电机及拖动基础c03

1、第三章第三章 变压器变压器 第一节第一节 变压器的工作原理、分类及结构变压器的工作原理、分类及结构 一、变压器的工作原理一、变压器的工作原理 变压器的主要部件变压器的主要部件 铁心和套在铁心上的两个绕铁心和套在铁心上的两个绕 组。两绕组只有磁耦合没电组。两绕组只有磁耦合没电 联系。在一次绕组中加上交联系。在一次绕组中加上交 变电压，产生交链一、二次变电压，产生交链一、二次 绕组的交变磁通，在两绕组绕组的交变磁通，在两绕组 中分别感应电动势。中分别感应电动势。 t Neu d d 111 t Neu d d 222 2 111 222 UEN k UEN k匝比匝比 忽略铁心中的损耗，根据能量守

2、恒定律，有：忽略铁心中的损耗，根据能量守恒定律，有： 2211 IUIU 二、变压器的分类二、变压器的分类 按用途分：电力变压器和特种变压器。按用途分：电力变压器和特种变压器。 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。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：芯式变压器和壳式变压器。按铁心结构分：芯式变压器和壳式变压器。 按调压方式分：无励磁调压变压器和有载调压变压器。按调压方式分：无励磁调压变压器和有载调压变

3、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。式变压器。 3 电源变压器 电力变压器 控制变压器 接触调压器 三相干式变压器 4 三、变压器的结构简介三、变压器的结构简介 铁心铁心变压器中主要的磁路部分，变压器中主要的磁路部分， 分为铁心柱与铁轭两部分。分为铁心柱与铁轭两部分。 单相芯式变压器单相芯式变压器 1 1铁心柱铁心柱 2 2铁轭铁轭 3 3高压线圈高压线圈 4 4低压线圈低压线圈 三相芯式变压器三相芯式变压器 1 1铁心柱铁心柱 2 2铁轭铁轭 3 3高压线圈高压线圈 4 4低压线圈低压线圈 5 单相壳

4、式变压器单相壳式变压器 1 1铁心柱铁心柱 2 2铁轭铁轭 3 3绕组绕组 绕组绕组变压器中的电路部分。变压器中的电路部分。 1 1低压绕组低压绕组 2 2高压绕组高压绕组 交叠式绕组交叠式绕组 6 油浸式电力变压器油浸式电力变压器 1 1信号式温度计信号式温度计 2 2吸湿器吸湿器 3 3储油柜储油柜 4 4油位计油位计 5 5安全气道安全气道 6 6气体继电器气体继电器 7 7高压套管高压套管 8 8低压套管低压套管 9 9分接开关分接开关 1010油箱油箱 1111铁心铁心 1212线圈线圈 1313放油阀门放油阀门 7 变压器的额定值变压器的额定值 额定容量为变压器的视在功率（用额定容

5、量为变压器的视在功率（用SN 表示，单位表示，单位 kVA ，VA） 额定电压（一次和二次绕组上分别为额定电压（一次和二次绕组上分别为U1N 和和U2N ，单位 单位V, kV） 额定电流（一次和二次绕组上分别为额定电流（一次和二次绕组上分别为I1N 和和I2N ，单位 单位 A , kA） 单相变压器单相变压器 N2N2N1N1N IUIUS 三相变压器三相变压器 N2N2N1N1N 33IUIUS 额定频率额定频率fN 我国的规定为我国的规定为50Hz 8 例例3-13-1 有一台三相油浸自冷式铝线电力变压器，有一台三相油浸自冷式铝线电力变压器， AkV160 N S kV4 . 0/kV

6、35/ 2NN1 UU 试求一次、二次绕组的额定电流。试求一次、二次绕组的额定电流。 解解： A64. 2A 10353 10160 3 3 3 1N N N1 U S I A9 .230A 104 . 03 10160 3 3 3 2N N N2 U S I Y,y0联结联结 9 第第二节节 单相变压器的空载运行单相变压器的空载运行 一、空载运行时的物理情况一、空载运行时的物理情况 变压器匝数为变压器匝数为N1的一次绕组加上的一次绕组加上 交流电压，变压器匝数为交流电压，变压器匝数为N2的二的二 次绕组开路，这种情况即为变压次绕组开路，这种情况即为变压 器的空载运行。器的空载运行。 一次绕组

7、和二次绕组的电动势平衡方程式一次绕组和二次绕组的电动势平衡方程式 1 10 1110111 dd ()() dd ui reei RNN tt 2022 d d ueN t 其中，其中，i0 空载电流；空载电流；u20 二次绕组的空载电压；二次绕组的空载电压；r1 一次绕组的一次绕组的 电阻。电阻。 主磁通；主磁通；1 一次绕组漏磁通。一次绕组漏磁通。 10 1 1、感应电动势与主磁通、感应电动势与主磁通 空载运行时，忽略空载运行时，忽略i1R1和和e1 11 eu sin m t 设：设： 1111 d sin(90 )sin(/2) d mm eNNtEt t 2222 d sin(90

8、)sin(/2) d mm eNNtEt t 感应电动势感应电动势e1 和和e2 均滞后于均滞后于 的电角度的电角度90，其有效值为其有效值为 m mmm fN fNNE E 1 111 1 44. 4 2 2 22 m mmm fN fNNE E 2 222 2 44. 4 2 2 22 E1和和E2的相量表达式的相量表达式 m fNE 11 44. 4 j m fNE 22 44. 4 j 11 2、空载电流、空载电流 空载电流包含两个分量，一个是励磁分量，作用是建立磁空载电流包含两个分量，一个是励磁分量，作用是建立磁 场，产生主磁通场，产生主磁通无功分量；另一个是铁损耗分量，作无功分量；

9、另一个是铁损耗分量，作 用是供变压器铁心损耗用是供变压器铁心损耗有功分量。有功分量。 性质：由于空载电流的无功分量远大于有功分量，所以空载电性质：由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流主要是感性无功性质也称励磁电流；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，用空载电流百分数关，用空载电流百分数I I0 0% %来表示：来表示： %100% N 0 0 I I I 3、漏磁通和漏电抗、漏磁通和漏电抗 漏电动势漏电动势E 1 m IE 1 1 11 jX m EI 漏电抗漏电抗

10、X X 1 是一次绕组的一个参数。是一次绕组的一个参数。 12 二、空载运行时的电动势平衡方程式、二、空载运行时的电动势平衡方程式、 相量图及等效电路相量图及等效电路 1111111 ()()j() mmm UI REEI RI XE 11111 (jX )()() mm IREI ZE 220 EU 1 (jX ) mmmmm EI ZIR 其中，其中，Z 1 一次绕组漏阻抗一次绕组漏阻抗 Zm 变压器的励磁阻抗变压器的励磁阻抗 Xm 变压器的励磁电抗变压器的励磁电抗 Rm 变压器的励磁电阻变压器的励磁电阻 并且有并且有 m m I E Z 1 Fe m m p R I 22 mmm XZR

11、 13 mmmm ZIZIEZIU 1111 )( 14 第第三节节 单相变压器的基本方程式单相变压器的基本方程式 变压器一次侧接在额定频率、额定电压的交流电源上，二次侧变压器一次侧接在额定频率、额定电压的交流电源上，二次侧 接上负载的运行状态，称为负载运行接上负载的运行状态，称为负载运行。 一、负载运行时的物理情况一、负载运行时的物理情况 由于电源电压恒定，即由于电源电压恒定，即U1= =常数，则常数，则E1常数，常数，m常数。因此，常数。因此， 达到新的电动势平衡的条件是使一次绕组的电流增量所产生的磁动达到新的电动势平衡的条件是使一次绕组的电流增量所产生的磁动 势与二次绕组电流所产生的磁动

12、势相抵消，以维持主磁通基本不变，势与二次绕组电流所产生的磁动势相抵消，以维持主磁通基本不变， 以及由主磁通所感应产生的电动势基本不变以及由主磁通所感应产生的电动势基本不变。 0 2211 NINI 2 1 2 1 I N N I 15 二、负载运行时的基本方程式二、负载运行时的基本方程式 1 1、磁动势平衡方程式、磁动势平衡方程式 2 2、电动势平衡、电动势平衡 方程式方程式 0)( 22112211 NINIININI m 12211 NININI m 和漏电抗和漏电抗。 分别为一次和二次绕组的漏阻抗、电阻分别为一次和二次绕组的漏阻抗、电阻 121212 ZZRRXX、 、 、 、和 mmZ

13、 IE 1 111111111 jUEI RI XEI Z 222222222 jUEI RI XEI Z 1212 /EENNk 16 第四节第四节 变压器的等效电路及相量图变压器的等效电路及相量图 一、绕组归算一、绕组归算 归算：将变压器的二次（或一次）绕组用另一个绕组来等效，同时，归算：将变压器的二次（或一次）绕组用另一个绕组来等效，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。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。 归算原则：归算原则：1 1）保持二次侧磁动势不变；保持二次侧磁动势不变；2 2）保持二次侧各功率或损）保持二次侧各功率或损 耗不变。耗不

14、变。 二次绕组归算后，变压器一次和二次绕组具有同样的匝数，即二次绕组归算后，变压器一次和二次绕组具有同样的匝数，即 （一）电动势和电压的归算一）电动势和电压的归算 12 NN 则则 221 222 ENN k ENN 22 EkE 2020 EkE 22 UkU 17 （二）电流的归算（二）电流的归算 2 2 I I k （三）阻抗的归算（三）阻抗的归算 阻抗归算的原则：归算前后电阻铜耗及漏感中无功功率不变。阻抗归算的原则：归算前后电阻铜耗及漏感中无功功率不变。 22 2222 I RI R 2 2 2 222 2 2 I RRk R I 22 2222 IXI X 2 2 2 222 2 2

15、 I XXk X I 归算后变压器负载运行时的基本方程式变为如下形式：归算后变压器负载运行时的基本方程式变为如下形式： m III 21 1111 ZIEU 2222 ZIEU 21 EE mmZ IE 1 18 二二 、等效电路、等效电路 右图中，二次绕右图中，二次绕 组各量均已经归组各量均已经归 算到一次绕组，算到一次绕组， 即即 12 NN 图中图中a、b和和c、d分别是等电位点，分别是等电位点， 可连接起来而不改变运行情况。可连接起来而不改变运行情况。 于是作出变压器的于是作出变压器的T形等效电路。形等效电路。 （由前述的基本方程式也可得出（由前述的基本方程式也可得出 该等效电路）该等

16、效电路） 12 EE 19 三三 、相量图、相量图 根据根据T T形等效电形等效电 路，可以画出相应路，可以画出相应 的相量图。的相量图。 四四 、近似等效电路图、近似等效电路图 Rk、Xk和和Zk分别称为短路电阻、短路电抗和短路阻抗。分别称为短路电阻、短路电抗和短路阻抗。 20 第五节第五节 等效电路的参数测定等效电路的参数测定 一、空载试验一、空载试验 通过测量空载电流和一、二次电压通过测量空载电流和一、二次电压 及空载功率来计算变比、空载电流及空载功率来计算变比、空载电流 百分数、铁耗和励磁阻抗。百分数、铁耗和励磁阻抗。 变压器空载运行时，可以认为输入功率变压器空载运行时，可以认为输入功

17、率p0完全用来抵偿铁耗。完全用来抵偿铁耗。 Fe0 pp 从空载运行的等效电路得出从空载运行的等效电路得出 22 1 011 0 ()() mm U ZRRXX I m ZZ 00m RR 0m XX 1 2 U k U 21 二、负载试验二、负载试验 （又称短路试验）（又称短路试验） 通过测量短路电流、短路电压通过测量短路电流、短路电压 及短路功率来计算变压器的短及短路功率来计算变压器的短 路电压百分数、铜损和短路阻路电压百分数、铜损和短路阻 抗。抗。 高压侧加电压，低压侧短路；由于外加电压很小，主磁通很少，铁高压侧加电压，低压侧短路；由于外加电压很小，主磁通很少，铁 损耗很少，忽略铁损。损

18、耗很少，忽略铁损。 k k k U Z I 2 k k k p R I 222 Cu1122kkk pI RpI RI R 22 kkk XZR 折算到折算到75时的数值时的数值 0 75 C 0 75 k k T RR T 22 75 C75 C k kk ZRX 22 标么值标么值, ,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（通常以额定值为基准值）比值（通常以额定值为基准值）, ,即即 基准值 实际值 标么值 阻抗电压阻抗电压 负载试验时，当绕组中电流达到额定值，加负载试验时，当绕组中电流达到额定值，加 在一次绕组上的短路

19、电压。用一次侧额定电压的百分值表在一次绕组上的短路电压。用一次侧额定电压的百分值表 示。示。 1N 175 C 1N1N %100%100% kk k I Z U u UU 阻抗电压阻抗电压的标么值的标么值 1N * 175 C75 C75 C 1N1N1N1NN / kkkk kk I ZZZ U uZ UUUIZ * k Z其中其中,为短路阻抗的相对值为短路阻抗的相对值 23 第六节第六节 三相变压器三相变压器 一、三相变压器的电路系统一、三相变压器的电路系统 联结组联结组 1 1、联结法、联结法 a)星形联结星形联结 b)三角形联结三角形联结 2 2、联结组、联结组 a)I/I-0联结组

20、联结组 b)I/I-6联结组联结组 24 Y y0 联结组联结组 Yd11 联结组联结组 25 二、三相变压器的磁路系统二、三相变压器的磁路系统 铁心的结构形式铁心的结构形式 a)单相芯式铁心的合并单相芯式铁心的合并 b)铁心的演变铁心的演变 c)c)三相芯式铁心三相芯式铁心 26 不考虑铁耗时励不考虑铁耗时励 磁电流波形确定磁电流波形确定 三、三相变压器的电路系统和磁路系统对三、三相变压器的电路系统和磁路系统对 电动势波形影响电动势波形影响 励磁电流中无三次励磁电流中无三次 谐波的主磁通波形谐波的主磁通波形 27 三相芯式变压器三相芯式变压器 中三次谐波磁通中三次谐波磁通 的路径的路径 三相

21、变压器绕组三相变压器绕组Y, d联结时，电流联结时，电流I23 的作用的作用 28 第七节第七节 变压器的稳态运行变压器的稳态运行 1 1、变压器的电压调整率、变压器的电压调整率 变压器二次侧的端电压随负变压器二次侧的端电压随负 载变化的程度用电压调整率载变化的程度用电压调整率 u来表示。来表示。 电压调整率电压调整率u规定为：一次规定为：一次 侧加额定负载电压、负载功侧加额定负载电压、负载功 率因数为一定值，空载与负率因数为一定值，空载与负 载时二次侧端电压之差，用载时二次侧端电压之差，用 二次侧额定电压的百分值表二次侧额定电压的百分值表 示，即示，即 %100%100%100 N1 2N1

22、 N2 2N2 N2 220 U UU U UU U UU u 变压器的近似等变压器的近似等 效电路相量图效电路相量图 29 电压变化率是表征变压器运行性能的重要指标之一电压变化率是表征变压器运行性能的重要指标之一, , 它大小反映了供电电压的稳定性。它大小反映了供电电压的稳定性。 1N21N2 1N cossin 100% kk IRIX u U 式中式中 N11 / II 为负载系数为负载系数 可见，电压变化率的大小与负载大小、性质及变压器的本身可见，电压变化率的大小与负载大小、性质及变压器的本身 参数有关。参数有关。 当I2=I2N, =1时 )( 2 fu 30 2 2、变压器的效率、

23、变压器的效率 变压器的损耗主要是铁耗和铜耗两种。变压器的损耗主要是铁耗和铜耗两种。 铁耗包括基本铁耗和附加铁耗。基本铁耗为磁滞损耗和涡流损耗。铁耗包括基本铁耗和附加铁耗。基本铁耗为磁滞损耗和涡流损耗。 附加损耗包括由铁心叠片间绝缘损伤引起的局部涡流损耗、主磁通附加损耗包括由铁心叠片间绝缘损伤引起的局部涡流损耗、主磁通 在结构部件中引起的涡流损耗等。铁耗与外加电压大小有关，而与在结构部件中引起的涡流损耗等。铁耗与外加电压大小有关，而与 负载大小基本无关，故也称为不变损耗。负载大小基本无关，故也称为不变损耗。 铜耗也分基本铜耗和附加铜耗。基本铜耗是在电流在一、二次铜耗也分基本铜耗和附加铜耗。基本铜

24、耗是在电流在一、二次 绕组直流电阻上的损耗；附加损耗包括因集肤效应引起的损耗以及绕组直流电阻上的损耗；附加损耗包括因集肤效应引起的损耗以及 漏磁场在结构部件中引起的涡流损耗等。漏磁场在结构部件中引起的涡流损耗等。铜耗大小与负载电流平方铜耗大小与负载电流平方 成正比，故也称为可变损耗。成正比，故也称为可变损耗。 变压器的效率也是指其输出的有功功率与输入的有功功率之比，变压器的效率也是指其输出的有功功率与输入的有功功率之比， 用百分值表示用百分值表示。 %100 1 2 P P 31 式中式中 %100)1 (%100)1 (%100%100 211 1 1 2 pP p P p P pP P P CuFe ppp 32 第八节第八节 自耦变压器与互感器自耦变压器与互感器 一、自耦变压器一、自耦变压器 自耦变压器仅有一个绕组，其一次、自耦变压器仅有一个绕组，其一次、 二次绕组之