变压器原理

变压器

第一节变压器的工作原理、分类及结构

一、结构

1．铁心

如图，分铁心柱、磁轭两部分。

材料：0.35mm的冷轧有取向硅钢片，如：DQ320，DQ289，Z10，Z11等。

工艺：裁减、截短、去角、叠片、固定。

2．绕组

分同心式和交叠式两大类。

交叠式如右图。

同心式包括圆筒式、连续式、螺旋式等，见上图。

材料：铜（铝）漆包线，扁线。

工艺：绕线包、套线包。

3．其它部分

油箱（油浸式）、套管、分接开关等。

4．额定值

额定容量S N

额定电压U 1N U 2N 额定电流I 1N I 2N

对于单相变压器，有N N N N N I U I U S 2211== 对于三相变压器，有N N N N N I U I U S 221133==

注意一点：变压器的二次绕组的额定电压是指一次绕组接额定电压的电源，二次绕组开路时的线电压。

[讨论题]一台三相电力变压器，额定容量1600kV A ，额定电压10kV/6.3kV ，Y ,d 接法，求一次绕组和二次绕组的额定电流和相电流。 自己看[例3-1]。

总结：熟悉变压器额定值的规定。

二、变压器的工作原理

按照上图规定变压器各物理量的参考方向，有

dt

d N

e dt d N e φφ2211,-=-=

定义变比 2

1

21N N E E k =

=

工作原理：

（1） 变压器正常工作时，一次绕组吸收电能，二次绕组释放电能； （2） 变压器正常工作时，两侧绕组电压之比近似等于它们的匝数之比；

（3） 变压器带较大的负载运行时，两侧绕组的电流之比近似等于它们匝数的反比； （4） 变压器带较大的负载运行时，两侧绕组所产生的磁通，在铁心中的方向相反。

总结：牢记变压器的四条原理。

第二节 单相变压器的空载运行

一、空载运行时的物理情况

如图，变压器一次绕组接额定电压，二次绕组开路，称为变压器空载运行。此时，变压器一次绕组流过一个很小的电流，称为空载电流i 0，大约占额定电流的2%~5%，因此空载时变压器的铜损耗是很小的。为什么？ 又，

11144.4N f E U m Φ=≈

22244.4N f E U m Φ==

空载时，由于电压是额定电压，因此铁心中的磁通幅值已经是额定运行时的数值（其实还要略高些），此时变压器的铁损就已经达到额定运行时的数值。

[讨论题]一台电力变压器，一次绕组的额定电压是35kV ，额定频率是50Hz ，把它接在38kV ,50Hz 的电网上运行，则电机铁心中磁通的幅值、空载电流和铁损耗有什么变化？如果把它接在35kV,60Hz 的电网上运行呢？

总结：空载，空载电流，铁损

二、空载运行时的电压方程、相量图和等效电路

根据图中的物理量正方向的规定，得电压方程式： 101011R I X I j E U ∙

∙∙∙++-= ∙

∙

=22E U

说明X 1的定义。

再定义励磁电阻和励磁电抗，一次绕组的电压方程变为

)(1101jX R jX r I U m m +++=∙

∙

得等效电路如图。解释励磁电阻和励磁阻抗的物理意义。 根据一次绕组的电压方程式，得相量图。 如何画相量图？先画磁通，再画电动势。

说明各相量的相位关系的来历。 讨论书上习题3-9。

总结：一次绕组漏抗，励磁阻抗

第三节 单相变压器的负载运行

负载运行的定义。

一、负载运行时的物理情况

不管是空载运行还是负载运行，可以认为绕组中的感应电动势基本不变，因此铁心中的主磁通基本不变，这是我们分析负载运行的一个基本出发点。

根据变压器的原理，当二次绕组中有了电流，一次绕组的电流也将发生变化，但由于铁心中的主磁通基本不变，因此一次绕组和二次绕组的合成磁势也基本不变。

总结：空载时变压器铁心中的磁势是由一次绕组电流单独建立的；负载时铁心内的磁势是由一次绕组和二次绕组电流共同产生的，但合成磁势与空载时相比基本不变。

二、负载运行时的方程式

1．磁势平衡式

根据图中的参考方向，有

12211N I N I N I m ∙

∙∙=+

2．电压平衡式

⎪⎩⎪⎨⎧-=+-=∙

∙∙∙

∙∙

2

2221

111Z I E U Z I E U 其中，

222111,jX R Z jX R Z +=+=

X1：一次绕组漏抗；X2：二次绕组漏抗。

总结：磁势平衡式，二次绕组漏抗。

第四节

变压器的等效电路和相量图

一、绕组的归算

定义：把变压器的二次（一次）绕组用另一个绕组来代替，同时保持该绕组的某些物理量不变。

变压器中常把二次绕组用一次绕组来代替（代替后两侧绕组变成一样），同时令该绕组的磁势不变，功率不变，损耗不变。称为把二次绕组归算到一次绕组。

1．电流的归算 因为磁势不变，有

2212'

2'

21221,I k

I N N I I N I N ==

= 2．电压（电动势）的归算

因为二次绕组的匝数已经变成一次绕组，所以有 2'

221'

2,kU U kE E E === 3．阻抗的归算

由二次绕组的铜损耗不变，得 22

'

222

2'

22

'2,R k R R I R I == 由于漏抗与匝数的平方成正比，故有 22

'

2X k X =