第二部分 变 压 器 变压器是一种静止电器,它通过线圈间的电磁感应,将一种电压等级的流电能转换成同频率的另一种电压等级的交流电能 变压器的基本工作原理和结构 单相变压器的空载运行 单相变压器的负载运行 变压器参数的测定 变压器运行特性 三相变压器 变压器的并联运行 其它用途变压器 1、变压器是一种静止的交流电器，它可以将一个等级的交流电压变换成另一个等级的交流电压。2、进行阻抗变换3、测量大电流、高电压 变压器的工作原理和结构 工作原理（理想变压器） 基本结构 额定数据 一、理想变压器的运行原理 变压器的主要部件是一个铁心和套在铁心上的两个绕组，如图3.1.1所示。一个绕组接电源，称为原绕组（一次绕组、初级），另一个接负载，称为副绕组（二次绕组、次级）。原绕组各量用下标1表示，副绕组各量用下标2表示。原绕组匝数为N1，副绕组匝数为N2。 理想变压器 （不计电阻、铁耗和漏磁） 一次与二次绕组完全耦合，且两绕组电阻为零。 铁芯中损耗为零 铁芯的导磁率为无穷大，即磁阻为零 二、变压器的分类 按用途：电力变压器和特种变压器 按相数：单相、三相、多相变压器 按每相绕组数目：双绕组、三绕组、自耦变压器 按冷却介质和冷却方式：干式变压器、油浸式变压器和充气式变压器 铁心结构：心式变压器和组式变压器 按调压方式：无励磁调压变压器和有载调压变压器 SG(B)10系列非包封线圈三相干式电力变压器 三、变压器的基本结构 铁 心 作用：变压器的主磁路， 材质：提高导磁性能和减少铁损，用0.35mm厚、表面涂有绝缘漆的硅钢片叠成。 安装方式：为了减少磁路上的空气隙和安装方便，铁心的装配采用交错叠接式。 绕 组 其他附件 小容量的变压器除了铁心和绕组，无其他附件，靠自然风冷却——干式变压器 容量大的变压器铁心和绕组均浸泡在变压器油中——油浸式变压器 散热好，绝缘性好 高压分接头 油箱 储油柜——储油柜使变压器油与空气接触面变小，减缓了变压器油的氧化和吸收空气水分的速度。从而减缓了油的变质。 气体继电器——故障时,热量会使变压器油汽化，触动气体继电器发出报警信号或切断电源 安全气道——（防爆筒）如果是严重事故，变压器油大量汽化，油气冲破安全气道管口的密封玻璃，冲出变压器油箱，避免油箱爆裂。 吸湿器—— （呼吸器）内装硅胶（活性氧休铝），用以吸收进入储油柜中空气的水分 净油器——过滤油中杂质，改善变压器油的性能 四、变压器的型号和额定值 额定数据 ：铭牌规定在额定使用条件下所输出的视在功率。 ：指变压器长时间运行所承受的工作电压。（三相为线电压） ：规定加在一次侧的电压； ：一次侧加额定电压，二次侧空载时的端电压。 ：变压器额定容量下允许长期通过的电流有和（三相为线电流）。 ：我国工频：50Hz； 还有额定效率、温升等额定值。 变压器的铭牌 额定值之间的关系 单相变压器的关系式： 三相变压器的关系式： 复习本节重点——工作原理、基本结构 单相变压器的空载运行 变压器是按电磁感应原理工作的静止电气设备，它在电力系统中用来传递电能、变换电压和电流，以满足输电及用电的要求。在工业生产中，变压器还用于整流、电炉、电焊、调压、测量与控制等很多方面。 变压器由铁心、绕组两个主要部分组成。铁心是变压器的磁路部分。电力变压器的铁心一般采用0.35毫米厚的硅钢片叠装而成。绕组是变压器的电路部分，它是用电磁线绕制而成的。电力变压器还有其他附件，如油箱、油枕、气体继电器、防爆管、分接头开关、绝缘套管等。附件对绕组与铁心起散热、保护、绝缘等作用，它能保证变压器安全可靠地运行。 主要学习内容 空载运行时电磁关系 空载电流和空载损耗 空载时的电动势方程等效电路和相量图 一、空载运行时电磁关系 空载运行：原绕组加额定电压，副绕组开路的运行情况称为空载运行 主磁通与漏磁通的区别 （一）各电磁量参考方向的规定 电压或电动势产生电流、电流产生电压降的关系上，三者的假定正方向一致。 电流产生磁通的关系：符合右手螺旋定则 磁通变化感应电动势的关系：符合右手螺旋定则 强调：磁通与产生它的电流之间符合右手螺旋定则；电动势与感应它的磁通之间符合右手螺旋定则。 （二）感应电动势与电动势变比 一次、二次绕组电动势平衡方程式 由于， 故 ，同时 也很小，故可认为 结论：如果u随时间按正弦规律变化，则e亦按正弦规律变化，主磁通Φ也按正弦规律变化 则： 同理： 结论：e1及e2在相位上均滞后于Φm 90°电角度 它们的有效值分别是 变压器空载运行时由于 所以 变 比 ◆比k:指变压器一、二次绕组的电势之比 ◆ k=E1/E2=(4.44fN1Φm)/(4.44fN2Φm)=N1/N2 ◆空载运行时： 3.2.2 空载电流和空载损耗 二、空载电流——等效 为建立变压器的线性正弦等效电路，引入一个等效的正弦励磁电流。 等效条件： 与 有相同的有效值 与 的基波有相同的频率和相位 取代 时，线路中的有功功率大小不受影响 这样: 和 都为正弦，实际就是将磁化曲线作了线性化处理 经计算的数据，误差在工程允许范围之内 结论：为了分析、计算和测量的方便，在相量图和计算式中常用等效的正弦的电流代替实际的空载电流。 三、空载电流——组成 四、空载损耗 空载时的电动势方程、等效电路和相量图 根据电势平衡方程 引入假定的正弦电流后 由于 由 产生，以空气或变压器油为磁路，则可以近似认为 与 成线性关系。故： 可视为 通过某匝数为N1的空心线圈时建立的感应电动势，按线性电路的处理方法， 可用 在某线性电抗上的压降等效代换 由于磁化曲线的线性化，则 也可作于 类似的处理。（由主磁通产生，铁心为磁路，则有磁滞和涡流损耗，为有功） 故 可表示为 在线性阻抗 上的压降 一次侧的电动势平衡方程 等效电路 二次侧 (I2=0) 向量图 问题: 某单相变压器额定电压为380伏/220伏,额定频率为50HZ。如误将低压边接到380伏电源，变压器将会发生一些什么异常现象？ 答案： 由于 U20≈4.44fN2Φm U20由220伏变到380伏，增加了 倍，则主磁通Φm也增加了 倍，磁路饱和程度增加，因而励磁电流I0大大增加，有可能烧毁线 .变压器是怎样变压的,为什么能变电压,而不能 变频? 2 .变压器一次绕组若接在直流电源上,二次侧会 有稳定的直流电压吗?为什么? 3.一台结构已定的变压器当外施电压为已知，需要电源提供多大的励磁电流呢? 励磁电流包括哪些成分呢? 答：决定于变压器的铁芯材料及铁芯几何尺寸。因为铁芯材料是磁性物质，励磁电流的大小和波形将受磁路饱和、磁滞及涡流的影响。 励磁电流包括：有功分量（供铁损）和无功分量（产生Φ0） 单相变压器的负载运行 负载运行时的电磁关系 负载运行时的基本方程式 变压器的等效电路图及相量图 负载运行——是指一侧绕组接额定频率、额定电压的电源上，另一侧绕组接负载的运行状态。 二次绕组电流的影响 ◆带负载——一次侧接电源ú1，二次侧接负载ZL，此时二次侧流过电流i2。一次侧电流不再是i0， 而是变为i1。 ◆负载后——二次侧电流产生磁势F2=N2i2，该磁势将力图改变磁通Φ0，而磁通是由电源电压决定的， 也就是说Φ0基本不变。 ◆要维持Φ0不变，一次绕组产生一个附加电流i1L →i1L →产生磁势N1i1L=N2i2（与二次磁动势相抵消） ◆一次电流变为 i1=i0+i1L ◆总磁势 F1+F2=N1i1+N2i2 →产生Φ0 变压器负载运行时，E2为正弦电势，若负载阻抗是线性的，则二次绕组中的电流i2必为正弦电流— 二次绕组电流的影响 ◆带负载——一次侧接电源ú1，二次侧接负载ZL，此时二次侧流过电流i2。一次侧电流不再是i0， 而是变为i1。 ◆负载后——二次侧电流产生磁势F2=N2i2，该磁势将力图改变磁通Φ0，而磁通是由电源电压决定的， 也就是说Φ0基本不变。 ◆要维持Φ0不变，一次绕组产生一个附加电流i1L →i1L →产生磁势N1i1L=N2i2（与二次磁动势相抵消） ◆一次电流变为 i1=i0+i1L ◆总磁势 F1+F2=N1i1+N2i2 →产生Φ0 变压器负载运行时，一、二次侧漏磁通均为正弦波磁通，分别记作 ，建立的 一样用电抗表示 基本方程式组 3.3.3 等效电路 ? 1、二次电流的归算值——I`2 归算前后磁势应保持不变 2、二次电动势的折算值——E`2 折算前后磁场不变 则： 同理：E`2δ=KE2δ 物理意义：当用N?2=N1替代了N2，其匝数增加到k倍。而主磁通 ?m及频率f均保持不变，折算后的二次电势应增加k倍 二次漏阻抗的折算值——R`2和X`2※ 二次电阻值的折算——R`2 折算前后铜耗应保持不变 物理意义：当用N?2替代N2后，匝数增加到k倍，二次绕组长度增加到k倍；二次电流减到为原来的l/k倍，折算后的二次绕组截面积应减到原来的l／k倍，故折算后的二次电阻应增加到原来的k2倍。（绕组本身没有变化） T等效电路 “г”形等效电路 把励磁支路移至端点处。计算时引起的误差不大：变压器的励磁电流(即空载电流)为额定电流的2％-10％，（大型变压器不到1％）。 近似等效电路 简化等效电路 相量图 变压器的参数测定 在等效电路中的参数Z1、Z2、Zm一般有生产厂家提供，但一般不在铭牌上标出。 也可以通过实验的方法测得： 空载实验 短路实验 变压器空载特性曲线 变压器运行特性 变压器稳定运行时的特性： 单台运行 二次侧电压变化率 效率特性 多台并联运行 功率的分配 一、外特性与电压变化率 由于一次、二次绕组均有电阻和漏抗，则负载时电流通过漏阻抗必然产生内部压降，所以即使一次侧电压恒定，二次侧端电压也会随负载变化而变化。 与直流电动机一样，这样的变化规律用外特性来表明 变压器传递的是交流电，则描述外特性时还要规定负载的功率因数。 （1）定义 外特性定义：当电源电压、负载功率因数一定，二次输出电压随与负载电流变化的规律。 一般用二次空载电压与带负载后在某功率因数下的二次输出电压之差，与二次额定电压的比值，即 （2）参数表示方法 外特性 二、效率特性： 1、变压器的功率关系： 变压器原边从电网吸收电功率P1，其中很小部 分功率消耗在原绕组的电阻上(pcu1=mI12R1)和铁心 损耗上(pFe=mI02Rm)。其余部分通过电磁感应传给副 绕组，称为电磁功率PM。副绕组获得的电磁功率中 又有很小部分消耗在副绕组的电阻上 (pcu2=mI22R2)，其余的传输给负载，即输出功率: 这样，变压器的功率关系可表示如下： 所以变压器的效率为： 特性分析： 1.空载时输出功率为零，所以η=0。 2.负载较小时，损耗相对较大，功率η较低。 3.负载增加，效率η亦随之增加。超过某一负载时，因铜耗成正比增大，效率η反而降低，最大效率η出现在 的地方。因此，取η对β的导数，并令其等于零，即可求出最高效率ηmax时的负载系数βm 即当不变损耗（铁耗）等于可变损耗（铜耗）时效率最大。 由于变压器总是在额定电压下运行，但不可能长期满负载。为了提高运行的经济性，通常设计成βm=0.5～0.6，这样， 使铁耗较小 变压器的并联运行 并联运行的优点： 1．? 供电的可靠性； 2．提高系统的运行效率； 3．减少备用容量； 4．分期分批投资。 并联运行的理想情况： 1．负载时，各变压器之间无环流； 2．负载时，各变压器能合理分担负载，即负载与容量成正比分配。 变压器并联运行的理想条件： 1．原、副绕组的额定电压相等，变比相等； 2．变压器的联结组相同； 3．变压器阻抗电压的相对值相等。 前两个条件之一不满足时会产生环流，第三个不满足时负载分配不合理。 本节重点——空载、短路试验的目的 变压器并联运行的条件 三 相 变 压 器 现代电力系统都采用三相制，故三相变压器使用最广泛。但三相变压器也有其特殊的问题需要研究，例如三相变压器的磁路系统、三相变压器绕组的连接方法和联结组、三相变压器空载电动势的波形和三相变压器的不对称运行等。 一、三相变压器的磁路 三相变压器的磁路系统可分为各相磁路独立和各相磁路相关两大类。 1、各相磁路独立:——三相组式变压器 三相变压器组或组式三相变压器,如图所示  特点：1）显然各相磁路相互独立彼此 无关。 2）当原方接三相对称电源时，各相主磁通和励磁电源也是对称的。 2、各相磁路相关：——三相心式 如图所示， 可见，此时的各相磁通之间是相互联系的，即： 特点：在这种铁心结构的变压器中，任一瞬间某一相的磁通均以其他两相铁心为回路，因此各相磁路彼此相关联。 二、三相变压器的电路系统--绕组的连接法与联结组 目的：谐波分析、并联运行 1、绕组的端点标志与极性： 首先，我们来了解一下变压器出线端的标志符号： 由于变压器高、低压绕组交链着同一主磁通，当某一瞬间高压绕组的某一端为正电位时，在低压绕组上必有一个端点的电位也为正，则这两个对应的端点称为同极性端，并在对应的端点上用符号“．”标出。 注意： 绕组的极性只决定于绕组的绕向，与绕组首、尾端的标志无关。规定绕组电动势的正方向为从首端指向末端。当同一铁心柱上高、低压绕组首端的极性相同时，其电动势相位相同，如图所示。当首端极性不同时，高、低压绕组电动势相位相反，如图： 2、单相变压器的联结组： 1）变压器的联结组：三相变压器高、低压绕组对应的线电动势之间的相位差，通常用时钟法来表示，称为变压器的联结组。 2）时钟法：即把高压绕组的线电动势相量作为时钟的长针，且固定指向12的位置，对应的低压绕组的线电动势相量作为时钟的短针，其所指的钟点数就是变压器联结组的标号。 3）单相变压器的联结组号： 如图所示：对于单相变压器，当高、低压绕组电动势相位相同时，联结组为I，I0，其中I，I表示高、低压绕组都是单相绕组。当高、低压绕组电动势相位相反时，其联结组为I，I6。 3、三相绕组的联结方式： 对于三相变压器，不论是高压绕组还是低压绕组， 我国主要采用星形连接（Y连接）和三角形连接（D连接）两种。 星形连接方式：以高压绕组为例，把三相绕组的３个末端u、v、w连在一起，结成中点，而把它们的三个首端U、V、W引出，便是星形连接，以符号Y表示。 三角形连接方式：如果把一相的末端和另一相首端连接起来，顺序形成一闭合电路，称为三角形连接，用D表示。 注意：相应的是对于低压侧而言，用 y,d表示。 D，y接法 在用相量图判断变压器的联结组时应注意以下几点： 1）绕组的极性只表示绕组的绕法，与绕组首末端的标志无关； 2）高、低压绕组的相电动势均从首端指向末端，线）同一铁心柱上的绕组（在连接图中为上下对应的绕组），首端为同极性时相电动势相位相同，首端为异极性时相电动势相位相反； 4）相量图中U、V、W与u、v、w的排列顺序必须同为顺时针排列，即原、副方同为正相序。 5)对于Y,y连接而言,可得0,2,4,6,8,10六个偶数的联结组号. 相对于Y,d而言,就可得1,3,5,7,9,11六个奇数的联结组号. 5、标准联结组： 总的来说，Y，y接法和D，d接法可以有0、2、4、6、8、10等6个偶数联结组别，Y，d接法和D，d接法可以有1、3、5、7、9、11等6个奇数组别，因此三相变压器共有12个不同的联结组别。为了使用和制造上的方便，我国国家标准规定只生产下列5种标准联结组别的电力变压器，即Y，yn0；Y，d11；YN，d11；YN，y0；Y，y0。其中以前3种最为常用。对于单相变压器，标准联结组为I，I0。 ? 其 他 变 压 器 电压互感器和电流互感器 电压互感器和电流互感器又称仪用互感器，是电力系统中使用的测量设备，其工作原理与变压器基本相同。使用互感器的目的是：1．与小量程的标准化电压表和电流表配合测量高电压、大电流；2．使测量回路与被测回路隔离，以保障工作人员和测试设备的安全；3．为各类继电保护和控制系统提供控制信号。 一、电压互感器： 当忽略漏抗时： ≈ = = 这样，被测电压 U1=K? U2 但实际上很明显，电压互感器存在着误差，这个误差包括变比误差和相位误差。 在使用电压互感器时应注意： 1．副方不允许短路，否则会产生很大的短路电流，烧坏互感器的绕组；2．副方应可靠接地；3．副方接入的阻抗不得小于规定值，以减小误差。 二、电流互感器： 如图所示： 如果将励磁电流忽略，根据磁动势平衡关系： 式中，k i 为电流互感器的变流比，显然，当测量出I2后，被测电流I1=Ki I 2 在实际中，由于励磁电流和漏阻抗的影响，电流互感器也存在着误差。 电流互感器在使用时应注意：1．在运行过程中绝对不允许副方开路。 1.若副方开路，则原方电流全部成为励磁电流，使铁心中的磁通增大，铁心过分饱和，铁耗急剧增大，引起互感器发热。同时因副绕组匝数很多，将会感应出危险的高电压，危及操作人员和测量设备的安全； 2．副方应可靠接地； 3．副方回路阻抗不应超过规定值，以免增大误差。 为了保证二次端电压在允许范围之内,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。 电压调整 分接开关有两种形式：一种只能在断电情况下进行调节，称为无载分接开关-----这种调压方式称为无励磁调压；另一种可以在带负荷的情况下进行调节，称为有载分接开关-----这种调压方式称为有载调压。 中、小型电力变压器一般有三个分接头，记作UN ±5%。大型电力变压器采用五个或多个分接头,例UN ±2x2.5%或UN ±8x1.5%。 其中 铁损耗与外加电压大小有关，而与负载大小基本无关，故也称为不变损耗。 变压器的损耗 铜损耗也分基本铜损耗和附加铜损耗。基本铜损耗是在电流在一、二次绕组直流电阻上的损耗；附加损耗包括因集肤效应引起的损耗以及漏磁场在结构部件中引起的涡流损耗等。。 变压器的损耗主要是铁损耗和铜损耗两种。 铁损耗包括基本铁损耗和附加铁损耗。基本铁损耗为磁滞损耗和涡流损耗。附加损耗包括由铁心叠片间绝缘损伤引起的局部涡流损耗、主磁通在结构部件中引起的涡流损耗等。 铜损耗大小与负载电流平方成正比，故也称为可变损耗。 = 绕组名 ? 单相变压器 三相变压器 首 端 末 端 首 端 末 端 中 点 高压绕组 U1 U2 U1V1W1 U2V2W2 N 低压绕组 u1 u2 u1v1w1 u2v2w2 n 同极性(名)端： A B C EB EC EA a b c Eab EAB A B C EB EC EA EAB a b c Eab D,y7 D,y11 D,y3 （一） 负载运行时的电磁关系 变压器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。 建立的二次绕组磁通势 作用在主磁通磁路上，势必影响 的大小，并引起 的变化，使一次侧电流由空载时的 一次侧的电势平衡方程式： 变压器负载运行时励磁磁势 略小于空载运行磁势 励磁磁通势由空载时的 变为 表明：变压器负载运行时，一次侧电流中有两个分量 1）I0励磁电流，建立主磁场 2）I1L用以平衡二次侧电流对Φm的影响，力图维持Φm保持不变，一次侧绕组的负载分量。 表明：变压器负载运行时，正是通过磁势平衡和电磁感应的作用，实现了一次绕组向二次侧绕组传递功率的。 二次侧电流增加或减少的同时必然引起一次侧电流的增加右减少 以正弦电流 代替实际的非正弦电流 后，变压器已被等效为双线圈、线性、正弦耦合电路。 利用基本平衡方程式组，可以研究变压器各种运行性能。 但

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