变压器的原理与空载运行

合集下载

第2章变压器的运行原理和特性

16
仅
E U 20 2
Y，d接线 D，y接线
U 1N k 3U 2 N
k
3U1N U2N
由于 R m R1 , X m X 1 ，所以有时忽略漏阻抗，空载等效电路只是一个Z m元件的电路。在 U1一定的情况下，I 0大小取决于Z m的大小。从运行角度讲，希望 I 0 越小越好，所以变压器常采用高导磁材料，增大 Z m，减小 I 0 ，提高运行效率和功率因数。
使
用
1 与 I 0成线性关系； 1）性质上： 0 与 I 0 成非线性关系；
– 变压器各电磁量正方向
• 由于变压器中各个电磁量的大小和方向都随时间以电源频率交变的，为了用代数式确切的表达这些量的瞬时值，必须选定各电磁量的正方向，才能列式子。 • 当某一时刻某一电磁量的瞬时值为正时，说明它与实际方向一致；当某一时刻某一电磁量的瞬时值为负时，说明它与实际方向相反。 • 注：正方向是人为规定的有任选性，而各电磁量的实际方向则由电磁定律决定。
习
（2）二次侧电动势平衡方程
U1
I 0
0
) (I 2
用
E U 20 2
（3）变比
U 1
U2
E 1
使
E 1
1
E 2
U 20
u2
仅
对三相变压器，变比为一、二次侧的相电动势之比，近似为额定相电压之比，具体为 Y，d接线
U1N k 3U 2 N
8
供
22
仅
F F F 1 2 0 N I 或 N1 I 1 2 2 N1 I 0 N I I ( 2 ) I I ( 2 ) I I 用电流形式表示 I 2 0 0 1L 1 0 N1 k

电机学变压器的运行原理(空载、负载、数学模型)

第8章变压器
28
2、T型等效电路 T型等效电路的形成过程，见下图。
I&1 R1
X 1
R2
I&0
Rm
U&1
E&2 E&1E&2 E&1
E&2
Xm
X 2 I&2
U&2
Z L
T型等效电路的形成过程
第8章变压器
29
Γ型等效电路
对于电力变压器，一般 I1NZ1＜0.08U1N，且 I1NZ1 与 -E1是相量相加，因此可将励磁支路前移与电源并联，得到Γ型等效电路。
1、空载电流的波形
电网电压为正弦波，铁心中主磁通亦为正弦波。若铁心不饱和（Bm < 1.3T），空载电流 i0 也是正弦波。
电力变压器，Bm= 1.4T ～1.73T，铁心都是饱和的。其励磁电流呈尖顶波，除基波外，还有较强的三次谐波和其它高次谐波。
第8章变压器
11
2、空载电流与主磁通的相量关系
问题：一般电力变压器的变比 k 较大，一、二次侧的电压、电流差别
很大，计算不便，画相
量图更加困难。因此，
下面介绍分析变压器的一个重要方法——等效电路、折算。
第8章变压器
19
四、绕组归算(折算)及数学模型
所谓把二次侧折算到一次侧，就是用一个匝数为N1 的等效绕组，去替代变压器匝数为N2二次侧绕组，折算后的变压器变比 N1/ N1=1 。
第8章变压器
30
4、简化等效电路和相量图
对于电力变压器，由于 I0＜0.03I1N，故在分析变压器满载及负载电流较大时，可以近似地认为 I0＝0，将励磁支路断开,等效电路进一步简化成一个串联阻抗，如图所示。

变压器的结构和工作原理

变压器的结构和⼯作原理变压器是利⽤电磁感应原理传输电能、信号的器件。

它具有变压、变流、变阻抗、隔离的作⽤，种类繁多应⽤⼴泛。

例如：1.电⼒系统中，升压远距离输电（如：10KV输电线路），⽤户端降压供电（如：220V市电）；2.实验室利⽤⾃耦变压器改变电源电压；3.测量上利⽤变压器扩⼤对交流电压、电流的测量范围；4.电⼦设备和仪器中利⽤变压器提供多种电压和传递信号并隔离电路上的联系。

变压器虽然⼤⼩悬殊，⽤途各异，但基本结构和⼯作原理是相同的。

变压器的结构变压器由铁芯和绕组两个基本部分组成，如下图所⽰，是它的⽰意图和符号。

变压器的结构⽰意图与符号这是⼀个简单的双绕组变压器，在⼀个闭合的铁芯上套有两个绕组，绕组与绕组之间以及绕组与铁芯之间都是绝缘的。

绕组通常⽤绝缘的铜线或铝线绕成，其中⼀个绕组与电源相连，称为⼀次绕组，另⼀个绕组与负载相连，称为⼆次绕组。

为了减少铁芯中的磁滞损耗和涡流损耗，变压器的铁芯⼤多⽤0.35～0.5 mm厚的硅钢⽚叠成，为了降低磁路的磁阻，⼀般采⽤交错叠装⽅式，即将每层硅钢⽚的接缝错开。

如下图所⽰为⼏种常见的铁芯形状。

⼏种常见的铁芯形状变压器按铁芯和绕组的组合⽅式，可分为⼼式和壳式两种，如下图所⽰。

变压器的结构形式⼼式变压器的铁芯被绕组所包围，它的⽤铁量⽐较少，多⽤于⼤容量的变压器，如电⼒变压器。

壳式变压器的绕组被铁芯锁包围，它的⽤铁量⽐较多，但不需要专门的变压器外壳，常⽤于⼩容量的变压器，如各种电⼦设备和仪器中的变压器。

变压器的⼯作原理变压器的⼯作原理，我们将从空载运⾏、负载运⾏、阻抗变换，三种情况进⾏讲述。

1.空载运⾏如下图所⽰，变压器的空载运⾏⽰意图。

变压器的空载运⾏变压器的⼀次绕组接上交流电压【u1】，⼆次侧开路，这种运⾏状态称为空载运⾏。

这时⼆次绕组中的电流i2=0，电压为开路电压【u20】，⼀次绕组通过的电流为空载电流【i10】，各量的⽅向按习惯参考⽅向选取。

上图中【N1】为⼀次绕组的匝数，【N2】为⼆次绕组的匝数。

变压器空载运行

06
变压器空载运行的未来发展
提高变压器的效率
优化变压器设计
通过改进变压器结构设计、选择更优质的材料和采用先进的制造工艺，减少变压器的损耗和提升其效率。
高效变压器产品的研发
研发出更高效、更节能的变压器，以满足电力传输和分配的更高要求。
提高变压器的可靠性
增强变压器保护措施
通过增加变压器保护装置，如过载保护、短路保护和过电压保护等，提高变压器的运行可靠性。
02
变压器空载运行与负载运行
变压器空载运行与负载运行的比较
空载运行指变压器二次侧开路，一次侧通过励磁电流维持磁场，不向外部输送功率；负载运行指变压器二次侧有负载，通过传输电能向外部输送功率。
空载运行时，变压器铁损（铁芯涡流损耗和磁滞损耗）和铜损（线圈电阻损耗）为主要损耗；负载运行时，变压器传输的功率和铜损为主要损耗。
05
变压器空载运行的安全措施
安装和操作安全要求
确保变压器安装牢固、可靠，避免出现晃动或位移。
在操作过程中，应穿戴适当的个人防护装备，如绝缘手套ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ护目镜。
保持操作现场整洁，避免杂物和人员走动，以免影响操作安全。
维护和检修安全要求
制定详细的维护和检修计划，并按照计划进行实施。
在维护和检修前，必须了解变压器的结构和工作原理，并遵循相关的安全规定。
绝缘电阻异常处理
如果测量结果异常，需要进一步检查变压器的内部结构和绕组情况，确定故障位置并进行维修或更换。
听变压器的声响
正常声响的判断
正常运行中的变压器会发出嗡嗡声，这是由于磁场作用在铁芯和绕组上产生的振动所引起的。如果变压器的声响过大或者存在其他异常声响，可能是故障的征兆。

第2章变压器的工作原理和运行分析

SN SN ，I 2 N 3U 1 N 3U 2 N
注意！对于三相系统，额定值都是指线间值。
第二节变压器空载运行
空载：一次侧绕组接到电源，二次侧绕组开路。一、电磁现象
u1
Φm
i0
Φ 1σ
e1 e1σ
N1
N2
e2
u20
i

二、参考方向的规定
e
i i

e

e
三、变压原理、电压变比
对于变压器的原边回路，根据电路理论有：
u1 i0 r1 e1 e1
空载时 i0r1 和 e1σ 都很小，如略去不计，则 u1 = - e1 。设外加电压 u1 按正弦规律变化，则 e1 、Φ 和e2 也都按正弦规律变化。设主磁通 m sin t ，则：
u1
Φm
u1
Φm
e1
e2
ωt 0 180° 360°
现在的问题是，要产生上述大小的主磁通 Φm ，需要多大（什么样）的激磁电流 Im ？
励磁电流的大小和波形受磁路饱和、磁滞及涡流的影响。
1、磁路饱和对励磁电流的影响
mm mm
i0 tt
00
i0i0 tt
00
i0 i0
tt
tt
磁路不饱和时，i0 ∝φ，其波形为正弦波。
磁路饱和时，i0与φ 不成线性关系，φ越大，磁路越饱和，i0/φ比值越大，励磁电流的波形为尖顶波。
六、漏抗漏电势的电路模型与励磁特性的电路模型类似，只是漏磁通所经路径主要为空气，磁阻大，磁通量小，磁路不饱和，因此可以忽略漏磁路的铁耗，即漏电势的电路模型中的等效电阻为零，即漏电势

变压器的空载运行

导致绝缘损坏和设备故障。
未来发展趋势预测
第一季度
第二季度
第三季度
第四季度
高效节能技术
随着能源短缺和环保意识的提高，高效节能技术将成为变压器空载运行领域的重要发展方向。例如，采用非晶合金铁芯、优化线圈设计等，以降低空载损耗。
智能化监控与管理
借助物联网、大数据等先进技术，实现对变压器空载运行的实时监控与智能管理。通过数据分析，及时发现潜在问题并采取相应的优化措
变压器的空载运行
汇报人：XX
contents
目录
• 变压器基本原理与结构 • 空载运行特性分析 • 空载运行对变压器影响 • 空载运行优化措施探讨 • 实验研究及案例分析 • 总结与展望
01
变压器基本原理与结
变压器的工作原理基于电磁感应，当原边绕组施加交流电压时，会在铁芯中产生交变磁通，从而在副边绕组中感应出电动势。
电压变换原理
电流变换原理
根据磁动势平衡原理，原、副边电流与匝数成反比，从而实现电流的变换。
通过改变原、副边绕组的匝数比，可以实现电压的升高或降低。
变压器主要结构组成
01
02
03
04
铁芯
铁芯是变压器的磁路部分，一般采用硅钢片叠装而成，以减
少涡流和磁滞损耗。
绕组
绕组是变压器的电路部分，由原边绕组和副边绕组组成，一般采用绝缘铜线或铝线绕制。
空载电压波形畸变现象
波形畸变原因
变压器空载运行时，由于铁芯的非线性磁化特性，使得磁通与励磁电流之间呈现非线性关系，从而导致空载电压波形发生畸变。
波形畸变影响
空载电压波形畸变会使得电压波形中的谐波成分增加，对电网和用电设备产生不良影响，如增加电网的谐波污染、降低用电设备的运行效率等。

变压器运行基本原理

3、试验接线如图所示。
4、处理数据
U1= U1N时的点（U1N、I0、p0）计算励磁参数:
U1 N Zm I0 p0 Rm 2 I0
X m Z m Rm
2 2
U 20 k U1N
5、试验说明以及注意事项：p28
返回
二、短路试验
1、目的：获得短路参数Zk、 Rk、 Xk。
2、方法：在高压侧加可调的低电压，低压侧短路，测取I1N 、Uk 、pk。 3、试验接线如图所示。
由 E U，可得：

R1
E 1 E 1 U 1 I 0 R1
U1 E1 E1 I 0 R1

原方等效电路
E1 I 0 ( R1 jX 1 )

E1 j I 0 X 1

U1 E1 I 0 Z1
E2 4.44 fN1 m
'
N1 E2 E2 kE2 N2
'
3)阻抗折算： Z 2 R2 jX 2
电阻折算： 2 2 R2 I 2'2 R2' I 电抗折算： 2 2 x2 I 2'2 x2 ' I
I2 2 R2 ( ' ) R2 k 2 R2 I2 I2 2 ' x2 ( ' ) x2 k 2 x2 I2
N2
a
u20
e1
e1σ
N1
1
e2
X
E1

x
Z0
U1

Z1
I0
I0
Z m Z1
励磁阻抗

变压器单相变压器的空载运行

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。
第四章变压器
6
3.1 变压器的基本工作原理和结构
3.1.2 基本结构
一、铁心变压器的主磁路，为了提高导磁性能和减少铁损，用0.35mm
厚、表面涂有绝缘漆的硅钢片叠成。二、绕组
变压器的电路，一般用绝缘铜线或铝线绕制而成。同心式绕组
第四章变压器
8
壳式变压器
第四章变压器
9
心式变压器
第四章变压器
10
油浸自冷
第四章变压器
11
油浸风冷
第四章变压器
12
强迫油循环冷
第四章变压器
13
3.1 变压器的基本工作原理和结构
3.1.3 型号与额定值
二、额定值
额定容量 SN ( kVA)
额定电流 I1N 和I2N ( A )
I Fe
pFe E1
pFe U1
第四章变压器
20
3.2 单相变压器的空载运行
3.2.2 空载电流和空载损耗
二、空载损耗
变压器空载时，一次侧从电源吸收少量的功率P0 ，用来供
给铁损PFe和绕组铜损I
2 0
R1。由于I
0
和 R1均很小，所以P0
PFe，即
空载损耗近似等于铁损。
对于已制成变压器，铁损与磁通密度幅值的平方成正比，与电流频率的1.3次方成正比，即
• e的正方向与电流正方向一致
第四章变压器
5
3.1 变压器的基本工作原理和结构
3.1.1 基本工作原理和分类
二、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。

变压器工作原理

u2
当变压器的一次绕组加上交流电压u1时,一次绕组内便有一个交变电流i0（即空载电流）流过,并建立交变磁场。
根据电磁感应原理,分别在一、二次绕组产生电动势e1、eσ1和 e2。
根据基尔霍夫电压定律,按上图所示电压、电流和电动势的正方向，可写出一、二次绕组的电动势方程式为：
u1=i0R1-e1-eσ1≈i0R1+N1dφ/dt
为Z 1=R1+jX1;
另一个是带有铁心的线圈，其阻抗为
Zm=Rm+jXm
即
E 1 I 0 ( R m j X m ) I 0 Z m
一次侧的电动势平衡方程为
U 1 ( m R E j1 X m I ) 0 Z I 0 1 (1 R jX 1)I 0
R m,Xm,Zm励磁电阻、励磁电抗、励磁阻抗。由于磁路具有饱和特性，所以ZmRm不j是X m常数，随磁路饱和程度增大而减小。
制而成。
如下图所示有两组：一个绕组与电源相连,称为一次绕组（或原绕组），这一侧称为一次侧（或原边）；另一个绕组与负载相连，称为二次绕组（或副绕组），这一侧称为二次侧（或副边）。
U1 一次侧接电源
U2
u1 二次侧接负载
u2
对于三相变压器,根据两组绕组的相对位置，绕组可分为同心式和交叠式两种，如以下两图所示。
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。
按容量分：小型、中型、大型和特大型变压器。
我国变压器的主要系列：SJL1（三相油浸铝线电力变压器）、 SEL1（三相强油风冷铝线电力变压器）、SFPSL1（三相强油风冷三线圈铝线电力变压器）、SWPO（三相强油水冷自耦电力变压器）等。

变压器空载运行的物理过程和技术参数

变压器空载运行的物理过程和技术参数空载运行是变压器的一种极限运行状态。

变压器的空载运行是指原绕组接入电源电压、副绕组开路，副绕组里没有电流流过时的最简单的运行情况。

一、空载运行的物理过程1、上图所示为单相变压器空载运行的示意图。

副绕组端头ax开路，原绕组端头AX接上电源。

在外加电压U1作用下，原绕组中流过一个交变电流，这个电流称为空载电流，用I0表示。

I0在原绕组中产生交变的磁势F0=I0N1，并建立空载时的磁场。

由于铁芯的导磁系数比空气或油的导磁系数大得多，使得I0N1所产生的磁通绝大部分(占总磁通的99%以上)被约束在铁芯中，沿铁芯磁路而闭合，并与原、副绕组的全部匝数相交链。

这部分磁通是联系原、副绕组的媒介，起传递能量的作用，称为主磁通，用φm表示。

另有一小部分磁通沿空气或油等非铁磁材料在原边自行闭合，这是一些仅与原绕组的全部或部分匝数交链，而不穿过副绕组的磁通，称为原绕组的漏磁通，用φ1δ表示。

2、应当指出，主磁通和漏磁通无论在性质上，还是在所起的作用上都是不同的。

主磁通因受铁芯饱和的影响，与产生主磁通的电流之间是非线性的关系，即φm与I0不成正比。

由于主磁通不仅在原绕组内感生电势，而且在副绕组内也感生电势，所以能传递能量；原绕组漏磁通主要沿非铁磁材料闭合，与I0之间是线性关系，而且这个漏磁通仅能在原绕组内感应电势，所以它不能传递能量，只能对原边电路起电抗压降的作用。

3、根据电磁感应定律，主磁通在原、副绕组内的感应电势分别为e1=-N1dφ/dt，e2=-N2dφ/dt假定主磁通按正弦变化，即φ=φmsinωt，则感应电势为e1=-N1dφ/dt=-N1ωφmcosωt=-√2E1cosωt=√2 E1sin(ωt-900)e2=-N2dφ/dt=-N2ωφmcosωt=-√2E2cosωt=√2 E2sin(ωt-900)以上各式中e1和e2分别为原、副绕组感应电势的瞬时值；N1和N2分别为原、副绕组的匝数；E1和E2分别为原、副绕组感应电势的有效值；φm为主磁通最大值。

第三章变压器的基本运行原理

ｅ1的有效值为： E1 E1m / 2 N1m / 2 2 fN1m 2 即 E1 4.44 fN1m 式（3-3）
E1 j 4.44 fN1 m

式（3-6）
11
（2）由主磁通φ将在二次磁绕组上产生的感应电势
d e2 N 2 N 2m cos t dt
19
（3）空载运行时铁耗较铜耗大很多，所以励磁电阻较一次绕组的电阻大很多；由于主磁通也远大于一次绕组的漏磁通，所以励磁阻抗远大于漏电抗。则在对变压器分析时，可以忽略一次绕组的阻抗。（4）从等效电路可知，空载励磁电流的大小主要取决于励磁阻抗。从变压器运行的角度，希望其励磁电流小一些，所以要求采用高磁导率的铁心材料，以增大励磁阻抗。励磁电流减小，可提高变压器的效率和功率因数。

图3-6 变压器空载运行时的相量图
可得U1的正方向。注意：一次绕组电阻压降i０rl与i0同相位，一次漏抗压降i0x１σ（此项实际很小，夸大以便作图）超前i090°；
21
？例3-1 一台三相变压器（还没讲到）
22
第二节
变压器的负载运行
变压器一次绕组接交流电源，二次绕组接有负载的运行方式，为变压器的负载运行方式。如图3-7所示（可与图3-1空载运行示意图对比看一看）。
式（3-22）
式中，i1L= -i2/K 被称为一次侧绕组励磁电流的负载分量，其大小随负载变化而变化。显然，空载时，一次侧的电流i１=i0 ，负载时，一次侧的电流i１＞i0 。
25
*讨论：变压器空载时，二次绕组电流为零，二次侧输出功率为零；一次绕组电流为空载电流很小，变压器从电源吸收很小的功率提供空载损耗。负载时，二次侧电流不为零，有功率输出，一次电流发生变化，在一、二次侧电压基本一定时，如果二次绕组电流增大，表明二次输出功率增大，则一次电流也增大，变压器从电源吸收的功率增加。一、二次绕组之间没有电的直接联系，但由于两个绕组共用一个磁路，共同交链一个主磁通，借助于主磁通的变化，通过电磁感应作用，实现了一、二次绕组间的电压变换和功率传递。

变压器的运行特性

L1
i1 N1
e1

i2
e2
N2 u2
u1
L2
ZL
变压器的运行特性
i0 1

L1
i2=0
e2
N2 u2 ZL
u1
L2
N1
e1
因为是空载运行，二次绕组开路，所以电流i2=0。电流i1是产生磁通Φ的全部原因。此时称为空载电流i0 因为i0只用于产生主磁通，所以原绕组是一个纯电感电 0 路。 i0滞后u190 ，电动势e1与u1反相。e1与e2同相 · U1
变压器的运行特性
五、变压器的空载运行相量图
为了直观的表示各物理量之间的大小关系和相位关系，
可在一张相量图中将各个物理量用相量的形式表示出来，称为变压器的相量图。
变压器的运行特性
E1 j 4.44 fN1 m
E 2 j 4.44 fN 2 m

U 20 E 2
系为：I1=I2/k
变压器的运行特性
二次绕组接上负载ZL ,流过负载电流 I 2 ，而 F2 除了与一次绕组磁通势共同建立主磁通外，还有一小部分漏磁通 2

只与二次绕组交链，在二次绕组中产生相应的漏磁电动势 E 2 。

E 2 j I 2 L2 j I 2 X 2
* U2
cos(2 ) 0.8
1.0
cos2 1
cos 2 0.8
* I2 ( )
0
1.0
变压器的运行特性
在纯电阻负载时，电压变化较小；而在容性负载时，外特性是上翘的，端电压可能出现随负载电流的增加反而上升，说明容性电流有助磁作用，使U2上升；而感性电流有去磁作用，使U2下降。这也说明了二次侧功率因数对

变压器空载运行原理

变压器空载运行原理
在电力系统中，变压器的作用是将一种电压变换为另一种电压。

而变压器的工作原理又是什么呢？让我们通过一张图片来了解一下吧。

首先，我们先来看看变压器的工作原理。

变压器的工作原理就是通过线圈与铁芯相接触，产生一个磁通，再将这个磁通变换成电压，在这个过程中线圈中就会产生一个电流。

接下来我们再来了解一下空载运行是什么意思。

在电力系统中，变压器是需要通过空载试验的，也就是把变压器一次侧的电压降到额定电压以下，然后再用一台小容量的变压器来代替它进行试验，这样做就是为了试验变压器的空载损耗是否符合要求。

我们再来了解一下空载损耗和空载电流的定义：
空载损耗是指变压器在额定电压下运行时，流过铁芯的磁通与通过线圈的磁通之差。

其值等于线圈在额定电流下所产生的磁通量与铁芯所能传递的最大电流之比。

空载电流是指在空载运行时，变压器一次侧流过的电流，其值等于一次侧电压与额定电压之比。

这两个概念都很容易理解，但要记住还有一个概念就是空载损耗。

—— 1 —1 —。