第4章單相變壓器

河南科技學院機電學院第4章單相變壓器4.1變壓器的結(jié)構(gòu)與原理4.2單相變壓器的空載運行4.6變壓器的參數(shù)測定4.4變壓器的運行特性4.5標幺值第4章單相變壓器4.1變壓器的結(jié)構(gòu)與原理4.2單相變壓器的空載運行4.6變壓器的參數(shù)測定4.4變壓器的運行特性4.5標幺值電機拖動4.3單相變壓器的負載運行4.3單相變壓器的負載運行第4章單相變壓器河南科技學院機電學院

4.1變壓器的工作原理

變壓器是利用電磁感應(yīng)原理，將某一數(shù)值交流電壓或電流轉(zhuǎn)為另一數(shù)值的交流電壓或電流(相同頻率)的電磁轉(zhuǎn)換裝置，是進行電能傳遞的靜止電器。4.1.1變壓器的應(yīng)用及分類

1.變壓器的應(yīng)用作為電能傳輸或信號傳輸?shù)难b置，變壓器在電力系統(tǒng)和自動化控制系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用。（1）在電力系統(tǒng)中，變壓器是電能輸配的主要電氣設(shè)備.。（2）在電子線路中，變壓器還用來耦合、傳遞信號，并進行阻抗匹配。

（3）從節(jié)能方面考慮，用高壓輸電較為經(jīng)濟。

（4）從輸電電壓等級方面考慮，電網(wǎng)電壓等級有35、110、220、500kV等，而發(fā)電機端電壓因受絕緣及制造技術(shù)上的限制，遠遠不能達到這樣高的電壓等級。

（5）從用電安全、降低用電設(shè)備的絕緣等級及降低制造成本方面考慮，必須用降壓變壓器將輸電線路上的高電壓降低到配電系統(tǒng)的電壓等級，然后再經(jīng)過配電變壓器將電壓降低到用電器的額定電壓以供使用。大型動力負荷一般采用3kV或6kV，而小型動力負荷采用380V，單相動力負荷和照明采用220V。

第4章單相變壓器4.1變壓器的工作原理4.1.1變壓器的應(yīng)用及分類

河南科技學院機電學院2.變壓器的分類

容量小的只有幾伏安，大的可達到數(shù)十萬千伏安；電壓低的只有幾伏，高的可達幾十萬伏。如按變壓器的用途來分類，幾種應(yīng)用最廣泛的變壓器為：(1)電力變壓器：供輸配電系統(tǒng)中升壓或降壓用的變壓器，這種變壓器在工礦企業(yè)中用得最多，是常見而又十分重要的電氣設(shè)備，有單相和三相之分。(2)特殊電源用變壓器：如電爐變壓器、電焊變壓器和整流變壓器。(3)儀用互感器：供測量和繼電保護用的變壓器，如電壓互感器和電流互感器。(4)試驗變壓器：供電氣設(shè)備作耐壓試驗用的變壓器，如做高壓實驗的高壓變壓器。

(5)調(diào)壓器：能均勻調(diào)節(jié)輸出電壓的變壓器，如自耦調(diào)壓器。(6)控制用變壓器。用于自動控制系統(tǒng)中的小功率變壓器。4.1.2單相變壓器的工作原理

變壓器是轉(zhuǎn)換交流電能的一種電氣設(shè)備，它通過磁路的耦合作用將交流電從一次側(cè)送到二次側(cè)，利用一次側(cè)和二次側(cè)繞組（或相同，但一般是不同的）使二次側(cè)輸出的電壓和電流等級與一次側(cè)的不一樣。如圖4.1所示，兩個繞組之間只有磁的耦合，而沒有電的聯(lián)系。

＋

u2－＋u1－i1i2Φ12一次繞組二次繞組

施加：u1→i1→N1

i1

1Φ

→e1e1e2u2→i2→N2i2→2→e

2

→L1→L2ZL第4章單相變壓器4.1變壓器的工作原理e2e2e1e1河南科技學院機電學院0106河南科技學院機電學院第4章單相變壓器單相變壓器0106河南科技學院機電學院第4章單相變壓器變壓器線圈4.1.2單相變壓器的工作原理1.主磁通既交鏈一次繞組又交鏈二次繞組的磁通稱為主磁通

,作用是把一次側(cè)的能量傳遞到二次側(cè)，是能量傳遞的媒介。主磁通的量值一般都很大。2.漏磁通

僅交鏈于自身繞組的磁通稱為漏磁通，其作用是把電源或信號源的能量轉(zhuǎn)換成磁能，儲存在線圈中，然后再轉(zhuǎn)換成電能返回去。漏磁通的量值一般相對主磁通小得多。3.工作原理根據(jù)電磁感應(yīng)定律，在原、副邊繞組便會感應(yīng)出電動勢，分別為：

電動勢比為：，，若磁通、電動勢均按正弦規(guī)律變化，用有效值之間的比值來表示，則k稱為變壓器的變比，也稱為匝比。若不計鐵心以及導(dǎo)線電阻損耗，根據(jù)能量守恒原理，可得則第4章單相變壓器4.1變壓器的工作原理河南科技學院機電學院＋

u2－＋u1－i1i2Φ12一次繞組二次繞組ZLe2e2e1e14.1.3變壓器的結(jié)構(gòu)鐵心和繞組兩個基本部分組成的器身，確保變壓器運行安全的輔助器件。1.變壓器器鐵心

由硅鋼片疊成或非晶合金制成。

2.繞組

繞組是能量轉(zhuǎn)換的重要部件,用絕緣圓導(dǎo)線或扁導(dǎo)線繞成。3.其他

外殼、油箱、油、油枕、絕緣套管等。

12341432奇數(shù)層偶數(shù)層第4章單相變壓器4.1變壓器的工作原理河南科技學院機電學院0106

E形硅鋼片

絕緣紙

I形硅鋼片

紙板支架河南科技學院機電學院第4章單相變壓器變壓器鐵心及繞組0106CD型鐵心ED型鐵心SD型鐵心XCD型鐵心鐵心河南科技學院機電學院第4章單相變壓器0106C型澆注立式變壓器河南科技學院機電學院第4章單相變壓器變壓器繞組0106R型變壓器大電流變壓器河南科技學院機電學院第4章單相變壓器0106殼式變壓器磁心變壓器河南科技學院機電學院第4章單相變壓器0106插片式變壓器磁心環(huán)形變壓器河南科技學院機電學院第4章變壓器0106電源變壓器河南科技學院機電學院第4章單相變壓器0106各種小型變壓器河南科技學院機電學院第4章單相變壓器鐵心柱鐵心柱鐵軛鐵軛11112222(1)心式變壓器低壓繞組高壓繞組(a)單相心式變壓器示意圖(b)單相心式變壓器示意圖第4章單相變壓器4.1變壓器的工作原理4.1.3變壓器的結(jié)構(gòu)河南科技學院機電學院鐵鐵鐵心軛柱軛1122

(2)單相殼式變壓器

單相式殼變壓器示意圖河南科技學院機電學院第4章單相變壓器特種變壓器第4章單相變壓器河南科技學院機電學院隔離變壓器第4章單相變壓器河南科技學院機電學院電源用變壓器單相變壓器第4章變壓器河南科技學院機電學院3.其他

外殼、油箱、油、油枕、絕緣套管等。大容量變壓器的器身放在盛有絕緣油的油箱中，這樣的變壓器稱為油浸式變壓器。

第4章單相變壓器4.1變壓器的工作原理4.1.3變壓器的結(jié)構(gòu)河南科技學院機電學院圖4.4油浸式變壓器外形圖第4章單相變壓器4.1變壓器的工作原理河南科技學院機電學院4.1.4變壓器的額定值(銘牌數(shù)據(jù))1.變壓器型號

按照國家標準規(guī)定，變壓器的型號由漢語拼音字母和數(shù)字組成，表明變壓器的系列和規(guī)格。如某變壓器型號為SL7-1000/10，其中，S表示三相，L表示鋁線，7表示第7次統(tǒng)一設(shè)計，1000表額定容量為1000kVA，10表示高壓邊額定電壓為10kV。2.變壓器銘牌數(shù)據(jù)（1）額定電壓U1N/U2N指空載電壓的額定值。即當U1=U1N時,U20=U2N，如銘牌上標注:電壓10000/230V。三相變壓器是指線電壓。（2）額定電流I1N/I2N指滿載電流值，即長期工作所允許的最大電流。三相變壓器是指線電流。（3）額定功率（額定容量）SN

指視在功率的額定值。

單相變壓器：SN=U2NI2N=U1NI1N

。三相變壓器：

（4）額定頻率fN

一般工頻fN=50Hz。SN=√3U2NI2N=√3U1NI1N第4章單相變壓器4.2單相變壓器的空載運行4.2.1空載運行時的物理狀況1.空載電流2.空載磁勢（1）當鐵心未飽和時如圖4.6。＋

u2－＋u1－i0i2=0Φm1e2e1e1圖4.5單相變壓器空載運行原理圖圖4.6鐵心未飽和時勵磁電流和磁通波形河南科技學院機電學院（2）當鐵心飽和時如圖4.7。(a)磁通為正弦波，勵磁電流為尖頂波

(b)勵磁電流為正弦波，磁通為平頂波

圖4.7當磁路飽和時勵磁電流和磁通波形圖第4章單相變壓器4.2單相變壓器的空載運行河南科技學院機電學院4.2.1空載運行時的物理狀況3.感應(yīng)電動勢(1)主磁通感應(yīng)電動勢：設(shè)則有效值為有效值相量形式為(2)漏磁通感應(yīng)電動勢為一次側(cè)繞組的漏電抗。4.電動勢平衡方程式一次側(cè)

二次側(cè)第4章單相變壓器4.2單相變壓器的空載運行河南科技學院機電學院4.2.2空載運行等效電路1.空載時一次側(cè)繞組電路圖2.勵磁電流相量圖3.空載運行等效電路4.變壓器恒磁通原理一次側(cè)阻抗Z1一般是很小，即便是在額定運行時，I1NZ1也只占到U1的2%～6%，所以因此只要一次繞組所加電壓U1不變，就可以認為Φm基本保持不變。即無論變壓器工作在空載狀態(tài)還是負載狀態(tài)，其主磁通近似保持不變。圖4.8空載時原邊繞組電圖圖4.9勵磁電流相量圖圖4.10空載等效電路圖圖4.11變壓器空載運行時的等效電路圖

第4章單相變壓器河南科技學院機電學院4.3單相變壓器的負載運行4.3.1磁動勢平衡方程式勵磁磁動勢一次側(cè)磁動勢二次側(cè)磁動勢

恒磁通原理磁動勢平衡方程式實質(zhì)上應(yīng)為

磁動勢平衡方程式相量形式即可得

=勵磁分量+負載分量4.3.2電動勢平衡方程式＋

u2－＋u1－i1i2Φm12ZLe2e2e1e1第4章單相變壓器河南科技學院機電學院圖4.14單相變壓器一次側(cè)、二次側(cè)電路圖4.3.3等效電路的分析1.等效電路的等效條件

（1）磁動勢平衡不能變;（2）能量平衡不能變。2.繞組折算

（1）電流折算磁平衡不變則（2）電動勢與電壓折算

（3）阻抗折算能量平衡不變。則即同理圖4.15單相變壓器二次側(cè)等效電路圖第4章單相變壓器河南科技學院機電學院4.3.3等效電路的分析3.等效電路

（1）T形等效電路方便于電磁工作原理的分析。（2）Г型等效電路方便于變壓器實際負載時粗略分析。

（3）近似等效電路方便負載性能分析。4.3.4單相變壓器的相量圖

圖4.16單相變壓器的T形等效電路圖4.15單相變壓器的Г形等效電路圖圖4.18單相變壓器的近似等效電路圖4.19單相變壓器負載運行時的相量圖第4章單相變壓器河南科技學院機電學院4.4變壓器的運行特性（外特性和效率特性）

U2

I2OU2Ncosφ2

=1cosφ2

=0.8(電感性)cosφ2=0.8(電容性)

I2N

U2圖4.20變壓器不同負載時端電壓的變化率4.4.1變壓器的外特性1.外特性當U1、cos2為常數(shù)時，U2=f(I2)。

2.變壓器外特性的曲線3.變壓器的調(diào)整率（變化率）一次側(cè)施加額定電壓，負載功率因數(shù)一定，變壓器從空載到負載時，二次側(cè)端電壓之差(U20-U2)與額定電壓U2N之比的百分值。以感性負載為例，，

－U2'I1=－

I2'2RkI1jXkI1U1N0abc圖4.21變壓器負載運行簡化等效電路相量圖4.影響變壓器電壓變化率的因素（1）變壓器內(nèi)部短路阻抗屬于內(nèi)因；（2）負載電流，即與成正比；（3）負載的性質(zhì)，即功率因素，屬于外因。

第4章單相變壓器4.4變壓器的運行特性河南科技學院機電學院4.4.2效率特性1.變壓器的損耗（1）變壓器的鐵耗（2）變壓器的銅耗2.變壓器的輸出功率

3.變壓器的效率

輸出的有功功率與輸入的有功功率之比。

當不變損耗(鐵耗)等于可變損耗(銅耗)時，具有最高效率。第4章單相變壓器河南科技學院機電學院4.5標幺值4.5.1標幺值的定義指某一物理量的實際值與所選基值（具有相同量綱）之間的比值。即：標幺值=實際值/基值?；狄话氵x擇為額定值。

（1）電壓

（2）電流

（3）電抗，其中

（4）功率，4.5.2標幺值的應(yīng)用特點1.直觀表現(xiàn)變壓器的運行狀況2.根據(jù)標幺值判定變壓器的性能是否正常3.方便繞組折算的分析4.方便實際運行中的計算低壓側(cè)高壓側(cè)

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