1、 第四章 变压器 变压器：是一种静止的电机，它利用变压器：是一种静止的电机，它利用电磁感应原理将一种电压、电流的交电磁感应原理将一种电压、电流的交流电能转换成同频率的另一种电压、流电能转换成同频率的另一种电压、电流的电能。换句话说，变压器实现电流的电能。换句话说，变压器实现电能在不同等级之间的转换。电能在不同等级之间的转换。4.1 变压器的基本结构、工作原理变压器的基本结构、工作原理及分类及分类一、变压器的基本结构：一、变压器的基本结构：电力变压器的基本构成部分有：铁心、绕电力变压器的基本构成部分有：铁心、绕组、绝缘套管、油箱及其他附件等，其中组、绝缘套管、油箱及其他附件等，其中铁心和绕组是变
2、压器的主要部件，称为器铁心和绕组是变压器的主要部件，称为器身。下图是油浸式电力变压器的结构图。身。下图是油浸式电力变压器的结构图。油浸式电力变压器油浸式电力变压器简化图简化图:1、铁心和绕组：最主要的部、铁心和绕组：最主要的部 件，构成件，构成变压器的器身。变压器的器身。铁心：构成变压器的磁路，同时又是套装绕铁心：构成变压器的磁路，同时又是套装绕组的骨架。组的骨架。铁心由铁心由铁心柱和铁轭铁心柱和铁轭两部分构两部分构成。铁心柱上套绕组，铁轭将铁心柱连接成。铁心柱上套绕组，铁轭将铁心柱连接起来形成闭合磁路。起来形成闭合磁路。l铁心材料铁心材料：为了提高磁路的导磁性能，减：为了提高磁路的导磁性能，
3、减少铁心中的磁滞、涡流损耗，铁心一般用少铁心中的磁滞、涡流损耗，铁心一般用高磁导率的磁性材料高磁导率的磁性材料硅钢片叠成。硅硅钢片叠成。硅钢片有热轧和冷轧两种，其厚度为钢片有热轧和冷轧两种，其厚度为0.350.350.50.5mmmm，两面涂以厚两面涂以厚0.020.020.230.23mmmm的漆膜，的漆膜，使片与片之间绝缘。使片与片之间绝缘。l铁心型式铁心型式 ：心式、壳式心式、壳式和和渐开线式渐开线式等等形式。形式。壳式结构的特点：铁心包围绕组的顶面、壳式结构的特点：铁心包围绕组的顶面、底面和侧面；底面和侧面；心式结构的特点：铁心柱被绕组包围。心式结构的特点：铁心柱被绕组包围。壳式变压器
4、壳式变压器心式变压器心式变压器l壳式结构的机械强度较好，但制造复壳式结构的机械强度较好，但制造复杂；杂；l心式结构比较简单，绕组的装配及绝心式结构比较简单，绕组的装配及绝缘比较容易缘比较容易，电力变压器的铁心主要，电力变压器的铁心主要采用心式结构。采用心式结构。l铁心叠装铁心叠装 ：一般由剪成一定形状的硅一般由剪成一定形状的硅钢片叠装而成。为了减小接缝间隙以钢片叠装而成。为了减小接缝间隙以减小激磁电流，一般采用减小激磁电流，一般采用交错式叠法，交错式叠法，使使相邻层的接缝错开相邻层的接缝错开。l铁心截面铁心截面:铁心柱的截面一般做成阶梯铁心柱的截面一般做成阶梯形，以充分利用绕组内圆空间。容量形
5、，以充分利用绕组内圆空间。容量较大的变压器，铁心中常设有油道，较大的变压器，铁心中常设有油道，以改善铁心内部的散热条件。以改善铁心内部的散热条件。绕组：绕组：绕组是变压器的电路部分，它由绕组是变压器的电路部分，它由铜或铝绝缘导线绕制而成铜或铝绝缘导线绕制而成。l一次绕组（原绕组）：输入电能一次绕组（原绕组）：输入电能l二次绕组（副绕组）：输出电能二次绕组（副绕组）：输出电能l一次和二次绕组通常套装在同一铁心柱上，一次和二次绕组通常套装在同一铁心柱上，具有不同的匝数，通过电磁感应作用，一具有不同的匝数，通过电磁感应作用，一次绕组的电能就可传递到二次绕组，且使次绕组的电能就可传递到二次绕组，且使一
6、、二次绕组具有不同的电压和电流。一、二次绕组具有不同的电压和电流。l两个绕组中，电压较高的称为两个绕组中，电压较高的称为高压绕组高压绕组；电压较低的称为电压较低的称为低压绕组低压绕组。l从高、低压绕组的相对位置来看，变压器从高、低压绕组的相对位置来看，变压器的绕组又可分为的绕组又可分为同心式、交叠式同心式、交叠式。l由于同心式绕组结构简单，制造方便，所由于同心式绕组结构简单，制造方便，所以，国产电力变压器均采用这种结构，交以，国产电力变压器均采用这种结构，交叠式主要用于特种变压器中。叠式主要用于特种变压器中。2、其他部件：、其他部件：除器身外，典型的除器身外，典型的油浸式电力变压器中还有油浸式
7、电力变压器中还有油箱、变油箱、变压器油、绝缘套管及继电保护装置压器油、绝缘套管及继电保护装置等部件。等部件。二、变压器的工作原理：二、变压器的工作原理：22111ieeiu1u1e2e2u1i2iLZ工作原理工作原理：其中：其中：22111ieeiudtdNe11dtdNe22111Nue222Nue2121NNuu可见，可见，只要改变线圈的匝数，就能达到改变电压只要改变线圈的匝数，就能达到改变电压的目的的目的。若：若：三、变压器的分类：三、变压器的分类：变压器的种类很多，可按其变压器的种类很多，可按其用途、结构、相用途、结构、相数、冷却方式数、冷却方式等不同来进行分类。等不同来进行分类。1
8、1、按用途分类：、按用途分类：l电力变压器电力变压器（主要用在输配电系统中，又（主要用在输配电系统中，又分为升压变压器、降压变压器、联络变压分为升压变压器、降压变压器、联络变压器和厂用变压器）器和厂用变压器）l仪用互感器仪用互感器（电压互感器和电流互感器）（电压互感器和电流互感器）l特种变压器特种变压器（如调压变压器、试验变压器、（如调压变压器、试验变压器、电炉变压器、整流变压器、电焊变压器）电炉变压器、整流变压器、电焊变压器）等。等。2 2、按绕组数目分类、按绕组数目分类:有双绕组变压器、三绕有双绕组变压器、三绕组变压器、多绕组变压器、自耦变压器；组变压器、多绕组变压器、自耦变压器；3 3、
9、按铁心结构分类：有心式变压器和壳式变、按铁心结构分类：有心式变压器和壳式变压器；压器；4 4、按相数分类：有单相变压器、三相变压器、按相数分类：有单相变压器、三相变压器和多相变压器；和多相变压器；5 5、按冷却介质和冷却方式分类：有油浸式变、按冷却介质和冷却方式分类：有油浸式变压器（包括油浸自冷式、油浸风冷式、油压器（包括油浸自冷式、油浸风冷式、油浸强迫油循环式）、干式变压器、充气式浸强迫油循环式）、干式变压器、充气式变压器。变压器。6 6、电力变压器按容量大小通常分为：、电力变压器按容量大小通常分为：l小型变压器（容量小型变压器（容量1010630630kVAkVA）l中型变压器（容量中型变
10、压器（容量80080063006300kVAkVA）l大型变压器（容量大型变压器（容量800080006300063000kVAkVA）l特大型变压器（容量特大型变压器（容量9000090000kVAkVA及以上）及以上）四、额定值：四、额定值：额定值是制造厂对变压器在指定工作额定值是制造厂对变压器在指定工作条件下运行时所规定的一些量值。额条件下运行时所规定的一些量值。额定值定值通常标注在变压器的铭牌上。变压器的额通常标注在变压器的铭牌上。变压器的额定值主要有：定值主要有：l额定容量额定容量S SN N 额定运行时的视在功率。以额定运行时的视在功率。以VAVA、kVAkVA或或MVAMVA表示
11、。由于变压器的效率很高，通常表示。由于变压器的效率很高，通常一、二次侧的额定容量设计成相等；一、二次侧的额定容量设计成相等；l额定电压额定电压U U1N1N和和U U2N2N 正常运行时规定：加在一次侧的端电压正常运行时规定：加在一次侧的端电压称为变压器一次侧的额定电压称为变压器一次侧的额定电压U U1N 1N；二次侧的额定电压二次侧的额定电压U U2N2N 是指变压器一次是指变压器一次侧加额定电压侧加额定电压U U1N1N时时二次侧的空载电压二次侧的空载电压；额定电压以额定电压以V V或或kVkV表示。表示。对三相变压器，对三相变压器，额定电压是指线电压。额定电压是指线电压。额定电流额定电流
12、I I1N1N和和I I2N2N根据额定容量和额定电压计算出的线电流，称为根据额定容量和额定电压计算出的线电流，称为 额定电流，以额定电流，以A A表示。表示。对单相变压器：对单相变压器：NNNNNNUSIUSI2211;对三相变压器对三相变压器：NNNNNNUSIUSI22113;3l额定频率额定频率 fN：我国工频我国工频5050HZHZ。除额定值外，除额定值外，变压器的相数变压器的相数、绕组连绕组连接方式接方式及及联结组别联结组别、短路电压短路电压、运行方式运行方式和和冷却方式冷却方式等均标注在铭牌上。等均标注在铭牌上。额定状态是变压器的理想工作状态，额定状态是变压器的理想工作状态，具有
13、优良的性能，可长期工作。具有优良的性能，可长期工作。4.2 变压器的变压器的空载运行空载运行一、空载运行的物理现象：一、空载运行的物理现象：1.空载运行：空载运行：是指变压器一次绕组接到是指变压器一次绕组接到额定电压、额定频率的电源上，二次额定电压、额定频率的电源上，二次绕组开路时的运行状态。绕组开路时的运行状态。2.2.物理现象：物理现象：l主磁通主磁通l漏磁通漏磁通变压器的变压器的空载运行空载运行101122111000144.444.4XI jEfNjEfNjENIFIUmm10rI变压器空载时的电磁关系主磁通和漏磁通的区别：主磁通和漏磁通的区别：l1 1）由于铁磁材料有饱和现象，主磁路
14、的磁阻不是）由于铁磁材料有饱和现象，主磁路的磁阻不是常数，常数，主磁通与建立它的电流之间呈非线性关系。主磁通与建立它的电流之间呈非线性关系。而漏磁通的磁路大部分是非铁磁材料组成，所以而漏磁通的磁路大部分是非铁磁材料组成，所以漏磁路的磁阻基本上是常数，漏磁路的磁阻基本上是常数，漏磁通与产生它的漏磁通与产生它的电流呈线性关系；电流呈线性关系；l2 2）主磁通在一次、二次绕组中均感应电动势，当）主磁通在一次、二次绕组中均感应电动势，当二次方接上负载时便有电功率向负载输出，故二次方接上负载时便有电功率向负载输出，故主主磁通起传递能量的作用磁通起传递能量的作用。而漏磁通仅在一次绕组。而漏磁通仅在一次绕组
15、中感应电动势，中感应电动势，不能传递能量，仅起压降作用；不能传递能量，仅起压降作用；l因此，在分析变压器和交流电机时常将主磁通和因此，在分析变压器和交流电机时常将主磁通和漏磁通分开处理。漏磁通分开处理。二、正方向的规定：二、正方向的规定：从理论上讲，正方向可以任意选择，因各物理量从理论上讲，正方向可以任意选择，因各物理量的变化规律是一定的，并不依正方向的选择不同的变化规律是一定的，并不依正方向的选择不同而改变。但正方向规定不同，列出的电磁方程式而改变。但正方向规定不同，列出的电磁方程式和绘制的相量图也不同。和绘制的相量图也不同。在电机学科中通常按习在电机学科中通常按习惯方式规定正方向，称为惯例
16、。惯方式规定正方向，称为惯例。具体原则如下：具体原则如下：l1）在负载支路，电流的正方向与电压降的正方向在负载支路，电流的正方向与电压降的正方向一致，而在电源支路，电流的正方向与电动势的一致，而在电源支路，电流的正方向与电动势的正方向一致；正方向一致；l2 2）磁通磁通的正方向与产生它的的正方向与产生它的电流电流的正方向符合右的正方向符合右手螺旋定则；手螺旋定则；l3）感应电动势感应电动势的正方向与产生它的的正方向与产生它的磁通磁通的正方向的正方向符合右手螺旋定则。符合右手螺旋定则。l电压电压u1,u2的正方向表示电位降低，电动势的正方向表示电位降低，电动势e1,e2的正方向表示电位升高；的正
17、方向表示电位升高；l在一次边在一次边，u1由首端指向末端，由首端指向末端，i1 1从首端流入；从首端流入；l当当u1与与i1同时为正或同时为负时，表示电功率从同时为正或同时为负时，表示电功率从一次方输入，称为电动机惯例；一次方输入，称为电动机惯例；l在二次方，在二次方，u2和和i2的正方向由的正方向由e2的正方向决定，的正方向决定，即即i2沿沿e2的正方向流出。当的正方向流出。当u2和和i2同时为正或同时同时为正或同时为负时，电功率从二次方输出，称为发电机惯为负时，电功率从二次方输出，称为发电机惯例。例。三、空载时的电磁关系：三、空载时的电磁关系：1）电动势与磁通的关系：）电动势与磁通的关系：
18、设主磁通按正弦规律变化，即设主磁通按正弦规律变化，即 =msint 根据电磁感应定律，一、二次绕组中感应电动势的根据电磁感应定律，一、二次绕组中感应电动势的瞬时值为瞬时值为 ：)90sin(2cos1111tEtNdtdNem)90sin(2cos2222tEtNdtdNem)90sin(2cos111111tEtNdtdNem式中：式中：mmfNNE11144.42mmfNNE22244.42mmfNNE1111144.42注意：注意：从表达式可以看出，从表达式可以看出，电动势总是电动势总是滞后于产生的他的磁通滞后于产生的他的磁通90。mmfNjEfNjE221144.444.4相量：相量：
19、2）电动势平衡方程式：电动势平衡方程式：根据对正方向的规定，可以得到空载时电根据对正方向的规定，可以得到空载时电动势平衡方程式：动势平衡方程式：10111RIEEU01011IIEjxLj将漏感电动势写成压降的形式将漏感电动势写成压降的形式：101111001ZIxjREEIIU式中式中 Z1=R1+jx1一次绕组的漏阻抗。一次绕组的漏阻抗。对于电力变压器，空载时一次绕组的漏阻抗对于电力变压器，空载时一次绕组的漏阻抗压降压降I I0 0Z Z1 1很小，其数值不超过很小，其数值不超过U U1 1的的0.2%0.2%，将，将I I0 0Z Z1 1忽略，则上式变成：忽略，则上式变成：11EU22
20、0EU在二次方，由于电流为零，则其感应电动势在二次方，由于电流为零，则其感应电动势等于二次方的空载电压，即：等于二次方的空载电压，即：3 3）变压器的变比：）变压器的变比：一次、二次绕组的感应电动势一次、二次绕组的感应电动势E1和和E2之比称为变压之比称为变压器的变比，用器的变比，用 K 表示，即表示，即:21212144.444.4NNfNfNkmmEENNUUUUk21201当变压器空载运行时，由于当变压器空载运行时，由于U1E1，U20E2，故可故可近似地用空载运行时一次、二次方的电压比来作为近似地用空载运行时一次、二次方的电压比来作为变压器的变比，即变压器的变比，即对于三相变压器，变比
21、是指一次、二次方对于三相变压器，变比是指一次、二次方相电动势相电动势之比，即额定相电压之比。之比，即额定相电压之比。4 4）空载电流：）空载电流：变压器空载运行时变压器空载运行时,i0 主要用来产生磁场，又称为主要用来产生磁场，又称为励磁电流。励磁电流。l不考虑铁心损耗时，励磁电流是纯磁化电流，用不考虑铁心损耗时，励磁电流是纯磁化电流，用 i来表示。由于磁路饱和现象，磁化电流来表示。由于磁路饱和现象，磁化电流 i与产与产生它的磁通生它的磁通之间的关系是非线性的。当磁通按之间的关系是非线性的。当磁通按正弦规律变化时，励磁电流为尖顶波，根据谐波正弦规律变化时，励磁电流为尖顶波，根据谐波分析方法，尖
22、顶波可分解为基波和分析方法，尖顶波可分解为基波和3 3、5 5、7 7次谐次谐波。除基波外，三次谐波分量最大。波。除基波外，三次谐波分量最大。这就是说，这就是说，由于铁磁材料磁化曲线的非线性关系，要在变压由于铁磁材料磁化曲线的非线性关系，要在变压器中建立正弦波磁通，励磁电流必须包含三次谐器中建立正弦波磁通，励磁电流必须包含三次谐波分量。波分量。为了在相量图中表示励磁电流为了在相量图中表示励磁电流i，可以用等效正弦可以用等效正弦波电流来代替非正弦波励磁电流，其有效值为波电流来代替非正弦波励磁电流，其有效值为IIII252321从上图中，可以看出励磁电流从上图中，可以看出励磁电流 i 与磁通与磁通
23、 是同相位的。是同相位的。l当考虑铁心损耗时，励磁电流当考虑铁心损耗时，励磁电流 i0 中还必中还必须包含铁耗分量，即须包含铁耗分量，即iFeI0IIFe22=这时激磁电流这时激磁电流 i0将超前磁通一相位角将超前磁通一相位角。或或FeIII0四、空载时的向量图和等效电路四、空载时的向量图和等效电路:1)1)空载时的向量图空载时的向量图:我们已知我们已知101111001ZIxjREEIIU Zm称为变压器的激磁阻抗。称为变压器的激磁阻抗。l这样这样,变压器一次边的电动势方程可写成：变压器一次边的电动势方程可写成：)(101011ZZIZIEmU)(001mmmjxRIZIE令：令：R1是一次
24、绕组的电阻，是一次绕组的电阻，x1是对应一次绕组是对应一次绕组的漏磁电抗，它们数值很小且为常数；的漏磁电抗，它们数值很小且为常数；Rm、Z m却受铁心饱和度的影响，不是常数。却受铁心饱和度的影响，不是常数。当频率一定时，若外加电压升高，则主磁通当频率一定时，若外加电压升高，则主磁通增大，铁心饱和度程度增大，铁心饱和度程度增加，磁导增加，磁导m m下降下降，减小。同时铁耗减小。同时铁耗pFe增大，增大，但但pFe增大的程度比增大的程度比I02增大的程度小，由增大的程度小，由p pFeFe=I02Rm，则则Rm亦减小亦减小。反之。反之,若外加电压降低若外加电压降低,则则Rm、xm,增大。增大。即即
25、Zm随随铁心饱和度程度铁心饱和度程度增增加加而减小。而减小。但通常外加电压是一定的但通常外加电压是一定的,在正常运行范围内在正常运行范围内(从空载到满载从空载到满载)，主磁通基本不变，磁路的主磁通基本不变，磁路的饱和程度也基本不变，因而饱和程度也基本不变，因而Rm、xm可近似可近似看着常数。看着常数。mmmNLx21 从上面的分析可以总结出：从上面的分析可以总结出：Rm是表征铁心损耗的一个参数，而是表征铁心损耗的一个参数，而Xm是表征主磁通磁化性能的一个参数。是表征主磁通磁化性能的一个参数。Zm随随铁心饱和程度铁心饱和程度增加增加而减小。而减小。2 2）变压器变压器空载时的等效电路空载时的等效
26、电路 0I1U1ExmR1x1Rm小结小结（1 1）一次侧主电动势与漏阻抗压降总是与外施电压平衡）一次侧主电动势与漏阻抗压降总是与外施电压平衡,若忽略漏阻抗压降，则一次主电势的大小由外施电压决定若忽略漏阻抗压降，则一次主电势的大小由外施电压决定.（2 2）主磁通大小由电源电压、电源频率和一次线圈匝数决）主磁通大小由电源电压、电源频率和一次线圈匝数决定，与磁路所用的材质及几何尺寸基本无关定，与磁路所用的材质及几何尺寸基本无关。（3 3）空载电流大小与主磁通、线圈匝数及磁路的磁阻有）空载电流大小与主磁通、线圈匝数及磁路的磁阻有关，铁心所用材料的导磁性能越好，空载电流越小。关，铁心所用材料的导磁性能
27、越好，空载电流越小。（4 4）电抗是交变磁通所感应的电动势与产生该磁通的）电抗是交变磁通所感应的电动势与产生该磁通的电流的比值，线性磁路中，电抗为常数，非线性电路中，电流的比值，线性磁路中，电抗为常数，非线性电路中，电抗的大小电抗的大小随磁路的饱和而减小随磁路的饱和而减小。4.3 变压器的负载运行变压器的负载运行当变压器一次边接入交流电源，二次边接上当变压器一次边接入交流电源，二次边接上负载时的运行方式称为变压器的负载时的运行方式称为变压器的负载运行负载运行。一、负载运行时的物理情况：一、负载运行时的物理情况：即从空载电流即从空载电流 0变为负载时的电流变为负载时的电流 1。一次绕组。一次绕组
28、的磁动势也从空载磁动势的磁动势也从空载磁动势F0变为变为 F1=I1N1。负载负载时的主磁通时的主磁通m就是由一次、二次绕组的合成磁就是由一次、二次绕组的合成磁动势产生的，即：动势产生的，即：IImFFF21变压器的负载运行变压器的负载运行11IR11E22IR22E1U1I2I111INF222INF010INFm1E2E负载运行时的电磁关系二、电动势平衡方程式：二、电动势平衡方程式：在一次方，电动势平衡方程式为：在一次方，电动势平衡方程式为：11111111)(ZIEjxRIEU在二次方，电动势平衡方程式为：在二次方，电动势平衡方程式为：22222222)(ZIEjxRIEU式中，式中，Z
29、2=R2+jx2,二次绕组的漏阻抗，二次绕组的漏阻抗，R2、x2分别为二次绕组的电阻和漏电抗。分别为二次绕组的电阻和漏电抗。三、负载运行时的磁动势平衡方程式三、负载运行时的磁动势平衡方程式负载运行时的磁动势平衡方程式可写为负载运行时的磁动势平衡方程式可写为：将上式进行变化，可得：将上式进行变化，可得：021FFF102211NININI或：或：)/()/(2021201KIIINNII 这说明变压器负载运行时通过磁这说明变压器负载运行时通过磁动势平衡，使一次、二次方的电流紧动势平衡，使一次、二次方的电流紧密地联系在一起，二次方通过磁动势密地联系在一起，二次方通过磁动势平衡对一次方产生影响，二次
30、方电流平衡对一次方产生影响，二次方电流的改变必将引起一次方电流的改变，的改变必将引起一次方电流的改变，电能就是这样从一次方传到了二次方。电能就是这样从一次方传到了二次方。四、变压器参数的折算：四、变压器参数的折算：l由于一次、二次绕组的匝数由于一次、二次绕组的匝数、，感，感应电动势应电动势1、2不相等，给分析变压器不相等，给分析变压器的工作特性和绘制相量图增加了困难；的工作特性和绘制相量图增加了困难；l为了克服这个困难，常用一假想的绕组来为了克服这个困难，常用一假想的绕组来代替其中一个绕组，使之成为变比代替其中一个绕组，使之成为变比k=的的变压器，这样就可以把一次、二次绕组联变压器，这样就可以
31、把一次、二次绕组联成一个等效电路，简化变压器的分析计算。成一个等效电路，简化变压器的分析计算。这种方法称为这种方法称为绕组折算绕组折算；l折算后的量在原来的符号上加一个上标号折算后的量在原来的符号上加一个上标号“”以示区别。以示区别。折算目的折算目的：获得等效电路；简化计算；画相：获得等效电路；简化计算；画相量图量图。2221ININkIINNI2212212NN 折算方法折算方法：(二次方折算到一次方）。二次方折算到一次方）。22FF折算原则折算原则：和二次侧的各功率保持和二次侧的各功率保持不变。不变。2 I1）二次方电流的折算值）二次方电流的折算值 :2）二次方电动势的折算值：）二次方电动
32、势的折算值：折算前后主磁通和漏磁通均未改变，根据折算前后主磁通和漏磁通均未改变，根据电动势与匝数成正比的关系可得：电动势与匝数成正比的关系可得：22212EkENNE22EkE3）二次方漏阻抗的折算值：）二次方漏阻抗的折算值：根据折算前后根据折算前后二次绕组的铜损耗不变的原则二次绕组的铜损耗不变的原则，有有：2222222222222222222222)()()(ZkjxRkjxRZxkxIIxRkRIIR为：所以，漏阻抗的折算值通无功损耗不变，得由折算前后二次方漏磁五、折算后得基本方程式、等效电路和相量图：五、折算后得基本方程式、等效电路和相量图：1）基本方程式：）基本方程式：2201021
33、2122221111LmZIUZIEIIIEEZIEUZIEU2）等效电路：）等效电路：T型等效电路型等效电路3）相量图：）相量图：六、等效电路图的简化：六、等效电路图的简化：考虑到考虑到Z1 Zm，I0 I1N，当负载变化时，变当负载变化时，变化很小，可以认为不随负载的变化而变化。化很小，可以认为不随负载的变化而变化。这样，便可把这样，便可把T型等效电路进行简化处理：型等效电路进行简化处理：型等效电路型等效电路简化等效电路简化等效电路lRk、xk、zk分别为短路电阻、短路电抗、分别为短路电阻、短路电抗、短路阻抗；短路阻抗；l通常在做定性分析时用相量图比较形象通常在做定性分析时用相量图比较形象
34、直观，而在做定量计算时用等效电路比直观，而在做定量计算时用等效电路比较简便。较简便。21RRRk21xxxkkkkjxRzzz214.4 变压器参数的测定变压器参数的测定l变压器等效电路中的各种电阻、电抗或阻变压器等效电路中的各种电阻、电抗或阻抗如抗如Rk、xk、Rm、xm等称为变压器的参等称为变压器的参数，它们对变压器运行能有直接的影响。数，它们对变压器运行能有直接的影响。一、空载试验：一、空载试验：试验目的试验目的:测定测定I I0 0、变比变比k、空载损耗空载损耗p0及励及励磁阻抗磁阻抗Zm=Rm+jxm。空载试验接线：如图所示空载试验接线：如图所示 l为了便于测量和安全起见，通常为了便
35、于测量和安全起见，通常在低压侧加电压，在低压侧加电压，将高压侧开路。将高压侧开路。l实验过程：实验过程：电源电压由电源电压由01.2UN（或或1.2 UN0），测测U1、U20、I0和和p0值；可得值；可得I0=f(U1)及及p0=f(U1)*单方向激磁。单方向激磁。V V计算：计算：变比：变比：120UUK 0ppFe01IUzm200IpRm22mmmRzx由空载简化等效电路，得：由空载简化等效电路，得：0I1U1ExmR1x1Rm注意：注意：Rm和和xm是随电压的大小而变化的是随电压的大小而变化的(励磁参数与磁励磁参数与磁路的饱和程度有关路的饱和程度有关)，故，故取对应额定电压时的值取对
36、应额定电压时的值；测得的励磁参数是折算至低压侧的数值，如果需测得的励磁参数是折算至低压侧的数值，如果需要折算到高压侧，应将上述参数乘要折算到高压侧，应将上述参数乘2；三相变压器，按上式计算时三相变压器，按上式计算时U1、I0、p0均为每相均为每相值。但测量给出的数据是线电压、线电流和三相值。但测量给出的数据是线电压、线电流和三相总功率，总功率，三相变压器必须使用一相的值三相变压器必须使用一相的值；二、短路实验：二、短路实验：l实验目的：实验目的：测测IK、UK及及PK，计算计算UK%，pCu,ZK=RK+jxKl实验方法：实验方法：高压侧接电源，低压侧短接；高压侧接电源，低压侧短接；电压由电压
37、由0 0，使，使I IK K=0=01.2I1.2IN N，分别测分别测I IK K、U UK K及及P PK K；可得可得I IK K=f(U=f(UK K)，线性；线性；P PK K=f(U=f(UK K)，抛物线。抛物线。接线：为便于测量，通常高压侧加压，低压接线：为便于测量，通常高压侧加压，低压侧短路；侧短路；计算：计算：pCupK=PK (PK=pCu+pFepCu，电源电压很低电源电压很低pFe0)KKKIUz 2KKKIPR 22KKKRzx 温度折算：线圈电阻与温度有关，国标规定向温度折算：线圈电阻与温度有关，国标规定向7575换算；换算；由简化等效电路，得：由简化等效电路，得
38、：KRRR2121Kxxx2121*一般认为：一般认为：KCKRR5.234755.23475对铜线：对铜线：227575KKCKxRz则则注意：注意：三相变压器必须使用一相的值；三相变压器必须使用一相的值；短路试验在任何一方做均可，高压侧短路试验在任何一方做均可，高压侧参数是低压侧的参数是低压侧的k k2 2倍。倍。三、标三、标么值值l标么值的定义标么值的定义 *实际值与基准值必须具有相同的单位。实际值与基准值必须具有相同的单位。l基准值的选取基准值的选取1.1.通常以额定值为基准值，各侧的物理量以各自侧的额定值通常以额定值为基准值，各侧的物理量以各自侧的额定值为基准。为基准。例如：变压器一
39、次侧选；例如：变压器一次侧选；变压器二次侧选；变压器二次侧选；由于变压器一、二次侧容量相等，均选由于变压器一、二次侧容量相等，均选 基准值实际值标么值NNNNNIUzIU11111,NNNNNIUzIU22222,NS注意：注意：额定值的标么值为额定值的标么值为1 1；标么值的表示为在原符号右上角加标么值的表示为在原符号右上角加“*”表示；表示；使用标么值表示的基本方程式与采用实际值时使用标么值表示的基本方程式与采用实际值时的方程式在形式上一致。的方程式在形式上一致。优缺点优缺点 优点：优点：l便于分析比较；便于分析比较；l直观反映变压器运行情况，如：直观反映变压器运行情况，如：l物理意义不同
40、的物理量，具有相同的数值；物理意义不同的物理量，具有相同的数值；l采用标么值后，不必折算了；采用标么值后，不必折算了；l采用标么值后，三相变压器的计算公式与单相采用标么值后，三相变压器的计算公式与单相变压器的计算公式完全相同。变压器的计算公式完全相同。过载）(05.1,9.0*2*2IU*KKuz 缺点缺点:l没有单位；没有单位；l物理概念比较模糊。物理概念比较模糊。4.5 变压器的运行特性变压器的运行特性变压器的运行特性指：变压器的运行特性指：*变压器二次侧端电压的变化变压器二次侧端电压的变化*变压器的效率变压器的效率一、变压器的外特性一、变压器的外特性变压器一次侧外施电压额定电压变压器一次
41、侧外施电压额定电压 U1=U1N 、负载功率因数负载功率因数 cos2不变时，二次侧端电不变时，二次侧端电压压 U2 随二次侧负载电流随二次侧负载电流 I2 变化的关系曲变化的关系曲线线 ，即，即 U2=f(I2)。一般用电压调整率表一般用电压调整率表示。示。变压器的外特性变压器的外特性U2=f(I2)二、电压调整率：二、电压调整率：%100%100%100%1212222220NNNNNUUUUUUUUUUl定义式：定义式：参数表达式：参数表达式：21IIkxI j1kRI12UNU1bcad%10012121NNNUUUUabUU由简化相量图，有：由简化相量图，有：21II1U2U 21R
42、RRk21xxxkLZabUNU21%100%1001121NNNUabUUUU%100sincos12121NkkUxIRIU负载系数NNNkkNIIUUxRIU111221/,%100sincos21IIkxI j1kRI12UNU1bcad12参数表达式：参数表达式：l参数表达式：参数表达式：%100)sincos(%100sincos2212121kkNkNkNxRUxIRIUl上式说明，电压调整率与负载的大小上式说明，电压调整率与负载的大小（值）成（值）成正比；正比；l在一定的负载系数下，漏阻抗（阻抗电压）的在一定的负载系数下，漏阻抗（阻抗电压）的标么值越大，电压调整率也越大；标么值
43、越大，电压调整率也越大；l电压调整率还与负载的性质，即功率因数角电压调整率还与负载的性质，即功率因数角 2的大小和正负有关。的大小和正负有关。电压调整率表征了电网电压的稳定性，电压调整率表征了电网电压的稳定性，反映了电能的质量，是变压器的主要性能反映了电能的质量，是变压器的主要性能之一。之一。U=Rk*cos2+xk*sin2100%三、变压器的损耗和效率：三、变压器的损耗和效率：1、变压器的功率关系：、变压器的功率关系：2222cosImUP 2211PpppPcuFecu变压器的效率为：变压器的效率为：%1001%100%10021112cuFecuFeppPppPpPPP2、效率的求解：
44、、效率的求解：1）按给定负载条件直接给变压器加负载，测出输按给定负载条件直接给变压器加负载，测出输出和输入有功功率来计算效率。这种方法称为出和输入有功功率来计算效率。这种方法称为直直接负载法接负载法；2）电力变压器可以应用电力变压器可以应用间接法间接法计算效率，计算效率，间接法间接法又称损耗分析法又称损耗分析法。l优点：无需给变压器直接加负载，也无需运用等优点：无需给变压器直接加负载，也无需运用等效电路计算，只要进行空载试验和短路试验，测效电路计算，只要进行空载试验和短路试验，测出额定电压时的空载损耗出额定电压时的空载损耗p0和额定电流时的短路和额定电流时的短路损耗损耗pkN就可以方便地计算出
45、任意负载下的效率。就可以方便地计算出任意负载下的效率。应用间接法求变压器的效率时作如下假定：应用间接法求变压器的效率时作如下假定：l1.忽略变压器空载运行时的铜耗，用额定电压下忽略变压器空载运行时的铜耗，用额定电压下的空载损耗的空载损耗p0来代替铁耗来代替铁耗pFe，即即pFe=p0，它不随它不随负载大小而变化，称为不变损耗；负载大小而变化，称为不变损耗；l2.忽略短路试验时的铁耗，用额定电流时的短路忽略短路试验时的铁耗，用额定电流时的短路损耗损耗pkN来代替额定电流时的铜耗。但需要注意的来代替额定电流时的铜耗。但需要注意的是：不同负载时的铜耗与负载系数的平方成正比，是：不同负载时的铜耗与负载
46、系数的平方成正比，pcu=2 pkN；当短路损耗当短路损耗pk不是在不是在IK=IN时测的，时测的，pkN=(IN/IK)2pK。l3.不考虑变压器副边电压的变化，即认为不考虑变压器副边电压的变化，即认为U2=U2N不变，这样便有不变，这样便有P2=mU2I2 cos2=mU2NI2N(I2/I2N)cos2 =SN cos 2则：则：%100cos120220ppSppkNNkNl以上的假定引起的误差不大（不超过以上的假定引起的误差不大（不超过0.5），却给计算带来很大方便，电力变压器），却给计算带来很大方便，电力变压器规定都用这种方法来计算效率。规定都用这种方法来计算效率。3.3.效率特性
47、：效率特性：上式说明，当负载的功率因数上式说明，当负载的功率因数cos 2一定一定时，效率随负载系数而变化。图为变压器的时，效率随负载系数而变化。图为变压器的效率曲线。效率曲线。变压器的效率曲线变压器的效率曲线特性分析：特性分析：l空载时输出功率为零，所以空载时输出功率为零，所以=0；l负载较小时，损耗相对较大，效率负载较小时，损耗相对较大，效率较低；较低；l负载增加，效率负载增加，效率亦随之增加。超过某一负亦随之增加。超过某一负载时，因铜耗增大，效率载时，因铜耗增大，效率反而降低，最大反而降低，最大效率效率出现在出现在 d/d=0 的地方。因此，最高的地方。因此，最高效率效率max时的负载系
48、数时的负载系数m 为：为：ppkNm0l即当不变损耗（铁耗）等于可变损耗（铜即当不变损耗（铁耗）等于可变损耗（铜耗）时效率最大；耗）时效率最大；l由于变压器总是在额定电压下运行，但不由于变压器总是在额定电压下运行，但不可能长期满负载。为了提高运行的经可能长期满负载。为了提高运行的经济性，济性，通常设计成通常设计成m=0.50.6，这样，使铁耗较这样，使铁耗较小；小；41310ppkN 4.6 三相变压器三相变压器l电力系统中普遍采用三相制，三相变压器在平电力系统中普遍采用三相制，三相变压器在平衡负载下，取其一相按单相变压器进行分析即衡负载下，取其一相按单相变压器进行分析即可；可；l本节着重研究
49、三相变压器的特殊问题。即：三本节着重研究三相变压器的特殊问题。即：三相变压器的磁路系统、三相变压器绕组的连接相变压器的磁路系统、三相变压器绕组的连接方法和联结组、三相变压器空载电动势的波形方法和联结组、三相变压器空载电动势的波形等。等。一、三相变压器的磁路系统一、三相变压器的磁路系统三相变压器的磁路系统三相变压器的磁路系统可分为可分为各相磁路独立各相磁路独立和和各相各相磁路相关磁路相关两大类。两大类。1、各相磁路独立、各相磁路独立:三相变压器组或组式三相变压器三相变压器组或组式三相变压器,如图所示如图所示 特点：特点：l显然各相磁路相互独立彼此无关；显然各相磁路相互独立彼此无关；l当一次方接三
50、相对称电源时，各相主磁通和当一次方接三相对称电源时，各相主磁通和励磁电源也是对称的。励磁电源也是对称的。2、各相磁路相关：如图所示、各相磁路相关：如图所示l可见，此时的各相磁通之间是相互联系的，即：可见，此时的各相磁通之间是相互联系的，即：0CBA特点：特点：在这种铁心结构的变压器中，任一在这种铁心结构的变压器中，任一瞬间某一瞬间某一相的磁通均以其他两相铁心为回相的磁通均以其他两相铁心为回路，因此各相磁路彼此相关联。路，因此各相磁路彼此相关联。二、三相变压器的电路系统二、三相变压器的电路系统绕组联结组绕组联结组1、绕组的端点标志与极性：、绕组的端点标志与极性：绕组名绕组名 单相变压器单相变压器
