第3章变压器.

出版社理工分社电机及拖动基础1第3章变压器变压器是一种变换交流电能的静止电机，主要功能是把一种交流电压的电能变换为同频率的另一种电压的交流电能。在电力系统中，变压器是一个十分重要的设备。它作为能量变换或信号传递的元件，应用十分广泛。出版社理工分社电机及拖动基础23.3变压器的负载运行3.1变压器的原理，结构及额定值3.4变压器参数的测定目录3.2变压器的空载运行3.5变压器的运行特性3.6三相变压器的连接组别3.7变压器的并联运行3.8自耦变压器和仪用互感器出版社理工分社电机及拖动基础33.1变压器的原理、结构及额定值3.1.1变压器的原理变压器的主要部件是一个铁芯和套在铁芯上的两个线圈，1212dΦe=-NdtdΦe=-Ndta相关概念：接交流电源的称为一次绕组，也叫一次侧接负载的称为二次绕组，也叫二次侧二次侧电压高于一次侧电压叫升压变压器电压高的叫高压绕组，电压低的叫低压绕组出版社理工分社电机及拖动基础4b工作原理：一次绕组通电，产生变化磁通，交链到二次侧，在一，二次侧感应出电势只要改变一二次绕组的匝数，就可以改变一二次感应电动势的大小，从而达到改变电压的目的1212dΦe=-NdtdΦe=-Ndt出版社理工分社电机及拖动基础53.1.2基本结构一、铁心变压器的主磁路，为了提高导磁性能和减少铁损，用厚为0.35-0.5mm、表面涂有绝缘漆的硅钢片叠成。变压器的电路，一般用绝缘铜线或铝线绕制而成。油浸式变压器的器身浸在变压器油的油箱中。油是冷却介质，又是绝缘介质。油箱侧壁有冷却用的管子（散热器或冷却器）。将线圈的高、低压引线引到箱外，是引线对地的绝缘，担负着固定的作用。二、绕组四、油箱三、绝缘套管此外，还有储油柜、吸湿器、安全气道、净油器和气体继电器。出版社理工分社电机及拖动基础6出版社理工分社电机及拖动基础73.1.3变压器的额定值此外，额定值还有额定频率、效率、温升等。指铭牌规定的额定使用条件下所能输出的视在功率。额定容量NS(kVA)指长期运行时所能承受的工作电压额定电压12NNU/U(kV)是指一次侧所加的额定电压，是指一次侧加额定电压时二次侧的开路电压。在三相变压器中额定电压为线电压。1NU2NU三者关系：1122112233NNNNNNNNNNSUIUISUIUI单相：三相：指在额定容量下，允许长期通过的额定电流。在三相变压器中指的是线电流额定电流12NNI/I(A)出版社理工分社电机及拖动基础83.2变压器的空载运行本章分析变压器的基本原理和运行性能时，先分析单相变压器，再分析有关三相变压器的特殊问题。3.2.1空载运行时的物理情况变压器的一次绕组加上交流电压，二次绕组开路时的运行状态称为空载运行一次绕组匝数N1，二次绕组匝数N2，一次绕组加上交流电压u1,流过电流i0,二次绕组开路没有电流，但是有电压u20u1-i0-i0N1-￠-e1,e2￠s1-es1出版社理工分社电机及拖动基础93.2.2感应电动势和变比出版社理工分社电机及拖动基础10出版社理工分社电机及拖动基础11结论：只要恰当选择一二次绕组的匝数比，就可以把一次侧电压变到所需要的二次侧出版社理工分社电机及拖动基础123.2.3空载电流一个是励磁分量，任务是建立主磁通；相位与主磁通相同。为无功电流。一个是铁耗分量，任务是由电网向变压器传递有功功率，补偿在铁芯中引起的出版社理工分社电机及拖动基础133.2.4电动势平衡方程式出版社理工分社电机及拖动基础100mmmEI(RjX)IZ一次侧的电动势平衡方程为01101011I)jX(RI)jX(RZIEUmm空载时等效电路为即等效用电阻所以还要引入一个在铁心中引起铁损由于降表示也用电抗压感应的电动势表示法基于,PRI,R,P,E,XIjEFemmFe2011013.2.5等效电路出版社理工分社电机及拖动基础15图3.10变压器空载时的等效电路可以看成是两个阻抗串联的电路，其中一个是一次绕组绕组的漏阻抗，一个是励磁阻抗。出版社理工分社电机及拖动基础mmmZ,X,R励磁电阻、励磁电抗、励磁阻抗。由于磁路具有饱和特性，所以不是常数，随磁路饱和程度增大而减小。mmmjXRZ11XX,RRmm由于，所以有时忽略漏阻抗，空载等效电路只是一个元件的电路。在一定的情况下，大小取决于的大小。从运行角度讲，希望越小越好，所以变压器常采用高导磁材料，增大，减小，提高运行效率和功率因数。mZmZ0I0ImZ1U0I出版社理工分社电机及拖动基础3.2.6相量图根据前面所学的方程，可作出变压器空载时的相量图：（1）以为参考相量mΦ（2）与同相，超前，mΦa0r00III90maI0rI01E（3）滞后，；090Φm21E,E1001XIj,IR（4）1U（5）mΦaI0rI00I1E1E2E10XIj01IR1U出版社理工分社电机及拖动基础3.3单相变压器的负载运行3.3.1磁通势平衡方程式变压器一次侧接在额定频率、额定电压的交流电源上，二次接上负载的运行状态，称为负载运行。1U1Eσ1E2U1I2I1m2EAXaxLZ22E出版社理工分社电机及拖动基础11IR11E22IR22E1U1I2I2U111FNI222FNI010FNI01E2E用图示负载运行时的电磁过程出版社理工分社电机及拖动基础120FFF或112210NININI.:,,,U,U.FF;F,因此有磁动势平衡方程大小基本不变由空载到负载不变保持只要大小主要取决于共同作用产生次磁动势和二负载时一次磁动势产生主磁通一次磁动势空载时011002100用电流形式表示LII)kI(II)NN(II102021201。,I;,I::L作用它起平衡二次磁动势的另一个是负载分量产生主磁通它用来一个是励磁电流两个分量变压器的负载电流包括表明10负载运行时,忽略空载电流有:1221211或NNkIIkII一、二次电流比近似与匝数成反比。可见，匝数不同，不仅能改变电压，同时也能改变电流。出版社理工分社电机及拖动基础3.3.2基本方程式根据基尔霍夫电压定律可写出一、二次侧电动势平衡方程111111111ZIEXIjRIEU222222222ZIEXIjRIEULZIU22出版社理工分社电机及拖动基础22出版社理工分社电机及拖动基础折算是把二次侧绕组匝数变换成一次侧绕组的匝数，而不改变一、二次侧绕组的电磁关系2212222222221IKINNINNIININ1）电流的折算:根据归算前后磁势不变的原则，归算后的量斜上角打“/”2）电动势的折算KNNNNEE212222221EKEE12NN2N注意：二次绕组匝数变化后，二次绕组的电流必须调整，否则改变了变压器的电磁关系根据电势与匝数成正比的关系得：即3.3.3折算法出版社理工分社电机及拖动基础244）电压的折算3）阻抗的折算出版社理工分社电机及拖动基础5）变压器负载运行时，基本方程式出版社理工分社电机及拖动基础3.3.4等效电路出版社理工分社电机及拖动基础1U2ULZ2II1SRSX其中121SS2SSSRRRXXXZRjX分别称为短路电阻、短路电抗和短路阻抗。统称为变压器的短路参数出版社理工分社电机及拖动基础3.4变压器参数的测定3.4.1空载实验一、目的：在工频正弦额定电压U1N条件下，测量U1，I0,P0，U20来计算变比K、铁损PFE和励磁阻抗ZM。二、接线图三、要求及分析FepP,XR)0113即和忽略WAVV~**1）在工频正弦额定电压U1N下测量U1,二次侧开路；曲线和画出和测出向调节范围内单方在电压)U(fP)U(fI,PI,U,U.~U)N1010002012102出版社理工分社电机及拖动基础4）求出参数5）空载电流和空载功率必须是额定电压时的值，并以此求取励磁参数；6）若要得到高压侧参数，须折算；如需归算到高压侧时，各参数应乘以k2，k=N高压/N低压7）对三相变压器，各公式中的电压、电流和功率均为相值；出版社理工分社电机及拖动基础3.4.2短路实验1.目的：在一次侧加低电压，二次侧短路条件下，测量短路电流、短路电压及短路功率来计算变压器的铜损和短路阻抗。2.接线图3.要求及分析1）高压侧加电压，低压侧短路；WAV~**3）同时记录实验室的室温；4）由于外加电压很小，主磁通很少，铁损耗很少，忽略铁损，认为可以采用简化等效电路CupPk2）通过调节一次侧电压，使得一次侧电流达到额定值，这时一次侧所加电压UK为额定电压的5%-10%。测取此时的UK,一次侧电流IK,和输入功率PK出版社理工分社电机及拖动基础315）参数计算出版社理工分社电机及拖动基础短路电压常用百分值表示%100URI%u:)(N1C75N1kr0k分量百分值有功短路电压电阻%100UXI%ukx:)(N1N1k分量百分值无功抗短路电压电短路电压的大小直接反映短路阻抗的大小，而短路阻抗又直接影响变压器的运行性能。从正常运行角度看，希望短路电压小些，这样可使副边电压随负载波动小些；从限制短路电流角度，希望它大些，相应的短路电流就小些。%100UI%u:N1C75N10kZk短路电压百分值出版社理工分社电机及拖动基础3.5变压器的运行特性3.5.1电压变化率用相量图可以推导出电压变化率的表达式：定义：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。2022222NNNUUUUΔUUU22**ssΔUβ(RcosXsin)式中NIIβ22称为负载系数由表达式可知，电压变化率的大小与负载大小、性质及变压器的本身参数有关。出版社理工分社电机及拖动基础.,UcosRsinX.,U,)(;,U,)()(*s*s次电压比空载时高说明二为负值时当也可能为负值能为正可时带阻容性负载时低这时二次端电压比空载正值为时和阻感性负载当变压器带阻性负载22222000.),I(fU,,特性称为变压器的外即规律变化的二次端电压随负载电流定时因数一当电源电压和负载功率22*2U)(*2I1.001.01cos28.0cos28.0)cos(2出版社理工分社电机及拖动基础3.6.3损耗、效率及效率特性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。(1)、变压器的损耗铜损耗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。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。铜损耗大小与负载电流平方成正比，故也称为可变损耗。出版社理工分社电机及拖动基础效率大小反映变压器运行的经济性能的好坏，是表征变压器运行性能的重要指标之一。(2)、效率的计算效率是指变压器的输出功率与输入功率的比值。21100P=%P1121FeCuFeCupP+P-=-PP+P+P0222222FeCuSNSNNN2p=PIp=()P=PIP=Scos其中出版社理工分社电机及拖动基础效率表达式202201100SNNSNPP()%ScosPP变压器效率的大小与负载的大小、功率因数及变压器本身参数有关。（3）效率特性：在功率因数一定时，变压器的效率与负载系数之间的关系η=f(β),称为变压器的