变压器基本原理衡变1011

1、变压器基本原理讲座周 腊 吾Tel: 6 2010.10.111主要内容 变压器的基本工作原理 单相变压器的空载运行 单相变压器的负载运行 变压器参数的试验测定 变压器的标么值 变压器的工作特性 三相变压器 变压器的并联运行 其它用途变压器2变压器定义及分类变压器是一种静止的电气设备， 根据电磁感应原理，将一种形态（电压、电流、相数）的交流电能， 转换成另一种形态的交流电能。 电力变压器（升压、降压、配电）特种变压器（电炉、整流）仪用互感器（电压、电流互感器、脉冲变压器，阻抗匹配变压器）实验用变压器（高压、调压）也可按线圈数目、铁心结构、相数或变压器冷却方式划分按用途31 变压器的基本工作原理

2、电源变压器电力变压器环形变压器接触调压器控制变压器三相干式变压器4简单的单相变压器：两个线圈没有电的直接联系， 只有磁的耦合原绕组（一次绕或初级绕组）：两个线圈中接交流电源的线圈， 其匝数为N1副绕组（二次绕组或次级绕组）： 接到用电设备上的线圈，其匝数为N2交变磁通同时与原、副绕组交链，在原、副绕组内感应电动势变压器原、副边电势之比及电压之比等于原、副边匝数之比一、 单相变压器的基本工作原理5二、单相变压器的基本结构变压器的主要结构：铁心和绕组 铁心是变压器的磁路部分 绕组是变压器的电路部分 铁心通常用0.35mm厚表面涂有绝缘漆的硅钢片冲成一定的形状叠制而成6 铁心结构单相壳式变压器心式变

3、压器迭片奇数层偶数层心式冷轧硅钢片迭片7 绕组 绕组是变压器的电路部分，一般为绝缘扁铜线或绝缘圆铜线在绕线模上绕制而成单相和三相芯式变压器8 变压器其它附件温度计；吸湿器，储油柜；油表；安全气道；气体继电器；高压套管；低压套管；分接开关；油箱等等9三、额定数据额定容量SN：额定工作状态下的视在功率，用伏安（VA）等表示额定电压U1N/U2N: U1N是电源加到原绕组上的额定电压，U2N是原边绕组加上额定电压后副边开路即空载时副绕组的端电压额定电流I1N、I2N：变压器额定容量分别除以原、副边额定电压所计算出来的线电流值额定频率：按我国规定，工业用电50Hz单相：三相：102 单相变压器的空载运

4、行变压器空载运行：变压器的原绕组加上额定电压，副绕组开路几个概念：空载电流、励磁磁势、主磁通、漏磁通以及正方向的确定11I0二、空载电流(忽略空载损耗)空载运行时， 原边绕组中流过的电流i0， 称为空载电流 变压器中磁性材料的磁化曲线为非线性， 在一定电压下， 空载电流大小、波形取决于饱和度 忽略空载损耗（1）当主磁通为正弦波时， 磁路越饱和， 电流波形畸变严重（2）空载电流与主磁通同相位 iu 建立空载运行时的磁场空载电流iFe 引起损耗12空载电流（考虑空载损耗） 考虑空载损耗时（1）考虑铁耗(包含磁滞、涡流), 将磁化曲线改为磁滞回线因此， 将激磁电流分解为两个分量：（1）与同相的磁化电

5、流iu（2）导前900有功分量iFeI0（2）激磁电流不再与主磁通同相， 而是导前一个磁滞角13三、空载运行的电动势 主磁通和漏磁通1在绕组内产生的感应电动势e1：主磁通在原绕组内感应电动势的瞬时值e2：主磁通在副绕组内感应电动势的瞬时值e1：漏磁通 1在原绕组内感应电动势的瞬时值主磁通按正弦规律:m：主磁通的幅值；E1m：原绕组感应电动势的幅值14 原边电势分析原边电动势幅值有效值相量表示当主磁通按正弦规律变化时，原绕组中感应电动势也按正弦规律变化， 但相位比主磁通落后90015 副边电势分析副边绕组链接同一磁链，副边电动势幅值有效值相量表示原边漏电势由原边绕组链接漏磁链得到 相量表示16

6、漏电势分析漏磁通1通过的磁路是线性的，漏磁链1 与产生漏磁链的电流i0呈线性关系，漏电势可表示为若励磁电流i0按正弦规律变化， 即（1）L1为原绕组的漏感系数；X1是原绕组的漏电抗。表征漏磁通对电流的电磁效应。两者与匝数和几何尺寸有关，均为常数（2）漏电感电动势与电流同频率，相位上落后I0 900结论: （3）空载时，漏阻抗压降小，（4）主磁通大小， 取决于电网电压、频率和匝数17变压器中，原、副绕组电动势E1和E2之比称为变压器的变比k由于对于三相变压器，变比指相电势之比。考虑漏磁通， 变压器空载运行时相量形式表示的电压平衡方程式r1：原绕组电阻；Z1r1jx1为原绕组漏阻抗四、电压平衡方程

7、式18根据相量形式的电压平衡式五、空载运行的等效电路和相量图rm：变压器的励磁电阻，反映铁耗xm:变压器的励磁电抗，反映励磁过程；Zm：变压器的励磁阻抗把 和 之间的关系直接用参数形式反映， 可把 写成 流过一个阻抗引起的阻抗压降19 等效电路综合了空载时变压器内部的物理情况， 在等效电路中r1、x1是常量；rm、xm是变量， 它们随铁心磁路饱和程度的增加而减少 等效电路20 相量图（1） 作为参考相量， 和 落后 900（2）考虑磁滞现象，等值正弦空载电流 超前 一个很小的 角（3）根据电压方程， 得到电压相量0213 单相变压器的负载运行变压器原边接在电源上， 副边接上负载的运行情况，称为

8、负载运行。AXax22一、单相变压器的负载运行电路、磁路的工作情况原边的电势平衡副边的电势平衡 忽略了漏阻抗压降， 主磁通 不变。从空载到负载，初级绕组电流 增加一个分量 以平衡次级绕组的作用。 原边绕组从电网吸收的功率传递给副边绕组。副边绕组电流增加或减小的同时，引起原边电流的增加或减小，吸收的功率也增大或减小又23二、 负载运行时的基本方程1. 磁势平衡式Im是激磁电流， 固定不变的量IL负载分量随负载不同而变化在额定负载时， I1L比Im大很多， 负载分量是I1中的主要部分2.电动势平衡式 除了主磁通在原、副边绕组中感应电动势E1和E2外， 原、副边还有对应于漏磁通产生的漏电势原边：副边

9、：243. 变压器的基本方程组综合分析， 变压器稳态运行时的六个基本方程式各电磁量之间同时满足这六个方程利用 ，k，Z1，Z2，Zm，ZL求解出 ， ，25变压器负载运行时的物理过程和方程式26三、变压器的折算法 当k较大时,变压器原、副边电压相差很大,为计算和作图带来不便。 变压器原边和副边没有直接电路的联系，只有磁路的联系。副边的负载通过磁势影响原边。 因此只有副边的磁势不变， 原边的物理量没有改变。 这为折算提供了依据。 这种保持磁势不变而假想改变它的匝数与电流的方法，称折合算法 实际绕组的各个量，称为实际值；假想绕组的各个量，称为折算值 保持副边绕组的磁势不变进行折算， 称为副边向原边

10、折算 保持原边绕组的磁势不变进行折算， 称为原边向副边折算271. 副边电流的折算值保持折算前后 不变2. 副边电动势的折算值折算前后主磁场、漏磁场不变同理即283. 副边漏电抗的折算值折算前后漏磁场不变， 副边绕组匝数从N2折算为N1漏抗与匝数平方成正比，所以 4. 副边电阻的折算值 副边绕组匝数从N2折算为N1， 占用原来副绕组同样的空间位置和几何尺寸，铜损耗不变， 绕组长度为N1/N2倍，面积小N2/N1倍所以295. 副边电压的折算值6. 副边阻抗的折算值能量是否改变？铜耗有功输出无功输出30折算法只是一种分析的方法。凡是单位为伏的物理量（电动势、电压）的折算值等于原来数值乘k；单位为

11、欧的物理量（电阻、电抗、阻抗）的折算值等于原来数值乘k2；电流的折算值等于原来的数值乘以1/k(已没有变比k)副边绕组经折算后，原来的基本方程组成为31四、等效电路单相变压器负载运行时的电磁关系用等效电路的形式表示，作为变压器模拟仿真的电路模型T型等效电路（1）电路中全部的量和参数都是每一相的值。原边为实际值，副边为折算值（2）等效的是稳态对称运行状态322. 近似的型等效电路 T型电路包含有串联、并联回路。复数运算复杂 实际变压器中， 很小。负载变化时 变化不大。因此假定ImZ1 不随负载变化，则将T型等效电路中的激磁支路移出，并联在电源端口,得到型等效电路333. 简化的等效电路 负载运行

12、时， Im在I1N中所占的比例很小。在工程实际计算中，忽略Im，将激磁回路去掉， 得到更简单的阻抗串联电路 Rk 为短路电阻Xk 为短路电抗Zk 为短路阻抗空载运行时， 不能用简化的等效电路34五、相量图相量图的画法，视变压器给定的和求解的具体条件。 给定量和求解量不同， 画图步骤也不一样基本方程组可以用相量图来表示变压器接感性负载， 负载阻抗由电阻和电感组成， 为落后变压器接容性负载， 负载阻抗由电阻和电容组成， 为超前 35相量图的画法（1）画出 假定给定U2、I2、cos2及各个参数（2）在 相量上加上 得到 （3）（6）画出 与 的相量和 （7）画出 ，加 得到（4）画出领先 的主磁通

13、 （5）根据 画出 ， 领先 一个铁耗角了36变压器原边电压 U1 与电流I1 的夹角为1， 称为变压器负载运行的功率因数角，cos 1 称为变压器的功率因数对于运行的变压器，负载的性质和大小直接影响了变压器功率因数的性质 对应于简化等效电路， 其相量图为37单相变压器基本方法总结分析计算变压器负载运行方法有基本方程式、等效电路和相量图 基本方程式：是变压器的电磁关系的数学表达式等效电路： 是基本方程式的模拟电路相量图： 是基本方程式的图示表示三者是统一的， 一般定量计算用等效电路，讨论各物理量之间的相位关系用相量图 384 变压器参数的试验测定 变压器的电路参数在铭牌和产品目录上大都没有标出

14、， 可通过试验的方法测定 励磁参数和短路参数可通过空载试验和短路试验测出 39一、空载试验空载试验可以测出变压器的励磁参数。为了便于测试和安全， 空载试验在低压侧施加电压 VWAV在不同的电压下， 分别记录I和P空载运行时，总阻抗所以激磁参数注意：激磁参数与磁路的饱和度有关， 为使测出的参数符合变压器实际运行， 额定电压点必测。 同时注意折算40二、短路试验为了便于测试， 短路试验常在高压侧加电源电压，低压侧直接短路 VWA试验电压从零开始逐渐增加， 短路电流在01.3倍额定电流范围内变化 短路试验时， 外施电压低，相应主磁通很小， 铁耗、激磁电流不计， 用简化的等效电路来分析 参数计算参数与

15、温度有关，短路试验时温度与实际运行时不同， 需折算铜线41三、变压器的阻抗电压短路试验时， 绕组电流达到额定值时， 加于原绕组的电压为UkI1NZk， 此电压称为变压器的阻抗电压或短路电压 阻抗电压的大小用百分比来表示 阻抗电压的大小反映了变压器在额定负载下运行时漏阻抗压降的大小 从运行观点来看， 阻抗电压小， 代表输出电压受负载变化的影响小。 一般为410.5%425 变压器的标么值在工程计算中， 各物理量（电压、电流、功率等）除采用实际值来表示和计算外， 有时用这些物理量与所选定的同单位的基值之比，即所谓的标么值表示。用“*”表示 标么值的认识（1）标么值是两个具有相同单位的物理量（实际值

16、和选定的固定值）之比， 没有量纲 （2）选定基值时， 对于电路计算U、I、Z和S中， 两个量的基值是任意选定， 其余两个量的基值根据电路的基本定律计算 （3）功率的基值是指视在功率的基值， 同时也是有功和无功功率的基值。 阻抗基值也是电阻和电抗的基值（4）计算单台变压器时， 通常以变压器的额定值作为基值 43标么值的优点（1）不论变压器的容量大小， 标么值表示的各参数和典型的性能数据， 通常都在一定的范围， 便于比较和分析 如 （2）用标么值表示，归算到原边和副边的变压器参数恒相等。 换言之，用标么值计算时不需要折算（3）某些物理量的标么值具有相同的数值， 简化了计算（4）可通过标么值判断运行

17、情况 446 变压器的工作特性变压器的运行特性主要有外特性（副边电压变化率）和效率1. 外特性 当原绕组外施电压和负载功率因数不变时， 副边端电压随负载电流变化的规律U2f（I2）2. 效率特性 当原绕组外施电压 和副绕组的负载功率因数不变时， 变压器效率随负载电流变化的规律 f(I2)45一、外特性 变压器的原、副边绕组都具有漏阻抗，负载电流流过漏阻抗， 在变压器内部就引起电压降落。 变化曲线即为变压器的外特性曲线。 IUUNIN（超前）（落后）利用电压变化率来表示输出额定电流时电压的变化 用标么值表示：46电压变化率负载时电压变化率可用简化的等效电路和相量图来分析电路方程用标么值表示通过相

18、量图求出 。在相量图上忽略 ，有cpoapBb47cpoapBb48电压变化率用参数表达的电压变化率可以看出（1）感性负载时， 20，U为正；容性负载， 20，U 可正可负。实际运行中一般是感性负载， 端电压下降58%（2）如果不在额定负载时运行， 计算U， 乘上电流系数 49二、效率特性 变压器在能量传递过程中， 将产生铜耗和铁耗，它们又各自包含有基本损耗和附加损耗 基本铜耗：原、副边绕组中电流引起的直流电阻的损耗附加铜耗：导体在交变漏磁场作用下引起集肤效应，有效电阻增大而增加的铜耗基本铁耗：铁心中的磁滞和涡流损耗附加铁耗：结构件中的涡流损耗额定电压下， 磁密基本不变， 总损耗：1. 损耗5

19、02. 效率U较小， 可见， 一定功率因数下， 随负载电流的不同而改变 时， 效率达到最高 一般设计， I2*0.50.6范围内，平均效率高 517 三相变压器 电力系统普遍采用三相供电制， 电力系统用的最多的是三相变压器当三相变压器的原边和副边绕组均以一定的接法现接， 带上三相对称负载， 原边加上对称的三相电压时 ，因为三相对称电压本身大小相等、相位互差1200，因此求得一相的电压、电流， 其它两相按对称关系求出 特殊问题 （1）三相绕组的联接，即电路问题 （2）三相变压器的磁路系统 （3）不同磁路下的感应电势的波形52一、三相变压器绕组的联接法和联接组1、三相变压器联接法ABCXYZ星形联

20、接ABCXYZ三角形联接高压绕组首端由A、B、C表示，末端由X、Y、Z表示低压绕组首端由a、b、c表示，末端由x、y、z表示 末端连在一起,首端引出,为星形联接“Y”,中点引出Yo一相绕组末端与另一相绕组首端相连,依次得到一闭合回路,为三角形联接“D”,有顺、逆之分 532、联结组（1）高、低压绕组中电动势相位关系（单相绕组）单相变压器中， 高压绕组首端为“A”、末端为“X”；低压绕组首端为“a”、末端为“x”AXaxAXax 原、副绕组被同一主磁通交链， 感应电动势在任一瞬间原边绕组一端点为高电位，副边绕组也有一端点为高电位。 这两个端点为“同名端”54时钟表示法对于任意标定的a、x， 感应

21、电势 和 的相位关系有两种结果， 即 与 同相或反相 时钟表示法：标志变压器高、低压绕组的相位关系 时钟表示法：高压绕组电势 从A到X， 记为 , 作为时钟的长针，指向0点；低压绕组电势 从a到x， 记为 ，作为时钟的短针， 根据相位关系， 指向针面上哪个数字， 该数字为变压器的联结组别的标号 单相变压器：I，I0； I，I655（2）三相变压器绕组的联结组 三相变压器的联结组是用副边线电动势与原边线电动势的相位差来决定 与原、边三相绕组的联接方法、绕组的绕向和绕组的首末端的标法有关 确定三相变压器的联结组号需通过画相量图来判别 ABCXYZABCABCXYZABCXZY56 以Y，y联接的三

22、相变压器为例说明联结组的判别（1）在接线图上标出各相电动势相量（2）画出原绕组电动势相量图（3）根据同一铁心柱上原、副绕组感应电动势的相位关系， 画出副边绕组电动势相量图。将“a”点与“A”点重合，使相位关系更直观 ABC可以判断得到， 该联结组为Y，y0ABCXYZabcxyz（4）比较原、副绕组线电动势 与 的相位关系。 根据钟点法确定联结组别 57三相变压器绕组的联结组ABCXYZabcxyzABCY，y6ABCXYZabcxyzABCY,y4同一铁心柱上绕组的是cab改变同名端58三相变压器绕组的联结组ABCXYZabcxyzABCY，d11ABCXYZabcxyzABCY,d159三

23、相变压器绕组的联结组联结组的几点认识（1）当变压器的绕组标志（同名端或首末端）改变时， 变压器的联结组号也随着改变 （2）Y，y联接的三相变压器， 其联结组号都是偶数（3） Y，d联接的三相变压器，其联结组号都是奇数（4） D，d联接可以得到与Y,y联接相同的组号； D,y联接也可以得到与Y,d联接相同的组号 （5）最常用的联结组是Y，y0 和 Y,d1160二、三相变压器的磁路系统1、三相组式变压器三个相分别是三个单相变压器， 仅仅在电路上互相联接，三相磁路互相完全独立。 各相主磁通有各自的铁心磁路， 互不影响。 61三相的电路有联接， 三相磁路也有联接。 心式三铁心柱铁心结构， 从三个单相

24、变压器演变而来 每一铁心柱的主磁通为三相主磁通的总和 磁路长短不一， 励磁电流占很小比例， 影响不大 62三、绕组联接和磁路系统对电动势波形的影响单相变压器外施电压U1感应电势E主磁通空载电流电流存在许多谐波 在三相变压器中，谐波磁通的路径、电流形状与绕组的联接方式和结构有关 631. Y,y联接的三相变压器三相三次谐波电流：三次谐波分量同相位、同大小。三次谐波电流在Y联接的原边绕组中无法流通， 空载电流接近正弦波， 主磁通为一平顶波 主磁通除基本磁通外， 还包含三次谐波磁通364三相组式结构 3与1沿同一磁路闭合， 3大，感应得到的E3可达4560% 感应电势为尖顶波， 最大值升高， 影响绝

25、缘 线电势中， 三次谐波电动势互相抵消， 线电势仍为正弦波三相心式结构 磁路彼此相关， 各相三次谐波磁通不能与1沿相同铁心磁路闭合， 借助油箱等辅助磁路。 磁阻大、 3小 主磁通、感应电势接近正弦波，箱壁易引起涡流，有附加损耗 线电势仍为正弦波652. D,y和Y,d联接的三相变压器D,y联接 原边绕组中空载电流的三次谐波分量可以流通 磁通为正弦波， 相电势为正弦波，线电势为正弦波Y,d联接 原边绕组Y联接， 空载电流三次谐波不能流通， 主磁通和原、副边绕组相电势中出现三次谐波分量 副边绕组联接，三次谐波同相位、同大小，形成三次谐波电流 副边三次谐波电流作为激磁电流，与原边绕组中的基波电流共同

26、建立主磁场 主磁通接近正弦波。相电势为正弦波，线电势也为正弦波结论：在三相变压器中， 希望在原边或副边绕组中有一个接成三角形， 保证相电动势接近正弦波， 避免畸变 668 变压器的并联运行 变压器并联运行：原、副绕组分别并联到原边和副边的公共母线上变压器并联运行的优点：（1）能提高供电的可靠性（2）提高系统的运行效率（3）减少初投资并联运行的理想情况：（1）空载时各变压器之间无环流， 避免环流损耗（2）负载时各变压器合理分担负载， 负载与变压器容量大 小成比例分配 67（1）各变压器的原、副边额定电压分别相等， 即变比k相等（2）各变压器的联结组号相同（3）各变压器短路电压或短路阻抗的标么值相等 变压器并联运行满足的条件68（1）变比不相等并联后， 在副边绕组中产生的环流为：短路阻抗很小， 即使变比差值很小， 也能产生较大的环流。 空载环流小于10%的额定电流联结组号不同的变压器， 副边电压相量之间的相位至少相差300（2）联结组号不同联结组号不同的变压器并联， 将产生很大的空载环流， 数值会超过额定电流很多倍， 严禁并联69环流不存在但 短路阻抗不同时， 各变压器的负载电流为（3）短路阻抗标么值不等各变压器负载电流的标么值与各自的短路阻抗的标么值成反比变压器的短路阻抗标么值随着容量的大小而变化