《变压器工作原理》

1、03.03.2021,整理课件,1,电力变压器的工作原理,一、变压器基本原理,二、变压器空载特性,三、变压器负载特性,四、电力变压器的型号,五、三相变压器,03.03.2021,整理课件,2,变压器发展史 1884年匈牙利人制造出世界第一台变压器。（闭合铁心式） 1917年我国上海华生电器制造厂生产出我国第一台变压器 1953年我国沈阳变压器厂制造出第一台仿苏13500/110单相变压器。 1954年我国沈阳变压器厂制造出第一台单相规格20000/154变压器。 1958年8月我国沈阳变压器厂制造出第一台单相仿苏40000/220变压器。 1960年3月我国沈阳变压器厂制造出第一台330kV变

2、压器。 1979年12月我国沈阳变压器厂制造出第一台单相500kV型号DFPS-250000/500变压器。 2005年4月2日保定天威通过750kV型号ODFPS-500000/750变压器试验。 2009年1月6日特变电工沈阳变压器公司生产的1000kV型号ODFS-1000000/1000变压器投入运行,03.03.2021,整理课件,3,世界上第一台闭合铁心变压器,我国第一台交流1000kV变压器,03.03.2021,整理课件,4,一、变压器基本工作原理,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. 变压器是利用电磁感

3、应原理工作，它是由相互绝缘且匝数不等的两个绕组（构成电路），套装在有良好导磁性能材料叠成的铁心上(构成磁路），两绕组之间只有磁的耦合而没有电的联系,03.03.2021,整理课件,5,变压器的一次绕组（一次绕组）与交流电源接通后，经绕组内流过交变电流产生磁动势 ，在这个磁动势作用下，铁芯中便有交变磁通 ，即一次绕组从电源吸取电能转变为磁能， 在铁芯中同时交（环）链原、副边绕组（二次绕组），由于电磁感应作用，分别在原、二次绕组产生频率相同的感应电动势。如果此时二次绕组接通负载，在二次绕组感应电动势作用下，便有电流流过负载，铁芯中的磁能又转换为电能。这就是变压器利用电磁感应原理将电源的电能传递到负

4、载中的工作原理。 E1=4.44fN1BmS10-4 E2=4.44fN2BmS10-4,03.03.2021,整理课件,6,在主磁通的作用下，两侧的线圈分别产生感应电势，电势的大小与匝数成正比，K为变压器变比,变压器匝数多的一侧电流小，匝数少的一侧电流大。变压器的原、副线圈匝数不同，起到了变压器作用。 变压器一次侧为额定电压时，其二次侧电压随着负载电流的大小和功率因素的高低而变化,变压器电流之比与一、二次绕组的匝数成反比，即,03.03.2021,整理课件,7,二.变压器的空载特性 变压器一次绕组接电源，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。 N1和N2为一、二次绕组的匝

5、数分别绕在两个铁心柱上,03.03.2021,整理课件,8,主磁通与漏磁通的区别,1）性质上：m与 I0 成非线性关系； L1 与 I0 成线性关系,2）数量上： m占99%以上， L1仅占1%以下,3）作用上： 起传递能量的作用， 起漏抗压降作用,各电磁量参考方向的规定,一次侧遵循电动机惯例，二次侧遵循发电机惯例,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,03.03.2021,整理课件,9,空载电流和空载损耗,一、空载电流,作用与组成,空载电流I0包含两个分量，一个是励磁分量I0a，作用是建立磁场，另一个是铁损耗分量I0r，主要作用是供铁损耗,性质：由

6、于空载电流的无功分量远大于有功分量，所以空载电流主要是感性无功性质也称励磁电流,大小：与电源电压和频率、线圈匝数、磁路材质及几何尺寸有关，用空载电流百分数I0%来表示,03.03.2021,整理课件,10,3、空载电流波形,由于磁路饱和，空载电流与由它产生的主磁通呈非线性关系,当磁通按正弦规律变化时，空载电流呈尖顶波形,当空载电流按正弦规律变化时，主磁通呈尖顶波形,实际空载电流为非正弦波，但为了分析、计算和测量的方便，在相量图和计算式中常用正弦的电流代替实际的空载电流,03.03.2021,整理课件,11,变压器空载时一次侧从电源吸收少量的有功功率P0，供给铁心损耗PFe和绕组损耗IR由于I和

7、R均很小，所以即空载损耗近似为铁心损耗,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,空载损耗,空载损耗约占额定容量的0.1%-1%，而且随变压器容量的增大而下降。为减少空载损耗，改进设计结构的方向是采用优质铁磁材料：优质硅钢片、激光化硅钢片或应用非晶态合金,03.03.2021,整理课件,12,可见，影响主磁通大小的因素有电源电压和频率，以及一次线圈的匝数,U1=-E1-E1+I0R1=-E1+I0R1+jI0X1=-E1+Z1I0,一、电动势平衡方程和变比,空载时的电动势方程、等效电路和相量图,1.电动势平衡方程,1.1一次侧电动势平衡方程,忽略很小的

8、漏阻抗压降，并写成有效值形式，有,U1E1=4.44fN1m,则,03.03.2021,整理课件,13,2、变比,定义,对三相变压器，变比为一、二次侧的相电动势之比，近似为额定相电压之比，具体为,Y，d接线,D，y接线,2)二次侧电动势平衡方程 U2=E2,03.03.2021,整理课件,14,空载时的等效电路和相量图,等效电路,一次侧的电动势平衡方程为,空载时等效电路为,基于E1=-jI0X1表示法，感应的电动势E1也用电抗压降表示，由于在铁心引起铁损PTE，所以还要引入一个电阻Rm,用I20Rm等效PTE,即,E1=I0(Rm+jXm,U1=-E1+I0Z1 =I0(Rm+jXm+I0(R

9、1+jX1,03.03.2021,整理课件,15,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,03.03.2021,整理课件,16,2、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 ， -E1,4,5,03.03.2021,整理课件,17,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

10、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）电抗是交变磁通所感应的电动势与产生该磁通的电流的比值，线性磁路中，电抗为常数，非线性电路中，电抗的大小随磁路的饱和而减小,03.03.2021,整理课件,18,2.变压器的负载运行 一次侧接交流电源，二次侧接负载，二次侧中便有负载电流流过，这种情况称为负载运行,03.03.2021,整理课件,19,单相变压器的负载运行,负载运行时的电磁关系,变压器一次侧接在额定频率、额定电压的交流电源上，二次接上负载的运行状态，称为负载运行,03

11、.03.2021,整理课件,20,用图示负载运行时的电磁过程,03.03.2021,整理课件,21,基本方程,一、磁动势平衡方程,或,电磁关系将一、二次联系起来,二次电流增加或减少必然引起一次电流的增加或减少,用电流形式表示,03.03.2021,整理课件,22,二、电动势平衡方程,根据基尔霍夫电压定律可写出一、二次侧电动势平衡方程,负载运行时,忽略空载电流有,表明，一、二次电流比近似与匝数成反比。可见，匝数不同，不仅能改变电压，同时也能改变电流,03.03.2021,整理课件,23,等效电路及相量图,一、折算,折算原则：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,方法：（将二次

12、侧折算到一次侧,折算：将变压器的二次（或一次）绕组用另一个绕组(N2=N1)来等效，同时对该绕组的电磁量作相应的变换，以保持两侧的电磁关系不变,用一个等效的电路代替实际的变压器,03.03.2021,整理课件,24,折算后的方程式为,03.03.2021,整理课件,25,二、等效电路,根据折算后的方程，可以作出变压器的等效电路,T型等效电路,近似等效电路,03.03.2021,整理课件,26,简化等效电路,其中,分别称为短路电阻、短路电抗和短路阻抗,由简化等效电路可知，短路阻抗起限制短路电流的作用，由于短路阻抗值很小，所以变压器的短路电流值较大，一般可达额定电流的1020倍,03.03.202

13、1,整理课件,27,三、相量图,作相量图的步骤对应T型等效电路， 假定变压器带感性负载,03.03.2021,整理课件,28,电力变压器的型号,特殊使用环境代号,额定电压,额定容量,特殊用途和特殊结构代号,设计序号,调压方式,导线材料,绕组数,油循环方式,冷却方式,相数,产品类别,03.03.2021,整理课件,29,1、产品类别代号 O-自耦变压器，通用电力变压器不标 H-电弧炉变压器 C-感应电炉变压器 Z-整流变压器 K-矿用变压器 Y-试验变压器,03.03.2021,整理课件,30,2、相数 D-单相变压器 S-三相变压器,03.03.2021,整理课件,31,3、冷却方式 F-风冷

14、式 S-水冷式 注：油浸自冷式和空气自冷式不标注,03.03.2021,整理课件,32,4、油循环方式 自然循环(不标注） P强迫循环,03.03.2021,整理课件,33,5、绕组数 S三绕组 注：双绕组不标注,03.03.2021,整理课件,34,6、导线材料 L铝绕组 注：铜绕组不标注 Lb表示半铝、半铜,03.03.2021,整理课件,35,7、调压方式 Z有载调压 注：无励磁调压不标注,03.03.2021,整理课件,36,8、性能水平代号（设计序号,03.03.2021,整理课件,37,9、特殊用途或特殊结构代号 Z低噪声用； L电缆引出 X现场组装式； J中性点为全绝缘； CY发

15、电厂自用变压器 K内置电抗器,03.03.2021,整理课件,38,10、变压器的额定容量 变压器的额定容量，单位为KVA、MVA,03.03.2021,整理课件,39,11、变压器的额定电压 变压器的额定容量，单位为KV,03.03.2021,整理课件,40,电力变压器的型号,例1： 一台三相、油浸、风冷、双绕组、无励磁调压、铜导线、20000 kVA、110 kV级电力变压器产品，其性能水平符合GB/T 6451规定，该产品的型号为,SF920000/110,03.03.2021,整理课件,41,电力变压器的型号,例2： 一台三相、油浸、水冷、强迫油循环、双绕组、有载调压、铜导线、3700

16、00 kVA、220 kV级电力变压器的产品，其性能水平符合GB/T 6451规定，该产品的型号为,SSPZ9370000/220,03.03.2021,整理课件,42,变压器额定值的含义和作用,1.额定容量 SN ：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）兆伏安（MVA) 2.额定电压 UN ：U1N 指电源加到原边绕组上的电压， U2N 是副边绕组开路即空载运行时副绕组的端电压。对于三相变压器一般指线电压值。 单位：伏（V） 千伏（kV） 3.额定电流IN（A） 指变压器在额定容量下允许长期通过的工作电流。 单位：安培（A） 额定容量、额定电压

17、、额定电流之间关系为 单相变压器 SN=U1NI1N=U2NI2N 三相变压器 SN=3U1NI1N=3U2NI2N,03.03.2021,整理课件,43,三相变压器,磁路系统,一、组式磁路变压器,二、心式磁路变压器,特点是：三相磁路彼此无关联,特点是：三相磁路彼此有关联,03.03.2021,整理课件,44,3.7.2 电路系统,一、变压器的端头标号,03.03.2021,整理课件,45,二、单相变压器的极性,一、二次绕组的同极性端同标志时，一、二次绕组的电动势同相位,一、二次绕组的同极性端异标志时，一、二次绕组的电动势反相位,03.03.2021,整理课件,46,三、三相变压器的连接组别

18、连接组别：反映三相变压器连接方式及一、二次线电动势（或线电压）的相位关系。 三相变压器的连接组别不仅与绕组的绕向和首末端标志有关，而且还与三相绕组的连接方式有关。理论和实践证明，无论采用怎样的连接方式，一、二次侧线电动势（线电压）的相位差总是300的整数倍。 因此可以采用时钟表示法 EUV 作为时钟的分针，指向12 点， Euv作为时钟的时针，其指向的数字就是三相变压器的组别号。组别号的数字乘以300，就是二次绕组的线电动势滞后于一次侧电动势的相位角,03.03.2021,整理课件,47,连接组别可以用相量图来判断,若高压绕组三相标志不变，低压绕组三相标志依次后移，可以得到Y,y4、Y,y8连

19、接组别,1、Y，y连接,同名端在对应端，对应的相电动势同相位，线电动势 EUV 和 Euv也同相位，连接组别为Y，y0,同理，若异名端在对应端，可得到Y，y6、Y,y10和Y,y2连接组别,03.03.2021,整理课件,48,若高压绕组三相标志不变，低压绕组三相标志依次后移，可以得到Y,d3、Y,d7连接组别,2、Y，d连接-11,同名端在对应端，对应的相电动势同相位，线电动势 EUV 和Euv 相差3300，连接组别为Y，d11,同理，若异名端在对应端，可得到Y，d5、Y,d9和Y,d1连接组别,03.03.2021,整理课件,49,若高压绕组三相标志不变，低压绕组三相标志依次后移，可以得到Y,d5、Y,d9连接组别,3、Y，d连接-1,同名端在对应端，对应