船舶电气设备及系统-大连海事大学第02章变压器
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三相变压器的联接组别
图所示为Dy11和YNd5两种连接组别的接线以及对应的向量图。
比如Yy0、Dyn11、YNd5、YNy0联接等等。符号中大（小）写字母Y、D（y、d）分别表示高（低）压侧三相绕组的星形或三角形连接，N（n）表示星形连接有中性线；后续数字0、5、11等则表示当高压侧A相电压相量指向时钟位置12点时，低压侧对应相电压相量所指的时钟位置。
综合变压器负载运行的物理过程，可得出变压器负载运行时的一组基本方程及相应的原副边绕组的等效电路。
2）等效电路及电压平衡关系
2）等效电路及电压平衡关系
虽然方程组和等效电路综合反映了变压器负载运行时内部的电磁关系。
但是，由于变压器原副边之间没有直接电的联系，因而等效电路是两个独立的电回路，它们之间的各个量是通过磁势平衡方程式联系起来的，这给分析、计算带来了不便。
02
由于铁磁材料的饱和特性，其磁导率不为常数，因此Xm、rm不是常数，随饱和程度的增大而减小。一般情况下，原边电压基本恒定，可以认为Xm、rm的值基本不变。
01
STEP 01
STEP 02
变压器励磁阻抗，通常Xm>> rm 故Zm主要取决Xm。
原边绕组的漏阻抗，为一数值较小的常数，若忽略则E1≈U1
01
变压器的基本变换功能：
02
变阻抗：电子电路中的阻抗匹配 （如喇叭的输出变压器）
03
变电压：电力系统
04
变电流：电流互感器
三相组合变压器 三相变压器 三相电压的变换
三相变压器
“V”形联接的三相变压器
采用三台单相变压器接成△/△连接的三相变压器组。 当其中某一台变压器出现故障或需要检修时, 可将剩下两台变压器构成开口三角形(即V/V)连接, 仍可继续向三相负载供电。
三相变压器的联接组别
在单相变压器中，如果把原边或副边绕组的首尾端对调(或改变其中一个绕组的绕向)，即改变其同名端的连接，这样在以原边电压为参考相量的情况下，副边电压将与原来反相，即旋转180°。
在三相绕组进行联接时可分为星形或三角形两种不同接法，因此，对于三相变压器以及三相组合变压器，由于首尾端的标志不同和原、副边绕组星形、三角形接法的不同，使得三相变压器原、副边对应相产生各种不同的相位差，形成了三相变压器的各种不同联接组别分别以相应的符号表示。
电压变化率
1
变压器的电压变化率一般很小，为4%～6%左右。
2
短路阻抗可通过变压器的短路试验测得
副边绕组短接，原边绕组加电压，由零逐渐升高，直到绕组中的电流达到额定值为止(副边电流也达额定值)。测量各量。
01
02
变压器的短路电压及短路阻抗
STEP1
STEP2
STEP3
STEP4
Uk为试验中电流达额定值时原边电压值，称为短路电压。变压器的短路电压是衡量变压器短路特性的一个重要参数。
由于变压器中无转动部分，在能量传递过程中的损耗主要为铜损和铁损两部分，一般效率都很高，大多数在95%以上，大型变压器的效率可达99％以上。
变压器的效率
02
01
2.2.3 变压器的运行特性
变压器的外特性 原边加额定电压，副边负载功率因数cosφ2一定时，副边端电压随负载电流变化的关系，即U2=ƒ(I2)
（理想单相双绕组）
变压器的铭牌数据
（理想三相双绕组）
额定电流 变压器满载运行时，原、副边绕组允许的电流值。
额定电压 变压器副边开路（空载）时，原、副边绕组允 许的电压值。
变压器几个功率的关系:
效率
负载功 率因数
原边输入功率：
输出功率：
容量：
容量 SN 输出功率 P2
从运行性能方面考虑，要求短路电压小些，即断路阻抗小，其变压器的电压变化率就小；
但从限制变压器短路电流的角度，希望短路电压大，可使变压器在意外短路时，短路电路小。一般为5%-10%U1N。
在变压器并联运行时，为保证各个变压器之间不形成环流以及负载合理分配，要求各台变压器的短路电压和短路阻抗的相对值相等。
：主磁通
：漏磁通
u1
i
引入X1的目的，可把漏磁感应电势E1σ用电抗压降得形式在电路中反映出来。
铁心的磁滞和涡流损失。为电流I0在励磁过程中的一部份有功分量。E1用电压降的形式来表示：
：主磁通
：漏磁通
u1
i
Xm 励磁电抗，表征铁心磁化性能的集中参数 rm 励磁电阻，反映磁滞和涡流引起的有功损耗
综合上述因素，变压器原边的电压方程为：
忽略次要因素，E1≈U1，当U1不变时，其铁心主磁通Φm近似为定值。
空载磁势
I1由两部分组成； 1、维持主磁通的空载电流分量I0 2、(N2/N1)I2，随负载变化，用于抵消副边电流的去磁作用。当副边电流增大时，原边电流也随之增大，通过电磁作用，变压器把功率从原边传递到了副边。
变压器的折算就是在保证变压器中磁势平衡关系、能量传递等物理过程不变的前提下对副边各个量进行等效变换(也可将原边各个量变换到副边)到原边，便于分析计算。
2）变压器的折算及简化等效电路
2）变压器的折算及简化等效电路
当I1>>I0，一般情况下可以忽略I0，即可认为Zm为无穷大而开路，可化为右图。利用该电路进行变压器的运行分析、计算将显得简便和直观。
原边输入功率 P1 输出功率 P2
注意：
接上交流电源 u1
原边电流 i1等 于励 磁电流 i10
i10 产生磁通
（交变）
§2.2 变压器的工作原理及运行特性
2.2.1 变压器的空载运行及变压原理
（ e 、 方向符合右手定则）
产生感应电动势
根据交流磁路的分析可得：
测量：
A
X
a
x
说明 A 与 a 或 X 与 x 为同 极性端。
说明 A 与 x 或 X 与 a 是同 极性端；
若
若
2）直流法
设K闭合时 增加。感应电流产生的Φ’,阻止 的增加。
如果当 K 闭合时，mA 表正偏，则 A－a 为同极性端; 如果当 K 闭合时，mA 表反偏，则 A－x 为同极性端
变压器的变流作用及阻抗变换作用
结论：原、副边电流与匝数成反比
∴
变流原理
由于变压器本身功率损耗很小,原、副边的伏安功率近似相等。即：U1I1≈U2I2
K为变比,Ki变流比
变压器的变流作用及阻抗变换作用
阻抗变换原理
从原边等效：
结论：变压器原边的等效负载，为副边所带负载乘以变比的平方。
被测电流=电流表读数 N2/N1
1
铁心、低压绕组的一端 接地，以防在绝缘损坏时，在副边出现过压。
2
副边不能开路，以 防产生高电压；
3
使用注意：
钳形电流表是利用电流互感器原理制成的一种便携式交流电流测量仪表。它的互感器铁心做成钳形，可以开合，以便在不断开被测线路的情况下使其从铁心中穿过，作为匝数N1=1的原边绕组；电流表的表头与铁心上的副边绕组串联连接，
电压互感器 电压互感器高压侧的额定电压有多种不同规格，而低压侧一般均为100V
被测电压=电压表读数 N1/N2 副边不能短路，以 防产生过流；
铁心、低压绕组一端接地，以防在 绝缘损时，在副边出现高压。
使用注意：
电流互感器 同电压互感器一样，电流互感器原边额定电流（即被测电流）有各种不同的等级，而副边一般均为5A或1A。为恒磁势电器。
钳形电流表
1-1,1-2,1-3,1-4,1-5,1-6
1-7,1-8,1-9,1-10,1-11
2-3,2-4,2-5,2-8,2-9,2-10
2-11,2-12,2-14
作业：
第2章 变压器
§2.1 变压器的基本结构和铭牌数据 §2.2 变压器的工作原理及运行特性 §2.3 三相变压器 §2.4 自耦变压器及仪用互感器
内容简介
本章主要介绍变压器的基本结构和基本工作原理, 通过对变压器的变压、变流和变换阻抗的分析，以获得有关变压器的运行和应用方面的基本理论和知识。
1
供给对称三相负载的容许容量为
2
两台变压器的额定容量为
3
变压器的利用系数为 最大容许供电容量是△/△额定容量的58％
（a）
（b）
（c）
2.3.2 变压器原、副边绕组的同名端
瞬时极性
同极性端标记“ · ”
同极性端的测定方法
同极性端的测定方法
1） 交流法
A
X
a
x
把两个线圈的任意两端 (X - x)连接,然后在 AX 上加一小电压 u 。
时
U1≈E1 , U2≈E2
结论：改变匝数比，就能改变输出电压。
K为变比,Ku变压比
上述分析忽略了次要因素，作定量分析和计算时，还需考虑如下因素：
原副边绕组的导线电阻r1、r2引起的压降。由于其阻值较小，在要求不高的场合，可忽略。
02
01
漏磁通的存在。主要穿过空气等，其磁导率为常数。因而，Φ1σ与空载励磁电流I0成正比，其比例系数为漏磁电感L1σ，设其感抗为X1，由于感应电势电流均为正弦量，以相量表示为：
2.3.2 自耦变压器及仪用互感器
使用时，改变滑动端的位置，便可得到不同的输出电压。实验室中用的调压器就是根据此原理制作的。
01
注意： 原、副边千万不能对调使用，以防变压器损坏。因为N变小时，磁通增大，电流会迅速增加。
02
2.3.2 仪用互感器 使用目的: (1)扩大测量仪表的量程; 使测量仪表与高压电路绝缘隔离。
பைடு நூலகம்
2.2.3 三相变压器的联接组别 三相变压器(或组)的三相原、副绕组均可分别连接成星形或三角形, 共有4 种基本连接形式:Ｙ/Ｙ、△/Ｙ、Ｙ/△和△/△ 。我国只采用Ｙ/Ｙ和Ｙ/△两种标准形式。 三相变压器的联接
Y/Y连接的三相变压器
Y/Y连接的三相变压器
Ｙ/△连接的三相变压器
Ｙ/△连接的三相变压器
发电厂 1.05万伏
输电线 22万伏
升压
变电站 1万伏
降压
实验室 380 / 220伏
降压
仪器 36伏
降压
变压器应用
§2.1 变压器的基本结构和铭牌数据
变压器的结构
铁芯
原边 绕组
副边 绕组
a.心式变压器 b.壳式变压器 三相变压器
额定容量 传送功率的最大能力。（额定视在功率）
2.2.2 变压器的负载运行及磁势平衡关系 原边接电源电压，副边接负载时，在副边感应电动势的作用下，副边绕组中存在负载电流，负载电流随负载的变化而变化。此时称变压器为负载运行。
1）磁势平衡关系
变压器运行时，副边电流也产生的磁势，并作用在同一铁心，因此在负载运行时，铁心中的磁通由原边磁势和副边磁势共同产生。
图所示为Dy11和YNd5两种连接组别的接线以及对应的向量图。
比如Yy0、Dyn11、YNd5、YNy0联接等等。符号中大（小）写字母Y、D（y、d）分别表示高（低）压侧三相绕组的星形或三角形连接，N（n）表示星形连接有中性线；后续数字0、5、11等则表示当高压侧A相电压相量指向时钟位置12点时，低压侧对应相电压相量所指的时钟位置。
综合变压器负载运行的物理过程，可得出变压器负载运行时的一组基本方程及相应的原副边绕组的等效电路。
2）等效电路及电压平衡关系
2）等效电路及电压平衡关系
虽然方程组和等效电路综合反映了变压器负载运行时内部的电磁关系。
但是，由于变压器原副边之间没有直接电的联系，因而等效电路是两个独立的电回路，它们之间的各个量是通过磁势平衡方程式联系起来的，这给分析、计算带来了不便。
02
由于铁磁材料的饱和特性，其磁导率不为常数，因此Xm、rm不是常数，随饱和程度的增大而减小。一般情况下，原边电压基本恒定，可以认为Xm、rm的值基本不变。
01
STEP 01
STEP 02
变压器励磁阻抗，通常Xm>> rm 故Zm主要取决Xm。
原边绕组的漏阻抗，为一数值较小的常数，若忽略则E1≈U1
01
变压器的基本变换功能：
02
变阻抗：电子电路中的阻抗匹配 （如喇叭的输出变压器）
03
变电压：电力系统
04
变电流：电流互感器
三相组合变压器 三相变压器 三相电压的变换
三相变压器
“V”形联接的三相变压器
采用三台单相变压器接成△/△连接的三相变压器组。 当其中某一台变压器出现故障或需要检修时, 可将剩下两台变压器构成开口三角形(即V/V)连接, 仍可继续向三相负载供电。
三相变压器的联接组别
在单相变压器中，如果把原边或副边绕组的首尾端对调(或改变其中一个绕组的绕向)，即改变其同名端的连接，这样在以原边电压为参考相量的情况下，副边电压将与原来反相，即旋转180°。
在三相绕组进行联接时可分为星形或三角形两种不同接法，因此，对于三相变压器以及三相组合变压器，由于首尾端的标志不同和原、副边绕组星形、三角形接法的不同，使得三相变压器原、副边对应相产生各种不同的相位差，形成了三相变压器的各种不同联接组别分别以相应的符号表示。
电压变化率
1
变压器的电压变化率一般很小，为4%～6%左右。
2
短路阻抗可通过变压器的短路试验测得
副边绕组短接，原边绕组加电压，由零逐渐升高，直到绕组中的电流达到额定值为止(副边电流也达额定值)。测量各量。
01
02
变压器的短路电压及短路阻抗
STEP1
STEP2
STEP3
STEP4
Uk为试验中电流达额定值时原边电压值，称为短路电压。变压器的短路电压是衡量变压器短路特性的一个重要参数。
由于变压器中无转动部分，在能量传递过程中的损耗主要为铜损和铁损两部分，一般效率都很高，大多数在95%以上，大型变压器的效率可达99％以上。
变压器的效率
02
01
2.2.3 变压器的运行特性
变压器的外特性 原边加额定电压，副边负载功率因数cosφ2一定时，副边端电压随负载电流变化的关系，即U2=ƒ(I2)
（理想单相双绕组）
变压器的铭牌数据
（理想三相双绕组）
额定电流 变压器满载运行时，原、副边绕组允许的电流值。
额定电压 变压器副边开路（空载）时，原、副边绕组允 许的电压值。
变压器几个功率的关系:
效率
负载功 率因数
原边输入功率：
输出功率：
容量：
容量 SN 输出功率 P2
从运行性能方面考虑，要求短路电压小些，即断路阻抗小，其变压器的电压变化率就小；
但从限制变压器短路电流的角度，希望短路电压大，可使变压器在意外短路时，短路电路小。一般为5%-10%U1N。
在变压器并联运行时，为保证各个变压器之间不形成环流以及负载合理分配，要求各台变压器的短路电压和短路阻抗的相对值相等。
：主磁通
：漏磁通
u1
i
引入X1的目的，可把漏磁感应电势E1σ用电抗压降得形式在电路中反映出来。
铁心的磁滞和涡流损失。为电流I0在励磁过程中的一部份有功分量。E1用电压降的形式来表示：
：主磁通
：漏磁通
u1
i
Xm 励磁电抗，表征铁心磁化性能的集中参数 rm 励磁电阻，反映磁滞和涡流引起的有功损耗
综合上述因素，变压器原边的电压方程为：
忽略次要因素，E1≈U1，当U1不变时，其铁心主磁通Φm近似为定值。
空载磁势
I1由两部分组成； 1、维持主磁通的空载电流分量I0 2、(N2/N1)I2，随负载变化，用于抵消副边电流的去磁作用。当副边电流增大时，原边电流也随之增大，通过电磁作用，变压器把功率从原边传递到了副边。
变压器的折算就是在保证变压器中磁势平衡关系、能量传递等物理过程不变的前提下对副边各个量进行等效变换(也可将原边各个量变换到副边)到原边，便于分析计算。
2）变压器的折算及简化等效电路
2）变压器的折算及简化等效电路
当I1>>I0，一般情况下可以忽略I0，即可认为Zm为无穷大而开路，可化为右图。利用该电路进行变压器的运行分析、计算将显得简便和直观。
原边输入功率 P1 输出功率 P2
注意：
接上交流电源 u1
原边电流 i1等 于励 磁电流 i10
i10 产生磁通
（交变）
§2.2 变压器的工作原理及运行特性
2.2.1 变压器的空载运行及变压原理
（ e 、 方向符合右手定则）
产生感应电动势
根据交流磁路的分析可得：
测量：
A
X
a
x
说明 A 与 a 或 X 与 x 为同 极性端。
说明 A 与 x 或 X 与 a 是同 极性端；
若
若
2）直流法
设K闭合时 增加。感应电流产生的Φ’,阻止 的增加。
如果当 K 闭合时，mA 表正偏，则 A－a 为同极性端; 如果当 K 闭合时，mA 表反偏，则 A－x 为同极性端
变压器的变流作用及阻抗变换作用
结论：原、副边电流与匝数成反比
∴
变流原理
由于变压器本身功率损耗很小,原、副边的伏安功率近似相等。即：U1I1≈U2I2
K为变比,Ki变流比
变压器的变流作用及阻抗变换作用
阻抗变换原理
从原边等效：
结论：变压器原边的等效负载，为副边所带负载乘以变比的平方。
被测电流=电流表读数 N2/N1
1
铁心、低压绕组的一端 接地，以防在绝缘损坏时，在副边出现过压。
2
副边不能开路，以 防产生高电压；
3
使用注意：
钳形电流表是利用电流互感器原理制成的一种便携式交流电流测量仪表。它的互感器铁心做成钳形，可以开合，以便在不断开被测线路的情况下使其从铁心中穿过，作为匝数N1=1的原边绕组；电流表的表头与铁心上的副边绕组串联连接，
电压互感器 电压互感器高压侧的额定电压有多种不同规格，而低压侧一般均为100V
被测电压=电压表读数 N1/N2 副边不能短路，以 防产生过流；
铁心、低压绕组一端接地，以防在 绝缘损时，在副边出现高压。
使用注意：
电流互感器 同电压互感器一样，电流互感器原边额定电流（即被测电流）有各种不同的等级，而副边一般均为5A或1A。为恒磁势电器。
钳形电流表
1-1,1-2,1-3,1-4,1-5,1-6
1-7,1-8,1-9,1-10,1-11
2-3,2-4,2-5,2-8,2-9,2-10
2-11,2-12,2-14
作业：
第2章 变压器
§2.1 变压器的基本结构和铭牌数据 §2.2 变压器的工作原理及运行特性 §2.3 三相变压器 §2.4 自耦变压器及仪用互感器
内容简介
本章主要介绍变压器的基本结构和基本工作原理, 通过对变压器的变压、变流和变换阻抗的分析，以获得有关变压器的运行和应用方面的基本理论和知识。
1
供给对称三相负载的容许容量为
2
两台变压器的额定容量为
3
变压器的利用系数为 最大容许供电容量是△/△额定容量的58％
（a）
（b）
（c）
2.3.2 变压器原、副边绕组的同名端
瞬时极性
同极性端标记“ · ”
同极性端的测定方法
同极性端的测定方法
1） 交流法
A
X
a
x
把两个线圈的任意两端 (X - x)连接,然后在 AX 上加一小电压 u 。
时
U1≈E1 , U2≈E2
结论：改变匝数比，就能改变输出电压。
K为变比,Ku变压比
上述分析忽略了次要因素，作定量分析和计算时，还需考虑如下因素：
原副边绕组的导线电阻r1、r2引起的压降。由于其阻值较小，在要求不高的场合，可忽略。
02
01
漏磁通的存在。主要穿过空气等，其磁导率为常数。因而，Φ1σ与空载励磁电流I0成正比，其比例系数为漏磁电感L1σ，设其感抗为X1，由于感应电势电流均为正弦量，以相量表示为：
2.3.2 自耦变压器及仪用互感器
使用时，改变滑动端的位置，便可得到不同的输出电压。实验室中用的调压器就是根据此原理制作的。
01
注意： 原、副边千万不能对调使用，以防变压器损坏。因为N变小时，磁通增大，电流会迅速增加。
02
2.3.2 仪用互感器 使用目的: (1)扩大测量仪表的量程; 使测量仪表与高压电路绝缘隔离。
பைடு நூலகம்
2.2.3 三相变压器的联接组别 三相变压器(或组)的三相原、副绕组均可分别连接成星形或三角形, 共有4 种基本连接形式:Ｙ/Ｙ、△/Ｙ、Ｙ/△和△/△ 。我国只采用Ｙ/Ｙ和Ｙ/△两种标准形式。 三相变压器的联接
Y/Y连接的三相变压器
Y/Y连接的三相变压器
Ｙ/△连接的三相变压器
Ｙ/△连接的三相变压器
发电厂 1.05万伏
输电线 22万伏
升压
变电站 1万伏
降压
实验室 380 / 220伏
降压
仪器 36伏
降压
变压器应用
§2.1 变压器的基本结构和铭牌数据
变压器的结构
铁芯
原边 绕组
副边 绕组
a.心式变压器 b.壳式变压器 三相变压器
额定容量 传送功率的最大能力。（额定视在功率）
2.2.2 变压器的负载运行及磁势平衡关系 原边接电源电压，副边接负载时，在副边感应电动势的作用下，副边绕组中存在负载电流，负载电流随负载的变化而变化。此时称变压器为负载运行。
1）磁势平衡关系
变压器运行时，副边电流也产生的磁势，并作用在同一铁心，因此在负载运行时，铁心中的磁通由原边磁势和副边磁势共同产生。