1、学习情境学习情境2 变压器的运行与维护变压器的运行与维护 任务任务1 单相变压器的认识与分析单相变压器的认识与分析 任务任务2 三相变压器的分析及其应用三相变压器的分析及其应用下一页返回任务任务1 单相变压器的认识与分析单相变压器的认识与分析 2.1 变压器的应用、变压器的分类及变压器的额变压器的应用、变压器的分类及变压器的额定值定值 变压器是电力系统中的重要电气设备，它是电力输配电系统的核心变压器是电力系统中的重要电气设备，它是电力输配电系统的核心装置，同时一也是电气控制系统中不可缺少的元器件。变压器是一种装置，同时一也是电气控制系统中不可缺少的元器件。变压器是一种静止的电机，它利用电磁感应
2、原理将一种电压、电流的交流电能转换静止的电机，它利用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、电流的电能。换句话说，变压器就是实现电成同频率的另一种电压、电流的电能。换句话说，变压器就是实现电能在不同等级之间进行转换。能在不同等级之间进行转换。下一页返回任务任务1 单相变压器的认识与分析单相变压器的认识与分析 2.1.1变压器的应用与分类变压器的应用与分类 作为电能传输或信号传输的装置，变压器在电力系统和自动化控制作为电能传输或信号传输的装置，变压器在电力系统和自动化控制系统中得到了广泛的应用，在国民经济的其他部门，作为特种电源或系统中得到了广泛的应用，在国民经济的其他部
3、门，作为特种电源或满足特殊的需要，变压器一也发挥着重要的作用。它的种类很多，容满足特殊的需要，变压器一也发挥着重要的作用。它的种类很多，容量小的只有几伏安，大的可达到数十万千伏安量小的只有几伏安，大的可达到数十万千伏安;电压低的只有几伏，电压低的只有几伏，高的可达几十万伏。变压器的种类很多，可按其用途、结构、相数、高的可达几十万伏。变压器的种类很多，可按其用途、结构、相数、冷却方式等不同来进行分类。冷却方式等不同来进行分类。(1)按用途分类，可分为电力变压器按用途分类，可分为电力变压器(主要用在输配电系统中，又分为主要用在输配电系统中，又分为升压变压器、降压变压器、联络变压器和厂用变压器升压变
4、压器、降压变压器、联络变压器和厂用变压器)、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)、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、申焊变压器等电炉变压器、整流变压器、申焊变压器等)上一页 下一页返回任务任务1 单相变压器的认识与分析单相变压器的认识与分析(2)按绕组数目分类，可分为双绕组变压器、三绕组变压器、多绕组变按绕组数目分类，可分为双绕组变压器、三绕组变压器、多绕组变压器和自藕变压器。压器和自藕变压器。(3)按铁芯结构分类，有芯式变压器和壳式变压器。按铁芯结构分类，有芯式变压器和壳式变压器。(4)按相数
5、分类，有单相变压器、三相变压器和多相变压器。按相数分类，有单相变压器、三相变压器和多相变压器。(5)按冷却介质和冷却方式分类，可分为油浸式变压器按冷却介质和冷却方式分类，可分为油浸式变压器(包括油浸自冷包括油浸自冷式、油浸风冷式、油浸强迫油循环式式、油浸风冷式、油浸强迫油循环式)、干式变压器、充气式变压器。、干式变压器、充气式变压器。(6)电力变压器按容量大小通常分为小型变压器电力变压器按容量大小通常分为小型变压器(容量为容量为10 630 kVA),中型变压器中型变压器(容量为容量为8006 300 kVA)、大型变压器、大型变压器(容量为容量为8 00063 000 kVA)和特大型变压器
6、和特大型变压器(容量在容量在90 000 kVA及以上及以上)。不管如何进行分类，其工作原理及性能都是一样的。不管如何进行分类，其工作原理及性能都是一样的。上一页 下一页返回任务任务1 单相变压器的认识与分析单相变压器的认识与分析 2.1.2变压器的额定值变压器的额定值(铭牌数据铭牌数据)按照国家标准规定，标注在铭牌上的，代表变压器在规定使用环境按照国家标准规定，标注在铭牌上的，代表变压器在规定使用环境和运行条件下的主要技术数据，称为变压器的额定值和运行条件下的主要技术数据，称为变压器的额定值(或称为铭牌数或称为铭牌数据据)，主要有以下几个。，主要有以下几个。(1)额定容量额定容量:是指变压器
7、在正常运行时的视在功率，通常以是指变压器在正常运行时的视在功率，通常以s、来表、来表示，单位为伏安示，单位为伏安(vA)或千伏安或千伏安(kvA)。对于一般的变压器，原、副边。对于一般的变压器，原、副边的额定容量都设计成相等。的额定容量都设计成相等。(2)额定电压额定电压:在正常运行时，规定加在原边绕组上的电压，称为原在正常运行时，规定加在原边绕组上的电压，称为原边的额定电压，以边的额定电压，以UN来表示来表示;当副边绕组开路当副边绕组开路(即空载即空载)，原边绕组加额，原边绕组加额定电压时，副边绕组的测量电压，即为副边额定电压，以定电压时，副边绕组的测量电压，即为副边额定电压，以Uz、来表示
8、。、来表示。在三相变压器中，额定电压系指线电压，单位为伏在三相变压器中，额定电压系指线电压，单位为伏(V)或千伏或千伏(kV)。上一页 下一页返回任务任务1 单相变压器的认识与分析单相变压器的认识与分析(3)额定电流额定电流:是指根据额定容量和额定电压计算出来的电流值。原、是指根据额定容量和额定电压计算出来的电流值。原、副边的额定电流分别用副边的额定电流分别用 、来表示，单位为安来表示，单位为安(A)。(4)额定频率额定频率:我国以及大多数国家都规定介我国以及大多数国家都规定介 =50 Hz o额定容量、额额定容量、额定电压和额定电流之间的关系为定电压和额定电流之间的关系为单相变压器单相变压器
9、:三相变压器三相变压器:此外，变压器的铭牌上还一般会标注效率、温升、绝缘等级等。此外，变压器的铭牌上还一般会标注效率、温升、绝缘等级等。返回上一页 下一页任务任务1 单相变压器的认识与分析单相变压器的认识与分析 2.2 单相变压器基木结构及工作原理单相变压器基木结构及工作原理2.2.1变压器的工作原理变压器的工作原理下面以单相双绕组变压器为例分析其工作原理。下面以单相双绕组变压器为例分析其工作原理。在一个闭合的铁芯上缠绕两个绕组，其匝数既可以相同，一也可以不在一个闭合的铁芯上缠绕两个绕组，其匝数既可以相同，一也可以不同，但一般是不同的。如同，但一般是不同的。如图图2.2.1所示，两个绕组之间只
10、有磁的藕合，所示，两个绕组之间只有磁的藕合，而没有电的联系。而没有电的联系。返回上一页 下一页任务任务1 单相变压器的认识与分析单相变压器的认识与分析 与电源相连的绕组，接受交流电能，通常称为原边绕组与电源相连的绕组，接受交流电能，通常称为原边绕组(初级绕组、初级绕组、原边绕组原边绕组)，以，以A,X标注其出线端标注其出线端;与负载相连的绕组，送出交流电能，与负载相连的绕组，送出交流电能，通常称为副边绕组通常称为副边绕组(次级绕组、副边绕组次级绕组、副边绕组)，以，以a,x标注其出线端。与标注其出线端。与原边绕组相关的物理量均以下角标原边绕组相关的物理量均以下角标“1”来表示，与副边绕组相关的
11、物来表示，与副边绕组相关的物理量均以下标理量均以下标“2”来表示。来表示。例如原边的匝数、电压、电动势、电流分别以例如原边的匝数、电压、电动势、电流分别以 、来表示来表示;副副边的匝数、电压、电动势、电流分别以边的匝数、电压、电动势、电流分别以 、u2,e2,i2来表示。对一来表示。对一台降压变压器而言，原边绕组即为高压绕组，副边绕组则是低压绕组台降压变压器而言，原边绕组即为高压绕组，副边绕组则是低压绕组;与此相反，升压变压器的高压绕组指的是副边绕组。与此相反，升压变压器的高压绕组指的是副边绕组。上一页 下一页返回任务任务1 单相变压器的认识与分析单相变压器的认识与分析 当原边绕组接通电源，便
12、会在铁芯中产生与电源电压同频率的交变当原边绕组接通电源，便会在铁芯中产生与电源电压同频率的交变磁通磁通 。忽略漏磁，该磁通便同时与原、副边绕组相交链，藕合系数。忽略漏磁，该磁通便同时与原、副边绕组相交链，藕合系数 =1，这样的变压器称为理想变压器。根据电磁感应定律，在原、副，这样的变压器称为理想变压器。根据电磁感应定律，在原、副边绕组便会感应出电动势，分别为边绕组便会感应出电动势，分别为于是可得电动势比于是可得电动势比上一页 下一页返回任务任务1 单相变压器的认识与分析单相变压器的认识与分析 若磁通、电动势均按正弦规律变化，若磁通、电动势均按正弦规律变化，k称为变压器的变比，也称为匝称为变压器
13、的变比，也称为匝比，通常用有效值之间的比值来表示，即比，通常用有效值之间的比值来表示，即当副边绕组开路当副边绕组开路(即空载即空载)时，如忽略绕组压降时，如忽略绕组压降(仅占仅占 的的0.01%不到不到)则有则有不计铁芯中由磁通不计铁芯中由磁通 交变所引起的损耗，根据能量守恒原理，可得交变所引起的损耗，根据能量守恒原理，可得由此可以看出由此可以看出上式表明，理想变压器的原、副边绕组的视在功率相等，变压器的视上式表明，理想变压器的原、副边绕组的视在功率相等，变压器的视在功率称为变压器的容量。在功率称为变压器的容量。上一页 下一页返回任务任务1 单相变压器的认识与分析单相变压器的认识与分析2.2.
14、2变压器的结构变压器的结构 变压器的主要结构部件有变压器的主要结构部件有:铁芯和绕组两个基本部分组成的器身，以铁芯和绕组两个基本部分组成的器身，以及放置器身且盛满变压器油的油箱。此外，还有一些为确保变压器运及放置器身且盛满变压器油的油箱。此外，还有一些为确保变压器运行安全的辅助器件行安全的辅助器件)图图2.2.2为一台油浸式电力变压器外形图。为一台油浸式电力变压器外形图。上一页 下一页返回任务任务1 单相变压器的认识与分析单相变压器的认识与分析1.铁芯铁芯 铁芯是构成变压器磁路的主要部分。为了减小交变磁通在铁芯中引铁芯是构成变压器磁路的主要部分。为了减小交变磁通在铁芯中引起的损耗，铁芯通常用厚
15、度为起的损耗，铁芯通常用厚度为0.3一一0.5 mm、表面具有绝缘膜的硅钢、表面具有绝缘膜的硅钢片叠装而成，分为铁芯柱和铁扼两部分。片叠装而成，分为铁芯柱和铁扼两部分。图图2.2.3 (a),(b)所示的变压所示的变压器，从外面看，线圈包围铁芯柱，称为芯式结构器，从外面看，线圈包围铁芯柱，称为芯式结构;图图2.2.4所示的变压所示的变压器，从外面看，铁芯柱包围线圈，则称为壳式结构。小容量变压器多器，从外面看，铁芯柱包围线圈，则称为壳式结构。小容量变压器多采用壳式结构。交变磁通在铁芯中引起涡流损耗和磁滞损耗，为使铁采用壳式结构。交变磁通在铁芯中引起涡流损耗和磁滞损耗，为使铁芯的温度不致太高，在大
16、容量的变压器的铁芯中往往设置油道，而铁芯的温度不致太高，在大容量的变压器的铁芯中往往设置油道，而铁芯则浸在变压器油中，当油从油道中流过时，可将铁芯中产生的热量芯则浸在变压器油中，当油从油道中流过时，可将铁芯中产生的热量带走。带走。上一页 下一页返回任务任务1 单相变压器的认识与分析单相变压器的认识与分析 2.绕组绕组绕组是构成变压器电路的主要部分。原、副边绕组一般用铜或铝的绝绕组是构成变压器电路的主要部分。原、副边绕组一般用铜或铝的绝缘导线缠绕在铁芯柱上。高压绕组电压高，绝缘要求高，如果高压绕缘导线缠绕在铁芯柱上。高压绕组电压高，绝缘要求高，如果高压绕组在内，离变压器铁芯近，则应加强绝缘，提高
17、了变压器的成本造价。组在内，离变压器铁芯近，则应加强绝缘，提高了变压器的成本造价。因此，为了绝缘方便，低压绕组紧靠着铁芯，高压绕组则套装在低压因此，为了绝缘方便，低压绕组紧靠着铁芯，高压绕组则套装在低压绕组的外面。两个绕组之间留有油道，既可以起绝缘作用，又可以使绕组的外面。两个绕组之间留有油道，既可以起绝缘作用，又可以使油把热量带走。在单相变压器中，高、低压绕组均分为两部分，分别油把热量带走。在单相变压器中，高、低压绕组均分为两部分，分别缠绕在两个铁芯柱上，两部分既可以串联又可以并联。三相变压器属缠绕在两个铁芯柱上，两部分既可以串联又可以并联。三相变压器属于同一相的高、低压绕组全部缠绕在同一铁
18、芯柱上。只有绕组和铁芯于同一相的高、低压绕组全部缠绕在同一铁芯柱上。只有绕组和铁芯的变压器称为干式变压器。大容量变压器的器身放在盛有绝缘油的油的变压器称为干式变压器。大容量变压器的器身放在盛有绝缘油的油箱中，这样的变压器称为油浸式变压器。箱中，这样的变压器称为油浸式变压器。上一页 下一页返回任务任务1 单相变压器的认识与分析单相变压器的认识与分析 3.油箱和冷却装置油箱和冷却装置 油浸变压器的器身浸在充满变压器的邮箱里。变压器油既是绝缘介油浸变压器的器身浸在充满变压器的邮箱里。变压器油既是绝缘介质，又是冷却介质，它通过受热后的对流，将铁芯和绕组的热量带到质，又是冷却介质，它通过受热后的对流，将
19、铁芯和绕组的热量带到箱壁及冷却装置，再散发到周围空气中。箱壁及冷却装置，再散发到周围空气中。油箱的结构与变压器的容量、发热情况密切相关。变压器的容量越油箱的结构与变压器的容量、发热情况密切相关。变压器的容量越大，发热问题就越严重。在小容量变压器中采用平板式油箱大，发热问题就越严重。在小容量变压器中采用平板式油箱;容量稍容量稍大的变压器采用排管式油箱，在油箱侧壁上焊接许多冷却用的管子，大的变压器采用排管式油箱，在油箱侧壁上焊接许多冷却用的管子，以增大油箱散热面积。当装设排管不能满足散热需要时，则先将排管以增大油箱散热面积。当装设排管不能满足散热需要时，则先将排管做成散热器，再把散热器按照在油箱上
20、，这种油箱称为散热器油箱。做成散热器，再把散热器按照在油箱上，这种油箱称为散热器油箱。此外，大型变压器还采用强迫油循环冷却等方式，以增强冷却效果。此外，大型变压器还采用强迫油循环冷却等方式，以增强冷却效果。强迫油循环的冷却装置称为冷却器，不强迫油循环的冷却装置称为散强迫油循环的冷却装置称为冷却器，不强迫油循环的冷却装置称为散热器。热器。上一页 下一页返回任务任务1 单相变压器的认识与分析单相变压器的认识与分析 4.绝缘套管绝缘套管 变压器套管是将绕组的高、低压引线引到箱外的绝缘装置，它是引变压器套管是将绕组的高、低压引线引到箱外的绝缘装置，它是引线对地线对地(外壳外壳)的绝缘，又担负着固定引线
21、的作用。套管大多装于箱盖的绝缘，又担负着固定引线的作用。套管大多装于箱盖上，中间穿有导电杆，套管下端伸进油箱与绕组引线相连，套管上部上，中间穿有导电杆，套管下端伸进油箱与绕组引线相连，套管上部露出箱外，与外电路连接。低压引线一般用纯瓷套管，高压引线一般露出箱外，与外电路连接。低压引线一般用纯瓷套管，高压引线一般用充油式或电容式套管。用充油式或电容式套管。5.保护装置保护装置 1)储油柜储油柜 储油柜是一种油保护装置，水平地安装在变压器油箱盖上，用弯曲储油柜是一种油保护装置，水平地安装在变压器油箱盖上，用弯曲连管与油箱连通，柜内油面高度随变压器油的热胀冷缩而变动。储油连管与油箱连通，柜内油面高度
22、随变压器油的热胀冷缩而变动。储油柜的作用是保证变压器油箱内充满油，减少油和空气的接触面积，从柜的作用是保证变压器油箱内充满油，减少油和空气的接触面积，从而降低变压器油受潮和老化的速度。而降低变压器油受潮和老化的速度。上一页 下一页返回任务任务1 单相变压器的认识与分析单相变压器的认识与分析 2)吸湿器吸湿器 通过吸湿器可使大气与储油柜连通。当变压器油因热胀冷缩而使油通过吸湿器可使大气与储油柜连通。当变压器油因热胀冷缩而使油面高度发生变化时，气体将通过吸湿器进出。吸湿器内装有硅胶或活面高度发生变化时，气体将通过吸湿器进出。吸湿器内装有硅胶或活性氧化铝，用以吸收进入储油柜中空气的水分。性氧化铝，用
23、以吸收进入储油柜中空气的水分。3)安全气道安全气道 安全气道装于油箱顶部，如图安全气道装于油箱顶部，如图2.2.2所示。它是一个长钢圆筒，上所示。它是一个长钢圆筒，上端口装有一定厚度的玻璃板或酚醛纸板，下端口与油箱连通。它的作端口装有一定厚度的玻璃板或酚醛纸板，下端口与油箱连通。它的作用是当变压器内部因发生故障引起压力骤增时，让油气流冲破玻璃或用是当变压器内部因发生故障引起压力骤增时，让油气流冲破玻璃或酚醛纸板，以免造成箱壁爆裂。酚醛纸板，以免造成箱壁爆裂。4)净油器净油器净油器是利用油的自然循环，使油通过吸附剂进行过滤，以改善运行净油器是利用油的自然循环，使油通过吸附剂进行过滤，以改善运行中
24、变压器油的性能中变压器油的性能上一页 下一页返回任务任务1 单相变压器的认识与分析单相变压器的认识与分析 5)气体继电器气体继电器 气体继电器装在储油柜和油箱的连通管中间，如图气体继电器装在储油柜和油箱的连通管中间，如图2.2.2所示。当所示。当变压器内部发生故障变压器内部发生故障(如绝缘击穿、匝间短路、铁芯事故等如绝缘击穿、匝间短路、铁芯事故等)产生气体产生气体或油箱漏油使油面降低时，气体继电器动作，发出信号以便运行人员或油箱漏油使油面降低时，气体继电器动作，发出信号以便运行人员及时处理，若事故严重，可使断路器自动跳闸，对变压器起保护作用。及时处理，若事故严重，可使断路器自动跳闸，对变压器起
25、保护作用。此外，变压器还有调压分解开关盒测温及温度监控装置等。此外，变压器还有调压分解开关盒测温及温度监控装置等。上一页 下一页返回任务任务1 单相变压器的认识与分析单相变压器的认识与分析近年来，为了使变压器的运行更加安全、可靠，维护更加简单，油浸近年来，为了使变压器的运行更加安全、可靠，维护更加简单，油浸式变压器采用了密封式结构，使变压器油和周围空气完全隔绝，日前式变压器采用了密封式结构，使变压器油和周围空气完全隔绝，日前主要密封形式有空气密封型、充氮密封型和全充油密封型。全充油密主要密封形式有空气密封型、充氮密封型和全充油密封型。全充油密封型变压器与普通油浸式变压器相比，取消了储油柜，当绝
26、缘油体积封型变压器与普通油浸式变压器相比，取消了储油柜，当绝缘油体积发生变化时，由波纹油箱壁或膨胀式散热器的弹性形变作补偿，解决发生变化时，由波纹油箱壁或膨胀式散热器的弹性形变作补偿，解决了变压器油的膨胀问题。由于全密封变压器的内部的内部与大气隔绝，了变压器油的膨胀问题。由于全密封变压器的内部的内部与大气隔绝，防止和减缓油的劣化和绝缘受潮，增强了运行可靠性，可做到正常运防止和减缓油的劣化和绝缘受潮，增强了运行可靠性，可做到正常运行免维护。另外，变压器中装有压力释放阀，当变压器内部发生故障，行免维护。另外，变压器中装有压力释放阀，当变压器内部发生故障，油被气化，油箱内压力增大到一定值时，压力释放
27、阀迅速开启，将油油被气化，油箱内压力增大到一定值时，压力释放阀迅速开启，将油箱内压力释放，防止变压器油箱爆裂，进而起到保护变压器的作用。箱内压力释放，防止变压器油箱爆裂，进而起到保护变压器的作用。返回上一页 下一页任务任务1 单相变压器的认识与分析单相变压器的认识与分析 变压器的原边绕组接在电网上，副边绕组开路时的运行状态，称为变压器的原边绕组接在电网上，副边绕组开路时的运行状态，称为空载运行。此时，空载运行。此时，变压器内部的物理过程比较简单，先从变压，变压器内部的物理过程比较简单，先从变压器这样一个最简单的情况来研究其电磁过程。器这样一个最简单的情况来研究其电磁过程。2.3.1空载运行时的
28、物理状况空载运行时的物理状况 变压器的各电磁量都是交流量，为分析和计算方便，必须规定出其变压器的各电磁量都是交流量，为分析和计算方便，必须规定出其正方向。正方向。图图2.3.1所示变压器各量的正方向是遵循惯例，按下面所述所示变压器各量的正方向是遵循惯例，按下面所述的相应中磁规律来规定的的相应中磁规律来规定的返回上一页 下一页任务任务1 单相变压器的认识与分析单相变压器的认识与分析(1),;的正方向规定由首端指向末端的正方向规定由首端指向末端;的正方向规定从末端指的正方向规定从末端指向首端。向首端。(2)、:其正方向与产生它们的电流符合右手螺旋定则。因此，其正方向与产生它们的电流符合右手螺旋定则
29、。因此，判定磁通的正方向时必须注意绕组的绕向。判定磁通的正方向时必须注意绕组的绕向。(3)、和和e2 、:正方向与产生它们的磁通符合右手螺旋定则，正方向与产生它们的磁通符合右手螺旋定则，即符合定磁感应定律即符合定磁感应定律(4)、:正方向与相应的电势方向一致。正方向与相应的电势方向一致。上一页 下一页返回任务任务1 单相变压器的认识与分析单相变压器的认识与分析 变压器空载时各量的正方向规定与上述类似，如变压器空载时各量的正方向规定与上述类似，如图图2.3.2所示。所示。变压器在空载运行时，原边绕组变压器在空载运行时，原边绕组 接人电压为接人电压为 的电网后，便会的电网后，便会有空载电流有空载电
30、流i。流过，进而产生空载交变磁势。流过，进而产生空载交变磁势 ，建立空载磁，建立空载磁场。磁场由两部分磁通组成场。磁场由两部分磁通组成:因为铁芯磁导率比油或空气的磁导率大因为铁芯磁导率比油或空气的磁导率大得多，绝大部分磁通存在于铁芯中，这部分磁通同时与原边、副边绕得多，绝大部分磁通存在于铁芯中，这部分磁通同时与原边、副边绕组相交链，称为主磁通组相交链，称为主磁通 ;少量的磁通少量的磁通 只与原边绕组相交链，称只与原边绕组相交链，称为原边侧漏磁通。由于主磁通同时与原边、副边绕组相交链，因此从为原边侧漏磁通。由于主磁通同时与原边、副边绕组相交链，因此从原边侧到副边侧的能量传递主要是依靠主磁通的媒介
31、而实现的。原边侧到副边侧的能量传递主要是依靠主磁通的媒介而实现的。上一页 下一页返回任务任务1 单相变压器的认识与分析单相变压器的认识与分析选择图选择图2.3.2所示的正方向，根据基尔霍夫第二定律所示的正方向，根据基尔霍夫第二定律(KVL)及电磁感及电磁感应定律，可得应定律，可得如果各物理量均按正弦规律变化，便可用如下的相量形式来表示如果各物理量均按正弦规律变化，便可用如下的相量形式来表示上一页 下一页返回任务任务1 单相变压器的认识与分析单相变压器的认识与分析 1.感应电动势感应电动势 首先研究主磁通所产生的感应电动势。由于漏磁通远小于主磁通，首先研究主磁通所产生的感应电动势。由于漏磁通远小
32、于主磁通，故故 ，空载时的原边绕组压降一也很小。忽略这两者，空载时的原边绕组压降一也很小。忽略这两者(它们之和它们之和只有只有 的的0.2%左右左右)的影响时，可认为的影响时，可认为 。可见当。可见当 是正弦波时，是正弦波时，和和 ，也按正弦规律变化。，也按正弦规律变化。设设 则则 的有效值分别为的有效值分别为上一页 下一页返回任务任务1 单相变压器的认识与分析单相变压器的认识与分析相应的相量表达式为相应的相量表达式为由上式可以看出，由上式可以看出，和和 在相位上都滞后于产生它们的磁通在相位上都滞后于产生它们的磁通 。还可以得到还可以得到 k称为变压器的变比。可见只要选择适当的原边、副边绕组匝
33、数，就称为变压器的变比。可见只要选择适当的原边、副边绕组匝数，就可以产生所需要的电压，考虑到可以产生所需要的电压，考虑到 ，有，有上一页 下一页返回任务任务1 单相变压器的认识与分析单相变压器的认识与分析 其次研究漏磁通所产生的感应电动势。其次研究漏磁通所产生的感应电动势。变压器在空载运行时，存在少量的与原边绕组相交链的漏磁链变压器在空载运行时，存在少量的与原边绕组相交链的漏磁链 ，它也是随时间交变的，因而也会在原边绕组中感应产生漏电动势它也是随时间交变的，因而也会在原边绕组中感应产生漏电动势 。下面对其进行分析。下面对其进行分析。原边绕组的漏磁链原边绕组的漏磁链:式中式中 原边绕组的漏电感。
34、原边绕组的漏电感。上一页 下一页返回任务任务1 单相变压器的认识与分析单相变压器的认识与分析 由于漏磁通的路径大部分在磁导率比较小的空气或油中，它一般不由于漏磁通的路径大部分在磁导率比较小的空气或油中，它一般不会饱和，可以认为漏磁通会饱和，可以认为漏磁通 与空载电流与空载电流i。成正比，所以。成正比，所以 是一常是一常数。于是可得漏磁通产生的感应电动势为数。于是可得漏磁通产生的感应电动势为当当 按正弦规律变化时按正弦规律变化时式中式中 原边绕组的漏电抗。原边绕组的漏电抗。上一页 下一页返回任务任务1 单相变压器的认识与分析单相变压器的认识与分析 2.空载电流空载电流 变压器的空载电流变压器的空
35、载电流i。一方面建立磁场，另一方面要补偿空载运行。一方面建立磁场，另一方面要补偿空载运行时变压器的损耗。前者仅起磁化作用，称为励磁电流或磁化电流，是时变压器的损耗。前者仅起磁化作用，称为励磁电流或磁化电流，是i。中的无功分量，以。中的无功分量，以 表示表示;后者是有功分量，以后者是有功分量，以 表示。因表示。因此，此，。一般来说，。一般来说，为简化起见，常忽略为简化起见，常忽略 ，将，将 看看成励磁电流，即成励磁电流，即 。由于变压器的铁芯材料是铁磁物质，有磁饱和现象存在，其饱和程由于变压器的铁芯材料是铁磁物质，有磁饱和现象存在，其饱和程度对度对 的大小、波形都有一定的影响。的大小、波形都有一
36、定的影响。上一页 下一页返回任务任务1 单相变压器的认识与分析单相变压器的认识与分析(1)当铁芯未饱和时，磁通与励磁电流之间按线性关系变化，如当铁芯未饱和时，磁通与励磁电流之间按线性关系变化，如图图2.3.3所示。在这种情况下，如果磁通随时间正弦变化，则励磁电流也是所示。在这种情况下，如果磁通随时间正弦变化，则励磁电流也是正弦波。并且它们在时间上同相位。正弦波。并且它们在时间上同相位。(2)当铁芯饱和时，铁磁材料的磁化曲线便是一条成饱和特性的曲线，当铁芯饱和时，铁磁材料的磁化曲线便是一条成饱和特性的曲线，励磁电流和磁通之间便失去了线性关系。当磁通为正弦波时，励磁电励磁电流和磁通之间便失去了线性
37、关系。当磁通为正弦波时，励磁电流则是一个尖顶波，如流则是一个尖顶波，如图图2.3.4 (a)所示，采用谐波分析方法，可所示，采用谐波分析方法，可将将 分解成基波和一系列高次谐波。分解成基波和一系列高次谐波。由于励磁电流关于横轴对称，故只存在奇次谐波由于励磁电流关于横轴对称，故只存在奇次谐波:在工程上，通常用一个等效的正弦波代替尖顶波，该等效在工程上，通常用一个等效的正弦波代替尖顶波，该等效正弦波的幅值为正弦波的幅值为且等效的正弦波与基波具有相同的频率和相位。且等效的正弦波与基波具有相同的频率和相位。上一页 下一页返回任务任务1 单相变压器的认识与分析单相变压器的认识与分析2.3.2 空载运行时
38、的电动势平衡方程式、相量图以及等效电路空载运行时的电动势平衡方程式、相量图以及等效电路 1.电动势平衡方程式电动势平衡方程式 为简单起见，上面的分析有时是在忽略漏磁通和原边绕组电阻的情为简单起见，上面的分析有时是在忽略漏磁通和原边绕组电阻的情况下进行的。然而，它们都是客观存在的，考虑到其影响，有况下进行的。然而，它们都是客观存在的，考虑到其影响，有相应的瞬时值表达式为相应的瞬时值表达式为式中式中 -原边侧的漏阻抗。原边侧的漏阻抗。上一页 下一页返回任务任务1 单相变压器的认识与分析单相变压器的认识与分析 2.相量图及等效电路相量图及等效电路 根据变压器空载运行时的实际物理情况，可以把原边绕组等
39、效为一根据变压器空载运行时的实际物理情况，可以把原边绕组等效为一个电阻、一个空心线圈和一个实心线圈串联组成，如个电阻、一个空心线圈和一个实心线圈串联组成，如图图2.3.5所示。所示。电阻即为绕组内阻，空心线圈所产生的磁通为原边绕组的漏磁通，实电阻即为绕组内阻，空心线圈所产生的磁通为原边绕组的漏磁通，实心线圈产生的磁通为铁芯中的主磁通。这样就可以把实际的原边绕组心线圈产生的磁通为铁芯中的主磁通。这样就可以把实际的原边绕组与与3个理想元件相等效，便于作进一步分析。个理想元件相等效，便于作进一步分析。空载电流空载电流 流过实心线圈时，便会产生主磁通流过实心线圈时，便会产生主磁通 该磁通在同时与原该磁
40、通在同时与原边、副边绕组相交链的同时，也会在铁芯中产生磁滞损耗和涡流损耗。边、副边绕组相交链的同时，也会在铁芯中产生磁滞损耗和涡流损耗。所以，所以，I。由产生磁通的无功分量。由产生磁通的无功分量 ，和用以补偿铁芯损耗的有功分，和用以补偿铁芯损耗的有功分量量 共同组成，即共同组成，即上一页 下一页返回任务任务1 单相变压器的认识与分析单相变压器的认识与分析 为了弄清这三者之间的相位关系，可进一步把实心线圈等效为一个为了弄清这三者之间的相位关系，可进一步把实心线圈等效为一个电阻与一个线圈相并联的形式。其中，电阻与一个线圈相并联的形式。其中，流过电阻流过电阻 ，所消耗的功，所消耗的功率与铁芯的损耗相
41、等效率与铁芯的损耗相等效 ，流过，流过 ，则产生主磁通。如，则产生主磁通。如图图2.3.6所示。所示。这样等效完全不改变变压器空载运行时的实际情况。由此便可得出这这样等效完全不改变变压器空载运行时的实际情况。由此便可得出这3个电流量之间的相位关系如个电流量之间的相位关系如图图2.3.7所示。所示。上一页 下一页返回任务任务1 单相变压器的认识与分析单相变压器的认识与分析从从图图2.3.7可以看出，可以看出，I。在相位上超前。在相位上超前 ，一个，一个 角，这是由于磁通角，这是由于磁通流过铁芯时产生铁耗引起的。故可以把这一角度称为铁耗角。把流过铁芯时产生铁耗引起的。故可以把这一角度称为铁耗角。把
42、 言，言，和和 ，并联支路经过串并联等效变换，便可等效为一个，并联支路经过串并联等效变换，便可等效为一个R川的电阻和川的电阻和X 、的电感相串联的形式，考虑到、的电感相串联的形式，考虑到于是有于是有 通过以上的分析，便可以得到变压器在空载运行时的等效电路如通过以上的分析，便可以得到变压器在空载运行时的等效电路如图图2.3.8所示变压器空载运行时的相量图如所示变压器空载运行时的相量图如图图2.3.9所示所示在绘制相量图时，可以选择在绘制相量图时，可以选择 为参考相量，为参考相量，、在相位上滞在相位上滞后后 ，超前超前 一个铁耗角一个铁耗角 ，可进一步得到，可进一步得到 返回上一页 下一页任务任务
43、1 单相变压器的认识与分析单相变压器的认识与分析 2.4单相变压器的负载运行单相变压器的负载运行原边绕组接通额定电压，副边绕组接上负载原边绕组接通额定电压，副边绕组接上负载 时，称为变压器的负载时，称为变压器的负载运行。其工作原理图如运行。其工作原理图如图图2.4.1所示。所示。2.4.1负载运行时的物理状况负载运行时的物理状况 副边接上了负载副边接上了负载 后，在感应电动势后，在感应电动势 的作用下，副边绕组便会有的作用下，副边绕组便会有电流电流 产生，进而产生磁动势产生，进而产生磁动势该磁动势也作用在主磁路上，企图改变空载运行时该磁动势也作用在主磁路上，企图改变空载运行时 所建立起来所建立
44、起来 的主磁通。正是由于的主磁通。正是由于 的出现，变压器负载运行时内部的物理情况的出现，变压器负载运行时内部的物理情况与空载运行时有所不同。但是，一般变压器与空载运行时有所不同。但是，一般变压器 是很小的，即便是在是很小的，即便是在额定运行时，额定运行时，也只占到也只占到 的的2%6%，故仍可忽略。所以有，故仍可忽略。所以有返回上一页 下一页任务任务1 单相变压器的认识与分析单相变压器的认识与分析 所以只要原边绕组所加电压所以只要原边绕组所加电压 不变，就可以认为变压器由空载到负不变，就可以认为变压器由空载到负载时载时 保持不变，这在工程上是完全允许的。保持不变，这在工程上是完全允许的。由由
45、 可知，可知，基本保持不变，这就是变压器基本保持不变，这就是变压器恒磁通原恒磁通原理。即无论变压器工作在空载状态还是负载状态，其主磁通近似保持理。即无论变压器工作在空载状态还是负载状态，其主磁通近似保持不变。正是由于这一原理，负载与空载时，产生主磁通的总磁动势应不变。正是由于这一原理，负载与空载时，产生主磁通的总磁动势应该相同。该相同。即即上式表明变压器从空载到负载，副边绕组中便会有电流产生，与此同上式表明变压器从空载到负载，副边绕组中便会有电流产生，与此同时，原边绕组中必定产生一个电流增量时，原边绕组中必定产生一个电流增量 来抵消来抵消 对主磁通的影响，对主磁通的影响，以保持恒磁通关系，这样
46、才能把电能从原边绕组传递到副边绕组。以保持恒磁通关系，这样才能把电能从原边绕组传递到副边绕组。上一页 下一页返回任务任务1 单相变压器的认识与分析单相变压器的认识与分析2.4.2负载运行时的基本方程式负载运行时的基本方程式1.磁动势平衡方程式磁动势平衡方程式由前面的讨论可知，变压器在负载运行时的磁动势平衡方程式为由前面的讨论可知，变压器在负载运行时的磁动势平衡方程式为对其进行整理就可得出电流关系式对其进行整理就可得出电流关系式上式表明负载运行时，原边绕组中的电流上式表明负载运行时，原边绕组中的电流 可以看成是由两部分组成，可以看成是由两部分组成，一部分为产生主磁通的励磁分量一部分为产生主磁通的
47、励磁分量 ,一部分为抵消副边绕组磁动势作一部分为抵消副边绕组磁动势作用的负载分量用的负载分量 上一页 下一页返回任务任务1 单相变压器的认识与分析单相变压器的认识与分析 2.电动势平衡方程式电动势平衡方程式 变压器在负载运行时，除了原边、副边绕组共同产生主磁通变压器在负载运行时，除了原边、副边绕组共同产生主磁通 ，外，还会分别产生只与自身绕组相交链的、少量漏磁通外，还会分别产生只与自身绕组相交链的、少量漏磁通 、，它们又分别会在原边、副边绕组中感应产生漏电动势它们又分别会在原边、副边绕组中感应产生漏电动势 、;另外，另外，绕组本身一也会存在电阻压降。于是在各量所选参考方向如图绕组本身一也会存在
48、电阻压降。于是在各量所选参考方向如图2.14所所示的情况下，根据基尔霍夫第二定律示的情况下，根据基尔霍夫第二定律(KVL)，可得原边、副边绕组电，可得原边、副边绕组电动势平衡方程式为动势平衡方程式为上一页 下一页返回任务任务1 单相变压器的认识与分析单相变压器的认识与分析2.4.3 绕组折算、等效电路及相量图绕组折算、等效电路及相量图 利用变压器负载运行时的磁动势、电动势平衡方程式以及原、副边利用变压器负载运行时的磁动势、电动势平衡方程式以及原、副边之间的电压比关系，可以计算出变压器在稳态运行时的各个电磁量。之间的电压比关系，可以计算出变压器在稳态运行时的各个电磁量。但是对于既有电路又有磁路的
49、变压器而言，用方程组计算十分烦琐，但是对于既有电路又有磁路的变压器而言，用方程组计算十分烦琐，为此我们希望有一个能正确反映变压器内部电磁关系的单纯电路来代为此我们希望有一个能正确反映变压器内部电磁关系的单纯电路来代替实际的变压器，用电路的理论对其进行分析和计算，这种电路称为替实际的变压器，用电路的理论对其进行分析和计算，这种电路称为等效电路。可以采用绕组归算的方法来得到变压器的等效电路。等效电路。可以采用绕组归算的方法来得到变压器的等效电路。上一页 下一页返回任务任务1 单相变压器的认识与分析单相变压器的认识与分析 即可以把原边绕组归算到副边绕组，一也可以把副边绕组折算到原即可以把原边绕组归算
50、到副边绕组，一也可以把副边绕组折算到原边绕组。下面就以副边绕组折算为例来说明其步骤。所谓的副边绕组边绕组。下面就以副边绕组折算为例来说明其步骤。所谓的副边绕组折算，就是用一个与原边绕组具有相同匝数折算，就是用一个与原边绕组具有相同匝数 的绕组，去代替实际的、的绕组，去代替实际的、匝数为匝数为 的副边绕组。折算的日的，仅仅是为了简化分析和计算，的副边绕组。折算的日的，仅仅是为了简化分析和计算，折算前后的变压器应该具有相同的电磁过程、能量传递关系。副边绕折算前后的变压器应该具有相同的电磁过程、能量传递关系。副边绕组是通过其电流所产生的磁动势去影响原边绕组的，因此，折算前后组是通过其电流所产生的磁动
