变压器工作原理

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单相变压器的负载运行
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。
负载运行时的电磁关系
A I1
U 1
E 1
E 1σ
X
m
1
2
I2
a
E 2
E 2
U
2
ZL
x
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压器。 1960年3月我国沈阳变压器厂制造出第一台330kV变压器。 1979年12月我国沈阳变压器厂制造出第一台单相500kV型号DFPS-
250000/500变压器。 2005年4月2日保定天威通过750kV型号ODFPS-500000/750变压器
试验。 2009年1月6日特变电工沈阳变压器公司生产的1000kV型号ODFS-
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空载电流和空载损耗
一、空载电流 作用与组成
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0 0 0 空载电流I 包含两个分量，一个是励磁分量I a，作用是建立磁场，另一个是铁损耗分量I r，主要作用是供铁损耗。
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；
0 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I %来表示：
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变压器的一次绕组（一次绕组）与交流电源 接通后，经绕组内流过交变电流产生磁动势 ， 在这个磁动势作用下，铁芯中便有交变磁通 ， 即一次绕组从电源吸取电能转变为磁能， 在铁 芯中同时交（环）链原、副边绕组（二次绕组）， 由于电磁感应作用，分别在原、二次绕组产生频 率相同的感应电动势。如果此时二次绕组接通负 载，在二次绕组感应电动势作用下，便有电流流 过负载，铁芯中的磁能又转换为电能。这就是变 压器利用电磁感应原理将电源的电能传递到负载 中的工作原理。
次线圈的匝数。
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(2)二次侧电动势平衡方程
U2=E2
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2、变比
定义
k E1 N1 U1 U1N E2 N2 U20 U2 N
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 k U1N 3 U2N
D，y接线 k 3 U1N U2N
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2、相量图
根据前面所学的方程，可作 出变压器空载时的相量图：
jI0 X1
U 1
R1 I0
（1）以Φ m为参考相量
（2）I0r与Φ m同相，I0a 滞后 900，I0 I0r I0a
E1
I0 I0a
Φ m
（3）E 1
,
E
滞后
2
Φ m 90，0 -EE11
变压器一次侧为额定电压时，其二次侧电压随着负载电 流的大小和功率因素的高低而变化。
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二.变压器的空载特性
变压器一次绕组接电 源，二次绕组开路，负 载电流为零，这种情况 即为变压器的空载运行。 N1 和 N2 为 一 、 二 次 绕 组 的匝数分别绕在两个铁 心柱上。
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主磁通与漏磁通的区别
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三、相量图
作相量图的步骤——对 应T型等效电路， 假定 变压器带感性负载。
12)U1 11) jX1I1
9) E1
2 )I2 1)U2 3 )I2 R2
4 ) jX2I2
10)I1R1 8)I1 I0 (I2 )
7)I0
6) m超前E1900 5)E2 E1
空载时等效电路为
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Rm , X m , 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 Zm Rm jX不m 是常数，随磁路饱和程度增大而减小。
由于 Rm R1 , Xm X1 ，所以有时忽略漏阻抗，空载等效电路只 是的一 大个小。Z从m元运件行的角电度路讲。，在希U望1 一I0定越的小情越况好下，，所I0 以大变小压取器决常于采Z用m 高导磁材料，增大 Zm ，减小 I0 ，提高运行效率和功率因数。
（3）空载电流大小与主磁通、线圈匝数及磁路的磁阻有关，铁 心所用材料的导磁性能越好，空载电流越小。
（4）电抗是交变磁通所感应的电动势与产生该磁通的电流的比 值，线性磁路中，电抗为常数，非线性电路中，电抗的大小随 磁路的饱和而减小。
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2.变压器的负 载运行
一次侧接交流电 源，二次侧接负 载，二次侧中便 有负载电流流过， 这种情况称为负 载运行。
F1 F2 F0
或
N1I1 N2I2 N1I0
用电流形式表示 I1

I0 (
N2 N1
) I2

I0 (

I2 k
)

I0
I1 L
产表生明主: 变磁压通器;另的一负个载是电负流载包分括量两I个1L ,分它量起平: 一衡个二是次励磁磁动电势流的I0作,它用用。来 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
；
（4） R1I0 , jI0 X1
E 2 I0r
（5） U 1
E 1
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空载运行小结
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（1）一次侧主电动势与漏阻抗压降总是与外施电压平衡,若忽 略漏阻抗压降，则一次主电势的大小由外施电压决定.
（2）主磁通大小由电源电压、电源频率和一次线圈匝数决定， 与磁路所用的材质及几何尺寸基本无关。
Xm
I1L I2
U 2 ZL
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简化等效电路：
RS X S
U 1
I1 I2 U 2
Z L
其中
RS R1 R2 X S X1 X 2 Z S RS jX S
分别称为短路电阻、短路 电抗和短路阻抗。
由简化等效电路可知，短路阻抗起限制短路电流的作用， 由于短路阻抗值很小，所以变压器的短路电流值较大，一般 可达额定电流的10~20倍。
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等效电路及相量图
一、折算
折算：将变压器的二次（或一次）绕组用另一个绕组(N2=N1)来 等效，同时对该绕组的电磁量作相应的变换，以保持两侧的电磁 关系不变,用一个等效的电路代替实际的变压器。
折算原则：1）保持二次侧磁动势不变；2）保持二次侧各功率 或损耗不变。
方法：（将二次侧折算到一次侧)
用图示负载运行时的电磁过程
U1 I1 U 2 I2
F1 N1I1 F2 N2I2
F0 N1I0
R1I1
1
E1
Eபைடு நூலகம்1
0
E2
2
ER22I2
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基本方程
一、磁动势平衡方程
空 次 不载 磁 变时 动 ,由,势一 空F次 载2共磁 到同动 负作势 载用F,0产产0大生生小主 0基.磁本0大 通不小变0 主 ;,负因要载此取时有决一磁于次动U磁1势,只动平要势衡FU方11和保程二持:


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E1=4.44fN1BmS×10-45
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在主磁通的作用下，两侧的线圈分别产生感应电 势，电势的大小与匝数成正比，K为变压器变比。
变压器电流之比与一、二次绕组的匝数成反比，即
变压器匝数多的一侧电流小，匝数少的一侧电流大。变 压器的原、副线圈匝数不同，起到了变压器作用。
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空载时的等效电路和相量图 等效电路
基于E1δ=-jI0X1δ表示法，Φ感应的电动势E1也用电抗压降 表示，由于Φ在铁心引起铁损PTE，所以还要引入一个电 阻Rm,用I20Rm等效PTE,即
1 0 E =I (Rm+jXm)
一次侧的电动势平衡方程为 U1=-E1+I0Z1 0 0 1 1 =I (Rm+jXm+I (R +jX )
E 2 E1
E 1 Zm I0 U 2 I2 ZL
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二、等效电路
根据折算后的方程，可以作出变压器的等效电路。
T型等效电路：
近似等效电路
R1 X1
R2 X 2
R1 X1
R2 X 2
U 1
I1
I0
Rm
I2 U 2
I1
Z LU1
一次电流的增加或减少.
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负载运行时,忽略空载电流有:
I1


I2 k
或
I1 I2
1 k
N2 N1
表明，一、二次电流比近似与匝数成反比。可见，匝数不
同，不仅能改变电压，同时也能改变电流。
二、电动势平衡方程
根据基尔霍夫电压定律可写出一、二次侧电动势平衡方程
U1 E1 I1R1 jI1 X1 E1 I1Z1 U 2 E 2 I2R2 jI2 X2 E 2 I2Z2 U 2 I2 ZL
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空载时的电动势方程、等效电路和相量图
一、电动势平衡方程和变比
1.电动势平衡方程 1.1一次侧电动势平衡方程
U1=-E1-E1δ+I0R1=-E1+I0R1+jI0X1=-E1+Z1I0
忽略很小的漏阻抗压降，并写成有效值形式，有
1 1 m 1 U ≈E =4.44fN Φ
则 可见，影响主磁通大小的因素有电源电压和频率，以及一
i0
i0
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空载损耗
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0 Fe 变压器空载时一次侧从电源吸收少量的有功功率P ，供给铁心损耗P 和绕组损耗IR由于I和R均很小，所以即空载损耗近似为铁心损耗
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
空载损耗约占额定容量的0.1%-1%，而且随变压器容量的增大而下降。为减少空载损耗，改进设计结构的方向是采用优质铁磁材料：优质硅钢片、激光化硅钢片或应用非晶 态合金。
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电力变压器的型号
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特殊使用环境代号
额定电压 额定容量
特殊用途和特殊结构代号
设计序号 调压方式 导线材料 绕组数 油循环方式 冷却方式 相数 产品类别
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1、产品类别代号
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电力变压器的工作原理
一、变压器基本原理 二、变压器空载特性 三、变压器负载特性 四、电力变压器的型号
五、三相变压器
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变压器发展史
1884年匈牙利人制造出世界第一台变压器。（闭合铁心式） 1917年我国上海华生电器制造厂生产出我国第一台变压器
1953年我国沈阳变压器厂制造出第一台仿苏13500/110单相变压器。 1954年我国沈阳变压器厂制造出第一台单相规格20000/154变压器。 1958年8月我国沈阳变压器厂制造出第一台单相仿苏40000/220变
I 2

I2 k
E2 kE2 E1 U2 kU2
r2 k 2r2 x2 k 2 x2 ZL k 2 ZL
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折算后的方程式为
U1 E1 I1R1 jI1 X1 E1 I1Z1 U 2 E 2 I2 R2 jI2 X2 E 2 I2 Z2 I1 I2 I0
I0 %

I0 IN
100%
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3、空载电流波形
由于磁路饱和，空载电流 与由它产生的主磁通呈非 线性关系。
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t 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。
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1 2 3
实际空载电流为非正弦波，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。
1000000/1000变压器投入运行。
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世界上第一台闭合铁心变压 器
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我国第一台交流1000kV变压器
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一、变压器基本工作原理
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.
变压器是利用电磁感应原理工作，它是由 相互绝缘且匝数不等的两个绕组（构成电路）， 套装在有良好导磁性能材料叠成的铁心上(构成 磁路），两绕组之间只有磁的耦合而没有电的 联系。
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1）性质上：Φm与 I0 成非线性关系； ΦL1 与 I0 成线性关系；
2）数量上： Φm占99%以上， ΦL1仅占1%以下； 3）作用上： 起传递能量的作用， 起漏抗压降作用。
各电磁量参考方向的规定
一次侧遵循电动机惯例，二次侧遵循发电机惯例。 磁通与产生它的电流之间符合右手螺旋定则；电动势与感应 它的磁通之间符合右手螺旋定则。