第2章-變壓器的基本作用原理與理論分析

福州大學(xué)電氣工程與自動化學(xué)院電機(jī)學(xué)教研組電機(jī)學(xué)多媒體課件系列2007.1第一篇變壓器

第二章變壓器的基本作用原理與理論分析22.1變壓器的基本結(jié)構(gòu)和額定值2.2變壓器的空載運行2.3變壓器的負(fù)載運行2.4

標(biāo)么值2.5

參數(shù)測定2.6變壓器的運行特性第二章變壓器變壓器的基本作用原理 與理論分析目錄3

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.§2.1電力變壓器的基本結(jié)構(gòu)和額定值一、變壓器的定義4二、變壓器的基本工作原理

主要部件是鐵心和套在鐵心上的兩個繞組。兩繞組只有磁耦合沒電聯(lián)系。在一次繞組中加上交變電壓，產(chǎn)生交鏈一、二次繞組的交變磁通，在兩繞組中分別感應(yīng)電動勢。

只要一、二次繞組的匝數(shù)不同，就能達(dá)到改變電壓的目的。N1N25三、變壓器的分類

按用途分：電力變壓器、調(diào)壓器、儀用互感器、電子變壓器、特種變壓器。

按繞組數(shù)目分：單繞組（自耦）變壓器、雙繞組變壓器、三繞組變壓器和多繞組變壓器。

按相數(shù)分：單相變壓器、三相變壓器和多相變壓器。

按鐵心結(jié)構(gòu)分：心式變壓器和殼式變壓器。

按冷卻介質(zhì)和冷卻方式分：干式變壓器、油浸式變壓器和充氣式變壓器。***本課程主要討論電力系統(tǒng)輸配電用電力變壓器61、電力變壓器干式油浸式72、調(diào)壓器83、儀用互感器4、電子變壓器95、特種變壓器電爐變壓器整流變壓器電焊變壓器環(huán)型變壓器（音響）10主要組成：鐵芯、繞組、變壓器油、油箱、絕緣套管三相芯式變壓器鐵芯繞組單相殼式變壓器鐵芯繞組四、電力變壓器的基本結(jié)構(gòu)11交疊裝配鐵芯疊片裝配實物㈠、鐵心:變壓器的主磁路，為了提高導(dǎo)磁性能和減少鐵損，用0.35mm厚、表面涂有絕緣漆的硅鋼片疊成。鐵軛鐵芯柱12鐵芯各種截面充分利用空間提高變壓器容量減小體積。13㈡、繞組

變壓器的電路，一般用絕緣銅線或鋁線繞制而成。

按照繞組在鐵芯中的排列方法分為：鐵芯式和鐵殼式兩類按照變壓器繞組的基本形式分為：同芯式和交疊式兩種．1、鐵芯式:

（1）、每個鐵芯柱上都套有高壓繞組和低樂繞組。為了絕緣方便,低壓在內(nèi)，高壓在外

（2）、電力系統(tǒng)的各種變壓器都用鐵芯式變壓器14扁銅線與成形繞組152﹑鐵殼式（1）、鐵芯柱在中間，鐵軛在兩旁環(huán)繞，且把繞組包圍起來.高壓繞組和低壓繞組沿著鐵芯柱的高度交錯地排列著。(2)、常應(yīng)用于電壓較低而電流很大的持殊場合.例如電爐用變壓器。16鐵殼式變壓器17(四)油箱

油浸式變壓器的器身浸在變壓器油的油箱中。油箱側(cè)壁有冷卻用的管子（散熱器或冷卻器）。

(五)絕緣套管

將線圈的高、低壓引線引到箱外，是引線對地的絕緣，擔(dān)負(fù)著固定的作用。(三)變壓器油電力變壓器的鐵芯和繞組都需浸在變壓器油中.變壓器油的作用是雙重的:①增強(qiáng)絕緣.②傳遞熱量散熱18電力變壓器基本結(jié)構(gòu)圖2、散熱管1、油箱3、油枕4、高低壓絕緣套管5、油標(biāo)`6、起吊孔7、銘牌19大型電力變壓器20五、變壓器的額定值指長期運行時所能承受的工作電壓（線電壓）

指銘牌規(guī)定的額定使用條件下所能輸出的視在功率。

指在額定容量下，允許長期通過的額定電流。在三相變壓器中指的是線電流21三者關(guān)系：

此外，額定值還有額定頻率、效率、溫升等。繞組Y接法：繞組Δ接法：22課時小結(jié)1、變壓器的定義？基本工作原理？（重要）2、變壓器的分類（了解）？變壓器的組成？3、鐵芯的作用、材料和裝配方式？鐵芯截面形狀的選擇依據(jù)？4、繞組的作用、材料？鐵芯式和鐵殼式變壓器特點？5、變壓器油的作用？6、變壓器的額定值？（重要）作業(yè):2-12-223一、電磁物理現(xiàn)象§2.2變壓器的空載運行24主磁通與漏磁通的區(qū)別:二、各電磁量參考方向的規(guī)定磁通與產(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1）性質(zhì)上：與成非線性關(guān)系；與成線性關(guān)系；2）數(shù)量上：占99%以上，僅占1%以下；3）作用上：起傳遞能量的作用，起漏抗壓降作用。主磁通

:同時交鏈兩繞組，沿鐵芯閉合，磁阻較小漏磁通

:只交鏈一個繞組,沿非磁性物質(zhì)閉合,磁阻較大i與E參考正方向相同25三、感應(yīng)電動勢、電壓變比1、主磁通感應(yīng)的電動勢--設(shè)則:有效值:相量:同理，二次側(cè)感應(yīng)電動勢也有同樣的結(jié)論。

可見:當(dāng)主磁通按正弦規(guī)律變化時，所產(chǎn)生的一次側(cè)感應(yīng)電動勢也按正弦規(guī)律變化，時間相位上滯后主磁通90o。則:有效值:相量:26⒉E1﹑E2在時間相位上滯后于磁通900.其波形圖和相量圖如圖2—8所示

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⒊變壓器的變比：在變壓器中，原、副繞組的感應(yīng)電動勢E1和E2之比稱為變壓器的變比，用k表示，即：上式表明，變壓器的變比等于原、副繞組的匝數(shù)比。當(dāng)變壓器空載運行時，由于U1≈E1

，U20≈E2，即28課時小結(jié)1、變壓器的空載運行？2、變壓器主磁通和漏磁通的區(qū)別？3、變壓器物理量正方向的規(guī)定？4、變壓器感應(yīng)電動勢表達(dá)式？變比？（重要）29四、勵磁電流討論的問題：主磁通的波形取決于勵磁電流的波形，而勵磁電流的大小和波形決定于變壓器的鐵芯材料及幾何尺寸，受磁路飽和、磁滯及渦流的影響。

主磁通是勵磁電流產(chǎn)生的，但是主磁通的量值大小受到外施電壓U及電路參數(shù)的制約.對已制成的變壓器,當(dāng)N1、f為常數(shù)，則：30(一)磁路飽對勵磁電流的影響⑴磁路末飽和狀態(tài):Bm＜0.8Ta)其磁化曲線呈線性關(guān)系，導(dǎo)磁率是常數(shù)。

b)當(dāng)按正弦變化，亦按正弦變化，如圖2—931(2)磁路處于飽和狀態(tài):Bm＞0.8T

a)磁化曲線Φ0=f(i0)非線性， 隨Φ0增大導(dǎo)磁率逐漸變小。c)當(dāng)Φ0為正波時，i0頂波。磁路越飽和，尖頂?shù)姆仍酱蟆)當(dāng)i0按正弦規(guī)律變化時，Φ0呈平頂波形。32磁路不飽和Im為正弦Φm為正弦Im為正弦Φm為平頂磁路飽和Φm為正弦

Im為尖頂磁路飽和33(二)磁滯現(xiàn)象對勵磁電流的影響另一為:磁滯電流分量

.交流磁場作用下，受磁滯影響。其勵磁電流是不對稱尖頂波。其一為:純磁化電流分量，對稱的尖頂波建立磁場,無功分量34(三)渦流對勵磁電流的影響

交變磁通在鐵芯中產(chǎn)生渦流及渦流損耗。

渦流損耗的電流分量也是一有功分量1)勵磁電流實際包含﹑

﹑2)同相位合并:稱鐵耗電流分量結(jié)論：勵磁電流的組成353）當(dāng)考慮鐵耗電流分量時，勵磁電流不再與主磁通同相,而是超前一個磁滯角αm

(鐵耗角)Φ0-E136五、勵磁特性的電路模型即有：其中：-----勵磁阻抗-----勵磁電阻，對應(yīng)鐵耗的等效電阻-----勵磁電抗，對應(yīng)建立磁場的電抗勵磁電流為： IFe

----與-E1同相位(有功） Iμ

----滯后-E190°(無功)37等效電路為：由于主磁通路徑鐵心為非線性磁路，故Zm、rm和xm均不為常數(shù)，大小受磁路飽和影響。Zm：變壓器的勵磁阻抗。rm：變壓器的勵磁電阻，反映鐵耗；xm:變壓器的勵磁電抗，反映勵磁過程；38六、漏磁通感應(yīng)的電動勢——漏電動勢及漏抗用漏抗壓降來表示，即：同理有：漏磁通主要經(jīng)過非鐵磁路徑，磁路不飽和，故磁阻很大且為常數(shù)，所以漏電抗X1

很小且為常數(shù)。思考：變壓器的x1<<xm，為什么？39七﹑電路方程﹑相量圖和等效電路r1、x1是常量；rm、xm是變量;⒈電壓方程：⒉等效電路403、相量圖空載時的基本方程為:41課時小結(jié)1、變壓器主磁通的大小和波形受哪些因素影響？（重點）2、變壓器勵磁電流的組成及各分量的作用？3、變壓器的rm、xm、x1的物理意義及特點？4、變壓器空載運行時的等效電路、基本方向和相量圖？（重點）42§2.3變壓器負(fù)載運行負(fù)載運行：一次側(cè)接交流電源，二次側(cè)接負(fù)載一、負(fù)載運行時的電磁物理現(xiàn)象43空載時：負(fù)載時：即:用電流形式表示負(fù)載分量,用來抵消二次磁動勢的作用。Φm取決于U1的大小441.磁勢平衡原邊的電勢平衡副邊的電勢平衡Im激磁電流分量，固定不變IL負(fù)載分量隨負(fù)載不同而變化。注意: 在額定負(fù)載時,I1L比Im大很多 負(fù)載分量I1L是I1中的主要部分.452.變壓器負(fù)載運行時的電磁關(guān)系46二﹑基本方程綜合分析，變壓器帶負(fù)載穩(wěn)態(tài)運行時六個基本方程式：47三、變壓器參數(shù)的歸算1、為什么要進(jìn)行歸算？通常變比k很大,兩側(cè)物理量相差大，計算精度低且復(fù)雜基本方程組是復(fù)數(shù)方程，求解麻煩變壓器兩側(cè)繞組間有磁耦合關(guān)系，難以用電路等效為了簡化計算和方便推導(dǎo)出等效電路，對繞組進(jìn)行歸算2、歸算概念：將變壓器二次（或一次）側(cè)繞組用一次（或二次）繞組來等效，同時對二次（或一次）繞組的電磁量作相應(yīng)變換，以保持兩側(cè)電磁關(guān)系不變483、歸算原則

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4、歸算方法：（以二次側(cè)歸算到一次側(cè)為例)1）二次側(cè)電流的歸算值:49

歸算前后主磁通和漏磁通均未改變，根據(jù)電動勢與匝數(shù)成正比的關(guān)系可得:2）二次側(cè)感應(yīng)電動勢的歸算值E2’同理:503）二次側(cè)漏阻抗的歸算值R2’、X2σ’、Z2’根據(jù)折算前后繞組的銅損耗不變原則：511、歸算后的基本方程成為：四﹑歸算后的方程式﹑等效電路及相量圖522.等效電路單相變壓器負(fù)載運行時電磁關(guān)系的模擬電路模型如下：T型等值電路（1）電路參數(shù)都是每一相的值。原邊為實際值，副邊為歸算值。（2）等效的是穩(wěn)態(tài)對稱運行狀態(tài)。53（1）畫出；（2）在相量上加上得（3）（6）畫出與的相量和；（7）畫出，加得到（4）畫出領(lǐng)先的主磁通；（5）根據(jù)畫出，領(lǐng)先一個鐵耗角了；3、相量圖給定量和求解量的不同，相量圖畫圖步驟也不一樣。假定給定U2、I2、cos2

54五.

型近似等效電路和簡化等效電路實際變壓器中，很小。負(fù)載變化時變化不大。因此假定ImZ1

不隨負(fù)載變化，得到型等效電路。1.型等效電路。552.簡化的等效電路負(fù)載運行時，Im在I1N中所占的比例很小。在工程實際計算中，忽略Im，得到簡化等效電路。rk

為短路電阻；xk為短路電抗；Zk為短路阻抗。空載運行時，不能用簡化的等效電路。56rk=r1+r2’xk=x1+x2’T型等效電路近似等效電路簡化等效電路57課時小結(jié)1、變壓器負(fù)載運行時的電磁現(xiàn)象？（要點：負(fù)載時的磁動勢平衡式，與空載相比磁場有何變化？）2、變壓器繞組歸算的定義、原則和歸算公式？（重點）3、變壓器負(fù)載運行時的基本方程、等效電路和相量圖？（歸算后）（重點）4、Г型等效電路、簡化簡化等效電路？58§2.4變壓器的標(biāo)么值標(biāo)么值是無量綱。一、定義

標(biāo)么值,就是指某一物理量的實際值與選定的同一單位的基準(zhǔn)值的比值,即:59二、基準(zhǔn)值的確定1、通常以額定值為基準(zhǔn)值。

2、各側(cè)的物理量以各自側(cè)的額定值為基準(zhǔn)；

線值以額定線值為基準(zhǔn)值，相值以額定相值為基準(zhǔn)值；

單相值以額定單相值為基準(zhǔn)值，

三相值以額定三相值為基準(zhǔn)值；3、,,UNNNSSQPZZxrEU的基準(zhǔn)值為和的基準(zhǔn)值為

和的基準(zhǔn)值為和60三﹑標(biāo)么值的優(yōu)點（1）計算方便且容易判斷計算錯誤（2）采用標(biāo)幺值計算同時也起到了歸算的作用(3)采用標(biāo)幺值更能說明問題的實質(zhì)缺點:沒有量綱，不能用量綱關(guān)系來檢查結(jié)果61§2.5變壓器的參數(shù)測定方法一、空載實驗1﹑目的通過測量空載電流和一、二次電壓及空載功率來計算變比k、空載電流百分?jǐn)?shù)、鐵耗和勵磁阻抗Zm、rm、Xm。2、接線圖623、試驗注意事項及激磁參數(shù)計算：1）低壓側(cè)加電壓，高壓側(cè)開路；3)測定額定點，以求取勵磁參數(shù)2）單方向下降調(diào)節(jié)U1（1.2UN～0）測取U1、U20、I0、P0634)若要得到高壓側(cè)參數(shù)，須進(jìn)行歸算；5)對三相變壓器，各公式中的電壓、電流和功率均為每相值；64二、短路實驗1、目的：通過測量短路電流Ik、短路電壓Uk及短路功率Pk來計算變壓器的短路電壓百分?jǐn)?shù)、銅耗和短路阻抗（rk、xk、zk）。2、接線圖653)短路試驗應(yīng)降壓進(jìn)行，主磁通小，pFe、Im不計，則pcu=pk用簡化的等效電路來分析。3、試驗注意事項及參數(shù)計算1)高壓側(cè)加電源電壓，低壓側(cè)直接短路。4)額定點參數(shù)：2）調(diào)節(jié)輸入電壓U1，使得Ik從0～1.3IN變化測出Uk、Ik、pk667）對三相變壓器，各公式中的電壓、電流和功率均為每相值；6）若要得到低壓側(cè)參數(shù)，須進(jìn)行歸算5）溫度折算：（電阻應(yīng)換算到基準(zhǔn)工作溫度）銅線：674、短路電壓1)短路電壓百分值表示:當(dāng)Ik=IN時一次側(cè)所加的電壓，稱為短路電壓(也稱為阻抗電壓)

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2)短路電壓標(biāo)么值表示:3)短路電阻標(biāo)么值計算:69課時小結(jié)1、標(biāo)么值的定義、基準(zhǔn)值的選取、應(yīng)用標(biāo)么值的優(yōu)點？2、變壓器空載試驗？（目的、線路、計算公式）（重點）3、變壓器空載試驗？（目的、線路、計算公式）（重點）4、變壓器運行的鐵耗和銅耗有何特點？5、短路電壓、短路電壓標(biāo)么值？70§2.6變壓器的運行特性一﹑電壓變化率（調(diào)整率）1.定義：是指一次側(cè)加額定電壓、空載與額定負(fù)載兩種情況下的二次側(cè)電壓的算術(shù)差與空載電壓之比

變壓器運行性能的重要指標(biāo)之一,反映了供電電壓的穩(wěn)定性。哪個是U2N？通過簡化等效電路相量圖求出得：712、電壓變化率參數(shù)表達(dá)式