电机学辜承林(第三版)第变压器

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一、变压器的基本结构
变压器—— 是一种静止的电磁装置(zhuāngzhì),它利用电
感应原理,从一个电路向另一个传递能量或传输 信号的一种电气装置(zhuāngzhì)。
常用来将一种交流电压的电能转换为同频率的另 一种交流电压的电能。
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(一)变压器用途(yòngtú)
• 电力系统中实现电能的远距离高效输送、合理配电、安全用 电。如:电力变压器、配电变压器。
变压器。 • 按铁心(tiě xīn)结构:芯式变压器、壳式变压器。 • 按冷却方式:干式变压器、油浸式变压器。 • 按调压方式:无载调压变压器、有载调压变压器。
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心式变压器 结构 心柱被绕组(ràozǔ)所包围,如(图2—1)
所示;
特点 心式结构的绕组和绝缘装配比较容易,所以电力变压
器常常(chángcháng)采用这种结构。
(3-2)
3.变压器的变比及(bǐjí)变压原理
u1 e1 N1 K u20 e2 N 2
(3-3)
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二、主磁通和激磁(jīcí)电流
1.主磁通
通过(tōngguò)铁心并与一次、二次绕组相交链的磁通。
m
2E1
2fN1
E1 4.44 fN1
U1 4.44 fN1
E1 4.44 fN1m
正常负载时,i1和i2都随时间正弦变化,此时 (cǐ shí)磁动势方程可用复数表示为:



N1 I1 N2 I2 N1 Im
(3—16)
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三、漏磁通和漏磁电抗
漏磁通 在实际变压器中,除了通过铁心、并与一次和二次 绕组相交链的主磁通φ之外,还有少量仅与一个(yī ɡè)绕组交链且主要通过空气或油而闭合的漏磁通。
硅钢片的两面涂绝缘漆膜,且冲压成一定形状。 • 铁心分铁心柱、铁轭两部分 • 3、装叠工艺:采用交叠式,主要使叠缝相互交叠,以减少
(jiǎnshǎo)接逢间隙,从而减少(jiǎnshǎo)磁路的磁阻。
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三相(sān xiānɡ)芯式变压器示意图
绕组
上铁轭
铁芯柱
下铁轭
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铁心(tiě xīn)结构示意图
第三章 变压器
3.1 变压器的结构(jiégòu)和额定值
3.2 变压器空载(kōnɡ zǎi)运行 3.3 变压器的负载运行
3.4 变压器的基本方程和等效电路 3.5 等效电路参数的测定 3.6 三相变压器
3.7 标幺值 3.8 变压器运行性能
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3.1 变压器的基本(jīběn)结构和额 定值
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八、空载(kōnɡ zǎi)运行时相量图 变压器空载(kōnɡ zǎi)相量图(图2-8)
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3.3变压器的负载运行
变压器的一次绕组接到交流电源,二次绕组接到负载 (fùzài)阻抗时,二次绕组中便有电流流过,这种情况称为 变压器的负载(fùzài)运行,如图2—8所示。
一、磁动势平衡和能量(néngliàng)传递 1. 磁动势平衡关系
柱上
特点 同心式绕组结构简单、制造方便,国产电力变压
器均采用这种结构。
交迭式
结构 交迭式绕组的高、低压绕组沿心柱高度方向
互相交迭地放置,交迭式绕组用于特种变压 器中。
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(三)附件(fùjiàn)(电力变压器)
• 包括油箱、气体(qìtǐ)继电器等。示意图如下:
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四、变压器额定值
• 铭牌的概念
N1i1L N2i2 0
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2.能量(néngliàng)传递
e1i1L e2i2
(3-15)
上式说明,通过一次、二次绕组的磁动势平衡和电磁 感应关系,一次绕组从电源吸收(xīshōu)的电功率就 传递到二次绕组,并输出给负载.这就是变压器进行 能量传递的原理。
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二、磁动势方程 (fāngchéng)
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铁心(tiě xīn)结构示意图
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铁心(tiě xīn)结构示意图
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(二)绕组(ràozǔ)
• 1、作用:构成变压器的电路系统。 • 2、构成:绝缘铜线或铝线在绕线模上绕制而成。3、结
构形式:同心(tóngxīn)式、交叠式。
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同心 (tóngxīn) 式
结构(ji同ég心ò式u)绕组的高、低压绕组同心地套装在心
(3-6)
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2.激磁(jīcí)电 流
产生主磁通所需要(xūyào)的电流



I m I I Fe
(3-7)
相应的相量图如图2—5所示。
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三、激磁(jīcí)阻抗



E1 Im Zm Im(Rm jX m ) (3-12)
式中,Zm=Rm+jXm称为变压器的激磁阻抗,它 是表征铁心(tiě xīn)磁化性能和铁心(tiě xīn)损耗 的一个综合参数。
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im 、iu 、iFe的时间相位(xiàngwèi)关系
im=iu+iFe
Ø
Im Iu
E1
IFe
励磁电流有功无功分 量的相量图
磁通量Ø与电流 (diànliú)Im的
关系
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磁滞作用与涡流现象使
Ø(t)=f[i(t)]的关系复杂化
六、励磁(lìcí)阻抗 Zm
• 主磁通对变压器的影响: • 由产生的电势 E1 与产生的励磁电流 Im 之间存在关系
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主磁通与感与应电动势 e1、e2关系 (guān xì)
时间相位上:滞后于 Øm 的电角度(jiǎodù)是 90° 有效值大小: 相量表达式:
磁通Øm与电势E1、E2的 相量关系(图2-tem2)
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2.漏磁通与漏电(lòu diàn)动势、漏电(lòu diàn)抗
• 漏电动势:e1s (t) = -N1 dØ1s/dt
小结 (xi变ǎo压ji器é)负载(fùzài)运行时的物理过程和方程式:
U1
I1
I1N1
U 2
I2 I2 N2
s 1 Im N1 m
s 2
I1r1 E1s jI1x1s
E1 E 2 E2s jI2 x2s I2r2
• 三相变压器的一次、二次绕组(ràozǔ)的额定电流为 • SN = √3 U1NI1N = √3 U2NI2N (线值) • SN = 3U1N∅.I1N∅ =3U2N∅.I2N∅ (相值) • I1N = S N/ √3 U1N (线值) • I2N = S N/ √3 U2N
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分析(fēnxī)思路:
• 则对 e1 有: e1(t) = -N1 d Øm/dt = -wN1 Øm cos wt = wN1 Øm sin(wt-90°) = E1m sin(wt-90°)
• 而对 e2 有: e2(t) = -N2 d Øm/dt = -wN2 Øm cos wt = wN2 Øm sin(wt-90°) = E2m sin(wt-90°) 所以 e1 和 e2 也按正弦规律变化 磁通与电势的关系(图2-tem1)
1s
N1im
N 2i2
2s
e1s
L1s
di1 dt
e1
N1
d
dt
e2
N2
d
dt
e2s
L2s
di2 dt
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根据基尔霍夫第二定律,即可写出一次和二 次侧的电压(diànyā)方程为
(3—19)
相应的复数(fùshù)形式
(3-20)
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变压器的基本(jīběn)方程 为
(3-21)
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3.2 变压器的空载运行
一、一次和二次绕组(ràozǔ)的感应电动势,电压比
1.物理(wùlǐ)情 况
图2—4表示单相变压器空载运行的示意图
几个概念:空载电流、励磁磁势、主磁通、漏磁通以及 正方向的确定
2.电压方程
u1
i10 R1
e1
i10 R1
N1
d
dt
d
u20 e2 N2 dt
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壳式变压器
特点 铁心包围绕组的顶面、底面和侧面,如(图2—2)所示.
结构 壳式变压器的机械强度较好,常用于低压、大电流的
变压器或小容量电讯变压器。
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电源变压器
变压器
电力变压器
环形变压器
接触调压器
控制变压器
三相干式变压器
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(三)变压器基本(jīběn)结构
• 由铁心、绕组及附件组成。 • (一)铁心 • 1、作用:构成变压器的磁路系统,且固定绕组。 • 2、构成:由0.35mm或0.5mm厚的冷轧硅钢片叠成 ,每片
从场到路的转换
• 工作
(gōngzuò) 原理
由电磁关系
建数学模型
电路模型
确定参数
分析运行性能
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说明(shuōmíng):
• 一次侧(又称原方、原边):吸受电能的一方,各量下标加 “1”;
• 二次侧(又称副方、副边):输出电能的一方,各量下标加 “2”。
• 高压侧、低压侧:按线电压大小(dàxiǎo)而定。线路最多是三 相,存在线、相值之分。大型输电线路为三相三线制,终端一般 为三相四线制;家用电器一般为单相,有零、火线之分。
• 供给(gōngjǐ)特殊电源用的专用变压器。如:炼钢炉供电 的 电炉变压器、大型电解电镀、直流电力机车供电的整流变压 器,
• 测量用的仪用变压器。 • 控制系统实现信号的传输——控制变压器,直到仅传输信号
的非常小的无线电变压器。
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(二)变压器分类(fēn lèi)

感器、电流互感器) 、控制变压器及无线电变压器 • 按使用绕组数目:双绕组变压器、三绕组变压器、多绕组
七、空载运行(yùnxíng)时等值电路
变压器空载等值电路(图2-9)
应注意的问题 注意 r1、x1 是常量 而励磁阻
抗的大小(dàxiǎo)和变压器工作 点有关,因铁心中存在饱和现 象,rm、xm 随着饱和程度的 增加而减小,但当电源电压的 变化范围不大,对应铁心中磁 通的变化为也不是很大时,Zm 的值基本上可视为不变。
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激磁(jīcí)电

Xm
X
RF2e
RF2e
X
2
激磁(jīcí)电阻
i0
iu ife
E1
Hale Waihona Puke RfeRmRFe
X
2
RF2e
X
2
Rm Xm
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四、磁通与感应(gǎnyìng)电 动势关系
• 1.主磁通与感应电动势 • 若 u1 随时间(shíjiān)按正弦规律变化,则 Øm 也按正弦规律变化,设
(3-17)
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漏磁电抗
X1σ和X2σ分别称为一次和二次绕组(ràozǔ)的漏磁电 抗,简称漏抗X1σ=ωL1σ,X2σ=ωL2σ 漏抗是表征绕组(ràozǔ)漏磁效应的一个参数。
(3-18)
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3.4 变压器的基本(jīběn)方程和等效 电路
一、变压器的基本(jīběn)方程
N1i1
• 有效值:
• 漏磁通与漏电抗

由于漏磁通所通过的途径是非磁性物质,其磁导率是
常数,所以漏磁通的大小(dàxiǎo)与产生此漏磁通的绕组
中的电流成正比关系为:用漏感系数L1s表示二者关系:
N1Ø1s∝ Im 即: L1s= N1Ø1s/√ 2 Im
又∵ E1s
F1s
Im 且相位互差900

x1为一次绕组的漏电抗: x1 =w L1s 是常数
可以直接用参数形式来表示,故 -E1 可表示为 • Im 流过一个阻抗时所引起的阻抗压降,即
• 励磁阻抗 Zm =rm + jxm 励磁电抗 xm
-E1
励磁电阻 rm
• 变压器空载运行(yùnxíng)时原边电动势平衡方程式如下
im
iu
iFe
xu
rfe
• 其中原边漏电抗 Z1 = r1 + jx1
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五、 空载(kōnɡ zǎi)电流
• 空载运行时变压器实际上就是一个含铁心的电感器线圈,即 非线性电抗器。
• 从能量传递看作为电源的负载,空载运行时变压器: • (1)一方面从电源吸收无功功率,在铁心中建立磁场,产
生主磁通。 • (2)另一方面从电源吸收有功功率,供铁心损耗(磁滞、
涡流(wōliú))、绕组铜损使用。由于是不带负载,所以电 源输入少量电功率 p0 • 空载电流成分:空载电流可认为是励磁电流,用 Im表示。 • Im 中含有有功分量 IFe(损耗电流)和用以建立磁场的无 功 Iu 分量(磁化电流) ,Iu >> IFe
• 变压器的额定容量除以各绕组的额定电压所计算出来的
线电流值,以A表示。对于(duìyú)三相变压器额定电流
系指线电流。
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变压器额定容量(róngliàng)、电压、电流的关系
• 单相变压器的一次、二次绕组(ràozǔ)的额定电流为 • SN = U1N.I1N = U2N.I2N • I1N = SN/ U1N • I2N = SN/ U2N
• 额定容量SN(VA,KVA,MVA):
• 变压器运行时输出能力的保证值,用视在功率表示。
• 额定电压(VA,KV):
• 一次侧额定电压:U1N
• 二次侧额定电压:U2N=U20︳U1=U1N。变压器各绕 组在空载额定分接下端子间电压的保证值,对于(duìyú) 三相变压器额定电压系指线电压。
• 额定电流(A):I1N、I2N
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