1、第三章 变压器,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,变压器的主要部件铁心和套在铁心上的两个绕组。两绕组只有磁耦合没电联系。在一次绕组中加上交变电压，产生交链一、二次绕组的交变磁通，在两绕组中分别感应电动势。,k匝比,忽略铁心中的损耗，根据能量守恒定律，有：,二、变压器的分类,按用途分：电力变压器和特种变压器。,按绕组数目分：单绕组（自耦）变压器、双绕组变压器、三绕组变压器和多绕组变压器。,按相数分：单相变压器、三相变压器和多相变压器。,按铁心结构分：芯式变压器和壳式变压器。,按调压方式分：无励磁调压变压器和有载调压变压器。,按冷却介质和冷却方式分：干式变压器、油浸式变压
2、器和充气式变压器。,电源变压器,电力变压器,控制变压器,接触调压器,三相干式变压器,三、变压器的结构简介,铁心变压器中主要的磁路部分，分为铁心柱与铁轭两部分。,绕组变压器中的电路部分。,油浸式电力变压器,1信号式温度计 2吸湿器 3储油柜 4油位计 5安全气道 6气体继电器 7高压套管 8低压套管 9分接开关 10油箱 11铁心 12线圈 13放油阀门,变压器的额定值,额定容量为变压器的视在功率（用SN 表示，单位 kVA ，VA）,额定电压（一次和二次绕组上分别为UN1 和UN2 ，单位V, kV）,额定电流（一次和二次绕组上分别为IN1 和IN2 ，单位 A , kA）,单相变压器,三相变
3、压器,额定频率fN 我国的规定为50Hz,例有一台三相油浸自冷式铝线电力变压器，,试求一次、二次绕组的额定电流。,解：,联结,第二节 单相变压器的空载运行,一、空载运行时的物理情况,变压器匝数为N1的一次绕组加上交流电压，变压器匝数为N2的二次绕组开路，这种情况即为变压器的空载运行。,一次绕组和二次绕组的电动势平衡方程式,其中，i0 空载电流；u20 二次绕组的空载电压；r1 一次绕组的电阻。 主磁通；1 一次绕组漏磁通。,1、感应电动势与主磁通,感应电动势e1 和e2 均滞后于 的电角度90，其有效值为,E1和E2的相量表达式,2、空载电流,空载电流包含两个分量，一个是励磁分量，作用是建立磁
4、场，产生主磁通无功分量；另一个是铁损耗分量，作用是供变压器铁心损耗有功分量。,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：与电源电压和频率、线圈匝数、磁路材质及几何尺寸有关，用空载电流百分数I0%来表示：,3、漏磁通和漏电抗,漏电动势E 1,漏电抗X1 是一次绕组的一个参数。,二、空载运行时的电动势平衡方程式、相量图及等效电路,其中，Z 1 一次绕组漏阻抗Zm 变压器的励磁阻抗Xm 变压器的励磁电抗Rm 变压器的励磁电阻,并且有,第三节 单相变压器的基本方程式,变压器一次侧接在额定频率、额定电压的交流电源上，二次侧接上负载的运行状态，称为负载
5、运行。,二、负载运行时的基本方程式,1、磁动势平衡方程式,2、电动势平衡方程式,第四节 变压器的等效电路及相量图,一、绕组归算,归算：将变压器的二次（或一次）绕组用另一个绕组来等效，同时，对该绕组的电磁量作相应的变换，以保持两侧的电磁关系不变。,归算原则：1）保持二次侧磁动势不变；2）保持二次侧各功率或损耗不变。,二次绕组归算后，变压器一次和二次绕组具有同样的匝数，即,（一）电动势和电压的归算,则,（二）电流的归算,（三）阻抗的归算,阻抗归算的原则：归算前后电阻铜耗及漏感中无功功率不变。,归算后变压器负载运行时的基本方程式变为如下形式：,二 、等效电路,右图中，二次绕组各量均已经归算到一次绕组
6、，即,图中a、b和c、d分别是等电位点，可连接起来而不改变运行情况。于是作出变压器的T形等效电路。（由前述的基本方程式也可得出该等效电路）,三 、相量图,根据T形等效电路，可以画出相应的相量图。,四 、近似等效电路图,Rk、Xk和Zk分别称为短路电阻、短路电抗和短路阻抗。,第五节 变压器参数测定和标幺值,一、空载试验,1、目的：通过测量空载电流和一、二次电压及空载功率来计算变比、空载电流百分数、铁损和励磁阻抗。,2、接线图,3、要求及分析,1）低压侧加电压，高压侧开路；,5）空载电流和空载功率必须是额定电压时的值，并以此求取励磁参数；,6）若要得到高压侧参数，须折算；,7）对三相变压器，各公式
7、中的电压、电流和功率均为相值；,4）求出参数,二、负载试验,1、目的：通过测量短路电流、短路电压及短路功率来计算变压器的短路电压百分数、铜损和短路阻抗。,2、接线图,3、要求及分析,1）高压侧加电压，低压侧短路；,3）同时记录实验室的室温；,4）由于外加电压很小，主磁通很少，铁损耗很少，忽略铁损，认为 。,5）参数计算:,6）温度折算：电阻应换算到基准工作温度时的数值。,7）若要得到低压侧参数，须折算；,75时的短路阻抗,三、标幺值,标么值,就是指某一物理量的实际值与选定的同一单位的基准值的比值,即,1、定义,通常以各物理量的额定值作为基准值,2、基准值的确定,当以额定值为基值时，一、二次电压
8、、电流的标么值为,一、二次绕组阻抗的标么值为,不论变压器的容量大小和电压高低，用标么值表示时，所有电力变压器的性能数据变化范围很小，这就便于对不同容量的变压器进行分析和比较。,用标么值表示时，无论从高压侧或低压看进去的阻抗标么值都是相等的，故不必进行折算，使运算大为简便。,以上各式中，电压、电流及阻抗均为一相的数值。,3、标么值的优点,由上式可见，短路阻抗的标么值 就是短路电压的标么值 ，短路电阻的标么值 就是短路电压有功分量的标么值 ，短路电抗的标么值 就是短路电压无功分量的标么值 。,第六节 变压器的运行特性,一、 变压器的电压调整率和外特性,由于变压器内部存在电阻和漏电抗，因此负载运行时
9、，当负载电流流过二次侧时，变压器内部将产生阻抗压降，使二次侧端电压随负载电流的变化而变化，这种变化关系可用变压器的外特性来描述。变压器的外特性：指一次侧的电源电压和二次侧负载的功率因数均为常数时，二次侧端电压随负载电流变化的规律，即 U2 = f ( I2 ) 。,变压器带负载运行时，二次侧端电压的变化程度通常用电压调整率来表示。,电压调整率：指当一次侧接在额定频率额定电压的电网上，负载功率因数为常值时，空载与负载时二次侧端电压变化的相对值，用U*表示，即,或,一般情况下，在 （感性）时，额定负载的电压调整率约为（4-5.5）%左右。,二、 变压器的损耗与效率,变压器在能量传递过程中会产生损耗
10、。变压器的损耗分为铜损耗和铁损耗两大类，每一类损耗中又包括基本损耗和附加损耗两种。,基本铜耗是电流在绕组中产生的直流电阻损耗。附加损耗包括因集肤效应、导体中电流分布不均匀而使电阻变大所增加的铜耗以及漏磁通在结构部件中引起的涡流损耗等。,基本铁耗是变压器铁心中的磁滞和涡流损耗。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。附加铁损耗包括铁心叠片间由于绝缘损伤而引起的局部涡流损 耗以及主磁通在结构部件中所引起的涡流损耗等。附加铁损耗难以准确计算，一般取基本损耗的（15-20）%。,变压器效率是指变压器的输出功率P2与输入功率P1之比，用百分数表示，即,为了方便计算，可采用下面的公式计算
11、,由上式算出的效率称为惯例效率。对已制成的变压器，P0和PkN是一定的，所以效率与负载的大小及功率因数有关。,在 =常值下，效率随负载电流变化的曲线 称为效率曲线，如图所示。,将此式代入 式即可求出变压器的最大效率。,从效率曲线上可以看出， 当负载变化到某一数值时将出现最大效率max。与分析直流电机的最大效率一样，当变压器的可变损耗等于不变损耗时，效率达最大值，即,第七节 三相变压器,一、 三相变压器的磁路系统,1、三相变压器组,特点：三相磁路彼此无关联。,2、三相心式磁路,特点：三相磁路彼此有关联。,二、 三相变压器的电路系统 联结组,1、绕组的首端和末端的标志规定,2、 绕组的联结法,三相
12、变压器中，不论一次绕组或二次绕组，我国主要采用星形和三角形两种联结。,星形联结,三角形联结,把三相绕组的三个末端U2、V2、W2联接在一起，而把它们的首端U1、V1、W1引出，便是星形联结（Y接法）用字母Y或y表示,把一相绕组的末端和另一相绕组的首端连在一起，顺次联接成一闭合回路，然后从首端U1、V1、W1引出，如图所示，便是三角形联结，用字母D或d表示。,3、单相变压器一、二侧电压的相位,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。,4、 三相变压器的连接,连接组号：反映三相变压器连接方式及一、二次线电动势（或线电
13、压）的相位关系。,三相变压器的连接组号不仅与绕组的绕向和首末端标志有关，而且还与三相绕组的连接方式有关。,理论和实践证明：无论采用怎样的连接方式，一、二次侧线电动势（可电压）的相位差总是300的整数倍。因此可以采用时钟表示法 作为时钟的分针，指向12点， 作为时钟的时针，其指向的数字就是三相变压器的组别号。组别号的数字乘以300，就是二次绕组的线电动势滞后于一次侧电动势的相位角。,例,一台他励直流电动机的铭牌数据为：,，当额定负载时，求,1. 电枢电路串电阻 时， 电动机的稳定速度。,2. 电源电压下降到110V ， 时， 电动机的稳定速度。,3. 减弱磁通使 ， 时， 电动机的稳定速度。,解,1.,2.,例,一台他励直流电动机的铭牌数据为：,，当额定负载时，求,1. 电枢电路串电阻 时， 电动机的稳定速度。,2. 电源电压下降到110V ， 时， 电动机的稳定速度。,3. 减弱磁通使 ， 时， 电动机的稳定速度。,解,1.,2.,例,一台他励直流电动机的铭牌数据为：,，当额定负载时，求,1. 电枢电路串电阻 时， 电动机的稳定速度。,2. 电源电压下降到110V ， 时， 电动机的稳定速度。,3. 减弱磁通使 ， 时， 电动机的稳定速度。,解,1.,2.,2. 因负载转矩不变，所以,
