第11讲 变压器工作原理及空载运行

1、 1、变压器的基本原理和结构、变压器的基本原理和结构 2、变压器的空载运行、变压器的空载运行第第10讲讲 变压器工作原理及空变压器工作原理及空载运行载运行 变压器是一种静止的电机变压器是一种静止的电机( (电磁装置电磁装置) )，它利用电磁，它利用电磁感应原理将一种电压、电流的交流电转换成同频率的另感应原理将一种电压、电流的交流电转换成同频率的另一种或两种以上电压、电流的交流电。换句话说，变压一种或两种以上电压、电流的交流电。换句话说，变压器就是一种实现电能在不同等级之间进行转换的装置。器就是一种实现电能在不同等级之间进行转换的装置。1、变压器一般只用于交流电路，它的作用是传递电能，、变压器一

2、般只用于交流电路，它的作用是传递电能，而不能产生电能。它只能改变交流电压、电流的大小，而不能产生电能。它只能改变交流电压、电流的大小，而不能改变频率的大小。而不能改变频率的大小。 2、控制系统中作整流、控制设备等。、控制系统中作整流、控制设备等。MM3M6KV0.38KV发电机发电机发电机发电机10KV110KV35KV10KV220KV其他负载其他负载其他负载其他负载照明照明电动机电动机负载负载三绕组三绕组电力变压器电力变压器双绕组双绕组电力变压器电力变压器连接系统的连接系统的另一部分另一部分二、变压器分类二、变压器分类1 1、按、按用途用途分类：分类： 电力变压器：电力变压器：主要用在输配

3、电系统中，分为升压变压器、主要用在输配电系统中，分为升压变压器、降压变压器、联络变压器和厂用变压器；降压变压器、联络变压器和厂用变压器； 仪用互感器：仪用互感器：电压互感器和电流互感器；电压互感器和电流互感器； 特种变压器：特种变压器：调压变压器、试验变压器、电炉变压器、整调压变压器、试验变压器、电炉变压器、整流变压器、电焊变压器等。流变压器、电焊变压器等。2 2、按、按绕组数目绕组数目分类分类: : 双绕组变压器、三绕组变压器、多绕组变压器和自耦变压器。双绕组变压器、三绕组变压器、多绕组变压器和自耦变压器。3 3、按冷却介质和冷却方式分类、按冷却介质和冷却方式分类: : 干式干式变压器、油浸

4、变压器（包括油浸自冷、风冷、强迫油循变压器、油浸变压器（包括油浸自冷、风冷、强迫油循环等方式）、充气式冷却变压器。环等方式）、充气式冷却变压器。一、变压器分类一、变压器分类电源电源AXxa铁心铁心一一次次绕绕组组二二次次绕绕组组电源变压器电源变压器电力变压器电力变压器环形变压器环形变压器接触变压器接触变压器控制变压器控制变压器三相干式变压器三相干式变压器三、变压器的基本结构三、变压器的基本结构1一信号式温度计；一信号式温度计；2一吸湿器；一吸湿器；3一储油柜；一储油柜；4一油标；一油标；5一安全气道；一安全气道；6一气体继电器；一气体继电器；7一高压套管；一高压套管；8一低压套管；一低压套管；

5、9一分接开关；一分接开关；10一油箱；一油箱；11铁心；铁心；12线圈；线圈；13放油阀门放油阀门14铭牌铭牌15小车小车16接地板接地板 三相油浸式电力变压器外形图三相油浸式电力变压器外形图15151 14 41 16 6 变压器中最主要的部件，他们构成了变压器的器身。变压器中最主要的部件，他们构成了变压器的器身。1）铁心：）铁心：构成了变压器的磁路，同时又是套装绕组的骨架。构成了变压器的磁路，同时又是套装绕组的骨架。 铁心由铁心柱和铁轭两部分构成。铁心柱上套绕组，铁轭将铁心柱铁心由铁心柱和铁轭两部分构成。铁心柱上套绕组，铁轭将铁心柱连接起来形成闭合磁路。连接起来形成闭合磁路。 铁心材料铁心

6、材料：为了提高磁路的导磁性能，减少铁心中的磁滞、涡流损耗，为了提高磁路的导磁性能，减少铁心中的磁滞、涡流损耗，铁心一般用高磁导率的磁性材料铁心一般用高磁导率的磁性材料硅钢片叠成。硅钢片有热轧和硅钢片叠成。硅钢片有热轧和冷轧两种，其厚度为冷轧两种，其厚度为0.350.5mm，两面涂以厚，两面涂以厚0.020.23mm的绝缘的绝缘漆，使片与片之间绝缘。漆，使片与片之间绝缘。 铁心结构铁心结构:变压器铁心的结构有心式结构和壳式结构。变压器铁心的结构有心式结构和壳式结构。 铁心叠片形式铁心叠片形式:变压器的铁心一般将硅钢片裁成条状，为了减少气隙变压器的铁心一般将硅钢片裁成条状，为了减少气隙 和磁阻，一

7、般采用交错式叠法，使相邻层的接缝错开。和磁阻，一般采用交错式叠法，使相邻层的接缝错开。 三、变压器的基本结构三、变压器的基本结构三铁心柱式变压器的铁心与绕组三铁心柱式变压器的铁心与绕组铁心柱铁心柱三、变压器的基本结构三、变压器的基本结构铁轭铁轭低压绕组低压绕组高压绕组高压绕组铁心叠片铁心叠片a)a)单相叠装式单相叠装式b)b)三相直缝叠装式三相直缝叠装式三、变压器的基本结构三、变压器的基本结构 2 2）绕组：）绕组：绕组是变压器的电气部分，一般用绝缘铜或铝绕组是变压器的电气部分，一般用绝缘铜或铝导线绕制而成。绕组的作用是作为电气的载体，导线绕制而成。绕组的作用是作为电气的载体，产生磁通产生磁通

8、和感应电动势和感应电动势。 一次绕组（原绕组）：接电源侧，输入电能。一次绕组（原绕组）：接电源侧，输入电能。 二次绕组（副绕组）：接负载侧，输出电能。二次绕组（副绕组）：接负载侧，输出电能。 高压绕组：高压绕组：接高压电网接高压电网 低压绕组：低压绕组：接低压电网接低压电网 从高、低压绕组的相对位置来看，变压器的绕组又可从高、低压绕组的相对位置来看，变压器的绕组又可分为分为同心式、交叠式。同心式、交叠式。 同心式绕组：同心式绕组：将高、低压绕组套在铁心柱上，通常低压绕将高、低压绕组套在铁心柱上，通常低压绕组靠近铁心，高压绕组套装在低压绕组外面。组靠近铁心，高压绕组套装在低压绕组外面。 交叠式绕

9、组：交叠式绕组：将高低压绕组分成若干线饼，沿着铁心柱的将高低压绕组分成若干线饼，沿着铁心柱的高度方向交替排列。高度方向交替排列。三、变压器的基本结构三、变压器的基本结构 1 1铁心铁心 2 2铁轭铁轭 3 3高压绕组高压绕组 4 4低压绕组低压绕组 图图4-5 同心式绕组同心式绕组三、变压器的基本结构三、变压器的基本结构：安放器身，绝缘、散热；安放器身，绝缘、散热；2 2、减少油与空气的接触；减少油与空气的接触；绝缘和冷却。绝缘和冷却。保证绕组引线与油箱之间的绝缘，电保证绕组引线与油箱之间的绝缘，电压越高，绝缘套管级数越多。压越高，绝缘套管级数越多。三、变压器的基本结构三、变压器的基本结构由字

10、母和数字组成。表示一台变压器的结构、额由字母和数字组成。表示一台变压器的结构、额定容量、电压等级等内容。定容量、电压等级等内容。 表示方法为：表示方法为：例如：例如：SL-800/10 S 三相；三相；L 铝线；铝线；800 额定容量额定容量800kV.A； 10 高压边额定电压为高压边额定电压为10kV/ /相数冷却方式绕组导线材质额定容量高压侧额定电压等级额定电压额定电压U1NU2N ：U1N变压器额定运行状态下，根据绝缘变压器额定运行状态下，根据绝缘等级和允许温升所规定的一次绕组线电压值；等级和允许温升所规定的一次绕组线电压值；U2N是指变压是指变压器空载时，二次绕组的电压值。对三相变压

11、器指的是线电压，器空载时，二次绕组的电压值。对三相变压器指的是线电压，单位是单位是V和和kV。额定电流额定电流I1NI2N：指在额定容量下，允许长期通过的电流。指在额定容量下，允许长期通过的电流。 在三相变压器中指的是线电流。在三相变压器中指的是线电流。额定容量额定容量SN：指在额定使用条件下所能输出的视在功率。指在额定使用条件下所能输出的视在功率。 额定频率额定频率f：我国规定标准工业用交流电的额定频率为我国规定标准工业用交流电的额定频率为50Hz。此外，额定值还有效率、温升等。此外，额定值还有效率、温升等。三者关系三者关系：1122112233NNNNNNNNNNSU IU ISU IU

12、I单相：单相：三相：三相：如图为单相双绕组变压器原理图如图为单相双绕组变压器原理图:与电源相连的绕组为初级绕组或原绕组，匝数为与电源相连的绕组为初级绕组或原绕组，匝数为N1；与负载相连的绕组为次级绕组或副绕组，匝数为与负载相连的绕组为次级绕组或副绕组，匝数为N2。2U按发电机惯例，发出电功率；按发电机惯例，发出电功率；2I和和5、均由同名端流入。均由同名端流入。1I2I和和6、4、 和和 符合右手螺旋定则；符合右手螺旋定则；2Im 1、 和和 按电动机惯例，吸收电功率；按电动机惯例，吸收电功率；1I1U1E2Em3、 、 和和 符合右手螺旋定则；符合右手螺旋定则；2、 和和 符合右手螺旋定则；

13、符合右手螺旋定则；m1I1212;ddeNeNdtdt 一次绕组加一次绕组加U1I1 （交变磁通）（交变磁通）e1 e2 六、变压器的空载运行六、变压器的空载运行空载运行：空载运行：变压器一次绕组接额定电压，二次绕组开路时变压器一次绕组接额定电压，二次绕组开路时的运行状态，叫空载运行。空载运行时，通过一次绕组的的运行状态，叫空载运行。空载运行时，通过一次绕组的电流叫空载电流电流叫空载电流i0，也叫励磁电流。，也叫励磁电流。六、变压器的空载运行六、变压器的空载运行 当变压器的一次绕组加上交流电压当变压器的一次绕组加上交流电压u1时，一次绕组内便时，一次绕组内便有一个交变电流有一个交变电流 i0（

14、即空载电流）流过，并建立交变磁场。（即空载电流）流过，并建立交变磁场。空载电流空载电流i0乘以一次绕组匝数乘以一次绕组匝数N1为为空载磁动势空载磁动势，也称励磁，也称励磁磁动势，用磁动势，用f0表示，表示，f0=N1i0。从而产生主磁通。从而产生主磁通 和一二次和一二次绕组的漏磁通绕组的漏磁通 。 根据电磁感应原理，分别在一、二次绕组产生电动势根据电磁感应原理，分别在一、二次绕组产生电动势e1、es1和和e2。m s1s2, 主磁通流径闭合铁心，磁阻小，同时匝链了原边主磁通流径闭合铁心，磁阻小，同时匝链了原边和副边绕组和副边绕组, ,并感应出电势并感应出电势 与与 和和 。是变压器传。是变压器

15、传递能量的主要媒介；递能量的主要媒介； 原边绕组漏磁通，仅与原边绕组匝链，通过变压原边绕组漏磁通，仅与原边绕组匝链，通过变压器油或空气形成闭路，磁阻大，不传递功率器油或空气形成闭路，磁阻大，不传递功率。1s 1、主磁通和漏磁、主磁通和漏磁通通 变压器铁心由高导磁材料硅钢片制成（导磁系数变压器铁心由高导磁材料硅钢片制成（导磁系数r2000)，大部分磁通都在铁心中流动，大部分磁通都在铁心中流动，主磁通主磁通约占总磁通约占总磁通的的99强强，漏磁通漏磁通占总磁通的占总磁通的0.10.2%。写成瞬时值为：写成瞬时值为： 1E2E1sE六、变压器的空载运行六、变压器的空载运行1ms1sinsins 主磁

16、能与漏磁通的区别主磁能与漏磁通的区别：在性质上在性质上磁路不同，因而磁阻不同。磁路不同，因而磁阻不同。同时交链一、二次绕组，路径为沿铁芯而闭合的磁同时交链一、二次绕组，路径为沿铁芯而闭合的磁路，磁阻较小，具有饱和特性，路，磁阻较小，具有饱和特性，与与 i0 呈非线性关系。呈非线性关系。s1只交链一次绕组，它所经的路径大部分为非磁性物只交链一次绕组，它所经的路径大部分为非磁性物质，磁阻较大，质，磁阻较大， 1s 与与 i0 呈线性关系，不具饱和特性。呈线性关系，不具饱和特性。在作用上在作用上功能不同功能不同。主磁通通过互感作用传递功率，主磁通通过互感作用传递功率，漏磁通不传递功率，仅起漏抗压降的

17、作用。漏磁通不传递功率，仅起漏抗压降的作用。在数量上在数量上 99% 总磁通，总磁通， s1 1%总磁通总磁通六、变压器的空载运行六、变压器的空载运行（2）主磁通感应电动势）主磁通感应电动势1111122cossin()sin()mmmdeNNtdtNtEt 2222msin()deNEtdt 111124 442221mmmmjjj .ENfENfN 22214 44222mmmjj .EENfN 设主磁通瞬时值：设主磁通瞬时值：主磁通在一、主磁通在一、二次绕组感应二次绕组感应电动势的瞬时值：电动势的瞬时值：用相量形式用相量形式表示电动势表示电动势有效值：有效值：msin t六、变压器的空载

18、运行六、变压器的空载运行（3）漏磁通感应电动势）漏磁通感应电动势1122s1s1s1ms1sin()sin()deNNtEtdt 112s1s10s1NLIXL 11124 44222ms1s1s1s1s1jjj .ENfENfN 1122s1s10s1s1000jjjENIEL IX II 一次绕组漏磁通感应电动势的瞬时值：一次绕组漏磁通感应电动势的瞬时值：用相量形式表示电动势有效值：用相量形式表示电动势有效值：从而改写为：从而改写为： 称为一次绕组漏自感称为一次绕组漏自感 称为一次绕组漏电抗称为一次绕组漏电抗六、变压器的空载运行六、变压器的空载运行2110111222s1s1s100()N

19、NI NXNII s1一次绕组漏电抗还可以改写为：一次绕组漏电抗还可以改写为： 为漏磁路的磁导。为漏磁路的磁导。 为了提高变压器的运行性能，在设计时希望漏电抗数为了提高变压器的运行性能，在设计时希望漏电抗数值较小。从漏电抗公式可以看出，漏电抗与角频率、匝数值较小。从漏电抗公式可以看出，漏电抗与角频率、匝数和漏磁路磁导有关。由于角频率和匝数为定值，因此只有和漏磁路磁导有关。由于角频率和匝数为定值，因此只有减小漏磁导，它与磁路的材料、一二次绕组的相对位置以减小漏磁导，它与磁路的材料、一二次绕组的相对位置以及磁路的几何尺寸有关。从而综合考虑和设计就可以较小及磁路的几何尺寸有关。从而综合考虑和设计就可

20、以较小漏电抗，且为常数。漏电抗，且为常数。六、变压器的空载运行六、变压器的空载运行（4）空载运行电压方程式）空载运行电压方程式1110101101s10jUEEI REI RI XEI Z 202UE11UE 1114 44m.UEfN根据基尔霍夫电压定律，变压器空载时一次绕组回路电压根据基尔霍夫电压定律，变压器空载时一次绕组回路电压方程为：方程为：空载时，二次绕组开路电压为：空载时，二次绕组开路电压为：变压器一次绕组加额定电压运行时，空载电流很小，漏阻变压器一次绕组加额定电压运行时，空载电流很小，漏阻抗也很小，所以一次绕组的电压可以近似为：抗也很小，所以一次绕组的电压可以近似为：其幅值为：其

21、幅值为：可见，当频率和匝数一定时，主磁通的大小几乎决定于所可见，当频率和匝数一定时，主磁通的大小几乎决定于所加电压的大小。加电压的大小。六、变压器的空载运行六、变压器的空载运行1112224 444 44mm.EfNNkEfNN11220EUkEU变压器变比：变压器变比：用一次侧电动势和二次侧电动势之比来表用一次侧电动势和二次侧电动势之比来表示：示：可见，变压器变比也等于一、二侧匝数之比，所以也可以可见，变压器变比也等于一、二侧匝数之比，所以也可以表示为：表示为：因此，只要一二次侧匝数不相等，变比就不相等，当因此，只要一二次侧匝数不相等，变比就不相等，当k1时时降压变压器；降压变压器；k1为升

22、压变压器。为升压变压器。六、变压器的空载运行六、变压器的空载运行6、励磁电流、励磁电流变压器空载运行时，一次绕组中变压器空载运行时，一次绕组中的空载电流的空载电流 由两部分组成：由两部分组成： 励磁分量，与励磁分量，与m同相位，滞后同相位，滞后 900，属于无功分量；，属于无功分量； 有功分量，产生铁心损耗，超前有功分量，产生铁心损耗，超前 同相位。同相位。因此：因此： I0=（0.020.1）%I1N0IIoror1EI0a0a1E000IIIr ra a变压器空载运行时励磁电流、主变压器空载运行时励磁电流、主磁通以及感应电动势磁通以及感应电动势六、变压器的空载运行六、变压器的空载运行由于铁

23、磁材料的非线性，电源电压正弦波由于铁磁材料的非线性，电源电压正弦波感应电动势正感应电动势正弦波弦波磁通正弦波磁通正弦波励磁电流尖顶波励磁电流尖顶波。磁滞损耗：磁滞损耗：铁磁材料的磁滞现象会引起损耗；铁磁材料的磁滞现象会引起损耗；涡流损耗：涡流损耗：交变的磁通在铁心中产生涡流，引起涡流损耗交变的磁通在铁心中产生涡流，引起涡流损耗空载损耗空载损耗20010FeFeCu1FeCu1FeCu1FeCu1FeFeFepI Rppppppp六、变压器的空载运行六、变压器的空载运行7、空载运行相量图、空载运行相量图以以 为参考相量，空载电流为参考相量，空载电流与与 相位角为空载功率因数相位角为空载功率因数角，并且角，并且 ，由于，由于 因此，变压器空载运行时的功率因此，变压器空载运行时的功率因数很低，即变压器从电源吸收很大因数很低，即变压器从电源吸收很大的滞后性无功功率。的滞后性无功功率。励磁电流励磁电流 领先领先 的角的角 称为铁损角。称为铁损角。0I1U090 0cos0.1 0.2六、变压器的空载运行六、变压