类 按照变压器绕组的基本形式 分为 ： 同芯式和交叠式 两种 1、铁芯式 : （ 1）、每个铁芯柱上都套有 高压绕组和低乐绕组。为了绝 缘方便 ,低压在内，高压在外 （ 2）、电力系统的各种变压 器都用铁芯式变压器 13 扁铜线与成形绕组 14 2 铁壳式 （ 1）、铁芯柱在中间，铁轭在两旁环绕，且把绕组包 围起来 .高压绕组和低压绕组沿着铁芯柱的高度交错地 排列着。 (2)、常应用于电压较低而电流很大的持殊场合 . 例如电炉用变压器。 15 铁壳式变压器 16 (四 )油箱 油浸式变压器的器身浸在变压器油的油箱中。油箱侧 壁有冷却用的管子（散热器或冷却器）。 (五 )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。 (三 )变压器油 电力变压器的铁芯和绕组都需浸在变压器油中 . 变压器油的作用是双重的 : 增强绝缘 . 传递热量散热 17 电力变压器基本结构图 2、散热管 1、油箱 3、油枕 4、高低压绝缘套管 5、油标 6、起吊孔 7、铭牌 18 大型电力变压器 19 五、变压器的额定值 指长期运行时所能承受的工作电压 （ 线电压 ） 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 20 三者关系： 此外，额定值还有额定频率、效率、温升等。 绕组 Y接法： 绕组 接法： 21 课时小结 1、变压器的定义？基本工作原理？ （重要） 2、变压器的分类（了解） ？变压器的组成？ 3、铁芯的作用、材料和装配方式？铁芯截面形状的选 择依据？ 4、绕组的作用、材料？铁芯式和铁壳式变压器特点？ 5、变压器油的作用？ 6、变压器的额定值？（重要） 作业 : 2-1 2-2 22 一、电磁物理现象 2.2 变压器的空载运行 23 主磁通与漏磁通的区别 : 二、各电磁量参考方向的规定 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 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 :同时交链两绕组，沿铁芯闭合，磁阻较小 漏磁通 :只交链一个绕组 , 沿非磁性物质闭合 ,磁阻较大 i与 E参考正方向相同 24 三、感应电动势、电压变比 1、主磁通感应的电动势 -设 则 : 有效值 : 相量 : 同理，二次侧感应电动势也有同样的结论。 可见 :当主磁通按正弦规律变化时，所产生的一次侧感应 电动势也按正弦规律变化，时间相位上滞后主磁通 90o。 则 : 有效值 : 相量 : 25 E1 E2在时间相位上滞后于磁通 900. 其波形图和相量图如图 28 所示 26 变压器的变比： 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，即： 上式表明，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 U1E 1 ， U20 E2 ，即 27 课时小结 1、变压器的空载运行？ 2、变压器主磁通和漏磁通的区别？ 3、变压器物理量正方向的规定？ 4、变压器感应电动势表达式？变比？（重要） 28 四、励磁电流 讨论的问题： 主磁通的波形取决于励磁电流的波形，而励磁电 流的大小和波形决定于变压器的铁芯材料及几何 尺寸， 受磁路饱和、磁滞及涡流的影响。 主磁通是励磁电流产生的，但是主磁通的量值 大小受到外施电压 U及电路参数的制约 . 对已制成的变压器 , 当 N1、 f为常数，则： 29 (一 )磁路饱对励磁电流的影响 磁路末饱和状态 :Bm 0.8T a)其磁化曲线 呈线 性关系，导磁率是常数。 b)当 按正弦变化， 亦按正弦变化，如图 29 30 (2)磁路处于饱和状态 :Bm 0.8T a)磁化曲线 0=f(i0)非线性， 随 0增大导磁率逐渐变小。 c) 当 0为正波时， i0顶波 。磁路越饱和，尖顶的 幅度越大。 b) 当 i0按正弦规律变化时 ， 0呈平顶波形。 31 磁路不饱和 Im 为正弦 m为正弦 Im 为正弦m为平顶 磁路饱和 m为正弦 Im 为尖顶 磁路饱和 32 (二 )磁滞现象对励磁电流的影响 另一为 : 磁滞电流分量 . 交流磁场作用下，受磁滞影响。其励磁电流是 不对称尖顶波。 其一为 : 纯磁化电流 分量 ， 对称的尖顶波 建立磁场 ,无功分量 33 (三 )涡流对励磁电流的影响 交变磁通在铁芯中产生涡流及涡流损耗。 涡流损耗的电流分量 也是一有功分量 1) 励磁电流实际包含 2)同相位合并 : 称铁耗电流分量 结论：励磁电流的组成 34 3）当 考虑铁耗 电流分量时 ， 励 磁电流不再与 主磁通同相 ,而是超前一个磁滞角 m (铁耗角 ) 0 -E1 35 五、励磁特性的电路模型 即有： 其中 ： -励磁阻抗 -励磁电阻，对应铁耗的等效电阻 -励磁电抗，对应建立磁场的电抗 励磁电流为： IFe - 与 -E1同相位 (有功） I - 滞后 -E1 90 (无功 ) 36 等效电路为： 由于主磁通路径铁心为非线性 磁路，故 Zm、 rm和 xm均不为 常数，大小受磁路饱和影响。 Zm：变压器的励磁阻抗。 rm：变压器的励磁电阻，反映铁耗； xm:变压器的励磁电抗，反映励磁过程； 37 六、 漏磁通感应的电动势 漏电动势及漏抗 用漏抗压降来表示，即： 同理有： 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 X1 很小且为常数。 思考：变压器的 x1xm，为什么？ 38 七 电路方程 相量图和等效电路 r1、 x1是常量； rm、 xm是变量 ; 电压方程： 等效电路 39 3、相量图 空载时的基本方程为 : 40 课时小结 1、变压器主磁通的大小和波形受哪些因素影 响？ （重点） 2、变压器励磁电流的组成及各分量的作用？ 3、变压器的 rm、 xm、 x1的物理意义及特点？ 4、变压器空载运行时的等效电路、基本方向 和相量图？ （重点） 41 2.3 变压器负载运行 负载运行：一次侧接交流电源，二次侧接负载 一、负载运行时的电磁物理现象 42 空载时： 负载时： 即 : 用电流形式表示 负载分量 ,用来抵消二次磁动势的作用。 m取决于 U1的大小 43 1. 磁势平衡 原边的电势平衡 副边的电势平衡 Im激磁电流分量， 固定不变 IL负载分量随负载不同而变化。 注意 : 在额定负载时 ,I1L比 Im大很多 负载分量 I1L是 I1中的主要部分 . 44 2.变压器负载运行时的电磁关系 45 二 基本方程 综合分析， 变压器带负载稳态运行时六个基本方程式： 46 三、变压器参数的归算 1、为什么要进行归算？ 通常变比 k很大 ,两侧物理量相差大，计算精度低且复杂 基本方程组是复数方程，求解麻烦 变压器两侧绕组间有磁耦合关系，难以用电路等效 为了简化计算和方便推导出等效电路，对绕组进行归算 2、归算概念： 将变压器二次（或一次）侧绕组用一次（或二次）绕组来 等效，同时对二次（或一次）绕组的电磁量作相应变换，以 保持两侧电磁关系不变 47 3、归 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 4、 归算方法： （以二次侧归算到一次侧为例 ) 1）二次侧电流的归算值 : 48 归算前后主磁通和漏磁通均未改变，根据电动势 与匝数成正比的关系可得 : 2）二次侧感应电动势的归算值 E2 同理 : 49 3）二次侧漏阻抗的归算值 R2、 X2、 Z2 根据折算前后绕组的铜损耗不变原则： 50 1、归 算后的基本方程成为： 四 归算后的方程式 等效电路及相量图 51 2.等效电路 单相变压器负载运行时电磁关系的模拟电路模型如下： T型等值电路 （ 1）电路参数都是 每一相的值。原边为 实际值，副边为归算 值。 （ 2）等效的是稳态 对称运行状态。 52 （ 1）画出 ； （ 2）在 相量上加上 得 （ 3） （ 6）画出 与 的相量和 ； （ 7）画出 ，加 得到 （ 4）画出领先 的主磁通 ； （ 5）根据 画出 ， 领先 一个铁耗角了； 3、相量图 给定量和求解量的不同， 相量图画图步骤也不一样。 假 定给定 U2、 I2、 cos2 53 五 . 型 近似 等效电路和 简化 等效电路 实际变压器中， 很小。 负载变化时 变化不大。因此假定 ImZ1 不随负载变化， 得到 型等效电路。 1. 型等效电路。 54 2.简化的 等效电路 负载运行时， Im在 I1N中所占的比例很小。在工程 实际计算中，忽略 Im，得到简化等效电路。 rk 为短路电阻； xk 为短路电抗； Zk 为短路阻抗。 空载运行时， 不能用简化的 等效电路。 55 rk=r1+r2 xk=x1+x2 T型等效电路 近似等效电路 简化等效电路 56 课时小结 1、变压器负载运行时的电磁现象？（要点：负载时 的磁动势平衡式，与空载相比磁场有何变化？） 2、 变压器绕组归算的定义、原则和归算公式？（重 点） 3、变压器负载运行时的基本方程、等效电路和相量 图？（归算后）（重点） 4、 型 等效电路、简化简化等效电路？ 57 2.4 变压器的标么值 标么值是无量纲。 一、定义 标么值 ,就是指某一物理量的实际值与选定的 同一单位的基准值的比值 ,即 : 58 二、基准值的确定 1、 通常以 额定值 为基准值。 2、各侧的物理量以 各自侧的额定值 为基准； 线值 以额定线值为基准值， 相值 以额定相值为基准值； 单相值 以额定单相值为基准值， 三相值 以额定三相值为基准值； 3、 , , UN N N SSQP Z Zxr EU 的基准值为和 的基准值为 和 的基准值为和 59 三 标么值的优点 （ 1）计算方便且容易判断计算错误 （ 2）采用标幺值计算同时也起到了归算的作用 (3) 采用标幺值更能说明问题的实质 缺点 : 没有量纲，不能用量纲关系来检查结果 60 2.5 变压器的参数测定方法 一、 空载实验 1 目的 通过测量空载电流和一、二次电压及空载功率来计算 变比 k、空载电流百分数、铁耗和励磁阻抗 Zm、 rm、 Xm。 2、接线图 61 3、试验注意事项及 激磁参数计算： 1）低压侧加电压，高压侧开路； 3) 测定 额定点 ，以求取励磁参数 2） 单方向下降调节 U1（ 1.2UN 0） 测取 U1、 U20、 I0、 P0 62 4) 若要得到高压侧参数，须进行归算； 5) 对三相变压器，各公式中的电压、电流和 功率均为每相值； 63 二、 短路实验 1、目的： 通过测量短路电流 Ik、短路电压 Uk及 短路功率 Pk来计算变压器的短路电压百分数、铜 耗和短路阻抗（ rk、 xk、 zk）。 2、接线图 64 3) 短路试验应 降压 进行，主磁通小， pFe、 Im不计， 则 pcu=pk用简化的等效电路来分析。 3、试验注意事项及 参数计算 1) 高压侧加电源电压，低压侧直接短路。 4) 额定点 参数： 2）调节输入电压 U1，使得 Ik从 0 1.3IN变化 测出 Uk、 Ik、 pk 65 7）对三相变压器，各公式中的电压、电流和功 率均为每相值； 6）若要得到低压侧参数，须进行归算 5）温度折算：（电阻应换算到基准工作温度） 铜线： 66 4、短路电压 1)短路电压百分值表示 : 当 Ik=IN 时一次侧所加的电压，称为短路电压 (也称为阻抗电压 ) 67 2) 短路电压标么值表示 : 3) 短路电阻标么值计算 : 68 课时小结 1、标么值的定义、基准值的选取、应用标么值 的优点？ 2、变压器空载试验？（目的、线路、 计算公式 ） （重点） 3、变压器空载试验？（目的、线路、 计算公式 ） （重点） 4、变压器运行的铁耗和铜耗有何特点？ 5、短路电压、短路电压标么值？ 69 2.6 变压器的运行特性 一 电压变化率（调整率） 1.定义： 是指 一次侧加额定电压 、 空载与额定负载 两 种情况下的二次侧电压的算术差与空载电压之比 变压器运行性能的重要指标之一 , 反映了供电 电 压的稳定性 。 哪个是 U2N？ 通过 简化等效电路相量图 求出得： 70 2、电压变