1、第三章 变压器 变压器是一种静止的电气设备，通过电磁耦合作用，把电能或信号从一个电路传递到另一个电路。通常用来改变电压的大小，故叫变压器，有时用于电气隔离。电力变压器（升压、降压、配电）特种变压器（电炉、整流）仪用互感器（电压、电流互感器、脉冲变压器，阻抗匹配变压器）实验用变压器（高压、调压）也可按铁心结构、相数或变压器冷却方式划分 按用途 分类 本章学习重点 电力变压器 电力变压器 电力变压器 电力变压器 电力变压器 电炉变压器电炉变压器(专用专用)给电炉给电炉(如炼钢如炼钢 炉炉)供电。供电。电焊变压器电焊变压器(专用专用)给电焊机供电。给电焊机供电。整流变压器整流变压器(专用专用)：给直
2、流电力机车供电给直流电力机车供电 三相干式变压器 电源变压器 接触调压器 控制变压器 仪用、试验用变压器：用在测量设备中，如互感器。仪用、试验用变压器：用在测量设备中，如互感器。电子变压器：用在电子线路中。电子变压器：用在电子线路中。3 3-1 1 变压器的结构和工作原理变压器的结构和工作原理 一、主要结构（磁路、电路及辅助部分）一、主要结构（磁路、电路及辅助部分）1.铁芯铁芯：铁心是变压器主磁通经过的磁路部分；铁心通常用 0.35mm厚表面涂有绝缘漆的硅钢片冲成一定的形状叠制而成。心式冷轧硅钢片迭片 铁心柱截面形状：小型变压器做成铁心柱截面形状：小型变压器做成方形方形或者或者矩形矩形；大型变
3、；大型变 压器做成压器做成阶梯形阶梯形。容量大则级数多。叠片间留有间隙作为油。容量大则级数多。叠片间留有间隙作为油道道(纵向纵向/横向横向)。2.绕组（线圈）绕组是变压器的电路部分，一般为绝缘扁铜线或绝缘圆铜线在绕线模上绕制而成。绕组套装在变压器铁心柱上，低压绕组在内层，高压绕组套装在低压绕组外层，以便于绝缘。根据绕组与铁心的配置方式不同有心式和壳式之分。温度计；吸湿器，储油柜；油表；气体继电器；高压套管；低压套管；油箱等等 3.油箱和变压器油：油箱用钢板焊接而成。油起到绝缘和导热作用。单相变压器：两个线圈没有电的直接联系，只有磁的耦合。原边绕组（一次绕组或初级绕组）：两个线圈中接交流电源的线
4、圈，其匝数为N1 副边绕组（二次绕组或次级绕组）：接到用电设备上（负载）的线圈，匝数为N2 1122deNdtdeNdt变压器原、副边电势之比等于原、副边匝数之比，通常称之为变压器的变比。二、基本工作原理 当原边绕组通入电压 交变磁通 ，同时与原、副绕组交链，在原、副绕组内感应电动势。接通ZL,副边有电流产生，向负载输出功率。1u1iLZ根据图示的正方向，写出原副边的电压回路方程 11UE 222UEI Z感应电动势为电压升，其方向与电压降相反 1N2N1I1U1E2E2I2UZAXax三、额定值三、额定值 1.额定容量额定容量SN SN为变压器的额定视在功率。单位为为变压器的额定视在功率。单
5、位为VA/kVA/MVA，通常把变通常把变压器压器1、2次侧的额定容量设计为相同。与直流电机额定容量有次侧的额定容量设计为相同。与直流电机额定容量有何不同？何不同？(2)额定电压额定电压U1N/U2N U1N为额定运行时原边接线端点间应施加的电压。为额定运行时原边接线端点间应施加的电压。U2N为原边施为原边施加额定电压时副边出线端间的加额定电压时副边出线端间的空载电压空载电压。单位为。单位为V或者或者kV。三。三相变压器中，额定电压指的是相变压器中，额定电压指的是线线电压。指有效值。电压。指有效值。对三相：对三相：，3/11NNNUSINNNUSI223/(3)额定电流额定电流I1N/I2N
6、是变压器在额定容量和额定电压下所应提供的电流，在三相变是变压器在额定容量和额定电压下所应提供的电流，在三相变压器指线电流。单位为压器指线电流。单位为A/kA。指有效值。指有效值。(4)额定频率额定频率fN 单位为单位为Hz,我国规定，我国规定，fN=50Hz 此外，铭牌上还会给出型号此外，铭牌上还会给出型号/三相联接组号三相联接组号/连接图连接图/阻抗电压阻抗电压Uk/运行方式运行方式/冷却方式冷却方式/重量等数据。重量等数据。对单相：对单相：I1N=SN/U1N，I2N=SN/U2N 例题 一台三相变压器，联接，求：KVUUKVASNNN11/110/,1600021/YHzfN50;,).
7、121NNIINNII21,;,).321NNUU2）；1）线电流：解：NNNNNIUIUS221133AIN98.831AIN8.83922）相电流：AIINN98.8311AIINN87.4843/223）相电压：KVUUNN51.633/11KVUUNN11223-2 单相变压器的空载运行 变压器空载运行：变压器的原绕组加上额定电压，副绕组开路 几个概念：空载电流、励磁磁动势、主磁通、漏磁通 一、空载运行时的物理情况 1N2N0i1u1e2e2uAXax1e1主磁通和漏磁通1在绕组内产生的感应电动势：dtdNedtdNedtdNe1112211e1：主磁通在原边绕组内感应电动势的瞬时值
8、e2：主磁通在副边绕组内感应电动势的瞬时值；e1：漏磁通 1在原边绕组内感应电动势的瞬时值 二、空载电流 1、忽略空载损耗时的空载电流 如果原边接到正弦电压上，则主磁通为正弦，对不对？1111()dduNNdtdt主磁通为正弦时，励磁电流为尖顶波。不可以用相量表示，在工程上，通常用等效正弦波来代替实际空载电流，其等效条件为：频率相等、有效值相等。1E0II2E1UE 1EI2E1UE 2、考虑空载损耗时的空载电流 空载电流不仅要建立空载磁场，还要给磁滞和涡流等空载损耗提供能量。所以考虑空载损耗时的空载电流应超前于主磁通。还可以从另一个角度来理解，由于磁滞和涡流，使得磁通的变化滞后于励磁电流的变
9、化。0IFeIm0FeIII从相量图中可以看出，磁化电流为无功分量，用来建立磁场，而铁耗为有功分量。三、感应电动势和变压器变比 主磁通按正弦规律变化 sin mt 11110011(sin)cos sin(90)sin(90)mmmmddeNNtNtdtdtNtEt m：主磁通的幅值；E1m：原绕组感应电动势的幅值。当主磁通按正弦规律变化时，原绕组中感应电动势也按正弦规律变化，但相位比主磁通落后900。11 mmEN原边电动势幅值 1111m11/22 f N/24.44mmEEf N有效值：1114.44mEjf N 相量表示：m.1E注意：为有效值相量，而 为幅值相量 1Em001111s
10、in(90)2 4.44sin(90)mmeNtf Nt副边电势分析 副边绕组链接同一磁链，副边电动势幅值：22mmEN2212/24.44mmEEf N有效值：相量表示：2124.44mEjf N.1E.m.2E变压器中，原、副绕组电动势E1和E2之比称为变压器的变比k.11 1m1221m24.444.44EN fNkEN fN由于.2211EUEU212121NNUUEEkNN对于三相变压器，变比指相电势之比。漏磁通1通过的磁路是线性的，漏电势可表示为：211 0100111111()dd N ididieNNNLdtdtdtdt 若励磁电流i0按正弦规律变化，即 tsin200Ii 1
11、0101L XI jI jE0011012sin(90)dieLILtdt;.1E.101jI X原边漏磁通产生的感应电动势 011111 m1111 sin(-90)4.44mdeNNtdtEjf N 1N2N0i1u1e2e2uAXax1e1（1）L1为原边绕组的漏感系数；X1是原边绕组的漏电抗。表征漏磁通对电流的电磁效应。两者与匝数和几何尺寸有关，均为常数。（2）漏磁电动势与励磁电流同频率，相位上落后I0 900。结论：11114.44mUEjf N（3）空载时，漏阻抗压降小，主磁通大小，取决于电网电压的幅值、频率和变压器的匝数。课堂练习：3-11 作业：3-6、10 考虑漏磁通和原边绕
12、组的电阻时，变压器空载运行时相量形式表示的电压平衡方程式：R1：原边绕组电阻；Z1R1jX1为原边绕组漏阻抗 10111010110111011202()()()()()()UI REEI RjI XEIRjXEI ZEUE 四、空载运行时的电动势平衡方程式 正方向的规定正方向的规定：原边电压与电流符合关联参考方向，主磁通与励磁电流方向符合右手螺旋法则，感应电动势与磁通方向符合右手螺旋法则 1N2N0i1u1e2e2uAXax1e12e1N2NU0I1Z1E根据相量形式的电压平衡式：五、空载运行的等效电路和相量图 10101L XI jI jE漏感电动势：10101L XI jI jE漏感两端
13、电压降：)(1101EZIUE1E1m0ImZRm：变压器的铁耗电阻或激磁电阻，反映铁耗；Xm:变压器的激磁电抗；Zm：变压器的激磁阻抗。222100/;/;mmFemmmZEIRpIXZR把 和 之间的关系直接用参数形式反映，可把 写成 流过一个阻抗引起的阻抗压降。1E0I1E0I100()mmmEI ZIRjX21 0001111()mmmmdd N ididieNNNLdtdtdtdt 2211mmmSXLNNl 22011111SXLNNl激磁电抗与原边的漏抗不同，随铁芯的饱和程度变化而变化，当铁芯饱和时，其值将如何变化？在变压器中铁芯饱和程度由 哪几个量决定？一台变压器空载运行，当其
14、原边电压的频率不变，有效值升高 10%后，其励磁电流将如何变化？激励电抗将如何变化？铁芯饱和，则磁导率下降，故激磁电感下降，但电抗还与频率 有关。1114.44mEjf N 频率不变，匝数不变，电压有效值升高，则主磁通幅值升高，励磁电流将升高，激磁电抗将变小 等效电路综合了空载时变压器内部的物理情况，在等效电路中R1、X1是常量；Xm是变量，它随铁心磁路饱和程度的增加而减少。0I0I1U1EmRmXmRmX1X1R1E等效电路 21,EE21,EE代表电动势 代表压降 相量图 IFeI0I10rI10 xI j1U1E1E0（1）作为参考相量，和 落后 900。mm1E2E（2）考虑磁滞现象，
15、正弦空载电流 超前 一个很小的 角。mm0I)()(11.01.01101ExIjrIEZIUmm小结 1、变压器的结构（磁路和电路部分）；2、额定值；3、空载电流。主磁通为正弦波，空载电流为尖顶波；5、空载时 的等值电路；4、4.44公式及利用其进行分析；0I0I1U1EmRmXmRmX1X1R1E6、电压平衡方程式 10111010110111011202()()()()()()UI REEI RjI xEIRjxEI ZEUE 1N2N0i1u1e2e2uAXax1e1关于能量流动 2e1N2NU0I1Z1E原边向电网发出电能？与我们 分析得到的结论相反，如何解释？首先，能量的流动与正方
16、向的规定 无关。其次，交流电路中，能量的 流动不能用直流电路的方法来分析，必须根据电流和电压的相量关系进行 分析。IFeI0I10rI10 xI j1U1E1E0 m3-3 单相变压器的负载运行 变压器原边接在电源上，副边接上负载的运行情况，称为负载运行。变压器接通负载变压器接通负载 副边电流副边电流 副边磁势副边磁势 主磁通变化主磁通变化 原边电动势改变原边电动势改变 原边电流改变原边电流改变 新的平衡新的平衡 一、物理过程一、物理过程 一种什么样的平衡？磁场（即主磁通）将如何变化？22222Ej ILj I X 211221210 LLNI NI NIIN 忽略原边漏阻抗压降，主磁通 不变。主磁路的磁导不变，所以磁动势应基本不变，仍为N1I0，但从空载到负载，初级绕组电流由 变为 ，增加了一个分量 ，这个分量起什么作用？11EUm110LIII1I0I1 12 201 0N IN IFN I1 01 12 21 0LN IN IN IN I副边绕组带负载后，副边绕组有电流 ，这个电流企图改变变压器主磁通，原边绕组中会产生相应的电流分量 来阻止主磁通的改变，这两个电流分量的综合作用效