电机学chap2

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第二节 变压器空载运行
空载运行：
空载指一侧绕组接到电源（初级 1），另一 侧绕组（次级 2）开路。
1 电磁物理现象 2 励磁电流 3 励磁特性的电路模型 4 电路方程 等效电路 相量图
电力变压器:电力系统传输电能 电炉变压器:专给炼钢炉供电 整流变压器:大型电解电镀、直流电力机车供电 仪用变压器:控制变压器 无线电变压器:仅传输信号。



按电压分类：升压变压器、降压变压器；
按相数分类：单相变压器、三相变压器； 按绕组数分类：双绕组变压器、三绕组变压器和自耦变压 器； 按铁心结构分类：心式变压器和组式变压器； 按调压方式分类：无载调压变压器、有载调压变压器； 按冷却介质和冷却方式分类：油浸式变压器和干式变压器 等； 按容量大小分类：小型变压器、中型变压器、大型变压器 和特大型变压器。

单相芯式变压器铁心及绕组：

绕组同芯套装在变压器铁心柱上，低压绕组在 内层，高压绕组套装在低压绕组外层，以便于 绝缘。
铁壳式变压器 变压器的铁芯柱在中间，铁轭在两旁环绕，且把绕 组包围起来 结构比较坚固、制造工艺复杂，高压绕组与铁芯柱 的距离较近，绝缘也比较困难 通常应用于电压很低而电流很大的特殊场合，例如， 电炉用变压器。这时巨大的电流流过绕组将使绕组 上受到巨大的电磁力，铁壳式结构可以加强对绕组 的机械支撑，使能承受较大的电磁力。


二、电力变压器的基本结构（主要结构部件） 铁芯 铁芯 带有绝缘的绕组 绕组 变压器油 油 油箱 油箱 绝缘套管 套管

（一)、铁芯——变压器的磁路

电力变压器的铁心是由0.35mm厚的冷轧硅钢 片叠成。减少涡流损耗，提高导磁系数。
铁轭
铁心柱
铁芯的交叠装配


N I N I N （磁势平衡式） I 1 1 2 2 m 1 负载时作用在主磁路上的全部磁势应等于产 生磁通所需的励磁磁势。
初级、次级电流间的约束关系
. . N2 . I1 I m I I I 2 m 1L N1 . .
表明当有负载电流时。初级电流I1应包 含有二个分量。其中Im用以激励主磁通。 I1L所产生负载分量磁势I1LN1，用以抵消 N I N 0 次级磁势I2N2对主磁路的影响。 I 1L 1 2 2 励磁电流的值决定于主磁通 m，即决 u1≈E1=4.44fN1Φm 定于E1。
证值。单位为VA或kVA。对三相变压器指三相的总容 量。

额定电压——变压器在空载时额定分接头上的电压
保证值。单位为V或kV。
（当变压器初级侧在额定分接头处接有额定电压U1N， 次级侧空载电压即为次级侧额定电压U2N。） 注：对三相变压器，铭牌上的额定电压指线电压

额定电流——额定容量除以各绕组的额定电压所
励磁电流实际包含I、Ih和Ie三个分量： 1、磁化电流I：I与m同相位， I滞后于-E1 90

I具有无功电流性质，它是励磁电流的主要
成分。
2、磁滞电流分量Ih ：Ih与-E1同相位，
是有功分量电流。
3、涡流电流分量Ie： Ie与-E1同相位
Ie由涡流引起的，与涡流损耗对应， 所以：又由于Ih和Ie同相位，合并称为铁耗电流分量，用IFe表示。
Xm是主磁通Φ引起的 电抗，为励磁电抗
6、漏抗

描述漏磁电势的电路参数。由于漏磁通所经 路径主要为非磁性物质（空气），磁阻为常 数。即漏磁通与产生该漏磁通的电流成正比 且同相位，漏电感亦为常数。

7、空载电路方程
等效电路
rm+jXm上的压降表示主磁通对变压器的作用
（随外施电压的增加而减小——由于饱和影响）
(四)油箱—— 主油箱：机械支撑、
冷却散热
保护作用：
1、当变压器出现故障时，产生 的热量使变压器油汽化，气体 继电器动作，发出报警信号或 切断电源。 2、如果事故严重，变压器油大 量汽化，油气冲破安全气道管 口的密封玻璃，冲出变压器油 箱，避免油箱爆裂。
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3、变压器运行时产生热量，使变
压器油膨胀，储油柜中变压器油上 升，温度低时下降。 储油柜使变压器油与空气接触面较 少， 减缓了变压器油的氧化过程 及吸收空气中的水分的速度。—— 呼吸
一、电磁物理现象
空载电流i0，i1＝i0。全部用以励磁——励磁电流im，i0＝im 励磁电流产生励磁磁势imN1，建立交变磁场
磁场的磁通
与1 都是交变磁通 在绕组中感应交变电势

磁场的磁通：
分为主磁通和漏磁通两部分 ①磁路不同，因而磁阻不同。 主磁通同时交链初级、次级绕组，又称为 互磁通，路径为沿铁芯而闭合的磁路，磁阻较 小。 漏磁通1只交链初级绕组，称初级侧漏磁 通，它所行经的路径大部分为非磁性物质，磁 阻较大。 ②功能不同。主磁通通过互感作用传递功率，漏 磁通不传递功率。

电磁现象
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2、基本方程式
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3、归算


绕组归算——用一假想的绕组替代其中一个 绕组使成为k＝1的变压器。 归算量在原符号加上标号 区别，归算后的 值称为归算值或折算值。 原则：归算不改变实际变压器内部的电磁平 衡关系

归算方法一
次级侧归算到初级侧 保持初级绕组匝数N1不变．设想有一个匝数 为N2 =N1的次级绕组，用它来取代原有匝数 为N2的次级绕组。满足变比： k＝N1/N2＝1。
计算出来的线电流值。单位用A或kA。

电力变压器的额定频率是50Hz
额定值的关系

单相变压器
I1N
SN U1 N
I2N
SN U2N

三相变压器
I1N
SN 3U1N
I2N
SN 3U 2 N
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变压器电路理论及其运行特性
以单相双绕组电力变压器为 例，分析其基本原理，导出基本 方程式、等效电路和相量图。 在此基础上分析其稳态特 性。
(三)变压器油——冷却、绝缘
变压器油起两个作用：

①绝缘：绕组与绕组、绕组与铁心及油箱之间

②散热: (内部油泵强迫油循环，外部用变压器风扇吹风或 用自来水冲淋变压器油箱)
(四)油箱——
主油箱：机械支撑、冷却散热
油箱形式： 平滑油箱—— 50kVA 波形油箱 管形油箱—— ~200kVA 散热器油箱——2500—6300kVA
图2-8
2、电压变比

变比——初级电压与次级空载时端点电压之比。 电压变比k 决定于初级、次级绕组匝数比。 略去电阻压降和漏磁电势
四、励磁电流的三个分量



忽略电阻压降和漏磁电势，则U1＝E1＝4.44fN1m。 m ∝ U1 即：当外施电压 U1 为定值，主磁通 m 也为一定值 问题： 一台结构已定的变压器当外施电压为已知， 需要电源提供多大的励磁电流呢?励磁电流包括哪 些成分呢? 答：决定于变压器的铁芯材料及铁芯几何尺寸 。 因为铁芯材料是磁性物质，励磁电流的大小和波 形将受磁路饱和、磁滞及涡流的影响。
配电变压器

输送同样的功率，电 压低则电流大，一方面由于大 电流在输电线路上引起损耗，另一方面大电流在线 路阻抗上产 生大的压降，受电端电压很低，电能传 送不出去。只有高电压能将电能输送到远方。
第一节 电力变压器的基本结构 和额定值
一、变压器的主要类别
变压器的主要分类：

一种静止的电机 将一种电压的电能转换为另一种电压的电能。 用途分类：
(五)绝缘套管


绝缘套管由中心导电杆与瓷套组成。 (导电杆穿过变压器油箱、在油箱内的一端与线圈的 端点联接，在外面的一端与外线路联接。) 在瓷套和导电杆间留有一道充油层——充油套管 套管外形常做成伞形，电压愈高、级数愈多。
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三、变压器的额定值

额定容量SN——额定条件下使用时输出能力的保

二、正方向的规定

箭头方向表示正方向

规定电流的正方向与该电流所产生的磁通正方向符 合“右手螺旋”定则，规定磁通的正方向与其感应 电势的正方向符合“右手螺旋”定则。 电流正方向与电势正方向一致。




方向规定：电压u1与电流i0同方向，磁通正方 向与电流正方向符合右手螺旋定则，e的正方 向与电流同方向。这样e1=－N1dФ/dt成立。 例如正在增加，dФ/dt为正，e1＝－ N1dФ/dt ＜0为负，若外电路能使e1产生电流，其电流 方向必与i0正方向相反，该电流产生磁通Ф′， 与Ф方向相反，起阻止Ф增加的作用，即符合 楞次定律。
归算方法二
初级侧归算到次级侧 保持次级绕组匝数N2不变，设想有一个匝数 为N1 ＝N2的初级绕组，用它来取代初级有匝 数为N1的初级绕组。 k＝N1/N2＝1
一)次级电流的归算值
归算前后磁势应保持不变
I N I 2 N2
' 2 ' 2 ' 2
N2 N2 I I2 ' I2 I2 / k N2 N1
三、感应电势，电压变比
主磁通 m sin t e1 N 1 m 磁通幅值 d N 1 m cost N 1 m sin(t 90) dt d e2 N 2 N 2 m cost N 2 m sin(t 90) dt e1幅值E1m N 1 m 2fN1 m e2幅值E 2 m N 2 m 2fN 2 m e1有效值E1 E1m / 2 e2 有效值E 2 E 2 m / 2 2fN 1 m 2fN 2 m

物理意义：当用N2＝N1替代了N2，其匝数增 加了k倍。为保持磁势不变。次级电流归算值 减小到原来的1／k倍。
X1表示漏磁通对电路的影响，近似为常数
相量图
•U2（参考方向）、E2 •E1与U2方向一致 •Φm超前E1 90度 •Im超前Φm 一个角度 •U1
第三节 变压器的负载运行
变压器负载运行
负载运行：指一侧绕组接电源，另一侧 绕组接负载运行。
1 负载时的电磁物理过程 2 基本方程式 3 归算
4 归算后的分析
第一篇
变压器
第二章 变压器的基本作用原理 与理论分析
本章的主要内容：
1、 变压器的类别和结构 2、 变压器的空载运行
3、变压器的负载运行
4、标幺值
5、参数的测定
6、变压器的运行性能
电力变压器

变压器的总容量大致相当于发电机容量的三倍。输 电过程中，通常将电压升高，通过高压输电线传送 到远方的城市，经过降压变压器降为10kv电压，再 经过配电降压变压器分配给用户。
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1、负载时的电磁物理现象

变压器的初级、次级绕组没有电的联系，功率传递 m 依靠互感。在功率传递过程中应满足能量守恒，在 电路上需满足电压平衡、磁路上需满足磁势平衡。
N2
N1
Next
次级电流的影响

次级电流的存在、建立起次级磁势，它也作 用在铁芯磁路上。改变了原有的磁势平衡状 态，迫使主磁通变化，导致电势也随之改变。 电势的改变又破坏已建立的电压平衡，迫使 原电流随之改变，直到电路和磁路又达到新 的平衡为止。
空载时励磁电流
Iu——磁化电流，无功性质，为主要分量 Ife——铁耗电流，有功性质，产生磁滞（Ih） 和涡流损耗（Ie）

I m I I Fe I (I h I e )
五、励磁特性的电路模型
强调：rm 并非实质电阻、 是为计算铁耗引进的 模拟电 阻。 由于磁化曲线呈非线性， 参 数 Zm 随电压而变化，不是常 数。但变压器正常运行时，外 施电压等于或近似等于额定 电压，且变动范围不大 ,可把 Zm 看成常数。

单相变压器铁心叠法，偶数层刚好压着奇数层 的接缝，从而减少了磁路和磁阻，使磁路便于 流通 ——接逢处气隙小 可以避免涡流在钢片之间流通

三相芯式变压器的铁心排列法，主要使 叠缝相互交叠，从而减少磁路的磁阻
(二)绕组——变压器的电路
变压器绕组一般为绝缘扁铜线或绝缘圆铜线 在绕线模上绕制而成。 为便于制造、在电磁力作用下受力均匀以及 机械性能良好，绕组线圈作成圈形。 按照绕组在铁芯中的排列方法分类，变压器 可分为铁芯式和铁壳式两类 基本型式：同芯式，交叠式