变压器的工作原理-分类及结构

第三章变压器,第一节变压器的工作原理分类及结构,第一节变压器的工作原理分类及结构,一.变压器的工作原理变压器-利用电磁感应原理，从一个电路向另一个电路传递电能或传输信号的一种电器是电力系统中生产，输送，分配和使用电能的重要装置。也是电力拖动系统和自动控制系统中，电能传递或作为信号传输的重要元件,控制变压器,第一节变压器的工作原理分类及结构,1.变压器-静止的电磁装置变压器可将一种电压的交流电能变换为同频率的另一种电压的交流电能电压器的主要部件是一个铁心和套在铁心上的两个绕组。,变压器原理图（图3-1）,第一节变压器的工作原理分类及结构,与电源相连的线圈，接收交流电能，称为一次绕组用U1，I1，E1，N1表示，与负载相连的线圈，送出交流电能，称为二次绕组用U2，I2，E2，N2表示。同时交链一次，二次绕组的磁通量的相量为Fm,该磁通量称为主磁通请注意图3-1各物理量的参考方向确定。,第一节变压器的工作原理分类及结构,2.理想变压器不计一次、二次绕组的电阻和铁耗，其间耦合系数K=1的变压器称之为理想变压器描述理想变压器的电动势平衡方程式为,第一节变压器的工作原理分类及结构,若一次、二次绕组的电压、电动势的瞬时值均按正弦规律变化，则有不计铁心损失，根据能量守恒原理可得由此得出一次、二次绕组电压和电流有效值的关系令K=N1/N2，称为匝比（亦称电压比），则,第一节变压器的工作原理分类及结构,二.变压器的分类1.变压器按用途一般分为电力变压器和特种变压器两大类电力变压器可分为:升压变压器、降压变压器、配电变压器、联络变压器等电力变压器外形,第一节变压器的工作原理分类及结构,特种变压器可分为:整流变压器、电炉变压器、高压试验变压器、控制变压器等,第一节变压器的工作原理分类及结构,2.变压器按相数可分为单相和三相变压器三相变压器外观示意图,第一节变压器的工作原理分类及结构,三.变压器的结构简介1.铁心铁心是变压器中主要的磁路部分。通常由含硅量较高，厚度为0.35或0.5mm,表面涂有绝缘漆的热轧或冷轧硅钢片叠装而成铁心分为铁心柱和铁轭俩部分，铁心柱套有绕组；铁轭闭合磁路之用铁心结构的基本形式有心式和壳式两种,心式变压器结构示意图,第一节变压器的工作原理分类及结构,2.绕组绕组是变压器的电路部分，它是用纸包的绝缘扁线或圆线绕成。右图为交叠式绕组3.其他结构部件以典型的油侵式电力变压器为例，其他结构部件有:油箱、储油柜、散热器、高压绝缘管套以及继电保护装置等外形如下图,第一节变压器的工作原理分类及结构,4.变压器的额定值(1).额定容量S变压器视在功率的惯用数值，以VA，KVA，MVA表示(2).额定电压U变压器各绕组在空载额定分接下端子间电压的保证值，对于三相变压器额定电压系指线电压，以V或KV表示(3).额定电流I变压器的额定容量除以各绕组的额定电压所计算出来的线电流值，以A表示单相变压器的一次、二次绕组的额定电流为I1N=SN/U1NI2N=SN/U2N三相变压器的一次、二次绕组的额定电流为I1N=SN/U1NI2N=SN/U2N(4).额定频率我国工业用电频率为50HZ,第二节单相变压器的空载运行,什么是空载运行？变压器一次绕组加上交流电压，二次绕组开路的运行情况一.空载时的物理情况1.空载磁场空载电流i0产生一个交变磁通势i0N1，并建立交变磁场主磁通m通过铁心闭合的磁通量（占绝大部分）漏磁通1通过油和空气闭合的磁通量（占少量）,单相变压器空载运行时的各物理量（图3-2）,单相变压器空载运行时的各物理量（图3-2）,第二节单相变压器的空载运行,2.主磁通感应电动势主磁通在一次绕组和二次绕组产生感应电动势：e1(t)=-N1dFm/dte2(t)=-N2dFm/dt3.感生漏电动势交链一次绕组的漏磁通在一次绕组中感生漏电动势e1s(t)=-N1dF1s/dt列出一次、二次绕组的电动势平衡方程式u1=i0r1+(-e1s)+(-e1)=i0r1+N1dF1s/dt+N1dFm/dtu20=e2=-N2dFm/dt,(一)感应电动势与主磁通,1.变压器感应电势1)主磁通若u1随时间按正弦规律变化，则m也按正弦规律变化，设则对e1有：e1(t)=-N1dFm/dt=-wN1Fmcoswt=wN1Fmsin(wt-90)=E1msin(wt-90)而对e2有：e2(t)=-N2dFm/dt=-wN2Fmcoswt=wN2Fmsin(wt-90)=E2msin(wt-90)所以e1和e2也按正弦规律变化,磁通与电势的关系(图3-3）,第二节单相变压器的空载运行,2)感应电动势感应电动势e1、e2在相位上滞后于m的电角度是90有效值是:3)相量表达式根据上述讨论，有E1、E2的相量表达式为,磁通Fm与电势E1、E2的相量关系(图3-4),第二节单相变压器的空载运行,2.变压器变比当一次绕组上加上额定电压U1N时，一般规定此时二次绕组开路电压将是额定电压U2N，因此可以认为，变压器的电压比就是匝数比在三相变压器中，电压比规定为高压绕组的线电压与低压绕组的线电压之比,第二节单相变压器的空载运行,(二)空载电流1）空载电流主要作用是在铁心中建立磁场，产生主磁通2）空载时的变压器实际上就是一个非线性电感器其磁通量与电流的关系，服从与铁磁材料的磁化曲线=f(i),磁化曲线=f(i)(图3-5),3）磁滞作用与涡流现象使(t)=fi(t)的关系复杂化磁滞作用导致励磁电流有功无功分量出现示意图(图3-6),第二节单相变压器的空载运行,空载电流可认为是励磁电流，用Im表示，空载运行时从电源输入少量电功率p0，主要用来补偿铁心中的铁损耗pFe，Im中含有有功IFe(损耗电流）和用以建立磁场的无功Iu(磁化电流）Im2=Im2+IFe2IFe=pFe/E1pFe/U1通常，IuIFe，U1与Im之间相位角0接近90),第二节单相变压器的空载运行,(三)漏磁通与漏电抗设漏磁通所经磁场磁阻Rm1，则由于漏磁通所通过的途径是非磁性物质，其磁导率是常数，所以漏磁通的大小与产生此漏磁通的绕组中的电流成正比所以漏电动势E1s的有效值与电流Im关系为式中x1为一次绕组的漏电抗,二.空载运行时电势平衡方程式、相量图及等效电路1.空载运行时电势平衡方程单相变压器空载运行时的各物理量如图所示,变压器空载运行时，电动势平衡方程式如下：由主磁通产生的电势E1与产生主磁通的励磁电流Im之间存在关系，可以直接用参数形式来表示。由于Im中有有功分量与无功分量，故-E1可表示为Im流过一个阻抗时所引起的阻抗压降，即励磁阻抗Zm,励磁电抗xm,励磁电阻rm变压器空载运行时原边电动势平衡方程式如下其中Z1=r1+jx1,2.空载运行时等值电路3.空载运行时相量图,第二节单相变压器的空载运行,4.应注意的问题注意r1、x1是常量而励磁阻抗的大小和变压器工作点有关因铁心中存在饱和现象，rm、xm随着饱和程度的增加而减小但当电源电压的变化范围不大，对应铁心中磁通的变化为也不是很大时，Zm的值基本上可视为不变。,第三节单相变压器的基本方程式一.负载运行时变压器内部物理情况,第三节单相变压器的基本方程式,变压器带有负载时，变压器内的物理情况与空载时有所不同1.变压器负载运行时，二次绕组中的电流I2产生磁通势I2N22.由于电源电压恒定U1=常数，则E1常数，m常数所以，产生主磁通的磁势也不会改变，因此,达到新的平衡的条件是：绕组的电流增量DI1所产生的磁通势，与二次绕组电流I2所产生的磁通势相抵消，以维持主磁通基本不变。即D1N1+2N2=0这表明，二次绕组的电流增加时，一次绕组的电流就相应地增加，这样，通过电磁感应作用，变压器把电能从一次侧传递到二次侧,二.变压器负载运行时的基本方程式（一）磁通势平衡方程式1N1+2N2=mN1（二）电动势平衡方程式变压器负载运行时磁通与各感应电动势的关系图,第三节单相变压器的基本方程式,电动势平衡方程式1=-1+1r1+j1x1=-1+1Z12=2-2r2-j2x2=2-2Z2归纳出变压器负载运行时的基本方程式为1N1+2N2=mN11=-1+1Z12=2-2Z2-1=mZm1/2=N1/N2=k,第四节变压器的等效电路及向量图,1.问题？是否可找到一个便于工程计算的单纯电路,以代替无电路联系、但有磁路耦合作用的实际变压器。但这个电路必须能正确反映变压器内部电磁过程2.答案：有！这种电路称为变压器的等效电路前提条件是必须进行绕组归算,第四节变压器的等效电路及向量图,一、绕组归算绕组归算就是把二次绕组的匝数变换成一次绕组的匝数或者将一次绕组的匝数变换成二次绕组的匝数来进行运算，但不改变其电磁效应的一种分析方法(一)归算原则：1、归算前后的磁通势平衡关系不变2、各种能量关系保持不变归算值用原来的符号加表示下面以二次侧归算到一次侧为例,(二)电动势和电压的归算因为N2=N1所以：E2=kE2(三)电流的归算保持磁通势在归算前后不变，N2I2=N2I2，则I2=(N2/N2)I2=(N2/N1)I2=I2/k(四)阻抗的归算保持归算前后铜耗及漏感中无功功率不变的原则由:I22r2=I22r2得r2=I22/I22r2=k2r2由:I22x2=I22x2得x2=I22/I22x2=k2x2,第四节变压器的等效电路及向量图,归算后变压器负载运行时的基本方程式将变为如下形式1+2=m1=-1+1Z12=2-2Z2-1=mZm1=2,二.变压器等效电路单相变压器负载运行时各物理量的关系如图所示,第四节变压器的等效电路及向量图,由于N2=N1，这是电压比等于1的变压器,因此，E2=E1，图中a-b和c-d是等电位点用导线把它们联接起来，考虑到1+2=m1=-mZm则得等值电路如图：,三.相量图根据变压器得“T”形等效电路，可画出相应得相量图,四.近似等值电路1.字型等效电路考虑到一般变压器中，ZmZ1，若把励磁支路前移，可得字型近似等效电路如下：近似等效电路可用于分析计算变压器负载运行的某些问题如二次侧电压变化,并联运行的负载分配等,2.一字型等效电路由于一般变压器ImIN，进一步把励磁Im忽略不计，得到变压器一字型近似等效电路如下：其中：rs短路电阻,xs短路电抗，Zs短路阻抗，统称为变压器的短路参数,第五节变压器等效电路参数的测定一.空载试验1.空载试验的目的：测定变压器的电压比K、铁耗pFe以及等效电路中的励磁阻抗Zm2.单相变压器空载试验电路单相变压器空载试验按下图接线,3.单相变压器空载试验方法在额定频率、正弦的额定电压U1N作用下测读U1、I10、p0和U20z0=(U1/I0)=sqrt(r1+rm)2+(x1+xm)2)因为:ZmZ1、rmr1、xmx1则z0zmr0=p0/I102rmx0=xm电压比:k=U1/U20空载试验一般在低压侧进行三相变压器必须采用每相值进行计算,二.短路试验1.短路试验的目的：测定变压器等效电路中的短路参数2.单相变压器短路试验电路单相变压器短路试验的接线图如图所示,第五节变压器等效电路参数的测定,3.单相变压器短路试验方法注意事项：*短路试验时，在一次侧所加的电压必须降低*通常使一次、二次侧电流达到额定值为止因为试验电压很低，主磁通很小，可忽略励磁电流和铁耗，可以认为变压器从电源输入功率ps作为铜耗完全消耗在一次、二次绕组ps=Is2rspcu=I12r1+I22r2zsUs/Is;xssqrt(zs2-rs2)rsps/Is24.阻抗电压当绕组中电流达到额定值，加在一次绕组上的短路电压应是Us=I1NZs75c称为阻抗电压或短路电压.用一次侧电压的百分值表示Us*=(Us/U1N)100%=(I1NZs75c/U1N)100%,第五节变压器等效电路参数的测定,三.相对值概念阻抗电压相对值在变压器计算中，把阻抗电压Us表示成额定电压的相对值短路阻抗相对值Zs*就是短路阻抗与阻抗基值之比选定阻抗基值ZN为额定电压U1N与额定I1N之比可见短路阻抗相对值Zs*与阻抗电压相对值相等,第六节三相变压器三相变压器的两种形式：1、三个独立单相变压器组成的变压器组，称为三相组式变压器。三相组式变压器及联结如图所示,分析单相变压器时的所得的基本方程式、等效电路、相量图以及即将探讨的运行特性分析等方法完全适用于三相变压器2、铁心为三相所共有的三相变压器叫三相芯式变压器如图所示,第六节三相变压器,一.三相变压器的电路系统-连接组（一）联结法绕组的首端和末端的标志规定,1.星形联结用符号“Y（或y)”表示三个首端A、B、C（或a、b、c)向外引出末端X、Y、Z（或x、y、z）连接在一起成为中性点2.三角形联结用符号“D（或d）”表示各相间联结次序为A-X-C-Z-B-Y（或a-x-c-z-b-y)从首端A、B、C（或a、b、c）向外引出,（二）联结组三相绕组无论采用什么联结法，二次侧线电动势的相位差总是30的倍数，因此采用钟表面上12个数字来表示1.时钟表示法把高压侧线电动势的相量作为分针，始终指着“12”这个数字而以低压侧线电动势的相量作为时针，它所指的数字即表示高、低压侧线电动势相量间的相位差这个数字称为三相变压器联结组的“标号”2.单相变压器的联结单相变压器或三相变压器中某相高、低压绕组的联结组问题其实质为电路理论中互感线圈的同名端问题,由给定原理图确定变压器的连接组标号（1）画原、副边相量图：原理图上字母从左向右排列，相量图上为顺时针排列；（2）同一铁心柱上的两个相量，要么同相，要么反相；（3）确定比较相量，即下标字母相同的原、副边两个线电压。例如：UAB和uab，且相量方向均为下标的第一个字母指向第二个字母；（4）旋转相量图，将原边线电压相量作为分针指向钟表“12”，副边对应线电压相量所指的字母即为连接组标号。,由联结组通过电势相量确定三相变压器的电路图表达,由电路图表达获得三相变压器的具体连接,由联结组通过电势相量确定三相变压器的电路图表达图,二.三相变压器的磁路系统-铁心的结构形式三相变压器的磁路系统,三相心式变压器的磁路系统的演变,第七节变压器的稳态运行,一.变压器的运行特性变压器的运行特性指变压器二次侧端电压的变化和变压器的效率(一)变压器负载时二次侧端电压的变化(电压调整率)1.什么是变压器的外特性？变压器一次侧外施电压额定电压U1=U1N、负载功率因数cosj2不变时,二次侧端电压U2随二次侧负载电流I2变化的关系曲线.即U2=f(I2)，一般用电压调整率表示,第七节变压器的稳态运行,2.电压调整率电压调整率表征了电网电压的稳定性，反映了电能的质量，是变压器的主要性能之一。DU%规定为：一次侧加额定电压、负载功率因数为一定值时，空载与负载时二次侧端电压之差(U20-U2)与二次侧额定电压U2N的比例（用百分值表示）DU%=(U20-U2)/U2N100%=(U2N-U2)/U2N100%=(U1N-U2)/U1N100%,采用简化等值电路时变压器电压电流关系如图所示,第七节变压器的稳态运行,由上图可以看出：ab=I1rscosj2+I1xssinj2可见:DU%=(U1N-U2)/U1N100%ab/U1N100%=(I1rscosj2+I1xssinj2)/U1N100%=b(I1Nrscosj2+I1Nxssinj2)/U1N100%其中:b=I1/I1N电压调整率决定于：1)短路参数rs，xs2)负载系数b3)负载的功率因数,第七节变压器的稳态运行,1.铁耗基本铁耗-主要是磁滞损耗与涡流损耗磁滞损耗与硅钢片材料的性质、磁通密度的最大值以及频率有关涡流损耗与硅钢片的厚度、电阻率、磁通密度有关2.铜耗基本铜耗指一、二次绕组内电流所引起的直流电阻损耗附加铜耗主要是由漏磁通所引起的集肤效应和邻近效应产生的额外损耗3.效率变压器的效率指其输出的有功功率与输入的有功功率之比工程上采用间接法测定变压器的效率，即测出各种损耗以计算效率h=1-Sp/(P2+Sp),第七节变压器的稳态运行,假设(1)以额定电压下的空载损耗p0作为铁耗pFe,并认为铁耗不随负载而变.(2)以额定电流时的负载损耗pLN作为额定电流时之铜耗pcu,并认为负载系数?的平方成正比,有pcu=b2pLN(3)计算P2时,忽略负载运行时的二次侧电压的变化，即认为:P2=mU2NI2cosj2=bmU2NI2Ncosj2=bSNcosj2这样就可以得到：效率特性如下,第七节变压器的稳态运行,5.变压器效率计算公式h=1-(p0+b2pLN)/(bSNcosj2+p0+b2pLN)6.变压器的效率特性变压器的效率特性曲线如图所示,一、自耦变压器,原付边共用一部分绕组的变压器。,（一）特点：,1、原付绕组既有磁的联系，又有电的联系。,2、能量传递，既有磁场传递的，又有直接传递的。,三相自耦变压器,三相自耦变压器,五、互感器互感器是电流互感器和电压互感器的合称。互感器的主要功能是:（1）可使仪表和继电器标准化。如电流互感器副绕组的额定电流都是5A；电压互感器副绕组的电压通常都规定为100V。（2）可使测量仪表、继电器等二次设备与一次主电路隔离。降低仪表及继电器的绝缘水平，简化仪表构造，同时保证工作人员的安全。（3）可以避免短路电流直接流过测量仪表及继电器的线圈。,1.电流互感器电流互感器简称CT（文字符号为TA，单二次绕组电流互感器图形符号为），是变换电流的设备。（1）工作原理和接线方式电流互感器的基本结构原理如图4-14所示，它由一次绕组、铁芯、二次绕组组成。其结构特点是：一次绕组匝数少且粗，有的型号还没有一次绕组，利用穿过其铁芯的一次电路作为一次绕组（相当于1匝）；而二次绕组匝数很多，导体较细。电流互感器的一次绕组串接在一次电路中，二次绕组与仪表、继电器电流线圈串联，形成闭合回路，由于这些电流线圈阻抗很小，工作时电流互感器二次回路接近短路状态。电流互感器的变流比Ki用表示，则式中，I1N、I2N分别为电流互感器一次侧和二次侧的额定电流值，N1、N2为其一次和二次绕组匝数。变流比一般表示成如100/5A形式。,（2）电流互感器种类和型号按一次电压分，有高压和低压两大类；按一次绕组匝数分有单匝（包括母线式、芯柱式、套管式）和多匝式（包括线圈式、绕环式、串级式）；按用途分有测量用和保护用两大类；按绝缘介质类型分有油浸式、环氧树脂浇注式、干式、SF6气体绝缘等。电流互感器型号的表示和含义如下：,图4-15LQZ-10型电流互感器的外形图,图4-16LMZJ1-0.5型电流互感器的外形图,（3）电流互感器使用注意事项电流互感器在工作时二次侧不得开路。电流互感器二次侧有一端必须接地电流互感器在接线时，必须注意其端子的极性,2.电压互感器电压互感器简称PT，是变换电压的设备。文字符号为TV，单相式电压互感器图形符号为（1）工作原理和接线方式电压互感器的基本结构原理如图4-17所示，它由一次绕组、二次绕组、铁芯组成。一次绕组并联在线路上，一次绕组匝数较多，二次绕组的匝数较少，相当于降低变压器。二次绕组