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电机与电气控制第2章变压器教学重点变压器工作原理以及空载运行时的特性。教学难点变压器电路的等效方法、等效原则及等效电路的基本方程式。第2章变压器2.1变压器概述2.1.1变压器的基本工作原理变压器的基本原理是基于电磁感应定律。如图2-1所示为变压器工作原理示意图。图2-1变压器工作原理示意图第2章变压器2.1.2变压器的基本结构下面以油浸式电力变压器为例，来说明变压器的基本结构，其结构示意图如图2-2所示。第2章变压器图2-2油浸式电力变压器的结构示意图1－安全气道；2－气体继电器；3－高压套管；4－低压套管；5－分接开关；6－油箱；7－放油阀门；8－器身；9－接地板；10－铭牌；11－温度计；12－吸湿器；13－油表；14－储油柜第2章变压器2.1.3变压器的分类和额定参数变压器的分类■变压器按用途可以分为电力变压器和特种变压器两大类。■变压器按绕组构成可分为双绕组变压器、三绕组变压器、多绕组变压器和自耦变压器。第2章变压器■变压器按铁芯结构可分为壳式变压器和芯式变压器。■变压器按相数可分为单相变压器、三相变压器和多相变压器。■变压器按冷却介质和冷却方式可分为干式变压器、油浸式变压器（油浸自冷式、油浸风冷式和强迫油循环式等）和充气式变压器第2章变压器变压器的额定参数变压器的额定参数是制造厂商对变压器正常使用所做的规定，通常都标注在变压器的铭牌上。■额定电流IN■额定电压UN■额定容量SN■额定频率fN■额定温升第2章变压器2.2单相变压器的空载运行变压器的空载运行是指变压器的一次绕组接在额定电压的交流电源上，而二次绕组开路的运行方式。2.2.1空载运行时的电磁关系参考方向的规定变压器中的电压、电流、磁通及电动势的大小和方向都是时间的变化量，为了能正确表明各量之间的关系，需要规定它们的正方向。第2章变压器空载运行时的物理情况如图2-5所示为单相变压器空载运行示意图。图2-5变压器空载运行示意图第2章变压器感应电动势和空载电流■主磁通感应电动势■漏磁通感应的电动势■空载电流变压器空载运行时的空载电流主要有两个作用，一是建立空载时的磁场，另一个是补偿空载时的损耗。第2章变压器2.2.2空载时的平衡方程、等效电路和相量图电动势平衡方程_2_20EU等效电路和相量图变压器空载等效电路图如图2-6所示。变压器空载时的相量图如图2-7所示。第2章变压器图2-7变压器空载时的相量图图2-6变压器空载等效电路图第2章变压器2.3单相变压器的负载运行变压器的负载运行是指变压器的一次绕组接额定交流电压，而二次绕组接负载阻抗的运行方式。2.3.1负载运行时的电磁关系如图2-8所示为单相变压器负载运行示意图。第2章变压器图2-8变压器负载运行示意图第2章变压器2.3.2负载运行时的基本方程式磁动势平衡方程变压器负载运行时通过磁动势平衡，使一、二次绕组的电流紧密地联系在一起，一次绕组的电流随二次绕组电流的变化而变化，从而实现了电能从一次绕组到二次绕组的传递。第2章变压器电动势平衡方程变压器负载时的基本方程组为1011221111222210f112222LNININIUEIZUEIZEIZENkENUIZ第2章变压器2.3.3变压器的绕组折算、等效电路及相量图绕组折算绕组折算就是将变压器的一次、二次绕组折算成同样匝数，但不改变其电磁效应的计算过程。通常，用一个假想的绕组来代替其中一个绕组，使之成为电压比ＫU=１的变压器，假想绕组的磁动势与被替换绕组的磁动势相等。第2章变压器图2-9变压器的等效电路等效电路■T形等效电路经过对二次绕组进行折算，可得到变压器负载运行时的等效电路，如图2-9所示。其中变压器一、二次绕组之间电磁耦合的作用，反映在由主磁通在绕组中产生的感应电动势上。和'21EE第2章变压器■近似等效电路近似等效电路如图2-10所示。图2-10变压器的近似等效电路第2章变压器等效电路的简化Γ形等效电路虽然正确反映了变压器内部的电磁关系，但它属于混联电路，进行复数运算比较麻烦。由于I1I0，因此完全可以把I0略去不计，更进一步简化等效电路图，从而得到一个更简单的阻抗串联的简化等效电路，如图2-11所示。第2章变压器图2-11变压器的简化等效电路第2章变压器相量图根据变压器的T形等效电路可以得到其对应的相量图。如图2-12所示为感性负载时的相量图。图2-12感性负载时的相量图第2章变压器2.3.4变压器的效率及损耗变压器的效率变压器在接入额定负载时，变压器的输出功率P2与输入功率P1的比值称为变压器的效率。用公式表示为%10012PP在实际情况下，因为变压器损耗的存在，不可能达到100%。第2章变压器变压器的损耗变压器的损耗主要由铜损耗和铁损耗两部分组成。■铜损耗变压器的绕组是用漆包线绕制的，由于导体存在着电阻，电流通过时，就会因发热而损耗一部分能量，这部分损耗的能量即为变压器的铜损耗。■铁损耗变压器的铁损耗包括涡流损耗和磁滞。第2章变压器2.4三相变压器目前电力系统均采用三相制，因而三相变压器的应用极为广泛。三相变压器对称运行时，其各相的电压、电流大小相等，相位互差120°。2.4.1三相变压器组的磁路系统三相变压器的磁路系统可分为组式磁路和心式磁路两类。第2章变压器组式磁路三相组式变压器是由三个单相变压器按一定方式连接起来组成的，如图2-13所示。图2-13三相组式变压器的磁路系统示意图第2章变压器心式磁路三相心式变压器的每相有一个铁芯柱，三个铁芯柱连接起来构成三相铁芯。常用的三相心式变压器的铁芯结构如图2-14所示图2-14三相心式变压器的磁路系统示意图第2章变压器2.4.2三相变压器的连接方法—连接组同名端的判别当磁通φ交变时，在任一瞬间，高压绕组的某一端点的电位相对为正时，低压绕组必有一端点的电位也相对为正，这两个对应的端点就称为同名端，通常在对应的端点旁用“*”或“•”表示，如图2-15所示。在图(a)中A与a为同名端，在图(b)中A与x为同名端。第2章变压器(a)绕组绕向相同(b)绕组绕向不同图2-15变压器绕组的同名端第2章变压器三相变压器绕组的连接方法在三相变压器中，绕组的连接主要采用星形和三角形两种连接方法。绕组名称首端末端中点高压线圈ABCXYZN低压线圈abcxyzn第2章变压器星形联结是指把三相绕组的三个末端连接在一起，而把首端引出分别接三相电源，形状像字母“Y”，用字母Y或y表示。其连接方法分为有中线和无中线两种，如图2-18所示。(a)无中线的星形连接(b)有中线的星形连接图2-18三相绕组星形接法示意图第2章变压器三角形联结是指把一相的末端和另一相的首端相连，使其三相绕组首尾相连，顶端接三相电源，形成一个“△”形，用字母D或d表示。其接法分为顺序联结和逆序联结两种，如图2-19所示。(a)逆序连接(b)顺序连接图2-19三相绕组三角形接法示意图第2章变压器三相变压器的联结组别变压器用不同的接法时，一次绕组和二次绕组对应的线电压之间可以形成不同的相位。为了简单明了地表达绕组不同接法与对应线电压之间的相位关系，将变压器一、二次绕组的分成的不同组联结称为绕组的联结组。理论和实践证明，不论三相绕组采用什么联结方法，一、二次侧线电压的相位总是相差30°的整数倍。第2章变压器■Yy0如图2-20所示为三相变压器Yy0联结组及相位图。如果把低压边的非同名端标为首端a、b、c，再把尾端x、y、z连接在一起，首端a、b、c引出，联结组将变成Yy6。（a）(b)图2-20三相变压器Yy0联结图及相位图第2章变压器■Yd11如图2-21所示为三相变压器Yd11联结图及相位图。此时把一、二次绕组的首端作为同名端，故一、二次绕组对应的相电压为同相位，二次绕组依次联结成三角形。图2-21三相变压器Yd11联结图及相位图第2章变压器2.5其他用途的变压器随着工业的不断发展，除了传输能量的双绕组电力变压器外，尚有多种特殊用途的变压器，它们虽然结构与外形不尽相同，但基本原理完全一样，本节简要介绍常用的自耦变压器和仪用互感器。第2章变压器2.5.1自耦变压器自耦变压器也称为调压器，是实验室常用的一种变压器。它只有一个绕组，这个绕组既是一次侧，也是二次侧，故称为公共绕组。一、二次绕组之间既有磁的关联，又有电的直接联系。由于两边有直接的电联系，故36V以下，也不一定是安全电压。其原理如图2-22所示。第2章变压器图2-22自耦变压器的原理示意图第2章变压器2.5.2仪用互感器电流互感器电流互感器类似于一个升压变压器，它的一次绕组匝数很少，一般只有一匝到几匝，而二次绕组匝数却比较多，如图2-23所示。图2-23电流互感器原理示意图第2章变压器通常，电流互感器的二次侧额定电流均设计为5A，额定电流等级有100A/5A、500A/5A、2000A/5A等，准确度分为0.2、0.5、1.0、3.0和10.0五个等级。电流互感器在使用时应注意：■在运行过程中绝对不允许二次侧开路。电流互感器的二次侧若开路，则一次侧电流全部成为励磁电流，铁芯中的磁通增大，铁芯过分饱和，铁耗急剧增大，引起互感器发热。第2章变压器■因为二次绕组匝数较多，将会感应出危险的高电压，所以一定要保证操作人员和测量设备的安全。■为了使用安全，二次绕组必须可靠接地。■二次侧回路阻抗不应超过规定值，以免增大误差。第2章变压器电压互感器电压互感器实质上就是一个降压变压器，主要用于测量高压线路的电压，其工作原理和结构与双绕组变压器基本相同。一次侧直接并联在被测高压电路上，二次侧接电压表或功率表，电压互感器原理如图2-24所示。第2章变压器图2-24电压互感器原理示意图第2章变压器电压互感器使用时应注意以下几点：■二次侧不允许短路，否则会产生很大的短路电流，烧坏互感器的绕组。■为了使用安全，二次绕组必须可靠接地。■二次侧接入的阻抗不得小于规定值，以减小误差。■接线时要注意端子的极性是否连接正确。