1、1,变压器：是一种静止的电机，它利用电磁感应原理将一种电压、电流的交流电能转换成同频率的另一种电压、电流的电能。换句话说，变压器就是实现交流电能在不同等级之间进行转换。,发电,升压,降压,用户,第3章 变压器,2,二、变压器的简单工作原理,一次绕组,二次绕组,铁芯,负载,3.1 变压器的原理、结构及额定值,一、变压器原理,3,简单的单相变压器：在两个线圈没有电的直接联系，只有磁的耦合。,原绕组：也称一次绕或初级绕组。是变压器的两个线圈中接交流电源的线圈，其匝数为N1,副绕组：也称二次绕组或次级绕组。是变压器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、副绕组内产生感应
2、电动势。,4,变压器的种类很多，可按其用途、结构、相数、冷却方式等不同来进行分类。1、按用途分类，可分为电力变压器（主要用在输配电系统中，又分为升压变压器、降压变压器、联络变压器和厂用变压器）、仪用互感器（电压互感器和电流互感器）、特种变压器（如调压变压器、试验变压器、电炉变压器、整流变压器、电焊变压器等）。,二、变压器的分类,5,2、按铁心结构分类，有心式变压器和壳式变压器。3、按绕组数目分类:可分为双绕组变压器,三绕 组变压器、多绕组变压器和自耦变压器。4、按相数分类，有单相变压器、三相变压器。5、按冷却介质和冷却方式分类，可分为油浸式变压器（包括油浸自冷式、油浸风冷式、油浸强迫油循环式）
3、、干式变压器、充气式变压器。6、电力变压器按容量大小通常分为小型变压器（容量为10630kVA）、中型变压器（容量为8006300kVA）、大型变压器（容量为800063000kVA）和特大型变压器（容量在90000kVA及以上）。,6,电力变压器,电源变压器,环形变压器,接触调压器,控制变压器,三相干式变压器,7,铁心和绕组：是构成变压器的器身的主要部 件，。1）铁心：构成了变压器的磁路，同时又是套装绕组的骨架。铁心由铁心柱和铁轭两部分构成。铁心柱上套绕组，铁轭将铁心柱连接起来形成闭合磁路。铁心材料：为了提高磁路的导磁性能，减少铁心中的磁滞、涡流损耗，铁心一般用高磁导率的磁性材料硅钢片叠成。
4、硅钢片有热轧和冷轧两种，其厚度为0.350.5mm，两面涂以厚0.020.23mm的漆膜，使片与片之间绝缘。,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。,三、变压器基本结构,8,铁芯,绕组,单相壳式变压器,铁轭,铁芯柱,9,2）绕组：绕组是变压器的电路部分，它由铜或 铝绝缘导线绕制而成 。一次绕组（原绕组）：输入电能二次绕组（副绕组）：输出电能他们通常套装在同一个心柱上，一次和二次绕组具有不同的匝数，通过电磁感应作用，一次绕组的电能就可传递到二次绕组，且使一、二次绕组具有不同的电压和电流。其中，两个绕组中，电压较高的我们称为高压绕组，相应的电压较低的称为低压
5、绕组。从高、低压绕组的相对位置来看，变压器的绕组又可分为同心式、交迭式。由于同心式绕组结构简单，制造方便，所以，国产的均采用这种结构，交迭式主要用于特种变压器中。 2、其他部件：除器身外，典型的油锓电力变压器中还有油箱、变压器油、绝缘套管及继电保护装置等部件。,10,绕组是变压器的电路部分， 一般用铜或铝的绝缘导线绕成。,绕组有同心式和交叠式两种。,高压绕组,低压绕组,11,心式结构比较简单，绕组的装配及绝缘比较容易，电力变压器的铁心主要采用心式结构。铁心叠装 ：变压器的铁心一般是由剪成一定形状的硅钢片叠装而成。为了减小接缝间隙以减小激磁电流，一般采用交错式叠法，使相邻层的接缝错开。铁心截面:
6、铁心柱的截面一般作成阶梯形，以充分利用绕组内圆空间。容量较大的变压器，铁心中常设有油道，以改善铁心内部的散热条件，如图所示。,12,四、变压器基本结构,三、变压器基本结构,变压器铁心的结构有心式、壳式等形式。壳式结构的特点是铁心包围绕组的顶面、底面和侧面，心式结构的特点是铁心柱被绕组包围，壳式结构的机械强度较好，但制造复杂，,13,1.温度计； 2.吸湿器； 3.储油柜； 4.油表； 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.铁芯； 12.线圈； 13.放油阀,变压器其它附件,14,额定值是制造厂对变压器在指定工作条件下运行时所规定的
7、一些量值。额定值通常标注在变压器的铭牌上。变压器的额定值主要有： 1、额定容量SN额定容量是指额定运行时的视在功率。以 VA、kVA或MVA表示。由于变压器的效率很高，通常一、二次侧的额定容量设计成相等。,四、变压器额定值,15,2、额定电压U1N和U2N 正常运行时规定加在一次侧的端电压称为变压器一次侧的额定电压U1N。二次侧的额定电压U2N 是指变压器一次侧加额定电压时二次侧的空载电压。额定电压以V或kV表示。对三相变压器，额定电压是指线电压。 3、额定电流I1N和I2N根据额定容量和额定电压计算出的线电流，称为额定电流，以A表示。,16,对单相变压器对三相变压器 4、额定频率 fN 我国
8、工业标准50Hz除额定值外，变压器的相数、绕组连接方式及联结组别、短路电压、运行方式和冷却方式等均标注在铭牌上。额定状态是电机的理想工作状态，具有优良的性能，可长期工作。,17,一、空载运行时的电磁情况空载运行：是指变压器原绕组接到额定电压、额定频率的电源上，副绕组开路时的运行状态。,第二节、变压器的空载运行,18,在电机方向的学科中通常按习惯方式规定正方向，称为惯例。在电源支路一次绕组相当于用电器，按用电动机惯例规定正方向：电流的正方向与产生它的电压的正方向一致，由电流产生的磁通符合右手螺旋定则，感应电动势的正方向与产生它的磁通的正方向遵循电磁感应定律的规定（右手定则）；,二、变压器中正方向
9、的规定,19,在负载支路二次绕组相当于电源，按发电惯例规定正方向：电流的正方向与e2的正方向一致，输出电压u2与电流同向。感应电动势的正方向与产生它的磁通的正方向遵循电磁感应定律的规定（右手定则）；,二、变压器中正方向的规定,20,e2,i2,正方向规定,21,二、正方向规定,22,（一）磁通 变压器空载时如果外加电压是正弦波，则e1和磁通也按正弦变化：（磁通连接一二次侧的电路，以磁通为参考进行分析 ）,三、磁通、电动势与空载电流,23,（二）电动势与磁通的关系：假定主磁通按正弦规律变化，即 =msint 根据电磁感应定律和对正方向规定，一、二次绕组中感应电动势的瞬时值为 ：,24,式中：,2
10、5,在变压器中，原、副绕组的感应电动势E1和E2之比称为变压器的变比，用 表示，即：上式表明，变压器的变比等于原、副绕组的匝数比。当变压器空载运行时，由于U1E1 ，U20E2，故可近似地用空载运行时原、副方的电压比来作为变压器的变比，即,26,（三）空载电流：变压器空载运行时原绕组中的电流 主要用来产生磁场，又称为励磁电流，分析它的波形：1）当不考虑铁心损耗时，励磁电流是纯磁化电流，用 来表示。由于磁路有饱和现象，磁化电流 与产生它的磁通之间的关系是非线性的。当磁通按正弦规律变化时，励磁电流为尖顶波。,27,i0,i0,t,只考虑饱和时的励磁电流,28,i0,i0,考虑磁滞回线时的励磁电流,
11、i0,励磁电流可分解为两个分量： （1）与同相的磁化电流 （2）导前900有功分量IFe,t,考虑磁滞回线时的励磁电流,29,从上图中，可以看出磁化电流 与磁通 是同相位的。2）当考虑铁心损耗时，励磁电流 0中还必须包含铁耗分量，即这时励磁电流 将超前磁通一相位角,30,根据对正方向的规定，得到空载时电动势平衡方程式：将漏感电动势写成压降的形式 ：,四、电动势平衡方程式、等效电路及相量图,31,式中 Z1=r1+ 1原绕组的漏阻抗。 对于电力变压器，空载时原绕组的漏阻抗压降I0Z1很小， 其数值不超过U1的0.2%，将I0Z1忽略，则上式变成：在副方，由于电流为零，则副方的感应电动势等于副方的
12、空载电压，即：,32,0,空载时的相量图和等效电路,考虑铁耗（磁滞、涡流）， 激磁电流不再与主磁通同相， 而是导前一个磁滞角。 如果 用电路参数来表示,空载时的相量图: 已知,33,而变压器空载时从原侧看进去的等效阻抗Z0为 式中 ： 称为变压器的励磁阻抗。这样,变压器一次侧的电动势方程可写成,34,等值电路综合了空载时变压器内部的物理情况， 在等值电路中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。,电压方程：,变压器等值电路,35,（1）r1为原绕组的电阻；x1是原绕组的漏电抗，与匝数和几何尺寸有关，表征漏磁通对电流的电磁效应。（2） rm：变压器的励磁电阻，反
13、映铁耗：Zm：变压器的励磁阻抗。xm:变压器的励磁电抗，反映励磁过程 （3）主磁通大小， 取决于电网电压、频率和匝数。,等值电路参数,36,. 变压器的负载运行,3.3.1 磁通势平衡关系 3.3.2 基本方程式 3.3.3 折算法 ()电动势的折算 (2)电流的折算 (3)阻抗的折算 ()电压的折算,37,图3.12 单相变压器负载运行,38,39,40,41,3.3.4 等效电路 3.3.5 相量图 ,42,图3.13 变压器负载运行示意图,43,图3.14 变压器的“T”形等效电路,44,图3.15 变压器的“”形等效电路,45,图3.16 变压器的简化等效电路,46,图3.17 感性负
14、载时变压器的相量图,47,3. 变压器参数的测定,从上节可知，当用基本方程式、等效电路或相量图分析变压器的运行性能时，必须知道变压器的参数。这些参数直接影响变压器的运行性能，在设计变压器时，可根据使用的材料及结构尺寸把它们计算出来，而对已制成的变压器，可用试验的方法求得。,48,3.4.1 空载试验（低压侧） 试验目的:测定变压器的空载电流I0、变比k、 铁损耗 及励磁阻抗Zm=rm+jxm。,图3.18 变压器空载试验接线图,49,50,实验目的：测定变压器的 和 、 。,图3.19 变压器短路试验接线图,3.4.2 短路试验（高压侧）,记录室温,51,52,53,3. 变压器的运行特性,3
15、.5.1 电压变化率 (1)负载时二次侧端电压的变化 ,54,电压变化率是指一次侧加50Hz额定电压、二次空载电压与带负载后在某功率因数下的二次电压之差，与二次额定电压的比值，即,(2)电压变化率,电压变化率是表征变压器运行性能的重要指标之一,它大小反映了供电电压的稳定性。,55,o,B,A,C,E,F,D,可以用简化相量图求U,56,可以用简化相量图求U,57,可以看出： (1)纯阻性负载时，2=0， U为正； (2)感性负载时， 20，U为正； (3)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%。,58,3.5.2、变压器的效率与效率特性,效率是指变压器的输出
16、功率与输入功率的比值。,一、变压器的损耗,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。,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。,59,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。,铜损耗大小与负载电流平方成正比，故也称为可变损耗。,短路实验电流额定：,在任意负载下：,60,不考虑变压器副边电压的变化，即认为U
17、2=U2N不变：,二、效率,61,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) 或=f(),称为变压器的效率特性。.,62,即当铜损耗等于铁损耗(可变损耗等于不变损耗)时,变压器效率最大：,或,为了提高变压器的运行效益，设计时应使变压器的铁损耗小些,63,3. 三相变压器的连接组别,电力系统均采用三相制，所以三相变压器被广泛用于输配电及各种电气设备。电力系统中三相电压是对称的，三相变压器各相的参数是相同的，通常所接负载亦对称（即三相负载阻抗相同），这时三相变压器的一、二次绕组均为三相对称电路。,64,三相变压器的磁路系统可分为各相磁路独立和各相
18、磁路相关两大类。 磁路独立的三相变压器组或称三相组式变压器:,一、 三相变压器的磁路系统,65,各相磁路相关的三铁心柱变压器：,中间铁心柱的主磁通为三相主磁通的总和可以省去铁心柱。,为结构简单，将三个铁芯柱排在一个平面磁路长短不一， 励磁电流占很小比例， 影响不大。,66,心式磁路变压器,特点是：三相磁路彼此有关联。,67,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：,二、三相变压器的电路-绕组联结组别,68,（一）三相绕组的联结法：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。有中性点时用YN、ZN表示。 星形
19、连接方式：以高压绕组为例，把三相绕组的个末端U2V2W2连在一起，结成中点，而把它们的三个首端U1、V1、W1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。,69,单相变压器的极性,一、二次绕组的同名端同标志时，一、二次绕组的电动势同相位。,一、二次绕组的同名端异标志时，一、二次绕组的电动势反相位。,联结组 I,I0,联结组 I,I6,a） d）,b） c）,（二）单相变压器的联结组别,70,连接组别：反映三相变压器连接方式及一、二次线电动势（或线电压）的相
20、位关系。,三相变压器的连接组别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（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。,（三）三相变压器联结组别,71,当各相绕组同铁心柱时，Y，y接法有两种情况。1）、高、低压绕组同极性端有相同的首端标志，高、低压绕组相电动势相位相同，则高、低压绕组对应线电动势和也同相位，其联结组为Y，y0。2）、同极性端有相
21、异的端点标志，高、低压绕组相电动势相位相反，则对应的线电动势和相位也相反，因此其联结组为Y，y6。,72,同名端在对应端，对应的相电动势同相位，线电动势 和 也同相位，联结组别为Y，y0。,1、Y，y连接,73,若高压绕组三相标志不变，在Y,y0联结组基础上，低压绕组三相标志依次右移(w1u1v1) ，可以得到Y,y4联结组; 再次右移(v1w1u1) ，可以得到Y,y8 联结组。,74,U1,U1,V1,Y/Y6,在Y,y0基础上，如果高/低压绕组对应端是异名端，可得到Y，y6,V1,W1,u1 v1 w1,W1,v1,12,6,75,若高压绕组三相标志不变，在Y,y6联结组基础上，低压绕组
22、三相标志依次右移，可以得到Y,y10、Y,y2联结组别。,76,2、Y，d连接,同名端在对应端，对应的相电动势同相位，线电动势 和 相差3300，连接组别为Y，d11。,77,若高压绕组三相标志不变，在Y，d11基础上，低压绕组三相标志依次右移，可以得到Y,d3、Y,d7联结组别。,2、Y，d连接,78,2、Y，d连接,同理，若改变2次侧联结顺序，可得到Y,d1联结组,79,若高压绕组三相标志不变，低压绕组三相标志依次后移，可以得到Y,d5连接组。,2、Y，d连接,80,若高压绕组三相标志不变，低压绕组三相标志依次后移，可以得到Y,d9连接组别。,2、Y，d连接,81,总之，对于Y，y（或D，
23、d）连接，可以得到0、2、4、6、8、10等六个偶数组别；而Y，d（或D，y）连接，可以得到1、3、5、7、9、11等六个奇数组别。,变压器的连接组别很多，为了便于制造和并联运行，国家标准规定，Y，yn0、Y，d11、YN，d11、YN，y0和Y，y0连接组为三相双绕组电力变压器的标准连接组别。,其中前三种最为常用：Y,yn0 连接的二次绕组可以引出中线，成为三相四线制，用作配电变压器时可兼供动力和照明负载。Y,d11连接用于低压侧电压超过400V的线路中。YN,d11连接主要用于高压输电线路中，使电力系统的高压侧可以接地。,82,提高供电的可靠性；负荷变化较大，用多台变压器并联运行可以随 时
24、调节投入变压器的台数；可以减少变压器的储备容量。,3.7 三相变压器的并联运行,83,1. 空载时各台变压器的 I2 = 0，即各台变压器之间无环流。 2. 负载运行时，各台变压器分担的负载与它们的容量成正比。 二、理想并联运行的条件 1. 电压比相等，以保证二次空载电压相等。规定：电压比之差0.5%(平均电压比) 2. 联结组别相同，以保证二次空载电压相位相同。,一、并联运行的理想状态,3. 短路阻抗相对值相等。,84,三、并联运行条件不满足时的状况,1、联接组别对并联运行的影响,85,2、变比不等时的并联运行,规定：电压比之差0.5%(平均电压比),86,3、短路阻抗相对值不等时的并联运行
25、,当 ZS 的相对值（或 US 的相对值）相等时，各台变压器承担的负载与其容量成正比。,87,3.8 自耦变压器和仪用互感器,前面以普通双绕组电力变压器为例,阐述了变压器的基本理论。尽管变压器的品种繁杂,规格甚多,但其基本理论都是相似的,这里不再一一讨。本节仅介绍较为常用的自耦变压器和仪用互感器的工作原理及特点。,88,1. 自耦变压器的基本结构只有一个绕组。,手柄,接线柱,一、自耦变压器,89,2. 自耦变压器的工作原理,(1) 电压关系忽略漏阻抗，则,90,(2) 电流关系,公共绕组的电流,91,在降压变压器中， I1 I2,在升压变压器中， I1 I2,(3) 功率关系 变压器容量,SN
26、 = U2NI2N = U1NI1N,S2 = U2I2,在降压变压器中,= U2 (II1 ) = U2IU2I1 = SiSt,92,在升压变压器中,S1 = U1I1,= U1 (II2 ) = U1IU1I2 = SiSt,降压变压器 升压变压器 感应功率 Si 传导功率 St,U2I U1I U2I1 U1I2,在 SN 一定时， k 越接近 1，Si 越小， St 所占比例越大，经济效果越显著。,93,1、电压互感器,= ku,国产互感器： U2N = 100 V使用注意： 二次绕组禁止短路。 二次绕组与铁心必须接地。,空载运行的降压变压器。,电压互感器,二、 仪用互感器,94, E2,2、电流互感器,N1很小。短路运行的升压变压器。,= ki,国产互感器： I2N = 5 A使用注意： 二次绕组禁止开路。开路时：I2 = 0，I1 不变, , 一次绕组工作电压较高时，二次绕组与铁心必须接地。,
