电机与拖动基础4章..

1、第第4章章 变压器变压器一、用途 变压器是一种静止的电气设备，它利用电磁感应原理，将一种电压等级的交流电能变换成同频率的另一种交流电压等级的电能。二、工作原理 一次绕组（原边绕组）电源侧 二次绕组（副边绕组）负载侧 铁心磁路部分电压比或变比212211NNkdtdNedtdNe第第4章章 变压器变压器三、分类双绕组变压器；三绕组变压器多绕组变压器；自耦变压器电力变压器；特殊电源用变压器量测变压器；其他变压器单相变压器三相变压器心式变压器壳式变压器变压器的结构变压器的结构变压器的主要结构部件有：铁心和绕组两个基本部分组成的器身，以及放置器身且盛满变压器油的油箱。此外，还有一些为确保变压器运行安全

2、的辅助器件。图4.2为一台油浸式电力变压器外形图。1放油阀门 2绕组 3铁心 4油箱 5分接开关 6低压套管7高压套管 8气体继电器 9安全气道 10油表 11储油柜 12吸湿器 13湿度计 变压器的结构变压器的结构 (1) 铁心。构成变压器磁路的主要部分。为了减小交变磁通在铁心中引起的损耗，铁心通常用厚度为0.3 mm0.5mm、表面具有绝缘膜的硅钢片叠装而成，分为铁心柱和铁轭两部分。图4.3所示的变压器，从外面看，线圈包围铁心柱，称为心式结构；5.2 铁心柱式变压器 变压器的结构变压器的结构(2) 绕组。构成变压器电路的主要部分。原、副边绕组一般用铜或铝的绝缘导线缠绕在铁心柱上。高压绕组电

3、压高，为了绝缘方便，低压绕组紧靠着铁心，高压绕组则套装在低压绕组的外面。 只有绕组和铁心的变压器称为干式变压器。大容量变压器的器身放在盛有绝缘油的油箱中，这样的变压器称为油浸式变压器。变压器的额定数据变压器的额定数据 按照国家标准规定，标注在铭牌上的，代表变压器在规定使用环境和运行条件下的主要技术数据，称为变压器的额定值(或称为铭牌数据)，主要有： (1) 额定容量是变压器在正常运行时的视在功率，通常以SN来表示，单位为伏安(VA)或千伏安(kVA)。对于一般的变压器，原、副边的额定容量都设计成相等。 (2) 额定电压：在正常运行时，规定加在原边绕组上的电压，称为原边的额定电压，以U1N来表示

4、；当副边绕组开路(即空载)，原边绕组加额定电压时，副边绕组的测量电压，即为副边额定电压，以U2N来表示。在三相变压器中，额定电压系指线电压，单位为伏(V)或千伏(kV)。 变压器的额定数据变压器的额定数据 (3) 额定电流：是指根据额定容量和额定电压计算出来的电流值。原、副边的额定电流分别用I1N、I2N来表示，单位为安(A)。额定容量、额定电压和额定电流之间的关系为 单相变压器： SN = U1NI1N = U2NI2N ； 三相变压器： SN = 3U1NI1N = 3 U2NI2N (4) 额定频率：我国以及大多数国家都规定fN=50Hz。 此外，变压器的铭牌上还一般会标注效率、温升、绝

5、缘等级等。变压器的空载运行变压器的空载运行一、空载运行时的电磁状况、各量正方向规定(1) 一次侧相当于用电器。i0正方向与产生它的电压方向一致。 (2)磁通正方向与产生它们的电流符合右手螺旋定则。(3)电动势正方向与产生它们的磁通符合右手螺旋定则，即e1与i0的正方向一致。(4)二次侧相当于电源。变压器的空载运行变压器的空载运行10111rieeu22020euidtdNedtdNe2211变压器的空载运行变压器的空载运行1110111eurieeukNNEE2121tmsin假定(1)磁通 90sincos1111tEtNdtdNemm(2)电动势 mmNfEE111144. 42mNfjE

6、11144. 490sin22tEemmNfE21244. 4mNfjE21244. 4kNNEEUU2121201铁磁材料的磁化特性铁磁材料的磁化特性 铁磁材料（铁、镍、钴等）的比0大几千到几万倍。不是一个常数，用B-H曲线描述。 B-H曲线的特点：1.具有磁滞特性2.具有饱和性空载（励磁）电流空载（励磁）电流1 饱和对励磁电流的影响磁化电流磁化电流I，I与同相位。I滞后于-E1 90，I具有具有无功电流性质，它是激磁无功电流性质，它是激磁电流的主要成分。电流的主要成分。空载（励磁）电流空载（励磁）电流2 磁滞对励磁电流的影响磁化电流磁化电流不对称尖顶波。Ih磁滞电流磁滞电流分量分量，Ih与

7、-E1同相位，是有功分量电流。空载（励磁）电流空载（励磁）电流 交变磁通在铁芯中感应电势，在铁芯中产生涡流及涡流损耗。涡流电流分量涡流电流分量Ie由涡流引起的，与涡流损耗对应，Ie与-E1同相位。 由于磁路饱和、磁滞和涡流三者同时存在，激磁电流实际包含I、Ih和Ie三个分量；又由于Ih和Ie同相位，合并称为铁耗电流分量铁耗电流分量，用IFe表示。变压器的空载运行变压器的空载运行1011110111rIEEUrieeu10101xI jLI jE90sincos1111tEtNem电动势平衡方程式 2111mNjE01112INLm漏电感系数一次侧漏阻抗1101101011ZZIExI jrIE

8、U222001mmmmFemmmmrZxrIpZIEjxrZ励磁阻抗1001ZIZIUm变压器的空载运行变压器的空载运行101101011ZIExI jrIEUmmmmZIEjxrZ01变压器的负载运行变压器的负载运行一、负载运行时的电磁状况 (1)负载运行时，主磁路上存在两个磁动势，合成磁动势产生磁通。变压器的负载运行变压器的负载运行二、基本方程式 (1) 磁动势平衡方程式11EU只要原边绕组所加电压U1不变，就可以认为变压器由空载到负载时E1保持不变。mNfjE11144. 4这就是变压器恒磁通原理。即无论变压器工作在空载状态还是负载状态，其主磁通近似保持不变。因此负载与空载时，产生主磁通

9、的总磁动势应该相同。012211INININ220111INININ将一次侧电功率传给二次侧产生主磁通变压器的负载运行变压器的负载运行(2) 电动势平衡方程式222222111111xI jrIEUxI jrIEU三、折算kIIININNN22222212折算为电压比为1的变压器保证二次侧磁动势、功率关系不变kEENNZIUEZIINININZIEUZIEULm2121221022011122221111(1) 二次侧电流(2)二次侧电动势、电压2222212kEEkUUkEEE(3)二次侧电阻、电抗及阻抗222222222222222222xkxxIxIrkrrIrI无功功率铜耗变压器的负载

10、运行变压器的负载运行四、等效电路及相量图21221020122221111EEZIUEZIIIIZIEUZIEULm变压器的负载运行变压器的负载运行短路阻抗短路电抗短路电阻kkkkkjxrZxxxrrr2121形等效电路简化等效电路变压器参数的试验测定变压器参数的试验测定l 励磁阻抗Zm与铁心的饱和程度有关，电压超过额定值越多，饱和程度越高，Zm越小。常用的励磁阻抗为对应于额定电压下所测的Zm。图4.18 空载试验接线图 空载试验等效电路图 一、空载试验一、空载试验 201120200120001010UUkxxxrZxrrrIprZZZIUZNmmmmmmN变压器参数的试验测定变压器参数的试

11、验测定短路试验中，短路电压很小，励磁电流很小。图4.19 短路试验接线图 二、短路试验二、短路试验 222kkkkkkkkkrZxIprIUZ227575755 .234755 .234kCkCkkCkxrZrr变压器参数的试验测定变压器参数的试验测定 短路试验中，把绕组电流达到额定值时，加在原边绕组两端的电压称为额定短路电压，UkN=I1NZk。一般用标幺值来表示。 标幺值是指某一物理量的实际值与所选基值之间的比值。 标幺值=实际值/基值。 基值一般选择为额定值。变压器参数的试验测定变压器参数的试验测定 额定短路电压，UkN=I1NZk75C。标幺值来表示为：*17511*kNCkNNKNk

12、NZUZIUUU额定短路电压的标幺值与短路阻抗的标幺值相等。从正常运行角度看，希望它小些，这样可使副边电压随负载波动小些；从限制短路电流角度，希望它大些,相应的短路电流就小些。变压器的运行特性变压器的运行特性当所带负载呈容性时当所带负载呈容性时外特性呈上翘的特性外特性呈上翘的特性。图4.20变压器在不同负载时的端电压调整率 一、外特性与电压调整率一、外特性与电压调整率 电压调整率（电压变化率）：电压调整率（电压变化率）：%100%100%22220220NNUUUUUUU电压调整率折算到一次侧：电压调整率折算到一次侧：%100%121NNUUUU变压器的运行特性变压器的运行特性0sincos0

13、sin0cos2*2*22kkxr外特性便会呈上翘的特性外特性便会呈上翘的特性。当所带负载呈容性时：当所带负载呈容性时：212121sincoskkNxIrIabUU%100sincos%100sincos%100sincos%100%2212112111121121121kkNkNNkNNNkNkNNxrUxIUrIIIUxIUrIUUUU变压器的运行特性变压器的运行特性%1001%100211CuFeCuFeCuFeppPppPppP二、变压器的效率与效率特性二、变压器的效率与效率特性%10012PP铁损耗：磁滞、涡流铁损耗：磁滞、涡流和附加铁损和附加铁损不变损耗：不随负载不变损耗：不随负

14、载变化变化铜损耗铜损耗可变损耗：随可变损耗：随负载变化负载变化011ppUUFeN时当kNCuCkNkNpprIp27521任意负载，额定电流，kCuCurIpIIrIrIp2121222121%100cos120220kNNkNppSpp变压器的运行特性变压器的运行特性kNmkNmppppdd0020%100cos120220kNNkNppSpp,0, 0, 02Pmax,m,三相变压器三相变压器三相组式变压器三相磁路彼此无关联一、一、三相变压器的磁路系统三相变压器的磁路系统三相心式变压器三相磁路彼此有关联三相变压器三相变压器二、二、三相变压器的电路系统三相变压器的电路系统绕组联结组绕组联结

15、组 1、变压器的端头标号、变压器的端头标号绕组绕组名称名称单相变压器三相变压器中性点首端首端末端末端首端首端末端末端高压高压绕组绕组U1U1U2U2U1U1、V1V1、W1W1U2U2、V2V2、W2W2N N低压低压绕组绕组u1u1u2u2u1u1、v1v1、w1w1u2u2、v2v2、w2w2n n中压中压绕组绕组U1U1m mU2U2m mU1U1m m、V1V1m m、W1W1m mU2U2m m、V2V2m m、W2W2m mN Nm m一、二侧电动势相位关系三相变压器三相变压器2、三相绕组的联结法三相绕组的联结法三相绕组的联结法三相绕组的联结法a)星形联结星形联结 b)三角三角形联

16、结形联结 三相变压器三相变压器3、单相变压器联结组、单相变压器联结组一、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。联结组I，I0联结组I，I612UUE12uuE与绕组绕制方向、首尾端标号有关三相变压器三相变压器4、三相变压器联结组、三相变压器联结组联结组Yy0与绕组绕制方向、首尾端标号及三相之间联结方法有关2)、Yy联结联结一、二侧线电动势相位关系三相变压器三相变压器2)、Yd联结联结联结组Yd11三相变压器三相变压器2)、Yd联结联结联结组Yd1自耦变压器自耦变压器0022112112122111NNNNNuUINI

17、NIIIININ，代入又有忽略励磁电流，有101122111INININNuU磁动势平衡方程：自耦变压器也有单相和多相之分，但与普通双绕组变压器的区别在自耦变压器也有单相和多相之分，但与普通双绕组变压器的区别在于：只有一个绕组，副边绕组是原边绕组的一部分，因此，原边、于：只有一个绕组，副边绕组是原边绕组的一部分，因此，原边、副边绕组之间不但有磁的耦合，还有电的联系。副边绕组之间不但有磁的耦合，还有电的联系。NNNNIIIIINNkIkI12122121211801相位差与根据变压器简化相量图自耦变压器的电压比NNNNNNNNNNIUIUIIUIUIUS1212211222211自耦变压器的额定

18、容量串联部分公共部分自耦变压器自耦变压器在自耦变压器的从原边传递到副边的能量中，一部分是由于电磁感应在自耦变压器的从原边传递到副边的能量中，一部分是由于电磁感应作用，一部分是由于直接传导作用。而对普通变压器而言，输出功率作用，一部分是由于直接传导作用。而对普通变压器而言，输出功率只有电磁功率。所以，在同样容量的前提下，自耦变压器所用材料要只有电磁功率。所以，在同样容量的前提下，自耦变压器所用材料要比普通变压器少、体积小、重量轻，效率也要高一些。从而可以降低比普通变压器少、体积小、重量轻，效率也要高一些。从而可以降低成本，提高经济效益。成本，提高经济效益。由于副边绕组为原边绕组的一部分，两绕组之

19、间存在着电的联系，低由于副边绕组为原边绕组的一部分，两绕组之间存在着电的联系，低压侧容易受到高压侧过电压的影响。压侧容易受到高压侧过电压的影响。所以绝缘和过电压保护要加强。所以绝缘和过电压保护要加强。NNNNNNNNNNIUIUIIUIUIUS1212211222211自耦变压器的额定容量电磁容量（电磁感应）传导容量（电路传导）仪用互感器仪用互感器仪用互感器是配电系统中供测量和保护用的设备，分为电流互感仪用互感器是配电系统中供测量和保护用的设备，分为电流互感器和电压互感器两类。器和电压互感器两类。一、电压互感器一、电压互感器 电压互感器工作原理、结构和接线方电压互感器工作原理、结构和接线方式都

20、与普通变压器相同。其接线图如图所式都与普通变压器相同。其接线图如图所示。示。 电压互感器原边绕组并接于被测量线电压互感器原边绕组并接于被测量线路。副边接有电压表，相当于一个副边开路。副边接有电压表，相当于一个副边开路的变压器。路的变压器。为安全起见，副边绕组必须有一点可靠接为安全起见，副边绕组必须有一点可靠接地，并且副边绕组绝对不能短路。地，并且副边绕组绝对不能短路。 仪用互感器仪用互感器二、电流互感器二、电流互感器 电流互感器，其原边绕组串接于被测线路中，副电流互感器，其原边绕组串接于被测线路中，副边绕组与测量仪表或继电器的电流线圈串连，副边绕组与测量仪表或继电器的电流线圈串连，副边绕组的电流按一定的变比