电机与拖动基础

1、 Guilin University of Technology . Spring 2011 变变 压压 器器 1. 变压器的工作原理 2. 变压器的结构，型号和额定值 3.变压器空载运行时的电磁关系 4.变压器的变比 重点：重点： Guilin University of Technology . Spring 2011 变变 压压 器器 是一种静止的电机，是一种静止的电机， Guilin University of Technology . Spring 2011 变变 压压 器器 电力变压器电力变压器 三相干式变压器三相干式变压器 自耦调压器自耦调压器 控制变压器控制变压器 环形变压器环

2、形变压器 Guilin University of Technology . Spring 2011 变变 压压 器器 第一节第一节 变压器的基本工作原理和结构变压器的基本工作原理和结构 铁心和绕组：变压器中最铁心和绕组：变压器中最 主要的部主要的部 件，他们构成了变压器的器身。件，他们构成了变压器的器身。 Guilin University of Technology . Spring 2011 变变 压压 器器 Guilin University of Technology . Spring 2011 变变 压压 器器 一、一、 变压器的基本结构变压器的基本结构 铁芯铁芯 铁芯既是耦合磁通

3、的主要通路，又是机械骨架。铁心由心 柱和铁轭两部分组成，心柱用来套装绕组，铁轭将心柱连 接 起来，使之形成闭合磁路为减少铁心损耗，铁心用厚 0.30-0.50mm的硅钢片叠成，片上涂以厚0.020.23mm的 漆膜绝缘漆，以避免片间短路，硅钢片有热轧和冷轧两种。 在大型电力变压器中为提高磁导率和减少铁心损耗，常 采用冷轧硅钢片；为减少接缝间隙和激磁电流，有时还采 用由冷轧硅钢片卷成的卷片式铁心。 Guilin University of Technology . Spring 2011 变变 压压 器器 叠片式铁芯交错的叠装方式 Guilin University of Technology

4、. Spring 2011 变变 压压 器器 心式变压器心式变压器 心柱被绕组所包围，如图图21所示； 心式结构的绕组和绝缘装配比较容易，所以电力变 压器常常采用这种结构。 壳式变压器壳式变压器 铁心包围绕组的顶面、底面和侧面，如图图22所示所示 壳式变压器的机械强度较好，常用于低压、大电 流的变压器或小容量电讯变压器。 特点特点 结构结构 特点特点 结构结构 Guilin University of Technology . Spring 2011 变变 压压 器器 Guilin University of Technology . Spring 2011 变变 压压 器器 Guilin U

5、niversity of Technology . Spring 2011 变变 压压 器器 绕组绕组 绕组是变压器传递电能的电路部分，用包有绝缘材料的铜 线和铝线绕制而成。 一次绕组（原绕组）：输入电能一次绕组（原绕组）：输入电能 二次绕组（副绕组）：输出电能二次绕组（副绕组）：输出电能 他们通常套装在同一个心柱上，一次和二次绕组具有不同 的匝数，通过电磁感应作用，一次绕组的电能就可传递到 二次绕组，且使一、二次绕组具有不同的电压和电流。 其中，两个绕组中，电压较高的我们称为高压绕组，相应 的电压较低的称为低压绕组。从高、低压绕组的相对位置 来看，变压器的绕组又可分为同心式、交迭式。由于同心

6、 式绕组结构简单，制造方便，所以，国产的均采用这种结 构，交迭式主要用于特种变压器中。 Guilin University of Technology . Spring 2011 变变 压压 器器 同心式同心式 结构结构 同心式绕组的高、低压绕组同心地套装同心式绕组的高、低压绕组同心地套装 在心柱上在心柱上 特点特点 同心式绕组结构简单、制造方便，国产电力同心式绕组结构简单、制造方便，国产电力 变压器均采用这种结构。变压器均采用这种结构。 交迭式交迭式 结构结构 交迭式绕组的高、低压绕组沿心柱高度交迭式绕组的高、低压绕组沿心柱高度 方向互相交迭地放置方向互相交迭地放置,交迭式绕组用于低交迭式绕

7、组用于低 电压、大电流的电焊、电路变压器等特电压、大电流的电焊、电路变压器等特 种变压器中。种变压器中。 Guilin University of Technology . Spring 2011 变变 压压 器器 心式变压器绕组和铁芯的装配示意图 Guilin University of Technology . Spring 2011 变变 压压 器器 绝缘套管绝缘套管 绝缘套管由中心导电杆与瓷套组成。导电杆穿过变压器油 箱、在油箱内的一端与线圈的端点联接，在外面的一端与 外线路联接。 其他部件其他部件 除器身外，典型的油锓电力变压除器身外，典型的油锓电力变压 器中还有油箱、变压器器中还有

8、油箱、变压器 油、绝缘套管及继电保护装置等部件。油、绝缘套管及继电保护装置等部件。 Guilin University of Technology . Spring 2011 变变 压压 器器 二、变压器的分类：二、变压器的分类： 变压器的种类很多，可按其用途、结构、变压器的种类很多，可按其用途、结构、 相数、冷却方式等不同来进行分类。相数、冷却方式等不同来进行分类。 1 1、按用途分类、按用途分类，可分为电力变压器（主要可分为电力变压器（主要 用在输配电系统中，又分为升压变压器、降用在输配电系统中，又分为升压变压器、降 压变压器、联络变压器和厂用变压器）、仪压变压器、联络变压器和厂用变压器）

9、、仪 用互感器（电压互感器和电流互感器）、特用互感器（电压互感器和电流互感器）、特 种变压器（如调压变压器、试验变压器、电种变压器（如调压变压器、试验变压器、电 炉变压器、整流变压器、电焊变压器等）。炉变压器、整流变压器、电焊变压器等）。 Guilin University of Technology . Spring 2011 变压器 配电变压器配电变压器 升压变压器升压变压器降压变压器降压变压器 （一）电力变压（一）电力变压 器器 Guilin University of Technology . Spring 2011 变压器 试验、仪用等变压器试验、仪用等变压器 电炉、整流变压器电炉、

10、整流变压器 Guilin University of Technology . Spring 2011 变变 压压 器器 2 2、按绕组数目分类、按绕组数目分类: :可分为双绕组变压器可分为双绕组变压器, ,三绕三绕 组变压器、多绕组变压器和自耦变压器。组变压器、多绕组变压器和自耦变压器。 3 3、按铁心结构分类，有心式变压器和壳式变压、按铁心结构分类，有心式变压器和壳式变压 器。器。 4 4、按相数分类，有单相变压器、三相变压器和、按相数分类，有单相变压器、三相变压器和 多相变压器。多相变压器。 5 5、按冷却介质和冷却方式分类，可分为油浸式、按冷却介质和冷却方式分类，可分为油浸式 变压器（

11、包括油浸自冷式、油浸风冷式、油浸强迫变压器（包括油浸自冷式、油浸风冷式、油浸强迫 油循环式）、干式变压器、充气式变压器。油循环式）、干式变压器、充气式变压器。 6 6、按容量大小分，小型（、按容量大小分，小型（1010630KVA630KVA）、中型）、中型 （8008006300KVA6300KVA）、大型（）、大型（8000800063000KVA63000KVA）和特）和特 大型（大型（90000KVA90000KVA以上）。以上）。 Guilin University of Technology . Spring 2011 变压器 干式变压器干式变压器油浸式变压器油浸式变压器强迫油循环

12、电力变压器强迫油循环电力变压器 Guilin University of Technology . Spring 2011 变变 压压 器器 单相变压器单相变压器三相变压器三相变压器 Guilin University of Technology . Spring 2011 变变 压压 器器 有载调压变压器有载调压变压器 无载调压变压器无载调压变压器 Guilin University of Technology . Spring 2011 变变 压压 器器 三、变压器的三、变压器的 型号和额定值型号和额定值 1.变压器的型 号 变压器的型号 反映一台变压 器的耦合方式、 额定容量、电 压等级

13、、冷却 方式等内容。 Guilin University of Technology . Spring 2011 变变 压压 器器 2.2.额定值：额定值： 额定值是制造厂对变压器在指定工作条件下运行时所规定 的一些量值。额定值通常标注在变压器的铭牌上。变压器 的额定值主要有： （1 1）、额定容量）、额定容量S SN N 额定容量是指额定运行时的视在功率。以 VA、kVA或 MVA表示。由于变压器的效率很高，通常一、二次侧的额定 容量设计成相等。 （2）、）、额定电压额定电压U U1N 1N和 和U U2N 2N 正常运行时规定加在一次侧的端电压称为变压器一次侧 的额定电压U1N。二次侧的额

14、定电压U2N 是指变压器一次侧加 额定电压时二次侧的空载电压。额定电压以V或kV表示。对 三相变压器，额定电压是指线电压。 Guilin University of Technology . Spring 2011 变变 压压 器器 （3 3）、）、 额定电流额定电流I I1N 1N和 和I I2N 2N 根据额定容量和额定电压计算出的线电流，称为 额定电 流，以A表示。 对单相变压器 三相变压器： 额定频率 我国的标准工频规定为50赫(Hz)。 除额定值外，变压器的相数、绕组连接方式及联结组别、短 路电压、运行方式和冷却方式等均标注在铭牌上。额定状态 是电机的理想工作状态，具有优良的性能，可

15、长期工作。 N N N N N N U S I U S I 2 2 1 1 ; N N N N N N U S I U S I 2 2 1 1 3 ; 3 Guilin University of Technology . Spring 2011 变变 压压 器器 电力变压器电力变压器 产品型号产品型号 SL7SL7315/10 315/10 产品编号产品编号 额定容量额定容量 315kVA 315kVA 使用条件使用条件 户外式户外式 额定电压额定电压 10000/400V 10000/400V 冷却条件冷却条件 ONANONAN 额定电流额定电流 18.2/454.7A 18.2/454.

16、7A 短路电压短路电压 4%4% 额定频率额定频率 50 Hz 50 Hz 器身吊重器身吊重 765kg765kg 相相 数数 三相三相 油油 重重 380kg380kg 联接组别联接组别 Y yno Y yno 总总 重重 1525kg1525kg 制制 造造 厂厂 生产日期生产日期 电力变压器铭牌示意图电力变压器铭牌示意图 Guilin University of Technology . Spring 2011 变变 压压 器器 第二节 单相变压器的空载运行 空载运行：空载运行：是指变压器原绕组接到额定电压、额定频率的电是指变压器原绕组接到额定电压、额定频率的电 源上，副绕组开路时的运行

17、状态。源上，副绕组开路时的运行状态。 一、一、空载运行时的电磁关系空载运行时的电磁关系 Guilin University of Technology . Spring 2011 变变 压压 器器 磁路：主磁通所经过的闭合路径。磁路：主磁通所经过的闭合路径。 1 u 2 u i s 磁路的基本概念磁路的基本概念 线圈通入电流后，产线圈通入电流后，产 生磁通，分主磁通和漏生磁通，分主磁通和漏 磁通。磁通。 s ：主磁通主磁通 ：漏磁通漏磁通 铁心铁心 （导磁性能好（导磁性能好 的磁性材料）的磁性材料） 线圈线圈 Guilin University of Technology . Spring 2

18、011 变变 压压 器器 接上接上交流电源交流电源 1 u 原边电流原边电流 i1等等 于励于励 磁电流磁电流 i10 t Ne t Ne d d d d 2211 产生感应电动势产生感应电动势 i10 产生磁通产生磁通 （交变）（交变） （ 方向符合右手定则）方向符合右手定则）、e 1 u 2 e 1 i 1 e 1 N 2 N Guilin University of Technology . Spring 2011 变变 压压 器器 一次侧接交流电源，二一次侧接交流电源，二 次侧开路。次侧开路。 1 u d d 11 t Ne i0 ( i0N1) 1 d d 0 11 t i Le t

19、 Ne d d 22 0 i 0 2 i 1 u + 20 u + 2 e + 1 e+ 1 N 2 N 1 e + 空载时，空载时， 铁心中主铁心中主 磁通磁通 是是 由一次绕由一次绕 组磁通势组磁通势 产生的。产生的。 Guilin University of Technology . Spring 2011 变变 压压 器器 2.正方向的规定：正方向的规定： 从理论上讲，正方向可以任意选择，因各物理从理论上讲，正方向可以任意选择，因各物理 量的变化规律是一定的，并不依正方向的选择不同量的变化规律是一定的，并不依正方向的选择不同 而改变。但正方向规定不同，列出的电磁方程式和而改变。但正方向

20、规定不同，列出的电磁方程式和 绘制的相量图也不同。绘制的相量图也不同。在电机方向的学科中通常按在电机方向的学科中通常按 习惯方式规定正方向，称为惯例。习惯方式规定正方向，称为惯例。具体原则如下：具体原则如下： 1）在负载支路，电流的正方向与电压降的正方在负载支路，电流的正方向与电压降的正方 向一致，而在电源支路，电流的正方向与电动势的向一致，而在电源支路，电流的正方向与电动势的 正方向一致。正方向一致。 2 2）磁通的正方向与产生它的电流的正方向符合右）磁通的正方向与产生它的电流的正方向符合右 手螺旋定则；手螺旋定则； Guilin University of Technology . Spr

21、ing 2011 变变 压压 器器 3）感应电动势的正方向与产生它的磁通的正方向感应电动势的正方向与产生它的磁通的正方向 符合右手螺旋定则符合右手螺旋定则 电压电压u u1 1, ,u u2 2的正方向表示电位降低，电动势的正方向表示电位降低，电动势e e1 1,e,e2 2的的 正方向表示电位升高。在原方，正方向表示电位升高。在原方，u u1 1由首端指向末端，由首端指向末端， I I1 1从首端流入。当从首端流入。当u u1 1与与I I1 1同时为正或同时为负时，同时为正或同时为负时， 表示电功率从原方输入，称为电动机惯例。在副方，表示电功率从原方输入，称为电动机惯例。在副方， u u2

22、 2和和I I2 2的正方向是由的正方向是由e e2 2的正方向决定的，即的正方向决定的，即I I2 2沿沿e e2 2 的正方向流出。当的正方向流出。当u u2 2和和I I2 2同时为正或同时为负时，同时为正或同时为负时， 电功率从副方输出，称为发电机惯例。电功率从副方输出，称为发电机惯例。 Guilin University of Technology . Spring 2011 变变 压压 器器 3. 电动势与磁通的关系 1m1 44.4NfE 2 2 2 11 1 mm fNE E 有效值有效值: 同同 理：理： )90t(sin m22 Ee 2m2 44. 4NfE Guilin

23、 University of Technology . Spring 2011 变变 压压 器器 4.4.电动势平衡方程式：电动势平衡方程式： 根据对正方向的规定，可以得到空载时电根据对正方向的规定，可以得到空载时电 动势平衡方程式：动势平衡方程式： 将漏感电动势写成压降的形式将漏感电动势写成压降的形式 ： 1 0111 R IEE U 0 1 0 1 1IIE jxLj Guilin University of Technology . Spring 2011 变变 压压 器器 式中式中 Z1=R1+ jx1原绕组的漏阻抗。原绕组的漏阻抗。 对于电力变压器，空载时原绕组的漏阻抗压降对于电力变

24、压器，空载时原绕组的漏阻抗压降I0Z1 很小，其数值不超过很小，其数值不超过U1的的0.2%，将，将I0Z1忽略，则上忽略，则上 式变成：式变成： 在副方，由于电流为零，则副方的感应电动势等于在副方，由于电流为零，则副方的感应电动势等于 副方的空载电压，即：副方的空载电压，即： 10111 1001 ZIxjREEIIU 11 EU 2 20EU Guilin University of Technology . Spring 2011 变变 压压 器器 5.变压器的变比：变压器的变比： 在变压器中，原、副绕组的感应电动势在变压器中，原、副绕组的感应电动势E1和和E2 之比称为变压器的变比，用

25、之比称为变压器的变比，用k 表示，即：表示，即： 上式表明，变压器的变比等于原、副绕组的匝数比。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，由于当变压器空载运行时，由于U1E1 ，U20E2，故，故 可近似地用空载运行时原、副方的电压比来作为变可近似地用空载运行时原、副方的电压比来作为变 压器的变比，即压器的变比，即 2 1 2 1 2 1 44.4 44.4 N N fN fN k m m E E N N O U U U U k 2 1 2 1 Guilin University of Technology . Spring 2011 变变 压压 器器 对于三相变压器

26、，变比是指原、副方相 电动势之 比，也就是额定相电压之比。 6. 6. 空载损耗空载损耗 空载损耗包含铜损和铁损，由于I0和r0都比较小， 所以空载时铜损忽略不计，主要为铁损，空载损耗 约占额定容量的0.21。 Guilin University of Technology . Spring 2011 变变 压压 器器 二、空载电流：二、空载电流： 变压器空载运行时原绕组中的电流I 0主要用来产 生磁场，又称为励磁电流，所以对于这个电流我们 要重点看一下： 1）当不考虑铁心损耗时，励磁电流是纯磁化电流， 用 来表示。由于磁路有饱和现象，磁化电流 与产生它的磁通之间的关系是非线性的。当磁通 按正

27、弦规律变化时，励磁电流为尖顶波，根据谐 波 分析方法，尖顶波可分解为基波和3、5、 i Guilin University of Technology . Spring 2011 变变 压压 器器 7次谐波。除基波外，三次谐波分量最大。这就是说，由 于铁磁材料磁化曲线的非线性关系，要在变压器中建立正 弦波磁通，励磁电流必须包含三次谐波分量。 为了在相量图中表示励磁电流，可以用等效正弦波电流 来代替非正弦波励磁电流，其有效值为 当考虑铁心损耗时，励磁电流 0中还必须包含铁耗分量， 即 III I 2 5 2 3 2 1 Guilin University of Technology . Spri

28、ng 2011 变变 压压 器器 空载电流波形 Guilin University of Technology . Spring 2011 变变 压压 器器 三、空载时的等效电路和向量图 10111 1001 ZIxjREEIIU Guilin University of Technology . Spring 2011 变变 压压 器器 而变压器空载时从原方看进去的等效阻抗而变压器空载时从原方看进去的等效阻抗Z Z0 0为为 式中式中 ： 称为变压器的激磁阻抗。称为变压器的激磁阻抗。 Guilin University of Technology . Spring 2011 变变 压压 器器 Rm励磁电阻励磁电阻,它是反映变压器铁耗大小的等效电阻，不它是反映变压器铁耗大小的等