37变压器工作原理

第三章变压器本章以一般用途的电力变压器为主要研究对象，着重分析单相变压器的工作原理、基本结构和运行情况，对其他用途的变压器作简单介绍。以期掌握变压器变电压、变电流、变阻抗的原理，理解变压器铭牌数据含义；学会正确使用各种变压器。1．变压器：是一种静止的电气设备。它是根据电磁感应的原理，将某一等级的交流电压和电流转换成同频率的另一等级电压和电流的设备。2．作用：变换交流电压、变换交流电流和变换阻抗。第一节变压器基本工作原理和结构一、变压器的基本工作原理二次绕组（也称副绕组或次级绕组）：接负载，其匝数为N2一次绕组（也称原绕组或初级绕组）：接交流电源，其匝数为Nl；一、二次绕组中其感应电动势瞬时值分别为二、变压器的应用与分类1、变压器的应用变压器能够变换交变电压、变换交变电流、变换阻抗的作用2、变压器的种类很多，按用途不同主要分为：1）电力变压器：供输配电系统中升压或降压用。2）特殊变压器：如电炉变压器、电焊变压器3）仪用互感器：如电压互感器与电流互感器。4）试验变压器：高压试验用。5）控制用变压器：控制线路中使用。6）调压器：用来调节电压。三、电力变压器的基本结构（一）铁心、（二）绕组、（三）绝缘套管、（四）油箱及附件1.铁心铁心是变压器的磁路部分，是绕组的支撑骨架。铁心由心柱和磁轭两部分组成，铁心用厚度为0.35mm，表面涂有绝缘漆的热轧硅钢片或冷轧硅钢片叠装而成。2.绕组绕组是变压器的电路部分，常用绝缘铜线或铝线绕制而成。工作电压高的绕组称为高压绕组，工作电压低的绕组称为低压统组。3.绝缘套管绝缘套管是变压器绕组的引出装置，将其装在变压器的油箱上，实现带电的变压器绕组引出线与接地的油箱之间的绝缘。4.油箱及其附件油箱安装变压器的铁心与绕组。变压器油起绝缘和冷却作用。电力变压器附件还有安全气道、测温装置、分接开关、吸湿器与油表等。四、电力变压器的额定值与主要系列1．额定容量SN（1）单相变压器的额定容量为SN=UN1IN1=UN2IN2（2）三相变压器的容量为SN=UN1IN=UN2IN22．额定电压U1N和U2N（1）UN1为一次侧绕组额定电压（2）UN2为二次绕组额定电压3．额定电流IN1和IN2（1）IN1是一次绕组的额定电流；（2）IN2是二次绕组的额定电流。4．额定频率f我国规定的标准工业用电频率为50HZ第二节单相变压器的空载运行一、空载运行时各物理量正方向的规定图中标出各电压、电流、磁通、感应电动势的正方向正弦量的正方向通常规定如下：1）电源电压正方向与其电流正方向采用关联方向，即两者正方向一致。2）绕组电流产生的磁通势所建立的磁通，这二者的正方向符合右手螺旋定则。3）由交变磁通φ产生的感应电动势，二者的正方向符合右手螺旋定则，即它的正方向与产生该磁通的电流正方向一致。由上述规定，在图中标出各电压、电流、磁通、感应电动势的正方向如图中所示。二、感应电动势与漏磁电动势(一)、感应电动势若主磁通，φ=Φmsinωt，则一、二次绕组感应电动势瞬时值为：一、二次绕组感应电动势有效值为：E1=4.44fN1ΦmE2=4.44fN2Φm由此，对某台具体的变压器而言，f及N1均为常数，因此当加在变压器上的交流电压有效值U1恒定时，则变压器铁心中的磁通Φm基本保持不变。三、变压器空载运行时的电动势平衡方程式和电压比一次绕组电动势平衡方程式若不计一次绕组中的阻抗，则外加电压几乎全部用来平衡反电动势：二次绕组的端电压等于其感应电动势：变压器一次绕组的匝数Nl与二次绕组匝数N2之比称为变压器的电压比k，即11EU当N2＞N1时，k＜1，则U2＞U1，为升压变压器；若N2＜N1，k＞1，则U2＜U1，为降压变压器。若改变电压比k，即改变一次或二次绕组匝数，则可达到改变二次绕组输出电压时目的。四、空载电流和空载损耗变压器空载运行时，空载电流分解成两部分：1．为无功分量，用来建立磁场，起励磁作用，其与主磁通同相位；2．为有功分量，用来供给变压器铁心损耗，其相位超前主磁通约900。即10I第三节单相变压器的负载运行变压器的负载运行：是指变压器在一次绕组加上额定正弦交流电压，二次绕组接负载ZL的情况下的运行状态，如图所示。一、负载运行时的各物理量负载运行时一、二次电流关系二、变压器负载运行时的基本方程式（一）磁通势平衡方程式1．变压器负载运行时磁通势平衡方程式为2121.)(INNI1021FFF1102211NININI2．电流平衡方程式为忽略I10时，一、二次绕组电流有效值关系为I1=I2/k三、变压器的作用通过对变压器负载运行的分析，可以清楚地看出变压器具有变电压、变电流、变阻抗的作用。（一）变换电压U1/U2≈E1/E2=k=N1/N2（二）变换电流I1/I2≈N2/N1=1/k（三）变换阻抗上式表明，经变压器把负载阻抗变换为。通过选择合适的电压比k，可把实际负载阻抗变换为所需的阻抗值，这就是变压器的变换阻抗作用。LZ'LZ四、变压器的运行特性1．变压器运行特性主要有：（1）外特性（2）效率特性。2．运行的主要指标为：（1）电压变化率（2）效率（一）变压器的外特性和电压变化率是指在一次绕组加额定电压，负载功率因数cosφ2为额定值时，二次绕组端电压U2随负载电流I2的变化关系，即U2=f(I2)曲线，如下图所示。在纯电阻负载时，电压变化较小；为感性负载时，电压变化较大；而在容性负载时，端电压可能出现随负载电流的增加反而上升，如下图中曲线3所示。1．变压器的外特性：2．电压变化率（二）变压器的效率特性变压器的效率特性：是指负载功率因数cosφ2不变的情况下，变压器效率随负载电流变化的的关系，即曲线η＝f（I2），如下图所示。对于电力变压器，最大效率出现在I2=（0.5~0.7）I2N时，其额定效率ηN＝0.95－0.99。第四节三相变压器三相变压器组：是由三个单相变压器按一定方式连接在一起组成的。如下图所示。三相变压器组各相之间只有电的联系，没有磁的联系。三相心式变压器：将三个铁心柱用铁轭连在一起来构成三相心式变压器。一、三相变压器的磁路系统（一）三相变压器组的磁路二、三相变压器的电路系统三相变压器的电路系统是指三相变压器各相的一次统组、二次绕组的连接情况。三相变压器绕组的首端和尾端的标志规定如下表所示。（一）三相变压器绕组的联结法三相变压器绕组的联结有星形和三角形两种联结方式。如下图a所示。用字母Y或y分别表示一次绕组或二次绕组的星形联结。若同时也把中点引出，则用YN或yn表示。用字母D或d分别表示一次统组或二次绕组的三角形联结。我国生产的电力变压器常用Yyn、Yd、YNd、Dyn等四种联结方式，其中大写字母表示一次绕组的联结方式，小写字母表示二次绕组的联结方式。第五节其他用途的变压器本节介绍常用的自耦变压器、仪用互感器和弧焊变压器的工作原理及特点。一、自耦变压器1．自耦变压器的结构特点是：一、二次绕组共用一个绕组。如下图所示。对于降压自耦变压器，一次绕组的一部分充当二次绕组；对于升压自耦变压器，二次绕组的一部分充当一次绕组。因此自耦变压器一、二次绕组之间既有磁的联系，又有电的直接联系。将一、二次绕组共用部分的绕组称为公共绕组。下面以降压自耦变压器为例分析其工作原理。2．自耦变压器的电压比3．自耦变压器的变流公式4．自耦变压器的输出视在功率（即容量）为5．种类：自耦变压器有单相和三相两种。一般三相自耦变压器采用星形接法。图1-21为三相自耦变压器原理图。如果将自耦变压器的抽头做成滑动触头，就成为自耦调压器，常用于调节试验电压的大小。图1-22为常用的环形铁心单相自耦调压器原理图。仪器用互感器：供测量用的变压器。可分为电压互感器和电流互感器。（一）电压互感器1．电压互感器：实质上是一个降压变压器。下图为电压互感器原理图。二、仪器用互感器它的一次绕组N1匝数很多，直接并接在被测的高压线路上，二次统组N2匝数较少，接电压表或其他仪表的电压线圈。2．使用电压互感器时，应注意以下几点：l）电压互感器在运行时二次绕组绝不允许短路，否则短路电流很大，会将互感器烧坏。为此在电压互感器二次侧电路中应串联熔断器作短路保护。2）电压互感器的铁心和二次绕组的一端必须可靠接地，以防一次高压绕组绝缘损坏时，铁心和二次绕组带上高电压而触电。3）电压互感器有一定的额定容量，使用时不宜接过多的仪表，否则将影响互感器的准确度。（二）电流互感器1．电流互感器：一次绕组匝数NI很少，一般只有一匝到几匝；二次绕组匝数很多。使用时一次绕组串接在被测线路中，流过被测电流，而二次绕组与电流表或仪表的电流线圈构成闭合回路，如下图所示。由于电流互感器二次绕组所接仪表阻抗很小，二次绕组相当于短路，因此电流互感器运行情况相当于变压器短路运行状态。2．使用电流互感器时，应注意以下几点：1）电流互感器运行时二次绕组绝不许开路。电流互感器的二次绕组电路中绝不允许装熔断器。在运行中若要拆下电流表，应先将二次绕组短路后再进行。2）电流互感器的铁心和二次绕组的一端必须可靠接地。以免绝缘损坏时，高压侧电压传到低压则，危及仪表及人身安全。3）电流表内阻抗应很小，否则影响测量精度。三、弧焊变压器弧焊变压器实质上是一台特殊的降压变压器。1．对弧焊变压器提出以下要求：l）为保证容易起弧，空载电压应在60－75V之间。2）负载运行时具有电压迅速下降的外特征，一般在额定负载时输出电压在30V左右。3）焊接电流可在一定范围内调节。4）短路电流不应过大，一般不超过额定电流的2倍，且焊接电流稳定。2．如何满足上述要求：弧焊变压器具有较大的电抗，且可以调节。为此弧焊变压器的一、二次绕组分装在两个铁心柱上。为获得电压迅速下降的外特性，以及弧焊电流可调，可采用串联可变电抗器法和磁分路法，由此滋生出带电抗器的弧焊变压器和带磁分路的弧焊变压器。