自动化元件_05变压器1

1、第三章第三章 变压器变压器v 用途、工作原理及结构用途、工作原理及结构v 变压器运行变压器运行v 三相变压器和特殊变压器三相变压器和特殊变压器一、变压器的用途一、变压器的用途 变压器是一种静止电机，利用电磁感应原变压器是一种静止电机，利用电磁感应原理，将一种电压等级的交流电能变换为理，将一种电压等级的交流电能变换为同频同频率率的另一种电压等级的交流电能。的另一种电压等级的交流电能。第一节第一节 用途、工作原理及结构用途、工作原理及结构二、变压器的工作原理二、变压器的工作原理 变压器的主要部件是变压器的主要部件是铁心铁心和套在铁心上的和套在铁心上的两个绕组两个绕组。如果在一次绕组中施加如果在一次

2、绕组中施加交变电压交变电压，在磁路中将产生交变，在磁路中将产生交变磁通磁通 ，该磁通交链一、二次绕组，分别在两绕组中产，该磁通交链一、二次绕组，分别在两绕组中产生感应电动势。生感应电动势。dtdNedtdNe2211 如果不计一、二次绕组的内阻以及铁耗，切不计漏如果不计一、二次绕组的内阻以及铁耗，切不计漏磁通，则耦合系数磁通，则耦合系数kc=1（理想变压器）。理想变压器）。根据电磁定律，根据电磁定律，可写出电动势平衡方程式：可写出电动势平衡方程式：1112221112221221dueNdtdueNdtUENUENUIUI 变压器变比，改变压器变比，改变匝数比即可改变匝数比即可改变电压。变电压

3、。kNN 21电炉变压器电炉变压器整流变压器整流变压器电焊变压器电焊变压器电压互感器电压互感器电流互感器电流互感器降压变压器降压变压器升压变压器升压变压器电力变压器电力变压器特殊变压器特殊变压器仪用互感器仪用互感器用途用途心式变压器心式变压器壳式变压器壳式变压器单相变压器单相变压器三相变压器三相变压器铁心结构铁心结构相数相数双绕组变压器双绕组变压器三绕组变压器三绕组变压器绕组数目绕组数目多绕组变压器多绕组变压器自耦变压器自耦变压器油浸式变压器油浸式变压器干式变压器干式变压器冷却方式冷却方式充气式变压器充气式变压器三、变压器的分类三、变压器的分类四、变压器的基本结构四、变压器的基本结构铁心铁心

4、变压器的主磁路，变压器的主磁路，为了提高磁路导磁性能和为了提高磁路导磁性能和减少铁耗，通常用减少铁耗，通常用0.350.35mm或或0.50.5mm厚、表面涂厚、表面涂有绝缘漆的硅钢片叠装而成。有绝缘漆的硅钢片叠装而成。 铁心分为铁心分为铁心柱铁心柱：铁心柱上套装有绕组。：铁心柱上套装有绕组。铁铁轭：轭：形成闭合磁路。形成闭合磁路。 铁心结构的基本形式分为：铁心结构的基本形式分为：心式心式和和壳式壳式两种。两种。单相心式变压器单相心式变压器心式：心式：铁轭靠着绕组的顶面和底面。而不包围绕组侧面，铁轭靠着绕组的顶面和底面。而不包围绕组侧面，结构简单，装配及绝缘容易，国产变压器大多采用心式结结构简

5、单，装配及绝缘容易，国产变压器大多采用心式结构。（电力变压器常采用的结构）构。（电力变压器常采用的结构） 单相壳式变压器单相壳式变压器壳式：壳式：铁轭包围绕组的顶面和底面，也包围侧面，这种结铁轭包围绕组的顶面和底面，也包围侧面，这种结构机械强度较好，但制造工艺复杂，用材料较多。构机械强度较好，但制造工艺复杂，用材料较多。其他结构部件其他结构部件 油浸式变压器还有油箱（包括散热器或冷却器）、油浸式变压器还有油箱（包括散热器或冷却器）、绝缘套管、储油柜、吸湿器、安全气道、净油器和气绝缘套管、储油柜、吸湿器、安全气道、净油器和气体继电器等。体继电器等。绕组绕组 变压器的电路部分，变压器的电路部分，一

6、般用漆包线或绝缘纸包的一般用漆包线或绝缘纸包的扁铜线绕制而成。可分为同心式和交叠式两类。扁铜线绕制而成。可分为同心式和交叠式两类。 同心式：高低压绕组同心的套在铁心柱上。为便同心式：高低压绕组同心的套在铁心柱上。为便于绝缘，一般低压绕组在里面高压绕组在外面。于绝缘，一般低压绕组在里面高压绕组在外面。 交叠式：高低压绕组互相交叠放置，为便于绝缘，交叠式：高低压绕组互相交叠放置，为便于绝缘，上下两组为低压。上下两组为低压。中等容量油浸式电力变压器的外形结构中等容量油浸式电力变压器的外形结构1 1铁心铁心2 2高压绕组高压绕组3 3低压绕组低压绕组4 4散热器散热器5 5油箱油箱6 6高压套管高压套

7、管7 7低压套管低压套管8 8变压器油变压器油 油浸式电力变压器油浸式电力变压器大容量电力变压器五五. . 变压器的额定值变压器的额定值额定容量额定容量SN：指变压器的视在功率。对三相变压器指三：指变压器的视在功率。对三相变压器指三相容量之和。以伏安（相容量之和。以伏安（VA）千伏安（）千伏安（kVA）单位。）单位。额定电压额定电压UN：一次侧额定端电压为一次侧额定电压，：一次侧额定端电压为一次侧额定电压，二次侧指一次侧加额定电压时二次侧的空载电压。三相变二次侧指一次侧加额定电压时二次侧的空载电压。三相变压器指的是线电压。以伏（压器指的是线电压。以伏（V）千伏（）千伏（kV）单位。）单位。额定

8、电流额定电流IN：以：以SN 和和UN计算出来的线电流值，即为额计算出来的线电流值，即为额定电流。定电流。NNNNNNNNNNIUIUS:IUIUS:2211221133三相单相 此外，额定值还有额定频率、效率、温升等。此外，额定值还有额定频率、效率、温升等。 额定值通常标注在铭牌上。额定值通常标注在铭牌上。一次侧接额定电压一次侧接额定电压U1N，二次侧开路的运行状，二次侧开路的运行状态称为空载运行（态称为空载运行（i2=0）。）。第二节第二节 变压器的空载运行变压器的空载运行N1N211u0i 1e1e2u02i2e一、空载运行物理状况一、空载运行物理状况v一次侧绕组中的电流一次侧绕组中的电

9、流 为空载电流（激磁电为空载电流（激磁电流），磁势流），磁势 为励磁磁势。为励磁磁势。 v主磁通主磁通 ：以铁心为磁路（主磁路），同时：以铁心为磁路（主磁路），同时与一次绕组与一次绕组 和二次侧绕组和二次侧绕组 交链，并在交链，并在两个绕组中产生电势两个绕组中产生电势 和和 ，是传递能量的是传递能量的主要媒介，属于工作磁通。主要媒介，属于工作磁通。 v漏磁通漏磁通 ：仅与一次绕组匝链，通过油或：仅与一次绕组匝链，通过油或空气形成闭路，属于非工作磁通。空气形成闭路，属于非工作磁通。 01 0FN i 1 0i1N2N1e2e二、变压器中各量正方向的规定二、变压器中各量正方向的规定 变压器的一次绕

10、组相当于用电电器，按用电变压器的一次绕组相当于用电电器，按用电惯例（发动机惯例）规定各量的正方向：惯例（发动机惯例）规定各量的正方向： i0的正方向与产生它的电源电压的正方向与产生它的电源电压u1正方向相同；正方向相同；i0产产生的磁通正方向生的磁通正方向和和1与与i0符合右手符合右手 螺旋定则；螺旋定则；e和和正方向也符合右手螺旋定则，即正方向也符合右手螺旋定则，即 e1与与i0同方向同方向: 一次绕组的电压方程式一次绕组的电压方程式:10111rieeu dtdNe 11dtdNe 22dtdNe111 变压器二次绕组对外相当于电源，按发电惯变压器二次绕组对外相当于电源，按发电惯例（发电机

11、惯例）规定各量的正方向：例（发电机惯例）规定各量的正方向： 与与 符合右手螺旋定则；符合右手螺旋定则； 正方向与正方向与 正方向一致；正方向一致； 输出电压输出电压 的正方向与的正方向与 相同。相同。 空载时空载时: 2202, 0eui 2e 2u2e2U2i三、磁通及感应电势三、磁通及感应电势（1）磁通）磁通（ ）假定磁通是正弦量）假定磁通是正弦量：（2）原绕组感应电势：）原绕组感应电势： tm sin )90sin(cos)sin(011111 tEtNdttdNdtdNemmm mmmNfNE 11112 幅值：幅值：mmNfEE 111144. 42/有效值：有效值：10111rie

12、eu （3）原绕组漏感电势：）原绕组漏感电势：由于漏磁通路径由非铁磁材料组成，导磁系数由于漏磁通路径由非铁磁材料组成，导磁系数恒定，所以漏磁链与电流成正比。恒定，所以漏磁链与电流成正比。 为原绕组漏感系数为原绕组漏感系数，简称漏感。，简称漏感。 )90sin(011 tEem mmmNfNE1111212 mmNfEE1111144. 42/ 有效值：有效值：幅值：幅值：01001111iLiiNNmmL 1L 假设假设则原绕组漏感电势可表示为则原绕组漏感电势可表示为 为原绕组漏电抗，简称漏抗，常数。为原绕组漏电抗，简称漏抗，常数。 00sinmiIt 011101sin(90 )sin(90

13、 )mmdideLwL ItdtdtEt 11010110102222mmEL ILIEL Ix I 有效值：有效值：11xL （4）副绕组感应电势）副绕组感应电势（5）向量表示：）向量表示： )90sin(022 tEem mmmNfNE 21222 mmNfEE 212244. 42/mNfjE 21244. 4mNfjE 11144. 4有效值：有效值：幅值：幅值：101xI jE 一次绕组和二次绕组感应电势之比：一次绕组和二次绕组感应电势之比：空载时，空载时， 和和 很小，很小， ， 。二。二次绕组无电流，次绕组无电流， ， ，因此有，因此有：一次绕组和二次绕组电压比等于匝数比一次绕组

14、和二次绕组电压比等于匝数比 。 111121224.444.44mmf NENkEf NN kNNEEUU 2121211 e10ri11eu 11EU 220eu 220EU k（6）变压器变比）变压器变比 三三. 电势平衡方程式电势平衡方程式 原绕组：原绕组：电压瞬时值方程写出相量形式：电压瞬时值方程写出相量形式： 为原绕组漏阻抗，为常数。为原绕组漏阻抗，为常数。 因因 、 和和 都很小，都很小， 分析中可忽略，因分析中可忽略，因而有：而有： 副绕组：副绕组： 10111rIEEU 101101011ZIErIxI jEU 111jxrZ 1r1x0I0I Z11114.44UEjf N

15、22UE 四四. .空载电流空载电流 空载电流空载电流I0由两个分量组成：一个是建立磁场由两个分量组成：一个是建立磁场的无功分量，称为的无功分量，称为磁化电流磁化电流I；一个是克服变压；一个是克服变压器损耗的有功分量，包括铁心铁耗（磁滞和涡流器损耗的有功分量，包括铁心铁耗（磁滞和涡流）和原绕组铜耗（一般可忽略），将这部分分量）和原绕组铜耗（一般可忽略），将这部分分量称为称为铁耗电流铁耗电流IFe。 由于空载电流的无功分量远大于有功分量，所以空载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电流主要是感性无功性质也称励磁电流也称励磁电流Im。 电力变压器空载电流只占额定电流

16、的电力变压器空载电流只占额定电流的（0.50.55 5）%，随着容量增大，空载电流相对越小。随着容量增大，空载电流相对越小。 空载电流中磁化电流一般比铁耗电流约大空载电流中磁化电流一般比铁耗电流约大1010倍。倍。 忽略铁心损耗时空载电流忽略铁心损耗时空载电流 空载电流空载电流i i0 0为建立铁芯主磁通的磁化电流为建立铁芯主磁通的磁化电流i ，由于反映铁芯材料磁化性能的是平均磁化曲线为由于反映铁芯材料磁化性能的是平均磁化曲线为非线性，在一定电压下非线性，在一定电压下, ,i大小取决于铁芯饱和大小取决于铁芯饱和程度，变压器实际工作时铁芯一般处于饱和状态程度，变压器实际工作时铁芯一般处于饱和状态

17、。 当磁通按正弦规律变当磁通按正弦规律变化时，励磁电流为尖化时，励磁电流为尖顶波。基波分量与磁顶波。基波分量与磁通同相位，无功电流通同相位，无功电流 考虑铁心损耗时空载电流考虑铁心损耗时空载电流 空载电流空载电流i0为不对称尖顶波，为不对称尖顶波，超前磁通超前磁通 为为 磁滞角磁滞角。分解可得包含与主磁通同相位的磁化。分解可得包含与主磁通同相位的磁化电流电流i ，以及比主磁通超前，以及比主磁通超前9090度的克服磁滞损耗度的克服磁滞损耗电流电流ic, ,若考虑涡流损耗，有若考虑涡流损耗，有 。因此：因此： wcFeiii Feuiii 0FeIII 0一般一般 ，将空载电流认为是磁化电流，将空

18、载电流认为是磁化电流00.01FeII 五五. 等效电路和向量图等效电路和向量图 对主磁通在原绕组的感应电势对主磁通在原绕组的感应电势 引入阻抗，引入阻抗，将将 的作用看作是电流流过阻抗的压降。的作用看作是电流流过阻抗的压降。 励磁阻抗励磁阻抗， 励磁电抗励磁电抗， 励磁电阻励磁电阻 100()mmmEI ZIrjx1100mEUZII1E1EmZmxmr02200FempprII 22mmmxZr 110100101()mmUEI ZI ZI ZIZZ 变压器空载等效电路变压器空载等效电路（1） 、 为一次绕组阻抗和漏电抗，与匝数和几为一次绕组阻抗和漏电抗，与匝数和几何尺寸有关，为常数。何尺

19、寸有关，为常数。（2） 与与 表征铁芯损耗和主磁路磁化性能，与表征铁芯损耗和主磁路磁化性能，与铁芯的发热和铁芯的发热和 饱和程度有关，随电压变化，为饱和程度有关，随电压变化，为计算引入的虚拟量。计算引入的虚拟量。（3）若电压不变，可认为）若电压不变，可认为 不变。不变。 1r1xmrmzmZ变压器空载向量图变压器空载向量图 1xmzmFerIp20 考虑铁耗（磁滞、涡流考虑铁耗（磁滞、涡流），激磁电流超前主），激磁电流超前主磁通一个磁滞角。磁通一个磁滞角。 101011rIxI jEU 202UE N1N2AXax11U1I 1E1E2E2U2ILZ22E 一次侧接在额定频率、额定电压的交流电

20、源上，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。二次接上负载的运行状态，称为负载运行。第三节第三节 变压器的负载运行变压器的负载运行 负载运行时，二次绕组有电流通过，将产生磁动势负载运行时，二次绕组有电流通过，将产生磁动势F2=I2N2，使主磁通，使主磁通发生变化，从而引起发生变化，从而引起E1、E2的变化。的变化。E1的变化又使一次绕组从空载电流的变化又使一次绕组从空载电流I0变化为负载电流变化为负载电流I1，产生磁动势产生磁动势F1=I1N1，它一方面建立主磁通，它一方面建立主磁通，另一方面，另一方面抵消抵消F2对主磁通的影响对主磁通的影响, ,主磁通

21、由合成磁动势产生。主磁通由合成磁动势产生。 一、一、负载运行时的物理状况负载运行时的物理状况二、二、负载运行时的负载运行时的基本方程基本方程磁动势平衡方程式磁动势平衡方程式 变压器负载运行时磁路上有两个磁动势变压器负载运行时磁路上有两个磁动势, ,将一次侧磁将一次侧磁动势分解为两部分，一部分用于产生主磁通，另一部分用动势分解为两部分，一部分用于产生主磁通，另一部分用于抵消二次侧产生的磁通，则有：于抵消二次侧产生的磁通，则有：011122()NINNII 一般认为：一般认为：当电源电压与频率不变时，由于一次绕组漏阻抗压降比较当电源电压与频率不变时，由于一次绕组漏阻抗压降比较小，即电势小，即电势

22、变化不大，可以不考虑主磁通变化不大，可以不考虑主磁通的变化，的变化，即即为常数，这样，负载运行励磁磁势为空载时的磁势。为常数，这样，负载运行励磁磁势为空载时的磁势。112210NININI 1E将磁动势方程用电流表示：将磁动势方程用电流表示：LIIkIIINNII102021201)()( 变压器负载后一次绕组电流有两个分量，一个是励变压器负载后一次绕组电流有两个分量，一个是励磁分量，用来产生负载时主磁通。另一个为负载分量，磁分量，用来产生负载时主磁通。另一个为负载分量，借助电磁耦合提供给负载。二次绕组电流改变必将引起借助电磁耦合提供给负载。二次绕组电流改变必将引起一次绕组电流变化。一次绕组电

23、流变化。 由于负载运行时励磁电流远比由于负载运行时励磁电流远比 小，因此忽略小，因此忽略I I0 0有：有：212211NIIINk 1I电动势平衡方程式电动势平衡方程式111 111111UEI rjI xEI Z 222 222222UEI rjI xEI Z 式中：式中： Z1、Z2 一、二次绕组的漏阻抗；一、二次绕组的漏阻抗； r1、r2 一、二次绕组的电阻；一、二次绕组的电阻； x1、x1 一、二次绕组的漏电抗。一、二次绕组的漏电抗。 由于由于 Z1、Z2较小，漏阻抗压降可以忽略，有：较小，漏阻抗压降可以忽略，有： 11UE 22UE 1122UEkUE 三、绕组折算三、绕组折算 变

24、压器负载运行方程式：变压器负载运行方程式：1111UEI Z 2222UEI Z 1021()IIIk 12/EEk 10mEI Z 22LUI Z 112ZZZZmLUk、120122IIIEEU、 、 、 绕组折算是指将变压器的二次（或一次）绕组的匝绕组折算是指将变压器的二次（或一次）绕组的匝数用另一个绕组的匝数来代替，同时对该绕组的电磁量数用另一个绕组的匝数来代替，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。作相应的变换，以保持两侧的电磁关系不变。 将二次绕组向一次绕组折算。即将二次绕组向一次绕组折算。即将变压器的一次绕将变压器的一次绕组匝数来代替二次绕组的匝数。组匝数来代替二次绕组的匝数。折算原则：折算原则：1 1）保持二保持二次侧磁动势不变；次侧磁动势不变；2 2）保持二次侧各种功率或损耗不变。）保持二次侧各种功率或损耗不变。 1R1X2R2X1E1ImImRmX2I2U2E1U 折算后一次侧和二次侧匝数相等：折算后一次侧和二次侧匝数相等：保持二次侧磁动势不变，即保持二次侧磁动势不变，即 N2I2= N2I2 可得可得21222EEkEUkU 22221N I