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本章教学基本要求,1.了解变压器的主要结构、基本工作原理及主要额定值的意义；2.通过变压器的负载运行分析，深入理解负载运行时变压器各物理量之间的关系，绕组折算的物理意义及其计算方法，掌握负载运行时的等值电路、相量图、参数测定及求解电压变化率和效率，学会分析变压器的运行性能；3.熟悉三相变压器的联接组别，并能根据绕组接线图判别其联接组别或按照已知的联接组别画出绕组的接线图。,第三章 变压器,本章教学重点和难点,重点：1.理解在不同运行状态下I0、I1和I2等参数的物理意义；2.变压器的基本方程式、等值电路、相量图；3.三相变压器的联接组别。难点：负载运行时各量之间的关系。,原绕组：原边、初级、一次绕组副绕组：副边、次级、二次绕组铁心电源：交流电源，在铁心中的磁通是交变的，在副边感应出电动势，提供给负载。,第一节 变压器的工作原理、分类及结构,一、变压器的工作原理,工作原理,当原绕组外加电压U1时，原边就有电流I1流过，并在铁芯中产生与U1同频率的交变主磁通，主磁通同时链绕原、副绕组，根据电磁感应定律，会在原、副绕组中产生感应电势E1、E2，副边在E2的作用下产生负载电流I2，向负载输出电能。,变压器的主要部件铁心和套在铁心上的两个绕组。两绕组只有磁耦合没电联系。在一次绕组中加上交变电压，产生交链一、二次绕组的交变磁通，在两绕组中分别感应电动势。,原理,根据电磁感应定律则有：,式中k为变压器变比（匝比）。,若忽略绕组内阻和漏磁通，原、副绕组端电压近似为：,忽略铁心中的损耗，根据能量守恒定律，有：,电源变压器,电力变压器,控制变压器,接触调压器,三相干式变压器,铁心绕组油箱绝缘套管其它附件,三、变压器的结构简介,铁心变压器中主要的磁路部分，分为铁心柱与铁轭两部分。,绕组变压器中的电路部分。,绕组,由漆包线或铜条绕制而成，它构成变压器的电路部分。,油浸式电力变压器,1信号式温度计2吸湿器3储油柜4油位计5安全气道6气体继电器7高压套管8低压套管9分接开关10油箱11铁心12线圈13放油阀门,油箱、绝缘套管、其它附件,油箱 是装变压器油的，为了便于散热，有的箱壁上焊有散热管。变压器油的作用是绝缘和冷却。,不论是Y接还是接。,，根据额定容量和额定电压计算出来的线电流。,解：,一、空载运行的物理情况,i2=0,磁通由i0建立漏磁通的磁路是线性的原边漏磁通s1与原边匝链，感应电动势为es1主磁通与原边匝链，感应电动势为e1主磁通与副边匝链，感应电动势为e2主磁通是传递能量的媒介,1 主磁通和漏磁通,第二节 单相变压器的空载运行,变压器空载运行也称无载运行，它是指原边加电源电压，副边开路的运行状况。,单相变压器的空载运行,2 正方向的规定,电压的正方向是指电位降低的方向。,由电压的正方向决定，为从AX,“正电压产生正电流”,根据电流I1的正方向，用右手螺旋法则规定磁通的正方向。“正电流产生正磁通”,的正方向:,2 正方向的规定,原边电动势的正方向与电流I1的正方向相同（由上指向下）。,原副绕组由同一磁通交链，故电动势E2的正方向亦由上指向下（与原边电动势方向相同）。,2正方向与 的正方向相反,即原边电流方向就是电动势方向(从上而下),一、空载运行时的物理情况,一次绕组和二次绕组的电动势平衡方程式,其中，i0 空载电流；u20 二次绕组的空载电压；r1 一次绕组的电阻。m 主磁通；1 一次绕组漏磁通。,1、感应电动势与主磁通,感应电动势e1 和e2 均滞后于m 90电角度，其有效值为,E1和E2的相量表达式,2、空载电流,空载电流包含两个分量，一个是励磁分量，作用是建立磁场，产生主磁通无功分量；另一个是铁耗分量，作用是供变压器铁心损耗有功分量。,性质：由于空载电流的励磁分量远大于铁耗分量，所以空载电流主要是感性无功性质也称励磁电流；,可见，感应电势的大小与匝数和主磁通幅值成正比，相位滞后于主磁通相量90。,空载电流,空载电流,磁化电流,铁损电流,产生磁通。,它与磁通同相位，是无功分量。,产生铁心损耗。,它与磁通垂直，是有功分量。,在数值上，一般有I IFe。因此空载电流可以认为是励磁电流,用向量表示空载电流,空载电流与主磁通的夹角称为铁损角。,电感定义,原边漏电抗的大小：,3、漏磁通和漏电抗,电流,空载时m很小，1-1，空载时的功率因数角 0 90，功率因数很低，所以变压器一般不空载运行。,二、空载运行时的电动势平衡方程式、相量图 及等效电路,第三节 单相变压器的基本方程式,变压器负载运行时电磁关系,负载运行时的磁势平衡方程式,从负载运行的电磁关系分析可知，由于副边出现了负载电流I2，在副边要产生磁势F2=I2N2，使主磁通发生变化，从而引起E1、E2的变化，E1的变化又使原边从空载电流I0变化为负载电流I1，产生的磁势为F1=I1N1，它一方面要建立主磁通m，另一方面要抵消F2对主磁通的影响。由于负载时的I1z1很小，约占6%U1N，忽略I1z1时有1-1，则可认为 空载时主磁通与负载时主磁通近似相等。,二、负载运行时的基本方程式,变压器的基本方程,按照方程的类别列,原副端磁动势平衡方程原端电压方程式副端电压方程式原端电势方程原副端电势联系负载方程,二、负载运行时的基本方程式,1、磁动势平衡方程式,2、电动势平衡方程式,和漏电抗；zL为负载阻抗。,分别为一次和二次绕组的漏阻抗、电阻,原端电压方程式,副端电压方程式,原副端电势联系,负载方程,原端电势方程,变压器的参数折算,折算的目的,第四节 变压器的等效电路及相量图,折算,变压器折算原则：折算前后变压器中的主磁通、原、副边的漏磁通的数量和空间分布情况不变，保持输出功率、损耗不变。,折算方法：将原、副边绕组匝数变换成相同匝数，一般是副边向原边折算，即用匝数为N1的原绕组匝数，代替副绕组匝数，并保持副边的磁势不变，折算后的各物理量右上角都加“”。,即将具有两个电路和一个磁路的变压器，简化为一个与变压器在电磁关系上等值的线性电路，这就是折算。,折算前后变压器的磁势、磁场、功率和损耗都不变。,通常将副绕组折算到原绕组。,即用一个匝数为N1的与副绕组有相同磁势的新绕组去代替原来的副绕组。,折算过程,将副边各量折算到原边的法则是：,电势和电压乘以k，电流除以k，电阻、电抗、阻抗乘以k2(功率因数角不变),折算后负载的6个基本方程式,二、等效电路,图中，二次绕组各量均已经归算到一次绕组，即,图中a、b和c、d分别是等电位点，可连接起来而不改变运行情况。于是作出变压器的T形等效电路。（由前述的基本方程式也可得出该等效电路）,二、等效电路,T型等效电路,其形状像字母T，所以称为T型等效电路,1、T型等效电路,等值电路,“T”型等值电路由原边AX端看存在：,三、相量图,T型等值电路相量图,2、“”型近似等值电路,z1zm，为了简化计算，将励磁支路左移到电源端，使其成为“”等值电路，近似后所引起的误差，工程上允许。,四、近似等效电路图,变压器的型等值电路,简化等值电路,由于ImI1，忽略Im不计。,3、简化等值电路,简化等值电路,rk、xk和Zk分别称为短路电阻、短路电抗和短路阻抗。,变压器参数的实验测定,变压器的参数有励磁参数和短路参数，只有已知参数，才能运用前面所介绍的基本方程式、等值电路或相量图求解各量。对制造好的变压器，其参数可通过实验测得。,第五节 等效电路的参数测定,一、空载试验,通过空载实验可得励磁参数、变比和铁损等数据。,说明,为了便于测量和安全，空载实验一般在副边做，即在低压绕组ax上加电压U2N，高压绕组AX开路，测量电压U2、空载电流I20、输入功率P0和开路电压U10。因变压器空载时无功率输出，所以输入的功率全部消耗在变压器的内部，为铁芯损耗pFe和空载铜耗I202R2之和，但空载电流I20很小，pFeI202R2，故可忽略空载铜耗，认P0pFe=I202Rm。,通过测量空载电流和一、二次电压及空载功率来计算变比、铁耗和励磁阻抗。,变压器空载运行时，可以认为输入功率p0完全用来抵偿铁耗。,实验说明1,由于 可认为励磁阻抗：励磁电阻：励磁电抗：,实验说明2,由于空载实验在低压侧做，计算所得的励磁参数是低压侧的值，如需折算到高压侧，各计算值应乘k2，还应注意的是，励磁参数随电压的大小而变化，计算时要取额定电压下的数据。对于三相变压器测得的功率是三相的，而励磁参数是指每一相的，故在计算时应将三相功率除以3，即取一相功率计算，同时应将测得的线值数据转换成相值数据。,二、负载试验,通过测量短路电流、短路电压及短路功率来计算变压器的短路电压百分数、铜损和短路阻抗。,（又称短路试验）,短路实验说明1,变压器短路实验一般在高压侧做，即原边加电压，副边短路。应注意的是，由于变压器的短路阻抗zk一般很小，当原边的电流达到额定值时，原边所加的电压很低，约为额定电压的5%10%，所以在短路实验时，变压器的高压绕组前接自耦变压器，将自耦变压器的输出电压由零开始慢慢升高，直至短路电流为额定电流为止，记录原边的短路电压Uk、电流I1和输入功率Pk数据。,短路实验说明2,短路实验时，变压器副边无功率输出，输入功率全部消耗在内部，由于当绕组中短路电流为额定值时，原边所加的电压很低，主磁通比正常运行时小很多，铁芯损耗pFe与铜损pCu相比可忽略，短路损耗中主要是原、副边的铜损，即有：PkpCu=pCu1+pCu2。,短路参数计算,根据测得的短路实验数据可计算单相变压器的参数短路阻抗：短路电阻：短路电抗：根据规定，测得的电阻应换算到国标规定的75时的数值，换算公式为：,对于铜线：对于铝线：式中为实验时的环境温度（）。,说明,在75时的短路阻抗为：对于三相变压器应注意用相值计算，所得的参数也是每相值。如果要将原、副边参数分开，可近似认为：r1r2；x1x2；z1z2。,标么值,阻抗电压的标么值,标幺值,在变压器和电机的工程计算中，为了分析和运算的方便，往往采用标幺值。变压器原、副边电压、电流、阻抗的标幺值为：采用标幺值时，变压器的短路阻抗标幺值与额定电流下的短路电压标幺值相等，即有：,三相变压器,应用：三相变压器广泛应用于电力系统中。特点：在对称三相负载下运行时，变压器的各相电压、电流大小相等，互差120相角，三相完全对称。,第六节 三相变压器,组式,每相都有自己独立的磁路，互不相关，各相的励磁电流在数值上完全相等。,三相变压器的磁路系统,芯式变压器,特点：是三相磁路相互关联，磁路长度不等，当外加三相对称电压时，三相励磁电流不对称，但因励磁电流很小，可忽略对负载运行的影响，这种结构的变压器称为三相芯式变压器。,芯式变压器,应用：大、中、小容量的变压器广泛用于电力系统中。优点：节省材料，体积小，效率高，维护方便。,芯式变压器结构,（a）三相星形磁路（b）三相磁通向量图（c）实际芯式变压器的磁路,芯式变压器,三相变压器的绕组联接组别,三相绕组接线有：星形联结、三角形联结星形联结记作：“Y”或“y”三角形联结记作：“D”或“d”,绕组标记,星形联结,星形联结的三相绕组特点：三个末端连接在一起形成中性点，如果将中性点引出，就形成了三相四线制了，表示为YN或yn。,三角形联结,三角形联结的三相绕组接法有两种。,变压器的同一相高、低压绕组都是绕在同一铁芯柱上，并被同一主磁通交链，当主磁通交变时，在高、低压绕组中感应的电势之间存在一定的极性关系。,1.高低压绕组中电压的相位,同名端：在任一瞬间，高压绕组的某一端的电位为正时，低压绕组也必有一端的电位为正，这两个绕组间同极性的一端称为同名端，记作“”。,2.联结组别,变压器联结组别用时钟表示法表示。规定：高压绕组电压从A指向X，记为“AX”，简记为“A”，低压绕组电势从a指向x，简记为“a”。,联结组别：高低压两侧的电压的相位关系,时钟表示法,时钟表示法：把高压绕组线电压作为时钟的长针，永远指向“12”点钟，低压绕组的线电压作为短针，根据高、低压绕组线电压之间的相位指向不同的钟点。,单相变压器组别,单相变压器高、低压绕组电压相位关系只有同相位和反相位两种，因此只有同相变压器和反相变压器。,同相变压器记作“/-0”,反相变压器记作“/-6”,a)I/I-0联结组b)I/I-6联结组,小结：在同一个铁芯柱上的绕组，其端电压的方向不是相同就是相反。判断相同和相反就看首端是否是同名端，首端是同名端则相同，否则则相反。,一、三相变压器的电路系统联结组,1、联结法,a)星形联结b)三角形联结,3.三相变压器联结组别,根据中性线之间的夹角确定组别(仅看Aa相)，高压侧三角形的中性线指向12点。,二、三相变压器的磁路系统 铁心的结构形式,a)单相芯式铁心的合并 b)铁心的演变 c)三相芯式铁心,确定三相变压器联结组别的步骤是：根据三相变压器绕组联结方式（Y或y、D或d）画出高、低压绕组接线图（绕组按A、B、C相序自左向右排列）；在接线图上标出相电压和线电压的假定正方向画出高压绕组电压相量图，根据单相变压器判断同一相的相电压方法，将A、a重合，再画出低压绕组的电压相量图（画相量图时应注意三相量按顺相序画）；根据高、低压绕组线电压相位差，确定联结组别的标号。,三相变压器联结组别的另一种方法,例题1,例题2,例题3,例题4,Yd9联结组,总结,Yy联结：共有Yy0、Yy4、Yy8、Yy6、Yy10、Yy2六种联结组别，标号为偶数。,Yd联结：共有Yd1、Yd5、Yd9、Yd7、Yd11、Yd3六种联结组别，标号为奇数。,三相变压器联结组别总结,标准联结组别,为了避免制造和使用上的混乱，国家标准规定对单相双绕组电力变压器只有0联结组别一种。对三相双绕组电力变压器规定只有Yyn0、Yd11、YNd11、YNy0和Yy0五种。,Yyn0组别的三相电力变压器用于三相四线制配电系统中，供电给动力和照明的混合负载；Yd11组别的三相电力变压器用于低压高于0.4kV的线路中；YNd11组别的三相电力变压器用于110kV以上的中性点需接地的高压线路中；YNy0组别的三相电力变压器用于原边需接地的系统中；Yy0组别的三相变压器用于供电给三相动力负载的线路中。,三、三相变压器的电路系统和磁路系统对电动势波形影响,三、三相变压器的电路系统和磁路系统对电动势波形影响,第七节 变压器的稳态运行,第七节 变压器的稳态运行,电压调整率u规定为：一次侧加额定电压、负载功率因数为一定值，空载与负载时二次侧端电压之差，用二次侧额定电压的百分值表示，即,注意：的计算是代数运算，不是向量运算。,2、变压器的电压调整率,变压器二次侧的端电压随负载变化的程度用电压调整率u来表示。,电压调整率用变压器的简化等效电路来计算,o,图中,o,可见，电压调整(变化)率的大小与负载大小、性质及变压器的本身参数有关。,2、变压器的效率,假定：副边电压恒为额定值,当不变损耗等于可变损耗时，变压器的效率最高。,第八节 自耦变压器与互感器,1、工作原理,实质上，自耦变压器就是利用一个绕组抽头的办法来实现改变电压的一种变压器。原副边不仅有磁的联系还有电的联系。,第八节 自耦变压器与互感器,额定容量,电压比,根据全电流定律，励磁磁动势为串联部分磁动势与公共磁动势之和。,如果忽略励磁电流I0=0，则,2、容量关系,自耦变压器的通过容量有两部分组成：一部分是通过绕组公共部分的电磁感应作用，由一次侧传递到二次侧的电磁容量；另一部分是通过绕组串联部分的电流直接传导到负载的传导容量,缺点：由于自耦变压器原副边有电的直接联系，高压边过电压时，低压边也产生严重的过电压。,二、互感器,电压互感器,测量高电压时，使用电压互感器，将电压降低，使测量更加安全。,电流互感器,测量高压线路的电流时，或者测量大电流时，使用电流互感器测量更加安全，更加方便。,本章小结,本章内容：主要介绍了变压器基本工作原理和运行特性；三相变压器的联结组别问题等。,1,变压器是利用电磁感应原理将某一电压等级的电能转换成相同频率的另一电压等级的电能的静止电器，在变换电压的同时，还能变换电流。,2,在变压器中不仅有电路问题，还有磁路问题，所以它的基本工作原理是建立在电磁感应和磁势平衡关系上的。基本方程式、等值电路、相量图是描述变压器内部电磁关系的工具，有关变压器的基本理论也可推广应用于交流电机中。,通过空载和短路实验，可求得变压器励磁和短路等参数。变压器的电压调整率是表征负载运行时的副边电压稳定性和供电质量效率特性表征负载运行时的经济性。,3,表示三相变压器原、副边线电压的相位关系是联结组别；若已知接线图，可根据接线图画出相量图，从而判断出联结组别；若已知联结组别，可根据组别画出相量图，从而画出接线图；变压器的极性和联结组别也可通过实验确定。,4,第三章 结 束,