电机与电机控制技术 课件 第1章变压器

电机与电气控制技术第1章

变压器

第1章

变压器学习目标1.回顾磁场及基本电磁定律；2.掌握变压器的用途、基本结构和工作原理；3.掌握变压器的空载、负载运行原理（即变压、变流和变换阻抗）；4.熟悉变压器空载和短路试验的目的、线路和试验方法；5.掌握变压器同名端的判定方法及三相变压器联结组别和时钟表示法的判定；6.掌握自耦变压器、仪用互感器和电焊变压器等的特点及使用注意事项。

1.1

磁场及基本电磁定律1.1.1磁场的几个物理量1.磁感应强度

B是表征磁场强弱的物理量，又称为磁通密度，用B来表示，是一个矢量，在国际单位制中的名称为特斯拉，简称为特

（

）。通常用磁感线来形象描绘磁场，即用磁感线疏密程度表示磁感应强度的大小，磁感线在某点的切线方向就是该点磁感应强度的方向，如图1所示。

图1磁场中的磁感线电流产生的磁场用毕奥-萨伐尔定律描述。2.磁通量

1.1

磁场及基本电磁定律

磁通量简称磁通，用来表示，它是指穿过某一截面的磁感应强度的通量，通常用穿过某截面的磁感线的数目来表示磁通的大小，如图2所示。图2磁感应强度与磁通的关系如果磁场是均匀磁场，且与截面垂直时，可简化为或

磁感应强度

又称为磁通密度，简称磁密。在国际单位制中，

的单位为

（韦伯），

。

1.1

磁场及基本电磁定律3.磁场强度

或

磁场强度

是为电流与其产生的磁场之间的数量关系而引入的物理量，其方向与

相同，其单位为安/米（

）

，其大小关系为。式中，

-磁导率，它是反映导磁介质性能的物理量。磁导率

越大的介质，其导磁性能越好。磁导率的单位是亨利/米（

）。真空的磁导率为

。其它导磁介质的磁导率

常用

的倍数来表示，即式中，

为导磁介质的相对磁导率，无单位。

1.1

磁场及基本电磁定律1.1.2电机中所用材料和铁磁材料的特性1.电机中所用的材料电机所用材料通常分为四大类。导电材料、导磁材料、绝缘材料和机械支撑材料。1）导电材料用来构成电路，通常有铜材和铝材。2）导磁材料也称为铁磁材料，用来构成磁路。铸钢，铸铁。为了减少铁心中的涡流损耗，导磁材料常用两面涂有绝缘漆的薄钢片叠成，这种薄钢片称为电工钢片。3）用绝缘材料把导电体之间，导体与机壳或铁心之间分隔开来。常用的绝缘材料有云母、石棉、玻璃丝和陶瓷材料等。4）电机上有些结构部件是专作机械支撑用的，例如机座、端盖、轴、轴承、螺杆等。大部分机械支撑材料用钢铁或铝合金制成。

1.1

磁场及基本电磁定律2.铁磁材料的磁特性1）具有高的导磁性能2）磁化曲线呈非线性（饱和特性）磁化特性可用磁化曲线来描述，即曲线。图3铁磁材料的磁化曲线3）存在磁滞现象和磁滞损耗

铁磁材料被反复磁化和退磁时，B-H曲线不是单值，而是一条磁滞回线（abcdefa），如图4所示。根据磁滞回线形状的不同，铁磁材料可分为硬磁材料、软磁材料和矩磁材料三类。图4铁磁材料的磁滞回线磁滞损耗涡流损耗铁心损耗4）存在涡流损耗

1.1

磁场及基本电磁定律1.1.3电机理论中常用的基本电磁定律1.电路定律电路定律有基尔霍夫第一定律、基尔霍夫第二定律和欧姆定律。2.磁路定律1）磁路基尔霍夫第一定律2）磁路基尔霍夫第二定律在工程中常用图5全电流定律的应用

1.1

磁场及基本电磁定律2.磁路定律3）磁路欧姆定律由安培环路定律可得式中，

称为磁路的磁阻，则磁路欧姆定律为图6磁路欧姆定律

1.1

磁场及基本电磁定律3.右手螺旋定则（1）通电导线右手螺旋定则（2）通电线圈右手螺旋定则通电的导线周围会产生磁场，其电流和磁场的方向可用右手螺旋定则判定。

通电的线圈在线圈内部及周围也会产生磁场，电流和在线圈内部的磁场方向可用右手螺旋定则判定。图7右手螺旋定则

1.1

磁场及基本电磁定律4.楞次定律当通过线圈中的磁通发生变化时，在线圈内部会产生感应电动势，而感应电动势的方向总是企图使它所形成的感应电流所产生的磁通阻止原磁通的变化，如图8所示。式中，-磁链；-磁通；-线圈匝数。图8楞次定律-线圈中感应电动势方向的判定

1.1

磁场及基本电磁定律5.电动机左手定则6.发电机右手定则图9电动机左手定则图10发电机右手定则

1.2变压器的用途、工作原理及结构

变压器是一种静止电器，也是一种静止电机，它通过绕组间的电磁感应，将一种电压等级的交流电能转换成同频率的另一种电压等级的交流电能1.2.1变压器的用途（1）电力传输系统中，从发电厂发出的电能输送到用户的整个过程，需多次用到变压器。变压器的安装容量达到发电机总装容量的5～7倍。（2）在电力拖动系统或自动控制系统中，变压器作为能量传递或信号传递的元件。（3）为提供特种电源或满足特殊需要。如冶炼用的电炉变压器、焊接用的电焊变压器、船用变压器以及试验用的调压变压器等。

1.2变压器的用途、工作原理及结构1.2.2变压器的基本工作原理和分类1.变压器的基本工作原理图11变压器工作原理示意图一次侧加交流电压，一次绕组便有交流电流，在铁心中产生交变磁通（由和共同产生），在一次、二次绕组上分别产生电动势和。根据楞次定律可得实际上，所以得，

1.2变压器的用途、工作原理及结构2.变压器的分类1）按用途分类：电力变压器（升压、降压、配电、联络变压器）、特种变压器（电炉、电焊、整流变压器等）、仪用互感器（电流、电压互感器等）、控制变压器（电源、输入、输出、脉冲变压器等）、其他变压器（试验用的高压变压器、调压变压器、差分变压器等）；2）按相数分类：单相变压器、三相变压器、多相变压器等；3）按冷却方式分类：干式变压器（冷却介质为空气，如小型变压器）、油浸式变压器（又分为自冷、风冷、强迫油循环，冷却介质为变压器油，如电力变压器）、充气式变压器（冷却介质为特种气体，如六氟化硫充气式变压器）；4）按绕组数目分类：单绕组（自耦）变压器、双绕组变压器、三绕组变压器、多绕组变压器等；5）按调压方式分类：无励磁调压变压器、有载调压变压器。

1.2变压器的用途、工作原理及结构3.变压器的基本结构1）铁心铁心由铁心柱和铁轭两部分组成。铁心是变压器的磁路系统，并作为变压器的机械骨架。为了提高导磁性能和减少磁滞及涡流损耗，采用0.35~0.5mm或者更薄的、且表面涂有绝缘漆的冷轧硅钢片叠成。铁心的结构有心式和壳式

1.2变压器的用途、工作原理及结构铁芯叠装方法：叠片式、卷制式

铁心的交错叠装

卷制式铁心

1.2变压器的用途、工作原理及结构2）绕组（线圈）绕组是变压器中的电路部分。小变压器一般用圆形漆包铜线绕制，容量稍大的变压器用绝缘扁铜线或扁铝线绕制。接到高压电网的绕组称高压绕组，接到低压电网的绕组称低压绕组。与电源相接的绕组称为一次绕组，与负载相接的绕组称为二次绕组。按高、低压绕组的相互位置和形状不同，分为同心式和交叠式。

1.2变压器的用途、工作原理及结构3)油箱和冷却装置变压器油是从石油中分镏出来的矿物绝缘油，是透明液体，主要成分是烷烃。起绝缘、散热、消弧的作用。4)其他附属装置(1)绝缘套管（2）压力释放阀（3）保护装置（4）分接开关

作用：为了使配电系统得到稳定的电压，通常在变压器的高压侧设置抽头，并装设分接开关，调节变压器高压绕组的工作匝数，来调节变压器的二次电压。

1.2变压器的用途、工作原理及结构（5）铭牌铭牌上标明了变压器的型号、额定数据等，是正确使用变压器的依据。A

型号指长期运行时所能承受的工作电压。是指一次侧所加的额定电压；是指一次侧加额定电压时，二次侧的开路电压。三相变压器的额定电压为是指线电压。指变压器在允许的发热条件下而规定的满载电流。三相变压器是指线电流。B额定电压C额定电流

1.2变压器的用途、工作原理及结构在额定状态下运行时，变压器二次侧输出的视在功率。以上三者的关系，单相：三相：E阻抗电压又称短路电压，指在额定电流时变压器的阻抗压降。用百分值表示，除此之外，铭牌上还标有额定频率、效率、温升、相数、联接组别标号、接线图等。D额定容量

1.3单相变压器的空载运行、负载运行及运行特性1.3.1变压器的空载运行变压器空载运行是指变压器一次绕组接在额定频率、额定电压的交流电源上，而二次绕组开路时的运行状态，如图12所示。图12单相变压器空载运行1.空载运行时各物理量参考方向的规定图13参考方向的规定（1）电压的参考方向：在同一支路中，电压的参考方向与电流的参考方向一致。（2）磁通的参考方向：磁通的参考方向与电流的参考方向之间符合右手螺旋定则。（3）感应电动势的参考方向：由交变磁通产生的感应电动势

，其参考方向与产生该磁通的电流参考方向一致（即感应电动势与产生它的磁通之间符合右手螺旋定则），如图13所示。

1.3单相变压器的空载运行、负载运行及运行特性2.电动势平衡方程式和变比设交变磁通有效值为一、二次侧感应电动势有效值分别为一、二次侧感应电动势的相量表达式分别为一次侧漏电动势一次侧回路电压平衡二次侧回路电压平衡变压器的变压比

1.3单相变压器的空载运行、负载运行及运行特性3.变压器的空载电流和空载损耗1）空载电流的作用与组成2）空载电流的性质和大小性质：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，也称励磁电流。大小：与磁路的饱和程度及磁阻大小有关。由于变压器铁心用硅钢片或非晶合金电工钢片，磁阻很小，所以空载电流也很小。用空载电流百分数I0%来表示，3）空载损耗变压器空载时，一次侧从电源吸收少量有功功率，供给铁损耗和绕组铜损耗，由于和均很小于，即，故，即空载损耗近似为铁损耗。

对于已制成的变压器，

1.3单相变压器的空载运行、负载运行及运行特性4.空载时的相量图图14变压器空载时的相量图由图14可见，变压器空载运行时的功率因数角，即

与

之间的夹角接近

，说明变压器空载运行时的功率因数

很低，一般在0.1~0.2之间。

1.3单相变压器的空载运行、负载运行及运行特性1.3.2变压器的负载运行变压器一次绕组接额定电压，二次绕组与负载相连的运行状态称为变压器的负载运行，如图15所示。图15单相变压器负载运行根据前面分析所得恒磁通的概念。负载运行时，忽略空载电流则有则表明，一、二次电流比近似与匝数成反比。可见，匝数不同，不仅能改变电压，同时也能改变电流。

1.3单相变压器的空载运行、负载运行及运行特性1.3.3变压器的阻抗变换变压器不但具有电压变换和电流变换的作用，还具有阻抗变换的作用，如图16所示。图16

变压器的阻抗变换即

说明负载阻抗通过变压器接电源时，相当于阻抗增加到倍。广泛用在电子电路中。

1.3单相变压器的空载运行、负载运行及运行特性例1-1

某晶体管收音机输出电路的输出阻抗为，接人的扬声器阻抗为

现加接一个输出变压器使两者实现阻抗匹配，求该变压器的变比k。若该变压器一次绕组匝数

匝，问二次绕组匝数N2为多少?解

1.3单相变压器的空载运行、负载运行及运行特性1.3.4变压器的运行特性1.变压器的外特性在保持一次绕组电压和负载的功率因数不变的条件下，变压器二次电压与负载电流之间的关系称为变压器的外特性。即图17

外特性当变压器带纯电阻性负载时，电压降

较小，为正值。当变压器带阻感性负载时，电压降

较大，为正值。当变压器带阻容性负载时，电压降

为负值。2.变压器的电压调整率电压调整率的大小反映了供电电压的稳定性，与负载的功率因数有关。

1.3单相变压器的空载运行、负载运行及运行特性例1-2解

根据定义则

某台供电电力变压器将U1N=10kV的高压降压后对负载供电，要求该变压器在额定负载下的输出电压为U2=380V，该变压器的电压变化率=5%，求该变压器二次绕组的额定电压U2N及变比ku。

1.3单相变压器的空载运行、负载运行及运行特性3.变压器的损耗和效率

输入变压器的有功功率

与向负载输出有功功率

之差就是变压器的损耗，即1）铁损耗铁损耗主要包括磁滞损耗和涡流损耗铁损耗与一次侧所加的电源电压大小有关，而与负载电流的大小无关。因此铁损耗又称为“不变损耗”。2）铜损耗变压器的铜损耗主要指一、二次绕组的电阻损耗。铜损耗的大小与负载电流平方成正比，故也称为“可变损耗”。

1.3单相变压器的空载运行、负载运行及运行特性2）铜损耗变压器的损耗可表示为3）效率效率大小反映变压器运行的经济性能的好坏，是表征变压器运行性能的重要指标之一。由于没有机械损耗，比同容量旋转电机的效率要高，一般小型电源变压器的效率在80%以上，中、小型电力变压器效率在95%以上，大型电力变压器效率可达99%以上。

1.3单相变压器的空载运行、负载运行及运行特性例1-3解

S9-500/10低损耗三相电力变压器额定容量为500kV·A，设功率因数为1，二次电压U2N=400V，铁损耗PFe=0.98kW，额定负载时铜损耗PCu=4.1kW，求二次侧额定电流12N及变压器效率。

1.3单相变压器的空载运行、负载运行及运行特性其效率特性曲线如图所示，图中

称为负载系数。其中所以变压器的效率为4）效率特性

1.4三相电力变压器1.4.1三相电力变压器的磁路系统1.组式变压器2.心式变压器图18

三相组式变压器图19

三相心式变压器

1.4三相电力变压器1.4.2三相变压器的极性1.变压器的极性当一次绕组的某一端点瞬时电位为正时，二次绕组也必有一电位为正的对应端点。这两个对应的端点称为同极性端或同名端，通常用符号“”表示。2.变压器极性的判定1）对两个绕向已知的绕组，绕向相同的是同名端。

2）对已经制成的变压器（1）交流法（2）直流法图20

交流法测定同名端图21

直流法测定同名端

1.4三相电力变压器1.4.3三相变压器的电路系统——联结组别1.三相绕组的连接方法为了在使用变压器时能正确连接而不发生错误，变压器绕组的每个出线端都有一个标记图22

三相绕组的连接方法2.三相变压器的联结组别时钟法：理论和实践证明，无论采用怎样的连接方式，一次、二次线电动势的相位差总是

的整数倍。因此可以用时钟表示法，

作为时钟的分针（长针），指向12点，

作为时钟的时针（短针），其指向的数字就是三相变压器的联结组别号。组别号的数字乘以

，就是二次绕组线电动势滞后于一次绕组相应线电动势的相位角。以Y，y联结和Y，d联结的变压器分别加以分析。

1.4三相电力变压器1）Y，y联结组若高压绕组三相标志不变，而将低压绕组三相标志依次后移一个铁心柱，在相量图上相当于把各电动势顺时针转120°，得到Y,y4联结；若后移二个铁心柱，便得到Y,y8联结。Y,y0

联结组

1.4三相电力变压器1）Y，y联结组若高压绕组三相标志不变，而将低压绕组三相标志依次后移一个铁心柱，在相量图上相当于把各电动势顺时针转120°，得到Y,y10联结；若后移二个铁心柱，便得到Y,y2联结。Y,y6联结组

1.4三相电力变压器2）Y，d联结组若高压绕组三相标志不变，而将低压绕组三相标志依次后移一个铁心柱，在相量图上相当于把各电动势顺时针转120°，得到Y,d3联结；若后移二个铁心柱，便得到Y,d7联结。Y,d11联结组国标规定只生产这5种连接组别的电力变压器：Y，d11；Y，yn0；YN，d11；YN，y0；Y，y0。其中前3种最为常用。

1.4三相电力变压器2）Y，d联结组若高压绕组三相标志不变，而将低压绕组三相标志依次后移一个铁心柱，在相量图上相当于把各电动势顺时针转120°，得到Y,d5联结；若后移二个铁心柱，便得到Y,d9联结。Y,d1

联结组

1.4三相电力变压器1.4.4三相变压器的并联运行并联运行：是指将几台变压器的一、二次绕组分别接在一、二次侧的公共母线上，共同向负载供电的运行方式。图22

三相变压器的并联并联运行的优点：①提高供电的可靠性（检修或故障时）；②提高供电的经济性（负载因昼夜或季节波动大时）；③减少备用容量和初次投资。并联运行的条件：①并联运行的各变压器连接组别标号相同；②并联运行的各变压器变比相同（允许有±0.5%的差值）；③并联运行的各变压器短路电压（或短路阻抗）相等（允许有±10%的差值）。其中，第一条必须满足。除上述3个条件外，并联运行各变压器的容量比一般不宜超过3:1。

1.4三相电力变压器1.4.4三相变压器的并联运行1.变比不等时的并联运行变压器的短路阻抗不大，故在

不大的下也会有很大的平衡电流。变压器空载运行时，平衡电流流过绕组，会增大空载损耗，平衡电流越大则损耗会越多。变压器负载时，二次电动势高的那一台电流增大，而另一台则减少，可能使前者超过额定电流而过载，后者则小于额定电流值。所以，有关变压器的标准中规定，并联运行的变压器，其变压比误差不允许超过

。

1.4三相电力变压器1.4.4三相变压器的并联运行2.联结组别不同时变压器的并联运行

如果两台变压器的变比和短路阻抗的标幺值均相等，但是联结组别不同时并联运行，则其后果十分严重。因为联结组别不同时，两台变压器二次绕组电压的相位差就不同，它们线电压的相位差至少为30，所以会产生很大的电压差AU2。图1-45所示为Y，y0和Y，d11两台变压器并联，二次绕组线电压之间的电压差为，其数值为

1.4三相电力变压器1.4.4三相变压器的并联运行3.阻抗电压(短路电压)的标幺值不等时变压器的并联运行

假设两台容量相同，变比相等、联结组别也相同的三相变压器并联运行，现在来分析它们的负载如何均衡分配。设负载为对称负载，则可取其一相来分析。

变压器的并联运行，还存在一个负载分配的问题。两台同容量的变压器并联，由于短路阻抗的标幺值差别很小，可以做到接近均匀的分配负载。当容量差别较大时，合理分配负载是困难的，特别是担心小容量的变压器过载，而使大容量的变压器得不到充分利用。为此，要求投人并联运行的各变压器中，最大容量与最小容量之比不宜超过3:1。

1.5其它用途变压器1.5.1自耦变压器1.结构特点及用途特点：一、二次绕组之间不仅有磁的耦合，而且还有电的直接联系。能节省材料、降低成本、减少体积和重量以利于运输和安装。用途：（1）在电力系统中，用于连接两个电压等级相近的电力网，作为联络变压器用；（2）在工厂和实验室作调压器用；（3）作为异步电动机的降压起动用。图23

自耦变压器的原理图

1.5其它用途变压器2.电压、电流及容量关系磁动势平衡方程式自耦变压器的变比自耦变压器一、二次绕组中的电流大小与匝数成反比，相位反相。流经公共绕组中的电流的大小为可见，公共绕组的电流I总是小于输出电流I2。当变比K接近于1时，则I1与I2的数值接近，即公共绕组中的电流I很小，因而公共绕组可用截面积较细的导线绕制，以节约用铜量，并减小自耦变压器的体积与重量。当变比k在1.2～2之间时，自耦变压器的优势更明显。

1.5其它用途变压器一、二次绕组的电路直接连在一起，造成高压侧的电气故障会波及到低压侧，很不安全。因此要求自耦变压器在使用时必须正确接线，且外壳必须接地，并规定安全照明变压器不允许采用自耦变压器结构形式。3.自耦变压器的缺点4.自耦调压器实验室中常用的单相调压器，一次绕组输入电压U1＝220V，二次绕组输出电压U2＝0～250V，输出电压可调到稍高于一次绕组电压。由三个单相调压器组合而成，共用一个转轴和手柄。

1.5其它用途变压器1.5.2电焊变压器电焊变压器是交流弧焊机的主要部分，交流弧焊机实质上是一台特殊的降压变压器。为了保证焊接质量和电弧的稳定燃烧，对电焊变压器的要求如下：（1）电焊变压器在空载时，应有一定的空载电压，通常U0＝60～70V，以保证起弧容易。另一方面，为了操作者的安全，空载起弧电压又不能太高，最高不宜超过85V。（2）在负载时，电压应随负载的增大而急剧下降，即应有陡降的外特性。通常在额定负载时的输出电压约30V左右。（3）短路电流ISC不应过大，不超过额定值的两倍，以免损坏电焊机。（4）为了适应不同的焊接工件和不同焊条的需要，要求输出电流能在一定范围内可调节。（c）外特性曲线（b）原理图

（a）电焊机外形

1.5其它用途变压器电焊变压器的结构特点：必须具有较大的漏抗，且可以