单相变压器工作原理

与两个分量的相量关系：I0=Iμ+IFE 通常IFE＜10%I0，故I0≈Iμ
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。
因此，当主磁通按正弦 t
i0
规律变化时，空载电流
321
呈尖顶波形。
1
2
i0
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。
一次侧的电动势平衡方程为
U1 E1 I0 (Rm jXm )
ZI01
(R1

jX1
) I0
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 jXm 不是常数，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


U I I E 由公式：

1 E1
0 R1 j
0 x1
1 I0Z1 可知
空载变压器可以看作是两个电抗线圈串联的电路。
其中一个是没有铁 心的线圈，其阻抗
为Z 1=R1+jX 1;
另一个是带有铁心 的线圈，其阻抗为
Zm=Rm+jXm
即
E1 I0 (Rm jX m ) I0 Zm
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。
根据主电动势e1的分析方法，同样有
K>1变压器为降压变压器； K<1变压器为升压变压器。
E1σ 4.44 fN1Φ1σ E1σ j 4.44 fN Φ 1 1σm
漏电动势也可以用漏抗压降来表示，即
பைடு நூலகம்E1σ jωL1σ I0 jI0 X1
由于漏磁通主要经过非铁磁路径,磁路不饱和,故磁阻很大且为
第一节 变压器的工作原理、分类及和结构 第二节 变压器的空载运行 第三节 变压器的负载运行 第四节 变压器的等效电路及相量图 第五节 变压器参数的测定和标么值 第六节 变压器的运行特性 第七节 三相变压器 第八节 其它用途的变压器
一、变压器的基本结构
变压器的基本结构分为四个部分：①铁心—变压器的磁路； ②绕组—变压器的电路；③绝缘结构；④油箱等其它部分。 （一）铁心
（2）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。
（3）空载电流大小与主磁通、线圈匝数及磁路的磁阻有关。铁 心的饱和程度越高，则磁导率越低，励磁电抗越小，空载电流越 大。因此要合理选择铁心截面，使磁通密度Bm为最大。
（4）铁心所用材料的导磁性能越好，则励磁电抗越大，空载电 流越小。因此变压器的铁心均用高导磁的材料硅钢片叠成。
常数,所以漏电抗 X1 很小且为常数,它不随电源电压负载情况
而变.
变压器空载运行时电动势平衡方程：
（1）一次侧电动势平衡方程




U E E I 1

1

1
0 R1




U I I E 1 E1 0 R1 j 0 x1
1 I0Z1
忽略很小的U漏1 E阻1 4抗.44 f压N1Φm降，并写成有效值形式，有U20 E2
重要公式
则
Φm

E1 4.44 fN1

U1 4.44 fN1
可见，影响主磁通大小的因素有电源电压和频率，以及一次 线圈的匝数。
（2）二次侧电动势平衡方程
二、空载电流和空载损耗
（一）空载电流 1. 作用与组成
空载电流i0包含两个分量： 一个是励磁分量(无功分量) iμ，称为磁化电流，作用是建
立磁场，与主磁通同相；
（5）气隙对空载电流影响很大，气隙越大，空载电流越大。因 此要严格控制铁心叠片接缝之间的气隙。
第三节 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。
是一个
Z
元件的电路。在
m
U1
一定的情况下，I 0
大小取决于 Zm
的大小。从运行角度讲，希望 I0 越小越好，所以变压器常采用
高导磁材料，增大 Zm ，减小 I0 ，提高运行效率和功率因数。
空载运行小结
（1）感应电动势E的大小与电源频率f、绕组匝数N及铁心中主磁 通的最大值φm 成正比，在相位上滞后产生它的主磁通90度。而 主磁通的大小由电源电压、电源频率和一次线圈匝数决定，与磁 路所用材料的性质及几何尺寸基本无关。
同心式绕组
交迭式绕组
根据绕组和铁心的相对位置，变压器有壳式结构和心式结构 两种，如以下两图所示。
（三）其它结构部件 如下图所示，油浸式电力变压器的结构中还包括油箱、绝缘
套管、储油柜、安全气道等。
二、变压器的分类
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。
Φ m
（1）以Φ m为参考相量
（2）I0r与Φ m同相，I0a 超前 900，I0 I0r I0a （3）E 1 , E 2 滞后 Φ m 90，0 E1； （4） R1 I0 , jI0 X 1 （5） U 1
E 2 I0r E 1
2、等效电路


连接发电机与电网的升压变压器
连接发电机的 封闭母线
与电网相连 的高压出线端
三相干式变压器
接触调压器
电源变压器
环形变压器
控制变压器
三、变压器的工作原理
变压器的主要部件是一个铁心和套在铁 心上的两个绕组。两绕组只有磁耦合没电联 系。在一次绕组中加上交变电压，产生交链
e1
=
-
N1
dΦ dt
一、二次绕组的交变磁通，在两绕组中分别 感应电动势e1、e2。根据电磁感应定律可写出 电动势的瞬时方程式：
三、空载时的相量图和等效电路
1、相量图
根据一次侧电动势平衡方程：




U I I E 1 E1 0 R1 j 0 x1
1 I0Z1
二次侧电动势平衡方程：
U 20 E 2
可作出变压器空载时的相量图：
jI0 X1
U 1
R1 I0
E 1
I0 I0a
第一节 变压器的工作原理、分类及结构
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。确切地说，它具有变压、变流、变换 阻抗和隔离电路的作用。
例如，在电力系统中用电力变压器把发电机发出的电压升高 后进行远距离输电，到达目的地以后再用变压器把电压降低供用 户使用；
有效值 E2=4.44fN2φm
相量表达式
.
E1 j4.44 f N1m .
E 2 j4.44 f N 2 m
因此，可得出：E1/E2=N1/N2≈U1/U2=k 式中k为变压器的电压比，即变比。
定义
k E1 N1 U1 U1N E2 N 2 U 20 U 2 N
另一个是铁损耗分量iFe,I称0% 为IIN0 铁100%耗电流，主要作用是供铁损
耗（磁滞损耗和涡流损耗），超前于主磁通90度，即与E1反相。
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。
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：
（二）空载损耗
变压器空载运行时，一次绕组从电源中吸取了少量的电功 率P0，主要用来补偿铁心中的铁耗以及少量的绕组铜耗，可认为
P0 ≈pFe。
空载损耗约占额定容量的0.2%～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。
叠装好的铁心其铁轭用槽钢（或焊接夹件）及螺杆固定。铁 心柱则用环氧无纬玻璃丝粘带绑扎。
铁心柱的截面在小型变压器中采用方形。在容量较大的变压 器中，采用阶梯形截面，如图3-6所示。
铁轭的截面有矩形及阶梯形的，如图3-7所示，其截面一般 比铁心柱截面大（5~10）%，以减小空载电流和空载损耗。
（二）绕组
Φ
i1
U1
e2
=
-
N2
dΦ dt
i2
u1
u1
e1
e2 u2 ZL
U2
u2
只要：(1)磁通有变化量;(2)一、二次绕组的匝数不同，就能 达到改变电压的目的。
四、变压器的额定值
额定容量 SN ( kVA )
指铭牌规定的额定使用条件 下所能输出的视在功率。是 输出能力保证值。
单位：V·A、KV·A、MV·A 其实际输出功率取决于负载的大 小和性质，即P=Scosφ。
单位：A
三者关系： 单相：SN U1N I1N U2 N I2 N 三相：SN 3 U1N I1N 3 U2 N I2 N
额定频率fN
指电源频率，我国规定标准工频为50Hz。
此外，额定值还有效率、温升等。除额定值外，铭牌上还标 有变压器的相数、联结组和接线图、短路电压（或短路阻抗）的 标么值、变压器的运行方式及冷却方式等。
在实验室用自耦变压器改变电源电压；
在测量上利用仪用变压器扩大对交流电压、电流的测量范围；
在电子设备和仪器中用小功率电源变压器提供多种电压，用 耦合变压器传递信号并隔离电路上的联系等等。
变压器虽然大小悬殊，用途各异，但其基本结构和工作原理 是相同的。
第三章 变压器
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.
铁心柱
铁轭
铁心由铁心柱和铁轭两部分组成。变压器的主磁路，为了 提高导磁性能和减少铁损，用厚为0.35-0.5mm、表面涂有绝缘 漆的热轧或冷轧硅钢片叠成。
变压器的铁心中，每片硅钢片为拼接片。在叠片时，采用叠 接式，即将上下两层叠片的接缝错开，可缩小接缝间隙，以减小 励磁电流。如下图所示。
当采用冷轧硅钢片时，应用斜切钢片的叠装方法，可提高导 磁系数，降低损耗，如图3-5所示。
绕组是变压器的电路，一般用绝缘铜线或铝线（扁线或圆线） 绕制而成。
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。
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
为考虑运输，有时铭牌上还标有变压器的总重、油重、器身 重量和外形尺寸等附属数据。
第二节 变压器的空载运行
变压器的空载运行是指变压器一次绕组接在额定电 压的交流电源上，而二次绕组开路时的工作情况。
一、空载运行时的物理情况
Φ主磁通
U1 u1
U2
i0
eσ1 e1
N1
N2
Φσ1漏磁
通
i2=0
u1
e2
u02
u02=e2=－N2dφ/dt
在一般变压器中，电阻压降i0R1很小，仅占一次绕组电压的 0.1%以下，故可近似认为u1≈－e1。
设 Φ Φm sin ωt
则
e1


N1
dΦ dt

2 πfN1Φm sin(ωt
-900
)

E1m sin(ωt

900
)
有效值 E1 4.44 fN1Φm
同理，e2=2πfN2φmsin(ωt-90)=E2msin（ωt-90）
额定电压 U1N
/
U2N ( kV
) 指长期运行时所能承受的工作电压， 单位：V、KV。
U1N是指根据绝缘强度和允许
U2N是指一次侧加额定
发热所规定的应加在一次绕组 上的正常电压有效值。
电压时二次侧的开路电 压。
在三相变压器中额定电压为线电压。
额定电流 I1N / I2 N ( A )
指在额定容量下，变压器在连续运行时允许通过的 最大电流有效值。在三相变压器中指的是线电流。