华东交通大学 动车组牵引技术 第3章 变压器

m
I 0
• I r I0u
m
,U E 2 20
第三节 变压器的负载运行
❖ห้องสมุดไป่ตู้
负载运行：变压器一次侧接在额定频率、额 定电压的交流电源上，二次接上负载的运行 状态，称为负载运行。
I
• 1
ΔI 1
•
I0 E1 Es 1
• •
•
m
I I
• • 2 2 =0 •• 20 2
• • 2 • 2
绕组
单相和三相芯式变压器
油箱
油浸式变压器的器身浸在变压器油的油箱中。油是 冷却介质，又是绝缘介质。油箱侧壁有冷却用的管子 （散热器或冷却器）。
绝缘套管
将线圈的高、低压引线引到箱外，是引线对地的绝缘， 担负着固定的作用。
此外，还有储油柜、吸湿器、安全气道、净油器和气 体继电器。
变压器其它附件
温度计1；吸湿器2，储油 柜3；油表4；安全气道5； 油流继电器6；高压套管7； 低压套管8；分接开关9； 油箱10等等
变压器是一种静止的电气设备， 根据电磁感应原 理，将一种形态（电压、电流、相数）的交流电 能， 转换成另一种形态的交流电能。
一、 分类 按用途分：电力变压器和特种变压器。 按绕组数目分：单绕组（自耦）变压器、双绕组变 压器、三绕组变压器和多绕组变压器。 按相数分：单相变压器、三相变压器和多相变压器。 按铁心结构分：心式变压器和壳式变压器。 按调压方式分：无励磁调压变压器和有载调压变压器。 按冷却介质和冷却方式分：干式变压器、油浸式变 压器和充气式变压器。

E 2 m sin( t ) 2
E1 E2 E1 m 2 E2m 2

N 1 m
2 N 2 m 2

2fN 1 m 2 2fN 2 m 2
4.44 fN 1 m 4.44 fN 2 m
感应电动势滞 后产生它的磁 通90度。
j 4.44 fN E 1 1 m j 4.44 fN E 2 2 m
I Z I (r jx ) E 1 0 m 0 m m
rm：变压器的励磁电阻 ，对应铁损耗的等效电阻。 xm:变压器的励磁电抗，反映励磁过程，对应主磁通的电抗；
Zm：变压器的励磁阻抗。表示变压器的铁心磁化性能和铁耗的综合参数。
2 2 Z m E1 / I 0 ; rm pFe / I 02 ; xm Z m rm
相量图
U 1
（1）
m
X jI 0 1
（2）考虑磁滞现象，等值正弦空载电流 I 0
超前
m
和E 落后 作为参考相量，E 2 1
900。
m
一个很小的 m 角，为磁滞角。
E 1
Fe I I 0a
•
R I 0 1
0
（3）根据电压方程， 得到电压相量。
I Z ( E ) U 1 0 1 1
第二节 变压器的运行特性分析
X 1 Ls1
—一次绕组漏电抗
磁路系统中 磁阻R l
X1
N 1 s 1 2I0

N 1 ( 2 I 0 N 1 s1 ) 2I0
N s 1
2 1
A
磁导 1 A R l 磁通 Ni Ni R
第二节 变压器的运行特性分析
d u1 e1 N1 ; dt d u2 e2 N 2 dt
变压器原、副边电势之比及电压之比 等于原、副边匝数之比。
二、单相变压器的基本结构
变压器的主要结构：铁心和绕组。 •铁心是变压器的磁路部分；又是变 压器的机械骨架。 •绕组是变压器的电路部分。 铁心通常用0.35mm厚表面涂有绝缘漆的硅 钢片冲成一定的形状叠制而成。
I0 % I0 100% IN
（3）、波形 由于磁路饱和，空载电 流 i0 与由它产生的主磁 通φm 呈非线性关系。 当磁通按正弦规律变化时， 空载电流呈尖顶波形。 当空载电流按正弦规律变 化时，主磁通呈尖顶波形。 φm
t
i0
3
2
1
1 2 3
（a）当主磁通为正弦波时， 磁路越 饱和， 电流波形畸变严重。 （b）空载电流与主磁通同相位。 实际空载电流不是正弦波，但为了分析、计算和测量的方便，在 相量图和计算式中常用正弦的电流代替实际的空载电流。
❖
所谓同芯绕组，就是在铁芯柱的任一横断面 上，绕组都是以同一圆筒形线嵌套在铁芯柱 外面。一般总是将抵押绕组靠铁芯放，高压 绕组放外面。高、低压绕组间、低压绕组与 铁芯柱之间必须留有一定的绝缘间隙和散热 通道，并用绝缘油纸隔开。绝缘距离的大小 ，决定于绕组的电压等级和散热通道所需要 的间隙。（低压绕组靠里放就是因为可以减 少与铁芯柱的间隙使变压器尺寸变小）
三、 型号与额定值 1、型号 型号表示一台变压器的结构、额定容量、电压等级、 冷却方式等内容，表示方法为
如OSFPSZ-250000/220表明自耦三相强迫油循环风冷三绕 组铜线有载调压，额定容量250000kVA，高压额定电压 220kV电力变压器。
2、额定值
额定容量 S N ( kVA )
额定电流 I1N 和I 2 N ( A )
电力变压器
电源变压器
环形变压器
控制变压器
接触调压器
三相干式变压器
简单的单相变压器：两个线圈没有 电的直接联系， 只有磁的耦合。
原绕组（一次绕或初级绕组）：两个线 圈中接交流电源的线圈， 其匝数为N1 副绕组（二次绕组或次级绕组）： 接到 用电设备上的线圈，其匝数为N2 交变磁通同时与原、副绕组交链，在原、副绕组内感应电动势。
•
U1
•
s1
•
s
•
E E
E s
U U
ZL
变压器负载运行时的物理过程和方程式：
U 1
I1
N I 1 1
1
N I m 1
r I 1 1 jI x E 1 1 1
m 2
E 1
E 2
U 2
I 2
N I 2 2
jI x E 2 2 2
指铭牌规定的额定使用条 指在额定容量下，允许长期通过的额定 件下所能输出的视在功率。电流。在三相变压器中指的是线电流
额定电压 U1N 和U 2 N ( kV ) 指长期运行时所能承受的工作电压
U1N 是指加在一次侧的额定电压,U 2 N 是指一次侧加 U1N ,二次的开路电压.对三相变压器指的是线电压.
m
E1 U1 4.44 fN1 4.44 fN1
E1 4.44 fN 1 m N 1 k E 2 4.44 fN 2 m N 2
可见，影响主磁通 φmax大小的因素有电源电压 U1、电源频率f 和一次侧线圈匝数N1。
2、空载电流
（1）作用与组成： 空载运行时， 原边绕组中流过的电流 I10 ， 称为空载电流。 空载电流 I10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 I u ；另一个是铁损耗分量，作用是供变 • 压器铁心损耗——有功分量 I Fe 。 （2）性质和大小： 性质：由于空载电流的无功分量远大于有功分量，所以空载电流 主要是感性无功性质——也称励磁电流 Im ； 空载电流大小：与电源电压和频率、线圈匝数、磁路材质及几何 尺寸有关，用空载电流百分数I0%来表示：
F
U1
i1
e1
i2
e2 u 2
u1
ZL
u1
U2
u2
只要一、 二次绕组的匝 数不同，就能 达到改变压的 目的。
第二节 变压器的运行特性分析
一、正方向的规定 一次侧： 绕组内电流正方向与电压正方向一致；按右手螺旋定则，正方向 的电流产生正方向的磁通；感应电动势的正方向与产生该电势的 磁通方向符合右手螺旋定则。（即与电流正方向一致） 二次侧： 感应电动势正方向与产生该电势的磁通正方向符合右手螺旋关系； 绕组内电流正方向与电动势方向一致；二次侧绕组端电压正方向 与电流方向一致。
m
u1
i0
f 0 i0 N 1
s1
e2
e s1
i0 r1
主磁通与漏磁通的区别
磁路饱和
I0
I0
主磁通按正弦规律变化，
m max sin t
d d e1 N 1 N 1 ( m sin t ) N 1 m cos t dt dt E1m sin( t ) 2 d d e2 N 2 N 2 ( m sin t ) N 2 m cos t dt dt
I0是激磁电流， 固定不变的量。 IL负载分量随负载不同而变化。
•
I N I1 N1 I2 N 2 F 0 0 1 N2 I1 I 0 ( I 2 ) I 0 I1 L N1
I0是激磁电流， 固定不变的量。 IL负载分量随负载不同而变化。
表明:变压器的负载电流分成两个分量,一个是励磁电流I0 , I I 用来产生主磁通,另一个是负载分量 ,用来抵消 K 二次磁动势的作用。电磁关系将一、二次联系起来,二次 电流增加或减少必然引起一次电流的增加或减少.
❖
❖
二、变压器的空载运行
变压器的一次绕组加上额定电压，二次绕组开路。
d e1 N 1 ; dt d e2 N 2 dt
R1为一次侧绕组电阻值
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主磁通：磁力线沿铁心闭 合，与一次侧绕组和二次 侧绕组都交链。 漏磁通：磁力线 沿非铁磁材料（ 油、空气）闭合 ，仅与一次侧绕 组交链。
e1
三者关系： 相 : S N = U1N I1N = U 2 N I 2 N
三相 : S N = 3U1N I1N = 3U 2 N I 2 N
此外，额定值还有额定频率、效率、温升等。
四、基本工作原理 变压器的主要部件是铁心和套在铁心 d ; 上的两个绕组。两绕组只有磁耦合没电 u1 e1 N1 dt 联系。在一次绕组中加上交变电压，产 d 生交链一、二次绕组的交变磁通，在两 u2 e2 N 2 dt 绕组中分别感应电动势。
第三章 变压器
主讲：许期英
变压器是一种静止电器,它通过线圈间的电磁感应,将一种电压 等级的交流电能转换成同频率的另一种电压等级的交流电能. 3.1 变压器的基本工作原理 3.2 变压器的运行特性分析 3.3 变压器的参数测定 3.4自耦变压器 3.5 几种典型的动车用牵引变压器
第一节 变压器的基本工作原理
等效电路
I Z ( E ) I 0 R jX I 0 ( R jX ) U 1 0 1 1 1 1 m m
I 0 I 0
• •
R1
E 1
x1
E 1
Rm xm
Rm xm
U 1
等值电路综合了空载时变压器内部的物理情况， 在等值 电路中R1、x1σ是常量；Rm、xm是变量， 它们随铁心磁路 饱和程度的增加而减少。
i0
E E I R U 1 1 s1 0 1
3、空载运行的等效电路和相量图
根据相量形式的电压平衡式，
E I ( R jX ) U 1 1 0 1 1
I Z ( E ) U 1 0 1 1
之间的关系直接用参数形式反映， 可把 E 写成 I 和I 把E 1 0 1 0 流过一个阻抗引起的阻抗压降。
r I 2 2
一、基本方程
1、磁动势平衡方程
F 0
U 1 E1 4.44 fN 1 m
U1
• •
F1 F2
•
•
U 1
F1 F2 F0
I N I1 N1 I2 N 2 F 0 0 1 N2 I1 I 0 ( I 2 ) I 0 I1 L N1
E E I R U 1 1 s1 0 1 E I ( R jX ) U 1 1 0 1 1 I Z E
1 0 1
I0
•
m
•
•
U1
•
E1
Es
•
1
•
E 2 U20
•
•
E U 20 2
E U 1 1
U 1 E1 4.44 fN 1 m
变压器结构示意图
（a）E型铁芯与E型变压器；（b）C形铁芯与环形变压器
铁心结构
单相壳式变压器
奇数层 偶数层 心式变压器迭片
心式冷轧硅钢片迭片
绕组
绕组是变压器的电路部分，一般为绝缘扁铜 线或绝缘圆铜线在绕线模上绕制而成。 变压器绕组的绕制方式有同芯式和交叠式， 同芯式结构简单，制造方便，国产变压器均 采用同芯式。