變壓器工作原理

電力變壓器的工作原理一、變壓器基本原理二、變壓器空載特性三、變壓器負載特性四、電力變壓器的型號五、三相變壓器2/1/20231變壓器發(fā)展史1884年匈牙利人制造出世界第一臺變壓器。（閉合鐵心式）1917年我國上海華生電器制造廠生產(chǎn)出我國第一臺變壓器1953年我國沈陽變壓器廠制造出第一臺仿蘇13500/110單相變壓器。1954年我國沈陽變壓器廠制造出第一臺單相規(guī)格20000/154變壓器。1958年8月我國沈陽變壓器廠制造出第一臺單相仿蘇40000/220變壓器。1960年3月我國沈陽變壓器廠制造出第一臺330kV變壓器。1979年12月我國沈陽變壓器廠制造出第一臺單相500kV型號DFPS-250000/500變壓器。2005年4月2日保定天威通過750kV型號ODFPS-500000/750變壓器試驗。2009年1月6日特變電工沈陽變壓器公司生產(chǎn)的1000kV型號ODFS-1000000/1000變壓器投入運行。2/1/20232世界上第一臺閉合鐵心變壓器我國第一臺交流1000kV變壓器2/1/20233一、變壓器基本工作原理

變壓器是一種靜止電器,它通過線圈間的電磁感應(yīng),將一種電壓等級的交流電能轉(zhuǎn)換成同頻率的另一種電壓等級的交流電能.變壓器是利用電磁感應(yīng)原理工作，它是由相互絕緣且匝數(shù)不等的兩個繞組（構(gòu)成電路），套裝在有良好導(dǎo)磁性能材料疊成的鐵心上(構(gòu)成磁路），兩繞組之間只有磁的耦合而沒有電的聯(lián)系。2/1/20234

變壓器的一次繞組（一次繞組）與交流電源接通后，經(jīng)繞組內(nèi)流過交變電流產(chǎn)生磁動勢，在這個磁動勢作用下，鐵芯中便有交變磁通，即一次繞組從電源吸取電能轉(zhuǎn)變?yōu)榇拍?，在鐵芯中同時交（環(huán)）鏈原、副邊繞組（二次繞組），由于電磁感應(yīng)作用，分別在原、二次繞組產(chǎn)生頻率相同的感應(yīng)電動勢。如果此時二次繞組接通負載，在二次繞組感應(yīng)電動勢作用下，便有電流流過負載，鐵芯中的磁能又轉(zhuǎn)換為電能。這就是變壓器利用電磁感應(yīng)原理將電源的電能傳遞到負載中的工作原理。

E1=4.44fN1BmS×10-4

E2=4.44fN2BmS×10-4

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在主磁通的作用下，兩側(cè)的線圈分別產(chǎn)生感應(yīng)電勢，電勢的大小與匝數(shù)成正比，K為變壓器變比。

變壓器匝數(shù)多的一側(cè)電流小，匝數(shù)少的一側(cè)電流大。變壓器的原、副線圈匝數(shù)不同，起到了變壓器作用。變壓器一次側(cè)為額定電壓時，其二次側(cè)電壓隨著負載電流的大小和功率因素的高低而變化。

變壓器電流之比與一、二次繞組的匝數(shù)成反比，即2/1/20236

二.變壓器的空載特性變壓器一次繞組接電源，二次繞組開路，負載電流為零，這種情況即為變壓器的空載運行。N1和N2為一、二次繞組的匝數(shù)分別繞在兩個鐵心柱上。2/1/20237主磁通與漏磁通的區(qū)別1）性質(zhì)上：Φm與I0成非線性關(guān)系；ΦL1

與I0成線性關(guān)系；2）數(shù)量上：Φm占99%以上，ΦL1僅占1%以下；3）作用上：起傳遞能量的作用，起漏抗壓降作用。各電磁量參考方向的規(guī)定一次側(cè)遵循電動機慣例，二次側(cè)遵循發(fā)電機慣例。磁通與產(chǎn)生它的電流之間符合右手螺旋定則；電動勢與感應(yīng)它的磁通之間符合右手螺旋定則。2/1/20238

空載電流和空載損耗一、空載電流作用與組成空載電流I0包含兩個分量，一個是勵磁分量I0a，作用是建立磁場，另一個是鐵損耗分量I0r，主要作用是供鐵損耗。性質(zhì)：由于空載電流的無功分量遠大于有功分量，所以空載電流主要是感性無功性質(zhì)——也稱勵磁電流；大?。号c電源電壓和頻率、線圈匝數(shù)、磁路材質(zhì)及幾何尺寸有關(guān)，用空載電流百分數(shù)I0%來表示：2/1/202393、空載電流波形由于磁路飽和，空載電流與由它產(chǎn)生的主磁通呈非線性關(guān)系。

當磁通按正弦規(guī)律變化時，空載電流呈尖頂波形。

當空載電流按正弦規(guī)律變化時，主磁通呈尖頂波形。實際空載電流為非正弦波，但為了分析、計算和測量的方便，在相量圖和計算式中常用正弦的電流代替實際的空載電流。2/1/202310

變壓器空載時一次側(cè)從電源吸收少量的有功功率P0，供給鐵心損耗PFe和繞組損耗IR由于I和R均很小，所以即空載損耗近似為鐵心損耗對于已制成變壓器，鐵損與磁通密度幅值的平方成正比，與電流頻率的1.3次方成正比，即空載損耗空載損耗約占額定容量的0.1%-1%，而且隨變壓器容量的增大而下降。為減少空載損耗，改進設(shè)計結(jié)構(gòu)的方向是采用優(yōu)質(zhì)鐵磁材料：優(yōu)質(zhì)硅鋼片、激光化硅鋼片或應(yīng)用非晶態(tài)合金。2/1/202311可見，影響主磁通大小的因素有電源電壓和頻率，以及一次線圈的匝數(shù)。U1=-E1-E1δ+I0R1=-E1+I0R1+jI0X1=-E1+Z1I0一、電動勢平衡方程和變比空載時的電動勢方程、等效電路和相量圖1.電動勢平衡方程1.1一次側(cè)電動勢平衡方程忽略很小的漏阻抗壓降，并寫成有效值形式，有U1≈E1=4.44fN1Φm則2/1/2023122、變比定義對三相變壓器，變比為一、二次側(cè)的相電動勢之比，近似為額定相電壓之比，具體為Y，d接線D，y接線(2)二次側(cè)電動勢平衡方程U2=E22/1/202313空載時的等效電路和相量圖等效電路一次側(cè)的電動勢平衡方程為空載時等效電路為基于E1δ=-jI0X1δ表示法，Φ感應(yīng)的電動勢E1也用電抗壓降表示，由于Φ在鐵心引起鐵損PTE，所以還要引入一個電阻Rm,用I20Rm等效PTE,即E1=I0(Rm+jXm)U1=-E1+I0Z1=I0(Rm+jXm+I0(R1+jX1)2/1/202314勵磁電阻、勵磁電抗、勵磁阻抗。由于磁路具有飽和特性所以不是常數(shù)，隨磁路飽和程度增大而減小。由于，所以有時忽略漏阻抗，空載等效電路只是一個元件的電路。在一定的情況下，大小取決于的大小。從運行角度講，希望越小越好，所以變壓器常采用高導(dǎo)磁材料，增大，減小，提高運行效率和功率因數(shù)。2/1/2023152、相量圖根據(jù)前面所學(xué)的方程，可作出變壓器空載時的相量圖：（1）以為參考相量（2）與同相，滯后，（3）滯后，-E1；（4）（5）2/1/202316空載運行小結(jié)（1）一次側(cè)主電動勢與漏阻抗壓降總是與外施電壓平衡,若忽略漏阻抗壓降，則一次主電勢的大小由外施電壓決定.（2）主磁通大小由電源電壓、電源頻率和一次線圈匝數(shù)決定，與磁路所用的材質(zhì)及幾何尺寸基本無關(guān)。（3）空載電流大小與主磁通、線圈匝數(shù)及磁路的磁阻有關(guān)，鐵心所用材料的導(dǎo)磁性能越好，空載電流越小。（4）電抗是交變磁通所感應(yīng)的電動勢與產(chǎn)生該磁通的電流的比值，線性磁路中，電抗為常數(shù)，非線性電路中，電抗的大小隨磁路的飽和而減小。2/1/2023172.變壓器的負載運行一次側(cè)接交流電源，二次側(cè)接負載，二次側(cè)中便有負載電流流過，這種情況稱為負載運行。2/1/202318

單相變壓器的負載運行

負載運行時的電磁關(guān)系變壓器一次側(cè)接在額定頻率、額定電壓的交流電源上，二次接上負載的運行狀態(tài)，稱為負載運行。2/1/202319用圖示負載運行時的電磁過程2/1/202320

基本方程一、磁動勢平衡方程或

電磁關(guān)系將一、二次聯(lián)系起來,二次電流增加或減少必然引起一次電流的增加或減少.用電流形式表示。,I;,I::L作用它起平衡二次磁動勢的另一個是負載分量產(chǎn)生主磁通它用來一個是勵磁電流兩個分量變壓器的負載電流包括表明10&&2/1/202321二、電動勢平衡方程根據(jù)基爾霍夫電壓定律可寫出一、二次側(cè)電動勢平衡方程負載運行時,忽略空載電流有:表明，一、二次電流比近似與匝數(shù)成反比?？梢?，匝數(shù)不同，不僅能改變電壓，同時也能改變電流。2/1/202322等效電路及相量圖一、折算折算原則：1）保持二次側(cè)磁動勢不變；2）保持二次側(cè)各功率或損耗不變。方法：（將二次側(cè)折算到一次側(cè))折算：將變壓器的二次（或一次）繞組用另一個繞組(N2=N1)來等效，同時對該繞組的電磁量作相應(yīng)的變換，以保持兩側(cè)的電磁關(guān)系不變,用一個等效的電路代替實際的變壓器。2/1/202323折算后的方程式為2/1/202324二、等效電路根據(jù)折算后的方程，可以作出變壓器的等效電路。T型等效電路：近似等效電路2/1/202325簡化等效電路：其中分別稱為短路電阻、短路電抗和短路阻抗。

由簡化等效電路可知，短路阻抗起限制短路電流的作用，由于短路阻抗值很小，所以變壓器的短路電流值較大，一般可達額定電流的10~20倍。2/1/202326三、相量圖作相量圖的步驟——對應(yīng)T型等效電路，假定變壓器帶感性負載。2/1/202327電力變壓器的型號特殊使用環(huán)境代號額定電壓額定容量特殊用途和特殊結(jié)構(gòu)代號設(shè)計序號調(diào)壓方式導(dǎo)線材料繞組數(shù)油循環(huán)方式冷卻方式相數(shù)產(chǎn)品類別2/1/2023281、產(chǎn)品類別代號O-自耦變壓器，通用電力變壓器不標H-電弧爐變壓器C-感應(yīng)電爐變壓器Z-整流變壓器K-礦用變壓器Y-試驗變壓器2/1/2023292、相數(shù)D-單相變壓器S-三相變壓器2/1/2023303、冷卻方式F-風(fēng)冷式S-水冷式注：油浸自冷式和空氣自冷式不標注2/1/2023314、油循環(huán)方式自然循環(huán)(不標注）P―強迫循環(huán)2/1/2023325、繞組數(shù)S―三繞組注：雙繞組不標注2/1/2023336、導(dǎo)線材料L―鋁繞組注：銅繞組不標注Lb—表示半鋁、半銅2/1/2023347、調(diào)壓方式Z―有載調(diào)壓注：無勵磁調(diào)壓不標注2/1/2023358、性能水平代號（設(shè)計序號）

性能水平代號電壓等級kV性能參數(shù)空載損耗負載損耗76、10符合GB/T6451組Ⅱ符合GB/T6451≥35符合GB/T645186、10符合GB/T6451組Ⅰ≥35比GB/T6451平均下降10%96、10配電變壓器符合表A26、10電力變壓器比GB/T6451組Ⅰ平均下降10%比GB/T6451平均下降10%≥35比GB/T6451平均下降20%106、10比GB/T6451組Ⅰ平均下降20%比GB/T6451平均下降15%≥35比GB/T6451平均下降30%116、10比GB/T6451組Ⅰ平均下降30%≥35比GB/T6451平均下降40%2/1/2023369、特殊用途或特殊結(jié)構(gòu)代號Z――低噪聲用；L――電纜引出X――現(xiàn)場組裝式；J――中性點為全絕緣；CY――發(fā)電廠自用變壓器K—內(nèi)置電抗器2/1/20233710、變壓器的額定容量變壓器的額定容量，單位為KVA、MVA。2/1/20233811、變壓器的額定電壓變壓器的額定容量，單位為KV。2/1/202339電力變壓器的型號例1：一臺三相、油浸、風(fēng)冷、雙繞組、無勵磁調(diào)壓、銅導(dǎo)線、20000kVA、110kV級電力變壓器產(chǎn)品，其性能水平符合GB/T6451規(guī)定，該產(chǎn)品的型號為：SF9—20000/1102/1/202340電力變壓器的型號例2：一臺三相、油浸、水冷、強迫油循環(huán)、雙繞組、有載調(diào)壓、銅導(dǎo)線、370000kVA、220kV級電力變壓器的產(chǎn)品，其性能水平符合GB/T6451規(guī)定，該產(chǎn)品的型號為：

SSPZ9——370000/2202/1/202341變壓器額定值的含義和作用

1.額定容量SN

：指變壓器的視在功率。對三相變壓器指三相容量之和。單位：伏安（VA）千伏安（kVA）兆伏安（MVA)2.額定電壓UN：U1N指電源加到原邊繞組上的電壓，U2N

是副邊繞組開路即空載運行時副繞組的端電壓。對于三相變壓器一般指線電壓值。單位：伏（V）千伏（kV）3.額定電流IN（A）指變壓器在額定容量下允許長期通過的工作電流。單位：安培（A）額定容量、額定電壓、額定電流之間關(guān)系為單相變壓器SN=U1N×I1N=U2N×I2N三相變壓器SN=√3U1N×I1N=√3U2N×I2N2/1/202342

三相變壓器

磁路系統(tǒng)一、組式磁路變壓器二、心式磁路變壓器特點是：三相磁路彼此無關(guān)聯(lián)。特點是：三相磁路彼此有關(guān)聯(lián)。2/1/2023433.7.2電路系統(tǒng)一、變壓器的端頭標號繞組名稱單相變壓器三相變壓器中性點首端末端首端末端高壓繞組U1U2U1、V1、W1U2、V2、W2N低壓繞組u1u2u1、v1、w1u2、v2、w2n中壓繞組U1mU2mU1m、V1m、W1mU2m、V2m、W2mNm2/1/202344二、單相變壓器的極性**一、二次繞組的同極性端同標志時，一、二次繞組的電動勢同相位。******一、二次繞組的同極性端異標志時，一、二次繞組的電動勢反相位。2/1/202345三、三相變壓器的連接組別連接組別：反映三相變壓器連接方式及一、二次線電動勢（或線電壓）的相位關(guān)系。

三相變壓器的連接組別不僅與繞組的繞向和首末端標志有關(guān)，而且還與三相繞組的連接方式有關(guān)。理論和實踐證明，無論采用怎樣的連接方式，一、二次側(cè)線電動勢（線電壓）的相位差總是300的整數(shù)倍。因此可以采用時鐘表示法——EUV作為時鐘的分針，指向12點，Euv作為時鐘的時針，其指向的數(shù)字就是三相變壓器的組別號。組別號的數(shù)字乘以300，就是二次繞組的線電動勢滯后于一次側(cè)電動勢的相位角。2/1/202346連接組別可以用相量圖來判斷：若高壓繞組三相標志不變，低壓繞組三相標志依次后移，可以得到Y(jié),y4、Y,y8連接組別。1、Y，y連接同名端在對應(yīng)端，對應(yīng)的相電動勢同相位，線電動勢EUV和Euv也同相位，連接組別為Y，y0。同理，若異名端在對應(yīng)端，可得到Y(jié)，y6、Y,y10和Y,y2連接組別。2/1/202347若高壓繞組三相標志不變，低壓繞組三相標志依次后移，可以得到Y(jié),d3、Y,d7連接組別。2、Y，d連接-11

同名端在對應(yīng)端，對應(yīng)的相電動勢同相位，線電動勢

EUV

和Euv

相差3300，連接組別為Y，d11。同理，若異名端在對應(yīng)端，可得到Y(jié)，d5、Y,d9和Y,d1