变压器原理和结构.ppt

1、第三章 变压器,第一节 变压器的工作原理 分类及结构,第一节 变压器的工作原理 分类及结构,一.变压器的工作原理 变压器-利用电磁感应原理，从一个电路向另一个电路传递电能或传输信号的一种电器 是电力系统中生产，输送，分配和使用电能的重要装置。 也是电力拖动系统和自动控制系统中，电能传递或作为信号传输的重要元件,控制变压器,第一节 变压器的工作原理 分类及结构,1.变压器 - 静止的电磁装置 变压器可将一种电压的交流电能变换为同频率的另一种电压的交流电能 电压器的主要部件是一个铁心和套在铁心上的两个绕组。,变压器原理图（图3-1）,第一节 变压器的工作原理 分类及结构,与电源相连的线圈，接收交流

2、电能，称为一次绕组 用U1 ，I1，E1，N1表示， 与负载相连的线圈，送出交流电能，称为二次绕组 用U2，I2，E2 ，N2表示。 同时交链一次，二次绕组的磁通量的相量为 Fm ,该磁通量称为主磁通 请注意 图3-1 各物理量的参考方向确定。,第一节 变压器的工作原理 分类及结构,2.理想变压器 不计一次、二次绕组的电阻和铁耗，其间耦合系数 K=1 的变压器称之为理想变压器 描述理想变压器的电动势平衡方程式为,第一节 变压器的工作原理 分类及结构,若一次、二次绕组的电压、电动势的瞬时值均按正弦规律变化，则有 不计铁心损失，根据能量守恒原理可得 由此得出一次、二次绕组电压和电流有效值的关系 令

3、 K=N1/N2，称为匝比（亦称电压比），则,第一节 变压器的工作原理 分类及结构,二.变压器的分类 1.变压器按用途一般分为电力变压器和特种变压器两大类 电力变压器可分为: 升压变压器、降压变压器、配电变压器、联络变压器等 电力变压器外形,第一节 变压器的工作原理 分类及结构,特种变压器可分为: 整流变压器、电炉变压器、高压试验变压器、控制变压器等,第一节 变压器的工作原理 分类及结构,2.变压器按相数可分为单相和三相变压器 三相变压器外观示意图,第一节 变压器的工作原理 分类及结构,三.变压器的结构简介 1.铁心 铁心是变压器中主要的磁路部分。通常由含硅量较高，厚度为 0.35 或 0.5

4、 mm,表面涂有绝缘漆的热轧或冷轧硅钢片叠装而成 铁心分为铁心柱和铁轭俩部分，铁心柱套有绕组；铁轭闭合磁路之用 铁心结构的基本形式有心式和壳式两种,心式变压器结构示意图,第一节 变压器的工作原理 分类及结构,2.绕组 绕组是变压器的电路部分，它是用纸包的绝缘扁线或圆线绕成。右图为交叠式绕组 3.其他结构部件 以典型的油侵式电力变压器为例，其他结构部件有: 油箱、储油柜、散热器、高压绝缘管套以及继电保护装置等外形如下图,第一节 变压器的工作原理 分类及结构,4.变压器的额定值 (1).额定容量 S 变压器视在功率的惯用数值，以 VA，KVA，MVA 表示 (2).额定电压 U 变压器各绕组在空载

5、额定分接下端子间电压的保证值，对于三相变压器额定电压系指线电压，以 V 或 KV 表示 (3).额定电流 I 变压器的额定容量除以各绕组的额定电压所计算出来的线电流值，以A表示 单相变压器的一次、二次绕组的额定电流为 I1N = S N/ U1N I2N = S N/ U2N 三相变压器的一次、二次绕组的额定电流为 I1N = S N/ U1N I2N = S N/ U2N (4).额定频率 我国工业用电频率为 50 HZ,第二节 单相变压器的空载运行,什么是空载运行？ 变压器一次绕组加上交流电压，二次绕组开路的运行情况 一.空载时的物理情况 1.空载磁场 空载电流 i0 产生一个交变磁通势

6、i0N1 ，并建立交变磁场 主磁通 m通过铁心闭合的磁通量（占绝大部分） 漏磁通1通过油和空气闭合的磁通量（占少量）,单相变压器空载运行时的 各物理量（图3-2）,单相变压器空载运行时的各物理量（图3-2）,第二节 单相变压器的空载运行,2.主磁通感应电动势 主磁通在一次绕组和二次绕组产生感应电动势： e1(t) = -N1 dFm/dt e2(t) = -N2 dFm/dt 3. 感生漏电动势 交链一次绕组的漏磁通在一次绕组中感生漏电动势 e1s(t) = -N1 dF1s/dt 列出一次、二次绕组的电动势平衡方程式 u1 = i0r1+(-e1s)+(-e1) = i0r1+ N1dF1s

7、/dt + N1dFm/dt u20 = e2 = - N2 dFm/dt,(一) 感应电动势与主磁通,1.变压器感应电势 1)主磁通 若 u1 随时间按正弦规律变化，则 m 也按正弦规律变化，设 则对 e1 有： e1(t) = -N1 dFm/dt = -wN1Fm cos wt = wN1Fm sin(wt-90) = E1m sin(wt-90) 而对 e2 有： e2(t) = -N2 dFm/dt = -wN2Fm cos wt = wN2Fm sin(wt-90) = E2m sin(wt-90) 所以 e1 和 e2 也按正弦规律变化,磁通与电势的关系(图3-3）,第二节 单相

8、变压器的空载运行,2)感应电动势 感应电动势 e1、e2 在相位上滞后于 m 的电角度是 90 有效值是: 3)相量表达式 根据上述讨论，有E1、E2的相量表达式为,磁通Fm与电势E1、E2的相量关系(图3-4),第二节 单相变压器的空载运行,2.变压器变比 当一次绕组上加上额定电压 U1N 时，一般规定此时二次绕组开路电压将是额定电压 U2N ，因此可以认为，变压器的电压比就是匝数比 在三相变压器中，电压比规定为高压绕组的线电压与低压绕组的线电压之比,第二节 单相变压器的空载运行,(二) 空载电流 1）空载电流主要作用是在铁心中建立磁场，产生主磁通 2）空载时的变压器实际上就是一个非线性电感

9、器 其磁通量与电流的关系，服从与铁磁材料的磁化曲线 =f(i),磁化曲线 =f(i)(图3-5),3）磁滞作用与涡流现象使 (t)=fi(t)的关系复杂化磁滞作用导致励磁电流有功无功分量出现示意图(图3-6),第二节 单相变压器的空载运行,空载电流可认为是励磁电流，用 Im 表示， 空载运行时从电源输入少量电功率 p0 ，主要用来补偿铁心中的铁损耗 pFe， Im 中含有有功 IFe(损耗电流）和用以建立磁场的无功 Iu (磁化电流） Im2 = Im2 + IFe2 IFe = pFe/E1 pFe/U1 通常，Iu IFe ，U1 与 Im 之间相位角 0 接近90),第二节 单相变压器的

10、空载运行,(三) 漏磁通与漏电抗 设漏磁通所经磁场磁阻 Rm1，则 由于漏磁通所通过的途径是非磁性物质，其磁导率是常数，所以漏磁通的大小与产生此漏磁通的绕组中的电流成正比 所以漏电动势 E1s 的有效值与电流 Im 关系为 式中x1为一次绕组的漏电抗,二.空载运行时电势平衡方程式、相量图及等效电路1.空载运行时电势平衡方程 单相变压器空载运行时的各物理量如图所示,变压器空载运行时，电动势平衡方程式如下： 由主磁通产生的电势 E1 与产生主磁通的励磁电流 Im 之间存在关系，可以直接用参数形式来表示。 由于 Im 中有有功分量与无功分量，故 -E1 可表示为 Im 流过一个阻抗时所引起的阻抗压降

11、，即 励磁阻抗 Zm, 励磁电抗 xm, 励磁电阻 rm 变压器空载运行时原边电动势平衡方程式如下 其中 Z1 = r1 + jx1,2.空载运行时等值电路 3.空载运行时相量图,第二节 单相变压器的空载运行,4.应注意的问题 注意 r1、x1 是常量 而励磁阻抗的大小和变压器工作点有关 因铁心中存在饱和现象，rm、xm 随着饱和程度的增加而减小 但当电源电压的变化范围不大，对应铁心中磁通的变化为也不是很大时，Zm 的值基本上可视为不变。,第三节 单相变压器的基本方程式一.负载运行时变压器内部物理情况,第三节 单相变压器的基本方程式,变压器带有负载时，变压器内的物理情况与空载时有所不同 1.

12、变压器负载运行时，二次绕组中的电流 I2 产生磁通势 I2N2 2. 由于电源电压恒定 U1 = 常数，则 E1 常数，m 常数 所以，产生主磁通的磁势也不会改变，因此,达到新的平衡的条件是： 绕组的电流增量 DI1 所产生的磁通势，与二次绕组电流 I2 所产生的磁通势相抵消，以维持主磁通基本不变。即 D 1N1 + 2 N2 = 0 这表明，二次绕组的电流增加时，一次绕组的电流就相应地增加，这样，通过电磁感应作用，变压器把电能从一次侧传递到二次侧,二.变压器负载运行时的基本方程式（一）磁通势平衡方程式 1N1 + 2N2= mN1（二）电动势平衡方程式变压器负载运行时磁通与各感应电动势的关系

13、图,第三节 单相变压器的基本方程式,电动势平衡方程式 1 = -1+ 1r1+j1x1= -1+ 1Z1 2 = 2- 2r2-j2x2 = 2- 2Z2 归纳出变压器负载运行时的基本方程式为 1N1 + 2N2 = mN1 1= - 1+ 1Z1 2= 2- 2Z2 -1 = mZm 1/2 = N1/N2 =k,第四节 变压器的等效电路及向量图,1.问题？ 是否可找到一个便于工程计算的单纯电路,以代替无电路联系、但有磁路耦合作用的实际变压器。 但这个电路必须能正确反映变压器内部电磁过程 2.答案：有！ 这种电路称为变压器的等效电路 前提条件是必须进行绕组归算,第四节 变压器的等效电路及向量

14、图,一、绕组归算 绕组归算就是把二次绕组的匝数变换成一次绕组的匝数 或者将一次绕组的匝数变换成二次绕组的匝数来进行运算， 但不改变其电磁效应的一种分析方法 (一) 归算原则： 1、归算前后的磁通势平衡关系不变 2、各种能量关系保持不变 归算值用原来的符号加 表示 下面以二次侧归算到一次侧为例,(二) 电动势和电压的归算 因为 N2= N1 所以： E2= k E2 (三) 电流的归算 保持磁通势在归算前后不变，N2I2= N2I2 ，则 I2= (N2/N2)I2 = (N2/N1)I2 = I2/k (四) 阻抗的归算 保持归算前后铜耗及漏感中无功功率不变的原则 由:I22 r2 = I22

15、 r2 得 r2= I22/I22 r2 = k2r2 由:I22 x2 = I22 x2 得 x2= I22/I22 x2 = k2x2,第四节 变压器的等效电路及向量图,归算后变压器负载运行时的基本方程式将变为如下形式 1 + 2= m 1= -1+ 1Z1 2= 2- 2Z2 -1 = mZm 1 = 2,二.变压器等效电路单相变压器负载运行时各物理量的关系如图所示,第四节 变压器的等效电路及向量图,由于 N2= N1，这是电压比等于 1 的变压器,因此，E2= E1，图中 a-b 和 c-d 是等电位点 用导线把它们联接起来，考虑到 1 + 2= m 1 = -mZm 则得等值电路如图

16、：,三.相量图根据变压器得“T”形等效电路，可画出相应得相量图,四.近似等值电路1. 字型等效电路 考虑到一般变压器中，Zm Z1，若把励磁支路前移，可得 字型近似等效电路如下： 近似等效电路可用于分析计算变压器负载运行的某些问题如二次侧电压变化,并联运行的负载分配等,2.一字型等效电路 由于一般变压器 ImIN，进一步把励磁 Im 忽略不计，得到变压器一字型近似等效电路如下： 其中： rs 短路电阻 , xs 短路电抗， Zs 短路阻抗，统称为变压器的短路参数,第五节 变压器等效电路参数的测定一.空载试验1.空载试验的目的：测定变压器的电压比 K、铁耗 pFe 以及等效电路中的励磁阻抗 Zm

17、2.单相变压器空载试验电路 单相变压器空载试验按下图接线,3.单相变压器空载试验方法 在额定频率、正弦的额定电压 U1N 作用下 测读 U1、I10、p0 和 U20 z0 = (U1/I0) = sqrt(r1+rm)2+(x1+xm)2) 因为: ZmZ1、rmr1、xmx1 则 z0 zm r0 = p0/I102 rm x0 = xm 电压比: k = U1/U20 空载试验一般在低压侧进行 三相变压器必须采用每相值进行计算,二.短路试验1.短路试验的目的：测定变压器等效电路中的短路参数2.单相变压器短路试验电路单相变压器短路试验的接线图如图所示,第五节 变压器等效电路参数的测定,3.

18、单相变压器短路试验方法 注意事项： * 短路试验时，在一次侧所加的电压必须降低 * 通常使一次、二次侧电流达到额定值为止 因为试验电压很低，主磁通很小，可忽略励磁电流和铁耗，可以认为变压器从电源输入功率 ps 作为铜耗完全消耗在一次、二次绕组 ps =Is2rs pcu =I12r1+I22r2 zs Us/Is ; xs sqrt(zs2- rs2) rs ps/Is2 4.阻抗电压 当绕组中电流达到额定值，加在一次绕组上的短路电压应是 Us = I1N Zs75c 称为阻抗电压或短路电压.用一次侧电压的百分值表示 Us* = (Us/U1N) 100% =(I1N Zs75c/U1N) 1

19、00%,第五节 变压器等效电路参数的测定,三.相对值概念 阻抗电压相对值 在变压器计算中，把阻抗电压 Us 表示成额定电压的相对值 短路阻抗相对值 Zs*就是短路阻抗与阻抗基值之比 选定阻抗基值 ZN 为额定电压 U1N 与额定 I1N 之比 可见 短路阻抗相对值 Zs* 与阻抗电压相对值相等,第六节 三相变压器三相变压器的两种形式：1、三个独立单相变压器组成的变压器组，称为三相组式变压器。 三相组式变压器及联结如图所示,分析单相变压器时的所得的基本方程式、等效电路、相量图以及即将探讨的运行特性分析等方法完全适用于三相变压器2、铁心为三相所共有的三相变压器叫三相芯式变压器 如图所示,第六节 三

20、相变压器,一.三相变压器的电路系统-连接组 （一）联结法 绕组的首端和末端的标志规定,1.星形联结用符号“Y（或 y)”表示 三个首端 A、B、C（或 a、b、c)向外引出 末端 X、Y、Z（或 x、y、z）连接在一起成为中性点 2.三角形联结用符号“D（或d）”表示 各相间联结次序为 A - X - C - Z - B - Y（或 a- x - c - z - b - y) 从首端 A、B、C（或 a、b、c）向外引出,（二）联结组 三相绕组无论采用什么联结法，二次侧线电动势的相位差总是30的倍数，因此采用钟表面上12个数字来表示 1.时钟表示法 把高压侧线电动势的相量作为分针，始终指着“1

21、2”这个数字 而以低压侧线电动势的相量作为时针，它所指的数字即表示高、低压侧线电动势相量间的相位差 这个数字称为三相变压器联结组的“标号” 2.单相变压器的联结 单相变压器或三相变压器中某相高、低压绕组的联结组问题其实质为电路理论中互感线圈的同名端问题,由给定原理图确定变压器的连接组标号 （1）画原、副边相量图：原理图上字母从左向右排列，相量图上为顺时针排列； （2）同一铁心柱上的两个相量，要么同相，要么反相； （3）确定比较相量，即下标字母相同的原、副边两个线电压。例如： UAB和uab，且相量方向均为下标的第一个字母指向第二个字母； （4）旋转相量图，将原边线电压相量作为分针指向钟表“12

22、”，副边对应线电压相量所指的字母即为连接组标号。,由联结组通过电势相量确定三相变压器的电路图表达,由电路图表达获得三相变压器的具体连接,由联结组通过电势相量确定三相变压器的电路图表达图,二.三相变压器的磁路系统-铁心的结构形式三相变压器的磁路系统,三相心式变压器的磁路系统的演变,第七节 变压器的稳态运行,一.变压器的运行特性 变压器的运行特性指变压器二次侧端电压的变化和变压器的效率 (一) 变压器负载时二次侧端电压的变化(电压调整率) 1.什么是变压器的外特性？ 变压器一次侧外施电压额定电压 U1 = U1N 、负载功率因数 cosj2 不变时,二次侧端电压 U2 随二次侧负载电流 I2 变化

23、的关系曲线 . 即 U2 = f(I2)，一般用电压调整率表示,第七节 变压器的稳态运行,2.电压调整率 电压调整率表征了电网电压的稳定性，反映了电能的质量，是变压器的主要性能之一。 DU % 规定为： 一次侧加额定电压、负载功率因数为一定值时，空载与负载时二次侧端电压之差 (U20 - U2) 与二次侧额定电压 U2N 的比例（用百分值表示） DU % = (U20-U2)/U2N 100% = (U2N-U2)/U2N 100% = (U1N-U2)/U1N 100%,采用简化等值电路时变压器电压 电流关系如图所示,第七节 变压器的稳态运行,由上图可以看出： ab =I1rs cos j2

24、 +I1xs sin j2 可见: DU % = (U1N-U2)/U1N 100% ab/U1N 100% = (I1rs cos j2 +I1xs sin j2)/U1N 100% = b(I1Nrs cos j2 +I1Nxs sin j2)/U1N 100% 其中: b=I1/I1N 电压调整率决定于： 1)短路参数 rs，xs 2)负载系数 b 3)负载的功率因数,第七节 变压器的稳态运行,1.铁耗 基本铁耗 - 主要是磁滞损耗与涡流损耗 磁滞损耗与硅钢片材料的性质、磁通密度的最大值以及频率有关 涡流损耗与硅钢片的厚度、电阻率、磁通密度有关 2.铜耗 基本铜耗指一、二次绕组内电流所引

25、起的直流电阻损耗 附加铜耗主要是由漏磁通所引起的集肤效应和邻近效应产生的额外损耗 3.效率 变压器的效率指其输出的有功功率与输入的有功功率之比 工程上采用间接法测定变压器的效率，即测出各种损耗以计算效率 h = 1-Sp/(P2+Sp),第七节 变压器的稳态运行,假设 (1) 以额定电压下的空载损耗 p0 作为铁耗 pFe,并认为铁耗 不随负载而变. (2) 以额定电流时的负载损耗 pLN 作为额定电流时之铜耗 pcu,并认为负载系数?的平方成正比,有pcu= b2pLN (3)计算 P2 时,忽略负载运行时的二次侧电压的变化，即 认为: P2 = mU2NI2 cosj2=bmU2NI2N

26、cosj2 =bSN cosj2 这样就可以得到：效率特性如下,第七节 变压器的稳态运行,5.变压器效率计算公式 h = 1- (p0+b2pLN)/(bSNcosj2+p0+b2pLN) 6.变压器的效率特性 变压器的效率特性曲线如图所示,一、自耦变压器,原付边共用一部分绕组的变压器。,（一）特点：,1、原付绕组既有磁的联系，又有电的联系。,2、能量传递，既有磁场传递的，又有直接传递的。,三 相 自 耦 变 压 器,三 相 自 耦 变 压 器,五、互感器 互感器是电流互感器和电压互感器的合称。 互感器的主要功能是: （1）可使仪表和继电器标准化。如电流互感器副绕组的额定电流都是5A；电压互感

27、器副绕组的电压通常都规定为100V。 （2）可使测量仪表、继电器等二次设备与一次主电路隔离。降低仪表及继电器的绝缘水平，简化仪表构造，同时保证工作人员的安全。 （3）可以避免短路电流直接流过测量仪表及继电器的线圈。,1. 电流互感器 电流互感器简称CT（文字符号为TA，单二次绕组电流互感器图形符号为 ），是变换电流的设备。 （1）工作原理和接线方式 电流互感器的基本结构原理如图4-14所示，它由一次绕组、铁芯、二次绕组组成。其结构特点是：一次绕组匝数少且粗，有的型号还没有一次绕组，利用穿过其铁芯的一次电路作为一次绕组（相当于1匝）；而二次绕组匝数很多，导体较细。电流互感器的一次绕组串接在一次电

28、路中，二次绕组与仪表、继电器电流线圈串联，形成闭合回路，由于这些电流线圈阻抗很小，工作时电流互感器二次回路接近短路状态。 电流互感器的变流比Ki用表示，则 式中，I1N、I2N分别为电流互感器一次侧和二次侧的额定电流值，N1、N2为其一次和二次绕组匝数。变流比一般表示成如100/5A形式。,（2） 电流互感器种类和型号 按一次电压分，有高压和低压两大类； 按一次绕组匝数分有单匝（包括母线式、芯柱式、套管式）和多匝式（包括线圈式、绕环式、串级式）； 按用途分有测量用和保护用两大类； 按绝缘介质类型分有油浸式、环氧树脂浇注式、干式、SF6气体绝缘等。 电流互感器型号的表示和含义如下：,图4-15 LQZ-10型电流互感器的外形图,图4-16 LMZJ1-0.5型电流互感器的外形图,（3）电流互感器使用注意事项 电流互感器在工作时二次侧不得开路。 电流互感器二次侧有一端必须接地 电流互感器在接线时，必须注意其端子的极性,2.电压互感器 电压互感器简称PT，是变换电压的设备。 文字符号为TV，单相式电压互感器图形符号为 （1）工作原理和接线方式 电压互感器的基本结构原理如图4-17所示，它由一次绕组、二次绕组、铁芯组成。一次绕组并联在线路上